29

Приклад 1.1. Розрахунок об’єму культуральної рідини в ферментаторі

Заданная производительность ферментатора по абсолютно сухой биомассе (АСБ) составляет 1,2 т/сут. Концентрация лимитирующего субстрата с_S = 15 кг/м³. В выходящей из ферментатора культуральной среде содержится 30 кг/м³ био­массы, включающей 75 % внутриклеточной влаги. При периодическом культи­вировании данного штамма микроорганизмов на том же субстрате в лаборатор­ных условиях получены значения констант : _max = 0,87 ч ^-1 и k_S =122 кг/м³.

Процесс культивирования протекает в кинетической области и скорость его не лимитируется наличием продуктов обмена.

При 75 %-ном содержании внутриклеточной влаги концентрация АСБ в выходящей из ферментатора культуральной среде составит

Х_АСБ = 30 (1 0,75) =7,5 кг/м³

Объемный расход культуральной среды через ферментатор определяем по уравнению (1.89 - см.курс лекций)

q_ж = м³/ч.

Удельная скорость роста биомассы в соответствии с уравнением (1.84)

= 0,87 = 0,0953 ч^-1.

Для поддержания в ферментаторе устойчивой концентрации микроорганизмов должно быть выполнено условие

q_ж / V_ж =  = 0,0953 ч-¹ .

Отсюда необходимый объем культуральной жидкости в ферментаторе

V_ж =

Приклад 2.1. Розрахунок швидкості циркуляції рідини в ферментаторі.

Рассмотрим в качестве ферментатора эрлифтный аппарат, скомпонованный из кювет с барботажными трубами круглого сечения (см. рис. 2.2). Основные технические характеристики ферментатора: диаметр D=11000 мм; рабочая высота аппарата H = 13,7 м; номинальный объем V_н = 1300 м³; объем жидкости в аппарате V_ж =480 м³ (коэффициент заполнения аппарата К_з = 0,37); удельный расход воздуха q_уд =0,024 нм³/(с^.м³); число кювет z = 8; диаметр кюветы D_k =2000 мм. Расположение кювет в плане показано на рис. 2.6. Число труб в каждой кювете n = 169, высота труб Н_тр =7,0 м, внутренний диаметр d_тр = 100 мм.

При расчете скорости циркуляции жидкости в барботажных и циркуля­

ционных зонах ферментатора рассмотрим среднее (по высоте) его сечение, где расход барботирующего газа определяется температурой t=34 °С и абсoлютным давлением

p_p= p_o + 0,5 H _ж К_з g = 10⁵ +0,5^.13,7^.1000^.0,37^.9,81= 1,25^.10⁵ Па.

Расход воздуха в этом сечении аппарата

q_г = V_{ж }q_уд = 480 ^. 0,024 = 10,36 м/с.

Суммарная площадь сечений барботажных труб

S_б = z  n  0,785  d²_тp = 8  169  0,785  0,1² = 10,61 м².

Смоченный периметр в барботажной зоне

П_б = n  z   d_тр = 169  8  3,14  0,1 = 424,5 м.

Приведенная скорость воздуха в барботажных трубах

_г = q_г / S_б = 10,36 / 10,61 = 0,976 м/с.

Площадь сечения циркуляционной зоны (см. рис. 2.6)

S_ц = 0,785 (D² – z D ) =0,785 (11,0²- 8^.2² = 69,9 м²

Смоченный периметр в циркуляционной зоне

П_ц =  (D + z D_к) = 3,14 (11,0 + 8 ^. 2) = 84,8 м.

Задавшись газосодержанием в циркуляционной зоне ферментатора _ц = 0,6 и дополнительным газосодержанием (полученным в барботажных трубах за счет ввода в них газа) _г=0,2, в соответствии с уравнением (2.1) получим полное газосодержание в барботажных трубах

_б =_ц + _г —_ц _г = 0,6 + 0,2 — 0,6 • 0,2 = 0,68. Рис. 2.6. Расположение

кювет в эрлифтном фермен-

таторе

Для расчета приведенной скорости _ж в барботажных трубах воспользуемся

уравнением (2.20), приняв в нем

_1б = _1ц =0,5; _2б = _2ц= 1 ; ₁₈₀ = 2,3 [Идельчик - 27].

Тогда:

Н (_б - _ц ) g = 7 (0,68 – 0,6) 9,81 = = =

=42,34 ,

откуда

_ж = = 0,36 м/с.

При скорости жидкости _ж = 0,36 м/с и предварительно выбранном значении _г = 0,2 уточненное дополнительное газосодержание в барботажных трубах в соответствии с уравнением (2.6) должно быть

_г = = 0,307.

Уточненное газосодержание в барботажных трубах по уравнению (2.1) :

_б = 0,6 +0,307 - 0,6 ^. 0,307 = 0,72.

Уточним значение _ж по уравнению (2.20):

Н_тр ( _б_ц)g = 7 (0,72 – 0,6) 9,81 = = =

=53,49

откуда

_ж = 0,392 м/с.

При этой скорости жидкости дополнительное газосодержание в барботажных трубах согласно уравнению (2.6)

_г =

Уточненное содержание газа в барботажных трубах по формуле (2.1)

_б = 0,6 + 0,33 - 0,6^.0,33 = 0,73

отличается от полученного в предыдущем прибли­жении _о = 0,72 всего на 1,4%. Поэтому можно не проводить дальнейшее уточ­нение скорости жидкости и принять окончательно:

_ж = 0,39 м/с.

В рассматриваемом ферментаторе отношение площадей

S _б / S_ц = 10,61 / 69,9 = 0,152.

Поэтому для расчета приведенной скорости жидкости в барботажных трубах можно воспользоваться упрощенной формулой (2.21). В соответствии с этой формулой

_ж = [2 ^. 7 (0.72- 0,6) (1- 0.72)² 9,8 / 8,2]^1/2 = 0,397 м/с.

Эта величина практически не отличается от рассчитанной по более сложной методике скорости жидкости _ж =0,39 м/с.