НАЗНАЧЕНИЕ СИСТЕМ ТЕПЛООБМЕНА В БИОРЕАКТОРАХ
ВЫДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОТЫ МИКРООРГАНИЗМАМИ В ПРОЦЕССАХ ФЕРМЕНТАЦИИ
ЗАВИСИМОСТЬ УДЕЛЬНОЙ СКОРОСТИ РОСТА ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ КУЛЬТИВИРОВАНИЯ
ЗАВИСИМОСТЬ ТЕПЛОВЫДЕЛЕНИЯ ОТ ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТИ ПРОЦЕССА ФЕРМЕНТАЦИИ
ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ПРИ КУЛЬТИВИРОВАНИИ МИКРООРГАНИЗМОВ
КОЛИЧЕСТВО ТЕПЛОТЫ, ОТВОДИМОЕ ИЗ БИОРЕАКТОРА
УДЕЛЬНЫЕ ТЕПЛОВЫДЕЛЕНИЯ ПРИ МЕХАНИЧЕСКОМ ПЕРЕМЕШИВАНИИ СРЕДЫ
ОСНОВНЫЕ ВИДЫ ТЕПЛООБМЕННЫХ СИСТЕМ В БИОРЕАКТОРАХ
ПРЕИМУЩЕСТВА НАРУЖНЫХ СИСТЕМ ТЕПЛООБМЕНА В БИОРЕАКТОРАХ
НЕДОСТАТКИ НАРУЖНЫХ СИСТЕМ ТЕПЛООБМЕНА
НЕДОСТАТКИ НАРУЖНЫХ СИСТЕМ ТЕПЛООБМЕНА (продолжение)
ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ОХЛАЖДАЮЩИХ РУБАШЕК БИОРЕАКТОРА
ВНУТРЕННИЕ ТЕПЛООБМЕННЫЕ СИСТЕМЫ В БИОРЕАКТОРАХ
ПРЕИМУЩЕСТВА ВНУТРЕННИХ СИСТЕМ ТЕПЛООБМЕНА
НЕДОСТАТКИ ВНУТРЕННИХ СИСТЕМ ТЕПЛООБМЕНА В БИОРЕАКТОРАХ
ОСНОВНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ТРАДИЦИОННЫХ СИСТЕМ ТЕПЛООБМЕНА
ОСНОВНОЕ УРАВНЕНИЕ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ
ПОВЫШЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ
НОВЕЙШАЯ СИСТЕМА ТЕПЛООБМЕНА – ВНУТРЕННЯЯ РУБАШКА С АНКЕРНЫМИ СВЯЗЯМИ
ОБРАЗОВАНИЕ МИКРОЗАВИХРЕНИЙ В ПРОЦЕССЕ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ
ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ТЕПЛООБМЕНА
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ПОВЕРХНОСТИ ТЕПЛООБМЕНА В АППАРАТАХ
УВЕЛИЧЕНИЕ РАЗНОСТИ ТЕМПЕРАТУР
ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА ТЕПЛООБМЕННОГО АППАРАТА С ФАЗОВЫМИ ПЕРЕХОДАМИ
ТЕПЛООБМЕННЫЙ АППАРАТ С ФАЗОВЫМИ ПЕРЕХОДАМИ
ОСНОВНЫЕ РЕЖИМЫ РАБОТЫ ТАФП
СРАВНЕНИЕ ТЕХНИКО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАЗЛИЧНЫХ СИСТЕМ ТЕПЛООБМЕНА (при производстве Бацитрацина)
ИЗМЕНЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПРОЦЕССА БИОСИНТЕЗА ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ТАФП
НЕПОСРЕДСТВЕННОЕ (ПРЯМОЕ) ОХЛАЖДЕНИЕ ЦКБА
ПРЕИМУЩЕСТВА НЕПОСРЕДСТВЕННОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ЦКБА:
НЕДОСТАТКИ НЕПОСРЕДСТВЕННОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ЦКБА:
КОСВЕННОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ ЦКБА
ПРЕИМУЩЕСТВА КОСВЕННОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ЦКБА:
ОСНОВНЫЕ ВИДЫ ТЕПЛООБМЕННЫХ СИСТЕМ В БИОРЕАКТОРАХ
ПЛАСТИНЧАТЫЕ ТЕПЛООБМЕННИКИ
ПЛАСТИНЧАТЫЕ ТЕПЛООБМЕННИКИ
СХЕМА ПЛАСТИНЧАТОГО ТЕПЛООБМЕННИКА
ФОРМУЛА СБОРКИ ПЛАСТИНЧАТОГО ТЕПЛООБМЕННИКА
ОДНО- И ДВУХСТУПЕНЧАТЫЙ ПЛАСТИНЧАТЫЙ ТЕПЛООБМЕНИК
ПРЕИМУЩЕСТВА ПЛАСТИНЧАТОГО ТЕПЛООБМЕННИКА
ПРЕИМУЩЕСТВА ПЛАСТИНЧАТОГО ТЕПЛООБМЕННИКА (продолжение)
НЕДОСТАТКИ ПЛАСТИНЧАТОГО ТЕПЛООБМЕННИКА
СХЕМА ПАСТЕРИЗАТОРА ЖИДКИХ СРЕД В ПОТОКЕ
ОБЩИЙ ВИД ПАСТЕРИЗАТОРА ЖИДКИХ СРЕД В ПОТОКЕ
ОБЩИЙ ВИД ПАСТЕРИЗАТОРА НАПИТКОВ В ПОТОКЕ
ДИАГРАММА ПАСТЕРИЗАЦИИ ЖИДКИХ СРЕД В ПОТОКЕ
ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПАСТЕРИЗАЦИИ
9.58M
Categories: biologybiology industryindustry

Системы теплообмена в биореакторах. (Лекция 6)

1.

ФЕДОРЕНКО
Борис Николаевич
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ
доктор технических
наук, профессор
ОБОРУДОВАНИЕ
ОТРАСЛИ
Московского
государственного
(биотехнологические
производства)
университета пищевых производств
Лекция 5.
СИСТЕМЫ ТЕПЛООБМЕНА В БИОРЕАКТОРАХ
18.01.2017
18.01.2017
Лекция
Лекция
6
2
© проф.
проф.Федоренко
ФедоренкоБорис
БорисНиколаевич
Николаевич
1

2. НАЗНАЧЕНИЕ СИСТЕМ ТЕПЛООБМЕНА В БИОРЕАКТОРАХ

18.01.2017
Лекция 6
Системы теплообмена
биореактора предназначены
для термостабилизации
процесса культивирования
микроорганизмов.
© проф. Федоренко Борис Николаевич
2

3. ВЫДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОТЫ МИКРООРГАНИЗМАМИ В ПРОЦЕССАХ ФЕРМЕНТАЦИИ

Из общего количества энергии, полученной
микроорганизмами при окислительных процессах, на
конструктивный и основной обмен расходуется обычно не
более 40...45%. Остальная энергия в виде тепла теряется в
окружающей среде.
В производственных условиях при использовании
аппаратов относительно большой вместимости рост и
развитие микроорганизмов сопровождается выделением
значительных количеств тепла, и пренебрегать
экзотермичностью процесса нельзя, поскольку
температура один из важнейших факторов, влияющих на
удельную скорость роста микроорганизмов.
18.01.2017
Лекция 6
© проф. Федоренко Борис Николаевич
3

4. ЗАВИСИМОСТЬ УДЕЛЬНОЙ СКОРОСТИ РОСТА ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ КУЛЬТИВИРОВАНИЯ

mt
f1( t )
1
1(t) = / mt
Функция изменяется
от 0 до 1 и носит
экстремальный
характер.
0
t opt
t,оC
В процессе культивирования оптимальную температуру
поддерживают с точностью 1 С с помощью системы
теплообмена биореактора. Для дрожжей, например, tопт
составляет 29…32 С.
18.01.2017
Лекция 6
© проф. Федоренко Борис Николаевич
4

5. ЗАВИСИМОСТЬ ТЕПЛОВЫДЕЛЕНИЯ ОТ ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТИ ПРОЦЕССА ФЕРМЕНТАЦИИ

Удельное
тепловыделение, кДж/( м3ч )
ЗАВИСИМОСТЬ ТЕПЛОВЫДЕЛЕНИЯ
ОТ ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТИ ПРОЦЕССА
ФЕРМЕНТАЦИИ
Продолжительность
ф ерментации, ч
Зависимость тепловыделений при микробиологическом синтезе имеет
экстремальный характер. При культивировании продуцентов ферментов
удельные тепловыделения могут колебаться от 4000 до 30000, а по
некоторым данным даже 46000 кДж/(м3 ч). Для продуцентов антибиотиков
величина тепловыделений может достигать 55000 кДж/(м3 ч) и более.
18.01.2017
Лекция 6
© проф. Федоренко Борис Николаевич
5

6. ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ПРИ КУЛЬТИВИРОВАНИИ МИКРООРГАНИЗМОВ

Qб + Qм + Qв = Qх + Qи + Qп
Qб - количество теплоты, выделяющееся при
микробиологическом синтезе, Дж/ч;
Qм - количество теплоты, выделяющееся при работе
мешалки, Дж/ч;
Qв - количество теплоты, вносимое с аэрирующим
воздухом, Дж/ч;
Qх - количество теплоты, отводимое с хладагентом, Дж/ч;
Qи - количество теплоты, расходуемое на испарение
жидкости, Дж/ч;
Qп - тепловые потери в окружающую среду, Дж/ч.
18.01.2017
Лекция 6
© проф. Федоренко Борис Николаевич
6

7. КОЛИЧЕСТВО ТЕПЛОТЫ, ОТВОДИМОЕ ИЗ БИОРЕАКТОРА

Qх = Qм + Qб + Qв - Qи - Qп
Qв, Qи, Qп, - обычно невелики и ими можно пренебречь.
Например:
qв = 40…80 кДж/(м3 ч);
qи = 700…1400 кДж/(м3 ч);
qп ≈ 240 кДж/(м3 ч).
Отсюда, с учетом 10%-ного запаса мощности на потери:
Qх = 1,1(Qм + Qб)
18.01.2017
Лекция 6
© проф. Федоренко Борис Николаевич
7

8. УДЕЛЬНЫЕ ТЕПЛОВЫДЕЛЕНИЯ ПРИ МЕХАНИЧЕСКОМ ПЕРЕМЕШИВАНИИ СРЕДЫ

qм = 3,6 103 Nуд
где Nуд- удельная рабочая мощность механического
перемешивающего устройства, кВт/м3.
Поскольку при культивировании, чаще всего,
Nуд= 1…3 кВт/м3, то qм = 3600…11000 кДж/(м3 ч), что
сопоставимо с qб = 4000…30000 кДж/(м3 ч).
В отличие от qм, величина qб непостоянна и меняется в
процессе культивирования. Расчет систем теплообмена
биореакторов осуществляют с учетом максимальных
тепловыделений.
18.01.2017
Лекция 6
© проф. Федоренко Борис Николаевич
8

9. ОСНОВНЫЕ ВИДЫ ТЕПЛООБМЕННЫХ СИСТЕМ В БИОРЕАКТОРАХ

Наружные системы теплообмена:
охлаждающие рубашки:
гладкостенные рубашки;
секционированные рубашки;
спиральные рубашки;
рубашки с анкерными связями;
циркуляционное перемешивание с выносным
теплообменником.
Внутренние системы теплообмена:
змеевики;
диффузоры с двойными стенками;
пучки труб;
теплообменные аппараты с фазовыми переходами
(ТАФП);
внутренние рубашки с анкерными связями.
18.01.2017
Лекция 6
© проф. Федоренко Борис Николаевич
9

10. ПРЕИМУЩЕСТВА НАРУЖНЫХ СИСТЕМ ТЕПЛООБМЕНА В БИОРЕАКТОРАХ

18.01.2017
Лекция 6
не загромождается внутреннее
пространство аппарата, что
облегчает его эксплуатацию;
исключается возможность
попадания в аппарат посторонней
микрофлоры из-за нарушения
герметичности теплообменного
устройства;
рубашка может быть изготовлена из
более дешевого материала, чем сами
аппараты.
© проф. Федоренко Борис Николаевич
10

11. НЕДОСТАТКИ НАРУЖНЫХ СИСТЕМ ТЕПЛООБМЕНА

18.01.2017
Лекция 6
удельная поверхность теплообмена с
увеличением вместимости
биореактора увеличивается;
коэффициент теплоотдачи от стенки
аппарата к охлаждающей воде
невелик из-за малой скорости
охлаждающей воды (обычно не более
250 Вт/(м2 К);
по условиям механической прочности
толщина стенки рубашки растет с
увеличением диаметра сосуда, что
ведет к большому расходу металла;
© проф. Федоренко Борис Николаевич
11

12. НЕДОСТАТКИ НАРУЖНЫХ СИСТЕМ ТЕПЛООБМЕНА (продолжение)

18.01.2017
Лекция 6
теплообменное устройство в виде
гладкой рубашки обладает большой
тепловой инерцией, что затрудняет
регулирование температуры
культивирования;
необходимость тепловой изоляции
аппарата, для сокращения тепловых
потерь рубашки;
эффективна лишь одна сторона
рубашки, сопряженная со стенкой
аппарата.
© проф. Федоренко Борис Николаевич
12

13. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ОХЛАЖДАЮЩИХ РУБАШЕК БИОРЕАКТОРА

а) гладкостенная;
18.01.2017
Лекция 6
б) секционированная;
в) спиральная
секционированная
© проф. Федоренко Борис Николаевич
13

14.

НАРУЖНАЯ ТЕПЛООБМЕННАЯ РУБАШКА С
АНКЕРНЫМИ СВЯЗЯМИ
18.01.2017
Лекция 6
© проф. Федоренко Борис Николаевич
14

15. ВНУТРЕННИЕ ТЕПЛООБМЕННЫЕ СИСТЕМЫ В БИОРЕАКТОРАХ

а) змеевики;
18.01.2017
Лекция 6
б) пучок труб.
© проф. Федоренко Борис Николаевич
15

16. ПРЕИМУЩЕСТВА ВНУТРЕННИХ СИСТЕМ ТЕПЛООБМЕНА

18.01.2017
эффективна вся поверхность
внутреннего теплообменного устройства,
которая полностью контактирует с
охлаждаемой средой;
отпадает необходимость тепловой
изоляции.
Лекция 6
© проф. Федоренко Борис Николаевич
16

17. НЕДОСТАТКИ ВНУТРЕННИХ СИСТЕМ ТЕПЛООБМЕНА В БИОРЕАКТОРАХ

загромождается внутреннее пространство аппарата,
что усложняет его эксплуатацию;
возникает опасность попадания в аппарат
посторонней микрофлоры из-за нарушения
герметичности теплообменного устройства;
материал встроенного теплообменника должен быть
биологически инертным и коррозионностойким.
18.01.2017
Лекция 6
© проф. Федоренко Борис Николаевич
17

18. ОСНОВНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ТРАДИЦИОННЫХ СИСТЕМ ТЕПЛООБМЕНА

Невысокие коэффициенты теплопередачи (около 250...350 Вт/м2 К), а
это приводит к необходимости увеличения поверхности
теплообмена, т.е. увеличению материалоемкости, габаритов
теплообменных устройств и уменьшению рабочего объема
биореактора. Например, в ферментере Б-50 общая длина труб
теплообменных устройств из нержавеющей стали составляет 28 000
м.
Снижение коэффициента теплопередачи в процессе эксплуатации
вследствие образования на внутренней поверхности слоя отложений
(песка, шлаков, ракушечника и т.д.). С одной стороны это приводит к
уменьшению коэффициента теплопроводности, а с другой – к
уменьшению потока охлаждающего агента.
Не синхронность отвода теплоты и кинетики тепловыделений,
поскольку в процессе периодического культивирования
микроорганизмов тепловыделение культуры изменяется в
зависимости от фаз роста. Запаздывание отвода теплоты связано с
инерционностью клапанов, датчиков температуры и теплообменных
устройств.
Нарушение термостабилизации процесса биосинтеза в жаркое время
года. Так, при производстве БВК в летнее время года температура
культуральной жидкости в ферментере Б-50 может достигать 40
вместо 32...34 С, предусмотренных регламентом, что приводит к
снижению выхода продукта.
18.01.2017
Лекция 6
© проф. Федоренко Борис Николаевич
18

19. ОСНОВНОЕ УРАВНЕНИЕ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ

Q = К F t
К - коэффициент теплопередачи - количество теплоты,
которая передается в единицу времени через
единицу поверхности при разности температур в
1 К.
18.01.2017
Повышение эффективности теплообмена возможно
за счет:
увеличения поверхности теплообмена;
повышения коэффициента теплопередачи;
увеличения разности температур.
Лекция 6
© проф. Федоренко Борис Николаевич
19

20. ПОВЫШЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ

1
К =
Сопротивление
тепловому потоку со
стороны хладагента
1
Хлад

sСт
+
Ст
Тепловое
сопротивление
стенки аппарата
1
Ср
Сопротивление тепловому
потоку со стороны
охлаждаемой среды
⇨ Скорость процесса обратно пропорциональна сопротивлению!
= коэффициенты теплоотдачи
= теплопроводность материала стенки
s = толщина стенки
18.01.2017
Лекция 6
© проф. Федоренко Борис Николаевич
20

21.

СООТНОШЕНИЕ ТЕПЛОВЫХ СОПРОТИВЛЕНИЙ
ПРИ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ В РУБАШКЕ
⇨ Основное сопротивление теплопереносу
сосредоточено со стороны охлаждаемой среды!
18.01.2017
Лекция 6
© проф. Федоренко Борис Николаевич
21

22. НОВЕЙШАЯ СИСТЕМА ТЕПЛООБМЕНА – ВНУТРЕННЯЯ РУБАШКА С АНКЕРНЫМИ СВЯЗЯМИ

Нагревательная рубашка с анкерными связями расположена на
внутренней поверхности стенки.
Её поверхность состоит из многочисленных надутых «карманов», в которые подают хладагент или теплоноситель.
18.01.2017
Лекция 6
© проф. Федоренко Борис Николаевич
Образование
микрозавихрений
интенсифицирует
теплообмен.
22

23. ОБРАЗОВАНИЕ МИКРОЗАВИХРЕНИЙ В ПРОЦЕССЕ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ

Перемешивание
среды
Микрозавихрения
18.01.2017
Лекция 6
Пограничный
слой
“Карманы” паровой рубашки
© проф. Федоренко Борис Николаевич
23

24. ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ТЕПЛООБМЕНА

Q = k F t
Теплообмен зависит от
гидродинамических условий у
поверхности теплопередачи;
Завихрения среды у
поверхности теплопередачи
способствуют повышению
коэффициента теплоотдачи
αСР, и, тем самым, повышению
коэффициента теплопередачи.
Коэффициент теплопередачи:
k=
18.01.2017
1
ХЛАД
Лекция 6
+
1
sCТ
Σ
СТ
+
1
СР
© проф. Федоренко Борис Николаевич
24

25.

1600
1400
1200
1000
800
600
400
200
0
18.01.2017
б
116%
100%
а) наружная
спиральная
рубашка
83%
а
66%
50%
33%
17%
0%
б) внутренняя
рубашка с
анкерными
связями
25
00
50
00
75
00
10
00
0
12
50
0
15
00
0
50
0
Коэффициент
теплопередачи, Вт/(м2К)
ТЕПЛОПЕРЕДАЧА В РУБАШКАХ
РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ
Лекция 6
© проф. Федоренко Борис Николаевич
25

26. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ПОВЕРХНОСТИ ТЕПЛООБМЕНА В АППАРАТАХ

18.01.2017
Лекция 6
Благодаря значительному повышению
коэффициента теплопередачи можно частично
сократить (или даже исключить!!!) площадь
теплообмена на днище аппарата.
© проф. Федоренко Борис Николаевич
26

27. УВЕЛИЧЕНИЕ РАЗНОСТИ ТЕМПЕРАТУР

Q = k F t
Увеличение разности температур между реакционной
средой и охлаждающим агентом, возможно двумя
способами:
за счет использования термофильных микроорганизмов;
за счет использования охлаждающих агентов с низкой
температурой, например, артезианской воды или
«ледяной» воды с температурой +2…3 С, получаемой
после охлаждения с помощью холодильной установки. Для
более глубокого охлаждения используют аммиак,
пропиленгликоль, этиленгликоль и пр.
18.01.2017
Лекция 6
© проф. Федоренко Борис Николаевич
27

28. ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА ТЕПЛООБМЕННОГО АППАРАТА С ФАЗОВЫМИ ПЕРЕХОДАМИ

5
Р1 = 5…9 ати;
Р2 = 2…4 ати;
tК1 > tК2
7
4
3
6
2
8 9
Вода
1
ТАФП
Холодильная установка
18.01.2017
Лекция 6
© проф. Федоренко Борис Николаевич
28

29. ТЕПЛООБМЕННЫЙ АППАРАТ С ФАЗОВЫМИ ПЕРЕХОДАМИ

3
4
5
2
7
6
8 9
1
ТАФП
Холодильная установка
Вода
Недостатком
системы
ТАФП является то, что
перед тепловой стерилизацией биореактора ее
нужно
опорожнять,
а
затем вновь заполнять
хладагентом.
Реализация
замкнутого
термодинамического
цикла
с
использованием процесса «кипение – конденсация» в
испарительной и конденсаторной зонах ТАФП позволяет
обеспечить
более
высокие
значения
коэффициента
теплопередачи.
18.01.2017
Лекция 6
© проф. Федоренко Борис Николаевич
29

30. ОСНОВНЫЕ РЕЖИМЫ РАБОТЫ ТАФП

охлаждение в двухконтурном режиме, когда
работают оба контура системы при разном
давлении хладагента.
при необходимости резкого захолаживания в
процессе культивирования возможен переход на
одноконтурную систему непосредственного
захолаживания в цикле холодильной установки.
охлаждение в режиме обычного теплообменника
с использованием в качестве хладагента воды
после градирни. Вода стекает по стенкам труб в
виде тонкой пленки. Холодильная установка при
этом отключается. Этот режим используют
обычно в холодное время года, когда
температура воды достаточно низка.
18.01.2017
Лекция 6
© проф. Федоренко Борис Николаевич
30

31. СРАВНЕНИЕ ТЕХНИКО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАЗЛИЧНЫХ СИСТЕМ ТЕПЛООБМЕНА (при производстве Бацитрацина)

Наименование показателя
Рубашка
ТАФП
Расход воды за цикл ферментации, м3/м3
КЖ
43
20
Объем, занимаемый теплообменником
внутри реактора, м3
-
0,5
Удельный тепловой поток при расходе
охлаждающей воды 28 м3/ч, кВт
4
26
Коэффициент теплопередачи, Вт/(м2 К)
210
1750
Продолжительность цикла ферментации,
ч
57
51
Среднее отклонение температуры от
значения, установленного регламентом
+6
0
18.01.2017
Лекция 6
© проф. Федоренко Борис Николаевич
31

32. ИЗМЕНЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПРОЦЕССА БИОСИНТЕЗА ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ТАФП

Увеличение
активности
КЖ, %
Увеличение
объема
биомассы с
одной операции,
%
Бацитрацин
8,05
9,06
Битоксибациллин
33,7
46,4
Препарат
18.01.2017
Лекция 6
© проф. Федоренко Борис Николаевич
32

33. НЕПОСРЕДСТВЕННОЕ (ПРЯМОЕ) ОХЛАЖДЕНИЕ ЦКБА

Бродильный аппарат
Газообразный аммиак
Жидкий аммиак
Холодильная установка
Циркуляционный насос

34. ПРЕИМУЩЕСТВА НЕПОСРЕДСТВЕННОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ЦКБА:

экономичность (расход энергии на
15…20%
меньше);
отсутствие промежуточного оборудования;
возможность
применения
более
высоких
температур хладагента (-5…-6 °С вместо -10 °С);
потребность в насосах с меньшей подачей,
поскольку требуется перекачивать меньшее
количество хладагента;
применение трубопроводов меньшего диаметра;
снижение затрат на теплоизоляцию и монтаж
трубопроводов системы охлаждения;
бóльшая точность температурного контроля;
бóльшая гибкость системы охлаждения.
18.01.2017
Лекция 13
© проф. Федоренко Борис Николаевич
34

35. НЕДОСТАТКИ НЕПОСРЕДСТВЕННОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ЦКБА:

повышенное рабочее давление в охлаждающих
рубашках и, следовательно, более высокие
инвестиционные и эксплуатационные затраты;
непостоянство температуры испарения;
невозможность
эксплуатации
холодильной
установки в стационарном режиме;
применение большего количества аммиака;
более высокие затраты на арматуру для
обеспечения безопасности;
невозможность накопления холода;
повышенная экологическая опасность при утечке
хладагента.
18.01.2017
Лекция 13
© проф. Федоренко Борис Николаевич
35

36. КОСВЕННОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ ЦКБА

Бродильный аппарат
Промежуточный сборник
Холодильная установка
Пропиленгликоль
Циркуляционный насос
Циркуляционный насос

37. ПРЕИМУЩЕСТВА КОСВЕННОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ЦКБА:

более низкое рабочее давление в охлаждающих
рубашках;
равномерность
нагрузки
на
установку при использовании
лятора (накопителя холода);
постоянство температуры испарения;
потребность в меньшем количестве опасного
аммиака (или отказ от него при использовании
фреоновой холодильной установки).
18.01.2017
Лекция 13
© проф. Федоренко Борис Николаевич
холодильную
энергоаккуму-
37

38.

НЕДОСТАТКИ КОСВЕННОГО ОХЛАЖДЕНИЯ
ЦКБА:
более высокие затраты энергии;
потребность в трубопроводах большего диаметра, в насосах с большей подачей, в большей
площади теплоизоляции коммуникаций системы
охлаждения;
потребность в промежуточном оборудовании для
охлаждения теплоносителя.
18.01.2017
Лекция 13
© проф. Федоренко Борис Николаевич
38

39. ОСНОВНЫЕ ВИДЫ ТЕПЛООБМЕННЫХ СИСТЕМ В БИОРЕАКТОРАХ

Наружные системы теплообмена:
охлаждающие рубашки:
гладкостенные рубашки;
секционированные рубашки;
спиральные рубашки;
рубашки с анкерными связями;
циркуляционное перемешивание с выносным
теплообменником.
Внутренние системы теплообмена:
змеевики;
диффузоры с двойными стенками;
пучки труб;
теплообменные аппараты с фазовыми переходами
(ТАФП);
внутренние рубашки с анкерными связями.
18.01.2017
Лекция 7
© проф. Федоренко Борис Николаевич
39

40.

ПЛАСТИНЧАТЫЕ ТЕПЛООБМЕННИКИ

41. ПЛАСТИНЧАТЫЕ ТЕПЛООБМЕННИКИ

18.01.2017
Лекция 7
© проф. Федоренко Борис Николаевич
41

42. ПЛАСТИНЧАТЫЕ ТЕПЛООБМЕННИКИ

18.01.2017
Лекция 12
© проф. Федоренко Борис Николаевич
42

43. СХЕМА ПЛАСТИНЧАТОГО ТЕПЛООБМЕННИКА

Продукт
Вода
Вода
Продукт
Пропиленгликоль
Пропиленгликоль
Водяная
секция
Пропиленгликолевая
секция
Пакет - часть пластинчатого теплообменника, состоящая из
группы смежных пластин, между которыми поток продукта (или
теплоносителя) движется параллельно в одном направлении.
Одними и теми пластинами может быть организовано разное
количество пакетов по продукты и теплоносителю (или хладагенту).
Секция – часть пластинчатого теплообменника, состоящая из
одного или более пакетов, в которой применяется один и тот же
теплоноситель или хладагент.
18.01.2017
Лекция 7
© проф. Федоренко Борис Николаевич
43

44. ФОРМУЛА СБОРКИ ПЛАСТИНЧАТОГО ТЕПЛООБМЕННИКА

Продукт
Вода
Вода
Продукт
Пропиленгликоль
Пропиленгликоль
Водяная
секция
Пропиленгликолевая
секция
3+3 2+2
3+3 4
Используя различные схемы компоновки пластин,
можно изменять производительность теплообменника
(за счет числа параллельных потоков в пакетах) и
степень охлаждения или нагревания продукта (за счет
числа последовательно работающих пакетов и секций).
18.01.2017
Лекция 7
© проф. Федоренко Борис Николаевич
44

45. ОДНО- И ДВУХСТУПЕНЧАТЫЙ ПЛАСТИНЧАТЫЙ ТЕПЛООБМЕНИК

Одноступенчатое
охлаждение
Предварительное
охлаждение
Сусло
Вода
85…88 °C
6…8 °C
Окончательное
охлаждение
Технологическая вода
+1…2 °C
85…88°C
Сусло
6…8 °C
Сусло
Сусло
95…98 °C
95…98°C
1…2 °C
Технологическая ледяная вода
10…15 °C
Технологическая вода
Бак технической ледяной воды
18.01.2017
Лекция 7
© проф. Федоренко Борис Николаевич
45

46. ПРЕИМУЩЕСТВА ПЛАСТИНЧАТОГО ТЕПЛООБМЕННИКА

компактность конструкции, вследствие высокой
плотности упаковки - площади поверхности
теплообмена, размещаемой в единице объема
теплообменника, которая может достигать 200 м2/м3 (в
то время как, например, в трубчатых теплообменниках
лишь 40 м2/м3);
возможность быстрого и легкого изменения
поверхности теплообмена в результате установки
различного числа пластин, что позволяет изменять
производительность аппарата;
возможность осуществления в одном аппарате разных
теплообменных процессов - нагревания и охлаждения
продукта, а также регенерации теплоты (как, например,
в поточном пастеризаторе);
18.01.2017
Лекция 7
© проф. Федоренко Борис Николаевич
46

47. ПРЕИМУЩЕСТВА ПЛАСТИНЧАТОГО ТЕПЛООБМЕННИКА (продолжение)

более высокие коэффициенты теплопередачи
благодаря энергичной турбулизации потоков (за счет
малой толщины и рельефа пластин) при движении
жидкости в очень узких каналах; это позволяет
эффективно применять пластинчатые
теплообменники при малых температурных
перепадах между продуктом и теплоносителем;
относительная дешевизна в изготовлении, поскольку
основные элементы теплообменника –
гофрированные пластины - изготавливают методом
штамповки;
возможность быстрой разборки для тщательной
мойки и очистки пластин (но обычно используют для
этого безразборную мойку).
18.01.2017
Лекция 7
© проф. Федоренко Борис Николаевич
47

48. НЕДОСТАТКИ ПЛАСТИНЧАТОГО ТЕПЛООБМЕННИКА

18.01.2017
Лекция 7
Большое количество резиновых
уплотнений, общая протяженность
которых значительна, которые со
временем теряют свою
эластичность и не обеспечивают
герметичность теплообменника,
вследствие чего образуются
протечки;
Необходимость регулярной
(обычно раз в 3 года) замены
уплотнительных прокладок.
© проф. Федоренко Борис Николаевич
48

49. СХЕМА ПАСТЕРИЗАТОРА ЖИДКИХ СРЕД В ПОТОКЕ

4
3
Возврат хладагента
Хладагент
Продукт
Пар
6
2
7
Пастеризованный
продукт
1
10
9 8
5
Конденсат
Вода холодная для подпитки
В современных поточных пастеризаторах коэффициент рекуперации
теплоты может достигать 92%.
18.01.2017
Лекция 7
© проф. Федоренко Борис Николаевич
49

50. ОБЩИЙ ВИД ПАСТЕРИЗАТОРА ЖИДКИХ СРЕД В ПОТОКЕ

18.01.2017
Лекция 7
© проф. Федоренко Борис Николаевич
50

51. ОБЩИЙ ВИД ПАСТЕРИЗАТОРА НАПИТКОВ В ПОТОКЕ

18.01.2017
Лекция 7
© проф. Федоренко Борис Николаевич
51

52. ДИАГРАММА ПАСТЕРИЗАЦИИ ЖИДКИХ СРЕД В ПОТОКЕ

t, С
60
40
20

-0,5 С
о
Секция
охлаждения
80
Секция рекуперации
2
1
о
10 С
о
4
1
С
о
-5 С
77оС
70 С
3
о
74 С
о
70 С
Секция
пастеризации
о
1 – продукт исходный; 2 – продукт пастеризованный; 3 – вода горячая;
4 – хладагент.
18.01.2017
Лекция 7
© проф. Федоренко Борис Николаевич
52

53. ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПАСТЕРИЗАЦИИ

Эп =
60
1,393( t 60) ,
ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПАСТЕРИЗАЦИИ
Эффективность процесса пастеризации
оценивают по количеству пастеризационных
единиц (ПЕ):
Эп=
× 1,393(t6060)
где - продолжительность выдерживания напитка, с;
t – температура нагрева, С.
Под одной пастеризационной единицей понимают
биологический эффект от тепловой обработки
продукта при температуре 60 ºС в течение 1 минуты.
18.01.2017
Лекция 7
© проф. Федоренко Борис Николаевич
53

54.

РЕКУОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА К
ИЗУЧАЕМОЙ ТЕМЕ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
“МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ
МИНИСТЕРСТВА ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ”
Б. Н. Федоренко
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИХ
ПРОИЗВОДСТВ
Часть 1. БИОРЕАКТОРЫ
УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ
Федоренко Б.Н. Технологическое оборудование микробиологических производств.
Часть 1. Биореакторы. – М.: МГУПП, 2006.
– 66 с.
МОСКВА 2006
18.01.2017
Лекция 1
© проф. Федоренко Борис Николаевич
54

55.

ФЕДОРЕНКО
Борис Николаевич
доктор технических наук, профессор
Кафедра “Технологические машины и
оборудование”
Московского государственного
университета пищевых производств
СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!
тел. 8 (499) 158-72-11
18.01.2017
Лекция 6
© проф. Федоренко Борис Николаевич
55
English     Русский Rules