Розрахунок основного обладнання (Ферментер)

Ферментер-апарат для глибинного вирощування (культивування) мікроорганізмів в живильному середовищі в умовах стерильності, інтенсивного перемішування, безперервного продування стерильним повітрям і постійної температури. Ферментер являє собою герметичний циліндричний посудину – корпус, забезпечений барботером для подачі стерильного повітря і мішалкою з електроприводом. Усередині ферментера уздовж його корпусу і перпендикулярно до нього закріплюють вузькі металеві смуги - відбійники для підвищення ефективності перемішування. Обсяг ферментерів, призначених для лабораторних досліджень, частіше до 30л, для напівзаводських експериментів – 0,05-5м³, промислового використання – 50-100 м3. Лабораторні ферментери можуть виготовлятися з термостійкого скла (їх стерилізують в автоклавах), ферментери великих розмірів – з нержавіючої сталі (вони мають парову сорочку для стерилізації та підтримки температури). Ферментери, як правило, обладнуються пристроями для вимірювання та регулювання температури, кількості повітря, що продувається, і тиску всередині ферментера.

У разі необхідності ферментер додатково забезпечується пристроями для вимірювання та регулювання pH середовища, концентрації розчиненого кисню в культуральній рідині, вуглекислого газу в вихідному повітрі, сигналізатором рівня піни і пристосуваннями для механічного або хімічного піногасіння. При безперервному процесі культивування мікроорганізмів ферментери додатково обладнуються стерилізуючими резервуарами для зберігання компонентів поживного середовища та насосами для їх безперервної подачі в ферментер.

Рисунок 3.1 – Основний ферментер:

1 – корпус апарату, 2 – сорочка, 3 – барботер, 4 –мішалка, 5 – відбійник, 6 – електропривід, 7 – люк для завантаження сировини та матеріалів, 8 – штуцери для вводу та виводу теплоносія, 9 – люк для вивантаження культуральної рідини.

Технічна характеристика ферментера

Всі необхідні технічні характеристики ферментера вказані в таблиці 3.3

Таблиця 3.3 Технічні характеристики ферментера

Турбінна мішалка триярусна.

У корпусі апарату мішалки розміщені: теплообмінники, перемішуючі пристрої, барботер, відбивні перегородки. На корпусі – секційна сорочка.

Розрахунок товщини стінки

Sр = Рр * Dвн / (2 [д] * ц-Рр), мм

Sр – розрахункова товщина стінки

Рр – розрахунковий тиск в апараті, МПа

[δ] – допустима напруга матеріальної частини при робочій температурі

φ – коефіцієнт міцності зварних швів. Визначається за стандартами φ = 0,8

розрахункова температура

tр = 40 º С, але для обігріву ферментера і для стерилізації використовують пар з температурою до 100 º С. Тому tр = 100 º С

Рр = Р + Рг

Р = 0,3 МПа

Рг = ρж * g * нж = 1020 * 9,81 * 5,98 = 59837,1 Н/м² = 0,0598 МПа

Рр = 0,3 +0,0598 = 0,3598 МПа

Визначаємо додаткову напругу [δ]

[δ] = ηmin * [δ1.0/nт = 261/1, 5 = 174МПа; δв / nв = 500/2, 4 = 208МПа] = 174МПа

Sр = 0,3598 * 2000/2 * 174 * 0,8-0,3598 = 2,225 мм

S = Sр + С = 2,225 +3,7 = 5,925 мм

С = С1 + С2 + С3 = 2,4 +0,8 +0,5 = 3,7 мм

С1 = П * τ = 0,2 * 12 = 2,4 мм

С2 = 0,8 (вибираємо по довіднику, з урахуванням того, що товщина листа 8 мм)

С3 = 0,5

Вибираємо листову сталь 8 мм згідно ГОСТ

перевірка:

8-3,7 / 2000 = 0,002 <0,1

Визначення ваги апарату

Gап = Gк + Gв + Gж

Gк – вага корпусу аппарату

Gк = g * ρк * Vк, кг

Gк = 7900 * 0,04 = 316кг

ρк –щільність матеріалу (ρк = 7900кг/м³)

Vк = π * Dср * S * Lр = 3,14 * 2 * 0,008 * 0,5 = 0,03 м³

Dср – середній діаметр

Dср = D + S = 2 +0,008 = 2,008

Lр - розрахункова довжина

Lр = L +2 / 3Н = 5,2 +2 / 3 * 0,8 = 0,5 м

L – довжина циліндричної частини корпусу, L = 5200мм Н - висота еліптичного днища (Н = 0,25 Dвн = 0,25 * 2 = 0,5)

Gв – вага допоміжних пристроїв

Gв = 0,6 Gк = 0,6 * 316 = 189.6 кг

Gж – вага рідини

Gж = g * ρк * Vж = 1020 * 2,8 = 2856 кг

Vж = πd2 / 4 * Lр = 3,14 * 2/4 * 0,5 * 0,7 = 2,8 м³

G = 316 +189.6 +2856 = 3361.6кг = 3.36 т

Розрахунок конструкції ферментера

Розрахунок обсягу ферментера

1. Gгод = 120 т / рік

2. Розрахунок та обгрунтування τеф

Цех працює в безперервному режимі. τеф = 8000г

3. розраховуємо час циклу ферментації

τцикла = τферментаціі + τрезервное

τферментаціі = 72г

τрезервное = 12г

τцикла = 72 +12 = 84ч

4. Визначаємо кількість циклів ферментації за рік

nціклов = τеф / τцикла = 8000/84 = 96 цикл / рік

5. Визначаємо продуктивність за один цикл

Gцикл = Gгод / nциклів = 120000/96 = 1250 кг / цикл

6. Визначаємо реакційний обсяг ферментера

Vф = Gцикла / Схр * ηх * кз = 1250/244 * 0,9 * 0,7 = 81,3 м³, де

Схр – концентрація продукту по абсолютно сухій речовині в ферментаційної рідини = 244 кг/м³

ηх – коефіцієнт, що враховує втрати продукту в ходу ферментації = 0,9

кз – коефіцієнт заповнення ферментера = 0,7

7. Визначаємо кількість стандартних ферментатор з Vф = 15м³

Z = Vф / Vф.ст = 99.2/63 = 1.57шт, для виробництва візьмемо 6 ферментерів

В даний час виготовляються ферментери для виробництва лізину з Vф = 15 м³ з такими габаритними розмірами, мм:

висота – 8540

діаметр – 2000

ширина – 2100

Перевірка за формулою

Vф = Gгод * τциклу / Схр * ηх * кз * τеф = 120000 * 84/244 * 0,9 * 0,7 * 8000 = 81,3 м³

Розрахунок витрат на аерацію

1. Рівняння масопереносу по О₂

d О₂ / dτ = кLa * (c * - CФ)

кLa – коефіцієнт масопереносу, годину-1

c * – концентрація О₂ на рівні насичення, c * = 21,9 г О₂ / л

CФ – концентрація О₂ в ферментаційної середовищі, CФ = 0,2 * c * = 4,38 г О₂ / л

2. Концентрація О₂ на біосинтез

d О₂ / dτ = μ * сх * άх

сх – концентрація продукту, сх = 20 г / л

μ – середня питома швидкість росту метаболіту

μ = ln (20 / Т) / 72 = 0,041 год-1

3. Визначаємо об'ємний коефіцієнт масопередачі

кLa = (СХК - сх0) / τ * άх * (сх - сф) = (20-1) * 2,19 / 72 ((1-0,2) * 10-3 * 21,9)) = 33год-1

Виходячи із значень коефіцієнта масопередачі, вибираємо тип перемішування ферментера. Вибрали барботер з турбінної мішалкою.

4. Визначимо кількість повітря, що подається на аерування. Приймаючи, що ступінь споживання О₂ ηг = 30% від вихідного повітря

VО₂ = άх * СХК * μ / (ηг * 0,21 * ρвозд) = 2,19 * 20 * 0,041 / 0,3 * 0,21 * 29 = 0,98 м³/рік

Витрата повітря на ферментер

Vповферм = VО₂ * Vр = 0,98 * (125 * 0,7) = 85,75 м³/год

Вибираємо 3 повітродувки, продуктивністю 32 м³/год

5. Розрахунок витрат на перемішування

Витрати на перемішування мішалки

dм = 0,3 * Dвн

Dвн = 3200мм

dм = 0,3 * 3,2 = 0,9 м

Визначаємо середню потужність на перемішування, виходячи з критеріального рівняння

кLa = 270 (nср / Vр) 3/4 => nср = Vр (кLa/270) 4/3 = 42 * (33/270) 4/3 = 4,67 кВт

Визначаємо частоту обертання мішалки

N = КN * ρс * n3 * dм5

КN – критерій потужності, що залежить від інтенсивності перемішування КN = f (Re)

ρс - щільність середовища, кг/м3 (ρс = 1020 кг/м3)

n - число обертів мішалки

Re = ρс * n3 * dм2 / μс

μ з – в’язкість середовища, Па • с (μс = 0,648 * 10-3 Па • с)

n = ω / π * dм

ω – окружна швидкість мішалки.

Для турбінної мішалки ω = 4,2 ÷ 7,0

Визначаємо кількість обертів

n ₁ = 4,2 / 3,14 * 0,9 = 2,12 об / с

n₂ = 7,0 / 3,14 * 0,9 = 5,31 об / с

Re1 = 2,123 * 0,92 * 1020/0, 00065 = 122 * 105

Re2 = 5,313 * 0,92 * 1020/0, 00065 = 1921,1 * 105

За графіком залежності КN = f (Re) визначаємо КN для області, розрахованої Re КN = 0,4. Тип мішалки - пропелерна

Перевіримо частоту обертання мішалки, що зменшує енерговитрати

n = (1,4 * 103/0, 4 * 1020 * 0,95) 1/3 = 6,7 об / с

Розрахуємо потужність на валу мішалки

Nр = к1 * к2 (Σк +1) * N

к1 - коефіцієнт заповнення апарату зростаючої культурою

к1 = нж / Dвн

Нж = кз * Нап

к1 = 0,7 * 12,98 / 3,2 = 2,8

к2 - коефіцієнт, що враховує збільшення потужності через підвищення опору зростаючої культури в процесі росту

к2 = 1,1

Σк - коефіцієнт, що враховує збільшення споживання потужності на подолання опору, що викликає допоміжними пристроями

Σк = кп + КТР + КN

кп - опір відбивних перегородок (кп = 1,5)

КТР - опір труб підведення повітря для аерірованія (КТР = 0,2)

КN - опір датчиків для термопар і тиску (КN = 0,3)

Nр = 1,32 * 1,1 (1,5 +0,2 +0,3 +1) 4,67 = 20кВт

Визначаємо потужність з урахуванням втрат на подолання тертя в сальниках валу і редуктора і ККД двигуна

Nр `= Nр * кзап/к3 = 20 * 1,15 / 0,9 = 25 кВт

Визначаємо потужність, витрачену сумарно на аерацію і перемішування

Nсум = Nр `+ Nбар * кзап

Nбар = 0,2 * nср = 1,3 кВт

Nсум = 25 +1,3 * 1,15 = 26,5 кВт

Питома витрата електроенергії за споживанням О₂

Nуд = Nсум * τферм / Vр (СХК - сх0) = 26,5 * 72/42 * (20-1) = 2,4 кВт / рік на 1 кг а.с.в.

Вибір конструкційних матеріалів ферментера

Перший шар - Сталь 12Х18Н10Т, все характеристики вказані в таблицях 3.4, 3.5, 3.6

Таблиця 3.4 Характеристика сталі 12Х18Н10Т

Таблиця 3.5 Хімічний склад

Таблиця 3.6 Механічні властивості

Зварюваність:

• без обмежень – зварювання проводиться без підігріву і без наступної термообробки

• обмежено зварювана – зварювання можливе при підігріві до 100-120 градусів і подальшої термообробки

• важкозварювальних – для отримання якісних зварних з'єднань потрібні додаткові операції: підігрів до 200-300 град. при зварюванні, термообробка після зварювання – отжиг

Другий шар - сталь 09Г2С, все характеристики приведені в таблицях 3.7, 3.8, 3.9,3.10, 3.11

Таблиця 3.7 Характеристика стали 09Г2С

Таблиця 3.8 Хімічний склад у% матеріалу 09Г2С

Таблиця 3.9 Температура критичних точок матеріалу 09Г2С

Таблиця 3.10 Механічні властивості при Т = 20oС матеріалу 09Г2С

Таблиця 3.11 Технологічні властивості матеріалу 09Г2С

З усього вищевказаного робимо висновок, що сталі марок 12Х18Н10Т і 09Г2С є ідеальним матеріалом для ферментера.