Оборудование для получения и подготовки питательных сред

РАСЧЕТ ОБОРУДОВАНИЯ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ

3.1.1. Получение и подготовка к ферментации гидролизных сред.

Гидролизаппарат. Предназначен для осуществления процесса гидролиза растительного сырья с применением в качестве катализатора разбавленной серной кислоты концентрацией 0,5¸0,8 %. На практике применяют гидролизаппараты периодического действия. При проектировании основная задача сводится к расчету числа гидролизаппаратов (n) выбранного объема:

где Q – расход абсолютно сухого сырья, т/сут.;

Т – оборот гидролизаппарата, мин (Т = 190¸240 мин);

К – коэффициент, учитывающий заполнение гидролизап-

парата сырьем (К = 0,95);

V _р – рабочий объем гидролизаппарата, м³;

ρ – плотность сырья в гидролизаппарате в расчету на

сухую массу, кг/м³;

24 × 60 – переход от суток к минутам.

Число резервных гидролизаппаратов (n ₁) рассчитывают по формуле:

n ₁ = n × a / τ,

где а – время остановки гидролизаппарата на ремонт в течение

года (для футерованных гидролизаппаратов а = 70 сут);

τ – число рабочих дней в году.

Испаритель гидролизата. Аппарат предназначен для охлаждения питательных сред (гидролизата) методом самоиспарения.

Расчетный объем испарителя V, м³ определяют по формуле:

где G – удельный объем пара, м³/кг;

V _уд – количество образующихся паров самоиспарения, кг/ч;

k – коэффициент заполнения парового пространства в

испарителе, k = 0,6;

U – допускаемое напряжение парового пространства

испарителя, U = 300¸600 м³/м³_*ч.

Количество образующихся паров самоиспарения:

где G _г – расход гидролизата, кг/ч;

С _r – теплоемкость гидролизата, кДж/кг_*°С;

t _н, t _к – соответственно начальная и конечная температура

гидролизата,°С;

r – теплота испарения гидролизата при конечной темпера-

туре, кДж/кг.

Число испарителей (n), принимаемых к установке на каждой ступени, находят из соотношения:

n = V: V _т,

где V _т – объем типового испарителя, м³.

Вакуум-охладительная установка (ВОУ). Предназначена для охлаждения нейтрализата путем многоступенчатого самоиспарения с последующей конденсацией паров в поверхностных конденсаторах.

В промышленности используют типовые ВОУ производительностью по охлаждаемой среде 100, 150 и 250 м³/ч.

Подбор ВОУ осуществляют исходя из требуемой производительности.

Сборник гидролизата. Необходимое количество сборников гидролизата n можно определить по формуле:

где G – расход гидролизата, м³/ч;

τ – время пребывания гидролизата в сборнике (τ = 2¸2,5 ч);

k – коэффициент заполнения аппарата (k =0,8);

V – объем (номинальный) типового сборника.

Нейтрализатор. Предназначен для нейтрализации гидролизата известковым молоком до величины рН = 3,5¸4,5, кристаллизации и выращивания кристаллов гипса. Нейтрализацию гидролизата ведут непрерывным способом в батарее из двух соединенных последовательно аппаратов – нейтрализатора и выдерживателя, имеющих, как правило, одинаковый объем.

Необходимое количество батарей нейтрализаторов:

где G – расход гидролизата, м³/ч;

τ – время пребывания гидролизата в батарее, ч (принима-

ют τ = 1 ч);

V ₁, V ₂ – объемы типовых нейтрализатора и выдерживателя

соответственно, м³;

k – коэффициент заполнения батареи (k = 0,8).

Отстойник горячего отстаивания радиального типа. Предназначен для осветления горячего нейтрализата и отделения образовавшегося шлама.

Необходимое количество отстойников (n) определят по формуле:

где G – расход нейтрализата, м³/ч;

d – диаметр типового отстойника, м;

k – коэффициент заполнения отстойника (k = 0,785);

q _ср – средняя удельная нагрузка по нейтрализату на 1 м²

зеркала отстойника, м³/м²_*ч.

Принимают удельную нагрузку по нейтрализату 1 м³/м²_*ч при переработке древесины хвойных пород (q ₁) и 0,4 м³/м²_*ч при переработке древесины лиственных пород (q ₂).

q _ср = q ₁ × а ₁ + q ₂ × а ₂,

где а ₁, а ₂ – доля древесина хвойных и лиственных пород в

перерабатываемом сырье.

Аэратор. Предназначен для продувки охлажденного нейтрализата воздухом.

Необходимое количество аэраторов:

где G – расход нейтрализата, м³/ч;

τ – продолжительность аэрирования, ч (τ = 1 ч);

V _р – рабочий объем аэратора, м³ (принимают равным 30 %

от геометрического объема аппарата)..

На практике в качестве аэраторов используют дрожжерастильные аппараты эрлифтного типа.

Расход воздуха для аэратора объемом 600 м³ составляет 10000 м³/ч.

Отстойник холодного отстаивания радиального типа. Предназначен для осветления охлажденного нейтрализата после продувки его воздухом.

Необходимое количество отстойников (n) рассчитывают по формуле:

где G – расход нейтрализата, м³/ч;

τ – время отстаивания, ч (τ = 3,5 ч);

V _р – рабочий объем типового отстойника, м³.

Фильтр-пресс автоматический камерный (ФПАКМ). Предназначен для разделения фильтрованием тонкодисперсных суспензий с размером частиц не более 3 мм и содержанием твердой фазы от 10 до 500 кг/м³ при температуре до 80°С. Влажность шлама после ФПАКМ составляет 50¸65 %. Серийно выпускаемые фильтр-прессы ФПАКМ имеют поверхность фильтрования 2,5; 5; 10; 25 и 50 м².

Требуемое число аппаратов:

где G – расход исходной суспензии, м³/ч;

F – поверхность фильтрования типового фильтра

ФПАКМ, м²;

q – удельная нагрузка по исходной суспензии на 1 м²

фильтрующей поверхности, м³/м²_*ч.

Для шламовой суспензии, полученной при осветлении горячего нейтрализата, принимают q = 4,0¸4,4 м³/м²_*ч.

3.1.2. Установка непрерывной стерилизации жидких питательных сред.

Исходные данные для расчета установки:

1. Производительность установки по исходной среде: G, м³/ч – 100.

2. Плотность среды r, кг/м³ – 1050¸1300.

3. Удельная теплоемкость среды с, Дж/кг_*К – 4´10³.

4. Динамическая вязкость среды m, Па_*с – 0,035.

5. Начальная температура среды t _н, °С – 70.

6. Конечная температура среды t _к, °С – 130.

7. Давление среды абс. Р, МПа – 0,55.

8. Давление пара Р _п, МПа – 0,60.

9. Температура пара t _п, °С – 158,1.

10. Плотность насыщенного пара r _п, кг/м³ – 3,104.

11. Температура конденсации пара t _к.п., °С – 154,6

(при Р = 0,55 МПа).

12. Теплоемкость конденсата (при t _ср = (154,6 + 130): 2 = 142,3°С)

с _к, Дж/кг_*К – 4,3´10³.

13. Энтальпия пара при t = 158,1°С I, Дж/кг – 2768´10³.

14. Энтальпия пара при t = 154,6°С I ₁, Дж/кг – 2761´10³.

15. Плотность конденсата при t = 130°С r _к, кг/м³ – 935.

Нагреватель. Предназначен для разогрева среды острым паром.

Количество тепла, необходимое для нагревания среды:

Вт,

где 0,85 – коэффициент, учитывающий разбавление среды

конденсатом греющего пара.

Расход тепла на стерилизацию с учетом потерь тепла в окружающую среду в размере 2-3 %:

Q _ст = 1,02 ´ Q _н = 6126800 Вт

Расход пара на стерилизацию (L) определяется из уравнения:

Q _ст = L ´ (I ₁ – I) + L ´ r + L ´ с _к ´ (t _к – t ₂);

= 3,8 кг/с = 1,2 м³/с

Скорость истечения пара из отверстий нагревателя:

м/с,

где j – коэффициент скорости.

Суммарная площадь отверстий в нагревателе, необходимых для ввода пара:

f = L _п: w _п = 1,20: 95 = 0,013 м²

С учетом запаса производительности (1,1) f = 14300 мм².

Площадь одного отверстия диаметром 7 мм:

f _о = 3,14 ´ 7: 4 = 38,46 мм

Количество отверстий диаметром 7 мм для ввода пара в среду:

n = f: f _о = 14300: 38,46 = 385

Диаметр внутренней трубы нагревателя:

Принимаем w = 1 м/с, тогда

м

Принимаем D = 200 мм.

На внутренней трубе нагревателя D = 200 мм принимаем 20 рядов отверстий. Число отверстий в одном ряду:

385: 20 = 19

Принимаем длину внутренней трубы 0,6 м.

Диаметр штуцера для входа пара в нагреватель:

Принимаем w _п = 40 м/с, тогда

м

Принимаем D _п = 200 мм.