Приклад 2. Матеріальні розрахунки.
1). Інтегральне стехіометричне рівняння першої стадії робочої ферментації одержання лимонної кислоти (росту біомаси):
1[C6H12O6](глюкоза) + 2[NH4Cl] + 3[KH2PO4] + 4[NaCl] + 5[MgSO4.7H2O] + 6[ZnSO4.7H2O] + 7[CuSO4.5H2O] + 8[O2](кисень на аерацію) + 9[H2O](на розбавлення) = 9[H2O](на розбавлення) + 10[C3,9 H7 N0,7 O1,9 K0,05 P0,05 Mg0,01 S0,005](АСБ) + 11[H2O](ендогенна вода) + 12[CO2] + 13[C6H6O7](лимонна кислота) + 4[NaCl] + 6[ZnSO4] + 7[CuSO4] + 14[H2SO4] + 15[HCl] + 16[C6H12O6](надлишок глюкози) + 17[NH4Cl] (надлишок) + 18[KH2PO4](надлишок) + 19[H2O](вода солей) + 20[MgSO4](надлишок) + 21[MgCO3].
Оскільки брутто-формула АСБ не містить натрію, цинку та міді, то формально вихідні солі цих металів не витрачаються.
Приймемо 1 = 1. Тоді відомим методом розрахунку визначаємо, що 2 = 0,2692, 3 = 0,0265, 4 = 0,0119, 5 = 0,0029, 6 = 0,0013, 7 = 0,0007.
19 = 75 + 76 + 57 = 0,0329.
Враховуючи, що в 1 м3 ЖС міститься 50 кг глюкози, а також приймаючи, що маса 1 м3 ЖС дорівнює 1000 кг, розрахуємо 9: 1801/189 = 50/(1000 – 50 – 4 – 1 – 0,2 – 0,1 – 0,005). Звідси 9 = 188,89.
З метою спрощення розрахунків приймемо, що маса ЖС дорівнює масі КР. Отже, ця маса становить (180/50)1000 = 3600 кг (3,6 м3).
Згідно з експериментальними даними вміст АСБ в КР становить 10 кг/м3, отже в 3,6 м3 міститься 36 кг АСБ. Таким чином, стехіометричний коефіцієнт 10 = 36/97,7 = 0,368 (де 97,7 – молекулярна маса бруто-формули АСБ).
Оскільки концентрація лимонної кислоти після першого ступеню ферментації згідно з експериментальними даними така ж сама, як і АСБ, то стехіометричний коефіцієнт 13 = 36/190 = 0,189.
Для біосинтезу 1 кг АСБ необхідно 2 кг глюкози. Отже, на біосинтез 36 кг АСБ потрібно 72 кг глюкози. З 1 моля глюкози утворюється 1 моль лимонної кислоти . Отже, для утворення 36 кг лимонної кислоти потрібно (36*180)/190 = 34,1 кг глюкози. Таким чином, надлишок глюкози після першого ступеню ферментації становить 180 – 72 – 34,1 = 73,9 кг, а 16 = 73,9/180 = 0,41.
Вирішуючи баланси по азоту, фосфору, калію, магнію сірці, вуглецю, водню та кисню знаходимо, що 8 = 1,222, 11 = 2,089, 12 = 0,971, 14 = 0,0929, 15 = 0,257, 17 = 0,012, 18 = 0,008.
Матеріальний баланс першого ступеню робочої ферментації без врахування NaOH, який йде на нейтралізацію:
Взято, кг |
Одержано, кг |
Хлорид амонію……………………………14,40 Двозаміщений фосфат калію……………. .3,60 Хлорид натрію……………………………..0,72 Сульфат магнію, семиводний……………..0,72 Сульфат цинку, семиводний…………….…0,36 Сульфат міді, п”ятиводний……………….0,18 Вода на розбавлення…………………..3400,02
Всього ЖС……………..3600
Кисень на аерацію………………………..39,10 |
АСБ……………………………………….36,00 Лимонна кислота…………………………36,00 Глюкоза…………………………………. .73,90 Хлорид амонію…………………………….0,64 Хлорид натрію…………………………….0,72 Двозаміщений фосфат калію……………..1,09 Сульфат магнію……………………………0,13 Карбонат магнію…………………………..0,12 Сульфат цинку……………………………..0,21 Сульфат міді………………………………..0,11 Сірчана кислота………………………….…0,14 Соляна кислота…………………………….9,38 Вода……………………………………..3437,98
Всього КР….3596, 42
Вуглекислий газ (викид)……………….42,68 |
Всього…3639,10 |
Всього…3639,10 |
Глюкоза………………………………….180,00
З урахуванням NaOH, який йде на нейтралізацію сірчаної і соляної кислоти, баланс набуває вигляд:
Взято, кг |
Одержано, кг |
Глюкоза…………………………………..180,00 Хлорид амонію……………………………14,40 Двозаміщений фосфат калію……………. .3,60 Хлорид натрію……………………………..0,72 Сульфат магнію, семиводний……………..0,72 Сульфат цинку, семиводний……………. 0,36 Сульфат міді, п”ятиводний………………..0,18 Вода на розбавлення…………………...3400,02
Всього ЖС……………..3600
10%-й розчин NaOH…………………….103,95 в тому числі NaOH (10,395)
Кисень на аерацію………………………..39,10 |
АСБ……………………………………….36,00 Лимонна кислота…………………………36,00 Глюкоза…………………………………. .73,90 Хлорид амонію…………………………….0,64 Хлорид натрію……………………………15,76 Двозаміщений фосфат калію……………..1,09 Сульфат магнію……………………………0,13 Карбонат магнію…………………………..0,12 Сульфат цинку……………………………..0,21 Сульфат міді………………………………..0,11 Сульфат натрію…………………………….0,20 Вода……………………………………..3536,21
Всього КР……3700,37
Вуглекислий газ (викид)………………….42,68 |
Всього…3743,05 |
Всього…3743,05 |
2). Матеріальний баланс другого ферментера.
В другому ферментері продовжується біоконверсія глюкози на лимонну кислоту. Оскільки згідно з експериментальними даними концентрація кислоти на виході з ферментера становить 25 кг/м3, то всього у ферментері утворюється 3,6*25 = 90 кг кислоти. Оскільки 36 кг її утворюється в першому ферментері, то в другому відповідно 90 – 36 = 54 кг.
З 1 моля глюкози утворюється 1 моль кислоти. Отже, на синтез 54 кг лимонної кислоти витрачається (54*180)/190 = 51, 159 кг глюкози.
Для синтезу кислоти необхідний також кисень: для утворення 1 молю її потрібно 2 моля О2. Масова витрата кисню становить (64*54)/190 = 18,19 кг кисню.
Для екскреції лимонної кислоти застосовують диметилсульфоксид SO(CH3)2. Його потрібно взяти 3700,37*0,005 = 18,5 кг. При його асиміляції утворюються 23,2 кг сірчаної кислоти, 20,87 кг СО2. На проведення процесу асиміляції витрачається 34,15 кг кисню. Для нейтралізації сірчаної кислоти потрібно 18,98 кг їдкого натру (189,8 кг 10%-го розчину). При цьому утворюється 33,68 кг сульфату натрію.
Таким чином, баланс другого ферментера має вигляд:
Взято, кг |
Одержано, кг |
АСБ……………………………………….36,00 Лимонна кислота…………………………36,00 Глюкоза…………………………………. .73,90 Хлорид амонію…………………………….0,64 Хлорид натрію……………………………15,76 Двозаміщений фосфат калію……………..1,09 Сульфат магнію……………………………0,13 Карбонат магнію…………………………..0,12 Сульфат цинку……………………………..0,21 Сульфат міді………………………………..0,11 Сульфат натрію…………………………….0,20 Вода……………………………………..3536,21
Всього КР……3700,37
Диметилсульфоксид………………………18,50 10%-й розчин NaOH……………………..189,80 Кисень …………………...18,19 + 34,15 = 52,34
|
АСБ……………………………………….36,00 Лимонна кислота…………………………90,00 Глюкоза…………………………………. .22,74 Хлорид амонію…………………………….0,64 Хлорид натрію……………………………15,76 Двозаміщений фосфат калію……………..1,09 Сульфат магнію……………………………0,13 Карбонат магнію…………………………..0,12 Сульфат цинку……………………………..0,21 Сульфат міді………………………………..0,11 Сульфат натрію………………………… 33,88 Вода……………………………………..3739,46
Всього КР…..3940,14
СО2 (газовий викид)……………………..20,87
|
|
Всього…..3961,01 |
Всього…..3961,01
3). Узгодження балансу з потужністю і перетворення його в баланс для безперервного процесу.
Оскільки умовами задається те, що осад на фільтрі не містить нативного розчину, то узгодження потужності можна провести не розраховуючи балансів плазмолізу і фільтрування.
Продуктивність установки по лимонній кислоті повинна бути 500000/(330*24) = 63,13 кг/год. Тоді кожну цифру балансів обох ферментерів потрібно помножити на коефіцієнт 63,13/90 = 0,7. Врахуємо також, що біомаса в КР існує у вигляді клітинної маси з вмістом внутрішньоклітинної вологи 75%.
Баланс першого ферментера:
Взято, кг/год |
Одержано, кг/год |
Глюкоза…………………………………..126,00 Хлорид амонію……………………………10,08 Двозаміщений фосфат калію……………. .2,52 Хлорид натрію……………………………..0,50 Сульфат магнію, семиводний……………..0,50 Сульфат цинку, семиводний……………. 0,25 Сульфат міді, п”ятиводний………………..0,13 Вода на розбавлення…………………...2380,02
Всього ЖС……………..2520
10%-й розчин NaOH………………………72,77 в тому числі NaOH (10,395)
Кисень на аерацію………………………...27,37 |
Клітинна маса……………………………100,80 Лимонна кислота…………………………25,20 Глюкоза…………………………………. .51,73 Хлорид амонію…………………………….0,45 Хлорид натрію……………………………11,03 Двозаміщений фосфат калію……………..0,76 Сульфат магнію……………………………0,09 Карбонат магнію…………………………..0,08 Сульфат цинку……………………………..0,15 Сульфат міді………………………………..0,08 Сульфат натрію…………………………….0,14 Вода……………………………………..2399,75
Всього КР…….2590,26
Вуглекислий газ (викид)………………….29,88 |
|
Всього…2620,14 |
Всього…2620,14
Баланс другого ферментера:
Взято, кг/год |
Одержано, кг/год |
|
Лимонна кислота…………………………25,20 Глюкоза…………………………………. .51,73 Хлорид амонію…………………………….0,45 Хлорид натрію……………………………11,03 Двозаміщений фосфат калію……………..0,76 Сульфат магнію……………………………0,09 Карбонат магнію…………………………..0,08 Сульфат цинку……………………………..0,15 Сульфат міді………………………………..0,08 Сульфат натрію…………………………….0,14 Вода……………………………………..2399,75
Всього КР…….2590,26
Диметилсульфоксид………………………12,95 10%-й розчин NaOH……………………..132,86 Кисень ………………….………………….36,64
|
Клітинна маса……………………………100,80 Лимонна кислота…………………………63,00 Глюкоза…………………………………. .15,92 Хлорид амонію…………………………….0,45 Хлорид натрію……………………………11,03 Двозаміщений фосфат калію……………..0,76 Сульфат магнію……………………………0,09 Карбонат магнію…………………………..0,08 Сульфат цинку……………………………..0,15 Сульфат міді………………………………..0,08 Сульфат натрію………………………… 23,72 Вода……………………………………..2529,07
Всього КР…..2745,15
СО2 (газовий викид)……………………...14,61
|
|
|
Всього…..2759,76 |
|
Клітинна
маса……………………………100,80
Всього…..2759,76
4). Матеріальний баланс приготування ЖС.
Приготування ЖС – процес періодичний, пов’язаний з завантаженням води, глюкози та інших компонентів, розчиненням їх, фільтруванням розчину. Для узгодження періодичного процесу з безперервним потрібно мати додатковий реактор-змішувач: в одному реакторі готують ЖС, а з другого безперервно ЖС завантажують першій ферментер. Як правило, час обертання реактору 4-5 годин. Приймемо 5 годин. Помножимо кожну цифру лівої частини балансу першого ферментера на 5 (крім кисню та розчину їдкого натру). В результаті одержимо баланс реактора-змішувача для приготування ЖС:
Взято, кг/5 год |
Одержано, кг/5 год |
Глюкоза…………………………………..630,00 Хлорид амонію……………………………50,40 Двозаміщений фосфат калію……………. 12,60 Хлорид натрію………………………………2,5 Сульфат магнію, семиводний……………….2,5 Сульфат цинку, семиводний……………. 1,25 Сульфат міді, п”ятиводний………………..0,65 Вода на розбавлення…………………...11900,1 |
ЖС…………………………………………12600 |
Всього….12600 |
Всього….12600 |
5). Аналогічно одержуємо баланс процесу приготування 10%-го розчину їдкого натру, який іде і на першій ступінь ферментації (72,77 кг/год), і на другий (132,86 кг/год):
Взято, кг/5 год. |
Одержано, кг/5 год. |
NaOH …………………………………….102,82 Вода ……………………………………...925,33 |
10%-й розчин їдкого натрію…………..1028,15 |
Всього…1028,15 |
Всього…1028,15 |
6). Матеріальний баланс нагрівання клітинної маси.
КР з другого ступеню ферментації змішується з гострою парою і нагрівається з 30 до 65С. Приймемо, що використовують насичену пару під тиском 0,3МПа (3 атм), температура якої 132,9С, а теплота конденсації – 2179 кДж/кг. Питому теплоємність КР приймемо рівною теплоємності води – 4,19 кДж/(кг.К). Витрата КР – 2745,15 кг/год. Масову витрату пари знаходимо з теплового балансу: 2745,15*4,19(65-30) = 2179m + m*4,19(132 – 65), де m – масова витрата пари; m = 163,7 кг/год.
Таким чином, матеріальний баланс нагрівання має вигляд:
Взято, кг/год |
Одержано, кг/год |
Клітинна маса……………………………100,80 Лимонна кислота…………………………63,00 Глюкоза…………………………………. .15,92 Хлорид амонію…………………………….0,45 Хлорид натрію……………………………11,03 Двозаміщений фосфат калію……………..0,76 Сульфат магнію……………………………0,09 Карбонат магнію…………………………..0,08 Сульфат цинку……………………………..0,15 Сульфат міді………………………………..0,08 Сульфат натрію………………………… 23,72 Вода……………………………………..2529,07
Всього КР…..2745,15
Гостра пара……………………………….163,7 |
Клітинна маса……………………………100,80 Лимонна кислота…………………………63,00 Глюкоза…………………………………. .15,92 Хлорид амонію…………………………….0,45 Хлорид натрію……………………………11,03 Двозаміщений фосфат калію……………..0,76 Сульфат магнію……………………………0,09 Карбонат магнію…………………………..0,08 Сульфат цинку……………………………..0,15 Сульфат міді………………………………..0,08 Сульфат натрію………………………… 23,72 Вода……………………………………..2692,77
|
Всього……2908,85 |
Всього……2908,85 |
6). Матеріальний баланс фільтрування.
Відфільтровуватись буде клітинна маса (100,8 кг/год) та карбонат магнію (0,08 кг/год). Всього – 100,88 кг/год. Всього вологого осаду буде утворюватись 100,88/0,8 = 126,1 кг/год.
Води на промивання беруть 2692,77/4 = 673,2 кг/год.
Таким чином, матеріальний баланс фільтрування має вигляд:
Взято, кг/год |
Одержано, кг/год. |
Лимонна кислота…………………………63,00 Глюкоза…………………………………. .15,92 Хлорид амонію…………………………….0,45 Хлорид натрію……………………………11,03 Двозаміщений фосфат калію……………..0,76 Сульфат магнію……………………………0,09 Карбонат магнію…………………………..0,08 Сульфат цинку……………………………..0,15 Сульфат міді………………………………..0,08 Сульфат натрію………………………… 23,72 Вода……………………………………..2692,77
Всього КР……2908,85
Вода на промивання………………………673,2 |
в тому числі:
в тому числі: - лимонна кислота (63,00) - глюкоза (15,92) - хлорид амонію (0,45) - хлорид натрію (11,03) - двозаміщений фосфат калію (0,76) - сульфат магнію (0,09) - сульфат цинку (0,15) - сульфат міді (0,08) - сульфат натрію (23,72) - вода (2692,77) |
Всього……3582,05 |
Всього……3582,05 |
Клітинна
маса……………………………100,80
7). Матеріальний баланс сушіння вологого осаду.
Витрата абсолютно сухої маси з вологим осадом становить 0,25*100,8 + 0,08 = 25,28 кг/год. Оскільки висушений продукт містить 12% вологи, то його одержують 25,28/0,88 = 28,73 кг/год. При цьому водяної пари утворюється 126,1 – 28,73 = 97,37 кг/год.
Баланс сушіння:
Взято, кг/год |
Одержано, кг/год |
Вологий осад………………………………126,1 |
Висушена кормова добавка………………28,73 Водяна пара………………………………..97,37 |
Всього……126,1 |
Всього……126,1 |
8). Таблиці завантажень: