Практикум по оборудованию биотехнологических производств для студентов специальности 070100

N_p  k₁

• 
  k₂
  

( k  1)  N_м
(5.5)
прочности его на кручение:
M

где k₁-коэффициент заполнения аппарата растущей культурой;
d_в  1,71³
кр
^доп

• 
  с_м
  

(5.9)

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.
где М_кр-крутящий момент на валу мешалки, Н.м;
τ_доп.-допускаемое напряжение для материала вала на кручение;
с_м-поправка на коррозию, эрозию и износ материала, м.
Крутящий момент на валу мешалки:

k₁  H_ж / D_вн , (5.6)
M _кр  0,163N _р / n,
(5.10)

где Р_ж-высота слоя перемешиваемой жидкости (для турбинных мешалок Н_ж=0,65 Н_ап).
 k  k_п  k_м  k_тр  k_т , (5.7) k_п-коэффициент сопротивления отражательных
перегородок;
где N_р- передаваемая расчетная мощность на валу; n-
запас прочности.
С целью обеспечения жесткости полученную расчетную величину d_в умножают на коэффициент 1,25 и получают d_в^’. для определения диаметра участка вала,

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_т в зависимости от типа мешалки приведены в табл.9.2.
Мощность на преодоление трения в сальнике вала:
h_c
расположенного выше нижней турбинки d_в^’’ величину d_в^’ умножают на коэффициент 1,07. для определения диаметра участка вала, расположенного нвыше верхней турбинки, d_в^’’’ при проходе через сальник величину d_в^’ умножают на коэффициент 1,14.
Вал обычно изготовляют из стали Ст.45. предел прочности для Ст.45 на растяжение σ_в= 610 мН/м² (около
62 кг/мм²), запас прочности n_в =2,6. Допустимое напряжение на растяжение вычисляют путем деления

c

c
^{N  2n  d 2}в ^{ S}

• 
  Р  (e
  

-1
0,1
S_c
 1)
(5.8)
величины предела прочности на растяжение на величину запаса прочности:

где n и d_в-частота вращения, мин
и диаметр вала, м;
   
/ n .
(5.11)

S_c-толщина набивки сальника вала, м; ^{в в}

где d_в

S_с  0,044
^’’- диаметр вала, м.
, (5.12)


’

Н ):
Затем определяют расчетную силу сжатия набивки p _c (

0.04 ^hc

c

c

c
^{p '   (d''}в ^{ S )S pe}
S_{c ,}
(5.13)

где p- лопустимое давление в аппарате при стериализации, Па.
Окончательную установленную мощность N_уст= (кВт) приводного электродвигателя мешалки вычисляют по формуле:
Где G_п, G_в, G_к- масса питательной среды, охлаждающей воды и готовой культуры, кг; с_п, с_в и с_к- удельные теплоемкости питательной среды, охлаждающей воды и готовой культуры, кДж/(кг·К); t_п ,t_к ,t_1в и t_2в- температуры питательной среды, готовой культуры, начальная и

N_уст  1,15(N _p  N_c ) /,
где η- КПД редуктора привода.
(5.14)
конечная охлаждающей воды, К; q- среднее количество тепла, выделяющееся при приросте биомассы культуры

Затем по величине N_уст подбирают вертикальный привод, тип электродвигателя, его мощность и частоту вращения.
Тепловой баланс ферментаторов. В ферментаторе в процессе жизнедеятельности микроорганизмов выделяется тепло. При повышении температуры растущей культуры
рост культуры замедляется, а затем возможна и гибель
микроорганизма. Для предотвращения этого ферментаторы должны быть оборудованы теплосъемными устройствами ( змеевики, рубашки, тепловые трубы).
Количество тепла, отводимого от растущей культуры,
микроорганизма; кДж/кг; р- прирост биомассы организмов, кг/ч; L- количество продуваемого воздуха, кг/ч; i₁ и i₂- энтальпия свежего и отработавшего воздуха, кДж/кг; α- коэффициент теплоотдачи от поверхности ферментатора в окружающую среду, кВт/(м²·К); F_a- площадь поверхности ферментатора, м²; ∆t- средняя разность температур растущей культуры и окружающего ферментатор воздуха, К.
Уравнение теплового баланса ферментатора имеет вид: G_в c_в (t _2в  t_1в )  Q₁  Q₂  Q₅  Q₈  L(i ₂  i₁ ).
Обозначим Q₁+Q₂- Q₅- Q₈- L(i₂-i₁)= Q, тогда расход охлаждающей воды (кг/ч):

и расход охлаждающей воды определяют из теплового
баланса.
G_в 

c_в (t

Q _.
2в ^{ t}1в ⁾
(5.15)

м²:

Площадь поверхности теплопередачи ферментатора,

где К- коэффициент теплопередачи, Вт/(м²·К); ∆t- средняя разность температур растущей культуры и охлаждающей воды, ⁰С.
мощности мешалки из-за наличия в аппарате

Вспомог ательное устройство	Тип перемешивающего устройства
	Лопа стное	Яко рное и рамное	Турб инное	Пропел лерное
Четыре отражательн ые перегородки шириной В=0,08 Dвн, расположенн ые у стенок аппарата	1	-	1?5	0?5
Одна дополнитель ная горизонтальн ая лопасть, равная по размеру лопасти основного перемешива ющего устройства	0,35	-	-	-
Труба для передавлива ния раствора	0,2	0,2	0,2	0,1
Гильза	0,1	0,1	0,1	0,05

вспомогательных устройств

1
^{К } (1/
1 _.
  /   1/ ₂ )
(5.17)

Величина теплоотдачи α₂ для воды определяется в зависимости от критерия Re. Определение величины теплоотдачи от стенки к растущей среде α₁ усложняется наличием в среде большого количества, раздробленного на мелкие пузырьки и ухудшающего условие теплоотдачи. Поэтому с определенной погрешностью можно воспользоваться эмпирическим уравнением для определения теплоотдачи от поверхности трубы к разным по плотности и вязкости растворам сахара и мелассы при естественной конвекции:

₁  2850³ (t _ж  t _ст ) / ,
(5.18)

где t_ж и t_ст – температуры растущей культуры и стенки рубашки, ⁰С; µ- динамическая вязкость среды, Па·с.
Вязкость разбавленных мелассных растворов может быть вычислена по формуле:

  (1,2  0,046B  0.0014Bt)10^3 ,
(5.19)

где В- концентрация раствора, %; t- температура раствора.
На основании опытных данных для ферментаторов, снабженных охлаждающими рубашками, с учетом загрязнения стенок можно принимать К=3000 Вт/(м²·К). Расход воздуха на аэрирование растущей культуры находится в пределах 60-120 м³/(ч·м³).