Архив ZIP - WinRAR / KR_Kinetika_BKhP-2608
.pdfМинистерство образования и науки РФ
Нижегородский институт технологий и управления (филиал) ФГБОУ ВПО "Московский государственный университет технологий и управления им. К.Г.Разумовского"
Кафедра «Технических и естественнонаучных дисциплин (ТЕНД)»
КИНЕТИКА БИОХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРОДУКТОВ ПИТАНИЯ
Методические указания и задания к контрольной работе
по направлению 260800 «Технология продукции и организация общественного питания» профиль «Технология и организация ресторанного сервиса»
заочной полной и сокращенной форм обучения
Н.Новгород - 2012
ВВЕДЕНИЕ
Учебная дисциплина «Кинетика биохимических процессов продуктов питания» - дисциплина по выбору математического и естественнонаучного цикла Федерального Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлению подготовки 260800 «Технология продукции и организация общественного питания», квалификация (степень) - бакалавр.
Основной целью дисциплины является изучение науки о кинетике биохимических процессов, которые призваны играть большую роль в интенсификации и развитии пищевой промышленности.
В результате освоения дисциплины студент должен уметь выполнять расчеты биохимических процессов и аппаратов, в которых они протекают.
1 ОБЩИЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ УАЗАНИЯ
Основной формой обучения студента-заочника является самостоятельная работа над учебным материалом. Для облегчения этой работы кафедра «ТЕНД» организует чтение лекций, практические и лабораторные занятия. Кроме этого программой курса предусмотрено выполнение студентами контрольной работы.
Контрольная работа по курсу посвящена расчету биореактора.
Выбор варианта для выполнения контрольной работы основан на цифрах шифра студента, указанных в зачетной книжке. Исходные данные для заданий приведены в таблице.
При оформлении контрольной работы необходимо:
-указывать на титульном листе наименование дисциплины, фамилию и инициалы студента, шифр, специальность и форму обучения;
-контрольную работу следует выполнять аккуратно, оставляя поля для замечаний рецензента;
-все расчёты вести в системе СИ;
-все страницы должны быть пронумерованы, в конце текста указать дату выполнения и подписать работу;
-задание переписывать полностью с указанием исходных данных своего варианта;
-для пояснения решения выполнить необходимые рисунки;
-привести список использованных литературных источников. Контрольные работ, оформленные без соблюдения указанных правил, а
также работы, выполненные не по своему варианту, не зачитывают.
2 КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА
Задание. Рассчитать биореактор установки периодического аэробного культивирования дрожжей на глюкозе при следующих данных:
2
- производительность по сухой биомассе, кг/сут. |
|
Gсух; |
|
||||||||||||||
- максимальная удельная скорость роста, ч-1 |
|
|
mmax; |
|
|||||||||||||
- константа Михаэлиса, моль/л |
|
|
|
|
|
KS; |
|
||||||||||
- экономический коэффициент |
|
|
|
|
|
у; |
|
|
|||||||||
- концентрация глюкозы (субстрата) в питательной среде, г/л |
|
|
|||||||||||||||
|
|
- начальная |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
S0; |
|
||||
|
|
- остаточная |
|
|
|
|
|
|
|
|
S; |
|
|
||||
- время вспомогательных операций совместно с лаг-фазой, ч tвсп; |
|
||||||||||||||||
- начальная концентрация биомассы (дрожжей) |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
в питательной среде, г/л |
|
|
|
|
|
|
|
Х0; |
|
||||||||
- степень заполнения аппарата |
|
|
|
|
|
j; |
|
|
|||||||||
- соотношение высоты и диаметра биореактора |
|
|
k; |
|
|
||||||||||||
- избыточное давление, кПа |
|
|
|
|
|
|
|
Ризб; |
|
||||||||
- температура биосинтеза, 0С |
|
|
|
|
|
|
|
tc. |
|
|
|||||||
Требуется определить: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
- номинальный объем реактора, м3 |
|
|
|
|
|
Vн; |
|
||||||||||
- удельный расход воздуха на биосинтез, м3/(мин×м3) |
|
vг; |
|
|
|||||||||||||
- мощность двигателя привода мешалки, Вт |
|
|
Nдв; |
|
|||||||||||||
- диаметр барботера, м |
|
|
|
|
|
|
|
|
dб.в; |
|
|||||||
- расход кислорода на биосинтез, кг/ч |
|
|
|
GO2; |
|
||||||||||||
Кроме этого следует привести конструкцию биореактора. |
|
|
|
|
|||||||||||||
Исходные данные согласно шифру студента приведены в таблице 1. |
|
||||||||||||||||
Таблица 1- Исходные данные к задаче |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
Обоз-ие |
|
Единицы |
|
|
|
|
Варианты по последней цифре шифра |
|
|
||||||||
величины |
|
измерения |
|
1 |
2 |
|
3 |
4 |
|
5 |
6 |
7 |
8 |
|
9 |
0 |
|
Gсух |
|
|
кг/сут. |
|
100 |
110 |
|
120 |
130 |
|
140 |
150 |
160 |
170 |
|
180 |
190 |
mmax |
|
|
ч-1 |
|
0,45 |
0,5 |
|
0,55 |
0,53 |
|
0,51 |
0,49 |
0,47 |
0,5 |
|
0,53 |
0,56 |
КS×105 |
|
|
моль/л |
|
14 |
16 |
|
18 |
20 |
|
19 |
18 |
17 |
16 |
|
15 |
14 |
у |
|
|
- |
|
0,51 |
0,53 |
|
0,55 |
0,57 |
|
0,59 |
0,56 |
0,53 |
0,5 |
|
0,52 |
0,54 |
S0 |
|
|
г/л |
|
16 |
17 |
|
18 |
19 |
|
20 |
21 |
22 |
23 |
|
24 |
25 |
S |
|
|
г/л |
|
0,1 |
0,105 |
|
0,11 |
0,115 |
|
0,108 |
0,101 |
0,094 |
0,098 |
|
0,102 |
0,106 |
Обоз-ие |
|
Единицы |
|
|
|
Варианты по предпоследней цифре шифра |
|
|
|||||||||
величины |
|
измерения |
|
1 |
2 |
|
3 |
4 |
|
5 |
6 |
7 |
8 |
|
9 |
0 |
|
tвсп |
|
|
ч |
|
4,5 |
4,6 |
|
4,7 |
4,8 |
|
4,9 |
5 |
5,1 |
5,2 |
|
5,3 |
5,4 |
Х0 |
|
|
г/л |
|
0,2 |
0,1 |
|
0,15 |
0,2 |
|
0,25 |
0,23 |
0,21 |
0,19 |
|
0,17 |
0,18 |
j |
|
|
- |
|
|
|
|
|
|
|
0,75 |
|
|
|
|
|
|
k |
|
|
- |
|
2 |
1 |
|
1,5 |
3 |
|
1,5 |
1 |
2 |
3 |
|
1 |
1,5 |
Ризб |
|
|
кПа |
|
50 |
40 |
|
45 |
50 |
|
55 |
60 |
52 |
48 |
|
44 |
58 |
tc |
|
|
° С |
|
25 |
18 |
|
22 |
24 |
|
28 |
30 |
20 |
26 |
|
21 |
23 |
Перед выполнением контрольной работы необходимо изучить |
|||||||||||||||||
соответствующий теоретический материал [1]. |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
Расчеты |
биореактора рекомендуется |
проводить по |
следующему |
||||||||||||||
алгоритму. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3
2.1 Определение объема биореактора
2.1.1 Объемная производительность биореактора по питательной среде V0 (м3/сут.) определяется из уравнения материального баланса биореактора по биомассе
|
Gсух = V0 у (S0 – S ). |
(1) |
|||
2.1.2 Концентрация биомассы (дрожжей) в конце |
культивирования |
||||
Х (кг/м3) определяется из выражения экономического коэффициента |
|||||
у = |
X − X 0 |
, |
кг АСБ |
. |
(2) |
|
S0 − S |
кг субстрата |
|
||
2.1.3 Максимально возможная концентрация биомассы (дрожжей) в конце культивирования Xm ax определяется по формуле
Xm ax = Х0 + у S0, кг/м3. |
(3) |
2.1.4 Время роста биомассы (основное время) определяется по формуле
τосн = |
1 |
|
yK |
S |
|
|
yS |
0 |
|
+ |
yK |
S |
|
|
X |
|
||
|
|
|
l |
n |
|
|
|
l |
n |
|
|
, ч. |
(4) |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
X max − X |
+ 1 |
|
|
|
|
|
||||||||
|
μmax X max |
|
|
|
|
X max |
|
X |
0 |
|
||||||||
2.1.5 Общее время культивирования (время цикла) определяется по формуле
τобщ = τосн + τвсп, ч. |
(5) |
||||
2.1.6 Временной КПД биореактора определяется соотношением |
|
||||
ητ = |
τосн |
. |
(6) |
||
|
|
||||
|
|
τобщ |
|
||
2.1.7 Число биореакторов установки принимается из соотношения |
|
||||
1 |
|
|
|
||
z ≤ |
|
. |
(7) |
||
1 − ητ |
|||||
2.1.8 Необходимый объем одного биореактора определяется по формуле
Vp = |
V0 (1 + а)τобщ |
, м3. |
(8) |
|
24zϕ |
||||
|
|
|
где а = 0,15 – коэффициент, учитывающий длительность ремонта биореактора.
2.1.9 Расчетный диаметр биореактора определяется по формуле
Dр = 3 |
Vр |
, м. |
(9) |
|
0,785 k |
||||
|
|
|
4
2.1.10 Расчетная высота биореактора составит
Нр = k D.
2.1.11 По полученным значениям Dр и Нр используя данные приложения А принимаем биореактор номинальным объемом Vн = 3,2 м3 имеющий следующие характеристики:
- диаметр биореактора, м |
D; |
- высота уровня жидкости, м |
Нж; |
- диаметр вала мешалки, мм |
dв. |
2.2 Определение расхода воздуха на биосинтез
2.2.1 Объемный расход воздуха на биосинтез определяется по формуле
Vг = 0,785D2wг, м3/с, |
(10) |
где wг – приведенная скорость воздуха в реакторе, которая может быть принята из условия wг £ 0,05 м/с.
2.2.2 Удельный расход воздуха на биосинтез определяется по формуле
vг = |
60Vг |
, м3/(мин×м3). |
(11) |
|
|||
|
ϕVн |
|
|
Удельный расход воздуха в аэробных процессах культивирования |
|||
микроорганизмов составляет 0,15¸2,5 м3/(мин×м3). |
|
||
2.3 Определение параметров мешалки и привода
В ферментерах в качестве перемешивающего устройства наибольшее применение нашли турбинные мешалки.
2.3.1 Определяются параметры турбинной мешалки - число мешалок из условия
zм ³ |
Нж |
, шт., |
(12) |
|||
|
|
|||||
|
|
D |
|
|
||
- диаметр мешалки из соотношения |
|
|
|
|
||
dм = (0,25¸0,33)D , м, |
(13) |
|||||
с учетом рекомендаций приложения Б; |
|
|
|
|
||
- частота вращения мешалки из условия |
|
|||||
n ³ |
4Vг |
, с-1, |
(14) |
|||
|
||||||
|
|
d |
3 |
|
|
|
|
|
|
м |
|
|
|
сучетом стандартного ряда частот согласно приложению В;
-центробежный критерий Рейнольдса по формуле
5
Reц = |
nd |
2r |
, |
(15) |
|
|
м |
||||
m |
|||||
|
|
|
|||
где r – плотность культуральной жидкости, кг/м3; m - динамическая вязкость культуральной жидкости, Па×с. Плотность и вязкость культуральной жидкости могут быть приняты по воде при температуре биосинтеза (приложение Г);
- критерий мощности КN для турбинной мешалки с перегородками по графику КN = f (Reц), приведенному в приложении Д.
2.3.2 Мощность, затрачиваемая на перемешивание, определяется по формуле
N = zмКN r n3 dм5, Вт. |
(16) |
2.3.3 Мощность, теряемую в одинарном торцовом уплотнении вала |
|
мешалки, определяют по формуле |
|
Nуп = 6020dв1,3 , Вт. |
(17) |
2.3.4 Эффективную мощность привода мешалки рассчитывают с учетом различных видов затрат энергии по формуле
|
|
n |
|
|
|
|
∏ ki N + N уп |
|
|
|
Nэ = |
i =1 |
, Вт, |
(18) |
|
h |
|||
|
|
|
|
|
|
|
n |
|
|
где h |
= 0,85 – КПД привода; ∏ki - |
произведение |
коэффициентов, |
|
|
|
i =1 |
|
|
учитывающих влияние разных факторов на мощность перемешивания.
При расчете следует учитывать:
- коэффициент перегрузки при пуске |
k1 |
= 1; |
|
- |
турбинной мешалки |
||
коэффициент, учитывающий наличие |
k2 |
= 1,25; |
|
- |
отражательных перегородок |
||
коэффициент, учитывающий гильзу термопары |
k3 |
= 1,15; |
|
- |
коэффициент, учитывающий наличие уровнемера |
k4 |
= 1,15; |
- коэффициент, учитывающий отношение высоты уровня жидкости Нж к диаметру аппарата
|
|
Н |
ж |
|
0,5 |
|
k5 |
= |
|
|
. |
(19) |
|
|
|
|||||
|
|
D |
|
|
||
2.3.5 Мощность двигателя привода мешалки с учетом пускового момента
Nдв = bNэ , Вт, |
(20) |
где b = 1,1…2 – коэффициент запаса мощности.
По приложению В принимается нормализованный мотор-редуктор.
6
2.4 Определение параметров барботера
Скорость воздуха в трубе барботера можно принять wб = 25 м/с.
2.4.1 Внутренний диаметр трубы барботера определяется из уравнения расхода
dб.в = |
Vг |
, м. |
(21) |
|
0,785wб |
||||
|
|
|
По сортаменту принимается стандартная труба dб.н´ s.
2.4.2 Средний диаметр барботера для подачи воздуха в биореактор определяется по соотношению
Dср = (0,5¸1)dм, м. |
(22) |
2.4.3 Абсолютное давление воздуха в барботере определяется по формуле
Рабс = Ратм + Ризб + ρgH ж , кПа, |
(23) |
1000 |
|
где Ратм = 100 кПа – атмосферное давление.
2.4.4 Плотность воздуха при рабочих условиях определяется по формуле
rг = 1,293 |
|
Рабс |
273 |
3 |
|
|
|
|
× |
|
, кг/м . |
(24) |
|
101,3 |
(273 + tc ) |
|||||
2.4.5 Скорость воздуха в отверстиях барботера определяется по формуле
w = 3,4 |
|
dб.вρ |
|
, м/с. |
|
ρг |
|||||
0 |
|
|
|
||
|
|
|
|
2.4.6 Число отверстий при диаметре отверстия d0 = 5 мм
z0 |
= |
Vг |
|
|
, шт. |
0,785d |
|
|
|||
|
|
2 w |
|||
|
|
|
0 |
0 |
|
2.4.7 Шаг расположения отверстий
t0 = πDср , мм. z0
2.5 Определение расхода кислорода на биосинтез
(25)
(26)
(27)
2.5.1 Для определения газосодержания культуральной жидкости в биореакторе определяется коэффициент
V ρg |
0,21n d м |
H |
ж |
|
0,4 |
|
||
А = |
г |
|
|
|
|
. |
(28) |
|
σ |
|
|
||||||
|
|
|
D |
|
|
|||
7
где s – поверхностное натяжение культуральной жидкости, Н/м. Принимается по воде при температуре биосинтеза по приложению Г.
2.5.2 Газосодержание культуральной жидкости определяется по формуле
jг = С Аn, |
(29) |
где С = 0,0094 и n = 0,62 при А £ 18; С = 0,026 и n = 0,26 при А > 18. 2.5.3 Мощность диссипируемая в биореакторе определяется по формуле
Е = |
N (1 − ϕг ) |
, Вт/кг. |
(30) |
|
|||
|
ϕVгρ |
|
|
2.5.4 Коэффициент диффузии кислорода в культуральной жидкости при |
|||
температуре биосинтеза определяется по формуле |
|
||
Dж = Dж20 [1 + b(t – 20)] , м2/с, |
(31) |
||
где Dж20 = 2,1×10-9 м2/с – коэффициент диффузии О2 в воде при 20 0С. 2.5.5 Объемный коэффициент массоотдачи в культуральной жидкости
определяется по формуле
|
bжv = 3×104Е0,64wг0,6Dж0,5, |
с-1. |
(32) |
|||||
|
2.5.6 Абсолютное давление в реакторе на глубине 0,5Нж |
|
||||||
|
Р = Ратм |
+ Ризб + |
0,5ρgH ж |
, кПа. |
(33) |
|||
|
|
|||||||
|
|
|
1000 |
|
|
|||
|
2.5.7 Равновесная концентрация кислорода на границе раздела фаз |
|||||||
определяется по формуле |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
* |
|
|
уO 2 Рρ |
3 |
|
||
|
Сх |
= |
|
|
, кмоль/м , |
(34) |
||
|
|
|
||||||
|
|
|
|
mM ж |
|
|
||
|
где уО2 = 0,2095 – объемная концентрация кислорода |
в воздухе; |
||||||
m – |
константа фазового равновесия при растворении кислорода в воде, МПа; |
|||||||
Мж – |
мольная масса культуральной жидкости, кг/кмоль. |
|
||||||
|
Константа фазового равновесия принимается по приложению Ж при |
|||||||
температуре биосинтеза, а мольная масса жидкости по воде. |
|
|||||||
|
2.5.8 Количество кислорода, пошедшего на биосинтез, определяется по |
|||||||
формуле |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
GО2 = 3600bжv j Vн Сх*МО2 , кг/ч. |
(35) |
||||||
|
где МО2 – мольная масса кислорода, кг/кмоль. |
|
|
|||||
8
СПИСОК РЕКОМЕНДОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1.Кавецкий Г.Д., Касьяненко В.П., «Процессы и аппараты пищевых технологий», М.: КолосС, 2008 г.
2.Кавецкий Г.Д., Краткий курс лекций «Кинетика биохимических процессов продуктов питания», М.: МГУТУ, 2004 г.
3.«Технология пищевых производств»/ Под редакцией А.П. Нечаев-
М.:КолосС, 2005-768с.
Составитель: доцент Рузанов Сергей Романович
9
|
|
|
|
Приложение А |
Основные технические данные реакторов-котлов |
||||
|
с эллиптическими днищами и крышками |
|
||
Номинальный объем |
Диаметр аппарата |
Диаметр вала |
|
Высота уровня |
Vн, м3 |
D, мм |
мешалки dв, мм |
|
жидкости Нж, м |
|
1000 |
|
|
2,2 |
2,0 |
1200 |
50 |
|
1,4 |
|
1400 |
|
|
0,85 |
|
1200 |
|
|
1,8 |
2,5 |
1400 |
65 |
|
1,2 |
|
1600 |
|
|
0,85 |
|
1200 |
|
|
2,4 |
3,2 |
1400 |
80 |
|
1,6 |
|
1600 |
|
|
1,1 |
|
1200 |
|
|
3,2 |
4,0 |
1400 |
80 |
|
2,2 |
1600 |
|
1,5 |
||
|
|
|
||
|
1800 |
|
|
1,1 |
|
1200 |
|
|
4,05 |
5,0 |
1400 |
95 |
|
2,8 |
1600 |
|
2,0 |
||
|
|
|
||
|
1800 |
|
|
1,4 |
|
1400 |
|
|
3,6 |
6,3 |
1600 |
95 |
|
2,6 |
1800 |
|
1,9 |
||
|
|
|
||
|
2000 |
|
|
1,4 |
|
1600 |
|
|
3,5 |
8,0 |
1800 |
95 |
|
2,6 |
|
2000 |
|
|
1,9 |
|
|
Приложение Б |
|
|
Диаметры стандартизованных мешалок |
||
|
|
|
|
Тип мешалки |
|
Диаметр мешалки dм, мм |
|
|
|
|
|
|
|
80; 100; 125; 160; 180; 200; 220, 250; 280; 320; 360; 400; 450; |
|
Турбинная |
|
500; 560; 630; 710; 800; 900; 1000; 1120; 1250; 1400; |
|
|
|
1600; 1800; 2000; 2240; 2500 |
|
|
|
|
|
10