Оптимизация энергопотребления в aeorobic ферментеров
Производя необходимые работы пилота, и строго расчета полномасштабной характеристик, а не с помощью простых правилах из-за большой палец масштабов, значительная экономия энергии может быть достигнуто в ферментерах.
Аэробной ферментации был поставлен на коммерческое использование в 1940 году, чтобы пенициллин. Позже многие другие антибиотики были сделаны с помощью этого метода. На протяжении многих лет, он стал маршрут экономически производства различных соединений, в том числе ферменты, аминокислоты, витамины, усилители вкуса, утолщение и вяжущих, и очистки веществ. Список постоянно растет.
Одной из причин его широкого использования является его специфичность для получения соединений - это, некоторые виды трудно сделать с помощью других средств, а также других маршрутов может привести к высокой концентрации побочных продуктов. Другая причина заключается в том, что брожение требует сравнительно мягких условиях с точки зрения температуры, давления и рН. Это часто позволяет менее дорогостоящего оборудования и снизить затраты энергии по сравнению с использованием стандартного химического синтеза. Тем не менее, некоторые ферментеров, предназначены исключительно для сведения к минимуму их суммарная мощность работы, который используется в первую очередь:
* Агитатора, который рассеивает воздух в бульон и обеспечивает приемлемый уровень композиционного единства, а также
* Воздух-транспортная система ", которая включает в себя компрессор, фильтр и связанных с ними трубопроводов.
Современная практика
Большинство аэробных биореакторов, на самом деле, разработаны с использованием мало информации. Как правило, инженеры просто выбрать оборудование, которое было установлено, что подходит для приготовления подобных продуктов. Зачастую, только мало или нет экспериментальных работа. Если эти исследования проводятся, они проводятся с целью определить идеальные условия для организма, таких как рН, температуры и концентрации растворенного кислорода (DO), питательных веществ и энергии биомассы. Доходность против потребляемого сырья может быть исследована.
Тем не менее, мало внимания уделяется сбору данных, необходимых для прогнозирования полномасштабной передачи кислорода и потребления энергии. Что еще хуже, пилот условия обычно отличаются от тех, в активизации и коммерческой единицы. По сравнению с торгового оборудования, экспериментального подразделения действуют на гораздо более высокой удельной мощности агитатора (мощность / масса единицы объема) и гораздо ниже поверхностной скорости газа (фактический расход газа разделить на площадь поперечного сечения танка).
Тем не менее, попытки иногда для расширения масштабов использования ограниченных данных пилота. Они могут быть основаны на использовании одинаковой мощности агитатор / объем, с потоком воздуха расширить использование одинакового объема газа в объеме жидкости в минуту (ФТИ). Когда такой метод дает необоснованно большого оборудования, как это обычно делает, инженерные решения использован для того чтобы компенсировать увеличение поверхностной скорости и давления газа движущей силой в полномасштабную оборудования. Тем не менее, такое решение несет в себе определенный риск, так как относительный вклад агитации и обдува массопереноса могут значительно различаться для различных процессов и различных систем агитации.
Правильный исследования экспериментальных ключевых
Для оптимизации полномасштабной потребления энергии, необходимо для количественного прогнозирования отношений между массой скорость передачи, движущая сила, агитатор власти и поверхностной скорости газа (1). Чтобы получить эту связь точно, опытный завод должен работать в рамках этого же ряда условий, как будут найдены в полномасштабную оборудования. На практике это означает использование намного больше воздуха, и гораздо меньше, чем агитация является нормальным для опытной эксплуатации. Для получения такой же поверхностной скорости газа в опытно-промышленной установки, как и в оборудование для производства, нет ничего необычного, необходимо сделать из ФТИ 10-15/min, а полномасштабное ФТИ может быть 0.5-1.5/min. Если экспериментальный объект не имеет достаточного количества воздуха доступна, то ее воздушного доставки система должна быть усилена. В противном случае, корреляции получены не будут точными.
Данные должны быть приняты с использованием крыльчатки систему, аналогичную той, которая будет использоваться в полном ферментер. Хотя дизайн крыльчатки система выходит за рамки данной статьи, соответствующего размера колеса осевой верхней сочетании с нижней вогнутой радиальной крыльчатки были найдены содействовать отличные жидкой фазы DO единообразия. Этот механизм обладает высокой газа обработки способности и разница в мощности, между ungassed и газом государств минимально (2).
Определение параметров системы
Определяющего уравнения массопереноса в ферментера:
OTR = K ^ югу L ^ (C ^ ^ к югу СБ - C) (1)
Цель экспериментального исследования соотнести к югу ^ L ^, общий коэффициент массоотдачи, к агитации и воздуха условиях. Корреляции идеально сделали вокруг точки в этом процессе, где потребность в кислороде максимальна, и при одинаковом уровне агитатора удельной мощности и поверхностной скорости газа. Эта корреляция установлена с помощью простой экспоненциальной зависимости:
К югу ^ L ^ = (P / V) ^ SUP Ь (U ^ югу S ^) ^ SUP с ^ (2)
Константы, б и выводятся эмпирически аппроксимации экспериментальных данных уравнения. С чистой системы водоснабжения, можно по размеру данных формуле. 2 с или -5% вариации. В комплексе бульон ферментера, соглашения зачастую не лучше или -30% (2). Необходимо соблюдать осторожность при проектировании, чтобы за такие ошибки данных.
Важно также развивать газонасыщенности данных для конкретных бульон. Прогнозы на основе растворителя (обычно вода) может быть по ошибке, так как наличие биомассы и растворенных веществ может повлиять на способность удерживать растворенный газ. Генри, возможно, как правило, используются для соотнесения данных и компенсировать изменения в абсолютном парциальное давление газа.
Полномасштабное степеней свободы
Возможно, чтобы получить желаемый OTR в полном масштабе оборудования в ряде различных способов. По низким ставкам в воздух, поверхностные скорости газа будет низким, тем выше агитации питания не требуется, чтобы компенсировать это, даже чтобы получить равные коэффициента массообмена. Низкий газа также приравнивает к более кислорода в выходе газа, в результате сокращения концентрации движущей силой, которая также требует более агитации. В самом деле, существует теоретический минимум воздушного потока: той, на которой 100% кислорода в потоке воздуха, необходимое для удовлетворения необходимых OTR. В таком случае, непрактичные уровнях агитации потребуется, поскольку движущей силой будет мала на входе и нулевой на выходе.
При более высоких Расходы, приведенные воздуха, движущая сила и газа поверхностной скорости будет больше, в результате чего меньше агитатора держав, необходимых для достижения той же OTR. Существует практическая воздушного потока, а максимальное. опыт автора показывает, что операции на поверхностных скоростей газа выше 0,6 м / с, следует избегать, чтобы не позволить чрезмерного увлечения процессом жидкости в вентилируемые газа.
В этом диапазоне от теоретического минимума практических максимальной мощности компрессора требования возрастают с воздуха, а потребляемая мощность мешалки одновременно уменьшается. Сумма агитатора и мощности компрессора, по сути, проходит через минимум. Это является целью этой статьи, чтобы показать, как работать как можно ближе к этому минимуму, как это возможно.
Оптимизация полномасштабной дизайн
Следующие шаги должны производить проектирование системы, которая работает рядом с минимальной потребляемой мощности.
Шаг 1. На основании пик OTR, расчета минимального расхода воздуха, необходимого при 100% утилизации.
Шаг 2. Выберите воздушного потока, которое больше теоретического минимума рассчитывается в шаге 1 для первого расчета конструкции. Начните примерно на 20% выше минимума.
Шаг 3. Выполнение баланса массы и определить расход выхода газа и состава, в том числе количество СО2 respired.
Шаг 4. Рассчитать движущей силой массообмена. Для полномасштабного оборудование, использование Войти означает движущей силой, а не простой форме, приведенной в формуле. 1. Точная насыщения данных не требуется.
Шаг 5. Расчет необходимых к югу L ^ ^ а
Шаг 6. Рассчитайте фактический расход воздуха на середине высоты unaerated бульон, будучи уверенным, для учета температуры, состава и противодавления столба жидкости. Использование среднем Расходы, приведенные для входа и выхода.
Шаг 7. Вычислить поверхностный скорости газа в середине использованием вышеуказанных расхода газа.
Шаг 8. Использование массообмена отношения развивались по данным экспериментальных масштабах, решить для агитатора власти. Добавить около 5% для учета привода и печатью потерь для получения требуемой мощности электродвигателя-дро.
Шаг 9. Расчет мощности компрессора. Включить обратного давления, давления жидкости голову, и потери от разбрызгиватель кольцо, трубопроводов и систем фильтрации. Кроме того, включить компрессор производителя, чтобы рассчитать мощность двигателя-дро необходимости (обычно 50-80%). Для существующих установок, они должны быть рассчитаны на основе фактических трубопровода. Для нового исследования, оптимизации завод, упрощающее предположение можно сделать: Система трубопроводов будет размера на основе некоторое снижение максимального давления на заключительном воздуха выбрали.
Шаг 10. Расчет общей мощностью агитатора и компрессора.
Шаг 11. Повторите шаги 1-10 для увеличивается поток воздуха. Прирост 20% от теоретического минимума предложил.
Шаг 12. Повторите шаг 11 до минимальной суммарной мощностью не найдено. Добавить в безопасности факторов для учета ошибок в данных и гибкость для будущих изменений процесса.
Эта процедура в основном предназначена для оптимизации позволяют первоначального установленного компрессора и агитатор власти. Она также может быть использован в существующих ферментер для расчета оптимальных условий в партии цикл, который, конечно же, имеет различные потребности в кислороде, от начала до конца. Если поток воздуха и агитатор скорости и переменной, то контрольно-логической последовательности могут быть разработаны для минимизации потребления энергии во всем последовательность обработки.
Эта процедура может показаться, что привлекать много машинного времени. Конечно, когда система уравнений были определены, они могут быть введены в таблицу компьютеризированной так повторил расчетов будет мало времени. Потенциального вознаграждения могут быть значительными. Это не является необычным для 150 000-L ферментера работать на 100 кВт или более от оптимального состояния. Предполагая типичный завод 10 таких биореакторов и подразделений работать на полной скорости 50% от года, ежегодный потенциал экономии составляет около $ 350000 в стоимости электрической мощности в размере 0.08/kWh. Для проектирования новой системы, такое решение позволит значительно снизить капитальные затраты, а также.
Пример
На рисунке справа показано, как меняется потребление энергии, когда эта процедура используется. Упрощающие предположения о постоянном падении давления газа было сделано, по мере необходимости для нового строительства. Из рисунка видно, мощность компрессора, агитатор власти и общей мощностью в зависимости от воздушного потока. Обратите внимание, что поток воздуха начала использоваться близка к теоретическому минимуму, так агитатора власти достаточно высок. Существует достаточно широкий диапазон, в котором потребляемая мощность составляет примерно постоянной. До тех пор, как в бродильный разработан в этом диапазоне, она будет близка к оптимальной. Если система агитатора крыльчатка, что выбрали почти постоянной газированные энергетические характеристики, то агитатором установленная мощность может быть установлена и воздуха можно отрегулировать до минимума, что обеспечит необходимый уровень DO. Это позволит обеспечить достаточную гибкость операционной сохраняя при этом капитальные и эксплуатационные затраты до минимума. Если крыльчатка системы власти обратить который учитывал бы воздуха, это может быть необходимо использовать с регулируемой скоростью на агитатора для достижения желаемого результата ..
Пример проблемы
Предположим, что производство ферментер имеет диаметр 3,66 М, объем жидкости в 114 M ^ SUP 3 ^ и ungassed жидкости высотой 10,97 М. бульон имеет unaerated удельный вес 1,0. Температура 38 [степени] C. На 1 атм, насыщения значение DO составляет 7,0 мг / л, на основе воздуха, которая не насыщается кислородом. Когда кислород потребляется 95% из них возвращается в виде respired углекислого газа. Уровень потребления или OTR составляет 2000 мг / л-ч. Минимальный желаемый концентрации кислорода в отвар 2 мг / л Ферментер будет эксплуатироваться на залог противодавления в 0,68 атм. Линия потери от компрессора до судно будет 2,04 атм. Допустим, 95% механических эффективности агитатора и 70% для компрессора. Процедура шаг за шагом оптимизации заключается в следующем:
Шаг 1. Всего OTR требуется 2000 мг / л х 114 000 L = 228 х 10 ^ ^ SUP 6 мг О2 / ч = 7125 gmol / ч. Один м ^ ^ SUP 3 воздуха при нормальных условиях (0 [градусов] C и 1 атм) содержит 44,06 gmol. Воздуха на 21% O2 содержит 9,366 gmol из O2/nM ^ SUP 3 ^, так что расход воздуха является 7125 / 9,366 = 760,7 нм ^ ^ SUP 3 / ч, или 12,68 нм ^ ^ SUP 3 / мин.
Шаг 2. Как правило, итерационный процесс будет начинаться с 20% больше воздуха, чем выше значение, но для наглядности, только одна итерация не требуется. Таким образом, в два раза выше стоимости используется (против 1,20 раза расход), который = 25 nM3/min.
Шаг 3. Выполните баланса массы. Впускной воздушный поток 25 нм ^ ^ SUP 3 / мин содержит в общей сложности 1115 gmol, из которых 234,2 являются O2, а остаток в 880,8 gmol, это другие газы, которые будут осуществляться через ферментер без изменений; 7125 gmol / ч, или 118,8 gmol / мин O2 потребляются, оставив 115,4 gmol / мин O2 на выходе газа. Кроме того, CO2 создается в размере 112,8 gmol / мин (95% от стоимости потребляемого кислорода). Таким образом, скорость выхода газа 1109 gmol / мин, с 10,4% O2. Это соответствует газа на выходе из 24,9 нм ^ ^ SUP 3 / мин.
Шаг 4. Для расчета движущей силы, мы должны знать, абсолютного давления и концентрации воздушного потока в верхней и нижней, а также концентрации DO в бульоне в верхней и нижней. Нижней давление равно плюс противодавления столба жидкости: 0,68 атм 1 атм (избыточное давление) 1,06 атм (10,97 м столба жидкости на 1,0 сг) = 2,74 атм абс. После насыщения при 1 атм и 21% О2 7 мг / л, концентрация насыщения в нижней части ферментера 7 х 2,74, или 19,18 мг / л
Давление на самом верху 1,68 атм (абс.) и концентрация О2 10,4%, так насыщения на выходе 7 мг / л х 1,68 х (10.4/21) = 5,82 мг / л Теперь, когда насыщение значения были созданы расчета движущей силой. Чтобы сделать это, жидких концентрации DO также должны быть известны. Было установлено, что как минимум 2 мг / л, необходимых для процесса для эффективной работы. Тем не менее, реальные ферментеров не идеально смешанный, так что не будет градиента концентрации.
Автор видел дел с использованием несколько радиально колеса, где DO разнообразные снизу вверх более чем на порядок. Поэтому, если комбинация осевых и радиальных колес используется в бродильных такого размера, DO в нижней части будет около 50% выше, чем на самом верху. Использование этой основе назначить значения 2 мг / л в верхней и 3 мг / л в нижней части. Войти средняя движущая сила равна [(5.82-2) -19.18-3)] / Л. Н. [(5.82-2) / 19.18-3)] = 8,56 мг / л
Шаг 5. Необходимых к югу ^ L ^ = OTR / движущей силой = (2000 мг / л) / 8,56 мг / л = 233,6 / ч, или 0,0649 / с
Шаг 6. Средний мольный поток газа по средней (1.115 1.109) / 2 = 1.112 gmol / мин, или 24,93 нм ^ ^ SUP 3 / мин. Абсолютное давление на середину равно обратного давления плюс одна половина жидкости голове, или 0,68 1 0,53 = 2,21 атм. Температура 38 [степени] C или 311 К. На основании корректировки права идеальным газом, фактический расход газа 24,93 х (1/2.21) (311/273) = 12,85 M ^ ^ SUP 3 / мин.
Шаг 7. На основании бак диаметром 3,66 М, поверхностные скорости газа 0,0204 М / с
Шаг 8. В этом примере предполагается, что conslants, б и в формуле. 2, 0,02, 0,6 и 0,6, соответственно, основанная на единицах 1 / с к югу ^ L ^, W / M ^ SUP 3 ^ для P / V и М / с для U югу ^ S ^. В идеале, такие константы должны быть получены из экспериментальных данных, полученных в реальных бульон и рабочее колесо системы, которая будет использоваться. На основании необходимых K ^ L ^ югу от 0,0649 / с и скорости поверхностных газа 0,0204 м / с, необходимых агитатора P / V = 349 Вт / м ^ 3 ^ SUP. Для партии размером 114 M ^ ^ SUP 3, что дает общее вложили силы 39,8 кВт. С учетом 95% КПД передачи энергии посредством привода и печать, мощность двигателя требуется привлечь около 41,9 кВт. Если эта цифра представляется низкой, то это потому, необходимых OTR этой проблемы является низким, это "легкие" брожения.
Шаг 9. Для расчета мощности компрессора, воздушный поток входе и давлением необходимости, а также розетки компрессора, считая примерно адиабатических операции. Более детальные расчеты могут быть сделаны после окончательного системы будет выбран. Настройка для единиц кВт мощности, атм давления и расхода воздуха в M ^ ^ SUP 3 / мин, а с помощью специального теплоты для воздуха 1,394, мощность компрессора 5,97 х (давление на входе) х (входящий поток) х [(коэффициент давления) ^ SUP 0'283 ^ -1].
Давление на входе 1 атм. Воздуха регулируется до 20 [градусов] C (293 К) 26,83 M ^ ^ SUP 3 / мин. Давление на выходе обратного давления плюс столба жидкости плюс линии убытки, 1 0,68 1,06 2,04 4,78 = атм. Таким образом, давление соотношение также 4,78. Компрессор власть 5,97 х 1 х 26,83 х [(4,78) ^ ^ SUP 0'283 -1] = 89,2 кВт. С учетом 70% КПД, сделать мотор власть 127,4 кВт.
Шаг 10. Суммарная мощность мешалки плюс то, что в компрессор 41,9 127,4 169,3 = кВт.
Шаг 11. Оптимизации меры не будут повторены здесь, а путем изменения потока воздуха, точка минимальной мощностью можно найти, как показано на рисунке на предыдущей странице.
ЛИТЕРАТУРА
1. Nienow, AW, "Газ Дисперсия производительность в Ферментатор Операция" Chem. Eng. Прогресс, 86 (2), с. 61-71 (февраль 1990).
2. Bakker, А. и др. /. "Как разогнать газов в жидкостях," Хим. Eng., 101 (12), с. 98-104 (декабрь 1994).
Григорий Т. BENZ
BENZ TECHNOLOGY INTERNATIONAL, INC
Григорий Т. BENZ является президентом Benz Technology International (2305 Кларксвилл-роуд, Кларксвилл, OH 45113, телефон: (937) 289-4504, факс: (937) 289-3914, E-почта: <A HREF = "mailto: benztech @ в-touch.net "> benztech@in-touch.net </ A>). Зарегистрированных профессионального инженера в Огайо, он имеет более чем 26-летним опытом в разработке агитации систем, специализирующихся на брожение и биореакторы. Его компания осуществляет общее машиностроение, а также консультирует в смешении и биореактор-дизайн, в том числе спецификации оборудования и оценки конкурсных предложений. Benz привело около 50 семинаров в США, Франции и Китая. Он получил BSChE из Univ. Цинциннати, и является членом AlChE, Международного общества инженеров фармацевтической и Американской торговой палаты в Шанхае.
