3.4.1. Барабанный вакуум-фильтр
Применяют для отделения биомассы микроорганизмов (мицелиальных грибов, актиномицетов) от нативного раствора и разделения суспензий, содержащих твердые взвеси различной структуры (волокнистой, коллоидной или аморфной) в концентрации от 50 до 500 г/л.
Требуемое число фильтров
где G – расход исходной суспензии, м3/ч;
F – поверхность фильтрования типового фильтра, м2;
g – удельная нагрузка по исходной суспензии на 1 м2 фильтрующей поверхности, м3/м2×ч.
Принимают удельную нагрузку по суспензии при отделении биомассы мицелиальных грибов 1,0¸2,0 м3/м2×ч, актиномицетов – 0,5¸1,0 м3/м2×ч.
3.4.2. Сепаратор.
Предназначен для выделения клеток дрожжей или бактерий из культуральной жидкости (КЖ) и сгущения их до концентрации 600 г/л по биомассе 75 %-ной влажности (15 % по сухой биомассе).
Производительность сепаратора зависит от его марки и концентрации клеток в КЖ. Например, производительность сепаратора СОС-501К3 при концентрации дрожжей в КЖ 25¸30 г/л равна 35 м3/ч, при концентрации 150¸200 г/л – 25 м3/ч, при концентрации 200¸400 г/л – 18 м3/ч.
Число сепараторов рассчитывают исходя из их типа, производительности и расхода КЖ. Учитывая затраты времени на разборку и мойку сепараторов, рассчитывают число резервных машин:
n р = n × τ: 24,
где τ – продолжительность мойки и чистки сепаратора в
течение суток, ч.
В гидролизно-дрожжевом производстве каждый сепаратор подвергают чистке с частичной разборкой один раз в смену в течение 2 ч. Тогда продолжительность чистки сепаратора в течение суток τ = 6 ч.
3.4.3. Ионообменная колонна.
Применяют для выделения аминокислот из культуральной жидкости. Типовые ионообменные колонны имеют объем 25, 50, 100 м3.
Объем ионообменной смолы в колонне:
V = V к × k,
где k – коэффициент заполнения колонны смолой (k = 0,85).
Объем КЖ, проходящей через колонну в одном производственном цикле:
где g см – сорбционная емкость смолы по аминокислоте, кг/м3;
С ак – содержание аминокислоты в КЖ, кг/м3.
При сорбции аминокислоты из маточного раствора и КЖ:
где 
– количество аминокислоты в маточном раство-
ре, кг.
Время работы колонны в одном производственном цикле включает время сорбции аминокислоты, циркуляции КЖ через колонну и промывки смолы:
t = t сорб. + t пром. + t цирк.
где w – скорость подачи КЖ в колонну, м3/м3*ч.
где w пром.воды – скорость подачи воды в колонну, м3/м3*ч.
t цирк. принимают по регламенту, если циркуляция КЖ предусмотрена технологическим процессом.
Количество КЖ, образуемое за время t:
G tКЖ = G КЖ сут. × t: 24,
где G КЖ сут. – суточное количество КЖ, м3.
Количество маточного раствора за время t:
G tмат.р-ра = G мат. р-ра сут. × t: 24
Число ионообменных колонн:
Время, за которое происходит слив с колонны:
t сл = t: n
Размеры колонны:
d: h = 1: (6¸7)
Принимают h = 6 × d, тогда
Режим работы ионообменной колонны при выделении лизина из КЖ.
Сорбция лизина со скоростью подачи КЖ 1 об/об.см.*ч.
Количество КЖ с «проскоком» лизина – 0,5 об.смолы.
Промывка со скоростью подачи промывной воды 1,0¸2,0 об/об.см.
Количество промывной воды – 2 об.смолы.
Межгранулярный объем жидкости – 0,5 об. смолы.
Десорбция лизина со скоростью подачи элюента 0,4 об/об.см.*ч.
Количество элюента – 2 об.см.
Количество «богатой» фракции – 1 об.смолы.
3.4.4. Сушильная установка.
Рекомендации по выбору типа установки для сушки продуктов микробиологического синтеза и расчет сушильных установок различных типов, включая определение размеров сушилок, расчет калориферов, вентиляторов и циклонов для очистки отходящих газов, подробно изложен в [3].
Ниже приведен укрупненный расчет теплового баланса распылительной сушилки.
Расход тепла на сушку:
Q = Q 1 + Q 2 + Q 3 + Q 4,
где Q – количество тепла, поступающего в сушилку, Вт;
Q 1 – количество полезно используемого тепла (на
испарение влаги), Вт;
Q 2 – потери тепла с уходящим сушильным агентом, Вт;
Q 3 – потери тепла в окружающую среду от охлаждения
сушильного агента, Вт;
Q 4 – потери с физическим теплом высушенного материала
(продукта), Вт.
Полезно используемое тепло (на испарение влаги):
Q 1 = W (I п – I дс),
где W – производительность сушилки по испаряемой влаге, кг/ч;
I п – энтальпия пара при температуре отработанного
сушильного агента (на выходе из сушилки), кДж/кг
(I п находится по таблицам теплосодержаний водяного
пара при температуре 80-90°С);
I дс – энтальпия суспензии на входе в сушильную камеру
при температуре t 1, кДж/кг.
Потери тепла с сушильным агентом определяют по формуле:
Q 2 = L с × (I 2 – I 0) ≈ L с (c 2 × t 2 – c 0 × t 0),
где L с – количество сушильного агента при выходе из сушиль-
ной камеры, кг/ч;
I 2 – энтальпия сушильного агента при температуре t 2, кДж/кг;
I 0 – энтальпия наружного воздуха при t 0, кДж/кг;
c 2 – средняя массовая теплоемкость сушильного агента на
выходе из сушилки при температуре t 2 и влагосодер-
жании d 2, кДж/кг*°C;
c 0 – средняя массовая теплоемкость наружного воздуха
при температуре t 0 и влагосодержании наружного воз-
духа d 0, кДж/кг*°C;
t 2 – температура сушильного агента на выходе из сушилки, °С;
t 0 – температура окружающего воздуха, °С.
Потери тепла в окружающую среду от охлаждения сушильного агента:
Q 3 = F × k × ∆ t cр,
где F – наружная поверхность сушильной камеры, м2;
k – коэффициент теплопередачи через изолированные
стенки сушильной камеры, Вт/м2*°C;
∆ t cр – средняя разность между температурой в сушильной
камере и температурой окружающего воздуха, °С.
Потери тепла с высушенным продуктом:
Q 4 = G × c g × (t 4 – t 3),
где c g – теплоемкость высушенного продукта, кДж/кг*°C;
t 3, t 4 – температура суспензии на входе в сушилку и высу-
шенного продукта на выходе из сушилки соответст-
венно, °С.
Количество сушильного агента, необходимое для сушки продукта (L, кг/ч) определяют по формуле:
L = (Q 1 + Q 3 + Q 4): (c 1 × t 1 - c 2 × t 2),
где t 1 – температура сушильного агента на входе в сушилку, °С;
c 1 и c 2 – средние массовые теплоемкости сушильного
агента соответственно при заданных температурах t 1 и
t 2 и влагосодержании сушильного агента на входе в
сушилку, кДж/кг*°C.
Количество отработанного сушильного агента на выходе из сушильной камеры с учетом неорганизованных присосов воздуха в сушильную камеру в размере 5 % принимают
L с = 1,05 ´ L
По I-x -диаграмме можно определить количество воздуха и тепла, расходуемые на 1 кг испаренной в сушилке влаги:
G сух.возд. = 1: (d 2 – d 1),
где d 1, d 2 – начальное и конечное влагосодержание воздуха,
кг/кг сухого воздуха.
Расход тепла на 1 кг испаренной влаги:
g = G сух.возд. (I 2 – I 0) = (I 2 – I 0): (d 2 – d 1);
Влагосодержание d 2 и d 1 определяют по I-x -диаграмме.
Основные размеры сушильной камеры определяют следующим расчетом.
Рабочий объем сушильной камеры:
V к = w: А,
где А – влагосъем с 1 м3 объема камеры, кг/м3·ч (для распыли-
тельной сушилки А = 12-14 кг/м3·ч).
Отношение высоты (Н) сушильной камеры ко внутреннему диаметру (D внутр.) принимают 1,1¸1,25.
Рабочая высота сушильной камеры (м):
Н к = 4 × V к: π × D к2
Диаметр сушильной камеры (м):
D к = (2,2¸2,4) × R ф,
где R ф – радиус факела распыления суспензии:
R ф = 0,33 × β ср × ρ: ρ г × Re 0,35 × Gu -0,4 × Ko -0,2,
где β ср – средний диаметр капель, м;
ρ и ρ г – плотность суспензии и газа, кг/м3;
Rе – критерий Рейнольдса;
Gu – критерий Гухмана;
Ko – критерий Коссовича.
β ср = 1,345 × (1: n)0,6 × (1: ρ)0,3 × (G × ν: d g)0,2 × (σ: х)0,1,
где n – частота вращения распыливающего диска, с-1;
ρ – плотность суспензии, кг/м3;
G – расход суспензии, кг/с;
ν – кинематическая вязкость суспензии, м2/с (для дрожже-
вой суспензии ν = (0,3¸0,4) × 10-6 м2/с);
d g – диаметр распыливающего диска, м (0,12¸0,35 м);
σ – поверхностное натяжение суспензии, Н/м2 (для дрож-
жевой суспензии σ = (6¸8) × 10-2 Н/м2);
х – смоченный периметр распыливающего диска, м
(0,04¸0,9 м).
Re = v 0 × β ср: ν г,
где v 0 – окружная скорость распыливающего диска, м/с
(70¸170 м/с);
ν г кинематическая вязкость газа, м2/с ((20¸80) × 10-6 м2/с).
Gu = (0,5 × (t 1 + t 2) – t м): (273 + t 1),
где t 1, t 2 и t м – температура сушильного агента на входе, на вы-
ходе из сушилки и мокрого термометра, °С (t м = 40¸60 °С).
Ko = (273 + 0,5 × (t 1 + t 2)) × c г: r 1 (w 1 – w 2),
где c г – удельная теплоемкость сушильного агента, Дж/кг*К
(1,1¸1,9 Дж/кг*К);
r 1 – скрытая теплота парообразования при температуре
мокрого термометра, Дж/кг;
w 1 и w 2 – влажность суспензии и конечного продукта.