ЛекцПРиА. Конспект лекций по дисциплине "Процессы и аппараты биотехнологии"

• Название: Конспект лекций по дисциплине "Процессы и аппараты биотехнологии"
• Дата: 30.03.2022
• Размер: 1.06 Mb.
• Имя файла: ЛекцПРиА.docx
• Тип: Конспект; #429098
• страница: 1 из 14

Конспект лекций по дисциплине

"Процессы и аппараты биотехнологии"

ГЛАВА 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

1.1. ПРЕДМЕТ КУРСА «ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ БИОТЕХНОЛОГИИ», ЕГО ЗАДАЧИ И СВЯЗЬ С ДРУГИМИ ДИСЦИПЛИНАМИ

Под термином «биотехнология» обычно понимают всю совокупность биотехнологических производств.

Биотехнологическими называют производства, в которых участвуют микроорганизмы и применяются ферменты, либо требуется прекращение жизнедеятельности микроорганизмов и инактивация ферментов. К ним относятся большинство фармацевтических, пищевых, косметических, сельскохозяйственных, микробиологических и других производств, в ходе которых исходные материалы, превращаясь в продукты, изменяют агрегатное состояние, внутреннюю структуру, химический состав и свойства.

Любое биотехнологическое производство включает большое количество разнородных процессов. Процесс – это изменение состояния материала в результате одного, преобладающего, физического, химического, механического или другого воздействия.

Устройства, приспособления и оборудование, предназначенные для проведения отдельных процессов, называются аппаратами.

Биотехнологические производства, как и любые другие, например, химические, включают множество различных по природе процессов. Однако при всём разнообразии процессов многие из них являются общими для различных производств (перемешивание, выпаривание, сушка и др.).

Таким образом, процессы биотехнологии могут быть разделены на общие (основные) и специфические. Приоритет в изучении курса отдаётся основным процессам, применимым в нескольких производствах. Соответственно аппараты для реализации этих процессов также подразделяются на основные (типовые) и специальные. В данном курсе аппараты изучаются в ознакомительном плане. Основное внимание уделяется их теоретическому описанию. Более подробное изучение оборудования предусматривается в специальных курсах.

Следовательно, предметом курса «Процессы и аппараты биотехнологии» являются теоретические основы, методы расчёта и моделирование основных процессов, а также конструкций типовых аппаратов, применяемых в биотехнологических производствах.

Овладение данной дисциплиной позволит решать следующие задачи: реализовывать в производственных условиях оптимальные технологические режимы, повышать производительность и улучшать качество продукции, разрабатывать более рациональные технологические схемы и типы аппаратов, правильно оценивать результаты научных исследований и реализовывать их на практике.

Курс «Процессы и аппараты биотехнологии» развивает и дополняет изучавшиеся ранее базовые дисциплины (физика, химия, гидравлика, теплотехника и др.), объединяет их методы применительно к процессам биотехнологии, а также служит основой для овладения специальными дисциплинами.

1.2. КЛАССИФИКАЦИЯ ОСНОВНЫХ ПРОЦЕССОВ
И АППАРАТОВ БИОТЕХНОЛОГИИ

Существует несколько типов классификаций основных процессов биотехнологии:

- по способу организации;

- по изменению параметров во времени;

- по законам, определяющим скорость процессов.

По способу организации процессы делятся на периодические, непрерывные и комбинированные.

Периодические процессы проводятся в аппаратах, в которые через определённые промежутки времени загружаются исходные материалы, а после их переработки и выгрузки продукции операции повторяются снова. Таким образом, в периодическом процессе все стадии проводятся в одном месте, но в разное время.

Непрерывные процессы реализуют в проточных аппаратах. Поступление исходных материалов в аппарат и выгрузка продукции происходят одновременно и непрерывно. Следовательно, все стадии непрерывного процесса протекают одновременно, но пространственно разделены. Они проходят в разных частях одного аппарата или в различных аппаратах, составляющих единую установку.

К комбинированным относятся непрерывные процессы, отдельные стадии которых проводятся периодически, либо периодические процессы, одна или несколько стадий, которые протекают непрерывно.

Непрерывные процессы обладают рядом преимуществ по сравнению с периодическими и комбинированными процессами. Они состоят в следующем:

- нет перерывов в выпуске продукции, т. е. отсутствуют затраты времени на загрузку и выгрузку;

- автоматическое регулирование и полная механизация;

- устойчивость технологических режимов и стабильность качества продукции;

- компактность оборудования, низкие капитальные затраты и эксплуатационные расходы;

- более полное использование тепловой энергии при отсутствии перерывов в работе.

Указанные достоинства позволяют увеличивать производительность и качество продукции, уменьшать количество обслуживающего персонала и улучшать условия труда. По этим причинам в малотоннажных биотехнологических производствах стремятся реализовывать непрерывные процессы. Периодические и комбинированные процессы сохраняют значение для малотоннажных производств с широким ассортиментом продукции, где требуется большая гибкость в использование оборудования при меньших капитальных затратах.

В зависимости от изменения параметров во времени процессы разделяют на установившиеся (стационарные) и неустановившиеся (нестационарные или переходные). При установившемся процессе значение каждого из параметров (температуры, концентрации, скорости и др.) зависит только от положения рассматриваемой точки в аппарате, но не зависит от времени. В неустановившихся процессах параметры зависят не только от положения точки в объеме аппарата, но и от времени. Неустановившимися являются периодические процессы. Непрерывные процессы являются стационарными. Их параметры меняются только в кратковременный период пуска, которым в расчётах пренебрегают.

Наибольшее распространение получила классификация основных процессов по законам, определяющим скорость процессов. Поэтому признаку можно выделить шесть групп процессов.

Гидромеханические процессы, скорость ( ) которых определяется законами гидродинамики – науки о движении жидкостей и газов:

(1.1)

где – объем протекающей жидкости; – площадь поверхности сечения аппарата; – время; – коэффициент скорости процесса (величина, обратная гидравлическому сопротивлению ); – перепад давления (движущая сила процесса).

К гидромеханическим процессам относятся перемещение жидкостей, сжатие и перемещение газов, разделение взвешенных в жидкости или газе частиц в поле различных сил (отстаивание, центрифугирование, фильтрование), а также перемешивание жидких и твёрдых зернистых материалов.

Тепловые процессы, скорость которых определяется законами теплопередачи - науки о способах распространения теплоты:

(1.2)

где – переданная теплота, – поверхность теплообмена; – коэффициент теплопередачи (величина обратная термическому сопротивлению ); – средняя разность температур между обменивающимися теплотой материалами (движущая сила процесса).

В эту группу входят процессы нагревания, охлаждения, замораживания, выпаривания и конденсации паров.

Массообменные (диффузионные) процессы состоят в переносе одного или нескольких компонентов исходной смеси из одной фазы в другую через поверхность раздела фаз. Скорость этих процессов определяется законами массопередачи:

(1.3)

где – количество перенесенного вещества; – площадь поверхности контакта фаз; - коэффициент массопередачи (величина обратная диффузионному сопротивлению ); – разность между равновесной и рабочей концентрациями веществ в фазах (движущая сила процесса).

К диффузионным процессам относятся абсорбция, экстракция, адсорбция, сушка, кристаллизация, перегонка и ректификация.

Химические процессы, связанные с превращением веществ и изменением их свойств. Скорость этих процессов определяется закономерностями химической кинетики:

(1.4)

где – массовая доля прореагировавшего вещества; – объем аппарата; - константа скорости.

К химическим процессам относятся все окислительно-восстановительные реакции, ионный обмен, гидролиз и другие превращения с участием химических веществ.

Биотехнологические процессы, связанные с биохимическим превращением биологических веществ и изменением их свойств под воздействием биологических ферментов (биокатализаторов).

В зависимости от типа воздействия ферментов биотехнологические процессы делят на два вида:

- биохимические процессы, которые происходят под действием гидромеханически вводимых ферментов или тех ферментов, которые являются естественными компонентами сырья;

- микробиологические процессы, происходящие под действием ферментов, вырабатываемых микроорганизмами, жизнедеятельность которых протекает в средах, содержащих питательные вещества.

Биотехнологические процессы основаны на законах биохимии. Скорость этих процессов определяется выражением по форме аналогичным уравнению химической кинетики:

(1.5)

где – объем биореактора, а остальные величины имеют тот же смысл, что и в выражении (1.4).

К биотехнологическим процессам относятся различные виды брожения, ферментация, соление, копчение, созревание, сквашивание и др.

Механические процессы, скорость которых определяется законами механики твёрдых тел, включают в себя измельчение твёрдых материалов, перемешивание и сортирование (классификацию) сыпучих материалов, а также формообразование (прессование, формование, гранулирование, экструзию и др.).

Аппараты биотехнологических производств также классифицируют по организации процесса. По этому признаку они бывают непрерывного и периодического действия. Исходя из технологической схемы, различают поточные, противоточные аппараты и аппараты с поперечным током обрабатываемых материалов. Исходя из давления в рабочем объёме, аппараты могут быть с атмосферным, повышенным и пониженным давлением. В зависимости от температуры различают аппараты, работающие при температуре окружающей среды, при высоких и низких температурах. Однако, основным классификационным признаком для аппаратов является природа реализуемых в них процессов. В соответствие с этим различают шесть групп аппаратов:

- гидромеханические аппараты (насосы, компрессорные машины, фильтры, циклоны, мешалки и др.);

- тепловые (теплообменники, выпарные аппараты);

- массообменные аппараты (абсорберы, ректификационные колонны, адсорберы, экстракторы, сушилки, кристаллизаторы и т. д.);

- химические (реакторы различной конструкции);

- биотехнологические (биореакторы, ферментаторы и пр.);

- измельчающие и классифицирующие.

По распределению времени пребывания и связанных с ним других факторов (температур, концентраций и т. д.) различают две теоретические модели аппаратов непрерывного действия: идеального вытеснения и идеального смешения.

В аппаратах идеального вытеснения все частицы продукта движутся в заданном направлении, не перемешиваясь с движущимися соседними частицами и полностью вытесняя находящиеся впереди частицы потока. Все частицы равномерно распределены по площади поперечного сечения такого аппарата. Время пребывания всех частиц в аппарате одинаково.

В аппаратах идеального смешивания частицы продукта полностью перемешиваются с находящимися там частицами, то есть равномерно распределяются по всему объему. В результате во всех точках объёма аппарата мгновенно выравниваются параметры. Время пребывания частиц в таком аппарате неодинаково.

Реальные непрерывно действующие аппараты являются аппаратами промежуточного типа. В них время пребывания частиц более равномерное, чем в аппаратах идеального смешивания, но никогда не выравнивается как в аппаратах идеального вытеснения.

В аппаратах идеального смешивания концентрация (или температура) во всём объеме одинакова и равна значению на выходе из аппарата. В аппаратах идеального вытеснения значения этих параметров плавно изменяются от начальных до конечных. В аппаратах промежуточного типа изменения параметров происходят еще более плавно.

1.3 ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ АНАЛИЗА И РАСЧЁТА ПРОЦЕССОВ И АППАРАТОВ

Расчёт процессов и аппаратов обычно имеют следующие основные цели:

- определение условий предельного, или равновесного, состояния системы;

- вычисление расхода исходных материалов и количества продуктов;

определение необходимой энергии (тепла) и расхода теплоносителей;

- установление оптимальных режимов работы и соответствующей им рабочей поверхности или рабочего объёма аппаратов;

- вычисление основных размеров аппаратов.

В соответствии с этим исходным этапом является расчёт и анализ статики процесса, т. е. рассмотрение данных о равновесии, на основе которых определяют направление и пределы протекания процессов.

Далее, для определения расходов веществ, теплоносителей и энергии составляют материальный, тепловой и энергетический балансы процесса или аппарата на 1 час, 1 загрузку или год работы. Балансы составляются исходя из законов сохранения массы и энергии

(1.6)

и

(1.7)

где и – количества поступающих и получаемых веществ; – количество теряемых веществ; и – вводимая и выводимая теплота; – теряемая теплота

Материальный баланс (1.6) позволяет рассчитать расход исходных материалов или количество продукта. Материальный баланс позволяет также оценить выход продукта, под которым понимают выраженное в процентах отношение количества полученного продукта к предельному, т. е. максимальному теоретически возможному количеству. Выход продукта обычно рассчитывают на единицу затраченного сырья. Если сырья несколько видов, то выход продукта относят к одному из них.

На основании теплового баланса (1.7) находят расход водяного пара, воды и других теплоносителей.

В энергетическом балансе, кроме тепла, учитываются приход и расход всех видов энергии (электрической, механической, и т. д) По данным энергетического баланса определяют общий расход энергии на процесс или работу аппарата.

Рабочую поверхность, рабочий объем и размеры аппаратов определяют на основе кинетических данных. Непосредственно из кинетических данных вычисляются скорость и движущая сила процесса, а из них уже габаритные размеры.

Анализ выражений (1.1) – (1.5) показывает, что различные по природе процессы описываются одним по форме кинетическим уравнением

(1.8)

где – количество перенесённого вещества или тепла; – коэффициент скорости процесса; – движущая сила процесса; – время.

Сложность использования выражения (1.8) при нахождении рабочей поверхности или рабочего объёма заключается в определении кинетических величин и . Движущая сила процесса постоянно меняется, поэтому в тепломассообменных процессах можно лишь приближённо находить её среднее значение . Расчёты процессов и аппаратов в основном сводятся к определению значений и .

Если для непрерывно действующего аппарата известны , и объём среды, протекающей через аппарат в единицу времени , а также задана или принята линейная скорость движения среды , то площадь поперечного сечения аппарата находят из соотношения

(1.9)

По величине определяют один из основных размеров аппарата, например для аппарата цилиндрической формы – его диаметр .

Другим основным размером является высота (или длина) аппарата. Из выражения (1.8) находят рабочий объём (если ) или рабочую поверхность аппарата. Зная и пользуясь зависимостью , где - поверхность, приходящаяся на единицу объёма аппарата, рассчитывают его рабочий объём. По величине определяют высоту , применяя соотношение .

Рабочий объём периодически действующего аппарата определяют, как произведение заданной производительности (например, в м³/c) и периода процесса в сек, включающего продолжительность самого процесса, а также время на загрузку, выгрузку и другие вспомогательные операции:

(1.10)

Затем габаритные размеры аппарата рассчитывают по методике аналогичной той, которая применялась для аппарата непрерывного действия.