Тепловой баланс ферментации

Тепловой расчет аппарата или технологического процесса сводится к решению уравнения теплового баланса и нахождению из него тепловой нагрузки, расхода хладагента и необходимой поверхности теплопередачи. Тепловой расчет выполняется после материального баланса.

Теплообменные устройства ферментера должны обеспечивать поддержание определенной температуры в течение всего цикла. Если допустить постоянство тепловыделения в аппарате, то тепловой баланс ферментера будет следующим:

Q_Б + Q_М + Q_В + Q_ПС + Q_П + Q_ОХЛ = 0,

где Q_Б - кол-во тепла, выделившегося в ходе биосинтеза;

Q_М - количество тепла, выделившегося при работе мешалки;

Q_В - количество тепла, вносимое с аэрирующим воздухом;

Q_ПС - количество тепла, вносимое с питательной средой;

Q_П - потери тепла в окружающую среду;

Q_ОХЛ - тепло отводимое с охлаждающей водой.

Уравнение теплового баланса решается относительно Q_ОХЛ

Суммарный тепловой эффект биосинтеза Q_Б зависит от состава питательной среды, количества биомассы и аппаратурного оформления процесса. Его величина может быть рассчитана из стехиометрических соотношений реакции биосинтеза и составляет величину от 1 до 20 кВт/м³. Например, при культивировании продуцентов ферментов тепловыделение может составлять от 1 до 10 кВт/м³, а для продуцентов антибиотиков - до 15 кВт/м³.

Превращение механической энергии в тепловую (диссипация энергии) устанавливается экспериментально по силе потребляемого тока или прямым калориметрированием или расчетом по эмпирической формуле.

В грубой оценке Q_М = N - мощности привода, а удельная величина

q_м = N_уд, где N_уд, - удельная мощность на перемешивание (N_уд = N/V_ж). При культивировании N_уд = 1-3 квт/м³.

Количество тепла, вносимое с аэрирующим воздухом, определяется по формуле:

q_в = m_в (J₁- J₂),

где m_в - массовый расход воздуха; J₁ и J₂ - теплосодержание входящего и выходящего газа (их несложно определить из i-x диаграммы).

Тепло, вносимое с питательной средой, определяется уравнением

Q_пс= M_пс*c_пс*(t_пс - t_к),

где с индексом "пс" - масса, теплоемкость и температура питательной среды; t_к - температура культивирования.

В случае проточного реактора вместо M_пс будет m_пс - массовый расход.

Потери тепла через стенки аппарата (путем конвекции и излучения) определяются уравнением

Q_п=(F_ап*q_уд)/V_ж ,

где F_ап - площадь поверхности аппарата; V_ж - объем среды; q_уд - удельные потери тепла с 1 м² поверхности (по сути интенсивность теплового потока - зависит от разницы температур стенки аппарата и окружающей среды) - существуют в виде эмпирических данных. Иногда потери тепла через стенку закладывают в расчет как определенный процент от Q_охл (5 или 10%).

Величины Q_в, Q_пс, Q_п обычно невелики и ими часто пренебрегают.

Определив Q_охл находят расход хладагента W (воды) из уравнения

W = Q_охл /c*(t_к - t_н),

где c - теплоемкость воды; t_н и t_к - начальная и конечная температуры охлаждающей воды.

Далее переходят к расчету теплообменных устройств аппарата.

Конечной целью теплового расчета является определение возможности теплообменного устройства отводить выделяющееся тепло.

Действительная возможность теплообменника определяется уравнением:

Q = K*F*Dt,

где К – коэф-т теплопередачи; F – пов-сть теплообмена; Dt - градиент температур. 21

Дата добавления: 2014-01-14