Список літератури

ЗМІСТ

Вступ 4

1. Призначення та область застосування апарату 6

2. Опис технологічного процесу виробництва лізину 8

3. Обгрунтування вибору проектованої конструкції 14

4. Технічна характеристика ферментера 20

5. Технологічні розрахунки 21

5.1.Вихідні дані для розрахунку 21

5.2.Конструктивний розрахунок 21

5.3. Розрахунок перемішуючих пристроїв 23

5.4. Тепловий розрахунок 26

5.5. Розрахунок барботеру 29

6. Вибір загальнозаводського обладнання 32

7. Вимоги з техніки безпеки та охорони праці 33

Висновки 39

Список літератури 40

Додаток А

Додаток Б

ВСТУП

Біотехнологія — міждисциплінарна галузь, що виникла на стику біологічних, хімічних і технічних наук. З розвитком біотехнології пов’язують вирішення глобальних проблем людства — ліквідацію недостачі продовольства, енергії, мінеральних ресурсів, поліпшення стану охорони здоров’я і якості навколишнього середовища. У наш час дуже стрімко розвивається біотехнологія і актуальним є саме розробка та вдосконалення біотехнологічних процесів, а разом з тим і технічного та апаратурного оснащення.

Максимально точний розрахунок процесів та апаратів дає можливість максимізувати масштаби отриманої продукції в таких галузях промисловості як: біотехнологічна, фармацевтична, харчова, мікробіологічна та ін. Виробництво готової продукції являється складним та багатостадійним процесом, що включає велику кількість різноманітних процесів: очищення, змішування, концентрування, нагрівання, охолодження, сушіння, стерилізацію [1].

Аналізуючи сучасний стан виробництва, можна сказати, що останнім часом застосування ферментерів в біотехнологічному виробництві набуло широкого застосування.

Апаратурне оформлення технологічних процесів біотехнологічних виробництв має велике значення для проектування технології. Обладнання має багато спільного з обладнанням хімічної та харчової промисловості [3].

Однак, процеси, що протікають в мікробіологічній апаратурі, відрізняються підвищеною складністю. Це обумовлено не тільки тим, що в біохімічному синтезі беруть участь живі організми, реакція яких на зміну навколишнього середовища часто непередбачувана. Складні по фізичній структурі самі системи, які обробляються на різних стадіях отримання біомаси. Частіше всього ці системи неоднорідні, що ускладнює аналіз процесів, що протікають у цих системах [4].

Процеси біотехнологічної промисловості проводять в умовах вузького інтервалу температур, тиску, рН, не допускаючи значної зміни цих величин, які можуть привести до втрати цільового продукту.

Одна із вимог до обладнання біотехнологічних процесів – герметичність на стадіях підготовки поживного середовища, отримання посівного матеріалу та культивування. Важливим є також вибір матеріалів устаткування. Останні мають бути кислотостійкими, антикорозійними і не повинні інгібіювати процесів, що проходять у апаратах [3].

У даному проекті розглядається виробництво лізину з бурякової меляси.

Меляса являється цінною сировиною і застосовується при виробництві етилового спирту, лимонної кислоти, біологічно активних добавок, амінокислот, вітамінів, як компонент поживного середовища для культивування мікроорганізмів та як кормова добавка.

Актуальність даної теми визначається тим, що лінія виробництва лізину є економічно ефективною, так як має високу продуктивність, що дозволяє економити енергоресурси.

1. ПРИЗНАЧЕННЯ ТА ОБЛАСТЬ ЗАСТОСУВАННЯ АПАРАТУ

Для культивування був обраний вертикальний апарат з еліптичними кришкою і днищем, а також барботером для аерації та мішалкою для забепечення однорідного розподілу поживних компонентів та повітря в культуральній рідині. Конструкція ферментеру призначена для біосинтезу лізину з бурячної меляси.

Апарат такої конструкції можна використовувати для вирощування, за потребою, широкого спектру мікроорганізмів (включаючи умовно патогенні) та грибів, як аеробних, так і анаеробних, оскільки він є класичним ферментером, в якому передбачена, за необхідності, подача повітря барботером для аерації середовища культивування, та інтенсифікація перемішування з диспергуванням повітря перемішуючим пристроєм [2, 3]. Номінальний об’єм ферментера, що розробляється складає 100 м³.

Технологічний процес, що протікає в обраному ферментері, складається з наступних операцій:

1) підготовка ферментера і перевірка його на герметичність;

2) стерилізація ферментера;

3) завантаження поживним середовищем і культурою;

4) процес культивування.

Підготовка ферментера і перевірка його на герметичність. Ферментер ретельно промивають водою. Після усунення помічених дефектів ферментер заповнюють водою до рівня занурення барботера і протягом декількох хвилин пропускають повітря, перевіряючи чистоту отворів променів барботера. Паралельно перевіряють індивідуальний фільтр, систему подачі повітря і піногасника [7].

Ферментер, посівну лінію, фільтр із повітряними комунікаціями, бак з піногасником перевіряють на герметичність за допомогою мильного розчину і гідравлічним тиском.

Стерилізація ферментера. Ферментер і систему комунікацій стерилізують гострою парою, для чого в апарат і систему подають гостру пару. Стерилізацію проводять при надлишковому тиску 120-140 кПа протягом 1,5-2 години. Стерилізацію фільтрів проводять одночасно зі стерилізацією ферментера.

Завантаження поживним середовищем і культурою. Виробниче ПС засівають посівним матеріалом з посівного апарата при температурі середовища 31°С.

Процес ферментації. Процес повинен проходити при наступних умовах:

1) температура середовища 31°С (регулюється шляхом подачі води в сорочку апарата);

2) надлишковий тиск у процесі росту повинне бути 0,3МПа;

3) безперервна аерація середовища стерильним повітрям з температурою 31°С;

4) тривалість культивування 72 години;

5) рН 6 – 8,5;

6) присутність сторонньої мікрофлори не допускається [10].

2. ОПИС ТЕХНОЛОГІЧНОГО ПРОЦЕСУ ВИРОБНИЦТВА ЛІЗИНУ

Приготування поживного середовища для культивування продуцентів лізину здійснюється у дві стадії.

Бурякова меляса, яка використовується у виробництві лізину, містить термолабільний компонент – сахарозу. Тому її стерилізують окремо. У реактор, забезпечений мішалкою – змішувач, подають мелясу і нагрівають її при постійному розмішуванні до температури 80°С, змішуючи її з водою, згідно з наявною рецептурою, потім її швидко розігрівають глухою парою до температури 120-122°С, у спеціальному апараті, і витримують при цій температурі певний час, необхідний для повної загибелі всієї мікрофлори. Поживні солі і всі інші компоненти середовища розчиняються в змішувачі, але з таким розрахунком, щоб при наступному поєднанні цих розчинів вийшли прийняті регламентом концентрації компонентів у середовищі. Потім приготовані суміші надходять у нагрівальну колонку, у витримувач і на охолодження в теплообмінник. Режими стерилізації для першої порції і другої різні [12].

Стерильне охолоджене поживне середовище далі потрапляє в ферментатор, заповнюючи його на 65-70%. Для початку ферментації необхідно ввести в середовище посівний матеріал. Вихідна культура готується у мікробіологічній лабораторії заводу, і якщо приготування посівного матеріалу йде періодично, то після вирощування в качалочних колбах культура передається на першу і потім на другу ступені інокуляторів, де отримують необхідні обсяги посівної культури. Стерилізація поживного середовища здійснюється в самих посівних апаратах, попередня ж гомогенізація середовища здійснюється в спеціальному посівному змішувачі, так як в інокуляторах першого ступеня, а часто і в другого немає перемішують [9].

Для здійснення культивування продуцента у посівних апаратах, і в ферментері, необхідне стерильне повітря. Для цього використовується ціла система фільтрів і кондиціонерів. Повітря забирається з атмосфери, очищається від грубих часток в вісціновому фільтрі і надходить у турбокомпресор, де відбувається його стиснення, температура повітря піднімається до 150-160°С; потім повітря охолоджується, відокремлюється конденсат і далі повітря подається в ресівер, що забезпечує рівномірність подачі повітря в ферментатор. Підготовлене таким чином повітря надходить до заповненого активованим вугіллям і скловатою головний фільтр і потім – на систему індивідуальних фільтрів, заповнених спеціальними знепліднювальними матеріалами і встановлених на кожному ферментаторі і інокуляторі. Повітря, яке відходить з ферментатора, перед викидом в атмосферу знову очищається від клітин самого продуцента на повітряних фільтрах для того, щоб не забруднювати довкілля. У процесі культивування для піногасіння використовують стерильні піногасники. Подача їх в ферментатори здійснюється автоматично залежно від висоти утворення піни з апарату. У процесі культивування йде накопичення лізину.

Узагальнення виробничих даних по біосинтезу лізину Brevibacterium sp. 22 дозволило скласти наближене сумарне рівняння процесу, яке в загальному вигляді можна записати наступним чином:

100 С₆Н₁₂О₆ + 219 О₂ + 86 NH₃ → 35 C₆H₁₄О₂N₂ + 16 C₈H₁₃О₄N +

+ 262 СО₂ + 380 Н₂О.

З цього виразу випливає, що з кожного моля глюкози можна отримати 0,35 моля лізину, тобто 28% від спожитої у процесі біосинтезу глюкози. Практично, з урахуванням того, що отримують не чистий лізин, а монохлоргідрат лізину, вихід продукту становить близько 35%.

Тривалість культивування залежить від продуцента і умов введення в процес поживних речовин. Якщо процес періодичний, то тривалість не перевищує 70-72 год [1].

Готова культуральна рідина, що містить біомасу продуцента, тверді частинки середовища і всю масу речовин, може бути використана для отримання трьох продуктів: рідкого концентрату лізину (РКЛ), сухого концентрату кормового лізину (ККЛ) і кристалічного лізину. При отриманні препаратів РКЛ і ККЛ біомаса і тверда суспензія з культуральної рідини не видаляються.

При безпосередньому висушуванні або концентруванні культуральної рідини спостерігаються значні втрати лізину. Тому культуральна рідина піддається стабілізації. Цей процес здійснюють в спеціальній ємності 10, куди при перемішуванні подається спочатку 25%-вий розчин дисульфіта натрію в кількості 0,4% до обсягу культуральної рідини, а потім соляна кислота до рН 4,5-5,0. У результаті утворюється монохлоргідрат лізину, більш стійкий до термічного впливу.

Перед випарюванням культуральна рідина підігрівається в теплообміннику до температури 95-100°С і далі надходить в двокорпусну випарну установку. Упарена культуральна рідина з вмістом сухих речовин близько 40% надходить у збірник - це і є РКЛ (рідкий концентрат лізину). Далі насосом перекачується в спеціальні складські ємності, а краще відразу в авто- і залізничні цистерни і поставляється в тваринницькі комплекси або на комбікормові заводи для збагачення кормів.

Концентрат культуральної рідини може бути висушений безпосередньо в розпилювальній сушарці, тоді отримують препарат ККЛ без наповнювача. Культуральна рідина потрапляє на розпилювальний диск сушильної камери і розпилюється, найдрібніші крапельки зустрічаються з гарячим повітрям, волога миттєво випаровується, а порошок з вологістю 4-8% надходить у циклон-розванажувач. З теплоносієм із сушильної камери виноситься частина препарату, тому повітря проходить через циклони, де відділяється основна маса препарату, який також вступає у циклон-розвантажувач. Повітря для додаткового очищення проходить ще через скрубер і тільки після цього викидається в атмосферу. Якщо води, які омивають насадку скрубера, містять помітні кількості лізину, їх можна приєднати до культуральної рідини перед аппаратом [3].

Щоб зменшити втрати при сушінні розпиленням, а також для зниження гігроскопічності препарату ККЛ концентрат можна внести наповнювач. Це здійсниться в змішувачі, а потім отримана маса подаєтьсяся на розпорошення, так само як і в першому випадку, або в сушарку будь-якої іншої конструкції. В якості сушильного агента використовується нагріте до 250°С повітря. Отриманий сухий кормовий концентрат лізину фасується в мішок із подвійного крафт-паперу з поліетиленовою прокладкою, герметизується, етикетуються і відправляється на склад готової продукції.

Кристалічний препарат лізину отримують безпосередньо з фільтрату культуральної рідини без стабілізації. Культуральна рідина з ферментера надходить на фільтраційну установку, де відокремлюються біомаса продуцента і тверді частки (крейда), що знаходяться в середовищі, які надходять до збірок вологого осаду і потім висушуються в сушарці. Сухий біошрот може бути використаний як збагачувальна добавка в корм сільськогосподарським тваринам. Ретельно очищений фільтрат, що має рН біля 7, перекачується в напірний збірник, а звідти через ротаметри, реєструючи швидкість надходження всіх розчинів, - в іонообмінні колони, заповнені катіонітом КБ-4П-2 в амонійній формі. Лізін сорбується на іонітах. Співвідношення висоти шару іоніта до діаметра колонки коливається від 8:1 до 10:1, кожні 100 г іоніти сорбують до 6-8 г лізину. Для сорбції встановлюється декілька іонообмінних колон. В основі колон розташовується спеціальна решітка з щілинними ковпачками, призначена для розподілу рідини та попередження винесення смоли. На грати насипається шар подрібненого інертного матеріалу, наприклад скла висотою близько 0,15-0,20 м, а вже вище цього шару розташовується смола. Подача фільтрату культуральної рідини здійснюється внизу колони. Всі входи і виходи в систему іонообмінних колон зблоковані у вигляді комутаторів, що дозволяє раціонально вести управління процесом сорбції. Через колони пропускають фільтрат культуральної рідини до тих пір, поки не з’являться сліди лізину, тоді припиняють подачу фільтрату і промивають колону деіонізованою водою за принципом «киплячого шару». Ця вода частково в залежності від вмісту в ній лізину повертається в процес для вилучення з неї лізину. Фільтрат культуральної рідини після сорбції лізину видаляється. Елюція лізину з іонообмінної смоли здійснюється розчином аміаку, який насосом з цистерни подається в напірну ємність. З цього збірника розчин аміаку надходить в іонообмінні колонки з лізином і десорбує його. Перші порції елюата, що містять сліди лізину, відкидаються, основна ж кількість елюата надходить до збірки. Елюція продовжується до тих пір, поки вміст лізину не впаде до слідових кількостей. У процесі елюції відбувається перезарядка іонообмінної смоли в амонійну форму, що дозволяє знову використовувати її для сорбції лізину. Розпушують смолу перед новим циклом сорбції промиванням її деіонізованою водою. Елюат зі збірки надходить в випарної апарат, де спочатку звільняється від аміаку. Випарювання аміаку ведеться при температурі до 80°С. Пари аміаку вступають у холодильник, поглинальну колону і збірник. У випарний апарат до водного розчину лізину додають з мірника 2н. розчин соляної кислоти при постійному помішуванні до рН 4,9. Підкислений елюат випарюють в тому ж апараті під вакуумом, пари конденсують в холодильнику і конденсат збирають у збірнику. Потім концентрат у вакуум-випарному апараті охолоджують, в результаті чого випадають кристали монохлоргідрата лізину. Кашоподібна маса кристалів під тиском стиснутого азоту, що надходить з балона, передавлюється на нутч-фільтр. Відокремлюваний на фільтрі фільтрат містить велику кількість лізину і тому надходить знову в апарат, де змішується з новою порцією елюата. Якщо лізин призначений для кормових цілей, то він відразу ж з нутч-фільтра надходить на циркуляційну або будь-яку іншу сушильну установку і далі йде на фасування й упакування. Якщо ж отримують кристалічний препарат лізину для використання в харчовій промисловості, то кристали лізину з нутч-фільтра подають у кристалізатор, де їх розчиняють у 3-4 об’ємах деіонізованої води при температурі близько 70°С. Для зняття пігментів розчин лізину в цьому ж апараті обробляється активованим вугіллям і знову передається на нутч-фільтр. Фільтрат, звільнений від пігменту, повертається в випарний апарат і упарюється під вакуумом. До очищеного концентрату лізину додають 3-4-кратну кількість етилового спирту, випадають кристали лізину, які у вигляді кашоподібної маси передаються стисненим азотом на нутч-фільтр, де звільняються від спирту, який надходить до збірки, а кристали лізину - на сушильну установку. Високоочищений кристалічний лізин фасується в поліетиленові пакети, упаковується в картонні коробки і зберігається в сухому приміщенні [12].

3. ОБГРУНТУВАННЯ ВИБОРУ ПРОЕКТОВАНОЇ КОНСТРУКЦІЇ

По способу перемішування й аерації біореактори підрозділяються на апарати з механічним, пневматичним і циркуляційним перемішуванням. Апарати з механічним перемішуванням – найпоширеніша конструкція в сучасній мікробіологічній промисловості. Вони мають механічну мішалку, що складається із центрального вала й лопат різної форми [6]. Мішалка – рухомий робочий орган механічного перемішуючого пристрою, який здійснює безпосередню дію на рідке середовище [16]. В систему перемішування входять також відбивні перегородки – вузькі металеві пластини, прикріплені до внутрішніх стінок реактора. Ці перегородки запобігають виникненню виру навколо обертової мішалки, переводячи круговий рух рідини у вихровий, рівномірно розподілений по всьому об’єму. Перспективи подальшого застосування апаратів з механічним перемішуванням пов’язані з високою швидкістю масопередачі кисню й значною економією потужності [18].

Конструктивним елементом, безпосередньо призначеним для приведення рідини в рух, є мішалка. Як показує практика, більшість завдань перемішування може бути успішно вирішене шляхом використання обмеженого числа конструкцій мішалок. При цьому існують найбільш характерні області застосування й діапазони геометричних співвідношень окремих типів мішалок [11].

У даному курсовому проекті розраховується і проектується ферментер, що має перемішуючий пристрій. Перемішування рідини в реакторах-котлах може бути в більшості випадків здійснено лопатевими, якірними, рамними, турбінними або трьохлопатевими мішалками [7].

Перемішуючі пристрої в найбільш загальному випадку можна розділити на швидкохідні і тихохідні. До швидкохідних належать пропелерні та турбінні мішалки різних типів, а також спеціальні типи мішалок, наприклад дискові. Ці мішалки в залежності від від форми лопаток і способу їх встановлення можуть створювати радіальний, осьовий і радіально – осьовий потоки рідини. Швидкохідні мішалки частіше всього працюють в апаратах з відбиваючими перегородками. Відсутність перегородок призводить до завихрення рідини в апараті і утворенню воронки. До тихохідних мішалок належать лопатеві, якірні, рамні. Вони створюють головним чином коловий потік рідини, тобто рідина обертається навкруги осі апарата.

Всі системи для перемішування в рідкому середовищі являють собою посудину, яка містить рідину, з механічним пристроєм для створення турбулентності. Важливу роль при виборі мішалки грають фізичні параметри рідини, що перемішується і, в першу чергу, в’язкість середовища [22]. На рисунку 1 показані рекомендовані межі в’язкості рідин для найбільш розповсюджених типів мішалок [15]. Для малов’язких рідин, звичайно, використають швидкохідні мішалки, для високов’язких – тихохідні [13]. Для перемішування рідин з низькою і середньою в’язкістю використовують турбінні мішалки з прямими лопатками або пропелерні мішалки [15].

Рис.1.Рекомендовані межі в’язкості рідин для найбільш розповсюджених типів мішалок [15]

Для вибору оптимальної мішалки для поцесу приготування поживного середовища, що складається з води та бурячної меляси розглянемо основні типи мішалок, що використовуються в біотехнологічній промисловості:

1. Лопатеві. Ці мішалки рекомендується застосовувати при перемішуванні з метою суспендування, розчинення й при проведенні хімічних реакцій. Вони прості за конструкцією, але працюють недостатньо інтенсивно [14]. Як правило, лопатеві мішалки низькооборотні, з двома лопатками. Ці мішалки використовуються, коли немає необхідності в інтенсивній радіально – осьовій циркуляції рідини в апараті. Основними перевагами лопатевих мішалок є їх простота, а також низька вартість, в тих випадках, коли матеріал не являється визначаючим в загальній вартості їх виробництва [21]. Широко використовуються в процесах перемішування з одночасним нагріванням і охолодженням різноманітних напівтвердих мас, паст, замазок, а також для перемішування сипких, волокнистих та інших матеріалів в промисловості пластичних мас.

2. Якірні. Цей тип мішалок доцільно застосовувати для інтенсифікації теплообміну й запобігання випадіння осаду на стінках і днищі апарата.

3. Рамні мішалки використають у випадках, коли необхідно забезпечити більше інтенсивне перемішування по висоті, а також при перемішуванні в’язких рідин у великому об'ємі [19].

4. Турбінні мішалки використовують у всіх випадках, коли необхідно інтенсивне перемішування, особливо рідин, що значно розрізняються по в’язкості, а також при диспергуванні газу в рідині. Також їх використовують при розчиненні твердих кристалічних часток, емульгуванні рідин з великою різницею густин [13]. Турбінні мішалки мають лопатки. Якщо лопатки знаходяться в корпусі таким чином, що вони утворюють закриті канали подібні ротору центробіжного насосу, то таку мішалку називають закритою турбінною мішалкою. У відкритих мішалках лопатки не знаходяться в корпусі. Найбільш простою й високоефективною серед відкритих турбінних мішалок є мішалка з прямими лопатками, які розміщені радіально [16].

5. Трьохлопатеві. Ці мішалки використовуються при зважуванні твердих та волокнистих часток, емульгуванні рідин, інтенсифікації теплообміну [9, 13]. Пропелерні мішалки є ефективними в тих випадках, коли необхідно створити значну циркуляцію рідини при невеликих затратах енергії. Вони використовуються для процесів розчинення і процесів, які протікають з хімічними реакціями. При утворенні суспензій діаметр частинок не повинен перевищувати 0,1 – 0,5 мкм, а концентрація частинок 10% [5].

Тому при виборі того чи іншого перемішуючого пристрою можна використовувати орієнтовні характеристики умов використання різних типів мішалок, які наведені в таблиці 2 [10].

Таблиця 2

Тип мішалки	Об’єм рідини, яка перемішу-ється однією мішалкою, м^3	Вміст твердої фази при суспенду- ванні, %	Динамічна в’язкість рідини, кг/(м^.с)	Швидкість мішалки, м/с	Частота обертання мішалки
Лопатеві	До 1,5	До 5	До 0,01	До 1,7—5,0	0,3—1,35
Пропелерні	До 4,0	До 10	До 0,06	До 4,5-17,0	8,5—20,0
Турбінні відкриті закриті
До 10,0	До 60	До 1,00	До 1,8—13,0	0,7—10,0
До 20,0	До 60 і більше	До 5,00	До 2,1—8,0	1,7—6,0
Спеціальні	До 20,0	До 75	До 5,00	До 6,0-30,0	1,7—25,0

По даним таблиці видно, що найкращим чином даним умовам відповідає лопатева мішалка. Отже, обираємо лопатеву мішалку.

Ефективність перемішування залежить від ступеня турбулентності та від інтенсивності циркуляції, яка визначається часом, необхідним для того, щоб вся рідина пройшла крізь відповідний переріз. Ідеальне перемішування можна визначити як стан, при якому вміст системи однаковий в усіх точках. Для досягнення цього процесу в курсовому проекті використовується реактор з перемішуючим пристроєм – лопатева мішалка з відбиваючими перегородками.

Лопатеві мішалки – одні з основних пристроїв для перемішування основного типу ферментерів, що використовуються в мікробіологічній промисловості [19]. Лопатеві мішалки мають форму звичайних загрібних лопаток з плоскими, похилими або криволінійними лопатями, укріпленими, як правило, на вертикальному валу [12]. Лопатеві мішалки частіше всього складаються з набору (від 2 до 3) вертикальних лопаток прямокутної форми [14]. В апаратах з лопатевими мішалками створюються переважно радіальні потоки рідини. При роботі лопатевих мішалок з більшим числом оборотів поряд з радіальним потоком можливе виникнення тангенціального (кругового) плину вмісту апарата й утворення воронки. У цьому випадку в апарату встановлюють відбивні перегородки.

Рідина надходить у мішалку паралельно осі вала, викидається мішалкою в радіальному напрямку й досягає найбільш далеких точок апарату.

Лопатеві мішалки забезпечують інтенсивне перемішування в повному обсязі апарата. При більших значеннях відношення висоти до діаметра апарата застосовують багаторядні лопатеві мішалки.

Потужність, яка споживається лопатевими мішалками, що працюють в апаратах з відбивними перегородками, при турбулентному режимі перемішування практично не залежить від в’язкості середовища. Тому мішалки цього типу можуть застосовуватися для сумішей, в’язкість яких під час перемішування змінюється.

Лопатеві мішалки широко застосовують для утворення суспензій (розмір часток для таких мішалок може досягати 25 мм), розчинення, при проведенні хімічної реакції, абсорбції газів й інтенсифікації теплообміну [4].

Отже, можна визначити переваги використання лопатевої мішалки.

1. Вирівнювання температур середовища [5].

2. Швидкість перемішування та розчинення, інтенсивне перемішування в повному обсязі апарата.

3. Можливість досягнення рідиною найбільш віддалених точок апарату.

4. Ефективне перемішування в’язких рідин.

5. Потужність, яка споживається лопатевими мішалками, що працюють в апаратах з відбивними перегородками, при турбулентному режимі перемішування практично не залежить від в’язкості середовища.

6. Придатність для неперервних процесів.

На основі цих даних можна вибрати й обґрунтувати оптимальну конструкцію й параметри роботи пристрою, що перемішує. Оптимальною є конструкція, що дозволяє досягти необхідної якості перемішування з подальшим розчиненням при мінімальних витратах енергії в найкоротший строк. Таким апаратом є лопатева мішалка. Цей тип мішалки є досить простим за конструкцією, довговічний і надійний, з мінімальними матеріалозатратами і енергоємністю. На кришку апарату встановлюємо виносний індивідуальний привід зі стандартним мотор-редуктором. Ферментер має рубашку, в яку подається охолоджуюча вода для підтримання в ферментері постійної температури.

4. ТЕХНІЧНА ХАРАКТЕРИСТИКА ФЕРМЕНТЕРА

1. Призначення – для приготування розчину лізину.

2. Об’єм ферментера, м³:

номінальний 100;

робочий 65.

3. Площа поверхні теплообміну, м² 80.

4. Температура робочого середовища, ^оС:

- у ферментері 31;

- в рубашці 20.

5. Тип перемішуючого пристрою – мішалка лопатевого типу.

6. Кількість мішалок, шт. 2.

7. Частота обертання мішалки, c^-1 0,5.

8. Потужність електродвигуна, кВт 14.

9. Тип електродвигуна – мотор-редуктор МН – 5855-66.

10. Маса сухого апарата, кг 22580.

11. Габаритні розміри, мм.

- довжина 5933;

- ширина 5750;

- висота 14055.

5. ТЕХНОЛОГІЧНІ РОЗРАХУНКИ

5.1.Вихідні дані для розрахунку

Теплофізичні властивості живильного середовища (12% розчину меляси) визначальна температура – t_ср= 31^оС.

Теплоємність:

Густина:

Коефіцієнт динамічної в’язкості:

Коефіцієнт теплопровідності:

Коефіцієнт кінематичної в’язкості [10]:

5.2.Конструктивний розрахунок

Розрахуємо робочий об’єм апарату:

де =0,65 - коефіцієнт заповнення ферментеру, а V_н – номінальний об’єм апарату.

Приймаємо розмір внутрішнього діаметра ферментеру: [23].

Розраховуємо днище апарату. Висоту еліптичної частини днища розраховуємо за формулою:

Оскільки еліптичні днища є стандартними виробами, то за ГОСТ 6533-78 знаходимо решту конструктивних розмірів днища апарату:

h₁ = 0,08 м – висота основи еліптичного днища;

F_дн = 18,5 м² – внутрішня поверхня еліптичного днища;

s = 0,03 м – товщина стінки еліптичного днища;

V_дн = 9,383 м³ – об’єм еліптичного днища.

Для даного апарату обрано товщину стінки s = 30 мм.

Повна висота днища апарату:

Повний об’єм ферментера V_п розраховуємо за формулою [18]:

,

звідки знаходимо об’єм циліндричної частини апарату:

Висота циліндричної частини апарату:

де F_пер – площа перерізу реактору по внутрішньому діаметру,

Тоді:

Тому загальна висота апарату складає:

Для даного апарату стандартна рубашка має площу теплообміну F_р = 124,82 м². ЇЇ висота складає:

де s =0,03 м – товщина стінки рубашки.

Маємо секційну рубашку з конструктивними параметрами:

– кількість секцій, =6;

– висота секції рубашки, =0,99 м.

5.3. Розрахунок перемішуючих пристроїв

Для перемішування рідин з в’язкістю до 0,01 Па·с для диспергування кисню в рідкому середовищі обираємо лопасну мішалку.

Діаметр мішалки розраховуємо за формулою:

,

Серед ряду стандартних діаметрів [19] для лопасної мішалки обираємо найближчий діаметр, який складає 1,6 м.

Для лопасної мішалки [19] повинні зберігатися такі основні параметри:

Приймаємо, що висота мішалки:

Відстань мішалки до днища:

Довжина лопасті мішалки:

Для переміщування середовища з даною в’язкістю приймаємо швидкість мішалки ω_м = 2,5 м/с. За нею розраховуємо частоту обертання мішалки [11]:

Приймаємо найближчу частоту обертання n =0,5 c^-1.

При перемішування рідини в апараті утворюється воронка.

Глибину воронки, що утворюється в апараті без перегородок, розраховуємо за формулою [14]:

де В – коефіцієнт пропорційності, який визначається за величиною Е, що розраховується за формулою:

,

,

де ξ_м – коефіцієнт опору мішалки; z – кількість мішалок на одному валу; H_р = 7,5 м – висота рівня рідини в апараті для ступеня заповнення ферментера φ = 0,65, µ_реч = 1,159∙10^-3 Па∙с – динамічна в’язкість рідини, =1042,605 кг/м³ – густина середовища [10].

За такого значення Е при Г > 4, згідно номограми знаходимо В = 11.

Гранично допустима глибина воронки:

При роботі мішалки для перемішування меляси, без врахування допоміжних пристроїв потужність, яка споживається (Вт) [18]:

де K_N – критерій потужності, який залежить від інтенсивності перемішування і характеризується центробіжним критерієм Рейнольдса (Re_ц); ρ_реч – густина речовини; n =0,5 с^-1 – частота обертання мішалки; d_м – діаметр мішалки, м. K_N – згідно номограми [18] дорівнює 2.

Розрахункова потужність на валу мішалки:

де k₁ – коефіцієнт заповнення апарату розчином; Σk – коефіцієнти, що враховують збільшення споживання потужності на подолання опору, який викликається допоміжними пристроями [19]:

де Н_р – висота шару рідини, яка перемішується.

При розрахунку робочої потужності мішалки необхідно також враховувати потужність на подолання опору зі сторони допоміжних пристроїв.

Для цього вводиться коефіцієнт Σk:

де k_п = 0 – коефіцієнт опору відбиваючих перегородок; k_м = 1,5 – коефіцієнт опору додаткових мішалок; k_тр =0,1– коефіцієнт опору труби для підводу повітря; k_т = 0,3 – коефіцієнт опору гільзи термометра [7].

Розрахункова потужність на валу мішалки [5]:

Розрахунок потужності приводного електродвигуна для перемішуючого пристрою ферментеру ведуть за формулою [18]:

де η= 0,9 – коефіцієнт корисної дії редуктора приводу; N_ущ – потужність, що витрачається на здолання тертя в ущільненні валу перемішуючого пристрою.

При застосуванні торцевих ущільнень:

де – діaметр валу перемішуючого пристрою.

Отже, необхідна потужність електродвигуна [7]:

Згідно даних розрахунків візьмемо з каталогу електродвигунів стандартний двигун та ротор: привід вертикальний з одною проміжною опорою вала МН-5855-66 потужністю 14 кВт та швидкістю обертання валу 0,5 c^-1; мотор-редуктор типу МПО2 і електродвигуном серії АО2 [22].

5.4. Тепловий розрахунок

Метою теплового розрахунку є визначення необхідної площі теплообміну та перевірка, чи забезпечить стандартна площа теплообміну рубашки ту кількість теплоти, яка необхідна для нагрівання речовини.

При культивуванні продуцента через 72 години концентрація лізину в культуральній рідині досягає 34 г/л. Отже, продуктивність складає G=8,526∙10^-3кг/с [4].

Тепловий баланс ферментеру:

В розрахунках Q_пов можна не брати до уваги, так як величина його незначна, оскільки повітря подають в апарат з температурою, близькою до температури середовища.

де (– Δ Н) – питома теплота утворення 1 кг біомаси

Втрати теплоти, що викидається в навколишнє середовище приймаємо 20% від Q₁:

Загальний баланс становить [8]:

Площа поверхні теплопередачі ферментера (м²):

де К – коефіцієнт теплопередачі, Вт/(м²·К); Δ t₁ – середня різниця температур розчину і нагріваючої води, °С [2].

де t₁ – температура теплоносія на вході в рубашку та t₂ – відповідно на виході, t_реч – температура речовини у ферментері.

Отже, в даному випадку середня різниця температур теплоносія [15]:

Для апаратів з рубашкою при перемішуванні мішалкою коефіцієнт тепловіддачі від рідини, яка перемішується, до стінки визначається з виразу [16]:

Критерій Нуссельта [9]:

Звідси коефіцієнт тепловіддачі від рідини, що перемішується, до стінки [11]:

де λ = 0,52055 Вт/(м∙К) – коефіцієнт теплопровідності речовини при t = 31 ^° C; μ_ст і μ_реч – в’язкість речовини при температурі стінки і при середній температурі рідини, так як різниця між ними незначна приймаємо, що їх відношення дорівнює одиниці; с_р =3882,988 Дж/(кг∙К) – теплоємність середовища.

Розрахуємо коефіцієнт тепловіддачі від води до стінки апарата.

Знайдемо середню температуру стінки апарата:

Тоді різниця температур:

Тоді відповідно [12]:

де – коефіцієнт, який відповідає значенню середньої температури води; Н_р – рівень рідини в апараті.

Критерій Нусcельта [17]:

де С = 0,15, а = 0,33 – коефіцієнти при Gr∙Pr >10⁹ .

Коефіцієнт тепловіддачі від стінки апарата до води [16]:

де λ_в = 0,6 Вт/(м∙К) – теплопровідність води; Н_руб = 5,94 м – висота рубашки.

Розрахуємо термічний опір стінки апарата [14]:

де δ=0,03 м – товщина стінки апарату;

λ_ст =17,5 Вт/(м∙К) – теплопровідність матеріалу стінки апарату [10].

Коефіцієнт теплопередачі від рідини, що охолоджується, до охолоджуючої води:

Розрахуємо необхідну поверхню теплообміну ферментеру:

де К – коефіцієнт теплопередачі, Вт/(м²·К); Δ t_ср – середня різниця температур культуральної рідини і охолоджуючої води, °С. Це забезпечує достатнє відведення тепла, що виділяється у процесі біосинтезу.

Отже, F < F_р тобто можна зробити висновок, що поверхня теплообміну рубашки апарата забезпечить заданий температурний режим протягом його роботи без додаткових теплообмінників.

5.5. Розрахунок барботеру

Виконується для визначення газовмісту та швидкості циркуляції газорідинної системи у ферментері.

Ефективність переносу повітря визначається площею міжфазної поверхні, а вона визначається газовмістом та розміром газових пухирців.

Геометричні розміри барботера:

Діаметр барботера:

Приймаємо діаметр кільцевого барботера

Відстань між барботером і лопатевою мішалкою:

Вихідні дані:

Прискорення земного тяжіння – g = 9,8 м/с².

Тиск в апараті – р₀ = 0,3 МПа.

Стандартний атмосферний тиск р¢₀ = 0,1 МПа.

Густина середовища – ρ_с = 1042,605 кг/м³.

Висота рідини в апараті – Н_р = 8,71 м.

Розрахуємо тиск у нижньому перерізі ферментеру:

К_з = 0,65 – коефіцієнт заповнення ферментеру рідиною.

При цьому тиску й температурі середовища 31^°С густина повітря:

де Т= 273 + t_с = 304 K.

За таких умов густина газу складає р_г =3,2 кг/м³ [7].

Приймемо приведену швидкість повітря в апараті ω_г =0,04 м/с, і при діаметрі апарату 5,25 м отримаємо витрати повітря:

Основні розміри барботеру визначимо у відповідності до співвідношень наведених у літературі. Для початку розрахуємо внутрішній діаметр барботеру, прийнявши, що швидкість руху повітря у трубі барботеру рівна ω_б =25 м/с:

Виберемо із стандартного ряду [2] трубу 210×5.

Швидкусть руху газу в отворах барботеру, враховуючи розраховану на початку розділу густину повітря:

Приймемо діаметр отворів в барботері d_o =5 мм, тоді загальна їх кількість по периметру труби складе:

Приймемо кількість отворів z₀=1568 і розташуємо їх на верхній і боковій поверхнях барботера вздовж всієї довжини труби у кількості z₀₁=750 та z₀₂=818, відповідно.

Необхідну кількість отворів z₀₁=750 на верхній поверхні барботера, розмістимо з кроком :

де – довжина лінії верхньої частини труби барботера, вздовж якої розташовані отвори.

Необхідну кількість отворів z₀₂=818 на зовнішній поверхні барботера, розмістимо з кроком :

де – довжина лінії зовнішньої частини труби барботера, вздовж якої розташовані отвори.

6. ВИБІР ЗАГАЛЬНОЗАВОДСЬКОГО ОБЛАДНАННЯ

При виробництві біологічно активних речовин необхідно здійснювати багаточисленні допоміжні операції. При цьому правильність вибору допоміжного обладнання суттєво впливає на ефективність всього виробництва.

Подача рідких середовищ може здійснюватися самотоком, а також передавлюванням стисненим повітрям або інертним газом при тиску від 0,3 МПа до 0,6 МПа. Для тимчасового зберігання рідкої сировини, розчинів солей, компонентів поживних середовищ, екстрактів культуральних рідин, фугатів та інших проміжних продуктів виробництва використовуються ємкісні сталеві зварні апарати з сорочками і перемішучими пристроями.

Також для здійснення процесу культивування потрібно використовувати насоси, такі, щоб, з одного боку, не допускали контамінацію (забезпечують стерильність процесу), а з іншого боку унеможливлювали викиди речовини з культурою у навколишнє середовище. Для цих цілей був обраний центробіжний герметичний електронасос типу ХГВ (ГОСТ 20791-75Е). Цей насос завдяки своїй крнструкції не допускає можливості інфікування середовища. Крім того, підшипники змазуються рідиною, яка перекачується, завдяки чому не забруднюються матеріалом для змазування.

На підприємствах мікробіологічної та біотехнологічної промисловості 80-90% води йде на охолодження технологічного обладнання. Для охолодження апаратури проектують систему зворотного водопостачання. Охолодження відпрацьованої, теплої, умовно чистої води відбувається у градирнях за рахунок часткового випарювання під час контакту зі струмом повітря [6, 7, 10].

7. ВИМОГИ З ТЕХНІКИ БЕЗПЕКИ ТА ОХОРОНИ ПРАЦІ

Високі темпи розвитку мікробіологічної промисловості вимагають усілякої уваги до організації техніки безпеки, створенню безпечних і безаварійних умов праці на підприємствах галузі. Людина, що бере участь у виробничому процесі, потенційно піддається різним видам небезпеки, до яких можуть бути віднесені контакти з хімічними й агресивними рідинами, високі температура й тиск в апаратах і трубопроводах та ін. Тому постійний контроль і суворе дотримання технологічної дисципліни, технологічного регламенту, дотримання при цьому правил і норм техніки безпеки й виробничої санітарії – одна з гарантованих умов безпеки.

Підприємства мікробіологічної промисловості – це виробництва хімічного профілю, де в технологічних процесах широко використаються кислоти, луги, різні солі, які виділяють речовини, що є шкідливими. У зв'язку із цим надзвичайно важлива локалізація шкідливих речовин безпосередньо на місці їхнього утворення, шляхом створення й застосування більш сучасного устаткування, максимальної його герметизації, по можливості ліквідації ручної праці, застосування автоматизованих пристроїв з дистанційним керуванням цехів, у повітрі яких можуть бути небезпечні й шкідливі речовини, ефективної й стабільно працюючої системи вентиляції, проведення профілактичних санітарно-гігієнічних заходів, спрямованих на збереження здоров'я працюючих зі шкідливими речовинами [4].

На практиці велике значення має надійність роботи технологічного устаткування. Технологічні процеси мікробіологічних виробництв відрізняються високими температурами, тиском, а також використанням й одержанням хімічних речовин різних класів небезпеки по впливу на організм людини. Отже, виробничий процес повинен бути побудований таким чином, щоб виключити утворення побічних продуктів, і зокрема речовин, які можуть зробити процес небезпечним. У зв’язку з цим вимоги безпеки повинні враховуватися вже на стадії наукових розробок технології, проектних рішень, апаратурного оформлення, передбачаючи суворе й неухильне дотримання регламенту виробництва. Технологічні процеси повинні бути стабільними. Стабільність процесу сприяє зменшенню небезпеки утворення застійних зон, місцевих перегрівів, а також порушень технології. У той же час безперервність і стабільність процесу дозволяють здійснювати максимальну герметизацію [17]. Робочі параметри технологічного процесу (допустимі тиски, температура, робочий об’єм) не повинні перевищувати величин параметрів, дозволених технологічним регламентом даного виробництва і паспортних даних на устаткування [20].

Безпека технологічних процесів насамперед визначається апаратурним оформленням. Апарати, ємності, трубопроводи і їхні з’єднання повинні відповідати вимогам надійності й герметичності, що забезпечує безпечну експлуатацію. Визначальними факторами підбору устаткування є параметри середовища (температура, тиск), а також його хімічні властивості (токсичність, агресивність) [17]. Температура нагрітих поверхонь устаткування і трубопроводів на робочих місцях не повинна перевищувати 45^оС, а для устаткування, всередині якого температура середовища дорівнює чи нижче 100^оС, температура на поверхні не повинна перевищувати 35^оС [20]. Устаткування може бути застосовано тільки після попередньої перевірки його роботи в даному середовищі й витримуванні встановлених регламентом параметрів. Важливим є забезпечення вибранного апарата необхідним числом штуцерів, лазів, люків. Зміни й доповнення до технологічного устаткування не повинні послабляти його конструкцію й можливі тільки після попереднього розрахунку даного апарата, ємності на міцність [5]. Розміщення устаткування повинне забезпечувати його безпечність, зручність обслуговування, а також можливість проведення ремонтних робіт [3]. Зручність і безпека обслуговування устаткування досягається при його автоматизації й дистанційному керуванні, індивідуальних приводах, захисних пристроях, блокуваннях й огородженнях. Тому при виборі технологічного устаткування всі ці фактори повинні враховуватися.

Ряд проміжних і кінцевих продуктів, одержуваних на мікробіологічних підприємствах, володіють пожежо- і вибухонебезпечними властивостями, що вимагає надійних запобіжних заходів при роботі з ними, а також встановлення пристроїв, які спрацьовують при найменшій небезпеці виникнення пожежі або вибуху.

У створенні нормальних умов для високопродуктивної праці й збереження здоров'я працівників важливе значення мають: санітарно – побутове й медичне обслуговування; захист від виробничого шуму й забезпеченість робітників засобами індивідуального захисту (спецодягом); вентиляція виробничих приміщень. Завдання виробничої вентиляції – підтримувати нормальні санітарні режими у виробничих приміщеннях відповідно до діючих санітарних норм. Однак варто підкреслити, що ефективність роботи вентиляції насамперед залежить від конструктивного оформлення технологічного процесу (максимальна герметизація, укриття, теплоізоляція, автоматизація). Тільки добре налагоджений технологічний процес і грамотно спроектована вентиляція можуть забезпечити нормальні умови у виробничих приміщеннях.

Сприйняття людиною оптимальних температурних умов залежить від температури внутрішніх поверхонь, а також температури поверхонь устаткування, що випромінюють тепло. Виходячи з температурного комфорту, бажано мати більше високу температуру на внутрішніх поверхнях зовнішніх огороджень, щоб знизити прямі втрати тепла людиною на ці поверхні. Це положення часто ускладнюється наявністю у виробничих цехах тепловипромінюючих джерел (гарячі поверхні труб, апаратів й іншого устаткування). В цьому випадку можлива значна нерівномірність внутрішньої температури повітря по всьому цеху.

По характеру робіт різні виробництва належать до різних категорій за умовами експлуатації, які визначаються самим технологічним процесом.

В цехах і на ділянках мікробіологічних підприємств обслуговуючий персонал піддається дії шкідливих речовин, які містяться в повітрі виробничих приміщень. Для захисту працюючі повинні використовувати засоби індивідуального захисту: спеціальний одяг (халати, рукавиці), маски, респіратори та ін [20].

Питання захисту навколишнього середовища є актуальними для нашої дійсності. Вони особливо важливі стосовно мікробіологічних підприємств [17]. Екологічні проблеми промислової біотехнології визначаються тим, що ця галузь виробництва пов’язана з використанням великих мас технологічної води і повітря. Екологічна небезпека відходів визначається, в першу чергу, присутністю в них живих і вбитих клітин мікроорганізмів [3]. Високий ступінь забруднення оточуючого середовища представляє потенційну небезпеку для здоров’я людини. При проектуванні промислових підприємств, окремих цехів й агрегатів повинні розроблятися й впроваджувати технологічні процеси, що забезпечують максимальну переробку сировини й не виділяють шкідливих відходів у повітря. При неможливості виключення викидів шкідливих речовин в атмосферу повинні створюватись ефективні очисні спорудження, для того щоб вміст цих речовин у зовнішньому середовищі не перевищував встановлених гранично припустимих концентрацій. Як показують аналізи повітряного середовища, у повітря промзони підприємств галузі викидається значна кількість хімічних речовин, а також деяка кількість сухих органічних речовин, у тому числі білковий пил. До числа забруднюючих атмосферу компонентів належать: фурфурол, метанол, окисли азоту, сірчистий ангідрид, пари бензину, деякі органічні кислоти (у невеликій кількості), живі мікроорганізми й білковий пил [20]. Вентиляційні викиди, які містять пари кислот, фурфуролу, метанолу й інших шкідливих речовин, повинні вловлюватись і знешкоджуватись. Вентиляційні викиди, в повітрі яких містяться мікроорганізми, як правило підлягають очищенню у відповідних фільтрах. Виробничі стічні води перед викидом в каналізацію повинні піддаватись первинному очищенню з ціллю нейтралізації кислот і лугів, видалення масел, смол та інших речовин [17]. Крім фіксованих джерел викидів на підприємствах можливі так називані безконтрольні, не заплановані викиди, що є результатом щілин в апаратах, ємностях, трубопроводах. Особливо вони характерні для періодичних технологічних процесів, крім того, ці викиди можливі при ручному відборі проб для проведення аналізів, відкритих поверхнях рідин, аваріях та ін [20].

Вимоги безпеки до перемішуючих пристроїв:

- Апарати повинні бути герметичні по відношенню до зовнішнього середовища. Ступінь герметичності апаратів, а також методи і способи їх випробування на герметичність, слід визначати за ГОСТ 26-11-14.

- Конструкція апаратів повинна забезпечувати повне звільнення від залишків робочого середовища перед їх розбиранням.

- Апарати повинні бути забезпечені штуцерами для їх промивання і продування, для встановлення запобіжних пристроїв, контрольно-вимірювальних пристроїв і арматури. У необхідних випадках для проведення гідравлічних і пневматичних випробувань (як у вертикальному, так і в горизонтальному положенні) повинні бути передбачені штуцери для заповнення корпуса апарата й сорочки водою, випуску залишків повітря з верхньої частини корпусу апарату, а також отвір з пробкою і заглушкою для повного зливу води після випробувань.

- Порожні вали мішалок повинні мати технологічні отвори для перевірки на міцність пробним тиском, зазначеним в робочих кресленнях. Після перевірки технологічні отвори повинні бути заварені.

- Температура зовнішніх поверхонь апаратів або кожухів теплоізоляційних покриттів, доступних дотику з робочих місць обслуговуючого персоналу, не повинна перевищувати 45°С при установці апаратів усередині виробничих приміщень і 60°С при зовнішній установці [10].

Особливо великого значення на підприємствах мікробіологічної та біотехнологічної галузі надається питанням очищення повітря, яке поступає на аерацію культури, перед його викидом в атмосферу. Повітря, що видаляється, очищається на масляних фільтрах ФТО-1000 або ФТО-750. Якщо повітря просто запилене, то його очищують на звичайних масляних фільтрах, циклонах та рукавних фільтрах.

Спуск промислових стічних вод в каналізаційну мережу може проводитися тільки у відповідності до «Санітарних норм проектування» СНіП. Промислові стічні води перед викидом в каналізацію необхідно піддавати первинній очистці з метою вилучення і регенерації цінних продуктів, максимального зниження концентрації органічних і мінеральних солей. Слід проводити вилучення вибухо- і пожежонебезпечних газів, масел, смол, токчисних речовин, що не можуть бути видалені подальшою біологічною очисткою.

Біомаса продуценту при глибинному культивуванні, якщо її концентрація в стічних водах не перевищує допустимої норми по мутності і кількості зважених часток, може бути приєднана до промислових каналізаційних стоків після стерилізації [3, 10].

ВИСНОВКИ

При виконанні курсового проекту був розрахо

Дата добавления: 2015-10-30