ЗАНЯТИЕ 5

План.

Расчет материально-энергетического баланса стадии ферментации.

Описание технологического процесса.

Выбор оборудования на основе материально-энергетического баланса.

Потребность в основных сырьевых и энергетических ресурсах для технологических нужд.

Экологическая безопасность производства – проблемы и решения.

Обоснование решений по применению малоотходных и безотходных технологий, повторному использованию тепла и регенерации материалов.

5.1. Расчет материально-энергетического баланса стадии ферментации.

Принимаем, что при биосинтезе кислород расходуется на 3 процесса – рост биомассы, биосинтез продукта и дыхание (образование СО₂ ).

Ориентировочно элементарный состав биомассы (X) – C₆ H_11.8 O₃N_1.2 M=148.6.

Рассмотрим расчет потребления кислорода на примере биосинтеза лизина (L). Тогда для перечисленных выше процессов, при условии, что источником углерода является сахароза (S), можно записать следующие молярные стехиометрические уравнения:

C₁₂H₂₂O₁₁ + 2.4 NH₃ – 1.1O₂ = 2 C₆ H_11.8 O₃N_1.2 + 2.8 H₂O

C₁₂H₂₂O₁₁ + 4.00 NH₃ + 1.50 O₂ + 2HCl = 2 C₆ H₁₄ O₂ N_{2 *} HCl + 10 H₂O

C₁₂H₂₂O₁₁ + 12 O₂ = 12 CO₂ + 11 H₂O

Примечание: по данным В.М.Кантере («Лимитирование и ингибирование микробиологических процессов». Сб., Пущино-на-Оке, 1980, с.93) усредненная стехиометрическая формула для биомассы бактерий - С₆Н₁₀О₃N_0.85P_0.25 М=149

При переходе к массовым соотношениям стехиометрические коэффициенты в этих уравнениях изменятся и они примут вид (в г/г сахарозы);

C₁₂H₂₂O₁₁ + 0.119 NH₃ – 0.103 O₂ = 0.869 C₆ H_11.8 O₃N_1.2 + 0.147 H₂O

C₁₂H₂₂O₁₁ + 0.199 NH₃ + 0.140 O₂ + 2HCl = 1.067 C₆ H₁₄ O₂ N_{2 *} HCl + 0.526 H₂O

C₁₂H₂₂O₁₁ + 1.123 O₂ = 1.544 CO₂ + 0.579 H₂O

Таким образом, если не учитывать образование побочных продуктов, то скорость потребления кислорода однозначно определяется скоростями биосинтеза, роста и потребления сахарозы. Эти скорости могут быть определены экспериментально или на основании математической модели. Можно также использовать данные по приросту биомассы и лизина и потреблению сахарозы за данный промежуток времени. Тогда мы получим количество потребленного за этот промежуток времени кислорода и оценим среднюю скорость его потребления в этом интервале.

Из вышеприведенных уравнений следует, что доли потребленной сахарозы S равны:

на процесс роста - _X = 0.869 X/S;

на процесс биосинтеза – _L =1.067L /S,

на дыхание - _m = 1 – (_X + _L)

отсюда следует, что количество потребленного кислорода

DО₂ = (0.103a_L – 0.168a_X + 1.123 (1 - a_X - a_L)) DS = 1.123 DS – 1.291DХ – 1.020DL

Дифференцируя это уравнение по t, получим

K_La_O2 (P^g- ^l) = 1.123 dS/dt - 1.291 dX/dt – 1.020 dL/dt

Аналогично мы можем прогнозировать потребление аммиака и выделение СО₂

DNH₃ = (0.119a_X + 0.199a_L) DS = 0.103X + 0.212DL

KLa_CO2 Pco₂ = 1.544 dS/dt - 1.342 dX/dt – 1.647 dL/dt

Можно, действуя аналогично, оценить и тепловыделение. Ориентировочные оценки (нет точных значений для теплот образования биомассы лизина) показывают, что тепловые эффекты соответственно реакций роста, биосинтеза и дыхания равны (ккал/кг) -50, 1080 и 4110.

Тогда скорость тепловыделения

dQ/dt = 4110 dS/dt –3622dX/dt – 3305 dL/dt

Используя полученные данные можно внести необходимые коррективы в выполненный выше расчёт материально-энергетического баланса.

5.2. Описание технологического процесса.

Обычно в тексте проекта материально-энергетический баланс размещается после описания технологического процесса. Произведенная нами перестановка вызвана исключительно «тактическими» соображениями.

Описание разрабатывается на основе Исходных данных на проектирование и полностью опирается на принципиальную технологическую схему (ПТС). Оно производится по технологическим стадиям с точным соблюдением их наименований и кодировки использованными в ПТС.

В Описании указывается используемое оборудование, причем его название и кодировки далее в проекте везде используются точно так же, как и в Описании.

В описании в зависимости от назначения аппарата используются названия: реактор, сборник, сепаратор, УНС, биореактор, скруббер, мембранная установка, выпарная установка, теплообменник, сушилка, упаковочная машина и т. п. Аппараты нумеруются по мере упоминания в тексте по нарастающей. Номеру предшествует буквенное обозначение (обычно первые буквы названия). При первом упоминании в Описание дается краткая техническая характеристика аппарата. Далее описывается проводимая в нем технологическая операция с указанием применяемых реагентов и их количеств. В предварительной редакции технические характеристики аппарата и количества реагентов не упоминаются; они вносятся потом, после расчета материально-энергетического баланса и выбора, в соответствии с ним, оборудования. В описании технологической операции указываются продолжительность процесса, технологические параметры и границы их поддержания, ожидаемый выход или результат операции, а также признаки начала и завершения операции.

Там же описываются возможные отклонения от регламентного течения процессах и меры по их устранению.

В целях облегчения описания процесса возможно дробление технологической стадии на более мелкие, чем указанные на ПТС и в материальном балансе. Тогда этой части технологической стадии присваивается самостоятельный код путем добавления к основному коду порядковой цифры через точку справа (например: ТП2.1. и т.п.).

Приведем в качестве примера описание стадии приготовления посевного материала при производстве некого биологически активного вещества.

ТП2. Приготовление посевного материала.

Посевная питательная среда готовится в биореакторе БР8 ( V= 0.25м³). Аппарат имеет мешалку (N_пр= 0.1КВт) и рубашку. Он оснащен системами терморегуляции и поддержания рН стерильной аммиачной водой, автоматической подачи этанола по сигналу датчика РО₂. Рассчитан на избыточное давление 0.3Мпа.

Для приготовления питательной среды в БР8, предварительно промытый и простерилизованный в течение 1 часа при 135^оС, заливают 75л воды при перемешивании загружают через стерилизующий фильтр Ф2 (F=3м². Диаметр пор 0.2мкм, производительность не менее 2000л/час), 145л водопроводной воды.

Далее в БР8 со стадии ВР1 из Сб3 подается 5л концентрированного раствора питательных солей и рН среды доводится подачей через стерилизующий фильтр Ф6 (Диаметр пор 0.2мкм, производительность не менее 30л/час ) 25% аммиачной воды до 4.2-4.4, после чего в БР8 вносится, при перемешивании, в асептических условиях закрытым способом маточная культура.

Затем в БР8 через стерилизующий фильтр Ф7(Стерилизуемый паром. Коэффициент проскока не более 10-³, производительность – 15нм³/час.) подается воздух со скоростью 150л/мин.

Ферментацию ведут, поддерживая в аппарате температуру 31.5±0.5⁰С, рН= 4.3±0.1 подачей через стерилизующий фильтр Ф6 25% аммиачной воды из сборника Сб5 (V=250л, Р= 0.4МПа.) по стерильной линии, при перемешивании. При концентрации растворенного кислорода более чем 10% от насыщения кислородом воздуха при атмосферном давлении воздуха в БР8 подается через стерилизующий фильтр Ф3 из Сб2(V=250л, Р= 0.4МПа. ) этанол – порциями по 100мл 1 раз в минуту в течение 5-10 секунд.

В процессе ферментации, производят отбор проб на стерильность (в пустые стерильные пробирки) и на определение оптической плотности: после стерилизации среды, после засева среды, через 7 ч от начала ферментации и после завершения ферментации – всего 4 пробы. Пробы хранят в холодильнике.

Продолжительность процесса ферментации 18-20 ч.

5.3. Выбор оборудования на основе материально-энергетического баланса

Результаты выбора оборудования приводятся в таблице, шапка которой приводится ниже.

Предварительный выбор типа оборудования производится на основании исходных данных на проектирование и Описания технологического процесса (он должен совпадать с указанным в Описании). В графе «наименование» указывается то, которое приведено в Описании. Содержание следующей графы также должно соответствовать Описанию. Материальный поток (G т) берется из материального баланса, продолжительность операции t (включая время на загрузку, разгрузку и очистку, в часах) – из Описания. На основании данных Описания выбирается материал рабочей зоны аппарата. Из соображения удобства эксплуатации (с учетом наличия резервного аппарата) определяется число аппаратов N. Теперь можно определить объём аппарата, который равен (м³),

V = (1000Gt)/(24γβN)

где: γ – плотность, кг/м3; β – рекомендуемый коэффициент заполнения.

На этом же этапе решаются вопросы массо- и теплопереноса. Количества переносимых массы (биосинтез, экстракция, растворение, сушка) и тепла (подогрев и охлаждение, упаривание и сушка) следуют из материально-энергетического баланса. Необходимые поверхности массо- и теплообмена вычисляются по уравнениям, известным из курса процессов и аппаратов.

Далее по каталогам и справочникам, результатам переговоров с изготовителями нестандартного оборудования выбирается наиболее близкий к вычисленному объём аппарата и уточняется их число. Характеристики и изготовитель аппарата заносятся в последнюю графу таблицы.

5.4. Потребность в основных сырьевых и энергетических ресурсах для технологических нужд.

Эта потребность определяется по данным материально-энергетического баланса. Результаты суммируются в таблице. Вначале составляется перечень всех видов сырья, материалов и энергоносителей используемых в процессе (первый столбец таблицы). Далее они суммируются по всем стадиям технологического процесса и мы получаем «теоретический» суточный расход (второй столбец). Каждый расход затем мы делим на суточную производительность по основному продукту и получаем «теоретические» нормы расхода на 1т готовой продукции (третий столбец). После умножения норм расхода на годовую производительность получаем «теоретические» годовые потребности (четвертый столбец). Прибавляя к «теоретическим» потребностям потери при хранении и транспортировке получим окончательный результат (пятый столбец в таблице).

5.5. Экологическая безопасность производства – проблемы и решения.