2. Розрахунково-аналітична частина

Розрахункова частина курсового проекту включає в себе перевірочні розрахунки складових частин ферментера з механічним перемішуючим пристроєм і барботером.

Матеріали, вибрані для деталей і складальних одиниць, повинні забезпечити надійність апарату і мішалки в роботі, і економічність у виготовленні.

При виборі матеріалу необхідно враховувати робочу температуру в апараті, тиск і корозійну активність робочого середовища. Враховуючи ці умови, вибираємо матеріал для корпусу – сталь 12X18H10T.

2.1. Конструктивний розрахунок

Потрібно розрахувати апарат з механічним перемішуючим пристроєм, що забезпечує інтенсивну сорбцію кисню з повітря, необхідну для культивування мікроорганізмів за такими вихідними даними:

• мікроорганізми поглинають розчинений кисень з питомою (віднесеної до одиниці об’єму культуральної рідини середовища) швидкістю: qvc = 1∙10^-3кг/(м³∙с) і виділяють в результаті біохімічних процесів теплоту з питомою швидкістю qvt – 15 кВт/м³;

• робочий об’єм апарату (обсяг неаерованої культуральної рідини) V_Р = 15 м³;

• витрата повітря, що подається в апарат, W_п = 0,1 м³/с;

• температура середовища і концентрація розчиненого в ній кисню підтримуються постійними: t = 35°С;

• С = 0,1С_Р, где С_р – концентрація насичення культурального середовища киснем повітря. [16]

2.1.1 Вибір і розрахунок відсутніх вихідних даних

Для розрахунку апарату вибираємо теплофізичні параметри культуральної рідини при температурі культивування 35°С.

Вибрані параметри приймаємо умовно рівними відповідним характеристикам води при температурі 35°С [14].

• щільність ρ_р = 994 [кг/м³],

• динамічну в’язкість µ_р = 0,73∙10^-3[Па∙с],

• теплоємність с_р = 4,18∙10³[Дж/(кг∙К.)],

• коефіцієнт теплопровідності λ_р = 62, 6∙10^-2[Вт/(м∙К)],

• число Прандтля Рr_р = 4,87.

Впливом на масо- і теплоперенесення потоку рідини через апарат при безперервному процесі культивування, а також втратами теплоти в навколишнє середовище можна знехтувати через їх мале значення.

Для відведення теплоти, що виділяється при біохімічних реакціях і, в результаті інтенсивного перемішування, необхідно встановити поверхню охолодження типу сорочка зі спіральної перегородкою, що утворює спіральні канали з кроком 0,25м і перетином 0,25м x 0,03м.

Як холодоагент використовуємо воду з температурою на вході (початковою) t_п = 15°С і на виході (кінцевою) t_к = 25°С. Теплофізичні параметри холодоагенту вибираємо по середній температурі води: t_сер = 20°С

2.1.2 Вибір типу мішалки і конструкції апарату з перемішуючим пристроєм.

При введенні значної кількості повітря, в апараті утворюється газорідинна система з високим вмістом повітря. Для інтенсивного перемішування газорідинних систем, що прискорюють сорбцію кисню, необхідні значні напруги зсуву і циркуляція (див. таблицю 1.3), що найкращим чином досягається за допомогою відкритих турбінних мішалок.

Обсяг газорідинної системи значно перевищує обсяг неаерованої культуральної рідини V_р. Повний об’єм апарата можна визначити за рівнянням

(2.1)

де φ_зап – коефіцієнт заповнення, що приймається в залежності від особливостей культивування в межах 0,5 – 0,7. Візьмемо φ_зап = 0,6, тоді повний об’єм апарату:

V = 15/0,6 = 25 м³.

Виходячи з об’єму апарату за ГОСТ 20680-86 вибираємо: апарат з еліптичними днищем і від’ємної кришкою (тип 0), сорочкою (тип 01), відкритою турбінною мішалкою в поєднанні з відбивними перегородками (4 шт.) і барботером:

• внутрішній діаметр апарату D = 2800 мм.

• висота корпусу апарату H_а = 4480 мм.