Составляется тепловой баланс процесса и определяется тепловая нагрузка.
Если допустить постоянство тепловыделения в аппарате, то тепловой баланс ферментации будет следующим:
Qб + Qм - Qв + Qпс - Qп - Qохл = 0 ,
где Qб - тепло, выделяющееся в процессе биосинтеза; Qм - тепло, выделяющееся при работе мешалки; Qв - тепло, вносимое (уносимое) аэрирующим воздухом; Qпс - тепло, вносимое с питательной средой; Qп - потери тепла в окружающую среду через стенки аппарата; Qохл - тепло, отводимое с охлаждающей водой.
Тепловой эффект биосинтеза зависит от состава питательной среды, количества биомассы и аппаратурного оформления процесса. Принимается ориентировочно или определяется расчетом через расходные коэффициенты:
,
Qб = qб·Vж ,
Qб = 5,12·14 = 71,68 (кВт)
где qб - удельное тепловыделение на (кВт/м3); 14,45 - удельное тепло биоокисления (кДж/г О2); - расходный коэффициент по кислороду; - конечная и начальная концентрации биомассы; t - время культивирования; Vж - объем жидкости в аппарате.
Превращение (диссипация) механической энергии в тепловую:
qм = Nуд = Nэ/ Vж =7,5/14 =0,53 (кВт/м3) ,
где Nуд - удельная мощность на перемешивание; N - мощность привода мешалки. В зависимости от условий перемешивания Nуд = 1-3 кВт/м3
Qм = Nэ = 7,5 (кВт)
Удельное количество тепла, вносимое с аэрирующим воздухом
qв = mв·( I1 – I2 ) ,
где mв = rв·К /60 - удельный массовый расход воздуха, кг/(с·м3); rв - плотность воздуха; К - кратность аэрации; I1 и I2 - теплосодержание входящего и выходящего газа - определяются с помощью I-x диаграммы влажного воздуха или по уравнению:
Ii = cв·ti + (r + cп·ti)·xi ,
где св = 1,01 кДж/(кг·К) - средняя удельная теплоемкость сухого воздуха;
сп = 1,97 кДж/(кг·К) - средняя удельная теплоемкость водяного пара;
r = 2493 кДж/кг - удельная теплота парообразования воды при 0 ОС;
ti - температура входящего и выходящего воздуха (обычно одинаковы и равны температуре культивирования);
хi - влагосодержание воздуха, кг/кг; Определяются по I-x диаграмме воздуха (значения х, соответствующие относительной влажности воздуха 60% на входе и 90% на выходе при 30 ОС составляют примерно: х1 = 0,017, х2 = 0,024).
I1 = 1,01·30 + (2493 + 1,97·30)·0,017 = 73,69 (кДж/кг)
I2 = 1,01·30 + (2493 + 1,97·30)·0,024 = 91,55 (кДж/кг)
mв = rв·К /60 = 1,29·0,651 /60 = 0,014 (кг/(с·м3))
Тогда : qв = = 0,25 (кВт/м3)
QB = qв . Vж = 0,25. 14 = 3,5 (кВт)
Тепло, вносимое с питательной средой (в проточном аппарате):
qпс = mпс·спс·( tпс - tк ) / Vж ,
qпс = 0
где mпс - массовый расход питательной среды; спс - теплоемкость;
tпс - температура питательной среды; tк - температура культивирования.
Потери тепла через стенки аппарата (конвекцией и излучением):
qп = Fап·qуд / Vж ,
где Fап - площадь поверхности аппарата; qуд - удельные потери тепла с 1 м2 поверхности аппарата (зависят от разницы температур стенки аппарата и окружающей cреды). Иногда потери тепла принимают как определенный процент от Qохл .
qп = Fап·qуд / Vж
При qуд = 100 Вт/м2 то qп = 39,8·100 / 14 = 284,3 (Вт/м3
Qп = qп · Vж = 284,3 . 14 = 3980 (Вт) = 3,98 (кВт)
Определив из уравнения баланса qохл или Qохл (Qохл = qохл·Vж )
Qб + Qм + Qв + Qпс + Qп + Qохл = 0
Qохл = Qб + Qм - Qв + Qпс - Qп = 71,68 + 7,5 – 3,5 - 3,98 = 71,7 (кВт)
находят расход хладагента (воды):
W = Qохл /c·(tк - tн) = 71,7/4,19.(23-13) = 1,71 (кг/с)
где c - удельная теплоемкость воды; tк и tн - начальная и конечная температуры охлаждающей воды (принимаются).