2. Креслення апарату

Креслення мусить давати повне уявлення про зовнішній вигляд та устрій апарату. Цій вимозі більш всього відповідає креслення загального виду, на якому окрім головного виду наводяться інші види, перетини, виносні елементи. До креслення висуваються такі вимоги:

• апарат зображується в робочому положенні; при великому співвідношенні висоти і діаметру апарат можна зобразити з розривом;

• на виносних елементах зображується більш детально те, що недостатньо детально виконано на основному виді;

• для апаратів, що виготовляються серійно, основні розмірі приймаються за даними каталогів; для оригінальних апаратів основні розміри відповідають розрахованим;

• всі основні деталі та вузли апарату означуються номером, який проставляється на полиці лінії виносу;

• в правому нижньому куті виконується основний напис; вище напису на вільному місці виконується таблиця штуцерів.

Додаток 1.

Міністерство освіти і науки України

Дніпродзержинський державний технічний університет

Кафедра Екології, неорганічної

та біологічної технології

К У Р С О В И Й П Р О Е К Т

з дисципліни

“Устаткування виробництва та

основи проектування”

Розрахунково – пояснювальна записка

Виконав:

студент групи БТ-98-1д

Іванов О.М.

Керівник:

канд.техн.наук, доцент

Гуляєв В.М.

Захист проекту відбувся

“___”________ 2002 року.

Оцінка _____________

Дніпродзержинськ, 2002 р.

Додаток 2.

Дніпродзержинський державний технічний університет

Факультет Металургійний Кафедра ЕНБТ

Спеціальність 7.091607 “Біотехнологія”

Дисципліна Устаткування виробництв та основи проектування

Курс IY Семестр YIII

“ЗАТВЕРДЖУЮ”

Зав. кафедрою ЕНБТ

_____________ М.Д. Волошин

“___”_________ 2002 р.

З А В Д А Н Н Я

на курсовий проект

Студенту групи БТ-97-1д ___________________________________

(прізвище, ім’я, по батькові )

Тема курсового проекту: ____________________________________

___________________________________________________________

___________________________________________________________

___________________________________________________________

___________________________________________________________

Строк подання студентом закінченого проекту “__”_______2002 р.

Завдання на окремі частини курсового проекту

Найменування частини	Завдання	Консультант	Підпис
Загальна частина	Фізико-хімічні основи про- цесу. Технологічна схема.	Гуляєв В.М.
Розрахункова частина	Матеріальні, теплові, конструктивні розрахунки	Гуляєв В.М.
Графічна частина	Технологічна схема. Загальний вид апарата.	Гуляєв В.М.

Перелік графічних матеріалів:

1. Апаратурно – технологічна схема

2. Апарат з розрізами

КАЛЕНДАРНИЙ ПЛАН

№ п/п	Етап проекту	Строк виконання
1	Вступ
2	Загальна частина
3	Розрахункова частина
4	Графічна частина

Додаткові умови та відомості: _______________________________________

__________________________________________________________________

______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Дата видачі завдання “___” ___________ 2002 р.

Завдання видав

керівник курсового проекту, доцент Гуляєв В.М. ___________________

(підпис)

Завдання прийняв

до виконання студент ________________

(підпис)

Додаток 3.

Розрахунок об’єму проточного ферментеру

повного змішування

Основними параметрами, що впливають на швидкість реакцій біосинтезу, є:

- початкова концентрація субстрату С⁰_s ;

- кінцева концентрація субстрату С^F_s ;

- концентрація біомаси мікроорганізмів С^F_x ;

- концентрація продуктів метаболізму C^F_P ;

- ступінь утилізації субстрату _s =

Прийнявши допущення, що величини С^F_x i C^F_p зв’язані з С^F_s лінійно, питому швидкість росту мікроорганізмів можна описати рівнянням Моно:

(1.1)

де: k_s – константа насичування, що враховує тільки лімітуючу дію

субстрату, кг/м³ .

Залежність Моно – Ієрусалимського враховує інгібіюючу дію метаболітів константою k_ps :

(1.2)

Ще більш точне значення дає залежність, що враховує лімітування субстратом і різного роду інгібіювання продуктами:

(1.3)

де: k_s (кг/м³), k_p і k_ps (м³/кг) - константи ( див. таблиці 9.1, 9.2, або по завданню керівника проекту).

В проточних ферментерах повного змішування в стаціонарних умовах змінення вмісту компонентів середовища С^F_s , С^F_x , С^F_p , що йде в результаті біохімічних реакцій, компенсується введенням субстрату із свіжим живильним середовищем та видаленням продуктів.

Стаціонарний процес описується такою системою рівнянь:

D(C^F_x – C^o_x )  C^F_x = 0

D(C^o_s  C^F_s )  ^s_x C^F_x = 0 (1.4)

k_v(C^*_O2  C^F_O2 )  _x^O2 C^F_x = 0

де: D_s  швидкість розбавлення середовища, год^-1 ;

^s_x – розходний коефіцієнт по субстрату, кг s / кг х ;

^О2 – розходний коефіцієнт по кисню, кг о₂ / кг х ;

k_v  об’ємний коефіцієнт масопереносу кисню із газу в рідину, год^-1 ;

С^*_О2  концентрація розчиненого кисню, рівновісна концентрації в

газовій фазі, г/л;

(С^*_О2  С^F_O2 )  рушійна сила процесу масопередачі.

В тому випадку, коли мікроорганізми в апарат не вводяться, виконується умова:

 = D (1.5)

Розрахунок проточних ферментерів проводиться в наступній послідовності:

1. Вибір концентрації субстрату в потоці живильного середовища С^o_{S .} Необхідно орієнтуватися на дослідні дані, враховувати можливу інгібіюючу дію субстрату, враховувати підвищення в’язкості культуральної рідини через велику концентрацію біомаси, що з’являється.

2. Визначення кінцевої концентрації субстрату С^F_s ( в потоці мікробної суспензії). Задаючись різними величинами С_s в межах 0  С_s  C^o_s , розраховують для кожної з них величину питомої швидкості споживання субстрату Ф_s :

Ф_s = ( C^o_s – C_s ) кг субстрату/годм³ (1.6)

де величина  визначається по рівнянню (1.2) або (1.3).

Типова залежність зображена на рисунку:

Ф_s

Ф_{s max}

C_{s min} C_{s доп} С_{s опт} С_s

Рисунок 1. Змінення питомої швидкості споживання субстрату

для різних значень С_s

C_{s min} – мінімальна концентрація субстрату в ферментері, що не лімітує

ріст біомаси;

С_{s доп} – допустима концентрація субстрату по умовам його остаточної

кількості в готовому продукті;

С_{s опт} – концентрація субстрату, при якій Ф_s максимальна.

Величину С_s вибирають з умов:

С_{s min}  C^F_s  C_{s доп} ; Ф_s  0,5 Ф_{s max}

3. Визначення питомої швидкості росту  . При визначених значеннях С^o_s i

C^F_s розраховують  по рівняннях (1.2) або (1.3).

4. Визначення величини економічного коефіцієнту Y^x_s . Користуючись

рівнянням (1.5), визначають величину Y^x_s із залежності Y^x_s = f (D) або приймають по експериментальним чи літературним даним.

5. Визначення продуктивності ферментера по біомасі Ф_х :

Ф_х = ( С^о_s  C^F_s )Y^x_sD кг АСБ / годм³ (1.7)

6. Визначення сумарного робочого об’єму:

V_p = м³ , (1.8)

де А_х(ч) – годинна потужність по АСБ:

А_х(ч) = (1.9)

де: К_пот – загальний коефіцієнт втрат продукту на наступних

стадіях переробки;

Т_еф  ефективний фонд часу роботи ферментеру в рік, добу.

7. Визначення сумарного геометричного об’єму:

V_г = м³ , (1.10)

де К_зап – коефіцієнт заповнення ферментеру (див. табл.9.4

додатку 9 )

7. Визначення числа ферментерів:

n = (1.11)

де V_ф - геометричний об’єм одного вибраного ферментера.

Додаток 4.

На рисунку приведена схема батареї ферментерів:

С^о_s C¹_s C²_s C_s^i-1 C_sⁱ C_s^n-1 C^F_s

C^o_x C¹_x C²_x C_x^i-1 C_xⁱ C_x^n-1 C^F_x

Ферм.1 Ферм.2 Ферм. i Ферм. n

Рисунок 2. Принципова схема батареї ферментерів

Розрахунок заснований на наступних положеннях:

• продуктивність першого ферментера максимальна;

• кількість апаратів в батареї зумовлена досягненням певної величини С^F_s

Послідовність розрахунку наступна:

1. Вибір величини С^o_s і визначення величини С^F_s .

2. Визначення величини С¹_s = C¹_{s опт} , що забезпечує максимальну продуктивність першого апарату. Математично ця умова записується так:

= 0

Цій умові відповідає рівняння:

(k_s – k_ps)(C_s)² – 2(k_s k_ps + k_sC_s^o)C_s + k_sC_s^o (k_ps + C_s^o ) = 0 (2.1)

для випадку, коли  виражається рівнянням (1.2), і рівняння:

(k_p – 1)(C_s)² – 2(k_s + k_pC_s^o)C_s + C_s^ok_s + k_p(C_s^o)² = 0 (2.2)

для випадку, коли  виражається рівнянням (1.3).

Цю ж величину С¹_{s опт} можна визначити по рис.1.

3. Розрахунок величини питомої швидкості росту  для першого ферментеру по рівнянню (1.2) або (1.3). Визначення швидкості розбавлення D із співвідношення (1.5).

4. Визначення концентрації субстрату С_sⁱ в кожному наступному ферментері батареї по наступним рівнянням, що отримані шляхом перетворення рівнянь (1.2) і (1.3) відповідно:

(С_sⁱ )³ + (k_s – k_ps  C_s^o  C_s^i-1 + )(C_sⁱ)² + (C_s^i-1k_ps  k_sk_ps +

+ C_s^i-1 C_s^o  k_sC_s^o  C_s^i-1k_s  )C_sⁱ + C_s^i-1k_s(k_ps + C_s^o) = 0

(2.3)

Dk_ps(C_sⁱ )³ + _max  D(C_s^i-1k_ps + C_s^ok_ps + 1  k_p)(C_sⁱ)² + DC_s^i-1(1 +

+ k_psC_s^o  k_p )  D(k_s + k_pC_s^o)  _maxC_s^oC_sⁱ + DC_s^i-1(k_s + k_pC_s^o) = 0

(2.4)

Розрахунок закінчують, коли концентрація С_sⁱ чергового апарату батареї стане не вище визначеної в 1 пункті величини С^F_s .

5. Визначення концентрації біомаси С_х^і в кожному ферментері батареї:

С_х^і = ( С_s^o – C_sⁱ )Y_s^x (2.5)

де економічний коефіцієнт Y_s^x визначається так же, як в п.4 додатку 3.

В останньому апараті С_xⁿ  C_x^F .

6. Визначення продуктивності Ф_х батареї:

Ф_х = С_s^F  D (2.5)

7. Визначення сумарного реакційного об’єму ферментерів по рівнянню (1.8) .

7. Визначення сумарного геометричного об’єму ферментерів по рівнянню (1.10).

7. Визначення числа ферментерів по рівнянню (1.11).

7. Визначення числа батарей:

N = n / n_б (2.6)

де n_б – число апаратів в баратеї.

Додаток 5.

Матеріальний баланс проточного ферментера

Задача розрахунку матеріального балансу – є визначення витрат елементів живлення для забезпечення заданої потужності А_х . Розрахунок проводиться на основі стехіометричних рівнянь росту мікроорганізмів, загальний вигляд яких такий:

_х^sS + _x^O2O₂ + _x^NN + _x^PP + … X + _x^co2CO₂ + _x^H2OH₂O + _x^Мет М

(3.1)

де  - розходні коефіцієнти компонентів живлення та створюючих речовин на 1 кг біомаси ( див. табл.9.3 додатку 9 ).

На рисунку 3 наведена схема потоків стадії ферментації з умовними означеннями.

Поток субстрату W_s

Стадія

ферментації

Поток води W_H2O Поток газу що Параметри потоку

виходить _А , ^А_О2 , ^А_СО2

W_A

W_I1

W _{I2 Потоки компонентів Поток живильного середовища} W_c Поток мікробної суспензії

Параметри потоку W_F

W _{I3 живлення} W_{ I} _о С_s^o C_x^o C_I^{o Параметри потоку:}

_F C^F_q C^F_I C^F_x

Поток засівного матеріалу Поток Параметри

аеруючого газу потоків

W_x W_G _G _O2 _CO2

Рисунок 3. Схема потоків стадії ферментації.

Для розрахунку необхідні наступні вихідні дані:

1. Годинна потужність А_х (ч) - по рівнянню (1.9).

2. Економічний коеффіцієнт Y_s^x ( див. п.4 додатку 3).

3. Елементний склад біомаси в масових долях ^х_I , кг І / кг х.

4. Концентрація початкова субстрату С_s^o та залишкового субстрату С_s^F

(див. п.1 і 2 додатку 3 ).

5. Концентрація елементів живлення в мікробній суспензії, не лімітуючі активність культури (по літературним даним) С_І^F

6. Об’ємна доля кисню в газовому потоці, що входить - ^G_O2

7. Ступінь утилізації кисню _О2 ( задається).

Розрахунок ведеться в наступній послідовності:

1. Концентрація біомаси в потоці мікробної суспензії

С_x^F = (C_s^o - C_s^F ) Y_s^x кг Х / м³ (3.2)

2. Об’ємний видаток мікробної суспензії

W_F = м³/год (3.3)

3. Щільність мікробної суспензії _F залежить від складу її та температури (див. рис.9.1 додатку 9 , або задається):

_F = f ( C_x^F , C_s^F , C^F_I , t ) кг/м³ (3.4)

4. Масовий та об’ємний видатки субстрату:

М_s = кг/год (3.5)

W_s = м³/год (3.6)

5. Об’ємний видаток живильного середовища:

W_o = м³/год (3.7)

6. Концентрація елементів живлення в потоці живильного середовища:

С^o_I = C^F_x  ^x_I кг/м³ (3.8)

7. Об’ємна витрата компонентів живильного середовища:

W = м³ /год (3.9)

Кожний елемент живлення подається на ферментацію в складі будь-якої речовини – допоміжного матеріала.

_І^дм - масова доля елементу живлення в допоміжному матеріалі.

С_дм^WI - концентрація допоміжного матеріалу в відповідному потоці (береться з літературних даних або задається).

8. Об’ємні видатки входящого та виходящого газових потоків W_G i W_A :

W_G = м³/год (3.10)

W_A = W_G  + м³/год (3.11)

де: і - видаткові коефіцієнти по кисню та вуглекислому газі

(див. табл.9.3 додатку 9).

9. Об’ємна доля О₂ в виходячому газі:

(3.12)

10. Об’ємна доля СО₂ в виходящому газі:

(3.13)

7. Об’ємний видаток технологічної води:

W_H2O = м³/год (3.14)

Додаток 6.

Розрахунок теплоти життєдіяльності, що

виділяється при рості мікроорганізмів

При розрахункові теплоти життєдіяльності Q_ж треба враховувати два теплових ефекти – теплоту синтезу біомаси і продуктів метаболізму Q_ж^’ і теплоту окислення частини субстрату, компенсуючого енергетичні витрати мікроорганізмів Q_ж^” :

Q_ж = Q_ж^’ + Q_ж^”

або в перерахунку на 1 кг біомаси:

q_ж = q_ж^’ + q_ж^” (4.1)

Перший тепловий ефект визначають на підставі закону Гесса:

q_ж^’ = q_s - q_x - q_p (4.2)

де : q_x - теплота згоряння 1 г біомаси мікроорганізмів. З достатньою

точністю ця теплота може бути взята рівною 20,0 кДж/г для

бактеріальної та 21,8 кДж/г для дріжджової культури

мікроорганізмів;

q_s - теплота згоряння субстрату, витраченого на синтез 1 г біомаси;

q_p – теплота згоряння метаболітів, що створюються паралельно при

синтезі 1 г біомаси.

Теплоти згоряння органічних сполук беруть з довідників або визначають по відповідній методиці 3, с.10-18.

Розрахунок ведуть наступній послідовності.

1. Розходні коефіцієнти субстрата на конструктивний і енергетичний обмін _к^s i _е^s :

^s_е = ^s_x  (4.3)

^s_к = ^s_x  (4.4)

де т – коефіцієнт енергетичного обміну, визначається по таблиці 9.3 додатку 9.

2. Теплота, що виділяється при синтезі біомаси:

q_ж^’ = q_{сг s}  _x^s  q_x кДж/г Х (4.5)

де q_{сг s} – теплота згоряння 1 г субстрату, кДж/г S.

3. Теплота, що виділяється при окисленні частини субстрату:

q_ж^” = q_{сг s}  _е^s (4.6)

4. Загальна теплота життєдіяльності:

Q_ж = (q_ж^’ + q_ж^” ) 10³ А_х(ч) (4.7)

Додаток 7.