Инженерная биотехнология: процессы и аппараты микробиологических производств
Покупка
Основная коллекция
Тематика:
Микробиологическая промышленность
Издательство:
НИЦ ИНФРА-М
Автор:
Луканин Александр Васильевич
Год издания: 2023
Кол-во страниц: 451
Дополнительно
Вид издания:
Учебное пособие
Уровень образования:
ВО - Бакалавриат
ISBN: 978-5-16-011480-4
ISBN-онлайн: 978-5-16-103739-3
Артикул: 457200.06.01
К покупке доступен более свежий выпуск
Перейти
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.
Тематика:
ББК:
- 284: Микробиология
- 351: Основные процессы и аппараты химической технологии
- 663: Внутренняя политика. Внутреннее положение
УДК:
ОКСО:
- Среднее профессиональное образование
- 15.02.01: Монтаж и техническая эксплуатация промышленного оборудования (по отраслям)
- 15.02.17: Монтаж, техническое обслуживание, эксплуатация и ремонт промышленного оборудования (по отраслям)
- ВО - Бакалавриат
- 19.03.01: Биотехнология
ГРНТИ:
Скопировать запись
Инженерная биотехнология: процессы и аппараты микробиологических производств, 2024, 457200.07.01
Инженерная биотехнология: процессы и аппараты микробиологических производств, 2022, 457200.05.01
Инженерная биотехнология: процессы и аппараты микробиологических производств, 2020, 457200.03.01
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
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 202УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ
УДК 663.1(075.8) ББК 28.4я73 Л84 Луканин А.В. Инженерная биотехнология: процессы и аппараты микробиоло- гических производств : учебное пособие / А.В. Луканин. — Москва : ИНФРА-М, 2023. – 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 рабо- ты аппаратов, используемых в биотехнологии (биоинженерии). Рассмот- рены теоретические основы различных технологических процессов — ги- дромеханических, тепловых, массообменных и механических. Описаны конструкции типовых аппаратов, методы, используемые для их расчетов, и показаны области их применения. Для студентов, преподавателей вузов, аспирантов, научных работни- ков, инженеров-технологов и других специалистов, обучающихся и рабо- тающих 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 произ- водства продуктов микробиологического синтеза, весьма разно- образна 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-гиги- еническими 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 микробиологи- ческого производства — это его герметичность. Применение гер- метичных аппаратов, особенно на стадии культивирования, явля- ется важ ным условием качественного проведения процесса и полу- чения 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 неодно- родных 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: на- гревание, 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 от- носятся 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 па- рообразной 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 мас- сообменные процессы широко применяются в большинстве биотех- нологических производств.
Глава 1. Общие пОлОжения 1.1. КлассифиКация ОснОВных прОцессОВ и аппаратОВ Все нижеперечисленные процессы в той или иной степени ис- пользуются 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 за- конами 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 (дви- жущая сила процесса). К гидромеханическим относятся процессы перемещения жид- костей и газов, осаждения, фильтрования, центрифугирования, псев- доожижения, 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 тепло- обмена; K2 — коэффициент теплопередачи (величина, обратная тер- мическому сопротивлению r2), Δt — разность температур меж ду об- менивающимися теплотой материалами (движущая сила про цесса). К тепловым относятся процессы нагревания, охлаждения, ки- пения, 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 массо- передачи (величина, обратная диффузионному сопротивлению r3,
Δс — разность между равновесной и рабочей концентрациями ве- щества в фазах (движущая сила процесса). К массообменным относятся процессы абсорбции, ректифи- кации, экстракции, адсорбции, сушки, кристаллизации и др.; • • механические•процессы, скорость которых определяется зако- нами физики твердого тела. К механическим относятся процессы измельчения, классифи- кации, дозирования, смешивания твердых материалов, их пере- мещения и др.; • • химические•процессы, связанные с превращением веществ и из- менением их химических свойств. Скорость jх этих процессов опре- деляется закономерностями химической кинетики: j dM Vpd K f c х = = τ 4 ( ) , (1.4) где М — количество прореагировавшего в химическом процессе ве- щества, Vp — объем реактора, К4 — коэффициент скорости хими- ческого процесса, f(с) —движущая сила процесса, которая является функцией концентраций реагирующих веществ. Производственным или технологическим называется воспроиз- веденный в большом масштабе процесс пере работки природных и синтетических материалов в продукты потребле ния. Для осуществления каждого производственного процесса необхо- димы: 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 сочета- ются три основных узла: двигатель, передаточный и исполнительный меха низмы. Передаточный и исполнительный меха низмы часто объ- единяются 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 двига- телем и исполнительным механизмом, ко торое осуществляет свою
функцию путем передачи, регулирования, преобразования и распре- деления первоначального вращательного движения, создаваемого двигателем, и приведения этого движения в работу в соответствии с задачами исполнительного механиз ма. Аппарат — механическое устройство предназначенное для прове- дения 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 мас- сообмена. Наибольшее количество параметров, которые можно из- менять, 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 неза- висимых переменных, значение которых можно произвольно из- менять 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 раз- меров проектируемого аппарата. Целью расчета химических процессов и аппаратов является оп- ределение массовых потоков перерабатываемых материалов и энер- гетических затрат, необходимых для осущест вления процессов, а также вычисление основных размеров машин и аппаратов. Для инженера-конструктора важны не столько определение ма- териальных и энергетических соотношений процесса, сколько глу- бокий 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 устанав- ливают 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 ко- нечных 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 па- раметры, 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, по- верхность фазового контакта и т.д. Для этого используют общее со- отношение: А = М / (DК), (1.8) где А — основной размер аппарата; М — количество материала, перерабаты ваемого в единицу времени; D — движущая сила про- цесса; К — коэффициент скорости процесса. Из соотношения (1.8) следует, что движущая сила и коэф фициент скорости процесса являются основными величинами при опреде- лении 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 физи- ческое и математическое моделирование [12]. Физическое моделирование заключается в замене изучения какого- либо объекта опытным изучением его модели, имеющей ту же фи- зическую 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 физи- ческом моделировании используют опи санные ниже теорию подобия и метод анализа размерностей. Математическое моделирование представляет собой прибли- женное 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 осуще- ствляются одновременно, но в разных местах (в разных аппаратах или машинах). Для примера рассмотрим процесс, который складывается из стадий загрузки перерабатываемого материала в установку, его на- гревания, перемешивания, охлаждения и выгрузки из уста новки го- тового продукта. Этот процесс может осуществляться периодически или непрерывно. При периодическом проведении процесса все перечисленные стадии протекают в разное время в одном аппарате, который соот- ветствующим 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 перера- батываемому материалу через стенку корпуса 1 и при этом конден- сируется; конденсат отводит ся через нижний патрубок в рубашке. Стадия перемешивания осуществляется при вращении мешалки 3. После перемешивания следует охлаждение материала водой, пода- ваемой 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 мате- риал; II — готовый продукт; III — пар; IV — конденсат; V — охлаждающая вода При непрерывном осуществлении процесса все стадии про- текают одновременно в различных аппаратах (рис. 1.2). Мате риал
непрерывно загружают в установку, состоящую из ряда специализи- рованных аппаратов. Он нагревается в теплообмен нике 1, переме- шивается 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 — теплообменник- холодиль ник; I — исходный материал; II — готовый продукт; III — пар; IV — конденсат; V — ох лаждающая вода Для более четкой характеристики периодических и непре рывных процессов используют следующие понятия и обозна чения. 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 за грузки исходных материалов данной партии до начала загрузки исходных материалов следующей партии. Непрерывные процессы имеют значительные преимущества перед периодическими: возможность специализации аппарату ры для каждой операции (стадии) процесса, стабилизация про цесса во времени, улучшение качества продукта, легкость регу лирования и возможность автоматизации процесса. Этими преимущества ми объясняется неизменная тенденция перехода от периодиче ских про- цессов к непрерывным. Непрерывно действующие аппараты в зависимости от ха рактера движения и изменения параметров перерабатываемых материалов делят на аппараты полного вытеснения, полного смешения и про- межуточного типа. При проведении процессов в любом из перечисленных аппа ратов изменяются значения параметров перерабатываемых ма териалов. Параметрами, характеризующими процесс, являются давление,
К покупке доступен более свежий выпуск
Перейти