Термостатирование ферментационного процесса

Размещено на http://www.allbest.ru/

Основные теоретические аспекты

Стадия ферментации - центральная среди этапов промышленного производства. Под ферментацией понимают всю совокупность последовательных операций от внесения в заранее приготовленную и термостатированную среду инокулята до завершения процессов роста, биосинтеза или биотрансформации.

Ферментация проходит в специальных емкостях, называемых ферментерами или биореакторами. Основными элементами ферментера являются двойные стенки, промежуток между которыми заполняется охлаждающей или нагревающей жидкостью, входные отверстия для газовых и жидких потоков, система контроля за составом питательной среды и условиями внутри реактора.

Устройство ферментера

Вопросы термостатирования ферментационного процесса (подвода или отвода тепла в ходе ферментации) являются очень острыми в целом ряде производств биотехнологии. В аэробных условиях микробиологический синтез протекает со значительным тепловыделением, что вызывает необходимость отвода тепла из аппаратов большого объема (сотни и тысячи кубометров). Технологические требования к скорости теплоотвода очень жесткие из-за узкого температурного оптимума роста культуры (2-3up>оС). Наиболее приемлемый на практике способ теплоотвода - охлаждение водой через змеевики, рубашки и др. устройства - осложняется небольшой разностью температур между содержимым биореактора (32-34оС для дрожжей Candida) и охлаждающей водой (20оС), температура которой в жаркое время года еще выше. Поэтому в реакторе создается развитая поверхность газообмена, увеличивается скорость движения жидкостей и т.д.

Важно также поддерживать определенный состав питательной среды. В непрерывных процессах биосинтеза задача технолога сводится к поддержанию концентрации всех питательных веществ (и кислорода) и дозированному введению кислоты или щелочи для рН-статирования системы на заданном уровне. Простейшим вариантом управления стадией ферментации в периодическом режиме является изменение концентраций компонентов среды и её рН, а также введение необходимых добавок по заранее разработанной программе, реализуемой технологом в каждом цикле ферментации. Этот способ относительно прост и легко поддается автоматизации.

Процессы биосинтеза (ферментации) занимают важное место в медицинской, пищевой, микробиологической и других отраслях промышленности.

Процесс биосинтеза м/о состоит из следующих стадий

1) подготовка оборудования (стерилизация) и питательной среды для процесса биосинтеза;

2) подготовка посевного материала;

3) загрузка питательной среды в ферментер;

4) совместная стерилизация питательной среды и оборудования;

5) загрузка посевного материала;

6) процесс ферментации антибиотика;

7) выгрузка и очистка продукта;

8) складирование продукта.

Ферментер нагревается до 90⁰C острым паром, подаваемым по трубопроводам через термозатворы, глухие штуцера и барботер. Во время нагрева ферментера до 90⁰С один раз в 3 недели стерилизуют воздушный фильтр. Фильтр прогревается острым паром до 130⁰С и выдерживается 30 мин при этой температуре.

По окончании нагревания (что определяется достижением температуры конденсата 90⁰С на выходе из ферментера) прекращается подача острого пара в аппарат через термозатворы и глухие штуцера. Далее начинается загрузка питательной среды из емкости подпиток при помощи насоса. При этом продолжается подача пара через барботер с небольшим расходом, для предотвращения забивания отверстий барботера частичками питательных веществ. Для доведения до необходимого объема питательной среды в ферментер заливается питьевая вода. По окончании загрузки питательной среды и вспомогательных операций питательную среду в ферментере нагревается до температуры стерилизации 121⁰С .

По достижении в ферментере температуры 121⁰С останавливается подача острого пара через термозатворы на трубопроводах и глухие штуцера. Острый пар продолжает подаваться через барботер с низким расходом.

Затем ферментер выдерживается в течение 30 мин при t=121⁰C, P=0,2 МПа. Температуру стерилизации поддерживается контролируемым расходом пара через рубашку ферментера.

По окончании интервала выдерживания останавливается подача пара в рубашку и подача острого пара через барботер. Начинается подача охлаждающей воды через рубашку ферментера для снижения температуры в ферментере с 121⁰С до 28⁰С, совместно с этим для компенсации давления через барботер подается стерильный сжатый воздух.

Продолжительность биосинтеза эритромицина при посеве из колбы составляет ~240 ч. По истечению этого срока готовая культуральная жидкость выгружается и передаётся на фильтрацию.

Исходные данные для проектирования системы автоматизированного управления стадии стерилизации биореактора

Исходными данными для проектирования системы автоматизированного управления является количество технологических параметров (каналов), которые необходимо контролировать (входные каналы САУ) или с помощью которых необходимо осуществлять регулирование (выходные каналы САУ):

Кроме этого при проектировании необходимо учитывать следующие факторы:

1) создаваемая система автоматизированного управления будет работать совместно с САУ ферментации;

2) использование датчиков и исполнительных механизмов от САУ ферментации;

3) автоматизации подлежит периодический процесс, проводящийся один раз в 240 часов;

4) существенные экономические потери, связанные с нарушением регламента процесса;

5) наличие не взрыво/пожароопасного производства;

6) размещение объекта управления на небольшой территории;

7) возможность наращивания производства за счет добавления новых биореакторов.

Входные параметры, имеющие значение для процесса стерилизации:

1) расход воздуха F_В;

2) расход пара F_П;

3) температура пара Т_П;

4) температура охлаждающей воды Т_охл;

5) расход охлаждающей воды G_ОВ.

Выходные параметры имеющие значение для процесса стерилизации:

1) температура среды в ферментере Т_Ф;

2) температура элементов трубопроводной обвязки (штуцер) на выходе из ферментера Т_Ш;

3) давление внутри ферментера P.

Ферментер как объект автоматизированного управления

Структурная схема:

ОУ - объект управления;

УУ - устройство управления;

ВБ - вычислительный блок;

F₁ - расход питательной среды;

F₂ - расход пара;

F_1ном - номинальный расход питательной среды;

F_2ном - номинальный расход пара;

? и = и(t) - и_зад - отклонение температуры;

? и < 0: F₁ = F_1ном

? и ? 0: F₂ = F_2ном

? и = 1,5 ⁰С - колебание температуры.

Расчеты:

Соединение обратной связью:

Передаточная функция обратной связи:

При ферментации в аппарате возникает вынужденное движение жидкости, которое описывается критериальным уравнением

Eu = f(Re*Г)

ферментация термостатированый инокулят биореактор

где, Eu - модифицированный критерий Эйлера:

Eu = N/(с*n³*d³)

Re - модифицированный критерий Рейнольдса:

Re = (с*n*d²)/м

Г - геометрический симплекс:

Г = d/D _апп

N = K_N * n³ * d⁵ * с;

Мощность:

N_дв = (K * N)/з_пер

К - поправочный коэффициент;

з_пер - к. п. д. передачи.

ф = (с * V)/(G_эфф) = (с * S * h_эфф)/(G_эфф ) -

в реальной установке непрерывного действия.

Материальный баланс:

G_{А вых}*С_Авых-G_{А вх}*СА _вх-q_в*C_в=dG?dt(x,y,z,t)

q_в*C_в=G/x*dx/dt+G/y*dy/dt+G/z*dz/dt+G/t*dt/dt

q_в*C_в= ?G? ?x*V_x+?G/ ?y*V_y+?G/?z*V_z+ ?G/?t

Размещено на Allbest.ru