Материальный баланс стадии ТП.4 Биосинтеза леворина

Уравнение материального баланса стадии в общем виде:

m_{ст.пит.ср.} + m_{пос.мат.} + m_О2 m_влаги + m_{з.п.дол.} = m_к.ж.+ m_CO2 + m_брызг

где: m_{ст.пит.ср} – масса стерильной питательной среды в ферментаторе, кг;

m_{пос.мат.} —масса посевного материала, загружаемая в ферментатор, кг;.

m_O2 —масса кислорода пошедшего на процесс ферментации, кг;

m_влаги – масса влаги пришедшей или улетевшей во время выращивания, кг;

m_з.п.дол - масса зелёной патоки на доливы, кг;

m_к.ж - масса культуральной жидкости образовавшейся в процессе, кг.

m_брызг – масса жидкости, унесенной из ферментатора в виде брызг, кг.

m_CO2 —масса углекислого газа, выделившегося в процессе ферментации, кг.

1. Масса стерильной питательной среды:

m _{ст. п. ср.} = 6464кг (из материального баланса стадии приготовления и стерилизации питательной среды для ферментаторов, стр.).

1. Масса посевного материала:

m_{пос.мат.} = 557,23 кг (из материального баланса стадии выращивания посевного материала, стр.).

1. Масса стерильного пеногасителя:

При выращивании посевного материала добавляют только синтетический пеногаситель (жировой пеногаситель добавляют при приготовлении питательной среды).

Синтетический пеногаситель добавляют в минимальных количествах, так как они ядовиты; их добавляют пропорционально сечению посевного аппарата (S₁).

10,0 м³: m _{син. пен.} = 6 кг [по д.з]

10,0 м³: m _{син. пен.} = Х кг

10,0 м³ – 6 кг — S₁

10,0 м³ – Х кг — S₂

10,0 м³: — S₁ = ;

где: d – диаметр ферментатора, м, []

10,0 м³: — S₂ = ;

S₁ – 2,54 – 6 кг;

S₂ – 2,54 – Х кг.

Х = кг.

Пеногаситель адеканоль стерилизуется в лабораторном автоклаве.

1. Масса поглощенного кислорода и выделившегося углекислого газа:

Масса входящего воздуха

Таблица подачи воздуха:

Таблица 11.15

Время процесса, ч	Расход воздуха, об/об. мин	Расход воздуха	Расход воздуха за период, м^3
0-10	0,5	7 ∙ 0,5=3,5	3,5 ∙ 10 ∙ 60=2100
10-20	0,8	7 ∙ 0,8=5,6	5,6 ∙ 10 ∙ 60=3600
20-24		7 ∙ 1=7	7 ∙ 4 ∙ 60=1680
24-70	1,5	7 ∙ 1,5=10,5	10,5 ∙ 46 ∙ 60=28980
70-115	0,5	7 ∙ 0,5=3,5	3, 5 ∙ 50 ∙ 60=10500
Итого

m_возд= V_возд. ∙ ρ_возд

где: V_возд. – объем подаваемого воздуха, м³

ρ_возд = 1,293 кг/м³– плотность воздуха, кг/м³; [1, стр.513]

m_возд = 46860 ∙1,293=60589,98 кг

где: - содержание кислорода в подаваемом воздухе, %

= 0,2315 [3]

кг

Для определения количества потребленного кислорода и выделившегося диоксида углерода в процессе ферментации необходимо предварительно рассчитать тепловой эффект жизнедеятельности Q_б/с, кДж:

Q_б/с = q_s - q_m - 2q_р ,

где: q_s – теплота сгорания субстратов, кДж;

q_m – теплота сгорания вновь образованного мицелия, кДж;

q_р – теплота сгорания целевого продукта, кДж.

а. Теплота сгорания субстрата.

q_s = ∑ Н_i ∙m_i,

где: Н_i – удельная теплота сгорания компонентов питательной среды;

m_i –масса соответствующих компонентов питательной среды.

Таблица энергоемких компонентов питательной среды

Таблица 11.16

Компонент питательной среды	Удельная теплота сгорания вещества кДж/кг	Масса компонента на 1 загрузку, кг	Теплота сгорания компонента, кДж
Зелёная патока	15,6∙10^3	282,8	4,41 ∙ 10^6
Соевая мука	16,5∙10^3	141,4	2,33 ∙ 10^6
Кукурузная мука	17,5∙10^3	212,1	3,71 ∙ 10^3
Зелёная патока на доливы	15,6∙10^3	457,6	7,14 ∙ 10^6
Итого:			17,59 ∙ 10^6

c. Теплота сгорания вновь образованного мицелия, кДж:

q_m = Н_{м. кон} ∙ m _{миц. кон.} - Н_{м. нач.} ∙ m _{миц. нач.},

где: Н_{м. кон} – удельные теплоты сгорания мицелия в конце ферментации, кДж/кг;

Н_{м. кон} = 5200 ккал/кг

Н_м.кон. = 5200 ∙ 4,19 = 21788 кДж/кг;

m _{миц. кон.} – масса сухого мицелия и в конце ферментации, кг.

- Масса мицелия в начале процесса, кг:

15 г — 100 мл

х кг ― V_{пос.апп}

х _{кг(влаж)} =

m_{.миц.нач.(сух)} = (1-0,8) ∙ 90 = 18 кг

- Масса мицелия в конце процесса, кг:

m_{миц.кон.}=

где: С = 20% - концентрация влажного мицелия, равна 20% [по д.з]

m_{миц. кон(сух)}=

q_m = 21788 ∙280 – 19902,5 ∙ 18 = 5742395 кДж = 5,74∙10⁶ кДж

c. Теплота сгорания продукта, кДж:

q_р = Н_р ∙ m_р,

где: Н_р – удельная теплота сгорания продукта, кДж/кг;

m_р – масса целевого продукта, кг;

Удельную теплоту сгорания леворина рассчитываем по уравнению:

Н_р = 204,2n + 44,4m + ∑x, кДж/моль,

где: n – число атомов кислорода, необходимое для полного окисления продукта;

m – число молей воды, образовавшихся при окислении продукта;

∑x – сумма термических характеристик связей в молекуле продукта. (4, приложение: численные значения термической характеристики);

С₅₉Н₈₅О₁₈N₂+73.25О₂=59СО₂+2NО₂+42,5Н₂О

n=73,25 ∙ 2=146,5

m=42,5

Для вычисления суммы термических характеристик необходимо знать количество функциональных групп и значение их термических характеристик. В структурной формуле леворина имеются одна эфирная (87,9 кДж/моль), 4 кетогруппы (200,8кДж/моль), 7 двойных связей (615,3 кДж/моль), 1 одноосновная кислота (0 кДж/моль) и 2 фенильные группы (150,6 кДж/моль).

∑х=615,3 + 200,8 +0 +150,6 +87,9) = 1054,6 кДж/моль

Н_р =204,2 ∙ 146,5 + 44,4 ∙ 42,5 + 1054,6 = 32856,9 кДж/моль

m_р = ,

где: А_кж – активность культуральной жидкости; [по д.з]

γ = 40000 Ед/мг –удельная активность леворина; [по д.з]

10⁶ – перевод м³ в мл.

m_р =

q_р = ∙ 32856,9 = 335002,23 кДж = 0,335 ∙10⁶ кДж

где: М_м = 1108,3 кг/моль – молекулярная массе леворина

Q_б/с = (17,59 –5,74 – 2 ∙0,335) ∙ 10⁶ = 11,18 ∙ 10⁶ кДж

Массу всех углеродсодержащих компонентов среды, в результате окисления которых получен тепловой эффект Q_б/с, можно выразить через эквивалентное количество одного наиболее энергоемкого углеродсодержащего соединения, входящего в компонентный состав среды:

m _{экв. глюк.} = кг,

где: Н_{экв. глюк.} = 15,6 ∙ 10³ кДж – удельная теплота сгорания эквивалентного компонента, кДж. В качестве наиболее энергоемкого углеродсодержащего компонента принимаем зеленую патоку.

C₆ H₁₂ O₆ + 6 O₂ → 6СО₂ + 6 Н₂О

m 716,66 Х кг у кг

М_m 180 6 × 32 6 × 44

Х_О = кг,

кг.

Расчет процента используемого кислорода:

α =

где: потребленного кислорода, кг;

кислорода в воздухе, поступившем на аэрацию в течение всего процесса ферментации, кг;

1. Масса брызг, кг:

В процессе ферментации некоторое количество влаги уносится из ферментатора в виде брызг. Объём брызг принимается по данным завода. Он составляет 5% от рабочего объёма ферментатора:

где: V_бр.- объём брызг, м³;

V_бр. = 0,05 ∙ V_загр.ф. = 0,05 ∙ 7 = 0,35 м³

ρ_бр – плотность брызг берется как средняя между плотностью среды и культуральной жидкости, кг/м³;

ρ_бр = кг/м³

кг

1. Масса влаги, унесенной (принесенной) воздухом, кг:

Воздух, поступающий в ферментатор, может приносить с собой либо уносить из ферментатора определенное количество влаги.

Масса влаги, уносимая (приносимая) воздухом, зависит от его среднегодовой влажности, температуры, давления и расхода и может быть рассчитана по уравнению:

m_влаги = m_возд (х_вх – х_вых),

где: m_возд – масса воздуха, подаваемого в инокулятор за период ферментации, кг;

х – влагосодержание воздуха, поступающего х_вх и уходящего из ферментатораа, кг вод. пара/кг сух. возд.

m_возд = V_возд ∙ ρ_возд,

где: V_возд – объём воздуха, подаваемого в ферментатор, м³;

Таблица подачи воздуха

Таблица 11.17

Время процесса, ч	Расход воздуха, об/об. мин	Расход воздуха	Расход воздуха за период, м^3
0-10	0,5	7 ∙ 0,5=3,5	3,5 ∙ 10 ∙ 60=2100
10-20	0,8	7 ∙ 0,8=5,6	5,6 ∙ 10 ∙ 60=3600
20-24		7 ∙ 1=7	7 ∙ 4 ∙ 60=1680
24-70	1,5	7 ∙ 1,5=10,5	10,5 ∙ 46 ∙ 60=28980
70-115	0,5	7 ∙ 0,5=3,5	3, 5 ∙ 50 ∙ 60=10500
Итого

m_возд= V_возд. ∙ ρ_возд ,

где: V_возд. – объем подаваемого воздуха, м³

ρ_возд = 1,293 кг/м³– плотность воздуха, кг/м³; [1,стр. 513]

m_возд = 46860 ∙1,293=60589,98 кг

где: - содержание кислорода в подаваемом воздухе,

= 0,2315 (стр.).

кг

Проектируем завод в городе Пенза.

Влагосодержание воздуха:

X = 0,622∙ , ,

где: 0,622 – соотношение молекулярных масс водяного пара и воздуха;

φ = 50% - влажность воздуха при t= 55 , показывает сколько кг влаги может содержать 1 кг воздуха так, чтобы из него не выпала влага на фильтрах очистки воздуха;

Р_нас- давление насыщенного водяного пара в воздухе, принимается по температуре стерильного воздуха, подаваемого в ферментатор, атм.

П- общее давление паровоздушной смеси, атм.

Для расчета Х необходимо определить относительную влажность воздуха φ_, общее давление паровоздушной смеси П и давление насыщенного водяного пара Р_нас в зависимости от условий, в которых находится воздух.

При расчете влагосодержания наружного воздуха X_нар. эти величины надо принять по среднегодовой температуре и относительной влажности воздуха того города, для которого разрабатывается проект (г. Пенза).

Средняя температура и относительная влажность атмосферного воздуха в городе Пенза:

Январь: t = -12,5; φ = 85%

Июль: t = 20; φ = 66% [1,стр.538]

Свойства насыщенного водяного пара в зависимости от температуры: [1, стр. 548]

- при t = 55 , Р_нас = 0,1605 атм;

- при t = 3,75 (средняя температура воздуха в г.Пенза), Р_нас = 0,0079 атм;

- при t = 28 (температура выращивания вегетативного мицелия в ферментаторе), Р_нас = 0,037 атм.

Влагосодержание регламентного воздуха при температуре подаваемого воздуха 55 :

,

где: 2,2 – давление подаваемого воздуха под крышку аппарата, атм. [по д.з]

Влагосодержание наружного атмосферного воздуха при средней температуре воздуха 3,75 :

,

где: 1,0 – атмосферное давление, атм. (по д.з)

Влагосодержание воздуха, выходящего из ферментатора при температуре 28

где: 1,5 – давление в ферментаторе, атм. [по д.з]

0,95 – влажность воздуха на выходе из ферментатора, %

Т. к. Х_регл > Х_нар (0,038 > 0,0037), следовательно, за Х_вх принимаем наружное влагосодержание воздуха:

Х_нар = Х_вх = 0,0037

m_влаги = 60589,98 ∙ (0,0037 – 0,015) = -713,14 кг

Делаем вывод о том, что в процессе биосинтеза леворина происходит влагоунос.

1. Масса доливов зеленой патоки, кг:

m _{долив.зел. пат.} = 385,6 кг (из материального баланса стадии приготовления и стерилизации 40% раствора зеленой патоки, стр.)

1. Масса культуральной жидкости, кг:

Определяется из уравнения материального баланса:

m _{к. ж.} = m _{ст. п. ср.} + m _{пос. мат.} + m _{ст. пен.} + m _{долив.зел. пат.} + m _{О потр.} - m _{вл. возд.} - m _{СО -}

_- m _брызг = 6464 + 557,23+ 6 + 385,6 + 764,44 – 713,14 – 1051,11 – 358,75 = 6054,27 кг

Таблица материального баланса стадии ТП.4 ферментации леворина

Таблица 11.18

Израсходовано на стадии
Наименование полупродуктов и сырья	Активность, Ед/мл	Масса	Объём, м^3	Плотность кг/м^3
кг	Общая активность, млрд.Ед
А. Полупродукты
1. Стерильная пит. среда				6,4
2.Посевной материал		557,23		0,544
3. Кислород		764,44
4.Зелёная патока на доливы		385,6	154,24	0,32
5. Стерильный пеногаситель
Итого		8177,27
Получено на стадии
А.П/продукт
1.Культуральная жидкость		6054,27		5,82
2.Брызги		358,75		0,35
Б. Отходы
2.Влагоунос		713,14		0,713
3.Выделившийся СО2		1051,11
В. Потери в т.ч. Целевой продукт в брызгах
Итого		8177,27

1. Общая активность уточненная:

С_{ЕД кж} = V_{к.ж. уточ} ∙ А_{к. ж.} ∙ 10⁶ = 5,82 ∙ 65000 ∙10⁶ = 378∙10⁹ЕД

1. Число сливов в сутки уточнённое

через = часа производится слив из какого-либо ферментатора.

Дата добавления: 2015-08-03