3.10 Розрахунок та вибір технологічного обладнання

Для виробництва внутрішній діаметр апаратів приймають 2–3 м. Приймаємо D_вн = 3м, висоту еліптичної частини h_ел = 0,75, висоту відбортування h=6 мм

Розрахуємо висоту циліндричної частини Н_ц

Повний об'єм ферментера V_п=V_ц + 2V_дн. (3.1)

Об'єм циліндричної частини V_ц=V_п - 2V_дн. (3.2)

Висота циліндричної частини ферментера,

Н_ц = (V_п - 2V_дн)/F, (3.3)

де F – площа перетину ферментера за внутрішнім діаметром, м²:

F = 0,785 D²_вн

Загальна висота ферментера, м:

Н_заг = Н_ц + 2(h_ел + h). (3.4)

Об'єм еліптичної частини:

V_ел = , (3.5)

де Р₁ – внутрішній тиск в апараті, що не перевищує 0,25 МПа;

η – коефіцієнт міцності шва, η = 0,75–1,0.

До розрахованої висоти апарата додають розміри електродвигуна муфти та редуктора. Висоту культуральної рідини в апараті розраховують за рівнянням:

V_роб = Н_к.р0,785 D²_вн + V_дн, (3.6)

якщо коефіцієнт заповнення 0,6, то V_роб = 50,6= 3м³

Н_к.р=

3.10.1 Розрахунок механічної мішалки

При вирощуванні мікроорганізмів на рідких поживних середовища; глибинним способом рекомендується застосовувати турбінні мішалки Діаметр турбінної мішалки розраховують за формулою

d_м =(0,3–0,33) D_вн

d_м = 0,33=0,9

Частота обертання мішалки, хв^-1,

(3.7)

де – колова швидкість мішалки, м/с.

За одержаною величиною частоти обертання мішалки приймають фактичну швидкість. За прийнятою величиною частоти обертання мішалки за каталогом вибирають редуктор.

Знаючи d_м, за каталогом вибирають мішалку з ефективною системою перемішування. Типи пристроїв для перемішування рідин з різною в'язкістю наведені в табл.3.4.

Таблиця 3.4 – Оптимальні швидкості обертання пристроїв для пере­мішування залежно від в'язкості середовища

Тип пристрою для перемішування	Динамічний коефіцієнт в'язкості середовища (μ), Пас	Оптимальна швидкість обертання мішалки, м/с
Лопатеві, якірні, рамні	0,001 – 4,0 4,0 – 8,0 8,0 – 15,0	3,0 –2,0 2,5 – 1,5 1,5 – 1,0
Турбінні	0,001 – 5,0 5,0 – 15,0 15,0 – 25,0	7,0 – 4,2 4,2 – 3,4 3,4 – 2,3
Пропелерні	0,001 – 2,0	4,8 – 16,0

Розрахунок потужності, що споживається, Вт:

N_м = K_Nρ_cn^{3 5}, (3.8)

де K_N – критерій потужності, що залежить від інтенсивності перемішу­вання і характеризується критерієм Рейнольдса (Re_ц);

ρ_c – густина середовища, кг/м³(1060);

п –число обертів мішалки, хв^-1;

–діаметр мішалки, м;

Приймаємо K_N =10

N_м=1010601,070,9⁵=6697 Вт

Розрахункова потужність на валу мішалки, кВт:

(3.9)

де К₁ – коефіцієнт заповнення апарата культурою, що росте;

К₂ – коефіцієнт, який враховує збільшення потужності, що споживається, через підвищення опору культури в процесі її росту (К₂ = 1,1);

– коефіцієнт, який враховує збільшення потужності, що споживається, на подолання опору від допоміжних пристроїв,

м

де – висота шару рідини, що перемішується,м.

Якщо в період росту культури утворюється піна, то приймають =0,65 Н_ап,

(3.10)

де К_п – коефіцієнт опору перегородок, що відбивають рідину (1,5);

К_м – коефіцієнт опору додаткової мішалки (0,3);

К_тр – коефіцієнт опору труби для підведення повітря(0,1);

К_г – коефіцієнт опору гільзи для термометра(1).

Значення К_п, К_м, К_тр К_г, залежно від типу мішалки наведені

Визначення діаметра вала мішалки проводять за формулою, виходя­чи з міцності його на кручення

, (3.11)

де М_об – момент обертання на валу мішалки, Н  м;

– коефіцієнт допустимого напруження для матеріалу вала на кру­чення 710⁴ мН/м³;

С_м – поправка на корозію та зношення матеріалу вала.

М_об = 0,163 N_p / n_м,

де N_p – розрахункова потужність на валу;

n_м – запас міцності вала.

М_об =0,1633,0297/2,6=0,2 кВт

, (3.12)

Таблиця 3.5 – Значення коефіцієнта для різних типів мішалок

Допоміжний пристрій	Мішалки
	Лопатеві	Якірні та рамні	Турбінні	Пропелерні
Чотири відбивні перегородки В=0,08 Dвн, що розміщені біля стінок основного апарата Кн	1	–	1,5	0,5
Додаткова горизонтальна лопать, що за розмірами дорівнює лопаті основного пристрою для перемішування Км	0,35	–	–	–
Труба для пере тиснення розчину	0,2	0,2	0,2	0,1
Гільза для термометра або поплавковий вимірювач рівня Ктр	0,1	0,1	0,1	0,05
Дві вертикальні труби, що розміщені під кутом більше 90°	0,3	0,3	0,3	0,15
Змійовик з закруткою, який розміщений вздовж циліндричної стінки апарата	2	–	–	–
Спіральний змійовик, який розміщений біля дна апарата при діаметрі труби 0,33 – 0,05 м	2,5 – 3	–	–	–
Деталі для кріплення дифузора	–	–	–	0,05

Кінцеву встановлену потужність N_вст (кВт) привідного електродви­гуна мішалки розраховують за формулою

N_вст = 1,15(N_р + N_с)/η

де η – ККД редуктора приводу (0,95).

N_вст = 1,23,0297/0,95=3,83 кВт

За величиною N_вст потужність 5,5 кВт та частота обертання 31 об/хв.

Розрахунок барботера

Робочий об'єм ферментера при коефіцієнті заповнення 0,6 складає 50,6=3м³

Кількість повітря для аерації, якщо питомий об'єм витрат повітря 0,017 м³

V_пов = 0,0173=0,051 м³

Площа всіх отворів на барботері при швидкості витікання повітря 30 м/с

S_отв = 0,051/30=0,0017 м²

Якщо діаметр отворів прийняти 5 мм, то його площа складатиме 1,9610^-5 та кількість отворів на барботері складатиме

n_отв = 0,0017/1,9610^-5 = 86,73

При D_вн = 3м, d_м = 0,9 м діаметр кільця барботера приймаємо 0,9 м, тоді довжина кільця складатиме

l = 0,93,14 =2,83 м, так як l=2πr

Відстань між отворами складатиме

Δ l' = 2,8386,73 = 33 мм

Через складність процесів, що відбуваються в апараті з механічною мішалкою та барботером, розрахунок та проектування промислових фер­ментаторів мають емпіричний характер .

Приклад ферментера,який використаний в виробництві гензинозиду з механічною мішалкою і барботером(рис.3 .11)

Рисунок 3.11-Ферментер для культивування рослинних клітин.

1.Корпус реактора;

2.Сорочка;

3.Вал мішалки;

4.Мішалка;

5.Привід мішалки;

6.Штуцер для вивантаження продукту.