Охлаждение ферментера: расчёт чиллера для биореактора

Охлаждение ферментера считают по теплу, которое выделяет сама культура при аэробном росте, и по мощности мешалки: тепло культуры пропорционально тому, сколько кислорода она потребляет. Калькулятор берёт рабочий объём, вид культуры и мощность мешалки и показывает тепло культуры, холодопроизводительность чиллера с запасом и расход воды на рубашку и змеевик.

Расчёт чиллера для ферментера

Культура Клетки животных и растений Грибы, актиномицеты Дрожжи, бактерии Бактерии, высокая плотность

Рабочий объём, л Мешалка, кВт

Вода на рубашку, °C Запас 10 % 15 % 20 %

Выносной конденсатор

Требуемый чиллер

90,7

кВт

Тепло культуры, кВт

63,9

Нагрузка на 1 м³, кВт

15,8

Расход воды, м³/ч

15,6

Подобрать чиллер на 90,7 кВт

Подбор модели откроется на сайте производителя xiron.ru

Откуда берётся тепло

• Рост культуры. Дрожжи, бактерии и грибы окисляют субстрат, и почти вся энергия, которая не ушла в биомассу и продукт, выделяется теплом. На каждый моль поглощённого кислорода приходится ориентировочно 460 кДж тепла почти независимо от вида культуры и субстрата.
• Мешалка. Мощность на валу мешалки целиком переходит в тепло среды. В аэробных ферментерах её берут большой, ориентировочно 1–4 кВт на кубометр, чтобы раздробить пузыри воздуха и растворить кислород.
• Воздух на аэрацию. Воздух после компрессора и фильтров приходит немного теплее среды, а на выходе уносит влагу и с ней часть тепла. Обе величины невелики и в расчёте не учитываются: испарение работает в запас.
• Стерилизация. После стерилизации на месте при 121 °C среду охлаждают до температуры культивирования. Это отдельный, разовый пик, его считают по массе среды и времени, как сказано ниже.

Анаэробное брожение в пивоварении и виноделии выделяет тепла в десятки раз меньше на кубометр, его считают в задачах о пивоварне и о винодельне.

Формула

Q_к = V × OUR × 0,46 / 3600

Q = (Q_к + N) × (1 + k / 100)

Q_к — тепло культуры, кВт; V — рабочий объём среды, л; OUR — скорость потребления кислорода, ммоль O₂/(л·ч); 0,46 — тепло на миллимоль кислорода, кДж/ммоль; N — мощность мешалки на валу, кВт, если она неизвестна — номинальная мощность двигателя; k — запас, %; Q — холодопроизводительность чиллера, кВт. Расход воды считают при её нагреве на 5 °C, как в расчёте мощности по расходу и температурам.

OUR в таблице — в ммоль O₂/(л·ч). В калькуляторе для вариантов культуры приняты 10, 50, 100 и 250 ммоль/(л·ч). Если OUR процесса известен по анализу отходящего газа, тепло культуры точнее считать по нему. Культивирование идёт при 28–37 °C, поэтому воды 10–15 °C хватает с запасом по температуре; лабораторные биореакторы на несколько литров считают в задаче о лабораторном чиллере.

Пример расчёта

Ферментер с рабочим объёмом 5000 л, дрожжи, мешалка 15 кВт, вода на рубашку 10 °C, запас 15 %.

1. Тепло культуры: 5000 × 100 × 0,46 / 3600 = 63,89 кВт, округлённо 63,9 кВт.
2. Вместе с мешалкой: 63,89 + 15 = 78,89 кВт, на 1 м³ среды 78,89 / 5 = 15,8 кВт.
3. Холодопроизводительность: 78,89 × 1,15 = 90,72 кВт, округлённо 90,7 кВт.
4. Расход воды при нагреве на 5 °C: 90,72 / (1,163 × 5) = 15,6 м³/ч.

После стерилизации ту же среду нужно остудить со 121 до 37 °C: при теплоёмкости около 4,1 кДж/(кг·°C) это 5000 × 4,1 × 84 / 3600 = 478 кВт·ч, и чиллер на 90,7 кВт снимет их больше чем за 5 часов. Поэтому горячую часть, до 50–60 °C, обычно снимают водой заводского контура охлаждения, а чиллер подключают на последних градусах; если охлаждать нужно быстрее, время считают в расчёте времени охлаждения.

Как выглядит установка на 90,7 кВт — компрессоры, потребление, расход воды, габариты и масса — показано на странице чиллера 90 кВт; температуру воды там задают свою.

Типовые ошибки

• Считать по средней нагрузке за цикл. Культура потребляет больше всего кислорода в конце экспоненциального роста, и в эти часы тепла в разы больше среднего. Чиллер по среднему не удержит температуру как раз тогда, когда культура к ней чувствительнее всего.
• Брать удельную нагрузку из пивоварения. Ватты на гектолитр для брожения пива в десятки раз меньше, чем у аэробного ферментера, и чиллер выходит во много раз меньше нужного.
• Забыть мешалку. В аэробном ферментере она даёт около пятой части нагрузки, а при высокой скорости вращения на подпитке — больше.
• Горячая обратка после стерилизации. Вода из рубашки при 80–100 °C, пущенная прямо в испаритель, выводит чиллер в аварию высокого давления. Обратку подмешивают трёхходовым клапаном или принимают в буферный бак, как в задаче о химическом реакторе.