71123

МОДЕЛИРОВАНИЕ И МАСШТАБИРОВАНИЕ

Лекция

Физика

Моделированием называется исследование проблем применения к промышленному оборудованию результатов лабораторных исследований и данных по опытным установкам Это необходимо для правильного конструирования аппаратов. Некоторые такие вопросы уже были нами рассмотрены.

Русский

2014-11-02

1.14 MB

5 чел.

ЛЕКЦИЯ 15

-МОДЕЛИРОВАНИЕ И МАСШТАБИРОВАНИЕ

-ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕссОВ БИОТЕХНОЛОГИИ

МОДЕЛИРОВАНИЕ И МАСШТАБИРОВАНИЕ

     Моделированием называется исследование проблем применения к промышленному оборудованию результатов лабораторных исследований и данных по опытным установкам Это необходимо для правильного конструирования аппаратов. Некоторые такие вопросы уже были нами рассмотрены.

    Наибольший интерес представляет перенос найденных при работе опытного ферментёра оптимальных по выходу продукта условий на ферментёр большего размера такой же формы. При решении этой проблемы, прежде всего, требуется найти скорость аэрации, считая, что механическое перемешивание здесь не требуется. Интенсивность аэрации описывается выражением:

                                  kLa ≈ ,                                (1)

где kL – коэффициент массоотдачи в жидкости;

      a – площадь поверхности раздела между жидкостью и газом, м23;

      Q – поток воздуха;

      V – объём жидкости, м3;

      HL – высота столба жидкости, м;

      dв – диаметр пузырьков воздуха, мм.                                 

    И теперь, так как принимается, что физические свойства культуральной жидкости в геометрически подобных ферментёрах тождественны, то можно считать, что:

                                 (2)

где: индексы 1 и 2 относятся, соответственно, к большому и малому ферментёрам.

    Так как размеры газовых пузырьков не связаны с размерами ферментёра, принимаем

    Приравниваем левую часть уравнения (2) к единице (задаёмся одинаковой аэрацией) и получаем:

                                               .                   (3)

Из этого уравнения следует, например, что степень аэрации большого ферментёра будет равна  5-2/3 = 0,34 об/об, если принять, что  и коэффициент моделирования  (соответственно коэффициент моделирования по объёму равен 125).

Спецификой микробиологического оборудования является существенное влияние на процесс моделирования такого фактора как метаболизм микроорганизмов.

                                                                           1

         

В частности, такая проблема как подавление роста м.о. ионами конструкционного металла, из которого изготовлен ферментёр. В этом примере нельзя переносить результаты исследования ферментации при наличии в растворе пластинки исследуемого металла на ферментёр большого объёма, так как единица поверхности ферментёра на единицу культуральной жидкости при этом убывает пропорционально Dt-1 раз.

Очень важным технологическим фактором является перемешивание жидкости. Этот приём увеличивает скорость реакции, позволяет получить однородную суспензию в жидкости. Для того чтобы результаты, полученные в лабораторных исследованиях, можно было перенести на промышленный ферментёр, следует соблюдать следующие критерии подобия:

– модифицированное число Рейнольдса nDi2ρ/μ;

– мощность, приходящаяся на единицу объёма перемешиваемой жидкости;

– энергия, расходуемая на единицу массы жидкости;

– средняя скорость движения жидкости в подобных точках;

– скорость циркуляции жидкости.

С мощностью, приходящейся на единицу объёма, тесно связан коэффициент массоотдачи по кислороду.

Важно иметь в виду, что даже при соблюдении всех перечисленных критериев подобия самочувствие м.о. в малом ферментёре может не воспроизводиться в большом. При этом имеют значение масса живого, тип мицелия.

Исследования показали также, что моделирование бактериальной и дрожжевой ферментации осуществляется легче, чем для мицелиальной, так как в последнем случае не соблюдается закон Ньютона (вязкость зависит от скорости).

Это подтверждает важность критерия P/V (рис. 1).

Рис.1. Выход антибиотиков при ферментации в зависимости от  привносимой мощности перемешивания

2

Рассмотрение показанных зависимостей приводит к выводу, что скорость перемешивания жидкости классифицируется на область слабого и область сильного перемешивания, где наблюдается высокий выход антибиотика (более 1,5 л.с./м3).

Для мицелиальных жидкостей наблюдается ясная зависимость между коэффициентом вязкости и продолжительностью ферментации, поскольку при этом изменяется возраст культуры и, соответственно, состояние мицелия.

Оптимизация биотехнологического производства

Биотехнологическое производство является сложной системой, в которой стадия ферментации связана многоуровневой схемой связей с другими элементами.

Система делится на блоки, соответствуюшие блокам общей математической  модели. Это позволяет выявить факторы, влияющие на глобальный критерий БТС. С целью оптимизации всей БТС необходимо решить две группы задач:

– выбор оптимальных условий функционирования технологических элементов и подсистем, их входных, выходных и определяющих параметров;

– выбор оптимальной технологической структуры, определение последовательности связей между технологическими элементами.

Иерархическая многоуровневая система БТС разбивается на шесть уровней:

Первый (нижний) уровень включает процессы внутри клетки, которые определяют её рост и метаболические превращения субстрата в целевой продукт. Этот уровень допускает и более глубокую детализацию по стадиям.

Второй уровень, назвыаемый микроуровнем, составляют массообменные процессы в элементарном объёме – перенос питательных веществ в клетке и отвод продуктов метаболизма. Сюда относится кинетика утилизации субстрата клеткой, скорости роста и образования продукта. В гидродинамическую составляющую вх-одят процессы микросмешения, диспергирования, коалесценции, сегрегации.

Третий уровень – уровень макросоставляющих элементов БТС – включает массопередачу, теплопередачу и гидродинамику в объёме реактора в виде кинетических закономерностей роста популяции м.о.

Четвёртый иерархический уровеньпредставлен аппаратами для осуществления типовых процессов. Математическое описание аппарата формируется как блочная структура макро- и микросоставляющих.

Пятый уровень подсистемы БТС включает по нескольку технологических элементов – аппаратов, связанных потоками вещества и энергии.

Шестой (верхний) уровень составляет биотехнологическая система в целом во всей совокупности подсистем и элементов.

В составе этой системы ферментатор как элемент БТС может функционировать в разных вариантах:

– как отдельный аппарат в схеме (рис 2 в);

        – в последовательной схеме (рис 2 в);

         – в схеме с рециркуляцией (рис 2 в);

         – в параллельной схеме (рис 2 г);

         – в сложных технологических схемах, когда совместно с ферментёрами функционируют другие аппараты (рис 2 д).    

  •   3        Сегрегация — [segregatio отделение) 1. Скопление м лов, обычно представляющих собой ранние продукты кристаллизации магмы, из которой возникла и заключающая их г. п. 2. Образование чистых к лов льда при замерзании влажных и насыщенных водой г. п. 3. В… …   Геологическая энциклопедия
  •  сегрегация — зейгерование, ликвация; распределение, обжиг, дискриминация Словарь русских синонимов. сегрегация сущ., кол во синонимов: (5) • ↑дискриминация (12) • ↑ликвация (3) • …   Словарь синонимов
  •  СЕГРЕГАЦИЯ — (от лат. segregacio отделение) политика принудительного отделения или изоляция какой либо расы либо этнической группы путем поселения на ограниченной территории, преград для социального общения, раздельного обучения и воспитания, иных подобных… …   Юридический
  •  энциклопедия
  •  СЕГРЕГАЦИЯ — в металлургии 1) то же, что ликвация.2) Обжиг труднообогатимых окисленных руд некоторых цветных металлов в присутствии небольшого количества хлора или хлорсодержащей соли с целью перевода металлов, содержащихся в руде, в форму металлических зерен …   Большой Энциклопедический словарь
  •  СЕГРЕГАЦИЯ — СЕГРЕГАЦИЯ, и, жен. (книжн.). Один из видов расовой дискриминации ограничение в правах на основании цвета кожи или национальной принадлежности. С. негров в США. | прил. сегрегационный, ая, ое. Толковый словарь Ожегова. С.И. Ожегов, Н.Ю. Шведова.… …   Толковый словарь Ожегова
  •  СЕГРЕГАЦИЯ — (отпозднелат. segregatio отделение) ооплазматическая, возникновение локальных различий в свойствах цитоплазмы яйцеклетки, осуществляющееся в периоды роста и созревания ооцита, а также при оплодотворении яйца. С. основа для начальной… …  

 

а

б

в

г

д

Рис. 2. Возможные варианты схем функционирования ферментёров в БТСОбозначения:  Xконцентрация м.о.; Ο – смеситель;Sконцентрация субстрата.

Рис.3. Упрощённая схема биотехнологического производства: 1 – смесители; 2 – теплообменники; 3 – насосы; 4 – биорактор; 5 – сепаратор; 6 – выпарная установка; 7 – сушилка; 8 – биоочистка.

4

Анализ и синтез оптимальной технологической схемы должен учитывать взаимодействие всех элементов. Например, повторное использование отработанной культуральной жидкости выгодно и целесообразно с точки зрения экономии свежей воды. Но при этом ухудшаются показатели стадии ферментации, так как отработанная жидкость содержит продукты метаболизма и неутилизируемый субстрат. Тем не менее, возможна частичная рециркуляция после или циркуляция с очисткой.

Для того чтобы полно учесть взаимодействие всех элементов схем, функционирование системы следует формализовать с использованием количественных оценок.

Для того чтобы оптимизировать систему на всех её уровнях, следует, прежде всего, выбрать критерий оптимизации.

При анализе БТС в целом используют экономические критерии.

Они включают следующие показатели:

1. Производительность В (выпуск) – количество продукта в единицу времени.

2. Объём капитальных вложений Ф (фонды) в данное производство.

3. Эксплуатационные расходы (текущие затраты) на выпуск продукции.

Качественные экономические показатели выступают как ограничения на экономический критерий либо приводят к дискретным изменениям стоимости (сортности).

Рассмотрим оптимизацию себестоимости.

Для случая получения биомассы из углеродосодержащего сырья уравнение материального баланса ферментёра имеет вид:

FS0FSαSμXV = 0;

FX0 + μXVFX = 0;

FCO20 + KLa (,

где F – поток через ферментёр; S0, S – концентрации субстрата в потоке;  X0, X – концентрации биомассы м.о. в потоке;  αS,  – стехиометрические (расходные) коэффициенты по субстрату и по кислороду; V – объём аппарата;      – концентрации кислорода в среде – равновесная и рабочая;  μ – удельная скорость образования биомассы; KLa – коэффициент массопередачи кислорода; индекс «0» - начальное значение.

Затраты для получения биомассы включают:

стоимость сырья – (S0-SS= ρSαSB или S0ρSF, это – если отсутствует рециркуляция, цена на сырьё обозначена как ρS;

текущие расходы – ρтВ, связанные с затратами электроэнергии на аэрацию и перемешивание, ρт = f(KLa),  на охлаждение, стерилизацию и пр.;                                                       

                                                                

                                                                 5

постоянные расходы – ρА + ρР, где ρА – расходы на амортизацию; ρР – на ремонт и

                                           ρА = ЕК,

где Е – норма амортизации, К – капитал.

Отсюда себестоимость

                                         ρпр = ρSαS + ρт + (ЕК/В + ρРВ).  

Чисто качественный (количественный слишком сложен) анализ показывает, что зависимость ρпр =F(В) имеет экстремум, который определяет оптимальный объём выпуска продукции.

Для учёта качественных показателей получаемого продукта применяют такие экономические показатели как прибыль П или норма прибыли Нп:

                                               П = В(ρц – ρпр),

где ρц – цена реализации, которая отражает спрос на продукт с учётом его качества   ( r), при этом (пр/dr) = 0.

Поскольку величина П зависит от выпуска, возможны ситуации, когда два варианта БТС имеют одинаковую прибыль при разной себестоимости и выпуске.

В1ц – ρпр1) = В2ц – ρпр2).

В этом случае целесообразно принять во внимание показатель нормы прибыли (прибыль на единицу затрат):

Нп = В(ρц – ρпр2)/(Вρпр) = ρцпр – 1.

Цена может зависеть от объёма выпуска.

Наиболее полным критерием оптимизации является критерий техно-экономической эффективности

Ф = (ρSαS + ρiαi) + Э/В + ЕК/В,

где SαS + ρiαi) – затраты на субстрат и компоненты минерального питания клеток;

Э/В – текущие затраты;

ЕК/В – капитальные затраты.

Для исследования и оптимизации технологических аппаратов целесообразно использовать технологические критерии.

Технологическим критерием для ферментации является величина годовой мощности производства G (кг):

G = FX/V – F(S0 – S) / (αSV).

На более низких уровнях в качестве критериев могут быть использованы:

– коэффициент дыхания клеток, Кдых = $

         – удельный расход элемента питания на единицу продукта;

– то же, с учётом его стоимости (цены);

– степень утилизации субстрата.

Обобщённый показатель эффективности системы

                             R = ,

где  - локальный критерий.

Отсюда следует, например, что такой локальный показатель как объёмы ферментёров

V1 + V2 + … +Vn →min.

                                                                  6


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

23676. ЧЕЛОВЕК В ДОМАШНЕМ ХОЗЯЙСТВЕ 84.5 KB
  Понятие домашнего хозяйства. Для экономистов сфера домашнего хозяйства является €œпериферией€ не первого и даже не второго порядков. Неоклассическая экономическая теория проводила жесткое различие между сферой производства в которой действовали фирмы и сферой потребления к которой безоговорочно относились домашние хозяйства. Тем не менее уже на пороге домашнего хозяйства мы сталкиваемся с проблемой: человек в таком хозяйстве может быть занят полный рабочий день и полную рабочую неделю но вправе ли мы считать его деятельность трудом Как...
23677. ПОДХОДЫ К ПРОБЛЕМАМ СОЦИАЛЬНОГО РАССЛОЕНИЯ 147.5 KB
  ПОДХОДЫ К ПРОБЛЕМАМ СОЦИАЛЬНОГО РАССЛОЕНИЯ В следующих двух лекциях мы рассмотрим проблемы социальной и экономической стратификации. И вроде бы они демонстрируют понимание того что экономические перспективы человека определяются не только уровнем материального благосостояния родителей но и €œсемейным капиталом€ который складывается из общественной репутации и социальных связей профессиональных навыков и культурных ценностей впитанных в соответствующей социальной среде. Какоето значение еще может иметь размер группы а тип социальной...
23678. МИР ХОЗЯЙСТВА: МОДЕЛИ ОДНОЛИНЕЙНОГО РАЗВИТИЯ 116.5 KB
  МИР ХОЗЯЙСТВА: МОДЕЛИ ОДНОЛИНЕЙНОГО РАЗВИТИЯ Экономика и общество связаны множеством прочных нитей. Базируясь на широком основании культурных властных и других социальных отношений экономика выступает таким образом как мир хозяйства. Каким бы конкретным вопросом не занимался исследователь не важно экономист или социолог он волейневолей всегда исходит из неких концептуальных предположений о том что представляет собой исследуемый мир хозяйства какое место занимает он в историческом процессе.
23679. СОЦИОЛОГИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ХОЗЯЙСТВЕННЫХ ИДЕОЛОГИЙ 156.5 KB
  Идеалысредства это способы их достижения в числе которых мы обнаруживаем: формы собственности и формы организации хозяйства характер и степень государственного вмешательства в экономику способы распределения благ и утверждения трудового порядка. Консерватизм не отвергает прав индивида как частного собственника а проводит принцип единонаследия майората как способ воспроизводства этой собственности поддерживает наследственные привилегии и принцип назначаемой сверху опеки со стороны собственника или сообщества государства. Ему...
23680. ЧЕЛОВЕК В ХОЗЯЙСТВЕННОЙ СИСТЕМЕ РОССИИ 161 KB
  Дипломы освобождают их от тяжелого физического труда обеспечивают сносный доход и определенный престиж занятий. И отделение €œобразованных€ от €œпростых людей€ воспроизводится весьма отчетливо хотя различия между ними по уровню жизненных стандартов минимальны или просто отсутствуют проявляясь скорее в условиях труда и стиле жизни. Идеи всеобщности труда и благотворности трудового воспитания воплощаются в стремлении не просто к полной но к максимальной занятости когда работу имеют не только все те кто хочет трудиться но и те кто этого...
23681. История социологии 73.5 KB
  Кант и многие другие которые серьезно обогатили наши знания об обществе и поведении людей. Они как и нынешние социологи изучали традиции обычаи нравы и взаимоотношения людей обобщали факты строили концепции которые завершались практическими рекомендациями о том как усовершенствовать общество. Чтобы этого не происходило знать необходимо лишить частной собственности которая согласно Платону развращает нравы людей. К управлению обществом следовало допускать людей достигших 50 лет высокообразованных и талантливых.
23682. ДВА ПОДХОДА К ЧЕЛОВЕКУ В СОЦИАЛЬНОЙ ТЕОРИИ 252.5 KB
  Трудно предсказать как пойдет дальше процесс самоутверждения экономической теории и социологии всякая популярность не вечна но сегодня обе дисциплины переместились в центр внимания и возникла необходимость определения их методологических границ. В нашем распоряжении уже имеются примеры удачного описания эволюции представлений о человеке в экономической теории. Кратко ознакомившись с этими этапами в первых двух лекциях следуя сначала за экономистами а затем за социологами в третьей лекции мы перейдем к исходному определению предмета...
23683. ХОЗЯЙСТВЕННАЯ МОТИВАЦИЯ И ТИПЫ РАЦИОНАЛЬНОСТИ 157 KB
  ХОЗЯЙСТВЕННАЯ МОТИВАЦИЯ И ТИПЫ РАЦИОНАЛЬНОСТИ После определения сравнительных контуров экономикотеоретического и экономикосоциологического подходов следует подробнее остановиться на одном из наиболее сложных вопросов характере мотивации поведения человека в экономике. Если некое благо оказывается значимым желаемым для человека то оно превращается в стимул внешний объект стремления актуализированную потребность. Когда же импульс стремления к этому объекту проходит через сознание человека стимул перерастает в мотив внутреннее...
23684. ПРЕДПРИНИМАТЕЛЬСТВО КАК ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ФУНКЦИЯ И ИСТОРИЧЕСКИЙ ФЕНОМЕН 99.5 KB
  ПРЕДПРИНИМАТЕЛЬСТВО КАК ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ФУНКЦИЯ И ИСТОРИЧЕСКИЙ ФЕНОМЕН €œЭкономический человек€ в политической экономии впервые появляется в качестве предпринимателя и под ним подразумевается отнюдь не €œсредний€ человек а именно предприниматель. Предпринимательство относится к числу понятий чрезвычайно богатых по своему содержанию и привлекает внимание целого ряда исследовательских дисциплин. Задача данной и последующей лекций рассмотреть предпринимательство с различных точек зрения: экономиста психолога социолога....