Расчет основного оборудования биотехнологических и пищевых производств

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Казанский национальный исследовательский технологический университет






            С. А. Александровский



РАСЧЕТ ОСНОВНОГО ОБОРУДОВАНИЯ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ И ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ



            Учебное пособие












Казань Издательство КНИТУ 2021

        УДК 664.002.5(075)
        ББК 36.81-5я7
             А46

Печатается по решению редакционно-издательского совета Казанского национального исследовательского технологического университета

Рецензенты:
д-р техн. наук, проф. Л. А. Николаева
д-р биол. наук И. А. Дегтярева











          Александровский С. А.
А46      Расчет основного оборудования биотехнологических и пищевых произ          водств : учебное пособие / С. А. Александровский; Минобрнауки России, Казан. нац. исслед. технол. ун-т. - Казань : Изд-во КНИТУ, 2021. - 112 с.

          ISBN 978-5-7882-3050-4

    Изложены алгоритмы расчета основного технологического оборудования производств микробиологического синтеза и пищевых производств, приведены справочные данные, необходимые при проведении расчетов.
    Предназначено для бакалавров, обучающихся по направлению подготовки 19.03.01 «Биотехнология» и изучающих дисциплину «Основы проектирования и оборудование биотехнологических производств».
    Подготовлено на кафедре промышленной биотехнологии.

                                                УДК 664.002.5(075)
                                                ББК 36.81-5я7

ISBN 978-5-7882-3050-4    © Александровский С. А., 2021
                           © Казанский национальный исследовательский технологический университет, 2021

                ВВЕДЕНИЕ




     Данное пособие знакомит студентов с материальными расчетами процессов микробиологического синтеза и с порядком расчета аппаратов для процессов культивирования, а также с методами расчета основного технологического оборудования микробиологических и пищевых производств.
     Основная задача пособия - показать студентам на примерах возможность использования всех инженерных знаний, полученных в процессе обучения.
     Рассматриваемые задачи - балансовые расчеты и расчеты технологического оборудования - большей частью взаимосвязаны и предлагаются в логической последовательности задач, возникающих при проектировании, или в последовательности процессов технологической цепи. Из оборудования выбраны аппараты, наиболее распространенные в биотехнологии и в отраслях пищевой промышленности. Приведенные алгоритмы расчета оборудования взяты из известных монографий и малотиражных литературных источников; в ряде случаев исправлены и дополнены необходимыми пояснениями и комментариями.
     Пособие содержит обширный справочный материал, необходимый студентам при выполнении ими расчетных работ по дисциплине «Основы проектирования и оборудование биотехнологических производств». Большинство из приведенных в пособии задач является неотъемлемой частью типового курсового или дипломного проекта бакалавров, обучающихся по направлению подготовки 19.03.01 «Биотехнология».

                1. ЭЛЕМЕНТНЫЙ БАЛАНС ПРОЦЕССОВ МИКРОБИОЛОГИЧЕСКОГО СИНТЕЗА





      Цель составления элементных балансов - нахождение одних стехиометрических показателей, например потребление кислорода при образовании единицы биомассы, при известных других показателях, например при известном экономическом коэффициенте.
      В состав исходных и конечных органических веществ процесса биосинтеза входят в основном четыре элемента - углерод, водород, кислород и азот, содержание которых в сухой биомассе составляет 92-93 %. Состав биомассы (при среднем химическом составе) можно описать формулой CHi,770o,49No,i6 [1]. Молекулярная масса такого «соединения» равна 24,28.
      Общее уравнение синтеза биомассы может быть записано как
      СаНтО1 + Xi NH3 + X2 O2 = Хз CHpOnNq + X4 CO2 + Х5 Н2О, где а, m, l - число атомов углерода, водорода, кислорода в субстрате;
    p, n, q - число атомов водорода, кислорода и азота, приходящихся на один атом углерода в биомассе.
      В этом уравнении 5 неизвестных коэффициентов, представляющих собой соответствующие количества молей веществ, участвующих в реакции. Для их определения используют четыре балансовых уравнения по элементам (C, H, O, N) и известный (экспериментально установленный) экономический коэффициент выхода. Выход биомассы от субстрата Yx/: Yx/s = АХ/ AS, где X и S - концентрации биомассы и субстрата. Аналогично выход продукта к потребленному субстрату: Yp/s = AP/ AS . Величина, обратная коэффициенту выхода, называется расходным коэффициентом и обозначается символом а (а S).
      Определение стехиометрических коэффициентов уравнения и ряда других характеристик процесса биосинтеза проводят в следующей последовательности:
      i. Через экономический коэффициент определяют коэффициент X3: x = mwS. y , 3^3                       . xX/S ,
mw Б
где mwS и mwE - молекулярные массы субстрата и биомассы:
    mwS = 12 а + 16 l + m;
    mwE = 12 + p +16 n + 14 q .

4

      2.     Составляют балансовые соотношения по элементам и из них находят оставшиеся неизвестные коэффициенты уравнения:
      - баланс по углероду: а=Хз + X4,
—wS
     X = — а — Х, или Х₄ — а------ Yᵥ/ч;
       4       3      4            X/ S
—w Б

- баланс по азоту:

- баланс по водороду:

 = q X3  или X = q -—wS-Yₓ/ₛ;
                1           X/S
—w Б
 m + 3X1 = p X3 + 2X5 ,

^ X5

              m + 3Хг - рХ₃

или

2 m X, = — + 5₂

(p 1
к 2 J

—wS
Y YX/S;
—w Б

♦

     - баланс по кислороду: l+2X2 =nX3+2X4+X5,

^ Х₂

nX₃ + 2Х₄ + X₅ — l 2

или

4а + — — 2l ( 2n — 4 + 3q — p ^ —wS

Y
  X/S .

X

²             4

4

⁻;zrT J —w Б

к

     3.      Определяют потребность в аммиаке и кислороде на синтез одного грамма биомассы (расходные коэффициенты) и выход СО2 [2]:

а NH³
X

Xj - —wNH ₃
X₃ - —wБ

или

а NH3 X

17q

(12 + р + 16n + 14q)

а О2 X

или

а C⁰²
X

 X - —w О
=-------  X₃ - —wБ
ао₂ ₌ 8(4а + — — 2l)
"   (12а + 16l + —)YX/S
  X - —wCO
   X₃ - —wБ

8(2n — 4 + 3q — p) . (12 + p + 16n + 14q) ’

               44
или а ₓ =-----------12a + 16l + —

12a + 16l + m

Y     12 + p + 16n + 14q

a



—

4. Тепловой эффект ферментации рассчитывают по формуле Q = 14,45 -аО² ,
где 14,45 - величина удельного тепловыделения при биоокислении (кДж/грамм восстановленного микроорганизмами кислорода).

5

     5.     Энергетический выход роста q определяют как часть свободной энергии субстрата, которая перешла к биомассе микроорганизмов:
П-1 -  ',
АН
где АН - теплота сгорания 1 г субстрата до СО2 и Н2О, которую можно рассчитать приближенно как произведение константы восстановления 1 г кислорода на расходный коэффициент кислорода при сгорании субстрата (уравнение СаНтО1 + Z2 O2 = Z4 CO2 + Z5 Н2О):
Лтт z ^ mWo • mwO, АН = 14,45 -----².
mwS

     Подстановкой АН можно получить

q = 1 
X2
Z2

     6.      Дыхательный коэффициент - отношение количества молей выделенного СО2 к количеству молей восстановленного кислорода - находят следующим образом:
ДК = X⁴ .
Х 2

При «холостом окислении субстрата», т. е. при отсутствии прироста биомассы, дыхательный коэффициент будет максимальным.
     7.      Экономический коэффициент по углероду YC представляет собой долю атомов углерода субстрата, перешедших в биомассу:

Y = X3
¹ C а

      Если в общем уравнении биосинтеза формула субстрата представлена в виде CHmOl (так называемая брутто-формула), что встречается в литературе (m, l - число атомов водорода и кислорода, приходящихся на один атом углерода в субстрате), то все стехиометрические коэффициенты уменьшаются в а раз, все определяемые характеристики

остаются прежними по величине.
      В табл. 1.1 приведены данные для примеров по составлению элементного баланса и расчету стехиометрических показателей. Значение молекулярной массы продукта биосинтеза, равное 24,28, и значения экономических коэффициентов Yₓ/S и YP/S для разных субстратов взяты из источника [1].

6

Таблица 1.1
Данные для задач по элементному балансу процесса____

 Субстрат    Молеку-  Целевой продукт  Молеку-   Экономи-   Экономи- 
   и его     лярная      биосинтеза     лярная  ческий ко- ческий кохимическая    масса                     масса   эффициент  эффициент 
  формула   субстрата                  целевого    Yx/s       Yp/s   
                                       продукта                      
     1          2            3            4         5          6     
Глюкоза        180        Биомасса      24,28      0,5               
  С6Н12О6             CHi,770o,49No,16                               
Г ексадекан    226        Биомасса      24,28      1,1               
  С16Н34              CH1,7?Oo,49No,16                               
Метан СН4      16         биомасса      24,28      0,7               
                      CH1,77Oo,49No,16                               
  Метанол      32         Биомасса      24,28      0,4               
   СНзОН              CH1,77Oo,49No,16                               
  Этанол       46         Биомасса      24,28      0.6               
С2Н5ОН                CHi,77Oo,49No,16                               
  Меласса      342    Лизин C6H14N2O2    146       0,15       0,30   
(сахароза)             (режим синтеза                                
 С12Н22О11             «нормальный»)                                 
  Меласса      342    Лизин C6H14N2O2    146       0,05       0,45   
(сахароза)             (режим синтеза                                
 С12Н22О11               «сильный»)                                  
  Меласса      342    Лизин C6H14N2O2    146       0,4        0,1    
(сахароза)             (режим синтеза                                
 С12Н22О11               «слабый»)                                   
  Меласса      342    Экзополисахари-    162       0,15       0,40   
(сахароза)               Ды С6Н10О5                                  
 С12Н22О11                                                           
  Меласса      342        Лимонная       192       0,15       0,45   
(сахароза)             кислота СбН§О7                                
 С12Н22О11                                                           
Г ексадекан    226    Внутриклеточные    858       0,6       0,2 от  
  С16Н34              липиды С55Н102О6                     абсолютно 
                                                             сухой   
                                                            биомассы 

                2. РАСЧЕТ МАТЕРИАЛЬНЫХ ПОТОКОВ НА СТАДИИ ФЕРМЕНТАЦИИ





      Из схемы материальных потоков, приведенной на рис. 2.1, следует, что расчет выполняется «с конца»: по выходу целевого продукта определяется закладка исходных компонентов. Алгоритм расчета можно использовать как для емкостных аппаратов, так и для проточных. Отличие состоит в учете посевной биомассы и, соответственно, в некотором изменении отдельных расчетных формул.


Рис. 2.1. Схема материальных потоков в процессе ферментации:
V - объем, м3 или объемный расход, м3/ч; р - плотность, кг/м³;
С - концентрация, кг/м³; U - объемная доля компонента в смеси. Индексы: S - субстрат; X - биомасса; Y - компонент питания;
G, А - воздух аэрирующий и отработанный; ВМ - вспомогательный материал

     На схеме верхний индекс указывает принадлежность к компоненту, нижний - принадлежность к потоку. Обведены известные величины. Прочие определяются из расчета [2].


8

     Исходные данные для расчета:
     1.      Вид субстрата и биомассы; стехиометрические коэффициенты биохимической реакции.
     2.      Съем микробной суспензии с аппарата VF, м3 (м3/ч - для проточного аппарата) и начальная концентрация посевного материала C Х.
     3.      Выход биомассы от субстрата Yx/s, кгХ /icrS.
     4.      Элементный состав биомассы: pYⁱ - массовые доли основных компонентов и макроэлементов в биомассе.
     5.      Концентрации остаточного субстрата и компонентов питания в микробной суспензии, не снижающие активности роста культуры, CS и CYⁱ
     6.      Степень утилизации субстрата p (обычно ps= 0,97-0,99).
     7.      Степень утилизации кислорода в аппарате данного типа р₀ ₂.
     8.      Доли кислорода и углекислого газа в аэрирующем воздухе UO² и uCO².
  GG
     9.      Плотности субстрата, биомассы, воздуха, воды, кислорода, углекислого газа и компонентов питания: pS, рХ, pB, pO₂, pCO₂, рВМ., кг/м3 .
     10.      Массовые доли компонентов (элементов) питания во вспомогательном материале PYM., кг^/кг BMi.
     11.      Концентрация вспомогательных материалов в питательной смеси в объеме смеси питательных веществ C|М^М .
     Последовательность расчета:
     1.      Концентрация субстрата в питательной среде:
                             CS
                      pS _  '-F
                      CO        .
1-pS
     2.      Концентрация биомассы в микробной суспензии:
     CX = (CO - CF) • Yx/s или  CX = СХ + (CO - CF) • Yx/s .
     3.      Производительность аппарата по биомассе:


      4.       Остаточные концентрации питательных веществ в суспензии:
CYⁱ
                          pBMi _ CF
                          CF = pYi .
                                 Г BMi

      5.       Плотность микробной суспензии: ⁿ                                    CX
           pF = CF ⁺ CF ⁺Z С^ ⁺pH₂O⁽¹--------“
i=1              p

CS _F
Ps

n /^BMi
Z СМ .
i=1 PBMi

—

—

9

      6.      Расход питательной среды на ферментацию (без учета потери влаги на испарение):
V0 = VF .
      7.     Концентрации компонентов питания в питательной среде:
                     CYi = CXRYi + CYi
                     VT) V'F Px + V'F .

      8.       Концентрация питательных веществ в питательной среде:
CYⁱ
pBMi _ C0
⁰  = В Yi '
HBMi

      9.      Плотность питательной среды:
                    c  n „„            CX   CS n CBMi

        Po =  CX + CS + L СВМ +Ph₂o(1 - C- C     -E СМ  .

ⁱ⁻¹             PX  PS ¹⁻¹ P BMi
      10.     Расход субстрата:
CS
                         V = V —°

        VS   VS    .

PS
      11.     Концентрация компонентов питания в объеме смеси пита

тельных веществ:

                       (\Y1   = ГВМ  RYi
                       VV BMi    _ BMi BBMi .
      12.     Расход питательных веществ на ферментацию:
                                        V CYⁱ

        V = EV =E F ⁰

VE BMi   2L vBMi ZjpY    .
                                        CE BMi

      13. Плотность смеси питательных веществ:
PEbm; = Z CfMBMi .
      14. Расход посевного материала:
CX
V = V —S-VX   VS   .
PX
      15. Расход О2 (a O²) и выделение СО2 (a CO²) на 1 кг биомассы рас

считывается исходя из стехиометрических соотношений в уравнении суммарной реакции биосинтеза по основным ее элементам (используется брутто-формула):
      СНтО1 + Xi NH3 + X2 O2 = Хз СНрОпКц + X4 CO2 + X5 H2O , где m, 1, р, n, q - число атомов O, H, N, приходящихся на один атом углерода в субстрате и биомассе.

10