ZASADY techno- i biotechno- LOGICZNE

Transkrypt

1 POLITECHNIKA WARSZAWSKA Wydział Chemiczny LABORATORIUM PROCESÓW TECHNOLOGICZNYCH Projektowanie Procesów Biotechnologicznych Ludwik Synoradzki ZASADY techno- i biotechno- LOGICZNE

2 KONCEPCJA (BIO)CHEMICZNA reakcji chemicznych lub biochemicznych i przemian fizycznych, otrzymanie produktu. reakcji chemicznych/biochemicznych i metod ma zasadnicze znaczenie dla opracowywanej technologii, dlatego musi dokonany starannie. o badaniu reakcji chemicznej, a badamy proces chemiczny, tylko jest reakcja. Wynik od sposobu wydzielenia produktu (destylacja, krystalizacja, ekstrakcja). koncepcji chemicznej jest etapem, musimy o alternatywnym (TARP) O wyborze w skali inne w danym. decyduje kryterium ekonomiczne lub

3 KONCEPCJA (BIO)TECHNOLOGICZNA liczby, i podstawowych do prowadzenia produkcji. Powstaje w trakcie analizy i sprawdzania koncepcji (bio)chemicznej i jej ania o elementy wyboru metod sposobu prowadzenia procesu (okresowy lub oraz aparaturowych Nie ma ostrej granicy i (bio)technologicznej!!! tworzeniem koncepcji (bio)chemicznej Kolejne zmiany do coraz to doskonalszej wizji procesu z wszystkich strumieni.

4 KONCEPCJA (BIO)TECHNOLOGICZNA Graficzne przedstawienie koncepcji technologicznej schemat ideowy. Podstawa tzw. pracy rozwojowej nad procesem, tzn. zbadania wybranych podstawowych w skali (od laboratoryjnej do i stworzenie schematu technologicznego. Dalej to gruntowne sprawdzenie, optymalizacja i z lokalnych i tzw. zasad technologicznych. koncepcja technologiczna rodzi w fazie opracowywania laboratoryjnej metody technologicznej, czy do projektu procesowego. zawiera projekt procesowy.

5 Procesy podstawowe PODSTAWOWE DEFINICJE Elementarne etapy, jakie w procesie produkcyjnym chemicznego, : przemian fizycznych operacje jednostkowe np. destylacja, krystalizacja przemian chemicznych procesy jednostkowe np. estryfikacja, nitrowanie Proces technologiczny odpowiednio uszeregowanych podstawowych, w wyniku z i uzyskuje w instalacji produkcyjnej produkty.

6 Proces PODSTAWOWE DEFINICJE Wszystkie etapy i w warunki procesu nie w czasie, doprowadzanie i oraz odbywa i w nieprzerwany. Proces periodyczny (okresowy) Etapy kolejno po sobie w czasie, cyklicznie, doprowadzenie i odbywa w czasu z koncepcji technologicznej procesu, warunki procesu cyklicznie w czasie. Instalacja produkcyjna i (zwykle na jednej terenu) przeznaczonych do prowadzenia procesu technologicznego wg koncepcji technologicznej.

7 ZASADY TECHNOLOGICZNE sposoby najekonomiczniejszego i najszybszego prowadzenia przy maksymalnym wykorzystaniu, minimalnym energii i uzyskiwaniu z jednostki aparatury. za prof. Bretsznajderem Najlepszego wykorzystania, Najlepszego wykorzystania, Najlepszego wykorzystania energii, Najlepszego wykorzystania aparatury, Umiaru technologicznego. zasady:

8 Z. NAJLEPSZEGO WYKORZYSTANIA jak najlepsze wykorzystanie przebieg procesu. szybki dyfuzji, chemicznej, wymiany oddalenie od stanu dyfuzyjny, termiczny, tarcia itp. ; Zasada, do weryfikacji trzech Z. (najlepszego wykorzystania, energii i aparatury).

9 Z. MAKS WYKORZYSTANIA biochemicznych jest aktywny czynnika biologicznego: drobnoustroju, enzymu (grupy lub tkanek lub. Efektywne przeprowadzenie tych wymaga stworzenia do wykorzystania czynnika biologicznego. Zasadnicze metody realizacji tej zasady to: dostosowanie ph, napowietrzenie); stabilizacja ph rozpuszczonego tlenu i ditlenku wykorzystanie usuwanie optymalizacja

10 Z. NAJLEPSZEGO WYKORZYSTANIA Jak najlepsze wykorzystanie jest niezwykle zagadnieniem technologicznym, jak i ekonomicznym, koszt (KS) stanowi (nawet do ok. 50%) technicznego kosztu wytwarzania (TKW). Ma ono znaczenie dla ochrony naturalnego, co wynika z bilansu masowego. Podstawowe wymagania dot. w procesach biotechnologicznych dostarczenia, azotu, tlenu (w hodowlach tlenowych), mineralnych, wzrostu. Surowce powinny, ale nie zawsze jest to istotne. W farmacji jest i dostosowanie S do potrzeb. W produkcji etanolu, KS ma znaczenie.

11 Z. NAJLEPSZEGO WYKORZYSTANIA Zorganizowanie procesu technologicznego wykorzystanie : maksymalne hodowle okresowe z dozowaniem substratu represji katabolicznej lub zmniejszenia przy substratu; sterylizacja eliminacja szkodliwych ; sterylizacja hodowlanych; zawracanie do procesu (np. ekstrahenty, regen. rozpuszczal.); stosowanie nadmiaru S tanich (do stechio) lepsze wykorzyst. S drogich; stosowanie w procesach okresowych to odpowiednia praca baterii ; stosowanie tanich i S ; wykorzystanie ubocznych i odpadowych.

12 Z. NAJLEPSZEGO WYKORZYSTANIA Represja kataboliczna zahamowanie ekspresji genu wskutek dołączenia cząsteczki represora, co uniemożliwia transkrypcję; np. represja kataboliczna polega na zahamowaniu ekspresji genów kodujących białko enzymatyczne, katalizujące rozkład substancji pokarmowych, na skutek wzrostu dostępności innego substratu, którego katabolizm jest bardziej wydajny energetycznie. Przykładem jest zahamowanie genów operonu laktozowego u pałeczki okrężnicy w obecności glukozy w pożywce.

13 : laboratoryjnych i ½-technicznych; maksymalnie ograniczamy reakcje uboczne do stechiometrii; ekstrakcja cieczregenerujemy i zawracamy reagenty (gdy uzasadnione ekonomicznie); racjonalnie wykorzystujemy produkty uboczne i odpadowe.

14 Z. NAJLEPSZEGO WYKORZYSTANIA ENERGII Analiza racjonalnego wykorzystania energii decyduje o koncepcji technologicznej. Wykorzystuje formy energii elektryczna rodzaju maszyny, silniki powietrza); para wodna (0,5 2,0 mpa) (czynnik grzejny, sterylizacja i ; czynniki. jest od. Dla wykonuje bilans cieplny, np. jako wykres strumieniowy Sankeya (jak bilans. energii w kosztach produkcji wynosi od 10 30%.

15 Zgodnie z Z. NAJLEPSZEGO WYKORZYSTANIA ENERGII: wielokrotnie wykorzystujemy, wyparki kolejny (aparat wyparny) ogrzewa oparami z aparatu poprzedniego, temperatury wrzenia od i substancji rozpuszczonej; odzyskujemy (wykorzystujemy strumieni odpadowych) gdy mamy a inny, np. podgrzewa surowiec kierowany do procesu, produktem reaktor; stosujemy bioreaktory z systemami intensywnego napowietrzania; wykorzystujemy efektywne systemy mieszania; stosujemy ; wykorzystujemy drobnoustroje termofilne (50 65 C); stosujemy i. Mezofile (bakterie mezofile) bakterie, dla których optymalna temperatura wzrostu i rozwoju mieści się w granicach od 30 do 40 C. Minimalna temperatura dla tej grupy drobnoustrojów to 10 C, a maksymalna 45 C. Mezofilami jest większość drobnoustrojów chorobotwórczych, dla których optymalną do rozwoju jest temperatura ludzkiego ciała. Termofil, organizm ciepłolubny, organizm termofilny (z gr. thermós ciepły, philéō lubię) ekstremofilny organizm żyjący w środowiskach o stosunkowo wysokich temperaturach. Kryterium temperatury granicznej jest różnie określane przez poszczególnych autorów. W najszerszym znaczeniu organizmami termofilnymi nazywane są gatunki wymagające do życia temperatur powyżej 20 C.

16 a) Reagenty zimne (surowiec) Produkty reakcji (gorące) c) Surowiec np. ropa naftowa lub smoła węglowa Frakcja lekka 1 Produkty ochłodzone 4 Frakcja średnia Frakcja ciężka Produkty ogrzane 2 Pozostałość b) Produkty gorące Para 3 Produkty ochłodzone 2 1 Surowiec Woda kotłowa 1 reaktory, 2 piece rurowe, 3 wymiennik, 4 kolumna rektyfikacyjna

17 Z. NAJLEPSZEGO WYKORZYSTANIA ENERGII wykorzystanie reakcji egzotermicznych. Dla reakcji egzotermicznych korzystne w przestrzeni reakcyjnej. aparaty, gdy trzeba Energia wydzielana w reakcji jest proporcjonalna do aparatu, natomiast strat cieplnych jest proporcjonalna do jego powierzchni. Bardzo istotne jest ograniczenie strat cieplnych do otoczenia. Stosowanie niewielkiej temperatury a otoczeniem oraz izolacji termicznej.

18 Bardzo istotny jest np.. strumieni, do temperatury, nie zawsze jest to korzystne (patrz: zasada umiaru technologicznego).

19 W układzie współprądowym wymiana ciepła zachodzi pomiędzy dwoma strumieniami biegnącymi w tym samym kierunku. Najmniej wydajny układ. Stosunkowo niska średnia różnica temperatur (siła napędowa procesu). Skutki: wada konieczna większa powierzchnia wymiany ciepła większy i droższy wymiennik; zaleta mniejsze naprężenia termiczne, bo strumienie gorący i zimny wpływają do wymiennika z tej samej strony średnia temperatura ścianki w wymienniku jest bardziej jednorodna na całej długości. Układ przeciwprądowy jest bardziej efektywny. Dodatkowa zaleta możliwość podgrzania lub ochłodzenia strumienia do temperatury bliskiej wlotowej drugiego strumienia; wada możliwość pojawienia się dużych naprężeń cieplnych.

20 TECHNICZNE: wymiana przeponowa lub bezprzeponowa. reakcji wykorzystuje do podgrzania lub do produkcji pary wodnej, a frakcji z kolumn rektyfikacyjnych do podgrzania surowca. zmniejszenie gazu w palnikach pieca. Strumienie w fazach, np. gazy spalinowe do pieca lub palnik zanurzeniowy do roztw. wodnych. wymiana przeponowa z czynnikiem spos specjalny, bhp nie reakcji czy wybuchu w przypadku i kontaktu wody (pary wodnej) ze podatnym na (chlorek tionylu, metaloorganiczne) czynnik ciecz a chemicznie w stosunku do obu strumieni np. olej.

21 Z. NAJLEPSZEGO WYKORZYSTANIA ENERGII Koszty mieszania fermentory o. energii nawet o w stosunku do standardowych turbin Rushtona tylko w lab gdy standardowe warunki hodowli).

22 Z. NAJLEPSZEGO WYKORZYSTANIA APARATURY, zawsze do jej zrealizowania jak najmniejszym inwestycyjnych. Koszty inwestycyjne koszty amortyzacji i kredytu. z : skracanie produkcyjnych okresowych, organizacja (wykres Gantta), najlepiej aparaty; stosowanie tam gdzie ; stosowanie ; prowadzenie przy wysokim biomasy ; stosowanie intensywny ruch masy lub, w przypadkach gdy opory transportu o procesu; stosowanie w skali) uniwersalnych, do wytwarzania.

23 Z. NAJLEPSZEGO WYKORZYSTANIA APARATURY Projektowana aparatura i powinny jak najlepiej wykorzystane maksymalna produktu z jednostki aparatury. Podstawowy czynnik, pod to i operacji jednostkowych w aparatach. S reakcji chemicznej ogranicza najmniejsza jednego z trzech elementarnych : przemiany chemicznej (obszar kinetyczny); dyfuzji (w niejednorodnych); wymiany (lub wymiany energii). W celu reakcji korzystnie jest proces w stanie oddalonym od (nadmiar. Nieprzereagowane surowce wydzielamy i zawracamy do procesu. Typowa metoda technologiczna, stosowana w (np. synteza amoniaku z azotu i wodoru).

24 Z. NAJLEPSZEGO WYKORZYSTANIA APARATURY jakie opory odpowiednie przebieg procesu. techniczne musimy 1. kinetyczny zmniejszamy reakcji przez zastosowanie katalizatora lub wysokiej temperatury. 2. dyfuzyjny konstrukcyjne i warunki, powinny opory przenoszenia masy i, np. ruchu faz siebie, powierzchni faz,. 3. Proces wymiany do powierzchni wymiany, temperatur (zgodnie z maksymalnego wykorzystania lub zmniejszenia wymiany (np. poprzez.

25 Z. NAJLEPSZEGO WYKORZYSTANIA APARATURY celu, to nie tylko problemem techniczny lecz organizacyjny. D do zapewnienia pracy i. W procesach periodycznych zadanie polega na odpowiednim harmonogramu pracy tak, aby do minimum przerwy w wykorzystaniu aparatury. W procesach nie charakterystyczne dla procesu periodycznego takich jak przygotowanie aparatury,, doprowadzenie do procesowych, i produktu. PC wiele zalet: brak przerw w produkcji,

26 Z. NAJLEPSZEGO WYKORZYSTANIA APARATURY innych o wyborze metody lub periodycznej, zasady najlepszego wykorzystania aparatury, decyduje szereg technologicznych i ekonomicznych. Bardzo kryterium jest tu przewidywana produkcji. produkcja zwykle proces okresowy, im mocniejsze wskazanie na. skala procesu tym instalacji do 100 Mg/rok Rodzaj procesu periodyczny Mg/rok ponad Mg/rok

27 Z. UMIARU TECHNOLOGICZNEGO Zasada kompromisu, zasady technologiczne we wzajemnym, co jest korzystne z jednej strony niekorzystne z drugiej. zasadami, charakter fizykochemiczny, biochemiczno-fizjologiczny lub ekonomiczny. Znalezienie optymalnych wymaga opracowania modelu matematycznego, co ze na biochemicznych jest trudne i i. w

28 Z. UMIARU TECHNOLOGICZNEGO : hodowla piekarniczych Zgodnie z Z najlepszego wykorzystania aparatury w wysoka przyrostu biomasy, ale wtedy efekt fermentacji tlenowej znaczne biomasy Zgodnie zatem z Z najlepszego wykorzystania przy. W praktyce, hodowla okresowa z dozowaniem automatyczna regulacja i przyrostu biomasy przy wysokiej biomasy.

29 Z. UMIARU TECHNOLOGICZNEGO : suszenie biologicznych takie warunki, produktu. Nie prowadzi suszenia powietrzem z (w ale (we biologiczne. ruch jest najbardziej efektywny w suszeniu gazami, ale gdy sucha substancja bezpieczniej jest.

30 Z. UMIARU TECHNOLOGICZNEGO : mieszanie biologicznych takie warunki, nie. Mieszanie mechaniczne w bioreaktorach do hodowli tlenowych poprawia absorpcji tlenu w hodowlanym, ale nie za obrotowej ze na uszkodzenia w odniesieniu do i bardzo na oraz w hodowli mikroskopowych. Stosowana wynika z kompromisu ruchu a ochrona przed uszkodzeniami.

31 Z. UMIARU TECHNOLOGICZNEGO : ekonomiczne Zasada ograniczania inwestycyjnych a Zasada najlepszego wykorzystania biologicznego. automatyki koszty inwestycyjne, ale na uzyskanie stabilniejszych hodowli, a zmniejszenie robocizny. Stosowanie maksymalnych przenikania i., w celu i masy, powoduje wzrost

32 Z. UMIARU TECHNOLOGICZNEGO : Absorpcja gazu w cieczy z silnie. Za powierzchni kontaktu jest niekorzystne ze na ograniczenie odbioru. powierzchni tak aby absorpcji w danych warunkach odbioru. dla reakcji chemicznej jest w niskiej temperaturze, to z kolei reakcji tak, praktycznie jej przebieg w racjonalnym czasie.

33 Z. UMIARU TECHNOLOGICZNEGO We wszystkich podobnych przypadkach musimy optymalnego, zazwyczaj kompromisu sprzecznymi czynnikami technologicznymi, jak i ekonomicznymi. Jest to zasady umiaru technologicznego. Odpowiednie zasad technologicznych jest zawsze warunkiem zaprojektowania i efektywnej i ekonomicznej eksploatacji instalacji produkcyjnych chemicznego.