1.2. Тепловой расчет ферментатора

Рабочий объем ферментатора V_р = 25 м³, в состав питательной среды входит 6 % муки (25 · 60 кг = 1500 кг). В пересчете на сахар питательной среды при крахмалистости муки К_кр = 68 % получим:

крахмала 1500 · 0,68 = 1020 кг;

сахара 1,11 · 1020 = 1120 кг, где 1,11 – переводной коэффициент крахмала в глюкозу.

В процессе развития плесневых грибов происходит диссимиляция сахаров с выделением избыточного тепла:

С₆Н₁₂О₆ + 6О₂ = 6Н₂О + 6СО₂ + 674 ккал.

Следовательно, при сгорании 1 гмоль сахара выделяется 674 ккал тепла или 2820 кДж.

Масса 1 гмоль сахара составляет:

12 · 6 + 1 · 12 + 6 · 16 = 180 г = 0,18 кг.

Тепловыделение составит 2820/0,18 = 15670 кДж/кг сахара.

На основании экспериментальных данных полагаем, что усвоение сахара развивающейся культурой микроорганизмов происходит в течение 24 ч. Для упрощения расчетов принимаем, что тепловыделение в этот период происходит равномерно.

Тогда количество биологического тепла, выделяемого этой культурой:

Q_сек = 1120 · 15670 · 10³ = 2035 · 10² Вт.

24 · 3600

Во избежание перегрева среды выделяемое тепло отводят. Тепло отводится охлаждающей водой Q_вод, воздухом Q_возд, подаваемым на аэрирование культуры, теплоизлучением Q_п.

Тепловой баланс ферментатора:

Q_сек = Q_вод + Q_возд + Q_п.

В расчетах Q_возд можно не принимать во внимание, т.к. величина его незначительна, поскольку воздух подают в аппарат с температурой, близкой к температуре среды: t_ср - 30 ºС.

Потери на теплоизлучение в окружающую среду принимаем 2 % от Q:

Q_п = 0,02 · 2035 · 10² = 40,7 · 10² Вт.

Тепло, отводимое водой:

Q_вод = Q_сек – Q_п = 2035 · 10² – 40,7 · 10² = 1994,3 · 10² Вт.

Расход воды для отвода тепла (охлаждения ферментатора):

G_вод = Q_вод = 1994,3 · 10² = 6,8 кг/с

с · (t₂ – t₁) · 1000 4186 · (22 – 15)

где t₁ и t₂ – температура воды при входе в рубашку (t₁ = 15 ºС) и при выходе из рубашки (t₂ = 22 ºС).

Потребная поверхность охлаждения ферментатора:

F = Q_вод/(К · ∆t_ср), где

К – коэффициент теплопередачи от охлаждающей воды к охлаждаемой среде:

Δt_б = 30 – 15 = 15º

Δt_м = 30 – 22 = 8º

Δt_б/Δt_v = 15/8 < 2

Для данного случая средняя разность температур теплоносителей:

Δt_ср = (Δt_б + Δt_м)/2 = (15 + 8)/2 = 11,5º

По таблице 2 принимаем значение К = 800 Вт/(м² · К).

Загрязнение стенок отложениями в процессе эксплуатации приводит к ухудшению коэффициента теплопередачи, поэтому для расчета принимаем К = 700 Вт/(м² · К).

Тогда:

F = 1994,3 · 10²/(700 · 11,5) = 24,8 м².

Таблица 2

Ориентировочные значения коэффициентов теплопередачи, Вт/(м² · К)

Вид теплообмена	Вынужденное движение	Свободное движение
От газа к газу (при невысоких давлениях)	10 – 40	4 – 12
От газа к жидкости (газовые холодильники)	10 – 60	6 – 20
От конденсирующегося пара к газу (воздухоподогреватели)	10 – 60	6 – 12
От жидкости к жидкости (вода)	800 – 1700	140 – 340
От жидкости к жидкости (углеводы, масла)	120 – 270	30 – 60
От конденсирующегося пара к воде (конденсаторы, подогреватели)	800 – 3500	300 – 1200
От конденсирующегося пара к органическим жидкостям (подогреватели)	120 – 340	60 – 170
От конденсирующегося пара органических веществ к воде (конденсаторы)	300 – 800	230 – 460
От конденсирующегося пара к кипящей жидкости (испарители)	―	300 – 2500

При диаметре корпуса ферментатора D_н = 3,02 м высота рубашки:

Н_р = F = 24,8 = 2,62 м.

(π · D_н) (3,14 · 3,02)