Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы биоинженерии. Учебно-методическое пособие
.pdf
Невязка баланса: 46653 – 46652 = 1 кг/час или 0,002 %
Расчет по «биомассе»
Дополнительные данные.
= 0,029 – доля биомассы в отработанном тепловом агенте
К
15
= 0,019 – доля биомассы в парах влаги на выпарке
К
13
К
= 0,019 – доля биомассы в отсепарированной жидкости сепарации II
12
2
1. L
2. L
3. L
4. L
L
= K12 L3 = 0,019 •1070 = 20,3 кг/ч
12
= K13 L 4 = 19,95 кг/ч
L
13
L
= K15 L5 = 0,029 •1030 = 29,87 кг/ч
15
= 1000 кг/ч
6
= L15 + L6 = K
5
– K15 L5 = L6;
L
5
(1- K15) = L6;
L
5
L
1 K
−
1030
1
К−
1050
1
К−
6
=
15
+ L6 = L13 + 1030 = K13 L4 + 1030;
15
=
13
= 1070 кг/ч
12
−
=
L
5
= L13 + L
4
L
– K13 L4 = 1030;
4
=
L
4
2
= L12 + L4 = L12 + 1050 = K12 L3 + 1050;
f
2
≈ L2 ≈ L3;
L
f
= K12 L3 + 1050;
L
3
– K12 L3 = 1050;
L
3
(1-K12) = 1050;
L
3
=
L
3
15 L5
1000
029,01
1030
−
+ L6;
= 1030 кг/ч
= 1050 кг/ч
019,01
L
2
L
А СВ
L
=1070
f
2
L3 = 1070 L4 = 1050
= 20,3
12
L
L
= 1030
5
L
L
= 20
13
= 29,9
15
Е Д
= 1000
6
Рисунок 9 - Материальный баланс по биомассе
61
Таблица 3 - Материальный баланс по биомассе
Приход Расход
Составляющие кг/час % Составляющие кг/час %
1. Биосинтез 1070 100 1. С отсепарированной
20,3 1,9
жидкостью (I)
2. С конденсатом 20 1,87
3. С технологическим
29,9 2,79
агентом
4. Готовый
1000 93,46
продукт
Итого 1070 100 Итого 1070,2 100
Невязка баланса: 0,2 кг/ч или 0,02 %
Расчет по субстрату
Дополнительные данные.
Остаточное содержание субстрата в биомассе – 0,2 %
К
= 0,701 – доля субстрата в отработанном тепловом агенте
4
= 0,647 – доля субстрата в парах влаги на выпарке
К
3
= 0,679 – доля субстрата в суспензии после второй сепарации
К
2
= 0,700 – доля субстрата в суспензии после первой сепарации
К
1
S
= 1,075
α
1
1. L
2. L
3. L
4. L
= 21000
6
= L6 + L15 = L6 + K4 L5 ;
5
L
– K4 L5 = L6;
5
(1 – K4) = L6;
L
5
= 7,6
L
5
= L13 + L5 = K3 L4 + L5;
4
– K3 L4 = L5;
L
4
= 19
L
4
= L12 + L4 = (1 – K2) L3 + L4;
3
– (1-K2) L3 = L4;
L
3
– L3 + K2 L3 = L4;
L
3
K
2 L3
=
L
3
2,0
100
0,2
700,01
−
7,6
647,01
−
= L4;
19
= 28 кг/ч
К
2
=• кг/ч;
=
=
кг/ч
кг/ч
5. L
= L11 + L3 = (1-K1) L2 + L3;
2
– (1-K1) L2 = L3;
L
2
L
– L2 + K1 L2 = L3;
2
62
L2 =
6. L
7. L
8. L
9. L
10. L
11. L
12. L
28
= 40 кг/ч
К
1
*
=
f1
= L
7
= (1-K4) L2 = 0,299 •6,7 = 2 кг/ч;
6
= K4 L5 = 0,701•6,7 = 4,7 кг/ч;
15
= K3 L4 = 0,647 •19 = 12,29 кг/ч;
13
= (1-K2) L3 = (1-0,679) •28 = 8,99 кг/ч;
12
= (1-K1) L2 = (1-0,7) •40 = 12 кг/ч;
11
2
S
α
L
= 1070 •1,075 = 1150 кг/ч;
f
*
+ L2 = 1150 + 40 = 1190 кг/ч;
f1
13.
L7 = 1190 L2 = 40
L
L
L11= 12 L12 = 9
А СВ
= 28 L4 =19
*
= 1150
f1
3
ЕД
= 4,7
15
1
6
= 2
L
L
L
= 12,3
13
= 6,7 L
5
Рисунок 10 - Материальный баланс по субстрату
Таблица 4 - Материальный баланс по субстрату
Приход Расход
Составляющие кг/час % Составляющие кг/час %
1. Питательная среда 1190 100 1. На биосинтез 1150 96,64
2. С отсепарированной
жидкостью (I) (II)
12
9
1,01
0,76
3. С конденсатом 12,3 1,03
4. С воздухом 4,7 0,39
5. Потери с готовым
2 0,17
продуктом
Итого 1090 100 Итого 1190 100
Вопросы для самоподготовки
1.Расчет схем по операторным моделям
2.Расчет схем по цикломатическим потоковым графам
3.Понятие цикломатической матрицы и принцип ее составления
63
Тестовые задания для самоподготовки
1.Каждый элемент цикломатической матрицы определяется из следующих соотноше-
ний:
= + 1, если поток не входит в цикл j
а. С
ij
= + 1, если поток входит в цикл j
в. С
ij
с. С
= 0, если поток входит в цикл
ij
= 0, если ориентация потока противоположна ориентации цикла
д. С
ij
= - 1, если поток входит в цикл j
е. С
ij
2.Базисные переменные в потоковом графе обозначают:
а.
в.
с.
д.
е
3. В цикломатической матрице:
а. i – номер строки, j - номер столбца
в. j - номер строки, i – номер столбца
с. i – номер столбца
д. i , j - номер столбца
е. i – номер строки, j - номер цикла
4.Коэффициенты разделения:
а. принимают по заводским данным или
рассчитывают
в. при расчете не нужны
с. постоянны для всех биотехнологических процессов
д. постоянны при расчете баланса «по воде», «по субстрату»
е. находят после составления потокового графа
5.Базисные переменные потоки L
] = [A] [LC]
а. [L
B
] = [C] [LC]
в. [L
B
] = K [LC]
с. [L
B
д. [L
е. [L
] = [C] [LB]
B
] = [LC]
B
можно выразить через свободные потоки LC:
В
64
6. Свободные переменные рассчитывают, используя:
а. базисные переменные
в. коэффициенты разделения
с. цикломатическую матрицу
д. квантовые расчеты
е. интегрирование
7. В материальном балансе «по биомассе» статьей прихода является:
а. сырье
в. вода
с. минеральные соли
д. биосинтез
е. готовый продукт
65
Модуль 3. Расчет технологических показателей
Лекции 9,10
Расчет количества основного и вспомогательного оборудования.
Сводные ведомости оборудования. Расчет состава и приемов подачи
питательных сред.
План лекций
1. Фонд времени работы оборудования
2. Расчет количества основного и вспомогательного оборудования, сводная
ведомость оборудования
3. Основные компоненты питательной среды и их стехиометрические
зависимости
4. Расчет состава и режимов подачи питательных сред
5. Примеры расчетов
6. Оптимизация многокомпонентных питательных сред
1. Основу задания на проектирование составляет годовая производительность
цеха или отделения.
необходимо знать фонд времени работы оборудования, который определяется
режимом работы оборудования (периодический, непрерывный), временем на
остановку и ремонт отдельных систем и временем на загрузку-выгрузку.
Иногда удобнее использовать коэффициент машинного времени: k =
Данные по режиму работы можно взять по действующему предприятию, из
литературных источников или самостоятельно задать определенный режим,
исходя из принципов максимальной загрузки оборудования.
2. В самом общем случае количество оборудования рассчитывают по
формуле:
Р – годовая производственная мощность,
Р
час
Р
год
N =
=
`
– часовая мощность (производительность),
`
- годовая мощность одного аппарата
Но для различных производств существует специфика расчетов, тем более
что могут быть заданы различные исходные данные.
2.1 Определить количество ферментеров на стадии В в цехе производства
пищевых дрожжей мощностью 12000 т/год, если число рабочих дней в году –
310 (Т
стадии (τ
), производительность ферментера – 10 т/сутки, продолжительность
эф
) – 20 часов, межцикловое время – 4 часа (τ
1
Для расчета количества оборудования в цехе или отделении
Т
= Т
эф
P
TP
•
P
, где
'`
P
ГОДЭФЧАС
кал
– Т
ост
– Т
загр/выгр
Т
Т
КАЛ
).
2
ЭФ
66
τ
τ
+z
•
)(
N =
z – количество циклов для биосинтеза суточной нормы
24
21
, где
Суточная выработка дрожжей
= Р
Р
сут
Z = Р
год/Тэф
сут/Р1
N =
24
N =
`
P
= 10/24 т/час
час
`
= 10/24
Р
год
N = 12/3,1 = 3,9
= 12000/310 = 38,71 т
= 38,71/10 = 3,87 ≈4 цикла
+
)420(4
4
=
ферментера или
Р
TР
•
Р
=
""
Р
ГОДЭФЧАС
= 3100 т/год
24310 •
≈4 аппарата
3
2.2 Определить количество ЦКБА емкостью 95 м
в отделении брожения
пива, производительностью 2,5 млн. дал в год, если полный цикл завершается за
14 суток, режим работы –328 суток в год, в месяц – 29 суток, К
= 0,85.
зап
1. Количество ЦКБА:
N =
M
ЗАП
••
, где
OКV
М – количество холодного сусла, поступившего в отделение за месяц
V – объем ЦКБА
О – оборачиваемость ЦКБА в течение месяца
2. О =
14
328
328
•
=
29
07,2
раза
Количество холодного сусла за год:
Известно (из материального баланса), что 552,2 л холодного сусла дают 516,8 л
товарного пива, а мы имеем 25
106 л товарного пива. Тогда по пропорции:
•
552,2 л – 516,8 л
х - 25
=
106 л
•
516
6
10252,552
••
6
лх
1071,26
•=
Тогда за месяц
М
N =
Х
29/328
2360000
3
6
л
1036.2
•==
1472,13
≈=
07,285,01095
•••
шт.
3
2.3 Определить количество ферментеров объемом 60 м
в цехе производства
антибиотика, работающего 310 суток в год, производительностью 5 т/год, если
длительность цикла – 5 суток, межцикловое время – 18 час, К
= 0,85, брак со-
зап
67
ставляет 30 %, коэффициент извлечения антибиотика из культуральной жидкости
3
– 0,7, содержание готового продукта в культуральной жидкости – 8,8 кг/м
N =
P
=
`
P
ГОД
••
608,8
5(
310
+
5000
18
24
1
≈
ферментер
7,085,07,0
•••
)
Аналогично рассчитывают количество вспомогательного оборудования. Все
данные по оборудованию вносят в таблицу 5.
Таблица 5- Сводная ведомость оборудования
N
п/п
Наименование
оборудования
Тип или
модель
Завод-
изготовитель
Габариты. Краткая
характери
Количеств
о
стика
1
2
3
3. Особенность питательных сред – многокомпонентность. Для энергетического обмена и синтеза микроорганизмам нужно получать из питательной среды
углерод, азот, фосфор. Источники углерода – углеводы, моносахариды, глюкоза,
спирты, углеводороды нормального строения и т.д. Источники азота – аммонийные соли (NH
4)2SO4
, NH4HPO4, NH4Cl, мочевина и т.д. Источники фосфора – ор-
тофосфорная кислота, аммофос, фосфаты калия и др. В питательной среде необходимо поддерживать высокие «фоновые» концентрации С, Nа, Р, так как они
быстро потребляются микроорганизмами. Нужны так же О
и Н2.
2
Содержание элементов в различных микроорганизмах практически
постоянно:
С N О Н Р
Дрожжи 47,8 10,4 31,1 6,5 4,5
Бактерии 50,4 12,3 30,5 6,8 4,0
Грибы 47,9 5,2 40,2 6,7 3,5
Поэтому можно записать упрощенную эмпирическую формулу в виде:
•Нl •Оm •Nn •P
С
к
p,
где численные коэффициенты k, l, m, n, p получаются делением массовой
доли элемента в биомассе на атомную массу данного элемента. Например, для
дрожжей, приведя к одному атому углерода:
С Н
1,65 О0,49 N0,17 P0.04
4. Теперь можно составить стехиометрическое уравнение, отражающее в
общем виде преобразование основных компонентов питательной среды в
биомассу:
68
α
С [источник С] + αО2 [источник О2] + αN [источник N] + αP [источник Р] +
α
ω
α
ω
ω
α
……
I
1
метаболизма] +
j [источники минерального питания]
∑
[биомасса] + αН2О [вода] + αСО2 [углекислый газ] + αМ [продукты
q [тепло реакции];
Например, для источника углерода н-алканов уравнение в мольном выражении
может быть представлено, как:
[СН2 (1+1/r)] + y[O2] + z[NH
CH
lOmNnPp
+ u [CO2] + v [H2O] +
+
] + w[PO
4
q
3-
]
4
Система уравнений для стехиометрических коэффициентов:
Y = ½ (3+1/r)
z = n; w = p; v = (1-1/n)
- 1 – p/4 + m/2 + n –2p;
- l/2 + 2n; u = ω -1;
Приняв численное значение одного коэффициента равным единице, можно
рассчитать для известного состава биомассы остальные коэффициенты.
Особенность процессов микробиологического синтеза – зависимость
стехиометрических коэффициентов от физиологической активности клеток.
Затраты питательных веществ:
затраты на построение биомассы;
затраты на поддержание жизнедеятельности микроорганизмов.
Для источника углерода:
=
dS
⎛
⎞
⎜
⎟
dt
⎝
⎠
P
+
dS
⎞
⎛
⎜
⎝
dt
;
⎟
⎠
n
dS
dt
Затраты на прирост:
dS
⎞
⎛
⎜
⎝
dt
= -
⎟
⎠
P
dX
⎞
⎛
S
α
1
;
⎟
⎜
dt
⎠
⎝
На основной обмен:
dS
⎞
⎛
⎟
⎜
dt
⎠
⎝
n
= -
S
Х;
α
1
где S, Х – концентрация субстрата и биомассы;
dS/dt; dХ/dt – скорость потребления субстрата и потребления биомассы;
Обозначим:
dS
dT
α
= - [a
S
= а +
dx
⎛
⎜
dt
⎝
В
, где μ - удельная скорость роста
μ
S
α
- а;
1
⎞
+ вx];
⎟
⎠
S
α
- в , тогда
2
Средние значения коэффициентов для расчета при выращивании дрожжей
на н-алканах: для углеводов: а = 0,85 кг/кг; b = 0,038 кг/кг ч;
для О
для СО
: а = 1,35 кг/кг; b = 0,13 кг/кг ч;
2
: а = 0,9 кг/кг; b = 0,1 кг/кг ч;
2
для метаболической воды: а = 0,61 кг/кг; b = 0,065 кг/кг ч;
69
Рассмотренный подход позволяет получать значения коэффициентов аj и bj для
μ
α
α
α
α
α
α
различных стехиометрических соотношений путем обработки экспериментальных
данных.
5. Приведенные методы балансового и стехиометрических расчетов позволяют
на практике оценивать эффективность преобразования сырья в целевой продукт
косвенным показателем. Например, в зависимости от выхода биомассы дрожжей
от утилизированного н-парафина изменяется удельное потребление О
выделение СО
выход биомассы, % потребление О
клетками; кг/кг:
2
выделение СО2
2
и
2
60 4,18 3,45
80 2,72 2,12
100 1,9 1,4
Углеводо-кислородный баланс процесса ферментации является в то же
время методом его контроля.
5.1 Рассчитать удельный расход субстрата, О
, выделение СО2 и тепла в
2
процессе непрерывного выращивания дрожжей на н-алканах при удельной
скорости роста
= 0,18 ч-1. Используя
S
= aj + bj/μ и соотношение,
определяющее количество тепла (14,2 КДж/г), выделяемое в процессе
биосинтеза при потреблении 1 г О
, получаем:
2
S = 1,06 кг субстрата на 1 кг биомассы
О
2
α
= 2,08 кг О2 на 1 кг биомассы
СО
2
= 1,46 кг СО2 на 1 кг биомассы
q
= 29000 КДж на 1 кг биомассы
Получены экспериментальные данные по выращиванию дрожжевой биомассы
на смеси углеводородов:
S
, кг/кг
1,6
1,2
0,8
0 2 4 6 8 10 12 14 16 1/Д, ч
S
= (S0 – S)/x; Д = μ;
S
, S – начальная и конечная концентрация субстрата, г/л; х – концентрация биомассы, г/л.
0
Рисунок 11 - Экспериментальные данные по выращиванию дрожжевой
биомассы на смеси углеводородов
70
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]