Инженерная биотехнология: процессы и аппараты микробиологических производств

ИНЖЕНЕРНАЯ БИОТЕХНОЛОГИЯ 
ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ 
МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИХ 
ПРОИЗВОДСТВ

А.В. ЛУКАНИН

Рекомендовано
в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений,
обучающихся по направлению подготовки 19.03.01 «Биотехнология»
(квалификация (степень) «бакалавр»)

Москва
ИНФРА-М
2020

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

УДК 663.1(075.8)
ББК 28.4я73
 
Л84

Луканин А.В.
Инженерная биотехнология: процессы и аппараты микробиологических производств : учебное пособие / А.В. Луканин. — Москва : 
ИНФРА-М, 2020. – 451 с. — (Высшее образование: Бакалавриат). — 
DOI 10.12737/16718.

ISBN 978-5-16-011480-4 (print)
ISBN 978-5-16-103739-3 (online)
В учебном пособии показаны принципы проведения процессов и работы аппаратов, используемых в биотехнологии (биоинженерии). Рассмотрены теоретические основы различных технологических процессов — гидромеханических, тепловых, массообменных и механических. Описаны 
конструкции типовых аппаратов, методы, используемые для их расчетов, 
и показаны области их применения. 
Для студентов, преподавателей вузов, аспирантов, научных работников, инженеров-технологов и других специалистов, обучающихся и работающих в области промышленной биотехнологии.

УДК 663.1(075.8)
ББК 28.4я73

А в т о р:
А.В. Луканин, доктор технических наук, профессор

Р е ц е н з е н т ы:
Н.Б. Градова, доктор биологических наук, профессор;
Б.С. Ксенофонтов, доктор технических наук, профессор

ISBN 978-5-16-011480-4 (print)
ISBN 978-5-16-103739-3 (online)
© Луканин А.В., 2016

Л84

Введение

Аппаратура, используемая в технологических процессах производства продуктов микробиологического синтеза, весьма разнообразна и, хотя у данной отрасли имеется немало общего с другими 
смежными отраслями, во многом специфична.
Специфические требования к оборудованию, применяемому в 
микробиологической промышленности, связаны с санитарно-гигиеническими особенностями его использования и предот вращением 
контаминации, что имеет решающее значение при проектиро вании 
конструкций, выборе материалов для их изготовления и др.
Одно из основных требований к оборудованию микробиологического производства — это его герметичность. Применение герметичных аппаратов, особенно на стадии культивирования, является важ ным условием качественного проведения процесса и получения стандартного продукта с высоким выходом из единицы сырья. 
Большое значение имеет правильный выбор материала, из которого 
изготовлено оборудо вание, поскольку компоненты материала могут 
оказывать как активирующее, так и ингибирующее действие на биосинтез биологически активных веществ.
Оборудование должно быть рассчитано на проведение непрерывных процессов, поскольку это позволяет интенсифицировать и 
авто матизировать их. 
Общая схема биотехнологического производства с точки зрения 
процессов и аппаратов, может быть представлена следую щим 
образом:
1) механические процессы, применяемые для переработки 
твердых материалов. К таким процессам относятся: перемещение 
материа лов, их измельчение, классификацию (сортировку) по крупности, дозирование и смешивание;
2) гидромеханические процессы, используемые при перера ботке 
жидкостей и газов, а также неоднородных систем, состоя щих из жидкости и мелко измельченных твердых частиц, взве шенных в жидкости (суспензий). Движение жидкостей, газов и суспензий характеризуется законами механики жидких тел — гидромеханики. К числу 
гидромеханических процессов относятся: перемещение жидкостей и 
газов, перемешивание в жидкой сре де, разделение жидких неоднородных систем (отстаивание, фильтрование, центрифугирование), 
очистка газов от пыли;
3) тепловые процессы, связанные с теплообменом, т.е. пере ходом 
тепла от одного вещества к другому. К этим процессам относятся: нагревание, охлаждение, процессы, протекающие с изменением агре

гатного состояния вещества, — испарение, кон денсация, плавление 
и затвердевание, а также процессы выпа ривания, кристаллизации и 
получения искусственного холода;
4) массообменные процессы, заключающиеся в переходе вещества 
(массы) из одной фазы в другую путем диффу зии. К этой группе относятся следующие процессы перехода веществ:
 
• из твердой фазы в жидкую (растворение) или из жидкой фазы в 
твердую (кристаллизация);
 
• из одной жидкой фазы в другую жидкую фазу (экстрак ция);
 
• из жидкой фазы в газообразную (испарение жидкости, де сорбция 
растворенного газа из жидкости) или из газообразной фазы в 
жидкую (конденсация пара, аб сорбция газа жидкостью);
 
• из жидкой фазы в парообразную и одновременно из парообразной фазы в жидкую (ректификация);
 
• из твердой фазы в газообразную (возгонка, десорбция газов из 
твердых тел) или из газообразной фазы на поверх ность твердых 
тел (адсорбция газов твердыми телами).
Указанные механические, гидромеханические, тепловые и массообменные процессы широко применяются в большинстве биотехнологических производств. 

Глава 1. Общие пОлОжения

1.1. КлассифиКация ОснОВных прОцессОВ и аппаратОВ 

Все нижеперечисленные процессы в той или иной степени используются в производстве лекарственных препаратов, химических, 
пищевых, кормовых и других продуктов.
По общепринятой классификации, основанной на кинетичес кой 
(скоростной) закономерности процессов, различают [3, 5]:
•
• гидромеханические•процессы, скорость jг которых определяется законами гидродинамики:

 
j
dV
Fd
p
r
K
p
г =
=
=
τ

Δ
Δ
1
1
, 
(1.1)

где V — объем перемещаемой среды; F — площадь сечения аппа рата; 
τ — время; К1 — коэффициент скорости процесса (величина, обратная 
гидравлическому сопротивлению r1); Δр — перепад давлений (движущая сила процесса).
К гидромеханическим относятся процессы перемещения жидкостей и газов, осаждения, фильтрования, центрифугирования, псевдоожижения, перемешивания в жидких средах и др.;
•
• тепловые•процессы, скорость jт которых определяется законами 
теплопередачи: 

 
j
dQ
Fd
t
r
K
t
т =
=
=
τ

Δ
Δ
2
2
, 
(1.2)

где Q — количество переданной теплоты; F— поверхность теплообмена; K2 — коэффициент теплопередачи (величина, обратная термическому сопротивлению r2), Δt — разность температур меж ду обменивающимися теплотой материалами (движущая сила про цесса).
К тепловым относятся процессы нагревания, охлаждения, кипения, конденсации, выпаривания и др.;
•
• массообменные•(диффузионные)•процессы, скорость jм которых 
определяется скоростью перехода вещества из одной фазы в другую:

 
j
dM
Fd
c
r
K
c
м =
=
=
τ

Δ
Δ
3
3
, 
(1.3)

где М — количество вещества, перенесенного из одной фазы в 
другую; F — поверхность контакта фаз; К3 — коэффициент массопередачи (величина, обратная диффузионному сопротивлению r3, 

Δс — разность между равновесной и рабочей концентрациями вещества в фазах (движущая сила процесса).
К массообменным относятся процессы абсорбции, ректификации, экстракции, адсорбции, сушки, кристаллизации и др.;
•
• механические•процессы, скорость которых определяется законами физики твердого тела.
К механическим относятся процессы измельчения, классификации, дозирования, смешивания твердых материалов, их перемещения и др.;
•
• химические•процессы, связанные с превращением веществ и изменением их химических свойств. Скорость jх этих процессов определяется закономерностями химической кинетики:

 
j
dM
Vpd
K f c
х =
=
τ
4 ( ) , 
(1.4)

где М — количество прореагировавшего в химическом процессе вещества, Vp — объем реактора, К4 — коэффициент скорости химического процесса, f(с) —движущая сила процесса, которая является 
функцией концентраций реагирующих веществ.
Производственным или технологическим называется воспроизведенный в большом масштабе процесс пере работки природных и 
синтетических материалов в продукты потребле ния. 
Для осуществления каждого производственного процесса необходимы: 1) исходные материалы; 2) машины; 3) энергия; 4) рабочая сила.
Производственный процесс состоит из стадий производства, а 
стадии производства — из отдельных технологических операций. 
Промышленное производство характе ризуется использованием 
машин и аппаратов, пред назначенных для осуществления различных 
процессов.
Машина — это устройство, выполняющее механи ческое движение 
с целью преобразования энергии или материалов. В машине сочетаются три основных узла: двигатель, передаточный и исполнительный 
меха низмы. Передаточный и исполнительный меха низмы часто объединяются в одно целое, составляя рабочую машину (станок).
Двигатель — это устройство, обеспечивающее дви жение всех 
других механизмов машины. Чаще всего в качестве двигателя 
использу ются электродвигатели трехфазного тока.
Исполнительный, или рабочий, механизм является основой рабочей 
машины. Он служит для непосредст венного воздействия на предмет 
труда и производит в нем необходимые изменения, являющиеся 
целью об работки.
Передаточный механизм — это связующее звено между двигателем и исполнительным механизмом, ко торое осуществляет свою 

функцию путем передачи, регулирования, преобразования и распределения первоначального вращательного движения, создаваемого 
двигателем, и приведения этого движения в работу в соответствии с 
задачами исполнительного механиз ма. 
Аппарат — механическое устройство предназначенное для проведения различных технологических процессов. В отличии от машины 
аппарат не имеет двигателей и передаточных механизмов. Примеры 
аппаратов — фильтры, экстракторы, отстойники.

1.2. принципы анализа и расчета прОцессОВ

Анализ процесса начинается с определения условий равновесия 
системы с учетом законов гидродинамики, термодинамики и массообмена. Наибольшее количество параметров, которые можно изменять, не нарушая равновесия, определяют с помощью правила фаз 
Гиббса для различных систем [5, 7, 12]:

 
Ф + С = К + 2, 
(1.5)

где Ф — число фаз; С — число степеней свободы, т.е. число независимых переменных, значение которых можно произвольно изменять без нарушения числа или состава фаз в системе; К — чис ло 
компонентов системы.
По характерным равновесным и рабочим параметрам опреде ляют 
движущую силу процесса, используемую для расчета основ ных размеров проектируемого аппарата.
Целью расчета химических процессов и аппаратов является определение массовых потоков перерабатываемых материалов и энергетических затрат, необходимых для осущест вления процессов, а 
также вычисление основных размеров машин и аппаратов.
Для инженера-конструктора важны не столько определение материальных и энергетических соотношений процесса, сколько глубокий анализ его кинетических закономерностей. Ана лиз позволяет 
найти оптимальные условия процесса, при кото рых размеры машин 
и аппаратов минимальны.
Анализ процессов и расчет аппаратов проводят в определен ной 
последовательности. Сначала, исходя из законов гидродина мики 
или термодинамики, выявляют условия равновесия и опре деляют 
направление течения процесса. По данным о равно весии устанавливают начальные и конечные значения парамет ров процессов.
На основании закона сохранения материи составляют уравнение 
мате риального баланса•[10]:

 
ΣМн = ΣМк , 
(1.6)

где ΣМн — количество исходных материалов; ΣМк — количество конечных про дуктов.
Далее определяют тепловой эффект процесса и, исходя из закона 
сохранения энергии, составляют уравнение теплового баланса [10]:

 
ΣQн + Qp = ΣQк + Qп, 
(1.7)

где ΣQн — тепло, поступающее в аппарат с исходными материалами; 
Qp — тепловой эффект процесса; ΣQк — тепло, уходящее из аппарата 
с конечными продуктами; Qп — потери тепла в окружающую среду.
По величинам, характеризующим рабочие и равновесные параметры, определяют движущую силу процесса.
На основании законов кинетики (гидромеханической, тепло вой, 
диффузионной, химической) находят коэффициент скорости процесса.
По полученным данным определяют основной размер аппа рата: 
емкость, площадь поперечного сечения, поверхность нагре ва, поверхность фазового контакта и т.д. Для этого используют общее соотношение:

 
А = М / (DК), 
(1.8)

где А — основной размер аппарата; М — количество материала, 
перерабаты ваемого в единицу времени; D — движущая сила процесса; К — коэффициент скорости процесса.
Из соотношения (1.8) следует, что движущая сила и коэф фициент 
скорости процесса являются основными величинами при определении размеров аппаратов. Нахождение численных значений этих 
двух величин является самой сложной частью расчета аппаратуры, так 
как при этом возникает необходимость обоснованно решать вопросы 
масштабных переходов — распро странения данных, полученных в 
лабораторных исследованиях, на промышленные объекты [4—6].
При разработке новых процессов и аппаратов применяют физическое и математическое моделирование [12].
Физическое моделирование заключается в замене изучения какоголибо объекта опытным изучением его модели, имеющей ту же физическую природу, но отличающейся масштабом или значениями 
характеристик. К физическому моделированию при бегают, когда 
натурные испытания трудно осуществить вслед ствие очень больших 
или очень малых размеров разрабатывае мого объекта. При физическом моделировании используют опи санные ниже теорию подобия 
и метод анализа размерностей.
Математическое моделирование представляет собой приближенное описание какого-либо класса процессов с помощью системы 
дифференциальных уравнений, связывающих основные параметры 
процессов. Та кое описание называют математической моделью процесса.

1.3. периОдичесКие и непрерыВные прОцессы

По организационно-технической структуре процессы делятся на 
периодические и непрерывные•[3, 5, 6].
В периодическом процессе его отдельные стадии (или опера ции) 
осуществляются в одном месте (в одном аппарате или ма шине), но 
в разное время. В непрерывном процессе отдельные стадии осуществляются одновременно, но в разных местах (в разных аппаратах 
или машинах).
Для примера рассмотрим процесс, который складывается из 
стадий загрузки перерабатываемого материала в установку, его нагревания, перемешивания, охлаждения и выгрузки из уста новки готового продукта. Этот процесс может осуществляться периодически 
или непрерывно.
При периодическом проведении процесса все перечисленные 
стадии протекают в разное время в одном аппарате, который соответствующим образом приспособлен для этого. Исходный материал 
загружается (рис. 1.1) в аппарат. После загрузки материал нагревается 
водяным паром, подаваемым в рубашку 2. Пар отдает тепло перерабатываемому материалу через стенку корпуса 1 и при этом конденсируется; конденсат отводит ся через нижний патрубок в рубашке. 
Стадия перемешивания осуществляется при вращении мешалки 3. 
После перемешивания следует охлаждение материала водой, подаваемой в змеевик 4. Готовый продукт выгружается через патрубок в 
днище аппа рата.

V
V

I
III

II
IV

4
2

3

1

рис. 1.1. Аппарат для проведения периодического процесса:

1 — корпус; 2 — паровая рубашка: 3 — мешалка; 4 — змеевик; I — исходный материал; II — готовый продукт; III — пар; IV — конденсат; V — охлаждающая вода

При непрерывном осуществлении процесса все стадии протекают одновременно в различных аппаратах (рис. 1.2). Мате риал 

непрерывно загружают в установку, состоящую из ряда специализированных аппаратов. Он нагревается в теплообменнике 1, перемешивается в аппарате с мешалкой 2, охлаждается в холодильнике 3. 
Готовый продукт непрерывно выводится из холодильника.

III

I

IV

II

V

2
1
3

рис. 1.2. Схема установки для осуществления непрерывного процесса:

1 — теплообменник-нагреватель; 2 — аппарат с мешалкой; 3 — теплообменникхолодильник; I — исходный материал; II — готовый продукт; III — пар; IV — конденсат; 

V — охлаждающая вода

Для более четкой характеристики периодических и непрерывных 

процессов используют следующие понятия и обозначения.

Продолжительность процесса (τ) — время, необходимое для завер
шения всех стадий процесса, начиная с момента загрузки исходных 
материалов и кончая выгрузкой готовых продуктов.

Период процесса (Δτ) — время, протекающее с начала загрузки 

исходных материалов данной партии до начала загрузки исходных 
материалов следующей партии.

Непрерывные процессы имеют значительные преимущества 

перед периодическими: возможность специализации аппаратуры 
для каждой операции (стадии) процесса, стабилизация процесса 
во времени, улучшение качества продукта, легкость регулирования 
и возможность автоматизации процесса. Этими преимуществами 
объясняется неизменная тенденция перехода от периодических процессов к непрерывным.

Непрерывно действующие аппараты в зависимости от характера 

движения и изменения параметров перерабатываемых материалов 
делят на аппараты полного вытеснения, полного смешения и промежуточного типа.

При проведении процессов в любом из перечисленных аппаратов 

изменяются значения параметров перерабатываемых материалов. 
Параметрами, характеризующими процесс, являются давление,