РАСЧЕТ ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН
Казахский национальный технический университет имени К. И. Сатпаева
Институт высоких технологий и устойчивого развития
Кафедра «Прикладная экология»
Г. Х. Керейбаева, Г. В. Курбанова, Н. И. Кордакова, Г. С. Жаксыбаева
РАСЧЕТ ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ
БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Методические указания к практическим занятиям
по дисциплине «Процессы и аппараты в биотехнологии»
для студентов специальности 5В070100 «Биотехнология»
Алматы 2015
УДК 573.6(076)
СОСТАВИТЕЛИ: Г. Х. Керейбаева, Г. В. Курбанова, Н. И. Кордакова,
Г. С. Жаксыбаева. Расчет оборудования для биотехнологических процессов.
Методические указания к практическим занятиям по дисциплине «Процессы и
аппараты в биотехнологии». – Алматы: КазНТУ имени К. И. Сатпаева, 2015. –
С.1–26.
Методические указания составлены согласно Типовой учебной
программе, утвержденной Министерством образования и науки Республики
Казахстан, и в соответствии с требованиями ГОСО специальности, педагогикопсихологических основ организации и проведения практических занятий. Они
направляют студентов на самостоятельную активизацию учебного процесса и
включают в себя обоснование изучения темы, учебно-целевые вопросы, их
взаимосвязь и уровни усвоения знаний, приобретаемых студентами при
решении задач на тему «Расчет и выбор основного технологического
оборудования».
Методические указания предназначены для студентов специальности –
5В070100 «Биотехнология».
Список лит. – 13 назв.
Рецензент Г. А. Джамалова, канд. с.-х. наук
Печатается
по
Типовой
учебной
программе,
утвержденной
Министерством образования и науки Республики Казахстан на 2015 год.
© КазНТУ имени К. И. Сатпаева, 2015 г.
2
ВВЕДЕНИЕ
Процессы в биотехнологических производствах подразделяются на
массообменные, теплообменные, гидродинамические и механические. Однако,
все они сопровождаются биологическими процессами. Поэтому особое
внимание при изучении дисциплины «Процессы и аппараты в биотехнологии»
уделяется изучению сочетания химических и биологических процессов
производства и разработке основного и вспомогательного оборудования для их
осуществления.
Учет особенностей биологических процессов необходим при
продуктовом расчете биотехнологического процесса и расчете оборудования
для его реализации. Необходимость осуществления специфических
биотехнологических
процессов
требует
разработки
специального
технологического оборудования. Расчет биотехнологических аппаратов
базируется на фундаментальных законах физики, химии, биологии и других
наук. При этом используются данные по элементарным процессам,
протекающим на молекулярном уровне.
Важное значение имеет расчет макрокинетики культивирования
микроорганизмов, включающей рост, развитие и обмен микроорганизмов.
Культивирование
является
основной
стадией
биотехнологического
производства, поэтому методика расчета компонентов для этого процесса
является обязательным элементом практических заданий
при изучении
данного курса.
Цель практических занятий – более полное и глубокое освоение
дисциплины, пополнение теоретических сведений полученных в курсе лекций,
контроль приобретенных знаний, практических навыков и умений.
Задачами практических занятий являются формирование и закрепление
умений и навыков управлять процессами и аппаратами биотехнологических
производств, проводить анализ процесса, протекающего в биореакторе,
определять оптимальные параметры культивирования, разрабатывать и
рассчитывать аппаратуру для проведения, применять теоретические основы
физико-математических дисциплин для решения задач.
3
1 Продуктовый расчет получения биотехнологических препаратов
1.1 Количество ферметационной среды с учетом потерь (10 %) за счет
уноса с отходящими от ферментера газами
Количество готовой культуральной жидкости (к.ж.) – (G) составит – 1 м3.
Потери с уносом – 10 %.
Количество засеянной питательной среды составит:
G1 = G × 1,1 м3
1.2 Расход компонентов питательной среды для приготовления 1,1 м3
(G1 ) ферментационной среды и содержание абсолютно сухих веществ в ней
1.2.1 Общий расход (в кг) компонентов для ферментационной среды:
G2 = g1 + g2 и т. д.
где g1, g2 и т. д.– расход отдельного компонента среды.
1.2.2 Содержание абсолютно сухих веществ в ферментационной среде:
G3 = c1 + c2 + c3 и т. д.
где c1, c2 и т. д. – содержание абсолютно сухих веществ каждого компонента
среды, которое определяется путем умножения расхода компонента на
содержание а.с.в. в компоненте в соответствии с ГОСТом.
1.3 Количество посевного материала для засева ферментационной
среды (посевная доза – 2 % по отношению к G1)
G4 = G1 × 0,02 м3.
Потери при выращивании посевного материала – 5 %
Количество готового посевного материала составит:
G5 =G4 × 0,95 м3.
1.4 Расход компонентов питательной среды для получения посевного
материала
1.4.1 Общий расход компонентов для посевной среды:
G6 = g1 + g2 + и т. д.
где g1, g2 и т. д. – расход отдельного компонента посевной среды.
4
1.4.2 Содержание абсолютно сухих веществ в посевной среде:
G7 = c1 + c2 + c3 и т. д. (расчет аналогичен п. 2.2.).
1.5 Количество среды, поступившей в ферментер (среда для
ферментации + посевной материал)
G8 = G1+G5, м3
1.5.1 Содержание абсолютно сухих веществ при этом составит:
G9 = G3 +G7, кг
1.6 Количество культуральной жидкости (к. ж.), полученной после
ферментации и поступившей на стадии обработки (выход с учетом уноса с
отходящими газами – 90 %)
G10 = G8 × 0,9 м3.
1.6.1 Потери к.ж. с отходящими газами (10 %)
G11 = G8 × 0,1 м3.
При этом потери абсолютно сухих веществ с отходящими газами
составит (10 %):
G12= G9 × 0,1 кг.
1.6.2 Активность культуральной жидкости: А1
Общая активность в культуральной жидкости:
А2 = А1×G10 , ед.
1.6.3 Затраты абсолютно сухих веществ на энергию биосинтеза (15 %):
G13 = G9 × 0,15 кг.
1.6.4 Количество абсолютно сухих веществ в культуральной жидкости,
поступившей на обработку:
G14 = G9 – (G12 + G13), кг.
1.7 Фильтрация культуральной жидкости
1.7.1 Расход воды на промывку осадка при гидромодуле 1:0,5:
G15 = G10 × 0,5, дм3.
5
1.7.2 Количество полученного фильтрата с учетом 10% потерь на
фильтрации:
G16 = (G10 + G15) × (1 – 0,1) cм3.
1.7.3 Активность фильтрата с учетом потерь от инактивации (5 %):
A3 
A2  1  0,05 ,
ед/см3.
G10  G15
1.7.4 Общая активность фильтрата:
А4= G16×А3 , ед.
Потери активности на стадии составят: а1= А2 – А4, из них
- потери активности с биомассой (а2) составляют 7 %:
а2=а × 0,07;
- потери от инактивации а3 = а1 – а2.
1.7.5 Количество абсолютно сухого осадка, отделенного при фильтрации.
При фильтрации к.ж. в осадке остается 40 % от содержания абсолютно
сухих веществ, содержащихся в к.ж.:
G17 = G14 × 0.4 кг.
При влажности осадка 85 %, его количество составляет:
G18 
G17 ,
кг
1  0,85
или
G19 
G18
дм3,
1,2
где 1,2 – плотность осадка.
1.7.6 Содержание абсолютно сухих веществ в фильтрате:
G20 = G14 – G17, кг.
1.8
Концентрирование
ультрафильтрации
ферментного
раствора
методом
1.8.1 Количество ультраконцентрата при степени концентрирования – 10.
G21 = G16 : 10, дм3.
6
1.8.2 Активность ксиланазы в ультраконцентрате с учетом 10 % потерь:
A5 
A3  G16  1  0,1 ,
ед/см3.
G21
1.8.3 Общая активность концентрата:
А6 = A5 ×G21, ед.
1.8.4 Количество абсолютно сухих веществ в концентрате (7,5 %)
(определяется аналитически):
G22= G21 × 0,075 кг.
1.8.5 Количество ультрафильтрата:
G23= G16 – G21, кг.
1.8.6 Количество абсолютно сухих веществ в ультрафильтрате:
G23= G20 – G22, кг.
1.8.7 Общая активность ксиланазы в ультрафильтрате (потери с
ультрафильтратом – 6,5 % от общей активности фильтрата):
А7= А4 × 0,065, ед.
Потери от инактивации – 3,5 %:
А4 = А4× 0,04.
1.8.8 Активность ксиланазы в ультрафильтрате
А5 = А7 : С23 , ед/ мл.
1.9 Стерилизующая фильтрация концентрата
1.9.1 Количество стерильного концентрата с учетом потерь 3 %
G25 = G21 × (1 – 0,03), дм3.
1.9.2 Активность ксиланазы стерильного
инактивации 5 % от активности концентрата:
концентрата
А8 = А5 (1 – 0,05), ед/см3.
7
с
учетом
1.9.3 Общая активность стерильного концентрата:
А9 – А8 : G25, ед.
Потери от инактивации: а6 – А6 × 0,05.
1.9.4 Количество осадка, полуенного при стерилизующей фильтрации
(удаляется 8 % от абсолютно сухих веществ, содержащихся в концентрате):
G26 = G22 × 0,08, кг.
1.9.5 Количество влажного осадка, полученного при стерилизующей
фильтрации (влажность осадка – 85 %)
G27 = G26 : (1 – 0,85), кг
или G28 = G27 : 1,1, где 1,1 – плотность осадка.
Потери активности с осадком: а7 = А6 – А8.
1.9.6 Количество абсолютно сухих веществ в стерильном концентрате:
G29= G22 – G26, кг.
1.10 Жидкостная стандартизация стерильного концентрата
1.10.1 Жидкостная стандартизация проводится каким-либо инертным
наполнителем (солью поваренной, сульфатом натрия) с целью повышения
содержания сухих веществ в концентрате до 10–12 % (в примере до 12 %).
1.10.2 Количество наполнителя дл жидкостной стандартизации (потери
по стадии – 3 %)
G30 = G25 × 0,12 – G29, кг.
1.10.3 Количество абсолютно сухих веществ в стерильном концентрате:
G31 = G29 + G30.
1.10.4 Общая активность в стерильном концентрате с учетом потерь – 1%:
А11 = А8 × (10,01), ед.
Потери активности а7 = А8 – А11.
1.10.5 Количество стандартизованного стерильного концентрата с учетом
увеличения обьема от внесения наполнителя – 0,3 %:
G32= G25× (1+0,003), дм3.
8
1.10.6 Активность фермента в стерильном концентрате:
A12 
A11 ,
ед/мл.
G32
1.11 Сушка концентрата
1.11.1 Количсетво высушенного препарата с учетом 10 % потерь сухого
вещества с отходящим воздухом (содержание влаги в препарате – 8 %):
G33 
G31  1  0,1 ,
кг (г).
1W
1.11.2 Активность препарата с учетом потерь от инактивации 8 %
A13 
A11  1  0,08 ,
ед/г.
G31
1.11.3 Содержание абсолютно сухого вещества в препарате при
влажности – 8 %
G34 = G31×0,92, кг.
1.11.4 Потери а, с, в при сушке с учетом влажности 8 % составят:
G34= (G31 – G34) × (1+0,08).
1.11.5 Общая активность ксиланазы в сухом препарате с учетом потерь –
8%
А14 =А13 ×G33, ед.
Потери активности при сушке а8 = А11 – А14.
1.12 Стандартизация сухого препарата
1.12.1 Активность стандартного препарата в соответствии с ТУ
1.12.2 Количество наполнителя для стандартизации:
C35 
G33   A13  A15  ,
кг.
A15
1.12.3 Количество веществ поступающих на стандартизацию:
G36= G33 + G35 , кг
9
1.12.4 Количество препарата полученного после стандартизации при
учете 2 % потерь:
G37 = G36(1 – 0,02) кг, в том числе а.с.в.
1.12.5 Общая активность препарата:
А16= А15×G37, ед.
1.12.6 Потери активности на стадии стандартизации:
а9 = G38×A15.
1.13 Фасовка, упаковка, маркировка
1.13.1 Препарат расфасовывают в полиэтиленовые мешки и затем в
бумажные мешки по 15–20 кг (в зависимости от вида препарата) Потери на
стадии упаковки составляют 1,0 %. Количество упакованного препарата:
G39 = G37 × (1– 0,01) кг.
1.13.2 Механические потери: G40 = G37 – G39.
1.13.3 Общая активность препарата: А18= G39×A14, ед.
1.13.4 Потери активности на стадии: а10= G40 ×A15.
Таким образом, выход препарата со стандартной активностью 10000 ед/г
3
с 1 м культуральной жидкости составляет А18 кг а общий выход по активности:
G41 
A41  100%
%.
A2
2 Расчет и выбор основного технологического оборудования
Расчет и выбор оборудования для принятой в проекте технологичсекой
схемы производится по заданной мощности производства и по данным
материального баланса и норм технологического проектирования.
Данные для расчета:
1 Обьем производства – Q т/г .
2 Количество рабочих дней в году – τ дней.
3 Выход препарата с 1 м3 культуральной жидкости – q г/м3.
Для расчета оборудования принимаем: коэффициент заполнения для
смесителей отделения приготовления питательной среды и реакторов для
оброботки культуральной жидкости – 0,7; сборников фильтратов и
концентратов – 0,8; ферментеров – 0,5; посевных аппаратов – 0,6.
10
2.1 Расчет основного оборудования
2.1.1 Производственные ферментеры
2.4.1.1 Обьем производства препарата в сутки (Q1)
Q1 
Q
, т/сутки
t
где Q – обьем производства в год;
τ – количество рабочих дней в году.
2.1.1.2 Необходимое количество культуральной жидкости в сутки (Q2):
Q2 
Q1
, м3
q
где Q1 – объем производства препарата в сутки;
Q – выход препарата с 1 м3 культуральной жидкости.
Для рассчитанного количества культуральной жидкости в сутки
выбирают ферментер, обьем (V) которого при коэффициенте заполнения 0,5
близок к обьему Q2.
2.1.1.3 Количество культуральной жидкости с одной ферментации при
учел с потерь во время ферментации (10 %) составит:
Q4 =V×0,5 ×0,9, м3
где Q4 – количество культуральной жидкости с 1-ой ферментации;
V – полный объем ферментера, м3;
0,5 – коэффициент заполнения;
0,9 – коэффициент учитывающий выход культуральной жидкости с
учетом 10 % потерь.
2.1.1.4 Количество ферментации в сутки (n):
n
Q2
Q4
где Q2 – необходимое количество культуральной жидкости в сутки,
Q4 – количество культуральной жидкости с 1-ой ферментации.
2.1.1.5 Количество культуральной жидкости в год (Q5)
Q5 
Q, 3
м
q
где Q – обьем производства препарата, т/год;
q – выход препарата с 1 м3 культуральной жидкости, т/м3.
11
2.1.1.6 Продолжительность оборачиваемости одного ферментера (τ1)
Полный цикл работы одного ферментера складывается из следующих
величин, которые определены в задании индивидуально:
длительность ферментации;
слив к.ж.;
мойка ферментера, ч;
проверка ферментера на герметичность;
стерилизация ферментера;
заполнение ферментера питательной средой;
засев.
2.1.1.7 Количество рабочих часов в году (τ2)
τ2 = τ × 24 ч
где τ – количество рабочих дней в году.
2.1.1.8 Необходимое количество ферментеров (N)
N
Q5   1
Q4   2
где Q5 – количество к.ж. в год м3;
τ1 – продолжительность оборачиваемости ферментера, ч;
τ2 – количество рабочих часов в году, ч;
Q4 – количество к.ж с 1-ой ферментации;
Принимаем N ферментеров и 1 запасной.
2.2 Посевные аппараты
Количество посевных аппаратов может быть определено двумя
способами: либо они устанавливаются индивидуально к каждому ферментеру,
если этого требует специальные условия, либо их расчитывают в зависимости
от количества ферментации в сутки и времени оборачиваемости посевного
аппарата. В последнем случае посевной материал из одного посвного аппарата
может поступать в группу ферментеров.
2.1.2.1. Полный цикл работы одного посевного аппарата (τ3) складывается
из следующих величин, которые определены в задании индивидуально:
- длительность выращивания посевного материала;
- засев в ферментер;
- мойка аппарата;
- проверка на герметичность;
- стерилизация пустого аппарата;
- стерилизация питательной среды;
- приготовление питательной среды в посевном аппарате.
12
2.1.2.2
Количество посевного
производственного ферментера:
материала
на
загрузку
одного
Q6 = V× 0,5× с, м3
где V– полный обьем ферментера, м3;
0,5 – коэффициент заполнения;
с – количество посевного материала в %.
2.1.2.3 Полный объем посевного аппарата при коэффициенте заполнения
0,6:
Q7 
Q6 , 3
м,
0,6
где Q6 – количество посевного материала на одну загрузку, м3;
0,6 – коэффициент заполнения посевного аппарата.
Выбираем аппарат в соответствии с расчетом.
2.1.2.4 Количество посевных аппаратов
n
n  3
24час
где n – количество ферментации в сутки;
t3 – полный цикл работы посевного аппарата.
Принимаем к установке n1 посевных аппаратов и один запасной
Всего устанавливаем – (n1 +1) посевных аппаратов.
2.3 Расчет оборудования для приготовления питательной среды для
производственного ферментера
Для приготовления среды из углеводсодержащих компонентов (1 партия)
и азотсодержащих компонентов (2 партия) используют отдельные емкости и
стерилизуются водные смеси этих компонентов последовательно.
2.2.1 Объем среды, который необходимо приготовить, равен полезному
обьему ферментера (V1)
V1 = V× 0,5 м3= 118,8× 0,5= 59,4,
где V – полный объем ферментера;
0,5 – коэффициент заполнения.
2.2.2 Во время стерилизации среды происходит ее разбавление
конденсатом, в связи с этим, обьем воды используемый для приготовления
среды (V2) должен быть уменьшен на 20 % и составит:
13
V2 = V1× 0.2 м3 = 59,4× 0,2= 118,8,
где V1 – полезный обьем ферментера;
0,2 – коээффициент, учитывающий разбавление среды конденсатом.
2.2.3 Обьем воды для приготовления I-партии среды (V3) составляет
65–70 % от общего обьема воды:
V3 =V2 × 0,7м3 = 118,8× 0,7= 83,16,
а для приготовления II-партии среды обьем воды (V4) составит:
V4= V2 × 0,3 м3 = 118,8× 0,3= 35,64.
Полный обьем реактора (V5) для I-партии среды при коэффициенте
заполнения составит:
V5 
V3
, м3 ,
0,7
V6 
V4
, м3 .
0,7
а для IІ-партии среды:
Выбираем реакторы с мешалкой согласно полученным объемам и
устанавливаем расчетное количество реакторов и 1 запасной.
2.2.4 Стерилизация питательной среды в установке непрерывной
стерилизации (УНС).
2.2.4.1 Количество среды, поступающей на стерилизацию в сутки (Q8):
Q8 =V2 , м3.
Время стерилизации среды не должно превышать 3 ч. В соответствии с
этим, производительность (q1) УНС должна составлять:
q1 
Q8 3
, м /ч.
3
По рассчитанной производительности выбирается или расчитывается
УНС.
Общее время занятости УНС состоит из времени на стерилизацию среды
и времени подготовки УНС к работе. Время подготовки УНС складывается из:
- мойки – 1 ч;
- ревизии арматуры – 1,5 ч;
14
- стерилизации УНС – 1,5 ч.
Устанавливают УНС нужной производительности и 1 запасную.
2.4 Сборники культуральной жидкости
Количество культуральной жидкости в сутки Q2 , м3.
Необходимый объем сборников при коээффициенте заполнения – 0,8.
Q9 
Q2 3
м
0.8
где Q2 –количество к.ж. в сутки, м3;
0,8 – коэффициент заполнения.
Выбираем сборник с необходимым полезным обьемом и расчитываем их
количество.
Полезный обьем сборника (Vn):
Vп =Vполн × 0,8,
где Vполн – полный обьем сборника;
0,8 – коэффициент заполнения.
Количество сборников:
n2 
Q9
VП ,
где Q9 – необходимый обьем сборников к.ж.;
Vп – полезный обьем сборника.
Принимаем n2 сборника и один запасной. Всего сборников культуральной
жидкости – (n2 +1) штуки.
2.5 Отделение биомассы
2.4.1 На отделение поступает Q2 м3/ сут.
Фильтрующее оборудование выбираем по поверхности фильтрации.
S
Q2
м2
g1   6
где S – необходимая поверхность фильтрации, м2;
Q2 –количество культуральной жидкости в сутки, м;
g1 – скорость фильтрации;
τ6 – время работы фильтра – 20 часов (может быть 22 ч).
15
Принимаем фильтрующую установку с необходимым поверхностью
фильтрации S и одну запасную.
2.4.2 Сборник фильтрата культуральной жидкости.
Количество фильтрата (Q10) с учетом промывных вод (гидромодуль – 1:
0,5) и выхода по обьему «k» %:
Q10 = (Q2 + Q2 × 0,5)×k , м3
где Q2 – количество культуральной жидкости в сутки, м3;
0,5 – гидромодуль при промывке;
k – коээффициент, учитывающий выход фильтрата на стадии.
Выбирают сборник цилиндрической со сферическим днищем и рубашкой
для охлаждения, обьем которого близок к вычисленной величине, и
рассчитывают его полезный объем:
Vп = Vполн × 0,8 м3
где 0,8 – коээффициент заполнения.
Количество сборников:
n3 
Q10
VП
где Q10 – общее количество фильтрата, м3;
Vп – полезный объем сборника.
Принимаем к установке n3 сборников и один запасной.
2.6 Концентрирование фильтрата
Концентрирование
биологически
активных
растворов
может
осуществляться методом ультрафильтраконцентрирования и методом вакуумвыпаривания.
Количество фильтрата, поступающего на концентрирование Q10, м3.
Удельная производительность установки – g2, м3/м2 ч.
Время работы установки в сутки – τ7 , ч.
Кратность концентрирования – nk.
2.5.1 Количество концентрата (Q11):
Q11 
Q10
, м3
nk
где Q10 – общее количество фильтрата, м3;
nk – степень концентрирования.
2.5.2 Количество ультрафильтрата или испаренной влаги (Q12):
16
Q12= Q10 – Q11, м3
где Q10 – общее количество фильтрата;
Q11 – количество концентрата.
2.5.3 Поверхность, необходимая
ультрафильтрации (S1):
для
концентрирования
методом
Q12
, м2
g 2  t7
S1 
где Q12 – количество ультрафильтрата, м3;
g 2 – скорость ультрафильтрации, м3/ м2 ч;
τ7 – время работы установки в сутки, ч.
Выбираем ультрафильтрационную установку с поверхностью фильтрации
S2, близкой к расчетной.
Количество ультрафильтрационных установок:
n4 
S1
S2
где S1 – необходимая поверхность фильтрации;
S2 – поверхность фильтрации одной установки.
Принимаем n4 установок и 1 запасную.
2.5.4 Выбор вакуум-выпарной установки для концентрирования.
Вакуум-выпарные установки выбираются по производительности (G1):
G1 
Q12
, м3/ч,
t4
где Q12 – количество испаренной влаги, м3;
τ4 – время работы установки в сутки, ч.
Выбираем вакуум-выпарную установку, по производительности близкую
к расчетной, и рассчитываем их необходимое количество:
n4 
Q12
G1 ,
где Q12 – количество испаренной влаги, м3;
G1 – удельная производительность установки, м3/ ч.
Принимаем n4 установок и 1 запасную.
2.5.5 Сборник концентрата
17
Количество концентрата – Q11 м3.
Полный объем сборника при коэффициенте заполнения 0,8:
Q11
, м3.
0,8
Выбираем сборник с полным обьемом V3 м3 и 1 запасной.
V3 
2.7 Стерилизация концентрата
Количество поступающего на стерилизацию концентрата – Q11, м3.
Время работы установки – τ8 , ч.
Удельная производительность при стерилизации g3 , м3/ м2 ч.
2.6.1 Поверхность для стерилизующей фильтрации (S3):
S3 
Q11
, м2.
g 3  t8
Выбираем установку с поверхностью фильтрации S4,
расчетной.
2.6.2 Количество стерилизующих установок:
n5 
м2, близкую к
S3 ,
S4
где S3 – необходимая поверхность фильтрации;
S4 – поверхность фильтрации одной установки.
Принимаем n5 установок и 1 запасную.
2.6.3 Сборник стерильного фильтрата
Количество стерильного фильтрата Q13 при 3 % потерь:
Q13 = Q11× 0,97,
где Q11 – количество концентрата;
0,97 – выход стерильного концентрата.
2.6.4 Полный обьем сборника (V4) при коэффициенте заполнения 0,8:
V4 
Q13
, м3
0,8
где Q13 – количество стерильного фильтрата;
0,8 – коэффициент заполнения.
Принимаем сборник близкий по обьему к расчетному и 1 запасной.
18
2.8 Сушилка концентрата
Количество концентрата, поступающего на сушку – Q13, м3.
Содержание сухих веществ в концентрате – с1, %.
Содержание сухих веществ в готовом продукте – с2, %.
Время работы сушилки в сутки – τ9, ч.
Количество испаренной влаги (Q14):
 c 
Q14  Q13  1  1  , т
 c2 
где Q14 – количество испаренной влаги;
τ9 – время работы сушилки в сутки.
Выбираем сушилку, производительность которой по испаренной влаге
близка к расчетной.
Производительность сушилки по испаренной влаге (Q15):
Q15 
Q14
, т/час.
t0
2.7.1 Количество высушенного препарата (Q16):
Q16 
Q13  c1  0,9
т,
c2
где Q13 – количество стерильного концентрата, м3;
с1 – содержание сухих веществ в концентарате;
с2 – содержание сухих веществ в препарате;
0,9 – выход препарата с учетом 10% потерь.
2.9 Стандартизация препарата
Количество наполнителя (Qn):
Qn= Q1 – Q16,
где Q1 – объем производства препарата в сутки, т;
Q16 – количество базового препарата, т.
На стандартизацию поступает Q16 т базового препарата и Qn т
наполнителя. Всего Q17 =Q16+ Qn, т.
Выбираем смеситель – измельчитель производительностью g4, кг/ч.
Время непосредственного смешения продуктов:
19
Q17
, ч,
g4
где Q17 – обьем продуктов,поступающих на смешение;
g4 – производительность смесителя т/ч.
Время загрузки, выгрузки и ревизии смесителя – 3 часа.
Оборачиваемость смесителя – (τ1 +3) ч.
t10 
2.10 Фасовка и упаковка
Суточная производительность по готовому продукту Q17 , кг.
Фасовка препарата qф , кг в одну упаковку.
Количество упаковок в сутки (nvn):
n уп 
Выбираем упаковочную
производительность.
линию,
Q17
.
qф
обеспечивающую
необходимую
3 Расчет и выбор вспомогательного оборудования
К вспомогательному оборудованию относят:
- дробилки, просеиватели, дисмембраторы и др;
- насосы(для подачи среды в УНС, для перекачки культуральной
жидкости, фильтратов,концентратов и др жидкостей);
- бункеры(для хранения сырья, для сбора влажной биомассы и др);
- емкости для вспомогательных растворов.
3.1 Дробилки, дисмембраторы, мельницы
Выбираются по производительности. В связи с тем что оборудование
устанавливается вблизи общезаводских складов сырья, где предусмотрена
односменная работа, время работы оборудования составляет:
- подготовка оборудования –0,5 ч;
- время работы – 5 ч;
- загрузка материала – 0,5 ч;
- время разгрузки – 0,5 ч;
Итого общее время занятости оборудования – 6,5 ч.
Требуемая производительность оборудования (Q1):
Q1 
Q
t
, т/ч,
где Q – количество продукта, поступившего на обработку;
20
τ – общее время занятости оборудования.
3.2 Насосы
Выбираются по производительности и по величине напора, которая
учитывает перепад высоты линии подачи материала из одной емкости в другую
(складывается из высоты этажей):
Q1 
Q, 3
м /ч,
t
где Q – количество продукта, которое необходимо перекачать;
Τ – время работы насоса.
Примечание. Для перекачивания
жидкостей биотехнологических
производств устанавливаются насосы предназначенные для передачи
агрессивных сред.
3.3 Бункера
Приемные бункера для сыпучих угдеводосодержащих компонентов
выбираются по рассчитанной вместимости либо из типовых бункеров, либо из
вновь проектируемых. Бункера проектируются либо цилиндрические с
коническим днищем, либо прямоугольные пирамидальным днищем.
Вместимость бункера (V6) рассчитывают по формуле:
V6 
Q
, м 3,
kn
где Q – количество продукта для хранения τ;
k – коэффициент заполнения бункера (0,6);
n – плотность продукта, т/м3.
Если из серийного оборудования не возможно подобрать необходимый
бункер, то их полезный объем можно посчитать по формуле:
- для цилиндрического бункера:
Vц = πD2 H/ 4 + 1/3 πD2 h/4,
где D – диаметр бункера;
H – высота цилиндрической части бункера;
h – высота конической части бункера;
- для конического бункера
Vк = авH +1/3 aвh,
где а – ширина бункера;
в – длина бункера;
21
H – высота прямоугольной части бункера;
h – высота конической части бункера.
3.4 Емкости для вспомогательных растворов
К вспомогательным растворам относятся растворы для корректировки
рН среды, раствор пеногасителя и др. Емкости для этих растворов должны
вмещать 5-суточный запас того или иного компонента. Для расчета объема
емкости используются данные из описания технологического процесса:
Ve 
Q
, м3
k
где Q – обьем расчитанный на 5-ти суточный запас раствора;
k – коэффициент заполнения емкости.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
22
1
Воронин Е. С., Тихонов И. В., Грязнева Т. Н. и др. Основы
биотехнологических процессов. Ч.І. Асептика в биотехнологии. /Учебнометодическое пособие по биотехнологии. – М.: МГАВМиБ, 2000.
2
Воронин Е. С., Тихонов И. В., Грязнева Т. Н. и др. Основы
биотехнологических
процессов. Ч.ІІ. Промышленное культивирование
микроорганизмов. /Учебно-методическое пособие по биотехнологии. – М.:
МГАВМиБ, 2000.
3
Тихонов И. В., Рубан Е. А., Грязнева Т. Н. и др. Биотехнология:
Учебник /Под. ред. акад. Е. С. Воронина. –С-Пб.: ГИОРД, 2005. –792 с.
4
Егорова Т. А. Основы биотехнологии: Учеб. пособие. –М.:
Академия, 2003. –208 с.
5
Биотехнология. Учеб. пособие для вузов /Под. ред. Н. С. Егорова. –
М.: Высш. шк., 1987. –159 с.
6 Касаткин А. Г. Основы процессов и аппаратов химической технологии.
– М.: Химия, 1973.
7
Виестур У. Э., Шмите И. А., Жилевич А. В. Биотехнология:
Биотехнологические агенты, технология, аппаратура. – Рига: Зинатне, 1987. –
263 с.
8
Бортников И. И., Борисенко А. М. Машины и аппараты
микробиологических производств: Учеб. пособие для технол. вузов. – М.:
Высш. шк., 1982. – 288 с.
9
Кантере В. М., Мосичев М. С., Дорошенко М. И., Калунянц К. А.,
Брысин А.М. Основы проектирования предприятий микробиологической
промышленности. – М.: Агропромиздат, 1990.
10
Танишев В. Г. Технологическое оборудование ферментных
производств. Учеб. пособие – М.: МТИПП, 1983.
11
Гапонов К. П. Процессы и аппараты микробиологических
производств. –М.: Легкая и пищевая промышленность, 1981. –240 с.
12
Волова Т. Г. Введение в биотехнологию. – Красноярск.: ИПК СФУ,
2008. –183 с.
13
Сазыкин Ю. О. Биотехнология. – М.: Академия, 2007. –256 с.
23
СОДЕРЖАНИЕ
1
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
1.8
1.9
1.10
1.11
1.12
1.13
2
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
2.7
2.8
2.9
2.10
3
3.1
ВВЕДЕНИЕ
ПРОДУКТОВЫЙ РАСЧЕТ ПОЛУЧЕНИЯ
БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРЕПАРАТОВ
Количество ферметационной среды с учетом потерь
(10 %) за счет уноса с отходящими от ферментера газами
Расход компонентов питательной среды для приготовления
1,1 м3 (G1 ) ферментационной среды и содержание
абсолютно сухих веществ в ней
Количество
посевного
материала
для
засева
ферментационной среды (посевная доза – 2 % по
отношению к G1)
Расход компонентов питательной среды для получения
посевного материала
Количество среды, поступившей в ферментер (среда для
ферментации + посевной материал)
Количество культуральной жидкости (к. ж.), полученной
после ферментации и поступившей на стадии обработки
(выход с учетом уноса с отходящими газами – 90 %)
Фильтрация культуральной жидкости
Концентрирование
ферментного
раствора
методом
ультрафильтрации
Стерилизующая фильтрация концентрата
Жидкостная стандартизация стерильного концентрата
Сушка концентрата
Стандартизация сухого препарата
Фасовка, упаковка, маркировка
РАСЧЕТ И ВЫБОР ОСНОВНОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО
ОБОРУДОВАНИЯ
Расчет основного оборудования
Расчет оборудования для приготовления питательной среды
для производственного ферментера
Сборники культуральной жидкости
Отделение биомассы
Концентрирование фильтрата
Стерилизация концентрата
Сушилка концентрата
Стандартизация препарата
Фасовка и упаковка
Фасовка и упаковка
РАСЧЕТ
И
ВЫБОР
ВСПОМОГАТЕЛЬНОГО
ОБОРУДОВАНИЯ
Дробилки, дисмембраторы, мельницы.
24
3
4
4
4
4
4
5
5
5
6
7
8
9
9
10
10
11
12
13
15
15
16
18
19
19
20
20
20
3.2
3.3
3.4
Насосы
Бункера
Емкости для вспомогательных растворов
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
25
21
21
22
23
Св. план 2015 г.
Гульсара Хабибуллаевна Керейбаева
Гульнара Вапахановна Курбанова
Наталья Ивановна Кордакова
Гульжан Сатжановна Жаксыбаева
РАСЧЕТ ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ
ПРОЦЕССОВ
Методические указания к практическим занятиям
по дисциплине «Процессы и аппараты в биотехнологии»
для студентов специальности 5В070100«Биотехнология»
Редактор
УТВЕРЖДЕНЫ – Председателем научно-методического совета
института ВТиУР
Кумеков С.Е.
« 05 » февраля 2015 г.
СОГЛАСОВАНЫ – Заведующим кафедрой ПЭ
Ошакбаев М.Т.
« 15 » января 2015 г.
Подписано в печать … 20…г.
Тираж 100 экз. Формат 60х84 1/16. Бумага типографская № 1.
Объем 1,6 п. л. Заказ № 453. Цена договорная
Издание Казахского национального технического университета
имени К.И. Сатпаева
Учебно-издательский центр КазНТУ
г. Алматы, ул. Сатпаева, 22
26