Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Методология проектирования биотехнологических производств. Учебное пособие.pdf
1
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего образования
«Тамбовский государственный технический университет»
Д. С. ДВОРЕЦКИЙ, С. И. ДВОРЕЦКИЙ,
Е. И. АКУЛИНИН, М. С. ТЕМНОВ
МЕТОДОЛОГИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ
Утверждено Ученым советом университета
в качестве учебного пособия для студентов
бакалавриата и магистратуры высших учебных заведений
технологических направлений и специальностей
Учебное электронное издание
Тамбов
Издательский центр ФГБОУ ВО «ТГТУ»
2020
УДК 607,658.512
Д24
ISBN 978-5-8265-2191-5
© Федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение высшего образования
«Тамбовский государственный технический университет»
(ФГБОУ ВО «ТГТУ»), 2020
ББК 51.001.57
Д24
ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет
Рецензенты:
Доктор технических наук, профессор,
главный научный сотрудник ФГБНУ ВНИИТиН
С. А. Нагорнов
Доктор технических наук, профессор
инженерных технологий»
С. Г. Тихомиров
Дворецкий, Д. С.
Методология проектирования биотехнологических производств [Элек-
тронный ресурс] : учебное пособие / Д. С. Дворецкий, С. И. Дворецкий,
Е. И. Акулинин, М. С. Темнов. – Тамбов : Издательский центр ФГБОУ
ВО «ТГТУ», 2020. – 1 электрон. опт. диск (CD-ROM). – Системные требования : ПК не ниже класса Pentium II ; CD-ROM-дисковод ; 56,0 Mb ;
RAM ; Windows 95/98/XP ; мышь. – Загл. с экрана.
ISBN 978-5-8265-2191-5
Изложены основы методологии исследования (анализа) и совершенствования существующих, а также создания (синтеза) новых биотехнологических
процессов и производств. Описаны методы проведения научных исследований
и обработки их результатов для определения практической скорости биохимического процесса, составления материального и энергетического балансов производства, выбора оптимальных технологических схем и режимов, подбора
технологического оборудования.
Предназначено для студентов бакалавриата и магистратуры высших учебных заведений технологических направлений и специальностей.
УДК 607,658.512
ББК 51.001.57
Все права на размножение и распространение в любой форме остаются за разработчиком.
Нелегальное копирование и использование данного продукта запрещено.
2
3
ВВЕДЕНИЕ
«Технология – учение о выгодных (т.е. поглощающих наименее труда люд-
ского и энергии природы) приемах переработки природных ресурсов в продукты,
потребные (необходимые, или полезные, или удобные) для применения в жизни
людей» – так начинается статья «Технология», написанная Д. И. Менделеевым в
Энциклопедическом словаре под редакцией Ф. А. Брокгауза и И. Л. Ефрона.
Биотехнология представляет собой целенаправленную переработку исходного
сырья (субстратов), в процессе которой используются биохимическая деятельность
микроорганизмов, изолированных клеток или их компонентов, а также биологические процессы. Такие процессы, как хлебопечение, сыроделие, виноделие и другие,
известны человечеству с незапамятных времен. Однако термин «биотехнология»
привился только с середины 70-х годов XX века, когда появилась генетическая инженерия.
Биотехнология – естественная, прикладная наука о способах и процессах про-
изводства продуктов (предметов потребления и средств производства), осуществляемых с участием живых организмов и биохимических превращений технически,
экономически и социально целесообразным путем.
Как наука биотехнология имеет: предмет изучения – биотехнологическое производство; цель изучения – создание целесообразного способа (технологии) производства необходимых человеку биопродуктов; методы исследования – экспериментальный, физическое и математическое моделирование, системный анализ.
Биохимическая технология имеет дело в основном с процессами, связанными
с переработкой биологических материалов, с использованием биологических агентов (клеток, ферментов). Она интегрирует в себе знания о биохимических превращениях, физико-химических, биологических свойствах и явлениях, физических явлениях переноса, сведения из математики, механики, информатики, экономики и
других наук и вырабатывает знания о взаимодействии отдельных явлений [1 – 3].
Успешное решение задач биохимической технологии базируется на использовании новейших данных и подходов к разработке биотехнологии, и на этой основе
разрабатываются новые биотехнологические процессы, способы их контроля и
управления ими, намечаются пути их дальнейшего развития и оптимизации. Для
4
того чтобы стать хорошим специалистом в этой области, нужны многолетнее тщательное теоретическое изучение предмета (биотехнологии), методологии разработки биотехнологии и практическая работа.
Настоящее учебное пособие представляет собой вводный курс по обучению
студентов искусству проектирования биотехнологических производств, представляющих собой сложные биотехнологические системы (БТС). БТС отличаются повышенным классом сложности, поэтому прежде чем приступить к их компьютерному проектированию, необходимо ознакомить студентов с основными принципами концептуального проектирования. В ходе обучения студент должен овладеть
определенной суммой знаний в предметной области, связанной с анализом эффективности функционирования БТС и синтезом (проектированием) сложных систем;
получить четкое представление об элементах БТС – стадиях, аппаратах биотехнологического производства и протекающих в них процессах последовательного превращения сырья в биопродукты; уяснить значение отношений между процессами и
аппаратами и научиться прогнозировать поведение аппаратов и БТС (биотехнологического производства) в целом при изменении условий их функционирования.
Проектирование относится к сложнейшему виду человеческой деятельности и
поэтому биотехнолог должен быть эрудирован во многих научных областях и обладать системным мышлением. Поставив перед собой задачу развития системного
мышления у обучаемых, авторы в своем изложении учебного материала использовали системотехническое изучение биотехнологических производств как сложных
иерархических БТС.
5
1. БИОТЕХНОЛОГИЯ И КОНЦЕПЦИЯ
НОВОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА
В противоположность микробиологу-исследователю, который может синтезировать в лабораторных условиях нужный биопродукт в небольшом количестве и
часто весьма дорогостоящим способом, биотехнолог ставит своей задачей производство биопродукта в промышленном масштабе при возможно более низких экономических затратах [3 – 5].
Изучение биотехнологии имеет следующие цели:
1) ознакомление с используемыми в настоящее время методами организован-
ной человеком деятельности микроорганизмов, направленной на переработку сырья и производство определенных продуктов, – это энциклопедический свод сведений об исходных веществах и применяемых способах работы, представляющий собой введение в изучение биотехнологии;
2) усвоение общих законов (физических, физико-химических и биологиче-
ских, инженерных), последовательное применение которых дает возможность оптимального решения технологической проблемы, т.е. создания наилучших (в данных условиях) микробиологической и технологической концепций нового метода
(биотехнологии) производства.
В процессе развития биотехнологии как науки можно выделить несколько последовательных периодов. В первом, наиболее раннем периоде биотехнология
была собранием рецептов и описаний проведения технологических процессов получения пива, вина, сыра, хлеба без какого-то обоснования причин выбора определенного метода производства.
В следующем периоде (1865 – 1940 гг.) стали известны микроорганизмы-продуценты, и это позволило создать производства этанола, бутанола, ацетона, глицерина, лимонной кислоты, многих вакцин, организовать процессы биологической
очистки стоков аэробными микроорганизмами. Предпринимались попытки
анализа физико-химических и микробиологических явлений и обоснования причин, определяющих выбор рассматриваемого биотехнологического метода (биотехнологии).
6
Третий период, который отчетливо обозначился после Второй мировой
войны, можно охарактеризовать открытием пенициллина, стрептомицина и мно-
гих других антибиотиков; созданием технологий аминокислот, витаминов
и
; открытием микробиологического способа получения полисахаридов; раз-
работкой генной инженерии, которая позволяет целенаправленно изменять геном
микроорганизмов.
Уже более 50 лет существует тенденция выделения и систематизации процессов с использованием биохимической деятельности микроорганизмов как отдельной прикладной науки о промышленных биохимических процессах (включая теорию биохимических реакторов), которая базируется на законах химической термодинамики и биохимической кинетики.
Для решения технологической проблемы нужно знать не только применяемые
методы (технологии) биотехнологического производства и уметь выделять единич-
ные элементы (единичные процессы и операции), но прежде всего методы наиболее
рационального (технически и экономически) перехода в промышленном масштабе
от исходных веществ (сырья) к необходимому конечному продукту.
Ответ на это дает наука о проектировании биотехнологического процесса
(БТП), основывающаяся на теории эксперимента, общих технологических принципах, системном анализе, теории подобия и моделирования, а также на методах оптимизации биотехнологических систем. Проектируемый БТП предназначен для целенаправленной переработки сырья (субстратов) с использованием биохимической
деятельности микроорганизмов, изолированных клеток или их компонентов,
а также биологических процессов в конечный биопродукт путем осуществления
совокупности ряда технологических операций и физико-биохимических процессов
в современной технической аппаратуре.
Таким образом, описание используемых технологических способов и приемов
(процессов), содержащее разбор их физико-химических и биологических основ, –
это систематика биотехнологии, а изложение методов проектирования нового
БТП – это теория биотехнологии [1, 2].
Результатом деятельности биотехнолога, проектирующего новый технологический процесс, является проект, заключающий в себе характеристики исходных
веществ, определение типа, числа, размеров и последовательности всех аппаратов
7
технологической цепочки производства, а также оптимальных значений параметров режимов их функционирования.
Основанием для разработки технологического проекта служат данные предварительных научных исследований. Цель биохимической концепции метода – выбор исходных веществ и материалов (питательной среды с необходимым набором
элементов для построения биомассы микроорганизмов, очищенного воздуха, биологического агента, биокатализатора, биологически чистой воды), обеспечивающих получение конечного биопродукта.
Обычно существует несколько возможных вариантов перехода от исходных
веществ, которыми мы располагаем, к желаемому конечному продукту. Предварительный их анализ основан на проведении стехиометрических и термодинамических расчетов, дающих возможность теоретически определить достижимые выходы по известным литературным источникам. После предварительного анализа
можно отвергнуть некоторые теоретически возможные способы и выбрать наиболее перспективный метод, для которого затем планируются экспериментальные исследования.
Эксперименты вначале проводятся в лабораторных условиях. Диапазон исследований зависит от типа БТП – с помощью методов теории подобия и моделирования процессов определяется, какие параметры должны быть исследованы, т.е. устанавливаются условия однозначности БТП.
Эксперименты включают изучение статики, кинетики и механизма технологического процесса. При этом полное исследование сложного БТП невозможно, и часто ограничиваются нахождением зависимости производительности от отдельных
технологических параметров.
Результаты эксперимента подвергаются математической обработке, представляются в виде математических выражений, дающих возможность сглаживать, интерполировать и экстраполировать полученные результаты; определяется также
точность (величина погрешности) измерений.
Работа на этапе предварительных исследований охватывает также измерения
и вычисления физико-биохимических величин (характеризующих исходные вещества, промежуточные и конечные продукты и реакционные системы), необходимые
8
для проектирования БТП. Это термохимические, термодинамические и термокинетические величины, такие как теплота образования, теплоемкость, энтальпия и энтропия, кинетические константы, плотность, вязкость, коэффициенты теплопроводности и диффузии. Необходимо располагать данными не только для чистых реагентов, но и для их смесей, а также изучить равновесие в многофазных системах,
участвующих в процессе [1 – 5].
Полученные в ходе предварительных исследований данные о статике и кинетике процесса, а также о свойствах реагентов являются основой для создания технологической концепции БТП, т.е. завершения выбора и упорядочения типовых
единичных процессов и операций, а также определения способа их реализации.
Создание технологической концепции БТП базируется на общих технологических принципах [1 – 5]: 1) использование разности потенциалов; 2) наилучшее использование исходных веществ и материалов (сырья); 3) наилучшее использование
энергии; 4) наилучшее использование оборудования; 5) технологическая соразмерность – нахождение оптимума в тех случаях, когда применение отдельных принципов приводит к противоречиям.
Результатом создания биотехнологической концепции на первой стадии проектирования является эскизная схема БТП, на которой прямоугольниками обозначены типовые единичные элементы процесса (стадии технологического процесса)
и основные их параметры, а также указаны исходные вещества, полупродукты, побочные продукты, отходы и целевой продукт. Стрелки, соединяющие прямоугольники, показывают последовательность типовых единичных элементов БТП и
направление движения реагентов.
Эскизная технологическая схема составляется на основе технологических
принципов, имеющих лишь качественный характер; поэтому далее необходим
предварительный анализ предложенной схемы и возможно ее исправление. Для
этого составляются материальный и энергетический балансы технологического
процесса.
Если предварительный анализ подтвердил целесообразность принятой технологической схемы, нужно провести дальнейшие исследования, направленные на
9
развитие метода (технологии). Теория подобия и математическое моделирование
дают возможность установить, какие типовые единичные элементы процесса
должны быть изучены в несколько последовательных этапов в целях их масштабирования (четверть- и полупромышленный масштаб производства, пилотная установка), а также какие типовые единичные элементы можно проектировать в большом масштабе без проведения экспериментов.
На основе данных, полученных при проведении исследования, нужно осуществить выбор типов аппаратов и выполнить их технологический расчет. Окончанием этого этапа исследований будет составление предварительной принципиальной технологической схемы, на которой отдельные типовые единичные элементы
процесса обозначены нормируемыми условными символами определенных аппаратов [6].
Следующий этап в разработке нового БТП – определение размеров аппаратов.
Определение этих размеров основывается на методах расчета аппаратуры для проведения типовых единичных процессов (известных из дисциплины «Процессы и
аппараты биотехнологических производств»), на методах расчета биохимических
реакторов (известных из теории промышленных биохимических процессов),
а также на результатах исследований процесса на полупромышленных и пилотных
установках с применением методов теории подобия и математического моделирования. С вопросом вычисления размеров аппаратов связывается важная проблема
определения числа параллельно работающих одинаковых аппаратов и числа резервных аппаратов, обеспечивающих бесперебойность работы производства при
авариях, ремонтах и т.п.
Задачу вычисления размеров аппаратов надо рассматривать в целом (стадии
биотехнологического производства взаимосвязаны) и результаты вычислений размеров аппаратов корректировать с использованием методов оптимизации
[6]. Определение размеров, числа, режимных параметров и графика работы
аппаратов всего производственного процесса служит основой для составления
окончательной принципиальной технологической схемы биотехнологического
производства.
10
В заключение на этом этапе выбирают предварительные способы контроля и
автоматизации технологического процесса, разрабатывается функциональная
схема автоматизации [6].
Работа по развитию нового метода заканчивается составлением окончательной принципиальной технологической схемы производства и проведением экономического анализа, в котором сравниваются стоимости изготовления биопродукта
новым и существующими методами.
Обычно во время работы над технологическим проектом нового технологического процесса обнаруживается несколько возможностей реализации метода (технологии); в этом случае проводятся технологический и экономический анализы отдельных вариантов в целях окончательного выбора оптимального решения.