Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Биотехнологические процессы и биореакторы разработка и проектирование. Учебное пособие.pdf
21
3) рационального распределения энергетических ресурсов;
4) использования оборудования с максимальной эффективностью;
5) соблюдения соразмерности, когда применение отдельных прин-
ципов не приводит к конфликтам.
Результатом создания такой концепции становится предварительная
(эскизная) технологическая схема, в которой прямоугольники символизи-
руют отдельные элементы и основные переменные состояния процесса.
Стрелки между прямоугольниками показывают последовательность
и направление перемещения реагентов [16]. Эта схема представляет собой
первую попытку превратить теоретическую концепцию в проект промыш-
ленного производства. Поскольку она основана на качественных принци-
пах, дальнейшие шаги требуют количественного анализа и возможной
корректировки.
При подтверждении целесообразности предложенной схемы необхо-
димо провести дополнительные исследования, направленные на совершенствование методов биотехнологического производства. Физическое
и математическое моделирование помогают определить, какие элементы
процесса следует изучить последовательно для последующего масштабирования (до четверть- и полупромышленных уровней) и какие элементы
можно проектировать сразу для большего масштаба без тестирования
в опытно-промышленных условиях. Данные, полученные из предпроектных исследований, служат основой для составления принципиальной
технологической схемы, где отдельные элементы обозначаются условными
символами различных машин, аппаратов и агрегатов.
Расчет конструктивных размеров технологического оборудования
для стадий биотехнологического процесса основывается на решении урав-
22
нений материальных и энергетических балансов. Определение размеров
аппаратуры, включая биореакторы, осуществляется по методикам (известным в области биохимической инженерии) с учетом экспериментальных
данных об осуществляемых БТП. Конструктивные размеры могут быть
скорректированы по результатам тестов на полупромышленных установках с применением математического моделирования. Важной задачей
является выбор числа параллельно работающих аппаратов и резервных
единиц в технологической схеме для обеспечения бесперебойной работы
в случае аварий или ремонтов. Эта задача рассматривается в контексте
взаимосвязанности различных стадий биотехнологического производства,
а результаты определения размеров аппаратов подлежат тщательной про-
верке. Установление конструктивных размеров, условий реализации процессов и рабочего графика является основой для корректировки предварительной (эскизной) технологической схемы. В заключение на этом этапе
определяются способы контроля и автоматизации БТП, разрабатывается
функциональная схема автоматизации [16].
Работа завершает фазу разработки методов биотехнологического
производства, включая составление окончательной версии принципиаль-
ной технологической схемы и критический анализ полученных результа-
тов. Для завершения анализа рассчитываются материальные и энергетические балансы всего биотехнологического производства, строятся диаграммы потоков, определяются коэффициенты расхода различных ресурсов
и материалов. Проводится анализ расположения (компоновки) технологического оборудования, а также количества необходимых рабочих для его
обслуживания. Составляются ориентировочная смета и предварительная
калькуляция затрат, проводятся экономические оценки нового метода био-
23
технологического производства по сравнению с существующими аналогами [5, 14, 15].
Если в ходе разработки технологического проекта исследуются
несколько вариантов методов производства, проводятся сравнительные
анализы для выбора оптимального варианта. При создании биохимической
и технологической концепции основное внимание уделяется литературным
данным и уравнениям биохимических и физико-химических преобразований с указанием предполагаемых значений технологических переменных
(допустимые диапазоны для изменения температуры, давления, pH среды
и концентраций компонентов).
1.3. СОСТАВ И СОДЕРЖАНИЕ ИСХОДНЫХ ДАННЫХ
ДЛЯ РАЗРАБОТКИ И ПРОЕКТИРОВАНИЯ
БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ПРОИЗВОДСТВ
Основным документом при разработке биотехнологических процес-
сов и производств (БТП) являются «Исходные данные». Ответственной
за составление и выдачу исходных данных, как правило, является специализированная фирма, имеющая право (лицензию) на их разработку и выдачу.
Документ «Исходные данные» для разработки и проектирования
БТП включает следующие разделы: введение; общие сведения о биотехнологии; перспективы производства и потребления; патентный формуляр;
характеристику производимой биопродукции; характеристику сырья,
биологических материалов и агентов, полупродуктов и энергоресурсов;
биохимические, физико-химические и теплофизические свойства исход-
ных, промежуточных, побочных продуктов и отходов биотехнологическо-
24
го производства; описание стадий биотехнологического производства и
технологической схемы; материальный баланс по стадиям биотехнологического производства; расходные коэффициенты сырья и вспомогательных материалов; математическое описание процессов и аппаратов
по стадиям производства; данные для расчета и выбора основного про-
мышленного технологического оборудования; рекомендации по автоматизации и управлению технологическими процессами на стадиях БТП; рекомендации по охране окружающей среды и утилизации отходов БТП.
Раздел «Общие сведения о биотехнологии» включает описание ста-
дий и метода (технологии) биотехнологического производства, количества
технологических линий (потоков); сведения об отечественных и зарубеж-
ных аналогах; характеристику и результаты работы лабораторных, пилотных и опытно-промышленных установок, на которых отработаны и проверены результаты предпроектных научно-исследовательских работ, на основании которых разрабатываются исходные данные для проектирования.
В разделе «Перспективы производства и потребления» приводятся
результаты мониторинга потребности в товарной продукции биотехнологического производства с учетом реализации побочных продуктов,
а также продуктов, полученных от переработки отходов на перспективу;
дается оценка экспортных возможностей и обеспеченности биотехнологи-
ческого производства биологическими материалами, агентами и вспомога-
тельными материалами требуемого качества. Кроме того, в этом разделе
приводятся ориентировочный расчет себестоимости биопродукта и срав-
нение ее с себестоимостью аналогичного продукта, получаемого другими
методами; ожидаемая экономическая эффективность от внедрения новой
биотехнологии производства, технико-экономические показатели производства.
25
В разделе «Патентный формуляр» определяется патентная чистота
биотехнологического процесса, аппаратурно-технологического оформле-
ния по стадиям производства, приводится отчет о патентных исследованиях и перечень использованных и рекомендуемых к использованию патентов при разработке БТП.
В разделе «Характеристика производимой биопродукции» приводятся наименование продукта в соответствии с нормативно-технической
документацией; наименования государственного и отраслевого стандартов,
технических условий, стандартов предприятия, в соответствии с требованиями которых будет производиться биопродукция.
В разделе «Характеристика сырья, биологических агентов, субстратов и питательных сред, полупродуктов и энергоресурсов» приводятся
данные, характеризующие требования, предъявляемые к биологическим
агентам, субстратам и питательным средам, технологической воде, воздуху, полупродуктам и энергоресурсам, используемым в биотехнологическом производстве.
Раздел «Био-, физико-химические и теплофизические свойства
исходных, промежуточных, побочных и готовых продуктов, реакционных
масс, смесей и отходов биотехнологического производства» включает
описание (в табличном виде) свойств биологических агентов, субстратов и
питательных сред, культуральной среды после ферментации и отходов
производства в рабочих диапазонах температур и pH-культуральной среды; коэффициенты диффузии, коэффициенты относительной летучести
в разделяемых ректификацией смесях, коэффициенты распределения для
экстракционных процессов или соответствующие равновесные концентрации в соответствующих фазах.
26
В разделе «Биохимизм и физико-химические основы биотехнологи-
ческих процессов, в том числе по переработке отходов биотехнологического производства» приводятся: описание биохимизма по стадиям производ-
ства, тепловые эффекты биохимических реакций и физических процессов,
кинетические уравнения биохимических реакций, выходы по стадиям
биотехнологического производства, влияние гидродинамической обстановки в биореакторе (при осуществлении каждого биохимического процесса) на его основные показатели эффективности.
Раздел «Описание биотехнологического процесса и технологической
схемы производства» содержит все основные современные машины, биологические реакторы и аппараты, используемые в проектируемом биотехнологическом производстве. Описание технологической схемы произ-
водится по стадиям производства, начиная с поступления сырья (чистой
культуры, стерилизованного посевного материала, жидких и сухих
веществ для подготовки стерилизованной питательной среды, технологи-
ческой воды, стерилизованного воздуха для аэрации культуральной среды,
пара и т.п.) и кончая отгрузкой готовой биопродукции.
В описании указываются:
– основные технологические режимы (переменные состояния)
БТП, влияющие на обеспечение качества биопродукции и безопасность
производства;
– аппаратурно-технологическое оформление БТП;
– система автоматического контроля переменных состояния БТП,
схема регулирования важнейших технологических параметров с указанием
запорно-регулирующей арматуры, сигнализации и блокировок аварийного
состояния технологического оборудования БТП;
– и т.д.
27
Материальный баланс производства формируется на основе расчетов
для единицы времени (ч) и объема выпускаемой биопродукции в рамках
непрерывного биотехнологического процесса, а также для одной операции
в периодической технологии. Он представлен в виде таблиц, детализиру-
ющих этапы производства и состав промежуточных и конечных продук-
тов, основываясь на фактических данных функционирования технологической схемы опытно-промышленного производства. Также указываются
величины потерь на всех стадиях производственного цикла, что является
ключевым для проектирования промышленного биотехнологического производства.
В разделе, посвященном математическому описанию биотехнологических процессов и аппаратов, приводятся общие математические модели
для биореакторов и других технологических узлов, что позволяет прово-
дить надежные расчеты промышленных биореакторов и других аппаратов
технологической схемы биотехнологического производства.
Раздел «Данные для расчета, конструирования и выбора основного
промышленного технологического оборудования и защиты строительных
конструкций» содержит рекомендации по выбору конструкционных материалов для основного технологического оборудования на основании
экспериментальной проверки их в опытно-промышленных условиях; материалов для трубопроводов, арматуры и прокладок по всей технологической схеме биотехнологического производства; рекомендации по типу
аппаратуры, уплотнению фланцевых соединений, материалам сальниковых
набивок, смазочным материалам, уплотняющим жидкостям для трубопро-
водов и арматуры. Приводятся также рекомендации и требования для кон-
струирования и подбора основного биотехнологического оборудования,
которые должны базироваться на результатах проверки на опытно-
28
промышленных установках рекомендуемых конструкций оборудования;
рекомендации по применению оригинальных аппаратов, технические про-
екты таких аппаратов, их стоимость, режимы работы с учетом всех видов
ремонтов, рекомендации по обслуживанию.
Этот раздел обеспечивает инженеров и технологов необходимыми
знаниями, информацией и рекомендациями для выбора и конструирования
надежного и эффективного технологического оборудования для биотехнологических производств.
В разделе «Рекомендации по автоматизации и управлению технологическими процессами на стадиях биотехнологического производства»
детализируются переменные состояния, подлежащие автоматическому
контролю, рекомендуемые точки отбора информации и системы автомати-
ческого регулирования технологических параметров. Описываются мето-
ды контроля качества, указываются места отбора проб и методики обра-
ботки данных с использованием автоматических анализаторов, а также
приводятся рекомендации по управлению БТП в биотехнологическом производстве.
В разделе «Рекомендации по охране окружающей среды и утилизации отходов биотехнологического производства» предоставляются информация и рекомендации по следующим аспектам.
Очистка сточных вод: методы и параметры технологического про-
цесса очистки химически и механически загрязненных сточных вод, вклю-
чая технологии первичной очистки, позволяющие повторное использование воды или окончательное обезвреживание на централизованных
очистных сооружениях. Указывается количество и состав сточных вод
по отдельным стадиям производства, а также частота сброса.
29
Обезвреживание газовых выбросов: способы и приемы обезврежива-
ния газовых выбросов, образующихся в процессе биотехнологического
производства.
Утилизация вредных отходов: методы утилизации вредных отходов,
образующихся в процессе биотехнологического производства. Описыва-
ются технологии переработки и обезвреживания отходов, а также способы
и приемы по снижению количества их образования.
Этот раздел имеет решающее значение для обеспечения того, чтобы
биотехнологические производства соответствовали экологическим нормам
и минимизировали свое воздействие на окружающую среду. Он предо-
ставляет инженерам и технологам необходимые знания и рекомендации
для разработки и внедрения эффективных систем охраны окружающей
среды и утилизации отходов. Помимо этого, раздел охватывает данные
о количестве и составе газовых выбросов, технологии их обезвреживания,
эффективность очистки и характеристики реагентов, а также рекоменда-
ции по извлечению товарной продукции из сточных вод и газовых выбросов. Приводятся методы контроля за содержанием вредных веществ в воздухе производственных помещений.
В разделе, посвященном технике безопасности, охране труда и про-
тивопожарной безопасности, представлены рекомендации по обеспечению
безопасности на всех этапах производства. Указываются потенциально
опасные участки технологической схемы, возможные источники вредных
выделений и предложены меры по обеспечению герметичности оборудо-
вания. Рассматриваются подходы к удалению вредных веществ и методы
их очистки и дегазации для аппаратов, трубопроводов и конструкций.
30
Наконец, акцентируется внимание на потенциальных источниках
шума и вибрации, а также на методах их устранения или снижения
до допустимого уровня. В этом разделе также приводятся токсикологические характеристики веществ, используемых на производстве, информация
о их воздействии на здоровье человека и предельно допустимые концен-
трации вредных веществ в воздухе рабочих зон и водоемах, согласованные
санитарными органами. Указываются рекомендации по индивидуальным
средствам защиты сотрудников, работающих с новыми продуктами, методам дегазации и стирки специальной одежды.