Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы биоинженерии. Учебно-методическое пособие
.pdf
ϑ
ϑ
ϑ
ϑ
μ
ϑ
−
= μ(S0 - S), кг субстрата/ч•м3, где μ - по уравнению, (1 или 2) и строим
S
график:
S
MAX
ϑ
S
S
min
S
доп
S
опт
Рисунок 17 - Выбор концентрации субстрата в потоке питательной среды
S
– минимальная концентрация субстрата, не лимитирующая рост биомассы;
min
– допустимая концентрация субстрата по условиям его остаточного
S
доп
количества в готовом продукте;
– концентрация субстрата, при которой
S
опт
Величину S выбирают из условий: S
Определение удельной скорости роста
S
S
< S < S
min
доп
имеет максимальное значение.
;
> ½
S
MAX
ϑ
S
При определенных значениях S
Определение экономического коэффициента Y
и S рассчитывают μ по уравнению (2).
0
X
Из равенства μ = Д определяют величину YX из зависимости YX = f(Д) или
принимают по опытным или литературным данным.
Определение продуктивности ферментера по биомассе
)(
g = (S
- S)•Y
0
X
Д =
•
V
SS
O
S
α
•
Определение суммарного рабочего объема V
производительность по биомассе G
x(час)
=
;
Yα=
1
S
;
S
= GX/g, где GX – часовая
p
X
ТКG•
ЭФФОПТ
где К
;
– общий
опт
коэффициент потерь продукта на последующих стадиях переработки, Т
эффективный фонд времени работы ферментера в год, ч.
Определение суммарного геометрического объема
V
= Vp/К
Г
Определение числа ферментеров N = V
зап
, где VФ – геометрический объем
Г/VФ
данного выбранного ферментера, округляем до N`больше чем N
Определение коэффициента использования
N
К
исп
=
•
`
N
%100
эфф
–
91
6.1 Определить количество эрлифтных ферментеров объемом 500 м3 в цехе
μ
производства дрожжевой биомассы на н-парафинах с использованием культуры
Candida tropicalis (штамм 303).
= 50000 т/г
G
X
= 0,33 ч-1
MAX
К
= 12,5 кг/м3
S
= 32 кг/м3
К
РS
= 0,8
К
зап
S
α
= 1,2 кг/кг
= 0,83
К
м.вр.
Выбираем значение S = 30 кг/м
Задаем 8 значений S в пределах: 0 < S < S
Рассчитываем )( SS
•=
μμ
μ
ϑ
μ
ϑ
μ
ϑ
μ
ϑ
μ
ϑ
μ
ϑ
μ
ϑ
MAX
ϑ
S
•=
33,0
S
•=
33,0
S
•=
33,0
S
•=
33,0
S
•=
33,0
S
•=
33,0
S
•=
33,0
S
=•=
4
7
10
12
15
18
25
S
S
SK
+
S
=−=
=
+
45,12
=−=
=
+
75,12
=−=
=
+
105,12
=−=
=
+
125,12
=−=
=
+
155,12
=−=
=
+
185,12
=−=
=
+
255,12
1,1522,0
O
−=
μϑ
1
•=
33,0
709,0)130(024,0
08,0
08,2)430(08,0
12,0
73,2)730(12,0
15,0
93,2)1030(15,0
16,0
91,2)1230(16,0
18,0
70,2)1530(18,0
195,0
34,2)1830(195,0
22,0
3
S = 1;4;7;10;12;15;18;25
0
=
+
024,0
15,12
92
Строим график
ϑ
ϑ
ϑ
•
S
MAX
=
3
2
1
MAX
ϑ
S
2
3
2
1
S
5 10 15 20 25
Рисунок 18 -Выбор концентрации субстрата в потоке питательной среды
должен быть больше 3/2 = 1,5
S
S
< S < S
min
Выбираем S = 5 кг/м
, т.е. S > 4 до 8.
доп
3
Определяем μ по уравнению:
S
•=
μμ
MAX
μ
•=
33,0
•
+
SK
S
5
•
+
55,12
32
K
PS
+−
30532
;
−+
SSK
ПOPS
053,0
=
Определяем экономический коэффициент
Y
X
=
α
11
==
2,1
S
83,0
Продуктивность ферментера
X
Д = (30-5)•0,83•0,053 = 1,1 кг/м3ч
•
==
50000000
••
83,024365
X
3)(−
•=
/10877,6
G
g = (S
ЧАСX
-S)•Y
0
G
T
ЭФФ
Определяем суммарный геометрический объем
V
V
Г
V
P
ЗАП
6251
8,0
3
гдеVм
,7815
G
ЧАСХ
P
)(
g
Определяем число ферментеров
V
7815
N =
Г
V
500
Ф
166,15
≈==
Определяем коэффициент использования
6,15
=
К
исп.
16
=•
%5,97%100
93
, где Т
чкг
=====
= К
эфф
•
10877,6
м.вр.
3
6251
=
3
м
1,1
24365 •
6.2 Мощность завода, работающего по периодической схеме, может быть
•
τ
τ
•
•
определена по формуле:
G =
••
321
ττ
+
П
TXVKKK
••
ЭФ
, где
G – мощность завода, кг/год;
– выход целевого продукта от содержания культуральной жидкости;
К
1
– коэффициент, учитывающий брак;
К
2
К
– коэффициент заполнения ферментера;
3
V – общий объем ферментеров;
Х – концентрация целевого продукта в культуральной жидкости в момент τ,
3
;
кг/м
τ – продолжительность культивирования, сут;
τ
– продолжительность подготовительных операций на один цикл, сут.
П
6.3 Определить мощность завода, работающего по периодической схеме, по
производству пищевых хлебопекарных дрожжей, если выход дрожжей от
содержания в культуральной жидкости составляет – 90 % (К
заполнение ферментера – 70 % (К
3
(V) каждый, концентрация дрожжей в культуральной жидкости – 20 кг/м3 (Х), в
м
). В цехе установлено 2 ферментера (N) по 200
3
году 250 рабочих дней (ТЭФ), 1 цикл культивирования – 4 дня (
подготовительно-заключительное время – 0,8 суток (
•••
G =
=G
••
321
ττ
+
П
+
8,04
TXVNKKK
ЭФ
;
•••••
2502020027,085,09,0
223000
=
кг или 223 тонн.
)
ЗП −
), брак – 15 % (К2),
1
К
),
Если ферментер будет работать по непрерывной схеме и скорость протока
3
составит 10 м
μ
/час, то в условиях установившегося равновесия:
10
F
Д
V
==== ч
200
1
−
05,0
Продуктивность ферментера;
g = Д•Х = 0,05•20 = 1кг/м3•ч
G = К
1•К2•К3
•N•g•V•TЭФ = 0,9•0,85•0,7•2•1•200•24•250 = 1285 тонн.
Таким образом, мощность завода, работающего по непрерывной схеме,
возрастает по сравнению с мощностью завода, работающего по периодической
схеме, но с таким же количеством оборудования и эффективным фондом времени
работы оборудования в
N =
1285
223
76,5
= раза.
Опыт развития наиболее передовой отрасли биотехнологии – промышленности
антибиотиков - свидетельствует о том, что по мере совершенствования технологии
основные показатели стадии культивирования изменяются. Так, концентрация ан-
94
тибиотиков Х в конце цикла за период около 30 лет увеличилась в 100 – 1000 раз.
τ
также увеличился в несколько раз и сейчас составляет 0,5-0,75. Брак, основной
К
1
причиной которого является попадание в ферментер посторонних микроорганизмов, сократился, но все же составляет 10 – 20 % (т. е, К
= 0,8 –0,9). К3 за счет пе-
2
нообразования остальных параметров стал равен 0,6 – 0,8. τ = 2 – 5 суток практически не меняется.
≈
Значение
составляет 0,5 – 1 сутки для ферментеров объемом 10 – 100 м3 и
П
также существенно не меняется.
6.4 Рассчитать удельную производительность ферментеров по биосинтезу
γ – интерферона человека, если:
Культура E. сoli за 10 часов образует 50 г продукта в ферментере объемом
10•10
-3 м3
(10 л) (вариант “а”)
Культура клеток СНО (яичник китайского хомячка) за 2 часа образует 0,01 г
продукта в ферментере объемом 1•10
-3 м3
(1 л) (вариант “б”)
Какой способ эффективнее с точки зрения производительности?
3
−
1050
g
a
g
б
N =
m
=
=
=
•
τ
V
•
1001,0
•
101
g
а
g
б
•
−
3
−
=
==
005,0
100
−
5,0
101010
••
раз.
=
кг
33
•
005,0
кг
=
33
•
чм
г
⎛
⎜
чм
⎝
⎞
⎟
чл
•
⎠
г
5,05,0
•
чл
Т.е., вариант “а” в 100 раз эффективнее технологии “б”, но в случае “б” идет
посттрансляционное дифференцирование (например, глюкозилирование) γ –
интерферона и его выделение из клеток в биологически активном состоянии.
Определить годовое количество биологически активного продукта,
полученного способом “а” и “б”, если режим работы непрерывный, К
= 0,85, V
маш
= 50 л, а потеря активности готового продукта в случае “а” в 1000 раз больше, чем
в случае “б” (в случае “б” весь продукт является биологически активным).
G = g
G
G
a•Ткал•Кмаш
= 0,5•365•0,85•24•50•10-3•1000-1 = 0,186 кг;
a
= 0,005•365•0,85•24•50•10-3 = 1,86 кг;
б
•V;
Т.е., вариант “б” в 10 раз эффективнее, т.к. полученный продукт – чистый и
имеет высокую биологическую активность.
Вопросы для самоподготовки
1. Общая схема расчета процесса в биореакторе
2. Блочная структура модели биореактора
3. Расчет процессов культивирования МО на основе кинетических зависимостей
4. Уравнение Моно и Моно-Иерусалимского
5. Графическое определение параметров уравнения Моно
95
6. Расчет технологических показателей процесса культивирования
μ
μ
μ
μ
7. Схема расчета каскада смесителей равного объема
8. Общие понятия о материальном балансе
9. Материальный баланс по исходному веществу
10. Расчет объема и числа проточных аппаратов полного смешения
11. Сравнительные технологические и экономические характеристики непрерывного
и периодического культивирования
Тестовые задания для самоподготовки
1. В блочную структуру модели
биореактора не входят модели:
а. биохимического реактора
в. массообмена
с. теплообмена
д. микросмешения
е. пенообразования
2. Уравнение Моно записывается в виде:
S
•
m
а.
в.
с.
д.
е.
=
μ
=
μ
=
μ
=
μ
S
m
=
μ
K
SK
+
S
S
SK
+
S
S
•
m
SK
−
S
S
•
SK
+
S•
S
3. Данные кинетического эксперимента следующие:
Опыт 1 – μ
Опыт 2 - μ
Найти графически μ
а. μ
в. μ
с. μ
д. μ
е. μ
= 0,45; KS = 0,5
m
= 0,1; KS = 0,1
m
= 1; KS = 0,5
m
= 0,5; KS = 1
m
= 1; KS = 1
m
= 0,2 ч-1; S1 = 0,4 г/л
1
= 0,28 ч-1; S2 = 0,8 г/л
2
и KS.
m
4. Общий вид материального баланса по исходному веществу:
а. W
в. Wвх = W
с. Wвх – W
д. Wвх + W
= W
вх
вых
нак
– Wр = W
вых
+ Wр = W
вых
нак
нак
96
е. Wвх = W
μ
нак
– W
вых
– W
р
5. Поток питательной среды, входящий в ферментер, не содержит:
а. субстрат W
в. воду W
с. компоненты питания
д. посевной материал W
е. стерильный воздух W
S
b
W
i
∑
x
G
3
6. Объемный расход микробной суспензии, м
G
а.
W
ЧАСX )(
=
/час:
X
W
в.
W =
X
с.
д.
е.
G
W
ЧАСX
0
W
=
0
S
S
X
SMW
−=
00
)(
S
=
M
7. Объемный расход питательной среды, м
W
0
а.
в.
с.
д.
е.
μ
μ
W
μ
S
S
0
μ
S
S
=
S
0
S
0
=
W
0
S
=
S
0
W
0
−=
S
0
1
=
S
0
3
/час:
8. Для стационарного режима в проточном ферментере применима зависимость:
а. Д = (х-х
в. Д = (х-х
с. Д = (х-х
д. Д = -х
) – μх < 0
0
) – μх = 0
0
) – μх > 0
0
– μх < 0
0
е. Д = – μх < 0
9. Конечную концентрацию субстрата в потоке микробной суспензии определяют,
исходя из условий:
97
а. S >> S
в. S ≈ S
с. S
д. S
е. S ≈ S
< S < S
min
> S > S
min
min
min
доп
доп
доп
98
Лекция 12.
Тепловой расчет процесса культивирования. Энергетические затраты.
Тепловой баланс ферментера
План лекции
1. Уравнение теплового баланса
2. Расчет отдельных статей теплового баланса
3. Расчет теплового баланса ферментера ВДА – 100
1. Теплообменные процессы связаны с кинетикой утилизации субстрата
микробными клетками и скоростью образования биомассы.
, где
++++=++
расч
2
•К;
QQQQQQQQ
ПВЫХИСПАКОХЛВХМВ
устройства отводить избыток тепла.
= К•F•∆t
2
;
ср.лог.
, где
> Q
расч
охл
.
∑
– тепло биохимического превращения
Q
Б
– тепло, выделяющееся при механическом перемешивании среды приход
Q
М
– тепло с аэрирующим газом и технологическими потоками
Q
вх
∑
– тепло, отводимое через теплообменники
Q
охл
– тепло, аккумулированное в системе
Q
ак
– тепло на испарение жидкости расход
Q
исп
– тепло с технологическими потоками
Q
вых
– тепловые потери
Q
П
С учетом реальных условий производства это уравнение можно упростить:
и QП << QБ и QМ, поэтому этими величинами можно пренебречь.
Q
исп
Для изотермических условий Q
Тогда:
- тепло, которое нужно отвести в процессе ферментации.
Q
охл
∑
Решение вопроса теплоотвода связано с большими капитальными вложениями,
которые складываются из затрат на систему оборотного водоснабжения, затрат на
холодильные установки и т.п. Эти положения определяют необходимость точного
расчета процесса теплоотвода.
Конечной целью при проектировании теплового расчета ферментера является
определение возможности теплообменного
Известно, что Q
- расход охлаждающей воды, кг/с;
W
в
– удельная теплоемкость воды, Дж/кг•К;
С
В
, tн – конечная и начальная температура охлаждающей воды, 0С;
t
к
= WВСВ (tк – tн); Q
охл
К – коэффициент теплопередачи, Вт/м
F – площадь поверхности теплообмена, м
∆t
– средняя логарифмическая разность температур.
ср.лаг
В результате расчета должно быть установлено, что Q
= 0.
ак
=−++
QQQQQ , где
ОХЛВЫХВХМБ
99
2. Расчет отдельных статей теплового баланса.
τ
τ
τ
1. Q
– определяют по мощности, затрачиваемой на перемешивание, которую
м
находят путем расчета или экспериментально по силе потребляемого тока.
= qм•VP•τ; qм = 3600 Nуд, где Nуд – удельная рабочая мощность мешалки,
Q
м
3
кВт/м
q
;
– удельные тепловыделения от перемешивания, кДж/м3ч;
м
τ – время работы, ч;
V
Обычно N
2.
– рабочий объем ферментера, м3.
∑
p
≈
Q
вх
≈ 1-3 кВт/м3, а qм ≈ 3600-11000 кДж/м3ч
м
, но если отличие большое, то их можно рассчитать по
Q
вых
∑
известным формулам:
Q
Q
3. Q
= Fп•Vф•Сi•tн;
вх
= Fп•Vф•Сi•tк;
вых
– суммарный тепловой эффект биосинтеза может существенно меняться в
б
зависимости от состава питательной среды, количества биомассы, вида аппарата.
Поэтому возможен только ориентировочный расчет для некоторых производств.
Экспериментально установлено, что q
ферментов составляет примерно от 4000 до 30000 кДж/м
3
антибиотиков-до 55000 кДж/м
от τ, выражаемая следующим уравнением:
q
б
= aX + b
q
б
dX
, кДж/м3ч, где а – количество тепла, выделяющееся при
d
ч, причем наблюдается экстремальная зависимость
при культивировании продуцентов
б
3
ч, для продуцентов
поддержании жизнедеятельности единицы биомассы, кДж/млрд.кл•ч;
Х – концентрация микроорганизмов, млрд.кл/м
3
;
b – количество тепла, выделившееся при синтезе единицы биомассы,
кДж/млрд.кл;
dX
- скорость роста, млрд.кл/м3•ч;
d
= qб•Vф• τ
Q
б
q
qб
б
aX
b
dX
d
τ
Рисунок 19 - Суммарный тепловой эффект биосинтеза
100
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]