Очистка воздуха перед подачей в ферментер

Министерство Высшего Образования Российской Федерации

Московский Государственный Университет

Пищевых производств

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

FСОДЕРЖАНИЕ F

F ВВЕДЕНИЕ F

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.

FЗАДАНИЕ F

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

1. Подобрать фильтр грубой очистки воздуха (масляный)

2. Подобрать компрессор и проверить давление воздуха.

3. Рассчитать теплообменник воздушного охлаждения.

4. Подобрать влагоочиститель

5. Подобрать основной и индивидуальный фильтры.

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

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

FОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ F

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%.

FРАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ F

1. Расход воздуа на 4 ферментера.

Рабочий объем ферментера:

Выберем ферментер конструкции Гипромедпрома [ 5 ] стр. 246

Диаметр ферментера - 3215 мм

Высота ферментера - 11 524 мм

Объем жидкости в ферментере – 30 м ³

Расход воздуха найдем из расчета 1м ³ на 1 м ³ среды в минуту.

V_в = 30 м ³ /мин = 1800 м ³ /час

Расход воздуха на 4 ферментера:

V_в = 1800 * 4 = 7 200 м ³ /час = 120 м ³ /мин

2. Давление столба жидкости в ферментере:

Н_ж =rgh=9,81*6914*1,1*10³ =74609 кгс/м² =732000 Па

3. По скорости движения воздуха (W=3 м/сек) и производительности подберем фильтр тонкой очистки [ 5 ] стр. 284 Таб. 20.

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

Площадь фильтрующей поверхности: F = 14 м²

При скорости воздуха W=3 м/секскорость фильтрации υ_ф = 108 м ³ /час м²

Производительность данного фильтра – 1 836 м ³ /час

Степень очистки – ε = 99,99 %

Сопротивление фильтрующего слоя – 28 мм вод ст = 274,4 Па

4. Рассчет масляного фильтра.

Коэффициент очистки воздуха масляным фильтром:

Выбираем фильтр масляный самоочищающийся типа ФШ с u_ф = 4 000 м ³ /час м² [ 3 ]

Длительность работы фильтра – 150 час при удельной производительности фильтра

u_ф = 4 000 м ³ /час м² из Таб.19 [ 5 ]

Гидродинамическое сопротивление масляного фильтра:

где d - толщина фильтра, в см

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

5. Параметры воздуха, поступающего в компрессор:

6.

7. Для данной схемы выбираем влагоотделитель объемом 60 м³

8. Потери напора во всасывающем и нагнетательном трубопроводах.

8.1 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:

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:

Н_всас = Н_1тр.в + Н_1тр. + Н_отв + Н_пер + Н_фил = 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:

H _нагн = Н_тр.в. + Н_отв + Н_{фил. г. оч.} + 4Н_{фил. тон. оч.} + Н_барб + Н_ж + Н_ф = 8,09 + 0,55 + 95,8 + 4 * 274,4 + 0,78 + 732 * 10³ + 49050 » 781000 Па

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

8.3. Общие потери давления в нагнетательном и всасывающем трубопроводе.

Н_пол = 1,1(Н_всас + Н_нагн + Н_п ) = 1,1 (781000 + 98,1 + 99,5) = 859373 Па = 8,7 кгс/см²

где Н_п – потери давления, Н_п = 10 кг/м³ * 9,81 = 98,1 Па

9. 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.

10. 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 ; r₁ =1,12 кг/м³ ; j₁ =70% ; V₁ =7200 м³ /ч

Параметры воздуха, выходящего из компрессора:

Р₂ =8,7 кГ/см² ; t₂ =144°С ;

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 (t_ср =87°С)

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

с – теплоемкость воды. 4190 Дж/кг К

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

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: a₁ =38,8 Вт/м² град

Скорость движения воды в межтрубном пространстве:

При средней температуре воды

r_в =998 кг/м³ и g_в = 0,998 т/м³

Критерий Рейнольдса потока охлаждающей воды в межтрубном пространстве теплообменника:

Где m=0,001 Па с при средней температуре воды 20°С.

П – смоченный периметр межтрубного пространства. Он рассчитывается как

П = p(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) a₂ =1604

Коэффициент теплопередачи от воздуха к охлаждающей воде:

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

144°С 30°С

25°С 15°С

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.

FЛИТЕРАТУРА F

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

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

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

4. Каталог оборудования микробиологической промышленности

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