Системы теплообмена в биореакторах. (Лекция 6) презентация

* Лекция 2

проф. Федоренко Борис Николаевич

ФЕДОРЕНКО Борис Николаевич
доктор технических наук, профессор Московского государственного университета пищевых производств

Лекция 5.
СИСТЕМЫ ТЕПЛООБМЕНА В БИОРЕАКТОРАХ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ
ОБОРУДОВАНИЕ ОТРАСЛИ
(биотехнологические производства)

НАЗНАЧЕНИЕ СИСТЕМ ТЕПЛООБМЕНА В БИОРЕАКТОРАХ

Системы теплообмена биореактора предназначены для термостабилизации процесса культивирования микроорганизмов.

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.

ЗАВИСИМОСТЬ УДЕЛЬНОЙ СКОРОСТИ РОСТА ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ КУЛЬТИВИРОВАНИЯ

ƒ1(t) = μ/μmt

В процессе культивирования оптимальную температуру поддерживают с точностью ±1°С с помощью системы теплообмена биореактора. Для дрожжей, например, tопт составляет 29…32°С.

Функция изменяется от 0 до 1 и носит экстремальный характер.

ЗАВИСИМОСТЬ ТЕПЛОВЫДЕЛЕНИЯ ОТ ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТИ ПРОЦЕССА ФЕРМЕНТАЦИИ

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.

ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ПРИ КУЛЬТИВИРОВАНИИ МИКРООРГАНИЗМОВ

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.

Qб + Qм + Qв = Qх + Qи + Qп

КОЛИЧЕСТВО ТЕПЛОТЫ, ОТВОДИМОЕ ИЗ БИОРЕАКТОРА

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 = Qм + Qб + Qв - Qи - Qп

Qх = 1,1(Qм + Qб)

УДЕЛЬНЫЕ ТЕПЛОВЫДЕЛЕНИЯ ПРИ МЕХАНИЧЕСКОМ ПЕРЕМЕШИВАНИИ СРЕДЫ

где Nуд- удельная рабочая мощность механического перемешивающего устройства, кВт/м3.

qм = 3,6×103 Nуд

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.

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.

ПРЕИМУЩЕСТВА НАРУЖНЫХ СИСТЕМ ТЕПЛООБМЕНА В БИОРЕАКТОРАХ

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.

НЕДОСТАТКИ НАРУЖНЫХ СИСТЕМ ТЕПЛООБМЕНА

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;

НЕДОСТАТКИ НАРУЖНЫХ СИСТЕМ ТЕПЛООБМЕНА (продолжение)

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.

ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ОХЛАЖДАЮЩИХ РУБАШЕК БИОРЕАКТОРА

а) гладкостенная; б) секционированная; в) спиральная секционированная

НАРУЖНАЯ ТЕПЛООБМЕННАЯ РУБАШКА С АНКЕРНЫМИ СВЯЗЯМИ

ВНУТРЕННИЕ ТЕПЛООБМЕННЫЕ СИСТЕМЫ В БИОРЕАКТОРАХ

а) змеевики; б) пучок труб.

ПРЕИМУЩЕСТВА ВНУТРЕННИХ СИСТЕМ ТЕПЛООБМЕНА

эффективна вся поверхность внутреннего теплообменного устройства, которая полностью контактирует с охлаждаемой средой;

отпадает необходимость тепловой изоляции.

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.

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.

ОСНОВНОЕ УРАВНЕНИЕ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ

К - коэффициент теплопередачи - количество теплоты, которая передается в единицу времени через единицу поверхности при разности температур в 1°К.

Повышение эффективности теплообмена возможно за счет:
увеличения поверхности теплообмена;
повышения коэффициента теплопередачи;
увеличения разности температур.

Q = К F Δt

= коэффициенты теплоотдачи
= теплопроводность материала стенки
s = толщина стенки

Σ

ПОВЫШЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ

⇨ Скорость процесса обратно пропорциональна сопротивлению!

⇨ Основное сопротивление теплопереносу сосредоточено со стороны охлаждаемой среды!

СООТНОШЕНИЕ ТЕПЛОВЫХ СОПРОТИВЛЕНИЙ
ПРИ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ В РУБАШКЕ

Нагревательная рубашка с анкерными связями расположена на внутренней поверхности стенки.
Её поверхность состоит из многочисленных надутых «карма-нов», в которые подают хладагент или теплоноситель.

НОВЕЙШАЯ СИСТЕМА ТЕПЛООБМЕНА – ВНУТРЕННЯЯ РУБАШКА С АНКЕРНЫМИ СВЯЗЯМИ

Образование микрозавихрений интенсифицирует теплообмен.

“Карманы” паровой рубашки

Перемешивание
среды

Пограничный слой

Микрозавихрения

ОБРАЗОВАНИЕ МИКРОЗАВИХРЕНИЙ В ПРОЦЕССЕ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ТЕПЛООБМЕНА

Теплообмен зависит от гидродинамических условий у поверхности теплопередачи;



Завихрения среды у поверхности теплопередачи способствуют повышению коэффициента теплоотдачи αСР, и, тем самым, повышению коэффициента теплопередачи.

Q = k F Δt

116%
100%
83%
66%
50%
33%
17%
0%

Коэффициент
теплопередачи, Вт/(м2К)

а) наружная
спиральная рубашка

б) внутренняя
рубашка с
анкерными
связями

ТЕПЛОПЕРЕДАЧА В РУБАШКАХ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ

а

б

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ПОВЕРХНОСТИ ТЕПЛООБМЕНА В АППАРАТАХ

Благодаря значительному повышению коэффициента теплопередачи можно частично сократить (или даже исключить!!!) площадь теплообмена на днище аппарата.

УВЕЛИЧЕНИЕ РАЗНОСТИ ТЕМПЕРАТУР

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.

Q = k F Δt

ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА ТЕПЛООБМЕННОГО АППАРАТА С ФАЗОВЫМИ ПЕРЕХОДАМИ

Р1 = 5…9 ати;
Р2 = 2…4 ати;
tК1 > tК2

ТЕПЛООБМЕННЫЙ АППАРАТ С ФАЗОВЫМИ ПЕРЕХОДАМИ

Реализация замкнутого термодинамического цикла с использованием процесса «кипение – конденсация» в испарительной и конденсаторной зонах ТАФП позволяет обеспечить более высокие значения коэффициента теплопередачи.

Недостатком системы ТАФП является то, что перед тепловой стерили-зацией биореактора ее нужно опорожнять, а затем вновь заполнять хладагентом.

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.

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

ИЗМЕНЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПРОЦЕССА БИОСИНТЕЗА ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ТАФП

Бродильный аппарат

Жидкий аммиак

Газообразный аммиак

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.

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.

Бродильный аппарат

Циркуляционный насос

Промежуточный сборник

Пропиленгликоль

ПРЕИМУЩЕСТВА КОСВЕННОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ЦКБА:

более низкое рабочее давление в охлаждающих рубашках;

равномерность нагрузки на холодильную установку при использовании энергоаккуму-лятора (накопителя холода);

постоянство температуры испарения;

потребность в меньшем количестве опасного аммиака (или отказ от него при использовании фреоновой холодильной установки).

более высокие затраты энергии;

потребность в трубопроводах большего диамет-ра, в насосах с большей подачей, в большей площади теплоизоляции коммуникаций системы охлаждения;

потребность в промежуточном оборудовании для охлаждения теплоносителя.

НЕДОСТАТКИ КОСВЕННОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ЦКБА:

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.

ПЛАСТИНЧАТЫЕ ТЕПЛООБМЕННИКИ

ПЛАСТИНЧАТЫЕ ТЕПЛООБМЕННИКИ

СХЕМА ПЛАСТИНЧАТОГО ТЕПЛООБМЕННИКА

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.

ФОРМУЛА СБОРКИ ПЛАСТИНЧАТОГО ТЕПЛООБМЕННИКА

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).

3+3
3+3

2+2
4

Предварительное

Окончательное

Бак технической ледяной воды

Сусло

Технологическая ледяная вода

Технологическая вода

Сусло

Технологическая вода

Сусло

Вода

Сусло

охлаждение

охлаждение

* Лекция 7

© проф. Федоренко Борис Николаевич

Одноступенчатое

охлаждение

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);

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).

НЕДОСТАТКИ ПЛАСТИНЧАТОГО ТЕПЛООБМЕННИКА

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.

СХЕМА ПАСТЕРИЗАТОРА ЖИДКИХ СРЕД В ПОТОКЕ

В современных поточных пастеризаторах коэффициент рекуперации теплоты может достигать 92%.

ОБЩИЙ ВИД ПАСТЕРИЗАТОРА ЖИДКИХ СРЕД В ПОТОКЕ

ОБЩИЙ ВИД ПАСТЕРИЗАТОРА НАПИТКОВ В ПОТОКЕ

ДИАГРАММА ПАСТЕРИЗАЦИИ ЖИДКИХ СРЕД В ПОТОКЕ

1 – продукт исходный; 2 – продукт пастеризованный; 3 – вода горячая; 4 – хладагент.

ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПАСТЕРИЗАЦИИ

Под одной пастеризационной единицей понимают биологический эффект от тепловой обработки продукта при температуре 60 ºС в течение 1 минуты.

Эффективность процесса пастеризации оценивают по количеству пастеризационных единиц (ПЕ):

где τ - продолжительность выдерживания напитка, с;
t – температура нагрева, °С.

× 1,393(t-60)

Эп=

τ
60

* Лекция 1

© проф. Федоренко Борис Николаевич

РЕКУОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА К ИЗУЧАЕМОЙ ТЕМЕ

Федоренко Б.Н. Технологическое оборудо-вание микробиологических производств. Часть 1. Биореакторы. – М.: МГУПП, 2006. – 66 с.

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!

ФЕДОРЕНКО Борис Николаевич доктор технических наук, профессор
Кафедра “Технологические машины и оборудование” Московского государственного университета пищевых производств
тел. 8 (499) 158-72-11