Производство лимонной кислоты

 
 
 
 
 

7. РАСЧЕТ И ВЫБОР ОСНОВНОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО

ОБОРУДОВАНИЯ 

     Расчет  и выбор оборудования для принятой в проекте технологической схемы  производится по заданной мощности производства и по данным материального баланса и норм технологического проектирования.

    Данные  для расчета:

1. Объем производства - 50 т/г.
2. Количество рабочих дней в году  - 330 дней
3. Выход препарата с 1 м³ культуральной жидкости – 0.007 т/м³

     Для расчета оборудования принимаем: коэффициент  заполнения для смесителей отделения приготовления питательной среды  и реакторов для обработки культуральной жидкости – 0,7; сборников фильтратов и концентратов – 0,8; ферментеров – 0,7, посевных аппаратов – 0,6.

4. Расчет основного оборудования
1. Производственные ферментеры

4.1.1 Объем  производства препарата в сутки (Q₁)

      

          Q  

Q₁ = ---- = 50 / 330 = 0.15  т/сутки,

г

д

е

Q

–

 

о

б

ъ

е

м

 

п

р

о

и

з

в

о

д

с

т

в

а

 

в

 

г

о

д

;

      

t

  -

к

о

л

и

ч

е

с

т

в

о

 

р

а

б

о

ч

и

х

 

д

н

е

й

 

в

 

г

о

д

у

.

    

4.1.2.

Н

е

о

б

х

о

д

и

м

о

е

 

к

о

л

и

ч

е

с

т

в

о

 

к

у

л

ь

т

у

р

а

л

ь

н

о

й

 

ж

и

д

к

о

с

т

и

 

в

 

с

у

т

к

и

 

(

Q

₂

)

      

         Q₁

Q₂ = ---- = 0.15 / 0.007 = 21.4 м³

q  

где  Q₁ – объем производства препарата в сутки

        q   - выход препарата с 1 м³ культуральной жидкости. 


    

4.1.3. Количество  культуральной жидкости с одной  ферментации при учете потерь  во время ферментации (20%) составит:

    

Q₄ = V х 0,7 х 0,8 = 50 x 0.7 x 0.8 = 28  м³,

где   Q₄ – количество культуральной жидкости с 1-ой ферментации;

         V – полный объем ферментера, м³:

         0,7 – коэффициент заполнения;

         0,8 – коэффициент, учитывающий выход культуральной жидкости с учетом 20% потерь.

    

4.1.4. Количество  ферментаций в сутки (n):

        Q₂        

n = ------ = 21.4 / 28 = 0.77 ферментаций (1 ферментация)  ,

         Q₄  

где Q₂ – необходимое количество культуральной жидкости в сутки;

      Q₄ - количество к.ж. с 1-ой ферментации. 
 
 


    

4.1.5. Количество  культуральной жидкости в год  (Q₅)

    

    

          Q  

Q₅ = ---- = 50 / 0,007 = 7142,8  м³

q   

где  Q – объем производства препарата,  т/год

        q   - выход препарата с 1 м³ культуральной жидкости, т/м³. 


    

4.1.6. Продолжительность  оборачиваемости одного ферментера 

t

₁₌ 170 часов

4.1.7. Количество  рабочих часов в году (t₂):

t₂ =  t х 24 = 330 х 24 = 7920 часов ч,

где

t

-  количество  рабочих дней в году. 


    

4.1.8. Необходимое  количество ферментеров (N): 


        Q₅ x t₁

N = -----------   =  (7142,8 х 170) / (28 х 7920) = 5,5

         Q₄ x t₂ 
 


где  Q₅ – количество к.ж. в год,  м³

       

t

₁   - продолжительность оборачиваемости ферментера, ч.

    

t

₂ - количество рабочих часов в году, ч

    

Q₄ - количество к.ж. с 1-ой ферментации.

    

 

    

Принимаем 6 ферментеров  и 1 запасной.

    

Ферментёр: V=50 m³, H=10900 mm; D=4000 mm. 


2. Посевные  аппараты

    

Количество посевных аппаратов может быть определено двумя способами: либо они устанавливаются  индивидуально к каждому ферментеру, если этого требуют специальные условия, либо их рассчитывают в зависимости от количества ферментаций в сутки и времени оборачиваемости посевного аппарата. В последнем случае посевной материал из одного посевного аппарата может поступать в группу ферментеров. 


• Полный  цикл работы одного посевного аппарата t₃ = 26 часов
 

1. Количество  посевного материала на загрузку одного производственного ферментера:

    

Q₆ = V х 0,7 х с = 50 х 0,7 х 0,05 = 1.75 м³,

где  V – полный объем ферментера, м³:

        0,7 – коэффициент заполнения;

с –  количество посевного материала  в %. 


2. Полный  объем посевного аппарата при  коэффициенте заполнения 0,7:
 


          Q₆ 

Q₇ = ----  = 1.75 / 0,7 = 2.5  м³,

0,7        

 


где  Q₆ – количество посевного материала на одну загрузку,  м³

        0,7 – коэффициент заполнения посевного аппарата.

    

Выбираем аппарат  3 м³, диаметр 1700 мм, высота 4140 мм, двигатель АО-63-16 10 кВт 180 об/мин, масса 3150 кг 


3. Количество  посевных аппаратов:
 


          n x t₃   

n₁ = ----------  = (1 х 26) / 24 = 1,08

           24 ч      


где    n – количество ферментаций в сутки;

        

t

₃ - полный цикл работы посевного аппарата. 


    

Принимаем к  установке 1 посевных аппаратов  и  один запасной.

    

Всего устанавливаем  – 2 посевных аппаратоа.

    

Посевной аппарат: V=3 m³; H=3800 mm; D=2000 mm. 


5. Расчет  оборудования для приготовления  питательной среды для производственного ферментера.
 
    
1. Объем среды, который необходимо приготовить, равен  полезному объему ферментера (V₁) :

    

V₁ = V x 0,7 = 50 х 0,7 = 35 м³,

где  V – полный объем ферментера

    

0,7 – коэффициент заполнения. 


    

5.2. Во время  стерилизации среды происходит  ее разбавление конденсатом (ориентировочно  на 15-20%), в связи с этим, объем  воды, используемый для приготовления  среды (V₂), должен быть уменьшен на 20% и составит:

    

V₂ = V₁ x 0,8 = 35 х 0,8 = 28 м³,

где   V₁ – полезный объем ферментера.

    

0,8 – коэффициент,  учитывающий разбавление среды  конденсатом. 
 


                


    

Выбираем реакторы с мешалкой 32 м ³, 31,5 об/мин, диаметр 3200 мм, высота 8300 мм, 10 кВт. Устанавливаем 1реактор и  1 запасной. 


    

5.4. Стерилизация  питательной среды в установке  непрерывной стерилизации (УНС)

    

5.4.1. Количество  среды, поступающей на стерилизацию  в сутки (Q₈):

    

Q₈ =V₂ = 28 м³

    

Время стерилизации среды не должно превышать 3 ч. В соответствии с этим, производительность (q₁) УНС должна составлять: 


          Q₈       

q₁ = ------- = 28 / 3 = 9,3  м³/ ч

  3         

    

Общее время  занятости  УНС состоит из времени  на стерилизацию среды и времени  подготовки УНС к работе.

    

Время подготовки УНС складывается из:

    

Мойки – 1 ч

    

Ревизии арматуры – 1,5 ч

    

Проверки на герметичность – 1,0 ч

    

Стерилизации  УНС – 1,5 ч

    

Устанавливают УНС нужной производительности и 1 запасную.

Техническая характеристика стерилизационной установки:

    

Время подготовки УНС складывается из:

    

Мойки – 1 час;

    

Ревизии арматуры – 1,5часа;

    

Проверки на герметичность – 1,0 час;

       Стерилизации УНС – 1,5 часа;

    

τ_общ=2 +5 = 7ч

        Производительность, м³/ч                                          9.3

    

Время нахождения среды в нагревателе, с               4,4

    

Расход пара, кг/ч                                                          657

    

Разбавление среды конденсатом, %                           20

    

Нагреватель:

    

Объем, м³                                                                      0,045

    

Высота, мм                                                                   400

    

Диаметр, мм                                                                 235

    

Выдерживатель (трубчатого типа):

    

Тип выдерживателя                                                     змеевик

        Диаметр труб, мм                                                        225х8

        Длина, м                                                                       3

    

Длина труб, м                                                              20,85

    

Количество витков                                                      7

    

Средняя скорость среды в выдерживателе, м/мин  1,39

    

Охладитель (труба в трубе):

    

Тип теплообменника для охлаждения среды      труба в трубе

    

Площадь охлаждения, м²                                            4,5

    

Длина труб, мм                                                            2140

    

Высота, мм                                                                   1350

    

Ширина, мм                                                                  535

    

Диаметр труб, мм                                                        76/88, 133/125

    

Принимаем к  установке 1 УНС 
 


    

6.  Сборники  культуральной жидкости

    

Количество культуральной  жидкости в сутки 21,4 м³

    

Необходимый объем  сборников при коэффициенте заполнения – 0,8. 


          Q₂  

Q₉ = ----- = 21,4 / 0,8 = 26,75  м³,

0,8 

где  Q₂ – количество к.ж. в сутки,  м³

        0,8 – коэффициент заполнения  


    

Выбираем сборник  с необходимым полезным объемом  и рассчитываем их количество. 


     

Количество сборников: 


           Q₉          

n₂ = ---------- = 26,75 / 30 = 0,89 (1 сборник)   ,

           V_п        


где  Q₉ –необходимый объем сборников к.ж.

       V_п – полезный объем сборника.

    

Принимаем 1 сборник  и один запасной. Всего сборников  культуральной жидкости 2 штуки.

Сборник: V=25m³; H=3800mm, D=3000mm. 


7. Отделение мицелия

7.1. На  отделение поступает 21,4  м³/сутки.

Фильтрующее оборудование выбираем по поверхности  фильтрации. 


         Q₂       

S = ----------  = 21,4 / (0,5 х 20) = 2,14  м²

                g₁ х

t

₆     


где   S – необходимая поверхность фильтрации, м² 

        Q₂ – количество культуральной жидкости в  сутки, м³

        g₁ – скорость фильтрации;

 t₆ – время работы фильтра – 20 часов (может быть 22 ч).

    

Принимаем к  установке фильтр БОК-3-1.75: Поверхность  фильтрования 3м³   и один запасной. 


2. . Сборник  фильтрата культуральной жидкости.

    

Количество фильтрата (Q₁₀)  с учетом выхода по объему «k»  %:

Q₁₀ = Q₂ x k = 21,4 х 0,99 = 21,2   м³,

где  Q₂ – количество культуральной жидкости в  сутки, м³

    

k -  коэффициент, учитывающий выход фильтрата на стадии.

    

Выбираем 1 сборник  цилиндрический со сферическим днищем и рубашкой для охлаждения обьёмом 25 м³ и 1 запасной. 


8. Расчет  количества пеногасителя

        

             V_пен = Q₂ x 0.5 л/м³ = 21,4 х 0,5 = 10,7 литра/сутки (0,0107 м³)

         

9. Расчет расхода воздуха
 


Воздух  расходуется в количестве 1 м³/м³ среды в минуту.

       На 21.4 м³ будет расходоваться 21,4 м³/мин (0,36 м / сек, 1284м/час или 30816 м³/сут) 


Расчёт  насосов

1. Насос  для перекачки питательной среды из реактора-смесителя в промежуточную ёмкость

Q₁₁= Q / t = 28 / 2 = 14 м³/ч

Q₁ – количество продукта, которое необходимо перекачать.

 t   - время работы оборудования

Такой же насос ставим для закачки питательной  среды в ферментёр

2. Насос  для подачи посевного материала в ферментёр

 Q₁₂= 1.75 / 2 = 0.875 м³/ч

3. Насос  для перекачки к.ж. из ферментера  в сборники

Q₁₃ = 21,4 / 2 = 10,7 м³/ч

4. Насос  для подачи фильтрата культуральной  жидкости в сборники

Q₁₄ = 21,2 / 2 = 10,6 м³/ч 
 
 
 


8. Размещение оборудования на предприятии

  

Цех получения  фильтрата культуральной жидкости лимонной кислоты представляет собой 3-х этажное здание с высотой  этажей 4,8 м. Ширина здания 24 м с 1 пролетом и сеткой колонн 6х6 м. Уровень пола первого этажа принимают за отметку 0.0000 м.

  

Лестницы в здании размещают так, чтобы обеспечить более короткие и удобные переходы между этажами и организованную эвакуацию людей во время пожаров. Лестницы располагаются в лестничных клетках, стены которых обычно выкладываются из кирпича, который имеет предел огнестойкости 2-2,5 ч. Ширина лестницы – 1350 мм, а высота лестничных маршей 1,2 м, при высоте этажа 4,8 м укладывается 4 марша. Лестницы состоят из сборных железобетонных площадок и маршей.

  

Оборудование  в производственном здании следует  размещать по принципу технологического потока продукта. Основным ядром размещения оборудования является крупное оборудование основного процесса, в отделении ферментации таким оборудованием является ферментатор. Объекты   электроснабжения   (пристроенная   трансформаторная, распределительные устройства) размещены ближе к ферментаторам, как основному потребителю, для сокращения потерь в сетях.

   

Все оборудование на проектируемом предприятии (смесители  для приготовления питательной  среды, ферментаторы, посевные аппараты, реакторы,   фильтр) располагаются так, что есть возможность удобного и безопасного обслуживания, чистки, смазки и текущего ремонта.

       При размещении технологического оборудования соблюдены следующие нормы:

ширина проходов между стенами производственного  и оборудованием - не менее 1м, между оборудованием - не менее 1м для обслуживания и ремонта оборудования и приборов, требующих периодических проверок и осмотра - не менее 0,7м. Расстановка  технологического оборудования  произведена  вдоль 

наружных  стен  с оконными проемами, так как для удобного обслуживания

оборудования  помещения должны быть светлые и  просторные.

         Для удобства и безопасности  обслуживания на высоте более  1,8м следующего оборудования: смесители  для приготовления питательной  среды; посевные аппараты и  реакторы для приготовления пеногасителя и растворов для регулирования рН, реакторы для сбора культуральной жидкости  - предусмотрены стационарные площадки и лестницы с углом наклона не более 45° (при высоте лестницы до 1,5м) и не более 60° (при высоте лестниц более 1,5м). Площадки должны иметь ширину не менее 0,7м, перила высотой 1м и вертикальные стойки с шагом не более 1,2м. Ширина лестниц должна быть 0,8м, расстояние между ступенями лестниц по  высоте  0,15м,  а  ширина   ступеньки 0,3м,  длина маршей лестниц не превышает 3м.

    

Все трубы водопроводов, паропроводов, воздуховодов окрашены в соответствующие окраски по ГОСТ ССБТ «Цвета и знаки безопасности»: вода - зеленый, пар - красный, воздух - синий, газы - желтый, кислоты - оранжевый, щелочи - фиолетовый, жидкости - коричневый, прочие вещества (питательные среды, культуральная жидкость, ферментные растворы) - серый, противопожарные трубопроводы окрашиваются в красный цвет. При прокладке трубопроводов учитывается необходимость наблюдения за их исправностью, и проверки на герметичность.

    

Отделение приготовления  и стерилизации питательных сред и ферментации, отделение сушки  изолированы от других помещений  вследствие  избыточных тепловыделений.

    Оборудование   (ферментеры, инокуляторы, реакторы) и трубопроводы для уменьшения тепловыделения и избежание ожогов покрыты слоем теплоизоляции, чтобы на внешней поверхности  температура не превышала 45°С. 
 
 


9. Список используемой литературы

1.В.А. Смирнов

“Пищевые кислоты (Лимонная, молочная, уксусная)”

Москва “Лёгкая  пищевая промышленность” 1983

УДК 661.773.2/.3 + 661.734.1

2.Г.К. Лиепиньш

М.Э. Дунце

“Сырьё и  питательные субстраты для промышленной биотехнологии”

Рига “ЗИНАТНЕ” 1986

УДК 576.8.095

3.Руководство к практическим занятиям по микробиологии“ 2-е издание

под редакцией  проф. Н.С,Егорова

Издательство  московский университет 1983

УДК 576.8 (075.8)

4.Р.Я. Карклиньш

Г.К. Лиепиньш

“Микробиологический синтез лимонной кислоты”

Рига “ЗИНАТНЕ” 1993

УДК 573.6.579.6

5.“Промышленная микробиология”

под редакцией  проф. Н.С.Егорова

Москва “Высшая  школа” 1989

УДК 663.18

6. К.П.Гапонов «Процессы и аппараты микробиологических производств». Москва, «Легкая и пищевая промышленность», 1981

7. Л.А.Иванова, И.С.Иванова «Методические указания к выполнению курсового проекта по дисциплине «Процессы и аппараты биотехнологии» (ч.1, ч.2).-М.: 2002.

8. И.Л.Иоффе «Проектирование процессов и аппаратов химической технологии: Учебник для техникумов». Ленинград, «Химия», 1991

9. К.А. Калунянц, Л.И. Голгер Балашов В.Е. «Оборудование микробиологических производств» -М.: Агропромиздат, 1987. – 398с.

10. Э.А.Шишкова, Л.И.Войно «Методические рекомендации к выполнению самостоятельной работы по курсовому и дипломному проектированию предприятий биотехнологической промышленности» - ч.1, ч.2 М.: «МГУПП», 2004