Материальный и тепловой балансы

Размещено на http://www.allbest.ru

1. Материальный и тепловой балансы

1.1 Материальный баланс

стерильный ферментация культуральный

Исходные данные для продуктового расчета и составления материального баланса производства препарата защиты растений «Бацитурина»:

Мощность производства по пастообразному продукту 460 т/год;

Число рабочих дней в году 345;

Титр 20 млрд спор/г готового продукта

1 млрд спор/мл КЖ

Объем ферментатора 10 м3;

Продолжительность ферментации 40 часов

Оборот ферментации 45 часов

Коэффициент заполнения ферментации 0,7

Объем основной питательной среды 7м3

Состав питательной среды для производства, %:

Дрожжи- 1;

Кукурузная мука-1,5;

(NH4)2SO4 - 0,15;

K2HPO4 - 0,15;

NaCl -0,2;

MgSO4 - 0,1;

Мел - 0,15.

Потери:

- испарение и каплеунос при ферментации - 8% от КЖ

- концентрирование КЖ в бактофуге - 1%

- упаривание фугата - 1%

Расчет выполняем на одну операцию по ферментации. Принят объем ферментатора 10 м3. Степень заполнения ферментатора принимаем равной 0,7.

Количество ферментационной среды, поступившей в ферментатор, составит:

G1 = 10•0,7 = 7 м3.

Объем производства 460 т/год или 460/345= 1,33 т/сут. С учетом механических потерь.

1,33/0,99•0,99=1,36 т/сут.

Определение плотности среди:

сср=0,01•1210+0,015•1360+0,0015•1769+0,0015•2330+0,002•2165+0,001•2650+0,0015•2740+0,9675•1000=12,1+20,4+2,65+3,5+4,33+2,65+4,11+967,5=1017,24 кг/м3

mср=сср•Vср

mср=7•1017,24=7120,68 кг

7•(1-0,08)=6,44м3-на каплеунос

Масса и объем вносимых компанентов:

Дрожжи:

7120,68•0,01=71,21 кг

71,21/1210=0,059 м3

Кукурузная мука:

7120,68•0,015=106,81 кг

106,81/1360=0,0785 м3

Аммоний сернокислый:

7120,68•0,0015=10,68 кг

10,68/1769=0,006 м3

Калий фосфорнокислый (однозамещенный):

7120,68•0.0015=10,68 кг

10,68/2330=0,0046 м3

Хлорид натрия:

7120,68•0,002=14,24 кг

14,24/2165=0,0066 м3

Сульфат магния:

7120,68•0,001=7,12 кг

7,12/2650=0.0027 м3

Мел :

7120,68•0,0015=10,68 кг

10,68/2740=0,0039 м3

Вода :

Vвсе компаненты=0,059+0,0785+0,006+0,0046+0,0066+0,0027,0,0039=0,1613 м3

Vвода=7-0,1613=0.84 м3

Потри на каплеунос:

7•0,08=0,56 м3=560 кг.

Стандартизация готового препарата.

Стандартизация пастообразного продукта проводится путем внесения наполнителей (масс.%):

консерванты - хлорид натрия (10%), хлороформ (5%);

прилипатель - карбоксиметилцеллюлоза (10%);

смачиватель - сульфонол (1,5%);

наполнитель - каолин (10%);

стабилизатор суспензии - сульфитно-спиртовая барда (5%);

защитное вещество - меласса (1%).

Общая доля стабилизирующих веществ:

Доля концентрата в готовом пастообразном продукте:

Масса готового пастообразного продукта:

0,782/1,06=0,738 м3/сут

где 1,06 - плотность пасты, т/м3,

20 млрд. спор/г готового препарата, это 20•1,06=21,2 млрд. спор/мл;

1,0 млрд. спор/мл культуральной жидкости;

Количество КЖ составит:

или

где 1,017 - плотностьКЖ, т/м3;

Необходимое число сливов КЖ для производства продукта:

Таблица 1 Расход компонентов питательной среды на одну операцию

Компонент среды	Содержание по прописи, %	Масса на одну операцию, кг	Плотность, кг/м3	Объем на одну операцию, дм3
Дрожжи	1	71,21	1210	0,059
Кукурузная мука	1,5	106,81	1360	0,0785
(NH4)2SO4	0,15	10,68	1769	0,006
KH2PO4	0,15	10,68	2330	0,0046
NaCl	0,2	14,24	2165	0,0066
MgSO4	0,1	7,12	2650	0,0027
Мел	0,15	10,68	2740	0,0039
Вода		6840	1000	6,84
Итого:	1 л	7071,42	1017,24	7

В таблице 2 приведен материальный баланс процесса ферментации.



Таблица 2 Материальный баланс процесса ферментации

Наименование Компонентов	Количество на одну операцию
	По массе, кг	По объему, дм3
1	2	3
Приход
Дрожжи	71,21	0,059
Кукурузная мука	106,81	0,0785
(NH4)2SO4	10,68	0,006
KH2PO4	10,68	0,0046
NaCl	14,24	0,0066
MgSO4	7,12	0,0027
Мел	10,68	0,0039
Вода	6840	6,84
ИТОГО ПРИХОД:	7071,42	7
Расход
Жидкость на испарение и каплеунос	712,07	0,7
Культуральная жидкость	6408,61	6,3
ИТОГО РАСХОД:	7120,678	7

1.2 Тепловой баланс

1.2.1 Ферментация

Уравнение теплового баланса процесса ферментации в общем виде:

,

где Q1 - биологическое тепло, выделяющееся в процессе ферментации;

Q2- тепло, вносимое перемешивающим устройством;

Q3 - тепло, вносимое воздухом; Q4 - тепло, отводимое отработанным воздухом; Q5- количество тепла, которое необходимо отвести охлаждающей водой; Q6 - потери тепла в окружающую среду.

В расчете на одну операцию:

где q1 - удельное тепловыделение, кДж/(м3 ч), для среды q = 62,8 МДж/(м3•ч);

V1 - объем среды в ферментаторе, м3.

Q1=62,8•7=439,6 (МДж/ч)=0,122 кВт

где N - мощность привода перемешивающего устройства, для ферментатора объемом 10 м3N = 22,5 кВт;

з - коэффициент полезного действия электропривода, з = 0,80.

Количество тепла, вносимого в ферментатор воздухом:

Где m- расход воздуха на ферментацию, м3/ ч;

1 - плотность входящего воздуха, кг/м3;

I - теплосодержание входящего воздуха, кДж/кг сухого воздуха.

Влагосодержание воздуха и его энтальпию можно определить по I-x - диаграмме Рамзина или рассчитать аналитически по уравнениям:

где х1 - влагосодержание воздуха, кг водяного пара / кг сухого воздуха;

t1 - температура воздуха, С;

рнас - давление насыщенного водяного пара при температуре воздуха t, Па;

П - общее давление воздуха, принимаем 200 кПа;

- относительная влажность воздуха, масс.доля.

где Т- температура воздуха, К.

В качестве исходных данных принимаем для расчета следующие параметры входящего воздуха:

t1 = 60С; = 0,4;

рнас = 19920 Па (по табл. XXXVIII [3] при 60С).

Тогда

где 50 - расход воздуха на ферментацию, м3/(м3?ч);

7 - объем среды в ферментаторе, м3.

Отработанный воздух имеет следующие параметры:

- температура t2= 30С; = 1,0;

- давление воздуха на выходе из ферментатора П2 = 20 кПа;

рнас = 4242 Па (по табл. XXXVIII [3] при 30С).

Тогда

Количество тепла, отводимое водой:

Потери тепла в окружающую среду:



2. Расчет и подбор оборудования

2.1 Емкость для среды

Предназначена для смешения и растворения компонентов питательной среды.

Выбирают стандартный емкостной аппарат по ГОСТ 9931-86, вмещающий объем среды на загрузку ферментатора с коэффициентом заполнения емкости, равным 0,7.

Принимаем емкость для приготовления среды объемом 40 м3.

2.2 Оборудование для ферментации

В настоящем проекте используется ферментатор барботажного типа с механическим перемешиванием. Ферментация осуществляется в периодическом режиме.

Необходимое количество ферментаторов:

где G - расход питательной среды, м3/сут;

- оборот ферментатора, ч.

Полный цикл работы одного ферментатора складывается из следующих величин:

- длительность ферментации - 40 ч;

- слив культуральной жидкости - 1 ч;

- мойка ферментатора - 1 ч;

- проверка ферментатора на герметичность - 0,5 ч;

- стерилизация ферментатора - 2 ч;

- заполнение ферментатора питательной средой и засев - 0,5 ч;

ф = 40 + 1 + 1 + 0,5 + 2 + 0,5 = 45 ч;

k - коэффициент запаса (k = 1,11,2);

V - геометрический объем ферментатора, м3;

- коэффициент заполнения ферментатора ( = 0,7).

С учетом необходимого запаса принимаем к установке 8 ферментатора объемом 10 м3: ферментатор для глубинного культивирования микроорганизмов при стерильных условиях, материал Сталь 12X18H10T, давление для ферментатора 0,02 - 0,05 МПа, для стерилизатора 3,0 МПа. Температура для ферментатора 24 - 34 °C, для стерилизатора - 140 °C. Мощность двигателя 22,5 кВт. Основные размеры: D = 1900 мм, Н = 6350 мм.

2.3 Оборудование для получения стерильного воздуха

Для очистки воздуха применяют фильтры с различными фильтрующими материалами и элементами.

Расчет числа фильтров, имеющих стандартные фильтрующие элементы, производят по формуле

где V - требуемый расход воздуха, м3/ч;

Vф - производительность одного фильтра, м3/ч.

Расход воздуха на аэрацию составляет Vаэр = 50 м3/м3•ч.

Для производственных ферментаторов требуемый расход воздуха составляет:

где Vферм - объем среды в производственном ферментаторе.

Выбираем фильтр ФТОС-500 производительностью по очищенному воздуху 500м3/ч.

Для головных фильтров набивного типа рассчитываем их диаметр, м:

где V - требуемый расход воздуха, м3/ч;

n - число головных фильтров;

Vф - скорость воздуха внутри фильтра; зависит от материала, применяемого для набивки фильтра, принимаем 0,8 м/с.

Диаметр головного фильтра набивного типа:

По ГОСТ 9931-85 выбираем фильтр типа ВЭЭ номинальным объемом Vн = 2,5 м3, D = 1600 мм.

С учетом необходимого запаса принимаем к установке 2 головных фильтра.

2.4 Емкость для сбора культуральной жидкости

Количество культуральной жидкости в сутки Gкж = 38,9 м3. Необходимый объем сборников при коэффициенте заполнения 0,7:

В качестве сборника культуральной жидкости принимаем к использованию емкоть объемом 40 м3.

2.5 Сепаратор-бактофуга

Выбираем для установки сепаратор-бактофугу РОТОР-ОБЦП-10 (ОА «Ротор», Россия). Технические характеристики:

- производительность 10 мі/ч;

- частота вращения барабана 5000±50 об/мин;

- электродвигатель (1450 об/мин, 380 В), мощность 15 кВт;

- габаритные размеры: ДЧШЧВ, мм: 1200Ч850Ч1780;

- масса сепаратора: 1390 кг;

- давление на выходе отработанной культуральной жидкости 0,25 - 0,30 МПа;

- давление буферной воды 0,15 - 0,30 МПа;

- давление на выходе концентрата 0,10 - 0,50 МПа.

Исходя из производительности бактофуги, принимаем одну рабочую машину (длительность стадии бактофугирования ~ 3 часа для одной операции).

Сепаратор-бактофуга подвергается чистке с частичной разборкой один раз в сутки, длительность операции 2 часа.

Принимаем к установке два сепаратора-бактофуги с учетом необходимого резерва.

2.6 Сборник отработанной культуральной жидкости

Исходя из производительности сепаратора-бактофуги (Gокж = 10 м3/ч) рассчитываем необходимый объем сборника отработанной культуральной жидкости после стадии сепарирования:

где ф - время заполнения емкости.

Количество отработанной культуральной жидкости в сутки(Gкж=25,05•1017=25475,85кг;Gпасты=25275,85/31,5=808,76кг; Gотр=25475,85-808,76=24667,09кг;) Gотр = 24667,09 кг (с = 1017 кг/м3) = 24,25 м3. Необходимый объем сборников при коэффициенте заполнения 0,8:



С учетом необходимого запаса принимаем к установке два сборника отработанной культуральной жидкости номинальным объемом 32 м3 (ГОСТ 9931-85) и два сборника пасты номинальным объемом 1 м3 (ГОСТ 9931-85) .

2.7 Роторно-пленочный испаритель

Выбираем испаритель роторно-пленочный РПИ-100-7 семимодульный производительностью 1 750 кг/ч по испаряемой влаге. С учетом времени на обслуживание и мойку (принимаем 2 часа в сутки) принимаем время работы испарителя в сутки фисп = 22 часа. Тогда необходимое число испарителей:

где m - количество сливов в сутки.

Принимаем 1 установку РПИ-100-7 производительностью 1 750 кг/ч по испаряемой влаге.

2.8 Емкость для сбора концентрата

Концентрат собирается в емкость с рубашкой и мешалкой для стабилизации, куда также вносятся компоненты для стабилизации. Масса готового пастообразного продукта, получаемого с одной операции, составляет 1360 кг. Объем пастообразного продукта (плотность 1060 кг/м3):

Объем емкости для сбора концентрата и стабилизации с учетом коэффициента заполнения 0,7 составляет:

С учетом необходимого запаса принимаем два сборника концентрата объемом 2 м3.

2.9 Емкость в отделении фасовки

Принимаем к установке одну емкость такого же объема, как емкость для приготовления пастообразного продукта (2 м3).

2.10 Расчет насоса

При проектировании необходимо определить напор жидкости, создаваемый насосом, и мощность электродвигателя при заданном расходе жидкости. По этим характеристикам выбирают насос конкретной марки.

Произведем расчет насоса, перекачивающего питательную среду из емкости для приготовления в ферментатор.

Полезная мощность на перекачивание жидкости



где G - расход жидкости, м3/с

с - плотность жидкости, 1017 кг/м3;

g - ускорение свободного падения, 9,8 м/с2;

H - напор, м.

где Р1 - давление в аппарате, из которого перекачивается жидкость, Па;

Р2 - давление в аппарате, в который перекачивается жидкость, Па, принимаем Р1 = Р2, Р2 - Р1 = 0;

Hг - геометрическая высота подъема жидкости, примем 4 м;

hп - суммарные потери напора во всасывающей и нагнетательной линиях, принимаем 2,5 м.

Требуемая номинальная мощность двигателя:

где зн - к. п. д. насоса (для центробежного насоса зн = 0,8)

зпер - к. п. д. передачи от электродвигателя к насосу (зпер = 0,95 при зубчатой передаче).

Выбираем центробежный насос К100-80-160а /4 (ГОСТ 22247-96), тип - насосы горизонтальные, центробежные, консольные с опорой на корпусе и на отдельной стойке. Перекачиваемые среды - чистая вода (кроме морской) и другие жидкости, темп. от 273 до 358 К (от 0 до +85 С), с содержанием механических примесей не более 0,1 % по объему и размером не более 0,2 мм. Условия перекачивания среды - стационарные.G = 46,8 м3/ч, Н = 7 м, мощность электродвигателя Р = 1,5 кВт, n = 1500 об/мин. [7].

Полезная мощность насоса К100-80-160а /4:

где здв - к. п. д. двигателя, выбирается по таблице 9 [2] в зависимости от его номинальной мощности.

2.11 Сводная ведомость оборудования

В таблице 4 приведен перечень оборудования для цеха по производству пастообразного продукта «Бацитурина» мощностью 460 т/год.

Таблица 4 Перечень основного оборудования производственного цеха

Наименование	Количество	Примечания
Емкость для приготовления питательной среды	1	Емкость номинальным объемом 40 м3 с рубашкой и мешалкой. Тип ВЭЭ; исполнение 2; основные размеры: D = 3400 мм, L = 4820 мм; l=3000мм; F=58,4м2.
Производственный ферментатор	8	V = 10 м3 с рубашкой и мешалкой: ферментатор для глубинного культивирования микроорганизмов при стерильных условиях, материал 12X18H10T, тип ВЭЭ; исполнение 2; основные размеры: D = 1900 мм, H= 6390 мм,(ГОСТ 9931-85).
Фильтр для очистки воздуха индивидуальный для производственного ферментатора	1	ФТОС-500
Сборник культуральной жидкости	2	Емкость номинальным объемом 40 м3 с рубашкой и мешалкой. Тип ВЭЭ; исполнение 2; основные размеры: D = 3400 мм, L = 4820 мм; l=3000мм; F=58,4м2.
Сепаратор-бактофуга	2	РОТОР-ОБЦП-10 (производство: ОА «Ротор», Россия), производительность 10 м3/ч, габаритные размеры, ДЧВЧШ, мм: 1200Ч1780Ч850
Сборник фугата (отработанной культуральной жидкости)	2	V = 32 м3. Тип ВЭЭ; исполнение 2; основные размеры: D = 3200 мм, L = 4420 мм, l = 2700 мм, Fвнутр = 50,5 м2 (ГОСТ 9931-85).
Сборник пасты	2	V = 1 м3с охлаждающей рубашкой и мешалкой. Тип ВЭЭ; исполнение 2; основные размеры: D = 1200 мм, L = 1050 мм, l = 400 мм, Fвнутр = 4,81 м2 (ГОСТ 9931-85).
Роторно-пленочный испаритель	1	РПИ-100-7, семимодульная установка, производительность по испаряемой влаге 1 750 кг/ч; габаритные размеры ДЧВЧШ, мм: 3080Ч4360Ч640.
Емкость для сбора концентрата и приготовления пастообразного продукта	2	V = 2 м3с охлаждающей рубашкой и мешалкой. Тип ВЭЭ; исполнение 2; основные размеры: D = 1400 мм, L = 1500 мм, l = 750 мм, Fвнутр = 7,75 м2 (ГОСТ 9931-85).
Емкость в отделении фасовки	1	V = 2 м3. Тип ВЭЭ; исполнение 2; основные размеры: D = 1400 мм, L = 1500 мм, l = 750 мм, Fвнутр =7,75 м2 (ГОСТ 9931-85).
Фильтр головной для очистки воздуха	2	V = 2,5 м3, D = 1600 мм, H = 2350 мм
Насос для перекачивания питательной среды из емкости для приготовления в ферментатор	1	Центробежный насос К100-80-160а /4 (ГОСТ 22247-96), G = 46,8 м3/ч, Н = 7 м, мощность электродвигателя Р = 1,5 кВт, n = 1500 об/мин. 1125 Ч 540 Ч 350 мм

Размещено на Allbest.ru