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

7 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

24740. Линейные списки – стеки, очереди, деки. Набор процедур для работы со связанным стеком, очередью 1.08 MB
  Способы обхода бинарного дерева. Древовидная структура это конечное множество содержащее один или более узлов n такое что: 1 имеется один специально обозначенный узел называемый корнем данного дерева. Линия связи между парой узлов дерева называется обычно ветвью. Те узлы которые не ссылаются ни на какие другие узлы дерева называются листьями или терминальными вершинами рис.
24741. English Speaking Countries 17.49 KB
  The Commonwealth of Australia territories are the continent of Australia the island of Tasmania and number of smaller islands. Australia has an area of nearly eight million square kilometres. The population of Australia is over sixteen million people.
24742. Outstanding people of Russia Federation 16.41 KB
  The names of Russian scientists and writers poets composers and painters are worldfamous Pushkin Lermontov Chehov Levitan. It is almost impossible to name a branch of science in the development of which the Russian scientists haven't played the greatest role. Works of our Russian writes and poets are translated into many languages.
24743. Службы разрешения имен DNS и WINS 15.76 KB
  Для решения этой проблемы Windows XP и Windows Server 2003 обеспечивают возможность сопоставления разрешения IPадреса с именем компьютера. В состав Windows XP и Windows Server 2003 входят также две службы обеспечивающие централизованное хранение информации о соответствии имен компьютеров IPадресам и обслуживание запросов на поиск такого соответствия: служба WINS Windows Internet Name Service обеспечивающая управление именами NetBIOS. Эта служба включена для поддержки клиентских компьютеров управляемых версиями Windows 9x Me NT; ...
24744. Сетевая технология 23.5 KB
  Принципиально эти решения можно разделить на три группы: передача разных типов трафика по отдельным физическим линиям создание двух независимых сетевых инфраструктур; передача различных типов трафика по одной линии; преобразование одного вида трафика в другой с последующей транспортировкой и коммутацией.
24745. Физическая структуризация сетей. Примеры 26.36 KB
  Примеры Для построения простейшей односегментной сети достаточно иметь сетевые адаптеры и кабель подходящего типа. Повторитель улучшает электрические характеристики сигналов и их синхронность и за счет этого появляется возможность увеличивать общую длину кабеля между самыми удаленными в сети станциями. Логический сегмент построенный с использованием концентраторов Появление устройств централизующих соединения между отдельными сетевыми устройствами потенциально позволяет улучшить управляемость сети и ее эксплуатационные характеристики...
24746. Логическая структуризация сети 26 KB
  Логическая структуризация сети Несмотря на появление новых дополнительных возможностей основной функцией концентраторов остается передача пакетов по общей разделяемой среде. Коллективное использование многими компьютерами общей кабельной системы в режиме разделения времени приводит к существенному снижению производительности сети при интенсивном трафике. Общая среда перестает справляться с потоком передаваемых кадров и в сети возникает очередь компьютеров ожидающих доступа. Это явление характерно для всех технологий использующих разделяемые...
24747. Функции маршрутизатора в сети 26.5 KB
  Функции маршрутизатора в сети Маршрутиза́тор сетевое устройство пересылающее пакеты данных между различными сегментами сети и принимающее решения на основании информации о топологии сети и определённых правил заданных администратором. Нередко маршрутизатор используется для обеспечения доступа из локальной сети в глобальную сеть Интернет осуществляя функции трансляции адресов и межсетевого экрана.
24748. Функции шлюза в сети 23.5 KB
  Функции шлюза в сети Сетевой шлюз аппаратный маршрутизатор или программное обеспечение для сопряжения компьютерных сетей использующих разные протоколы например локальной и глобальной. Сетевой шлюз может быть специальным аппаратным роутером или программным обеспечением установленным на обычный сервер или персональный компьютер.