Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы биоинженерии. Учебно-методическое пособие
.pdf
д. разработка схем и режима работы
е. разработка схемы и выбор технологии
16.К важнейшим характеристикам технологической схемы (для ее оценки и
сравнительного анализа) не относятся:
а. аппаратурное оформление процесса
в. сравнительный анализ и обоснование выбранного метода производства
с. определение путей и методов удаления отходов
д. способ изображения технологической схемы (структурная
, аппаратурная,
операторная)
е. составление перспективных планов производства
17.Технологический режим – это:
а. температура, давление
в. рН, количество сырья и продуктов
с. точки контроля каждого параметра
д. совокупность параметров, определяющих условия работы аппарата
е. количество продукции
18. К принципам выбора технологического режима не относятся:
а. прогрессивность и экономичность
в. оптимальность
безукоризненность
с.
д. перспективность
е. безопасность
19. Наиболее перспективным критерием оптимизации является:
а. себестоимость продукции
в. цена продукции
с. срок окупаемости
д. прибыль
е. количество продукции
41
Модуль 2. Современные методы расчета технологических схем
Лекция 5.
Принципы анализа и расчета биотехнологических производств.
Системный подход к анализу производств. Критерии оценки
эффективности.
План лекции
1. Системный подход к анализу БТС
2. Ступени (уровни) БТС
3. Критерии оценки эффективности биотехнологических производств
4. Основные параметры биотехнологического производства
5. Критерии для технологических элементов
1. Биотехнологические производства – сложные технологические системы с
большим количеством аппаратов, где происходят периодические или непрерывные процессы, направленные на получение продуктов микробиологического синтеза.
– БТС. При системном подходе к анализу БТС устанавливается подчиненность
функционирования отдельных составляющих системы общей задаче, их взаимосвязь, а затем возможна оптимизация системы в целом. Для исследования БТС необходимо:
применением математических моделей;
применением ЭВМ;
Рисунок 2 - Иерархическая структура биотехнологического завода
совокупность взаимосвязанных технологическими, энергетическими и
информационными потоками аппаратов, в которых осуществляется определенная
последовательность.
Такое производство можно рассматривать как биотехнологическую систему
- определить задачу, цели, критерии оптимизации;
- проанализировать систему, разбить ее на подсистемы, составить
описание с
- построить общую модель, разработать алгоритм расчета и оптимизации с
- решить задачу, определить оптимальные параметры.
………………………………
Основное понятие системного анализа – понятие системы. БТС –
42
операций: подготовка засевной биомассы, субстрата, питательной среды;
культивирование микроорганизмов; выделение продукта; получение его в
товарном виде.
Иерархическая структура биотехнологического завода дает наглядное
представление о характере взаимодействия элементов и подсистем в БТС.
2. Первая (I) ступень – технологические элементы БТС, в которых протекают
типовые процессы биотехнологии, т.е. идет преобразование энергии:
- механические – измельчение, сепарирование и т.д.;
- гидродинамические – смешение жидкостей, газов, диспергирование,
разделение сред;
- тепловые – охлаждение, нагревание потоков, термостерилизация;
- диффузионные – адсорбция газов, сушка, экстракция;
- химические – химическое превращение веществ;
- электрофизические и электрохимические – электрофорез
, электрофлотация,
электродиализ;
- биохимические – процессы биосинтеза, биохимической очистки;
- микробиологические – селекция штаммов, получение посевного материала;
- физико-химические – реагентная обработка, коагуляция.
- биофизические – иммобилизация, капсулирование, разделение белков.
II ступень – технологические цеха, участки, включающие несколько
взаимосвязанных технологических процессов и аппаратов - это подсистемы:
стадии подготовки питательной среды (сырьевой цех), стадии ферментации (цех
биосинтеза) и т
.д. На данной ступени закладываются основы создания
безотходного производства с замкнутыми технологическими и энергетическими
потоками, решаются задачи укрупнения агрегатов.
III ступень – завод или биокомбинат. В его структуру наряду с
технологическими и производственными подсистемами входят подсистемы,
связанные с решением экологических задач взаимодействия производства с
окружающей средой. Это установки для обезвреживания газовых выбросов
биологические станции очистки воздуха и т.д.
3. Критерий эффективности БТС – характеристика системы, отражающая выполнение поставленной цели, которая учитывает технологические особенности
БТС и иерархический уровень системы. В биотехнологии при выборе метода получения конкретного целевого продукта обязательно должна производиться технико-экономическая оценка альтернатив получения подобных продуктов традиционными методами. По сравнению с известными, биотехнологические процессы
должны быть более технологичными, экономичными и экологичными либо вообще должны исключать альтернативы. Оценка альтернативности вариантов только
через себестоимость продукта – односторонняя. Оценкой эффективности биотехнологии, помимо качества получаемого продукта, может служить сопоставление
,
43
экспериментального и теоретического выхода продукта, рассчитанные по материально-энергетическому балансу процесса. При этом затраты и стоимость сырья в
крупномасштабных биотехнологических процессах, как правило, являются определяющими, поэтому материально-энергетическая оценка в данном случае очень
существенна. И, напротив, при использовании процессов на основе высокопродуктивных рекомбинантных штаммов-продуцентов основная доля затрат
относится не к сырью, а к созданию продуцента и его поддержанию, а также разработке
специальных условий его культивирования, то есть в данном случае экономика
сырьевых и энергоресурсов играют второстепенную роль.
4. К основным параметрам биотехнологического производства, определяющим
его ТЭП, относятся:
В – количество реализованной продукции одного или n видов, т/год
.
Ч - качество продукции, которое может оцениваться как совокупность разных
параметров. Например, при производстве белково-витаминного концентрата
(БВК) – содержанием углеводорода, белка в продукте.
Э – эксплутационные затраты на производство.
К – капитальные вложения.
В виде критерия оптимальности может выступать себестоимость продукции:
C = (Lc + Lt + Ln)/В,
где Lc – стоимость сырья, Lt – текущие расходы, Ln – постоянные расходы.
Lc = l
B; Lt = lt В; lc, lt – расходы на единицу продукции.
c
Постоянные расходы – амортизационные отчисления La, затраты на
профилактический ремонт – Lр.
C = l
+ lt + La/B + Lр/В.
c
Для учета качества продукции рассчитывают прибыль:
П = В(Ц-С),
где Ц – цена продукта.
Чем ниже уровень БТС, тем более конкретный вид, приближенный к
исследуемому процессу, приобретает показатель эффективности
В любом биотехнологическом процессе ключевую роль играет биологический
агент, его природа и физиолого-технологические свойства. Для роста любого
биообъекта нужен исходный жизнеспособный посевной материал, источники
энергии и углерода, питательные вещества для синтеза биомассы, отсутствие
действия ингибиторов
роста, соответствующие физико-химические условия
ферментации (рН, температура, аэрация и др.).
Одним из основных показателей, характеризующих адекватность условий
ферментации, служит скорость роста продуцента. Скорость роста (увеличение
44
биомассы) организмов с бинарным делением в хорошо перемешиваемой среде в
периодической культуре будет пропорционально концентрации микробной биомассы:
dX/dt = μX,
где dX/dt – скорость роста, Х – биомасса, μ – коэффициент пропорциональности, («удельная
скорость роста»); параметр аналогичен сложным процентам (например, если удельная скорость
роста равна 0.1 ч
–1
, – значит увеличение биомассы равно 10 % в час).
Если величина μ постоянна, как это бывает в установившемся режиме
культивирования, то интегрирование представленного уравнения дает:
lnX = lnX
где Х0 – биомасса в начальный период времени t.
+ μ t,
0
График зависимости lnX от времени будет иметь вид прямой линии с наклоном
μ.
Удельная скорость роста является одним из основных параметров,
характеризующих физиологическое состояние продуцента; ряд других параметров
может быть выражен через этот показатель.
Продуктивность процесса характеризуется количеством продукта,
получаемого на единицу объема биореактора в единицу времени. Продуктивность
процесса зависит от
многих факторов: активности продуцента, значений
коэффициента выхода продукта из потребленного субстрата, количества активной
биомассы в ферментере:
П = q
где qs – скорость потребления субстрата (метаболический коэффициент), Y
продукта (экономический коэффициент), X – концентрация биомассы, P – продукт, S – субстрат.
X [г/л ч.],
s Yp/s
- выход
p/s
Влиять на величину продуктивности можно путем изменения различных ее
составляющих, но в каждом конкретном случае это приходится рассматривать
отдельно. Так, при повышении величины Х могут возникнуть ограничения по
массообменным характеристикам аппарата и лимитирующие состояния; влиять на
величину метаболического коэффициента культуры возможно только при условии
глубокого знания взаимосвязей между физиолого-биохимическими
характеристиками
продуцента и условиями среды.
Выход продукта (Y) (экономический коэффициент) определяется как
количество продукта, получаемого из данного количества субстрата:
Y = X/S
где S и So – конечная и исходная концентрация субстрата.
– S,
о
Данный коэффициент выражает эффективность использования субстрата для
получения целевого продукта и является очень важной характеристикой, так как
непосредственно связан с продуктивностью и позволяет непосредственно влиять
на себестоимость конечного продукта. Экономический коэффициент имеет четкий
физический смысл, характеризующей степень перехода энергии, заключенной в
субстрате, в продукт. Данная величина необходима для расчетов и прогнозирова
45
-
ния процесса в целом и используется в качестве параметра для контроля и управ-
τ
−
Δ
ления ходом различных процессов и сопоставления их эффективности.
Конечная концентрация продукта должна планироваться с учетом
продолжительности процесса и величины выхода продукта. Достижение конечной
высокой концентрации продукта оправдано, когда выделение, концентрирование
его трудоемки и дорогостоящи.
Удельные энергозатраты существенно варьируют
в зависимости от
направленности и схемы процесса ферментации, а также условий подготовки
сырья на предферментационной стадии и постферментационных процедур.
Удельные энергозатраты также очень существенно зависят от типа
ферментационного оборудования.
Непродуктивные затраты субстрата (h) – это затраты энергии субстрата,
которые не проявляются в приросте продукта. В общем виде они выражаются
через экономический
коэффициент:
h = Y
экспериментальный/Yтеоретический
< 1.
Непродуктивные затраты существенно влияют на эффективность и экономику
биотехнологического процесса, поэтому выявление причин и мест этих
дополнительных трат энергического субстрата очень важно. Непродуктивные
затраты субстрата могут быть связаны с ошибками при считывании генетической
информации в ходе быстрого роста продуцента и затратами на поддержание при
разобщенном росте в результате снижения эффективности
образования энергии в
цепи переноса электронов из-за разобщения окисления и фосфорилирования,
инактивации мест сопряжения, возникновения альтернативных, менее
эффективных ветвей, с диссипацией энергии, а также из-за возрастания трат
энергии на поддержание жизни без размножения (транспорт субстратов и
мономеров в клетке, ресинтез молекул, защитные реакции, процессы репарации).
5. Для технологических
элементов приняты следующие технологические
критерии:
1. продуктивность процесса в биореакторе, кг/м
g =
где F – поток через биореактор, м3/час; ∆Х – концентрация продукта в среде, кг/м3; V –
рабочий объем биореактора, м
концентрация субстрата, кг/м
XFΔ
V
XΔ
=
3
3
; αS – расходный коэффициент по субстрату.
= [F(S0-S)]/αSV, ΔХ =
; τ - время ферментации, час; S0иS – начальная и конечная
3
час
SS
0
,
α
S
2. выход продукта от субстрата
X
Y =
S
0
3. степень использования субстрата
φ = (S
-S)/S0
0
4. экономический коэффициент
46
YX = Y/ φ
Первичная оценка эффективности биотехнологических процессов по
перечисленным параметрам проводится на стадии лабораторных разработок и
испытаний процесса и далее уточняется при масштабировании на опытных и
опытно-промышленных стадиях.
Вопросы для самоподготовки
1. Определение понятия «БТС».
2. Пути исследования БТС.
3. Иерархическая структура биотехнологического завода.
4. Ступени БТС.
5. Критерии оценки эффективности биотехнологических производств.
6. Определение основных параметров биотехнологического производства.
7. Продуктивность процесса, выход продукта от субстрата, степень использования
субстрата, экономический коэффициент.
Тестовые задания для самоподготовки
1. Для исследования
а. определить задачу, цели, критерии оптимизации
в. проанализировать систему, разбить ее на подсистемы
с. составить описание системы с применением математических моделей
д. решить задачу, определить оптимальные параметры
е. использовать квантово-химическую модель с модуляционными поправками
2. БТС – это совокупность взаимосвязанных технологическими, энергетическими и
информационными потоками:
а. аппаратов
в. схем
с. параметров
д. цехов
е. заводов
3. Первая ступень БТС – это:
а. цех, участок
в. завод, биокомбинат
с. технологические элементы
д. подсистемы
е. экологические задачи
4. Вторая ступень БТС – это:
а. технологические элементы
в. цех, участок
БТС не требуется:
47
с. завод, биокомбинат
⋅
τ
τ
F
τ
⋅
V
τ
μ
τ
S
X
д. механические цеха
е. биохимические процессы
5. Продуктивность процесса в биореакторе,
а.
в.
с.
д.
е.
g
g
XFgΔ
=
=
=
=
=
VXg•Δ
F
Δ
X
•
XFgΔ
V
F
•
X
Δ
6. Продуктивность процесса в биореакторе,
XFgΔ
а.
в.
=
=
XgΔ
кг
3
кг
3
часм
:
часм
нельзя определить по формуле:
с. g = Д∆X
д.
е.
F
g
=
Δ
Xg Δ•=
•
X
7. Экономический коэффициент равен:
а.
в.
с.
д.
е.
Y
=
X
Y
X
=
Y
X
Y
X
X
0
X
Δ
=
S
0
Δ
X
Δ
Δ
S
=
Δ
SXY
Δ−Δ=
X
Δ
X
48
Лекция 6.
Современные методы расчета технологических схем. Типовые
технологические операторы. Операторные схемы и модели.
План лекции
1. Типовые технологические операторы, используемые для описания
элементов БТС
2. Операторные схемы и модели.
3. Методы топологического моделирования с разработкой операторных схем
и построением потоковых и циклических графов системы
1. При системном подходе к анализу БТС устанавливается подчиненность
функционирования отдельных составляющих системы общей задаче, их
взаимосвязь, а затем возможна
Можно использовать методы топологического моделирования с разработкой
операторных схем и построением потоковых и циклических графов системы. В
зависимости от функциональной сложности технологического элемента для его
описания могут быть использованы типовые операторы. Типовые
технологические операторы, используемые для описания элементов БТС,
представлены в таблице 1.
2. В общем случае
технологическим оператором, характеризующимся функциональной
зависимостью: [Y] = [F([x],K,T)],
где F[x] – вектор-функция от вектора входных параметров, [Y] – вектор входных
параметров, К – конструкционные параметры, Т – технологические параметры элемента.
Таблица 1 - Типовые технологические операторы, используемые для описания
элементов БТС
Наименование
оператора
Смешение
Биохимический
синтез
Разделение
Теплоотдача
Массопередача
обозначение
оптимизация системы в целом.
элемент БТС представляется многомерным
Условное
Смесители, сборники потоков.
Инокуляторы, биохимические
реакторы, аэротенки биохимических
установок.
Сепараторы, флотаторы, отстойники,
центрифуги, фильтры.
Теплообменники, выпарные,
сушильные установки, градирни.
Абсорберы, экстракционные аппараты,
биореакторы, аэротенки.
Элементы БТС
Так как обычно технологические аппараты выполняют ряд функций, то их
можно представить системой технологических операторов. Например:
49
L1 L2 L3 L5
А
L
4
L
1
L
L
2
1 L9 L11 2 L5
L7 L3 L12 Б
6
L
L8 L10
4
I II III IV V
I+II+III – биореактор, IV+V – сепаратор, А – структурно-технологическая схема,
Б – операторная схема, 1 – биореактор, 2 – сепаратор
Рисунок 3 - Операторная схема узла биохимического производства
В 1 поступает L
агента, L
– поток частично осветленной культуральной жидкости. Из сепаратора
4
2 отводится поток L
продукта, немного субстрата и нейтрализующего агента. Поток L
– поток питательных веществ, L2 – поток нейтрализующего
1
– поток культуральной жидкости, поток L5 – поток готового
3
поступает на
3
сепарацию после ферментации. В биореакторе тепло выделяется, поэтому он
снабжен системой охлаждения, в сепаратор же тепло подводится.
Характеристика потоков описывается зависимостью:
Li = {q
– состав в i-том потоке по субстрату, Ci – состав в потоке по нейтрализующему
S
i
агенту, X
, Si, Ci, Xi, ti}, где Li – вектор i-того потока, qi – величина i-того потока,
i
– состав в потоке по биомассе, ti – температура потока.
i
По схеме технологических операторов характеристики потоков
следующие:
= {q1, S1, 0, 0, t1};
L
1
= {q2, 0, C2, 0, t2};
L
2
L
= {q3, S3, C3, x3, t3};
3
= {q4, S4, C4, x4, t4};
L
4
= {q5, S5, C5, x5, t5};
L
5
L
= {q3, S6, C6, x6, t6}; и т.д.
6
Аналогично можно описать любой технологический элемент, а затем
применить методы машинного расчета и оптимизации.
3. Пример расчета с применением топологической модели технологической
линии:
50
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]