71118

Тепловой эффект ферментации и тепловой баланс ферментера (классификация ферментеров). Тепловой эффект процесса ферментации

Лекция

Химия и фармакология

Основой роста и размножения клеток является ассимиляция веществ из окружающей среды. Это – т.н. конструктивный (строительный) обмен или анаболизм. Он немыслим без расхода энергии. Он также невозможен без процессов противоположного типа - катаболизма.

Русский

2014-11-02

84.5 KB

41 чел.

Л. 10

Тепловой эффект ферментации и тепловой баланс ферментера (классификация ферментеров)

Тепловой эффект процесса ферментации

Основой роста и размножения клеток является ассимиляция веществ из окружающей среды. Это – т.н. конструктивный (строительный) обмен или анаболизм. Он немыслим без расхода энергии. Он также невозможен без процессов противоположного типа - катаболизма.

Автотрофные микроорганизмы при анаболизме используют углерод диоксида углерода, создавая органические соединения из неорганических.

Гетеротрофы для анаболизма используют готовые органические соединения, например, углеводы.

Большинство продуцентов являются гетеротрофами.

Аэробные процессы ассимиляции у гетеротрофов:

С6Н12О6+6О2→6СО2+6Н2О+2824 кДж;

6Н2О6+9О2→6С2Н4О2+6Н2О+2070 кДж

Анаэробные процессы у гетеротрофов:

С6Н12О6→2СО2+2С2Н5ОН+117 кДж

или:

С6Н12О6→2С3Н6О3+75 кДж

или:

С6Н12О6→3СН3СООН+63 кДж

Фотосинтез

6СО2+12Н2О+2900 кДж→С6Н12О6+6Н2О+6О2

Все эти схемы очень упрощенные. Реальные процессы намного сложнее, существуют побочные реакции, в которых расходуются исходные вещества и выделяется энергия.

Из общего количества выделившейся энергии на анаболические реакции расходуется только 40-45%. Остальное выделяется в окружающую среду в виде теплоты. Выделение теплоты, как известно, является обязательным событием при возрастании энтропии вследствие разложения такого высокомолекулярного вещества как глюкоза (при брожении).

В производственных условиях выделяется значительное количество тепла.

Но для любого продуцента существует оптимальная температура, которую необходимо поддерживать с точностью ±1°С.

При проектировании следует учитывать, что тепловой эффект ферментации может изменяться в зависимости от состава питательной среды, количества биомассы и от схемы аппаратурного оформления.

Так, приводятся данные, что для продуцентов антибиотиков тепловыделение может достигать 55000 кДж/(м3·ч) и более.

Эта величина колеблется во времени, так как зависит от концентрации биомассы и скорости роста, связанной с потреблением кислорода.

По аналогии с представлением о том, что кислород потребляется микроорганизмами при росте и поддержании жизнедеятельности можно записать и выражение для тепловыделения:

                                            (1)

где qб – удельное тепловыделение, кДж/(м3·ч),

а – количество теплоты, выделяющееся при поддержании жизнедеятельности единицы биомассы, кДж/(млрд.клеток·ч),

х – концентрация микроорганизмов, кг/м3,

b – количество теплоты, выделяющейся при синтезе единицы биомассы, кДж/млрд.клеток,

- скорость роста клеток, кг/(м3·час).

Эта зависимость представлена на рисунке.

В начальный период тепловыделение связано, в основном, с ростом популяции (слагаемое ). В максимуме стационарной фазы наоборот: , то есть тепловыделение связано, в основном, с поддержанием жизнедеятельности.

Зависимость удельного тепловыделения q при микробиологическом синтезе от времени протекания процесса.

3.1. Тепловой расчет процессов стерилизации

Расчет расхода пара, необходимого для стерилизации питательной среды, осуществлен в расчете материального баланса стадии приготовления и стерилизации питательной среды (см. стр. 10,12).

Расчет пара, необходимого для стерилизации аппарата (инокулятора, посевного аппарата, ферментатора), осуществляется по формуле

Gст = Qст / (i"-i'),                                                                    (21)

где Gст - количество пара, необходимого для стерилизации соответствующего аппарата (ферментатора), кг;

Qст - тепло, необходимое для процесса стерилизации аппарата, кДж;

i" - i' - теплосодержание соответственно пара и конденсата, кДж/кг.

Тепло, необходимое для процесса стерилизации, (Qст) находим из уравнения теплового баланса данного процесса:

Qст = Q5 + Q6 + Q7,                                                                       (22)

где Q5 -тепло, расходуемое на нагрев аппарата и отдельных его устройств, кДж;

Q6 - потери тепла в окружающую среду, кДж;

Q7 - тепло, расходуемое на нагрев содержимого аппарата (если оно имеется в аппарате при его стерилизации, кДж.

Определение Q5, Q6 и Q7 осуществляется обычным путем (см., например, [8]).

Тепловой баланс непроточного ферментера

Тепловой баланс рассчитывается на все время ферментации.

Теплообменные устройства рассчитываются для условий максимальной нагрузки. Тепловой баланс приведенный к температуре процесса в общем виде:

Qи.с.+Qм+Qб.с.+Qв=Qохл+Qи+Qп                            (2)

где Qм, Qб.и., Qв, Qохл, Qи и Qп – количества теплоты, выделяющиеся при работе мешалки, микробиологическом синтезе, вносимое с аэрирующим воздухом, отводимые с охлаждающей водой, затрачиваемое при испарении жидкости и при потерях в окружающую среду.

Qи.с. тепло, вносимое более теплым сырьем.

Целью расчета является определение производительности теплообменного устройства:

                                      (3)

Эта величина должна быть равной

                                       (4)

где wb – расход охлаждающей воды,

сb – удельная теплоемкость воды, Дж/(кг·К),

tн и tк – начальная и конечная температура охлаждающей воды,

К – коэффициент теплопередачи, Вт/(м2·К),

F – площадь поверхности теплообмена, м2,

Δtср.лог. – средняя логарифмическая разность температур.

Выбирается теплообменное устройство, которое обеспечивает Qохл, определяемое по разности

Qохл=Qрасч-Qи-Qп

Тепловыделение при перемешивании определяется по формуле

,                                         (5)

где Nуд – удельная рабочая мощность мешалки, кВт/м3.

Величины Qв, Qи и Qп достаточно малы.

Если взять зависимость Х от времени ферментации τ, а затем подставить это выражение в уравнение теплового баланса, то можно легко найти уравнение зависимости w0=f(t), т.е. теоретическое значение (текущее) расхода воды с tн на тепловой режим.

Расчет составляющих теплового баланса

Qм. Тепловой эффект перемешивания принимается равным произведению мощности привода мешалки на время работы (секунды в течение ферментации).

Qмв·τм,

где Рв – мощность на валу мешалки, которая связана с мощностью двигателя Рдв через суммарный КПД hs привода мешалки:

Рв=hs·Рдв, кВт

Qв. Тепло с аэрирующим воздухом

Qвр×σв×(tв-tж),

где Ср – теплоемкость воздуха при заданных р и t, кДж/кг·град,

σв – масса воздуха на весь процесс аэрации

σв=(vв×ρв), кг

tв – температура воздуха, поступающего на аэрацию, °С,

tж – температура культуральной жидкости, °С.

Qи. Потери на испарение определяют по формуле:

Qиисп·rв,

где σисп – масса испарившейся воды, кг,

rв – теплота парообразования в процессе ферментации, кДж/кг·град.

Qб.с. Расчет теплоты жизнедеятельности при наличии соответствующих справочных данных определяют по закону Гесса по разности теплот сгорания исходных и конечных продуктов процесса ферментации, кДж.

Qб.сqисхqкон

Совокупная реакция биосинтеза выражается следующим образом:

ПС+ПМ=БМ+ПР+НПЖ,

где ПС – питательная среда (расход),

ПМ – посевной материал,

БМ – биомасса продуцента, образовавшегося в ферментере,

ПР – целевой продукт биосинтеза,

НПЖ – неиспользуемые продукты жизнедеятельности.

Итак,

Qб.с=qпс+qпм-qбм-qпр-qнпж,

где qпс – теплота сгорания питательной среды,

qпм – теплота сгорания посевного материала, кДж,

qбм – теплота сгорания биомассы продуцентов, кДж,

qнпж – теплота сгорания неиспользуемых продуктов жизнедеятельности, кДж.

Теплоты сгорания либо принимают из справочных данных, либо рассчитывают по общей формуле:

qi=Hi×mi,

где qi – теплота сгорания i-й составляющей баланса, кДж,

Hi – удельная теплота сгорания i-й составляющей баланса, кДж/кг,

mi – массы i-й составляющей баланса, кг.

Поскольку питательная среда и неиспользуемые продукты жизнедеятельности, как правило, представляют собой смесь нескольких ингредиентов, теплота их сгорания определяется как сумма теплот сгорания каждого ингредиента, например

qпс=ΣНj,

где Нj – удельная теплота сгорания j-го ингредиента питательной среды, кДж/кг,

j – масса j-го ингредиента питательной среды, кг.

Аналогично рассчитывают и qнпж – теплоту сгорания неиспользуемых продуктов жизнедеятельности.

Что касается теплоты сгорания посевного материала и биомассы продуцента (qпм и qбм), то эти величины определяются экспериментальным путем или из справочных данных, т.к. точный теоретический расчет нереален из-за отсутствия точных сведений о точном составе этих материалов.

Ниже приведены теплоты сгорания посевного материала (qпм) и биомассы продуцента (qбм) (табл. 3.1), а также теплоты сгорания некоторых  питательных веществ (Hj), часто используемых в производстве антибиотиков  (табл. 3.2) [13].

Таблица 3.1

Теплоты сгорания посевного материала и биомассы продуцента

Производства антибиотиков

qпм,

кДж

qбм,

кДж

Бензилпенициллин

Хлортетрациклин

Стрептомицин

22 400,0

25 600,0

19 900,0

15 900,0

23 500,0

27 000,0

Таблица 3.2

Теплоты сгорания некоторых питательных веществ

Наименование   питательных    веществ

Hj,  

кДж/кг

Кукурузный экстракт

16 500,0

Гидрол

15 100,0

Лактоза техническая

15 300,0

Соевая мука

16 500,0

Белок

13 500,0

Моносахариды

15 700,0

Дисахариды

16 500,0

Полисахариды

17 500,0

Уксусная кислота

14 500,0

Пропионовая кислота

20 600,0

Липиды (жиры)

37 000,0

Высшие жирные кислоты

40 000,0

Расчет поверхности теплообмена.

Расчет поверхности теплообмена необходимо делать для периода наибольшего выделения тепла, т.к. именно при этом теплообменное устройство испытывает максимальную нагрузку.

Так как в большинстве случаев трудно получить математическую функцию для расчета требуемой поверхности теплообмена Fт, то используются приближенные методы. Например:

1. Определяют среднее значение теплового потока на весь период ферментации:

qтп=Qрасх/3600×τф,

где qтп – среднее значение теплового потока,

Qрасч – см. в начале,

τф – время ферментации.

По опытным данным значение теплового потока в период максимального тепловыделения qmax превышает среднее значение в 2-4 раза. Если взять ×3

,

где Fт – расчетная поверхность теплообмена, м2,

К – коэффициент теплопередачи от КЖ к охлаждающей воде, Вт/м2·К (принимается по справочным данным),

tф – температура КЖ в ферментере, °С,

tср – средняя температура охлаждающей воды в установившемя режиме, можно принять tср=(tк-tн)/2, °С

Полученное значение поверхности теплообмена сравнивают с фактической площадью суммарной поверхности всех теплообменных устройств ферментатора (Fф), которую определяют по техническому паспорту или по чертежам.

Должно выполняться условие:

Fт<Fф

Если оно не выполняется, то предусматривается установка дополнительных теплообменных устройств либо для охлаждения используют воду с более низкой начальной температурой.

Расход охлаждающей воды

,

где σохл – масса охлаждающей воды, кг,

св – теплоемкость воды (~4,19 кДж/кг),

tн – температура воды, поступающей в теплообменное устройство ферментера, °С,

tк – температура воды на выходе из теплообменного устройства, °С.

PAGE  1


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

9279. Договор мены 25.5 KB
  Договор мены. По договору мены каждая из сторон обязуется передать в собственность другой стороне один товар в обмен на другой. Договор консенсуальный, возмездный, двусторонний. Каждая из сторон данного договора - одновр...
9282. История развития хирургии. Основные этапы зарождения и развития хирургии 19.34 KB
  Лекция №1 История развития хирургии. Основные этапы зарождения и развития хирургии Алиев Фуад Шамильевич. Хирургия (chier - рука, ergon - действие рукодействие, ремесло) - раздел клинической медицины, изучающий болезни и повреждения, при...
9283. Асептика. Основные принципы асептики. Хирургическая инфекция 15.67 KB
  Лекция №2 Асептика. Основные принципы асептики. Хирургическая инфекция. Впервые термин асептика ввел английский военный хирург Роберт Прингл в 1750г. Асептика - это комплекс мероприятий, Основные меры профилактики развития инфекционного проце...
9284. Антисептика 21.68 KB
  Лекция №3 Антисептика Термин был предложен 1750 г. Английским хирургом Дж. Принглом Антисептика - противогнилостный метод работы Еще в древности медики эмпирически пришли к выводу о необходимости обеззараживания ран Применяли прижига...
9285. Местная анестезия 17.05 KB
  Лекция №4 Местная анестезия В 1855 году австриец привез листья коки, его жевали и получали удовольствие. Кокаин – родоначальник местной анестезии. Египет –- мрамор+уксус. Сдавливание нервов. Дхлаждение кожи. Эфир. Баллон Ричардсона...
9286. Понятие боли. Общее обезболивание. Подготовка больных к наркозу 19.24 KB
  Лекция №5 Понятие боли. Общее обезболивание. Подготовка больных к наркозу. Боль - сторожевой пес здоровья. Ноцицепция: ноцирецепторы - рецепторы - воспринимают болевые ощущения. Раздражители: механические, термические, химические. При...
9287. Техника проведения наркоза. Осложнения наркоза 20.07 KB
  Лекция № 6 Техника проведения наркоза. Осложнения наркоза. Общая анестезия. Подготовка. Полное обследование Оценка общего состояния (риск операции и наркоза) Психологическая Медикаментозная Подготовка ЖКТ Премедик...