Методы расчета оборудования биотехнологических производств

Министерство образования и науки российской Федерации 

уральский Федеральный университет  
иМени первого президента россии б. н. ельцина

М. а. Миронов  
М. и. токарева

Методы расчета оборудования 
биотехнологических 
производств

рекомендовано методическим советом урФу 
в качестве учебно-методического пособия для студентов,  
обучающихся по программе магистратуры  
по направлению подготовки  
19.04.01 «биотехнология»

екатеринбург 
издательство уральского университета 
2017

удк 663:66-31(075.8)
ббк 300.600.9-5я73
 
М 64

р е ц е н з е н т ы:

научно-технический совет  
ооо урало-сибирская компания «нексан»
(генеральный директор п. а. б л о х и н);

е. н. Ш а р а ф у т д и н о в а, кандидат химических наук, доцент
(уральский государственный экономический университет)

н ау ч н ы й  р е д а к т о р

кандидат химических наук, доцент М. н. и в а н ц о в а

Миронов, М. А.
М 64  
Методы расчета оборудования биотехнологических производств : [учеб.-метод. пособие] / М. а. Миронов, М. и. токарева ; 
[науч. ред. М. н. иванцова] ; М-во образования и науки рос. 
Федерации, урал. федер. ун-т. — екатеринбург : изд-во урал. 
ун-та, 2017. — 47 с. 

ISBN 978-5-7996-2025-7

в учебно-методическом пособии приведены теоретические разделы 
дисциплины «проектирование биотехнологических производств», непосредственно связанные с темами практических занятий. в пособие также 
включены обучающие задачи и вопросы для самоконтроля. все материалы, представленные в пособии, разбиты на четыре раздела, посвященные 
расчетам емкостного, теплообменного оборудования, адсорберов и сушилок. Эти разделы включают классификацию оборудования, методы расчета, практические задания и вопросы для самоконтроля. 
учебно-методическое пособие может быть использовано для подготовки к практическим занятиям, а также для выполнения домашних работ 
и сдаче зачета или экзамена по дисциплине «проектирование биотехнологических производств».

удк 663:66-31(075.8)
ббк 300.600.9-5я73

© уральский федеральный университет, 2017
ISBN 978-5-7996-2025-7

ОглАвление

ПредислОвие ........................................................................................................4

1. МетОды рАсчетА биОреАктОрОв ...........................................................6

2. МетОды рАсчетА теПлООбМеннОгО  
ОбОрудОвАния биОреАктОрОв ............................................................18

3. МетОды рАсчетА АдсОрбциОннОгО ОбОрудОвАния ...............26

4. МетОды рАсчетА сушильнОгО ОбОрудОвАния .........................34

сПисОк рекОМендуеМОй литерАтуры ...............................................45

ПредислОвие

владение методами расчета массо- и теплообменных процессов составляет непременный атрибут знаний химика-технолога. 
такие процессы, как растворение и кристаллизация, нагревание 
и охлаждение, адсорбция и десорбция, сушка осуществляются на 
каждом химическом предприятии. оборудование, в котором проходят процессы массо- и теплообмена, занимает доминирующее 
положение и в биотехнологической промышленности. поэтому 
методы расчета подобного оборудования подробно рассматриваются в нескольких учебных курсах при обучении студентов по 
специальности «биотехнология» на стадии бакалавриата. к ним 
можно отнести курс «процессы и аппараты химической технологии», «промышленная биотехнология» и др. при обучении 
в магистратуре эти знания должны быть закреплены и дополнены 
методами масштабирования и моделирования массо- и теплообменных процессов. дисциплина «проектирование биотехнологических производств» является основной для развития подобных 
навыков у студентов-магистров. в то же время в магистратуре 
по специальности «биотехнология» проходят обучение студенты 
естественно-научных специальностей, у которых в программе 
обучения на стадии бакалавриата отсутствовали дисциплины, связанные с расчетами технологического оборудования.
данное пособие предназначено для восполнения знаний 
по основному оборудованию биотехнологических производств 
и созданию базиса для перехода к более сложным методам моделирования технологических процессов. поэтому здесь в сжатой 
и максимально доступной форме изложены основные подходы 
к определению основных параметров биоректоров, адсорберов 
и сушилок.

задания, приведенные в пособии, могут использоваться для 
домашней работы или практических занятий с преподавателем. 
на следующем этапе обучения эти материалы могут быть дополнены задачами по моделированию технологических процессов 
с определением коэффициентов массо- и теплопереноса.

1. МетОды рАсчетА биОреАктОрОв

биореакторы представляют собой аппараты, в которых проходят процессы микробиологического синтеза. аппараты этого типа 
могут работать как в периодическом, так и в непрерывном режиме. 
при этом оборудование для непрерывных процессов может относиться как к реакторам идеального смешения, так и идеального 
вытеснения. такое разнообразие конструктивных решений требует 
использования различных математических моделей и методов для 
расчета подобных реакторов. однако в том случае, когда в наличии имеются данные о массообменных, теплообменных и иных 
процессах, проходящих в биореакторах, задачей расчетов является определение объема аппарата исходя из общего времени производственного цикла. именно такой случай и будет рассмотрен 
в данном пособии. рассчитанный по приведенной ниже методике 
объем биореактора используется затем для выбора конкретного 
аппарата из стандартного ряда или из каталогов производителей.
еще одной важной особенностью биореакторов для проведения аэробных процессов является использование кислорода, который обеспечивает дыхание микроорганизмов. типичные расходы 
чистого кислорода на дыхание лежат в диапазоне 1–4 мг/л мин., 
что вынуждает конструкторов применять специальные методы 
подачи газа в биореактор. для этого необходимо подобрать барботеры, воздушные фильтры, компрессоры и другое оборудование. 
исходными данными для проектирования всех этих систем является определение среднего расхода газа в процессе микробиологического синтеза. в данном пособии приводится последовательность расчета расхода газа в барботажных системах биореакторов 
периодического действия.
в целом рассматриваемые методики позволяют проводить 
подбор биореакторов, используя в качестве исходных данных 

сведения об интенсивности массообменных процессов, таких как 
растворение неорганических солей в процессе приготовления 
культуральных жидкостей и газообмен. аналогичные подходы 
могут применяться для определения объема биореактора по времени протекания биохимических реакций.

классификация биореакторов

в основе классификации биореакторов лежат процессы, которые в них происходят. по отношению к кислороду воздуха все 
микроорганизмы делятся на аэробов и анаэробов, соответственно, 
процессы их культивирования бывают аэробным и анаэробным. 
само культивирование можно проводить различными способами: 
в растворе (глубинное культивирование), на поверхности жидкой 
или твердой фазы (поверхностное или твердофазное культивирование). в соответствии с этим различаются и конструкции биореакторов. наибольшее распространение в промышленности нашли 
биореакторы для глубинного аэробного культивирования, так как 
они обеспечивают максимальную продуктивность при минимальном объеме перерабатываемых смесей. основными типами таких 
реакторов являются:
 – реакторы с механическим перемешиванием;
 – реакторы с пневматическим перемешиванием;
 – газовихревые биореакторы;
 – аэрлифтные биореакторы;
 – мембранные биореакторы.
все типы реакторов имеют конструктивные особенности 
и поэтому требуют применения особых методик расчета.
Реакторы с механическим перемешиванием представляют 
собой емкостные аппараты с мешалкой, типичные для химической промышленности. подача кислорода в реакторы такого типа 
осуществляется с помощью трубок для небольших по объему 
аппаратов или барботеров для оборудования среднего (до 10 м3) 
объема. для насыщения культуральной жидкости кислородом 
используют также тонкопленочные технологии, основанные на 

стекании растворов или суспензий по развитой поверхности аппарата. в этой случае большая удельная поверхность обеспечивает 
интенсивный газообмен. однако эффективность подобных решений резко падает с увеличением объемов оборудования свыше 
10 м3. трудности, возникающие при обеспечении интенсивного 
массообмена в реакторах большого объема с помощью механических мешалок, ограничивают применение этого типа биореакторов в крупнотоннажных производствах. при расчете подобных 
биореакторов сначала рассчитывают время производственного 
цикла, который складывается из продолжительности массообменных, теплообменных процессов и самого процесса культивирования микроорганизмов. в случае аппаратов периодического действия к этому времени необходимо добавить продолжительность 
загрузки и выгрузки культуральной жидкости, а также время 
необходимое для подготовки биореактора к следующей загрузке. 
затем, исходя из требуемой производительности, по готовому продукту рассчитывают номинальный объем биореактора. последней стадией расчета объема аппарата является выбор ближайшего 
большего значения из стандартного ряда емкостного оборудования 
или каталогов производителей. расчет расхода газа в реакторах 
этого типа ведется на основе минимального давления, необходимого для преодоления сопротивления столба жидкости в реакторе. 
при этом выбирают минимальное значение коэффициента расхода 
газа, так как массообмен обеспечивается механической мешалкой, 
а газ подается для обеспечения дыхания.
Реакторы с пневматическим перемешиванием представляют собой емкостные аппараты, в которых перемешивание осуществляется за счет подачи газа через специальные устройства на 
его дне. таким образом, в этих аппаратах массообмен и газообмен 
осуществляются с помощью одного устройства — барботера. при 
этом используются барботеры самых разных конструкций: циклические, лучевые, сетчатые и т. д. так как подача газа и перемешивание в этих аппаратах никак не разделены, возникает проблема 
избыточной подачи кислорода в культуральную жидкость, что 
приводит к окислению продуктов биосинтеза и подавлению роста 

микроорганизмов. для исключения этих негативных эффектов 
предварительно готовят смеси газов, в которых кислород разбавлен инертным азотом и двуокисью углерода. концентрация кислорода в этих смесях подбирается таким образом, чтобы обеспечить потребность микроорганизмов в дыхании. расчет этого типа 
биореакторов осуществляется аналогично предыдущему с одном 
исключением. коэффициент расхода газа принимается максимальным, так как массообмен обеспечивается пневматическим 
перемешиванием.
Газовихревые биореакторы представляют собой емкостные аппараты, в которых массообмен в жидкой фазе происходит 
за счет вращения вентилятора, находящегося над слоем культуральной жидкости. вентилятор создает вихревое движение газа, 
увлекающее за собой жидкость в биореакторе подобно урагану 
на море. в результате перемешивание в культуральной жидкости 
осуществляется путем создания трехмерного движения — вращающейся воронки в центре и вертикальных круговых потоков 
по краям реактора. таким образом осуществляется мягкое, но 
эффективное перемешивание без образования застойных зон. 
в реакторах этого типа достигается высокий обмен по кислороду 
при низком расходе энергии. Этот результат объясняется тем, что 
сопротивление воздуха при вращении вентилятора значительно 
ниже, чем сопротивление воды при вращении мешалки. отсюда 
также следует вывод о возможности использования газовихревых 
реакторов для перемешивания вязких культуральных жидкостей. 
еще одним преимуществом является пеногашение при вращении 
вентилятора. к недостаткам реакторов этого типа можно отнести невозможность их использования для крупномасштабных 
производств (с объемом аппаратов более 10 м3) и большой расход воздуха. так как газообмен проходит на поверхности жидкости, а расход воздуха завит только от мощности вентилятора, 
расчет газовихревых реакторов ограничивается определением их 
объема. он проводится аналогично реакторам с механическим 
перемешиванием.

Аэрлифтные биореакторы являются решением проблемы 
обеспечения интенсивного массообмена в аппаратах большого 
объема. для биоректоров этого типа объем практически не ограничен и может достигать нескольких тысяч кубических метров. 
Это становится возможным благодаря особому конструкторскому решению, заключающемуся в использовании аэрлифтов — 
длинных труб, заключенных в высокие диффузоры. воздух или 
смесь газов подается по трубе в нижнюю часть диффузора в виде 
маленьких пузырьков. Эти пузырьки поднимаются внутри диффузора в верхнюю часть реактора, увлекая за собой культуральную 
жидкость. поднявшаяся по внутренней поверхности диффузора 
культуральная жидкость затем опускается по его внешней стороне, создавая циклические потоки в реакторе. расчет аэрлифтных 
биоректоров аналогичен реакторам с пневматическим перемешиванием. при расчете необходимо учитывать большую высоту 
столба жидкости, что требует установки мощных компрессоров. 
поэтому коэффициент расхода газа устанавливают на средних 
значениях (40–50).
Мембранные биореакторы представляют собой комбинацию 
мембранных аппаратов для разделения жидких сред и биореакторов. они используются для очистки сточных вод биологическими 
методами. основной конструктивной особенностью является 
наличие мембраны, через которую отводится очищенная вода. 
расчет реакторов этого типа осуществляется аналогично реакторам с механическим перемешиванием. однако для определения 
времени процесса учитывают интенсивность массообмена через 
мембрану.
Трубчатые реакторы, работающие по принципу идеального 
вытеснения, используются в биотехнологии для подготовки питательных сред и их стерилизации. как правило, они не пригодны 
для проведения микробиологических процессов из-за их длительности. в этом случае длина трубчатого реактора получается 
неприемлемо большой.

Задачи по расчету биоректоров

1. определяют время производственного цикла τ, которое 
равно времени проведения массообменного процесса:

c
,
2
r

K
C

ρ⋅
τ =
⋅D

где Kс — коэффициент массопереноса, м/с; r — диаметр частицы, м; ρ — плотность частицы, кг/м3; ΔС — разница концентраций при массопереносе.
2. определяют объем реактора для емкостных сосудов или 
длину для трубчатых реакторов:

G
V
n
⋅τ
= ρ⋅ϕ⋅

,
L = ωτ

где τ — время одного цикла, с; G — массовая производительность, 
кг/с; φ — коэффициент заполнения реактора; ρ — плотность реакционной смеси, кг/м3; n — число реакторов; ω — скорость реакционной смеси, м/с.
3. выбирают ближайший больший объем реактора из стандартного ряда.
4. определяют высоту реактора и слоя жидкости, используя 
справочные материалы по стандартным реакторам.
5. вычисляют давление, необходимое для подачи газа 
в реактор:

где H — высота слоя жидкости в реакторе, м; ρ — плотность жидкости, кг/м3; g — ускорение свободного падения; Ратм — атмосферное давление.