Приготовление питательной среды для культивирования продуцентов лизина

 

2 Описание технологической схемы

2.1 Приготовление питательной среды для культивирования продуцентов лизина

Приготовление питательной среды для культивирования продуцентов лизина осуществляется в две стадии. Свекловичная меласса приготовляется отдельно от других компонентов среды, так как меласса содержит термолабильный компонент – сахарозу . Ее разогревают до температуры 80 ^оС в сиесителе поз. 1,3. Питательные соли, и все другие компоненты среды растворяются в смесителе поз. 2,4, но с таким расчетом, чтобы при последующем совмещении этих растворов получились требуемые регламентом концентрации компонентов в среде. Затем приготовленные смеси поступают в нагревательную колонку поз. 5, в выдерживатель поз. 6 и на охлаждение в теплообменник поз. 7. Стерильная охлажденная исходная питательная среда далее поступает в ферментатор. Стерильная подпитка поступает в емкость для стерильной подпитки поз. 9.

 

3. Расчет материально-тепловых  балансов

3.1 Материальный баланс.

Исходные данные.

1. Производственная мощность предприятия  – 5200 т

    монохлоргидрата в год.

2. Время работы оборудования  в году – 345 дней.

3. Продуктивность культуры –  43 кг/м³.

4. Объем ферментатора – 100 м³.

5. Продолжительность ферментации  – 60 ч.

6. Оборот ферментатора – 78 ч.

7. Коэффициент заполнения ферментатора  – 0,7.

8. Объем исходной питательной  среды (ИПС) – 40 м³,

 в том числе посевного  материала – 5 м³.

10. Состав исходной питательной  среды, кг/м³:

меласса – 170;

кислотный гидролизат кормовых дрожжей  – 20 (в расчете на товарные кормовые дрожжи);

NH₄Cl – 5;

K₂HPO₄ – 0,5;

пропинол Б-400 – 1,0;

вода (конденсат ВВУ) – остальное.

11. Состав подпитки, кг/м³:

меласса – 400;

кислотный гидролизат кормовых дрожжей  – 15 (в расчете на товарные кормовые дрожжи);

NH₄Cl – 12;

K₂HPO₄ – 0,3;

вода (конденсат ВВУ) – остальное.

12. Испарение и каплеунос при ферментации – 8 % от КЖ.

13. Потери лизина в производстве на технологических стадиях, %:

стабилизации и подкисления  КЖ – 2;

упаривания КЖ – 6;

сушки концентрата – 4 (потери при  сушке принимаются в зависимости  от типа сушилки);

упаковки продукта – 1.

Расчет материально-тепловых балансов 

Объем производства монохлоргидрата лизина составляет 5200 т в год, или

5200 : 345 = 15,07 т/сут.                                            (3.1.1)

Необходимо получить лизина на стадии ферментации с учетом производственных потерь:

 13,77                              (3.1.2)                                                                                                                               

где 0,99; 0,96; 0,94; 0,98 – коэффициенты, учитывающие  потери  лизина на технологических  стадиях;

146,19 – молекулярная масса лизина;

182,64 – молекулярная масса монохлоргидрата  лизина.

Количество КЖ, получаемой с одной  операции по биосинтезу лизина, с учетом испарения жидкости и каплеуноса в процессе ферментации составит:

70· (1 – 0,08) = 64,4 м³,                                            (3.1.3)

где 70 – общий объем ИПС и подпитки, м³.

Количество лизина в КЖ с одной  операции:

64,4 · 43 = 2769,2 кг,                                             (3.1.4)

где 43 – содержание лизина в КЖ, кг/м³.

Требуемое число операций за сутки (число сливов КЖ):

13,77 · 10³ : 2769,2 = 5                                             (3.1.5)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.1.1 Ферментация

Расчет  потребности производства в компонентах  питательных сред производят на одну операцию по биосинтезу лизина (на одну загрузку ферментатора) исходя из прописи среды.

Для приготовления исходной питательной  среды объемом 35м³ требуется:

– мелассы

     35 · 170 = 5950 кг,                                               (3.1.1.1)

или

5950 : 1300 = 4,5 м³,                                                 (3.1.1.2)

где 1300 – плотность мелассы, кг/м³.

– кормовых дрожжей

35 · 20 = 700 кг,                                                    (3.1.1.3)

или   нейтрализованного   кислотного   гидролизата   кормовых дрожжей

(700 + 700 · 4) : 1020 = 3,4 м³,                                        (3.1.1.4)

где 4 – гидромодуль обработки дрожжевой массы по нейтрализованному гидролизату;

1020 – плотность нейтрализованного  гидролизата, кг/м³.

– NH₄Cl

35 · 5 = 175 кг,                                           (3.1.1.5)

или

175 : 1526 = 0,11 м³,                                        (3.1.1.6)

где 1526 – плотность хлорида аммония, кг/м³.

– K₂HPO₄

35 · 0,5 = 17,5 кг,                                         (3.1.1.7)

или

17,5 : 2340 = 0,0074 м³,                                   (3.1.1.8)

где 2340 – плотность гидрофосфата калия, кг/м³.

Общий объем всех компонентов составит:

4,5 + 3,4 + 0,11 + 0,0074 = 8,01 м³                                         (3.1.1.9)

Количество воды (конденсата ВВУ) для  приготовления среды:

35 – 8,01 = 26,99 м³                                                                (3.1.1.10)

Для приготовления подпитки объемом 30 м³ требуется:

– мелассы

30 · 400 = 12000 кг,                                       (3.1.1.11)

или

12000 : 1300 = 9,2 м³                                      (3.1.1.12)

– кормовых дрожжей

30 · 15 = 450 кг,                                       (3.1.1.13)

или нейтрализованного гидролизата  кормовых дрожжей 

(450 + 450 · 4) : 1020 = 2,2 м³                               (3.1.1.14)

– NH₄Cl

30 · 12 = 360 кг,                                         (3.1.1.15)

или

360 : 1526 = 0,24 м³                                        (3.1.1.16)

– K₂HPO₄

30 · 0,3 = 9 кг,                                           (3.1.1.17)

или

9 : 2340 = 0,004 м³                                        (3.1.1.18)

Общий объем всех компонентов:

9,2 + 2,2 + 0,24 + 0,004 = 11,64 м³                  (3.1.1.19)

Количество воды (конденсата ВВУ) составит:

30 – 11,64 = 18,36 м³                                    (3.1.1.20)

Полученные данные сведем в таблицу 3.1 Суточный расход компонентов определяют исходя из потребности в них на одну операцию и числа операций (сливов КЖ) за сутки.

Таблица 3.1 - Материальный баланс процесса ферментации

Наименование компонентов	Количество на одну операцию		Количество за сутки
	по массе, кг	по объему, м3	по массе, т	по объему, м3
1	2	3	4	5
Приход
Исходная питательная среда:
–меласса	5950	4,5	29,75		22,5
– нейтрализованный гидролизат кормовых дрожжей	3500	3,4	17,50		17
Продолжение таблицы 3.1
1	2	3	4		5
– NH4Cl	175	0,11	0,875		0,55
– K2HPO4	17,5	0,0074	0,0875		0,037
– вода (конденсат ВВУ)	26990	26,99	134,95		134,95
– посевной материал	5250*	5,0	26,25		25,0
Всего:	41882,5	40,00	209,41		200,26
Подпитка:
–меласса	12000	9,2	60,0		46
– нейтрализованный гидролизат кормовых дрожжей	2250	2,2	11,25		11
– NH4Cl	360	0,24	1,80		1,2
– K2HPO4	9	0,004	0,045		0,02
– вода (конденсат ВВУ)	18360	18,36	91,8		91,8
Всего:	32879	30,0	164,39		150,2
Итого:	74761,5	70,0	373,8		350,6
Расход
Жидкость на испарение и каплеунос	5986,4	5,6	29,93		28,05
Культуральная жидкость	68775,1	64,4	343,87		322,55
Итого	74761,5	70,0	373,8		350,6

*Плотность  суспензии посевного материала  1050 кг/м³.

Из приведенного в таблице материального  баланса следует, что плотность  ферментационной среды составит в среднем:

74761,5: 70 = 1069 кг/м³                                            (3.1.1.21)

Плотность ИПС:

36632,5 : 35 = 1046 кг/м³                                           (3.1.1.22)

 

3.2.1 Тепловой баланс емкостных аппаратов

3.2.1.1 Тепловой баланс емкостного аппарата (поз. 1)

Тепловой  баланс емкостного аппарата:

Q₁+ Q₂ + Q₃ = Q₄ + Q₅ + Q₆, [3]                                  (3.2.1.1.1)

где Q₁ - тепло, вносимое в аппарат со средой;

Q₂ - тепло, отдаваемое теплоносителем (паром в рубашке);

Q₃ - тепловой эффект процесса (в технологических расчетах, как правило, принимают Q₃ = 0);

Q₄ - тепло, уносимое средой из аппарата;

Q₅ - тепло, затрачиваемое на нагрев емкости;

Q₆ - тепло, теряемое аппаратом в окружающую среду.

Количество тепла, вносимого в  аппарат:

Q₁ = V_ср · ρ_ср · 4 · t_н,                                           (3.2.1.1.2)

где V_ср - объем мелассы и воды, 28,3 м³ (раздел 4.1);

ρ_ср – плотность среды r, кг/м³:

 

ρ_ср =   ,                                                 (3.2.1.1.3)

где M_ср – масса среды, кг;

Из формулы (4.1.2) выразим массу:

M_ср =                                    (3.2.1.1.4)

где ρ_в – плотность воды, 1000 кг/м³; ρ_м – плотность мелассы, 1300 кг/м³; V_в – объем воды 12 м³ ; 0,7 – коэффициента заполнения аппарата; 1,2 - потери питательной среды в процессе ее подготовки и передачи на ферментацию V_м – объем мелассы, 5,4 м³. (из разделов 4.1, 3.1.1)

M_ср = = 30 598 кг             (3.2.1.1.5)

ρ_ср = = 1081,2 кг/м³                                (3.2.1.1.6)

t_н - начальная температура среды, 40 °С.

Q₁ = 28,3 · 1081,2 · 4 · 40 = 4 895 673,6 кДж                (3.2.1.1.7)

Количество  тепла, уносимого из аппарата средой

Q₄ = 28,3 · 1081,2 · 4 · 80 = 9 791 347,2 кДж,               (3.2.1.1.8)

где 80 - конечная температура среды, °С.

Тепловой эффект процесса Q₃ = 0.

Расход тепла на нагрев емкости:

Q₅ = М · с_а · ( t_к - t_н) = 7030 · 0,5 (80 - 40) = 140 600 кДж,       (3.2.1.1.9)

где М = 7030 - масса аппарата, кг [6];

с_а - теплоемкость материала емкости, кДж/кг·К.

Тепло, теряемое аппаратом в окружающую среду:

Q₆ = a · F · (t_ст.нар - t_возд) · t,                                 (3.2.1.1.10)

где t_ст.нар - температура наружной поверхности стенки аппарата, 30°С;

t_возд - температура окружающего воздуха, 20°С;

F - поверхность аппарата, м² (F = 51,5 м²) [6];

a - коэффициент теплоотдачи, Вт/м²·К;

t - продолжительность пребывания среды в емкости, ч.

a = 9,74 + 0,07 · (t_ст.нар - t_возд) [5];                             (3.2.1.1.11)

a = 9,74 + 0,07 · (30 -20) = 10,44 Вт/м²·К;                   (3.2.1.1.12)

Q₆ = 10,44 · 10^-3 · 51,5 · (30-20) · 0.5 · 3600 = 9 677,88 кДж      (3.2.1.1.13)

Количество  тепла, которое необходимо подвести к емкости:

Q₂ = Q₄ + Q₅ + Q₆ - Q₁ = 9 791 347,2 + 140 600 + 9 677,88 – 4 895 673,6 =                = 5 045 951,48 кДж.                                                                                                 (3.2.1.1.14)

Тепловой  поток:

Ф = Q₂ : t;                                           (3.2.1.1.15)

Ф = 5 045 951,48 : (0,5·3600) = 2 803,30 кВт            (3.2.1.1.16)

Расход  пара на нагревание среды в емкости:

L = = 1,29 кг/с = 0,84 м³/с = 3 035,3 м³/ч          (3.2.1.1.17)

где 2 17 1000- теплота конденсации пара при Р = 0,2 МПа; плотность пара при этом давлении 1,53 кг/м³

 

3.2.1.2 Тепловой баланс емкостного аппарата (поз. 2)

Тепловой  баланс емкостного аппарата:

Q₁+ Q₂ + Q₃ = Q₄ + Q₅ + Q₆                                  (3.2.1.2.1)

Количество тепла, вносимого в  аппарат:

Q₁ = V_ср · ρ_ср · 4 · t_н,                                     (3.2.1.2.2)

где V_ср - объем гидролизата кормовых дрожжей, питательных солей и воды, 31,7 м³ (раздел 4.1);

ρ_ср – плотность среды r, кг/м³:

 

ρ_ср =   _,                                            (3.2.1.2.3)

Из формулы (4.1.5) выразим массу:

M_ср =   (3.2.1.2.4)

где ρ_в – плотность воды, 1000 кг/м³; ρ_д – плотность гидролизата кормовых дрожжей, 1020 кг/м³; ρ_NH4Cl – плотность NH₄Cl, 1526 кг/м3; ρ_K2HPO4 – плотность K₂HPO₄ ,2340 кг/м³ ;V_в – объем воды 15 м³ ; 0,7 – коэффициента заполнения аппарата; 1,2 - потери питательной среды в процессе ее подготовки и передачи на ферментацию V_д – объем гидролизата кормовых дрожжей, 3,4 м³ ; V_NH4Cl – объем NH₄Cl, 0,11 м³V_K2HPO4. - объем K₂HPO₄ , 0,0074 м³ (из разделов 4.1, 3.1.1)