Изучение работы ферментатора

Изучение работы экстракторов

Цель работы: изучить устройство, принцип работы экстракторов, правила эксплуатации, определить и произвести основные расчеты их.

Общие положения

В микробиологической промышленности экстрагирование применяется для извлечения ферментов из культур грибов, выращенных поверхностным способом, моносахаридов из твердой фазы после гидролиза полисахаридов, микробного жира из биомассы дрожжей и др.

Для экстрагирования биологически активных веществ применяют экстракторы периодического (экстракторы и диффузионные установки) и непрерывного (диффузоры и диффузионные батареи, колонные экстракторы вертикального, горизонтального и роторного типов) действия.

Шнековый вертикальный экстрактор (рисунок 1)_состоит из трех колонн: спускной (загрузочной), подъемно-разгрузочной и поперечно-горизонтальной. Внутри каждой колонны расположены перфорированные шнеки, снабженные индивидуальным приводом с частотой вращения от 0,25 до 2 мин^-1. Внутренний диаметр всех колонн 600 мм, длина рабочей зоны 10000 мм.

1, 8 – приводы; 2, 7 –муфты; 3, 11 – конвейеры; 4, 10 – шнеки;

5 – корпус загрузочной колонны; 6, 14 – опоры подшипников;

12 – корпус экстракционной колонны; 13 – сальники

Рисунок 1.1- Экстрактор шнековый непрерывного действия ЭТШВ-600

Твердая фаза культуры гриба подается шнековым питателем в верхнюю часть загрузочно-спускной колонны, перемещается перфорированным шнеком вниз и через переходный горизонтальный участок колонны поступает в подъемную колонну. Экстрагент подается через распределительное устройство в параллельную разгрузочно-подъемную колонну противоточно. Культура гриба из загрузочно-спускной колонны поступает через переходный горизонтальный участок колонны в подъемную колонну и после отжима выгружается. Вода поднимается в загрузочно-спускную колонну, непрерывно насыщаясь, и после прохождения через фильтр в верхней части подъемной колонны выводится. Для вращения шнеков установлены электроприводы мощностью 3,2 кВт, частотой вращения 1500…150 мин^-1.

Основными показателями, характеризующими работу экстракторов, являются производительность, мощность экстрактора.

Производительность горизонтального транспортирующего шнека определяется:

Q = 60·f _зап ·f _наб ·π·r₁²·h·ω·ρ,

где r₁– радиус шнека, м;

h - шаг шнека, м;

ω - частота вращения, мин^-1;

ρ - плотность экстрагируемого материала, кг/м³.

Шаг витка рассчитывают по формуле

h = 2D · tgφ,

где φ – угол естественного откоса экстрагируемого материала, град;

D- внутренний диаметр экстрактора, м.

Мощность электропривода шнеков (кВт) определяется по формуле

N = N(N _mp + N _к) / η _общ,

где N _mp – мощность, затрачиваемая на транспортировку продукта, кВт;

N _к – мощность, затрачиваемая на трение продукта о корпус, кВт;

η _общ – общий КПД передачи.

Мощность, затрачиваемая на транспортировку продукта вертикальным шнеком:

N _mp = М _вп / 974,

где М _вп – момент сопротивления вертикального шнека от трения продукта о шнек и подъема по виткам.

М _вп = Р _в · r _ср · tg(φ+β),

где Р _в – осевая нагрузка на шнек, кг;

r _ср – средний радиус шнека, м;

φ - угол наклона спирали шнека, град.;

β - угол трения, град.

Осевая нагрузка на шнек определится как

Р _в = (R² - r _cp)ρ _н · Н,

где ρ _н – плотность продукта, насыщенного водой, кг/м³;

Н - высота загрузки шнека, м (Н=0,8 всей высоты).

Мощность, затрачиваемая на трение продукта о стенки корпуса:

N _к = Р · f _тр · R · tgφ · k _р /(102·30),

где Р – суммарная сила давления продукта на стенки корпуса, кг;

f _тр – коэффициент трения продукта (принимается равным 0,2);

k _р – коэффициент распора (принимается равным 0,5).

Ход работы

1 Работу начинают с изучения правил эксплуатации экстракторов.

2 Затем выполняют эскиз экстрактора с указанием основных узлов и деталей.

3 Определяют конструктивные и технологические параметры оборудования.

4 Производят расчеты по приведенным формулам и заполняют таблицу 1.1.

Таблица 1.1 – Данные расчета параметров экстрактора

Выводы:

Лабораторная работа № 2

Изучение работы ферментатора

Цель работы: изучить устройство, правила эксплуатации ферментатора, определить конструктивные и технологические параметры устройства, произвести расчеты, сделать анализ и выводы.

Общие положения

Ферментаторы используются для глубинного выращивания микроорганизмов. Они подразделяются на группы: по способу культивирования (аппараты непрерывного и периодического действия), стерильности (на герметичные и негерметичные), по конструктивным признакам (на ферментаторы с диффузором и турбиной, вращающимися аэраторами, механическими мешалками, с наружным циркуляционным контуром, колонные ферменататоры, с эжекционной системой аэрации).

В микробиологической промышленности практически все процессы культивирования продуцентов биологически активных веществ, за исключением дрожжей для получения БВК на парафинах, гидролизатах и сульфитных щелоках, проводятся периодическим способом в стерильных условиях.

Ферментатор с механической мешалкой и барботером (рисунок 2.1) представляет собой вертикальный аппарат цилиндрической формы с эллиптическими крышкой и днищем. На крышке аппарата расположен привод перемешивающего устройства и механического пеногасителя, штуцера для загрузки питательной среды, посевного материала, пеногасителя, подачи и вывода воздуха, смотровые окна, люки для погружения моющей механической головки, предохранительный клапан и штуцера для приборов визуального контроля.

1 – электродвигатель;

2 – редуктор; 3 – муфта;

4 – подшипник; 5 – сальник;

6 – вал; 7 – корпус;

8 –турбинная мешалка;

9 – змеевиковый теплообменник;

10 – муфта; 11 – труба для подвода

воздуха; 12 –лопастная мешалка; 13

– барботер; 14 – винтовая мешалка; 15 – опорный подшипник; 16 – штуцер для спуска; 17 – рубашка;

18 – загрузочный штуцер;

19 – штуцер для подачи воздуха

Рисунок 2.1 - Ферментатор с механическим перемешиванием барботажного типа вместимостью 63 м2

Ферментатор оборудован паровой рубашкой, состоящей из 6…8 ярусов-секций.

Диаметр турбинной мешалки ферментатора рассчитывается по формуле

d м =(0,3...0,33)D _вн,

где D _вн - внутренний диаметр ферментатора, м.

Частота вращения мешалки, мин-1:

,

где ω-окружная скорость мешалки, м/с. Значение ее принимается из таблицы 2.1.

Таблица 2.1 – Параметры перемешивающих устройств

Потребляемая мощность без учета влияния вспомогательных устройств:

,

где K_N-критерий мощности, зависящий от интенсивности перемешивания и характеризующийся центробежным критерием Рейнольдса;

ρс-плотность среды,

n-число мешалок, шт.,

dм-диаметр мешалки, м.

,

где с - динамическая вязкость среды.

Расчетная мощность на валу мешалки:

где k₁ - коэффициент заполнения аппарата растущей культурой;

k₂ – коэффициент, учитывающий увеличение потребляемой мощности из-за повышения сопротивления растущей культуры в процессе роста (k₂=1,1);

∑k-коэффициент, учитывающий увеличение потребляемой мощности на преодоление сопротивления, вызываемого вспомогательными устройствами.

k₁=H_ж/ D_вн,

где Н_ж-высота слоя перемешиваемой жидкости (для турбинных мешалок Нж=0,65 Нап).

∑ k =k_п+k_м+k_тр+k_т,

где k_п-коэффициент сопротивления отражательных перегородок;

k_м- коэффициент сопротивления дополнительной мешалки

k_тр- коэффициент сопротивления трубы для подвода воздуха;

k_т- коэффициент сопротивления гильзы для термометра.

Значения k_п, k_м, k_тр, k_тв зависимости от типа мешалки приведены в таблице 2.2.

Мощность на преодоление трения в сальнике вала:

где, n и dв-частота вращения, мин-1 и диаметр вала, м;

S_c – толщина набивки сальника вала, м;

Р-рабочее давление воздуха в аппарате над уровнем жидкости, Па;

hс-высота набивки сальника, м (hс=6 Sс).

Для определения Nс можно принять P=0,1 мПа.

Определение диаметра приводного вала мешалки производят по приближенной формуле, исходя из прочности его на кручение:

,

где М_кр-крутящий момент на валу мешалки, Н.м;

τ_доп.- допускаемое напряжение для материала вала на кручение;

см-поправка на коррозию, эрозию и износ материала, м.

Крутящий момент на валу мешалки:

M кр =0,163N_р / n,

где Nр- передаваемая расчетная мощность на валу;

n - запас прочности.

С целью обеспечения жесткости полученную расчетную величину dв умножают на коэффициент 1,25 и получают dв₁. Для определения диаметра участка вала, расположенного выше нижней турбинки dв₂, величину dв₁ умножают на коэффициент 1,07. Для определения диаметра участка вала, расположенного выше верхней турбинки dв₃при проходе через сальник величину dв₁умножают на коэффициент 1,14.

Вал обычно изготовляют из стали Ст.45. Предел прочности для Ст.45 на растяжение σв= 610 мН/м2 (около 62 кг/мм2), запас прочности nв=2,6. Допустимое напряжение на растяжение вычисляют путем деления величины предела прочности на растяжение на величину запаса прочности:

.

Допустимое напряжение на кручение [ τ ] =0,6 [ σ ].

Допустимое напряжение для валов перемешивающих устройств

[ τ’]= 0.5 [ τ ].

Толщина сальниковой набивки, мм:

,

где dв₂- диаметр вала, м.

Затем определяют расчетную силу сжатия набивки :

^,

где р – допустимое давление в аппарате при стерилизации, Па.

Окончательную установленную мощность N_уст=[кВт] приводного электродвигателя мешалки вычисляют по формуле

N уст =1,15(N p + N c) /η,

где η- КПД редуктора привода.

Затем по величине Nуст подбирают вертикальный привод, тип электродвигателя, его мощность и частоту вращения.

Поиск по сайту: