Очистка воздуха перед подачей в ферментер

Министерство Высшего Образования Российской Федерации

Кафедра: «биотехноогии, экологии и

сертификации пищевых

продуктов»

«Схема очистки воздуха, подаваемого в ферментер»

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА К КУРСОВОМУ ПРОЕКТУ

50–КП–95-ПТМ-13.Б/06.4.1

выполнил: студент

подпись

дата

преподаватель:

подпись

дата

Москва 1999г

 ВВЕДЕНИЕ 

В современном микробиологическом производстве возрастают требования к степени очистки технологического воздуха, подаваемого для аэрации при культивировании микроорганизмов-продуцентов биологически активных веществ. Даже незначительное содержание посторонней микрофлоры в воздухе может привести к инфицированию и резкому снижению выхода продукта, так как при многосуточном цикле культивирования продуцента потребляется 50-80 тыс. м3/час воздуха.

В воздухе промышленных городов содержится пыль в концентрации от 5 до 100 мг/м3, что составляет 106-108 твердых частиц размером 5-150 мкм. Микроорганизмы осаждаются на частицах пыли, а также свободно витают в воздухе. Их содержание в воздухе зависит от времени суток, сезона и погоды и составляет до 2000 клеток в 1 м3. Свободно витающие вегетативные клетки быстро инактивируются, жизнеспособными остаются лишь споры. Состав микроорганизмов очень разнообразен, и величины микробных клеток неодинаковы. Определение размера клетки необходимо для обеспечения требуемой эффективности бактериальной очистки технического воздуха, которая осуществляется с помощью фильтрации. При фильтрации клетки микроорганизмов задерживаются на фильтрах, а очищенный воздух поступает в технологическую линию.

В отечественной и зарубежной промышленности применяют различные типы фильтров. . Процессы, приводящие к захвату частиц при фильтрации, делят на ситовые (с осаждением частиц при прямом касании, если размер просвета меньше диаметра частицы) и неситовые, к которым относятся инерционное осаждение, диффузия, а также электростатическое притяжение.

Поскольку с уменьшением размеров частиц эффективность инерционного осаждения снижается, а диффузионного возрастает, но более медленно, то существует диапазон размеров фильтруемых частиц, которые особенно трудно поддаются улавливанию. Это частицы размером до 0,3 мкм. Поэтому при проектировании фильтрующих систем в микробиологическом производстве в качестве расчетного размера принимают 0,3 мкм.

Однако до очистки воздуха от клеток микроорганизмов, наиболее трудно поддающихся улавливанию, необходимо осуществить предварительную очистку воздуха от пыли и других механических частиц размером до 150 мкм.

Полидисперсность задерживаемых при фильтрации частиц обусловливает создание многоступенчатой системы очистки технологического воздуха, состоящей из фильтра предварительной очистки, блока компрессора и каскадов биологических фильтров.

Вариант № 7.

Рассчитать и спроектировать установку для очистки и стерилизации воздуха, поступающего в четыре ферментера объемом 50 м3, где происходит в стерильных условиях биосинтез лизина бактериями Brevibacterium sp. 224. Избыточное давление в ферментере – 0,5 атм

Подобрать фильтр грубой очистки воздуха (масляный)

Подобрать компрессор и проверить давление воздуха.

Рассчитать теплообменник воздушного охлаждения.

Подобрать влагоочиститель

Подобрать основной и индивидуальный фильтры.

Определить сопротивление фильтров при скорости воздуха W=3 м/сек

Концентрацию пыли после масляного фильтра, если yн = 3,3 мг/м3, ε = 90 %, продолжительность работы фильтров.

Систему фильтрации в целом можно охарактеризовать микробиологической надежностью (вероятностью удельного проскока первой жизнеспособной клетки) и суммарным перепадом давления в системе.

Многоступенчатая система очистки воздуха обеспечивает расчетную эффективность стерилизации воздуха.

Воздух на аэрацию в посевные и производственные ферментеры подается с помощью компрессора. Перед сжатием воздух проходит через специальный фильтр для очистки от механических примесей. Нагретый в процессе компреммирования сжатый воздух с давлением 4,123 МПа охлаждается в кожухотрубном теплообменнике и после него поступает в циклон.

Перед поступлением в ферментер воздух проходит частичную очистку от микроорганизмов в фильтре грубой очистки и полностью очищается от микроорганизмов в фильтре тонкой очистки. В ферментер очищенный воздух подается с помощью барбатера.

В фильтре грубой очистки воздух проходит через две непрерывно движущиеся сетки, смоченные маслом. Скорость первой сетки 16, второй – 7 см/мин. Сетки натянуты между ведущими и натяжными валами. Ведущие валы приводятся в движение электроприводом. При движении сетки проходят через масляную ванну, где с них смывается осевшая пыль.

Для тонкой бактериальной очистки воздуха применяются фильтры различных типов. Распространенными являются фильтры с тканью Петрянова. Она представляет собой сверхтонкие, беспорядочно сплетенные в виде полотен на марлевой или другой пористой основе волокна толщиной 1,5 мкм из перхлорвинила (ФПП-15). Эти синтетические материалы требуют стерилизации глухим паром, так как имеют ограниченную теплостойкость. Коэффициент проскока в этих фильтрах составляет не более 0,1 - 0,01%.

 РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ 

Расход воздуа на 4 ферментера.

Рабочий объем ферментера:

Высота ферментера - 11 524 мм

Объем жидкости в ферментере – 30 м3

Расход воздуха найдем из расчета 1м3 на 1 м3 среды в минуту.

Vв = 30 м3 /мин = 1800 м3 / час

Расход воздуха на 4 ферментера:

Vв = 1800  4 = 7 200 м3 /час = 120 м3/мин

В
ысота столба жидкости в ферментере:

Нж=gh=9,8169141,1103=74609 кгс/м2=732000 Па

Для данной схемы выберем индивидуальный фильтр «Лайк» СП 6/17 ФПП-15

Площадь фильтрующей поверхности: F = 14 м2

При скорости воздуха W=3 м/сек скорость фильтрации υф = 108 м3 /час м2

Производительность данного фильтра – 1 836 м3 /час

Рассчет масляного фильтра.

Коэффициент очистки воздуха масляным фильтром:

Потребная поверхность фильтра для очистки воздуха:

Гидродинамическое сопротивление масляного фильтра:

г
де  - толщина фильтра, в см

 - скорость воздуха перед входом в фильтр, м/сек

Параметры воздуха, поступающего в компрессор:

Удельный вес воздуха, поступающий в компрессор при 20 С, 0=65% и d0=9,7 г/кг с в:

где 0 – удельный объем воздуха.

Тогда удельный вес воздуха

Г
идродинамическое сопротивление барбатера:

Для данной схемы выбираем влагоотделитель объемом 60 м3

Потери напора во всасывающем и нагнетательном трубопроводах.

Потери напора во всасывающем трубопроводе.

8.1.1.Потери напора на трение воздуха о стенки воздуховода на прямолинейных участках:

Количество прямолинейных участков с диаметром воздуховода d в= 0,5 м – 1

Длина прямолинейных участков с диаметром воздуховода d в= 0,5 м – 7 м

Количество прямолинейных участков с диаметром воздуховода d в= 0,2 м – 2

Длина прямолинейных участков с диаметром воздуховода d в= 0,2 м - 1 м

Гидравлический коэффициент сопротивления воздуховода:

Для прямолинейного участка с диаметром воздуховода d в= 0,5 м:

Для прямолинейных участков с диаметром воздуховода d в= 0,2 м

Потери напора на трение воздуха о стенки воздуховода на прямолинейных участках с d в= 0,5 м:

Потери напора на трение воздуха о стенки воздуховода на прямолинейных участках с d в= 0,2 м:

8.1.2. Потери напора в отводе диаметром 1 м всасывающего воздуховода:

Потери напора при переходе от воздуховода с d в= 0,5 м: к воздуховоду с d в= 0,2 м:

Суммарное сопротивление всасывающего воздуховода:

Нвсас = Н1тр.в + Н1тр. + Нотв + Нпер + Нфил = 1,37+0,83+0,78+0,78+95,8 = 99,5 Н/м2

8.2. Потери напора в нагнетательном трубопроводе.

8.2.1 Потери напора на трение воздуха о стенки воздуховода на прямолинейных участках:

Длина и количество прямолинейных участков нагнетательного воздуховода:

7,300м – длина воздуховода, проходящего внутри ферментера к барботеру.  5  стр. 246 рис. 76

Длина прямых участков нагнетательного воздуховода:

L = 1+8+7,330=16,33 м.

Местные потери сопротивления:

Общие потери давления на нагнетательном трубопроводе:

Hнагн = Нтр.в. + Нотв + Нфил. г. оч. + 4Нфил. тон. оч. + Нбарб + Нж + Нф = 8,09 + 0,55 + 95,8 + 4  274,4 + 0,78 + 732  103 + 49050  781000 Па

где Нф – избыточное давление в ферментере. Нф = 0,5 атм = 49050 Па

8.3. Общие потери давления в нагнетательном и всасывающем трубопроводе.

Нпол = 1,1(Нвсас + Ннагн + Нп) = 1,1 (781000 + 98,1 + 99,5) = 859373 Па = 8,7 кгс/см2

где Нп – потери давления, Нп = 10 кг/м3  9,81 = 98,1 Па

Выбор компрессора по каталогу.

Компрессор «Егерь».

Производительность – 7800 м3/ч

Выходное давление – 9,0 кгс/см2

Число оборотов в мин – 8350

Потребная мощность привода машины – 700 кВт

Габаритные размеры: длина – 6150

ширина – 2000

высота – 1500

Для снабжения воздухом четырех ферментеров в схему включаются четыре компрессора.

Расчет теплообменника к компрессорной установке.

При сжатии воздуха до избыточного давления 9,0 кГ/см2 температура его повышается от 20С дна всасывании до 144С на выходе из воздуходувки. Перед подачей в ферментер воздух охлаждают до 30С. Для охлаждения воздуха примем предварительно кожухотрубный теплообменник ТН с неподвижными трубными решетками.

диаметр корпуса ………………………….. 426/400 мм

диаметр и длина теплообменных труб….25/21 и 3500 мм

количество теплообменных труб ………..121

Воздух проходит внутри трубок, охлаждающая вода – по межтрубному пространству.

Параметры воздуха, поступающего в компрессор:

Р1=1 кГ/см2 ; t1=20C ; 1=1,12 кг/м3; 1=70% ; V1=7200 м3/ч

Параметры воздуха, выходящего из компрессора:

Р2=8,7 кГ/см2 ; t2=144С ;

П
роизводительность компрессора по сжатому воздуху:

Плотность сжатого воздуха на выходе из компрессора:

Количество тепла, отводимого от воздуха в холодильнике:

С2 – средняя теплоемкость воздуха при изменении его температуры от 144 до 30 С (tср=87С)

Р
асход воды на охлаждение воздуха

где 0,99 – коэффициент, учитывающий потерю тепла в окружающую среду излучением:

с – теплоемкость воды. 4190 Дж/кг К

С
корость движения воздуха в трубках:

где F – площадь сечения трубок теплообменника, F=0,042 м2

О
бъем воздуха при средней температуре 87С:

Критерий Рейнольдса воздушного потока в трубках

Критерий Рейнольдса больше 2300 и меньше 10000, следовательно режим движения в трубках - ламинарный.

Коэффициент теплоотдачи от воздуха к стенке: 1=38,8 Вт/м2 град

Скорость движения воды в межтрубном пространстве:

Г
де F- проходное сечение межтрубного пространства – 0,0727 м2

При средней температуре воды

в=998 кг/м3 и в = 0,998 т/м3

Критерий Рейнольдса потока охлаждающей воды в межтрубном пространстве теплообменника:

Где =0,001 Па с при средней температуре воды 20С.

d
э – эквивалентный диаметр межтрубного пространства:

П – смоченный периметр межтрубного пространства. Он рассчитывается как

П = (D + nd) = 3.14(0.4 + 132.0.025) = 11.65 м

В этой формуле D – внутренний диаметр кожуха, 0,4 м;

d – наружный диаметр трубы, 0,025 м

n – количество труб., 132

Коэффициент теплоотдачи от стенки к воде при ламинарном потоке в теплообменнике ( так как Re=2096<2300) 2=1604

Коэффициент теплопередачи от воздуха к охлаждающей воде:

Г
де  = 0,002 м - толщина стенки труб и =58,15 Вт/(м2 град)

11. Определим среднюю логарифмическую разность температур сред в теплообменнике при противоточном движении:

144С 30С

25С 15С

1
2. Потребная поверхность теплообмена

13. Подбираем теплообменник кожухотрубный с поверхностью теплообмена 140 м2:  2 

число труб – 442

длина труб – 4м

число ходов – 2

d труб – 25х2 мм

d кожуха – 800 мм.

 ЛИТЕРАТУРА 

Гинзбург А. С., Гребенюк С. М. И др. Лабораорный практикум по процессам и аппаратам пищевых производств – М.:Агропромиздат, 1990. – 256 с.

Иоффе И. Л. Проектирование процессов и аппаратов: химическая технология – учебник для техникумов – Л.: Химия 1991 – 352с, ил.

Калунянц К. А. и др. Оборудование микробиологических производств: Агропромиздат, 1987.- 398 с.: ил.

Каталог оборудования микробиологической промышленности

Колосков С. П. Оборудование предприятий ферментной промышленности. М.: Пищевая промышленность, 1969 г., 383 с.