Расчет ферментера для выращивания дрожжей на углеводном субстрате

Исходные данные для расчета:

Субстрат - этанол	C2H6O	Значение
выход биомассы от субстрата	YX/S	0,6
Начальная концентрация субстрата, кг/м3	СSН	50
начальная (посевная ) конц дрожжей, кг/м3	СХН	3,5
константа скорости роста дрожжей, 1/час	μ	0,16
Объем аппарата, м3	V	16
Коэффициент заполнения,	φ	0,7
расходный коэффициент по кислороду, кг/кг		1,997
Плотность кислорода, кг/м3		1,43
Объемная доля кислорода в воздухе		0,21
Коэффициент использования кислорода воздуха		0,15

Конечная концентрация дрожжей в микробной суспензии

= 3,5+ 0,6·49,5 = 33,2 кг/м³

Время ферментации

= = 14,06 час = 50616 с

Объем суспензии с аппарата

V_Ж=V· = 16·0,7= 11,2 м³

Производительность аппарата по биомассе

А_Х=V_Ж = 11,2 · 33,2 = 371,84 кг

Требуемый расход воздуха (через расходные коэффициенты)

= =0,32559 м³/с

1. Расчет узла аэрации и мощности привода ферментера

Последовательность расчета

1. Выбираем в соответствии с ГОСТ 9931-79 тип конструкции корпуса ВЭЭ и размеры D и L (табл. 1 приложения). Размеры днищ (ГОСТ 6533-78) приведены в табл. 2 приложения.

Объем аппарата, м3	V	16
Диаметр аппарата, мм	D	2200
Длина цилиндрической части, мм	l	3480
Полная поверхность аппарата, м	Fв	34,8
Толщина стенки, мм	S	8
Высота днища, мм	HД	590
Объем днища, м3	VД	1,5395

2. Выбираем тип мешалки (табл. 3 Приложения) и ее стандартный размер (табл. 4 приложения). Соотношения d_м/D для различных типов мешалки приведены в таблице 3 приложения.

Тип - турбинная дисковая 6-лопастная (табл. 3 Прил.)
Диаметр мешалки (табл.4 Прил), мм (dм /D = 1/3 - 1/4)	dм	560

3. Частота вращения мешалки, обеспечивающая редиспергирование подаваемого (аэрирующего) воздуха должна быть:

n_с >4Q /d_м³ = 4·0,32559/(0,56)³= 7,416 с^-1

Стандартные значения частоты вращения выходного вала мотор редуктора [n_с] находим по таблице 6 приложения. [n_с]= 5

Окружная скорость края лопасти

v_л=d_мn_с = 3,14 · 0,56 ·7,416 = 13,04 м/с

не находится в рекомендуемом диапазоне [2,5 м/с < v_л <10 м/с] (табл. 3 прил.).

4. Расположение кольцевого барботера относительно открытой турбинной мешалки и их основные размеры приведены на рисунке 1.

При определении размеров кольцевого барботера (рис.1), мешалки и их элементов используем рекомендуемые соотношения :

h_м=0,2d_м= 0,112м; L_л=0,25d_м = 0,14 м; h_б=0,25d_м = 0,14 м; D_ср=6d_б.н

Газораспределительные отверстия обычно имеют диаметр d_o = 3-5 мм, назначим d_o = 5 мм

5. Внутренний диаметр трубы барботера (с учетом раздвоения трубы):

= = 0,09108 (или )

где v=25 м/с - скорость газа в трубе (рекомендуемая).

6. Уточняем диаметр трубы по стандартному размеру и определяем внутренний и наружный диаметры трубы барботера d_б.в и d_б.н (табл. 7 прил.):

d_б.в = 0,095 м; d_б.н = 0,102 м.

Средний диаметр барботера

D_ср=6d_б.н = 6· 0,102 = 0,612 м

7. Скорость газа в отверстии барботера:

= = 31,16 м/с

где _ж и _г - плотности жидкости и газа при температуре культивирования, кг/м³, _ж =1000 кг/м³; _г = 1,165 кг/м³ (табл.12 Прил.)

8. Количество отверстий в барботере:

=. = 532,43.

9. Разметка отверстий по поверхности барботера.

Количество отверстий в ряду

n_о.р= D_ср /0,025 = 3,14 ·0,55 /0,025 = 69,08 отв (69 в ряду)

Для отверстий диаметром 4-7 мм рекомендованный шаг равен 25 мм.

Число рядов отверстий на барботере

n_р= n_о / n_о.р= 532,43/ 69,08=7,71

Предельное допустимое число рядов на трубе барботера

n_р.пред. =  d_б.н /0,025= 3,14 ·0,102/0,025 = 12,81

Таким образом, размещение отверстий на барботере возможно.

10. Объем жидкости в аппарате:

V_ж=V· = 16 ·0,7 = 11,2 м³

где  - коэффициент заполнения аппарата.

11. Высота уровня жидкости Н_ж вычисляется по формуле

= . 3,13 м

12. Газосодержание жидкостной системы (объемная доля газа в смеси):

=С Аⁿ ,

где С=0,0094 и n=0,62 при А<18 ; C=0,026 и n=0,26 при А>18.

== 4862,99

где  - коэффициент поверхностного натяжения (для воды  = 0,08 н/м).

А >18, поэтому С=0,026 и n = 0,26

=С Аⁿ = 0,026·(4862,99)^0,26 = 0,236

Через определяется:

- плотность газожидкостной системы

_г-ж=_ж(1-)+_г ··0,236 = 786,83 кг/м³

- объем газожидкостной смеси в аппарат (должен быть менее 0,9V)

V_г-ж=V_ж/(1-). = 11,2/м³

- высота газожидкостной смеси в аппарате:

Н_г-ж=Н_ж/(1-) = 3,13/

13. Мощность привода одноярусной мешалки при перемешивании чистой жидкости:

,

где К_н - коэффициент высоты уровня жидкости;

К_н = (H_ж/D)^0,5 = (3,13/2,2)^0,5 = 1,193;

К_п - коэффициент, учитывающий наличие в аппарате отражательных перегородок, для аппаратов с отражательными перегородками К_п=1,25;

К_i - коэффициент, учитывающие наличие в аппарате внутренних устройств: К _i =1,05 -1,2 - при наличии гильзы термометра, уровнемера, трубы передавливания.

N - мощность, затрачиваемая на перемешивание жидкости:

N=K_N  n³d⁵_{м ,}

где К_N - критерий мощности, определяемый по соответствующему данной мешалке графику - зависимости K_N=f(Re_ц) (рис. 1 приложения).

Re_ц - центробежный критерий Рейнольдса:

= = 536887,5.

где μ_к.ж - вязкость культуральной жидкости, 2·10^-3Па·с (табл.9 приложений)

Для мешалки заданного типа при указанном Re_ц коэффициент мощности K_N = 3.

N=K_N  n³d⁵_м = 3·1030 ·4,17³ ·0,5⁵ = 7001,91 Вт_,

Мощность, затрачиваемая на перемешивание газожидкостной смеси:

= = 11980,4 Вт

где С и а - константы, зависящие от типа мешалки (табл. 5 приложения), для данног типа мешалки С= 0,41, а =-0,32

N_уп - мощность затрачиваемая на преодоление трения в уплотнениях, Вт; для торцовых уплотнений:

N_уп = 6020 d_в^1,3 = 6020 ·0,065^1,3 = 172,34 Вт

где d_в=0,117d_м - для турбинной мешалки, d_в=0,117·0,56 = 0,06552 м

Принимаем стандартное значеие диаметра вала d_в=0,065 м.

 - К.П.Д. привода мешалки; =0,9.

= 23619,7 Вт

Мощность стандартного электродвигателя 22 кВт. По табл. 6 приложения выбирается предусмотренный ГОСТом мотор-редуктор.