Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Методология проектирования биотехнологических производств. Учебное пособие.pdf
31
,
(2.16)
называется обратной прогонкой.
Метод прогонки можно применять, если знаменатели выражений (2.15), (2.16)
не обращаются в нуль. Для возможности применения прогонки достаточно потребовать, чтобы коэффициенты системы (2.13), (2.14) удовлетворяли условиям
, ,
, ,
.
Заметим, что числа , , , ,
могут быть комплексными.
Алгоритм решения системы линейных алгебраических уравнений с трех-
диагональной матрицей состоит из двух этапов: 1) по начальным данным
,
и формулам (2.15) последовательно определяются , затем для
(счет идет слева направо – от к ); 2) из формулы (2.16) находится
и затем по формулам
последова-
тельно (справа налево – от к ) находятся
.
32
3. БИОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И РЕАКТОРЫ, РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ
3.1. БИОХИМИЧЕСКАЯ КОНЦЕПЦИЯ МЕТОДА ПРОИЗВОДСТВА
В начале разработки промышленного биотехнологического производства ка-
кого-либо продукта прежде всего нужно определить биохимическую концепцию
метода (биотехнологии) его получения, т.е. принять определенный способ рассмотрения биохимизма метода. На этом этапе обычно выбираются исходные вещества
и материалы, из которых будет получаться целевой биопродукт, и устанавливаются
физико-биохимические превращения, необходимые для получения этого продукта
[1 – 5].
Продукт биотехнологии получают по индивидуальным технологиям со своими биологическими агентами, сырьем, числом стадий производства и их технологическими режимами. Однако можно представить обобщенную типовую схему
биотехнологических производств [3].
Схема состоит из стадий, в каждой из которых сырье претерпевает определенные технологические воздействия и последовательно превращается во все более
сложные полупродукты и, наконец, в конечный продукт. Общий вид такой схемы
представлен на рис. 3.1.
Для описания хода и оценки результатов процесса используются критерии
оценки – величины, определение которых дано ниже.
Технические показатели
Производительность (мощность) биотехнологического производства – количество получаемого биопродукта или количество перерабатываемого сырья в единицу времени:
где производительность; количество получаемого биопродукта или перерабатываемого сырья за время .
33
Рис. 3.1. Типовая схема, основные стадии и реализующие их технологические
процессы в биотехнологических производствах
Обычно производительность выражают в количестве биопродукта за 1 ч или
1 сут, показывая максимальную возможность производства в непрерывном режиме. Производительность за длительный срок работы – один год – учитывает пла-
новые остановки производства; поэтому для биотехнологических производств для
связи часовой или суточной производительности с годовой принимают, что произ-
водство работает или 330 сут в году.
34
Степень превращения определяется как отношение количества превращен-
ного исходного вещества к количеству исходного вещества в питании аппарата (реактора):
где количество вещества в молях и массовых единицах соответственно; ве-
личины с индексом «0» относятся к начальному моменту превращения, а величины
без индекса – к конечному.
Абсолютный выход η находится как отношение количества продукта
к ко-
личеству исходного вещества (или сырья)
, израсходованного для получения
этого количества продукта:
Относительный выход
является мерой правильности проведения процесса.
Он определяется как отношение количества продукта, которое можно получить
теоретически из того же количества исходного вещества:
Интенсивность процесса – количество перерабатываемого сырья или образующегося продукта в единице объема аппарата (реактора).
Производительность аппарата это количество продукта, полученного в
аппарате A (реакторе) в единицу времени:
,
где количество продукта, получаемого в аппарате в единицу времени; вы-
ход продукта.
Удельные капитальные затраты – затраты на оборудование, отнесенные к
единице его производительности. Удельные капитальные затраты характеризуют
эффективность организации процесса в отдельных аппаратах и в производстве в
целом, совершенство используемых конструкций.
Качество продукта определяет его потребительские свойства и товарную
ценность. Показатель индивидуален для каждого продукта. Он может включать
35
содержание (состав и количество) примесей, физические и биохимические показатели, внешний вид, цвет, запах и прочее. Определяется нормативными документами (ГОСТ – государственный отраслевой стандарт, технические условия, сертификат качества).
Экономические показатели определяют экономическую эффективность био-
технологического производства.
Себестоимость продукции – суммарные затраты на получение единицы биопродукта. Себестоимость складывается из следующих расходов: затрат на сырье,
энергию, вспомогательные материалы; единовременные капитальные затраты, распределяемые планомерно на срок эксплуатации оборудования; затраты на оплату
труда работников. Общая структура себестоимости :
,
где и
цена и количество израсходованных сырья, энергии, материалов на
производство продукта в количестве ; капитальные затраты; коэффи-
циент окупаемости капитальных затрат (их доля, отнесенная на время производства
количества продукта ); в среднем для биохимических производств
в расчете на годовую производительность; оплата труда. Себестоимость имеет
денежное выражение.
Экономические показатели рассчитываются на основе технических показателей. Некоторые из них (производительность, расходные коэффициенты, удельные
капитальные затраты) можно представить в денежном выражении. Эти и экономические показатели называют технико-экономическими.
Эксплуатационные показатели характеризуют изменения, возникающие в
БТП и производстве во время их эксплуатации при появлении отклонений от регламентированных условий и состояний.
Надежность характеризуют средним временем безаварийной работы либо
числом аварийных остановов оборудования или производства в целом за определенный отрезок времени. Этот показатель зависит от качества используемого оборудования и правильности его эксплуатации.
Чувствительность к нарушениям режима и изменению условий эксплуатации
определяется отношением изменения показателей БТП к этим отклонениям.
36
Управляемость и регулируемость характеризуют возможность поддерживать
показатели БТП в допустимых пределах, определяют величину допустимых изменений условий процесса, управляющие параметры и их взаимовлияние.
Социальные показатели определяют комфортность работы на данном производстве и его влияние на окружающую среду.
Безвредность обслуживания следует из сопоставления санитарно-гигиенических условий для обслуживающего персонала с соответствующими нормами по загазованности, запыленности, уровню шума и др.
Степень автоматизации и механизации определяет долю ручного и тяжелого
труда при эксплуатации производства.
Экологическая безопасность – степень воздействия производства на окружающую среду и экологическую обстановку в регионе.
Иногда случается, что можно применить точно такую же технологию, какую
используют в лабораторных исследованиях. Однако чаще всего лабораторный метод слишком дорог и нужно искать или разрабатывать новый, более дешевый метод
получения требуемого биопродукта.
При создании биохимической концепции за основу берутся главным образом
литературные данные и записываются уравнения физико-биохимических превращений с указанием ориентировочных значений технологических параметров (температур, давлений, pH-среды, концентраций и т.д.).
Расчет физико-биохимических величин, характеризующих свойства различных веществ, основывается на теоретических предпосылках, на конститутивных и
аддитивных свойствах веществ и на подобии свойств различных соединений.
В принципе, существует теоретическая возможность расчета всех физико-биохимических величин, необходимых при разработке БТП, если известны структурные формулы веществ. Однако эти расчеты могут сопровождаться большими погрешностями и по мере возможности результаты расчета следует контролировать,
сравнивая их с экспериментально найденными значениями.
Введением в анализ биохимической концепции является установление с помощью стехиометрических расчетов основных и вспомогательных веществ, которые
теоретически необходимы для получения определенного количества продукта. Расчеты основаны на законах сохранения массы, постоянства состава и кратных отношений, а также на законе действия масс, если реакция обратима и известно значение константы равновесия.
37
Выход реакции обычно значительно ниже теоретического (найденного стехиометрическим расчетом) по следующим причинам: 1) обычно перед достижением состояния равновесия реакция получения целевого продукта «прерывается»
(разность скоростей прямой и обратной реакции очень мала); 2) главной реакции
часто сопутствуют побочные реакции, приводящие к увеличению расхода исходных веществ; 3) в БТП существуют различные потери, не учтенные в теоретическом расчете. Если влияние этих факторов известно (по работе какой-нибудь
полу- или промышленной установки), то теоретический расчет можно скорректировать, умножив результат вычислений на определенный коэффициент (меньше
единицы).
В общем случае реакционная смесь содержит исходные вещества, вводимые
в аппарат и принимающие участие в химическом превращении, и продукты, образующиеся в результате биохимического превращения (промежуточные и конечные – целевой, побочные, отходы). Исходные вещества и продукты будем называть реагентами. В реакционной смеси могут находиться также вещества, оказывающие влияние на ход превращений, но в конечном случае не претерпевающие
изменений, т.е. катализаторы и инертные вещества, не принимающие участия в
реакции.
Способы выражения концентраций. Существует много способов выражения
концентраций компонентов в смеси.
Концентрация, выраженная в весовых процентах
, – это отно-
шение веса компонента
к весу смеси
, умноженное на 100 :
где
весовая доля компонента ,
, удельный вес, объем
смеси.
Аналогично для концентрации, выраженной в массовых процентах
, получим
где
массовая доля компонента ,
, плотность смеси.
38
Концентрация, выраженная в мольных процентах
, – это от-
ношение числа молей компонента к сумме молей
всех компонентов смеси,
умноженное на 100 :
где
мольная доля компонента .
Сумма долей (весовых, массовых или мольных) компонентов смеси равна единице, а сумма концентраций, выраженных в процентах, равна 100.
Концентрации, отнесенные к единице объема смеси компонентов, можно
представить следующим образом: весовая концентрация –
; массовая кон-
центрация –
; мольная концентрация –
.
Состав газовых смесей в области температур и давлений, при которых можно
применять уравнение состояния идеального газа или закон Дальтона, выражается
обычно с помощью парциального давления компонента и общего давления
смеси
. В рассматриваемом случае
и, следовательно, можно рассчитать значение мольной доли компонента смеси.
Довольно редко для жидких смесей используются объемные концентрации
(в долях или процентах). Если объем жидкости , представляющей собой компо-
нент смеси, обозначить через
, а сумму объемов компонентов смеси – через
,
то отношение этих величин даст объемную долю
, а концентрацию, выражен-
ную в объемных процентах, можно записать в виде
При смешивании нескольких жидкостей объем смеси обычно не равен
сумме объемов компонентов
, поэтому этот способ выражения концен-
траций имеет ограниченное применение.
39
3.2. ОСНОВЫ БИОХИМИЧЕСКОЙ МАКРОКИНЕТИКИ И ТЕОРИИ РЕАКТОРОВ
Расчет степени превращения по термодинамическим данным позволяет определить максимально возможный выход, не давая, однако, никакой информации о
скорости процесса. Такие термодинамические расчеты относятся к условиям равновесия, когда результирующая скорость реакции равна нулю. Теоретически достижение равновесия невозможно за конечное время проведения процесса, и поэтому степень превращения всегда несколько ниже, чем при равновесии. Чтобы
биохимический процесс был экономичен, время его проведения должно быть ограничено, и чем оно короче, тем большее количество исходных веществ может быть
переработано установкой или тем меньшие размеры должно иметь оборудование,
предназначенное для получения заданного количества продукта. Из этих соображений следует, что для окончательного выбора биохимической концепции метода
необходимо знать зависимость скорости реакции от условий (параметров) проведения процесса, т.е. кинетику процесса.
Биохимическая кинетика. Приступая к проектированию биохимического реактора, в котором должны проходить биохимические превращения, необходимо ответить на два вопроса:
1) какой максимальный выход может быть получен в условиях, принятых для
проведения реакции?
2) как быстро можно достигнуть этого максимального выхода?
С помощью термодинамических расчетов, основанных прежде всего на определении энергии Гиббса, можно установить, будет ли реакция в заданных условиях протекать самопроизвольно или нет. Константа равновесия биохимической реакции, связанная с энергией Гиббса, дает возможность рассчитать выход, имеющий решающее
значение в определении возможности промышленной реализации этой реакции.
Биохимическая кинетика занимается изучением скорости биохимических реакций и механизма их протекания. Задача макрокинетики – выбор таких условий,
при которых биохимическое превращение, проходящее с соответствующим выходом, достигало бы скорости, позволяющей реализовать это превращение в промышленных условиях.
40
Рассматривая задачи макрокинетики, необходимо помнить, что биохимическая реакция не всегда определяет скорость превращения. Реакции могут сопутствовать различные физические процессы, которые оказывают значительное влияние на скорость превращения и, следовательно, должны учитываться в зависимости
скорости превращения от свойств реакционной системы.
Далее будут приведены некоторые понятия и кинетические зависимости, необходимые для решения проблем макрокинетики и проектирования биохимических реакторов.
Определение скорости реакции. Скоростью реакции называется число актов
реакции, происходящих за единицу времени в единице объема фазы (в случае гомогенной реакции) или на единице поверхности раздела фаз (в случае гетерогенной
реакции). Скорость реакции
измеряется изменением числа молей
одного из
компонентов реагирующей системы.
Относя указанное изменение числа молей компонента к элементарному
объему фазы реагирующих веществ или реактора, получим
Относя изменение числа молей компонента к единице границы поверхности
в системе двух жидкостей или к единице поверхности твердого вещества в си-
стеме газ – твердое вещество, получим
Скорость реакции является функцией параметров системы:
.
В случае гомогенных систем пользуются следующим уравнением:
Если вещество продукт реакции, то скорость положительная; если
исходный реагент, то – отрицательная
.