KÖZMŰVEK A BIOTECHNOLÓGIAI TERMELŐ ÜZEMEKBEN

KÖZMŰVEK A

BIOTECHNOLÓGIAI

TERMELŐ ÜZEMEKBEN

Készítette:

Mátyás Áron

Simonkovich Sebestyén

A biotechnológia fő segédrendszerei

I. Üzemi gőzrendszerek II. Steril gőz rendszerek III. Hűtővízrendszerek

IV. Hűtőtornyok

V. Sűrített levegő, komprimált

gázok

I . Üzemi gőzrendszerek

• Felhasználása:

– Hőforrás

– Ritkább esetben: energia generálása – Soha nem érintkezik a termékkel

• Fő részek:

– Vízmelegítők (bojlerek)

– Tápvízkezelő (vízadagoló)rendszer – Elosztórendszer

– Kondenzátum gyűjtő és elvezető rendszer

I. Üzemi gőzrendszerek

Kazánok(bojlerek)

• Tűzcsöves kazán

Vízcsöves kazán

I. Üzemi gőzrendszerek

Kazánok(bojlerek)

• Elektromos fűtésű kazán

1 Réztartály fűtőbetétekkel 2 Automatikus légtelenítő 3 Bekötési kapocsléc

4 Biztosíték

5 Mikroprocesszoros vezérlő 6 Nyomáskapcsoló

7 Keringető szivattyú 8 Szivattyú légtelenítőı 9 Csatlakozó csonkok ¾”

10 Kábelátvezetés

1 Kazán/LE=0,45 kg víz elforralásához szükséges energia 100°C-on

Tűzcsöves kazánok

Vízcsöves kazánok

Elektormos fűtésű kazánok Teljesítmény

(kazán/LE)

5-575 300-7500

Gőzáram (kg/h)

70-11500 115000-ig 5-2250

Üzeminyomás (kPa)

1700-ig 4100-ig 4100-ig

I. Üzemi gőzrendszerek

Kazánok(bojlerek)

I. Üzemi gőzrendszerek

Kazánok összehasonlítása

• Tűzcsöves kazánok

– Nem alkalmas magas nyomásra és hőmérsékletre – Biotechnológiai üzemekben a leggyakoribb

• Elektormos fűtésű kazánok

– Magasabb fajlagos költség – Könnyebb üzembe helyezés – Kisebb helyigény

– Nincs szükség kéményre

– Kisebb üzemekben használják

• Tervezéskor figyelembe kell venni:

– Kívánt gőznyomást és gőzmennyiséget – Üzemeltetési költségeket

I. Üzemi gőzrendszerek

Tápvízkezelő rendszer

• Vízkezelés célja: Gőzzel érintkező felületek védelme a vízkőtől és a korróziótól.

• Figyelembe kell venni

:

– A bejővő tápvízminőségét – Termelt gőz nyomását

• Szennyezések:

– vízkeménység – foszfátok

– szilikátok – oldott gázok – olaj

– szilárd szennyezők

I. Üzemi gőzrendszerek

Tápvízkezelő rendszer

• Korróziót okozó gázok: O₂ és CO₂

– Eltávolításuk: kémia és fizikai módszer

• Kémia módszer:

– Szulfitos kezelés: 1/2O₂+Na₂SO₃->Na₂SO₄ – Hindrazinos kezelés O₂+N₂H₄->N₂+2H₂O

• Fizikai módszer: (oldhatóság) – Deaerátorok (gázmentesítők)

– Vízkő ellen (pH 10,5-11 a cél)

• lágyítás

• ioncsere

I. Üzemi gőzrendszer

Tápvízkezelő rendszer

Deaerátor

I. Üzemi gőzrendszer

Elosztórendszer

Fanning egyenlet: Δp=f(1/2)ρv²(L/D⁾

Szerelvény L (csőát- mérőben)

szelep 340

visszacsapó szelep 100

sarokszelep 55

Pillangószelep 45 90°-os ív (r/d=1) 20

Tolózár 8

f: csősúrlódási tényező

) 7 , 3 / Re

/ 51 , 2 log(

2 /

1 f   f   d

I. Üzemi gőzrendszer

Elosztórendszer

• Csövek anyaga

:

• Csőkötés: hegesztett vagy karimás

• Szigetelés:

• vastagsága és anyaga

• gőz előállítási költsége vezéreli

• leggyakrabban üvegszál

• Csövek vezetése:

• áramlás irányába lejt

• kondenzedények a legalacsonyabb ponton

I. Üzemi gőzrendszerek

Kondenzátum rendszerek

• Hőveszteség lép fel a csővekben, ez nyomáscsökkenéssel járó folyamat

• A kondenzálodott gőz a kondenzvíz:

• Kondenzátum gazdálkodás

• a kondenzvíz hőmérséklete magas  visszavezetve tápvízként használható

• a kondenzvíz nyomása magas  nyomáscsökkentő állomásokon expandáltatva kisebb nyomású gőz fejleszthető

- Kondenzedény feladatai:

• gőz áramlását lezárja (p tartás)

• kondenzvizet eltávolítja

• levegő eltávolítása

I. Üzemi gőzrendszer

Kondenzedények

Termodinamikus

Dilatációs (termosztatikus)

Súlyterhelésű

Fordított edényes

I. Üzemi gőzrendszer

Üzemi gőz főbb felhasználása

• Műveleti fűtőközeg

• Autoklávok

• Bioszennyezők ártalmatlanítása

• Steril gőz előállítása

• Nedvesség-megkötők regenerálása

• HVAC (Heating, Ventilation, Air Conditioning;

fűtés, szellőztetés, légkondícionálás)

• WFI (Wate for Injection; injekciós vizek)

II. Steril gőzrendszerek

• Fő alkalmazásaFő alkalmazása

• sterilezés

• páratartalom szabályozása

• WFI előállítása (pirogén-, baktérium és oldott szilárd anyag mentes)

• Nem feltétlen szükséges, csak ha FDA előírja (pl.

gyógyszerek)

• Előnye

- nagy hőkapacítás

- felületeket nem szennyezi,

• Előállítása

1.nagy tisztaságú vízből 2.speciális gőzfejlesztőkkel

II. Steril gőzrendszerek

Tápvízkezelés

Műveletek

• szűrés

• aktív szenes derítés (klóreltávolítás)

• lágyítás: kation és anioncsere (gyanta) vagy reverz-ozmózis

Előkezelt víz határértékei

II. Steril gőzrendszerek

Steril gőz előállítása

Gőzfejlesztők

Gőzfejlesztők fő egységei:

- hőátadó felület - nyomástartály - szeparátor

- szabályozó elemek

A keletkező steril gőzben lévő vízcseppek

eltávolítása nagyon fontos, mert pirogéneket

szállíthatnak.

II. Steril gőzrendszerek

Gőzfejlesztő típusai

• Típusai:

– Üst

– Termoszifon elvű

– Száraz aljú gőzfejlesztő

II. Steril gőzrendszerek

Üst tipusú gőzfejlesztő

• merülőforraló-elv

• ritkán használják

• vízcseppecske eltávolítása

II. Steril gőzrendszerek

Termoszifon elvű gőzfejlesztő

Belépő víz Hőcserélő

Steril gőz a tetején távozik

II. Steril gőzrendszerek

Száraz aljú gőzfejlesztő

• A filmbepárlóval azonos alapokon nyugszik

• A cseppleválasztás ciklon-elven történik ( HATÉKONY)

II. Steril gőzrendszerek

Steril gőz felhasználása

• Légtér páratartalmának beállítása

• pótlevegő %-os aránya és relatív páratartalma

• üzemben levegő relatív páratartalma

• cirkulált levegő összes mennyisége és hőmérséklete

• üzemi veszteség

•

Autoklávok

• WFI

• Sterilezés

A: steril gőz a köpenyben és a légtérben is B: üzemi gőz a köpenyben, steril gőz a belső térben

II. Steril gőzrendszerek Felhasználása

• SIP (Sterilization in Place)

• Lépései :

• légtelenítés

vákuumozás (gőzbefúvatás)/kiventillálás

• sterilizáló hőmérsékletre hevítés

• hőntartás

• (hűtés)

• Első három lépéshez steril gőzt használnuk WFI előállítása

• legnagyobb fogyasztó

• hűtés is limitál

III. Hűtővízrendszerek

• Hűtővíz felhasználása

• túlmelegedés megakadályozása (reakcióhő elvonása)

• alacsony hőmérsékleten végzett műveletek

• sterilezés utáni hűtés

• légkondicionálás

• Hűtőközeg

• 6°C felett víz

• 6°C alatt propilénglikol-víz vagy etilénglikol-víz (ritkábban) elegy (20-40%)

III. Hűtővízrendszerek

Hűtőrendszerek elrendezése

• Főbb berendezések:

• Kompresszor (lengő / centrifugál)

• Kondenzátor (vizes / levegős)

• Expanziós szelep

• Bepárló (hőcserélő) –Keringető szivattyú –Levegő szeparátor –Expanziós tartály

III. Hűtővízrendszerek

Hűtőrendszerek felépítése

• 1. CD: Hűtőközeg összenyomása, hőmérséklet nő

• 2. DA: Hűtőközeg

lekondenzálása, hőmérséklet csökken (hűtőtorony)

• 3. AB: Hűtőközeg kitágulása,

expanziós szelepen keresztül, pára képződik, csökken a hőmérséklet

• 4. BC: Hűtőközeg elpárolog, energiaátadás a hűtővíz és a hűtőközeg között

III. Hűtővízrendszerek

Hűtőrendszerek felépítése

• 1. CD: Hűtőközeg

összenyomása, hőmérséklet nő

• 2. DA: Hűtőközeg

lekondenzálása, hőmérséklet csökken (hűtőtorony)

• 3. AB: Hűtőközeg kitágulása, expanziós szelepen keresztül, pára képződik, csökken a

hőmérséklet

• 4. BC: Hűtőközeg elpárolog, energiaátadás a hűtővíz és a hűtőközeg között

III. Hűtővízrendszerek

Hűtőrendszerek tervezése

• Méretezés a hűtendő, ill. HVAC rendszerek igénye alapján – Folyamatos / Szakaszos terhelés (Heating, Ventilation, Air Conditioning)

• Víz-Glikol arány: 20-40 %

• A glikol csökkenti a közeg hőkapacitását

• Csövek:

• Réz (50 mm-ig)/Szénacél/kombináció

• Fagyásmentesítéshez:

• Megfelelő áramlás megtartása, recirkuláró bypass szelep

IV. Hűtőtornyok

• Mechanikailag levegőztetett hűtőtornyok Alkalmazása:

• Hűtővíz energiájának felvételére

• Hűtőrendszerek keringető vizét adhatják, ha nincs szükség extrém alacsony hőmérsékletre

• 5-11

C-os hűlés, 29

C körüli kimeneti hőmérséklet,

de ez a környezettől, tervezéstől függ

IV. Hűtőtornyok

Működési elv

• A meleg víz közvetlen

kontaktusba kerül a vízgőzre telítetlen levegővel

• Folyékony állapotban maradó része energiát ad le az

elpárolgó résznek, ezáltal lehűl

IV. Hűtőtornyok

Evaporatív hűtőrendszerek

Szívóüzemű Szívóüzemű

(Indukált keringetésű) (Indukált keringetésű)

Nyomóüzemű Nyomóüzemű

(kényszer (kényszer keringetésű) keringetésű)

Légmozgató rendszer Légmozgató rendszer

helyzete szerint helyzete szerint

Víz- és levegőáramok Víz- és levegőáramok

szerint szerint Ellenáramú

Ellenáramú KeresztáramúKeresztáramú Természetes

Természetes keringetésű

keringetésű Mesterséges Mesterséges keringetésű keringetésű Hűtőtornyok

Hűtőtornyok VízpermetezőkVízpermetezők Hűtőtavak

Hűtőtavak

IV. Hűtőtornyok

Szívóüzem, Szívóüzem,

ellenáram ellenáram

Szívóüzem, Szívóüzem, keresztáram keresztáram

Nyomóüzem, Nyomóüzem,

ellenáram ellenáram

IV. Hűtőtornyok

IV. Hűtőtornyok Méretezés

K : anyagátadási koefficiens [kg/m²s]

A : levegő-víz kontakt felület [m²] V : térfogat [m³]

L : vízarány [kg/m²s]

c_p : nedves levegő fajhője [J/kgK]

i^* : telített levegő entalpiája a víz hőmérsékletén [J/kg]

I : levegő entalpiája [J/kg]

T₁ : a toronyba belépő víz hőmérséklete [°C]

T₂ : a toronyból kilépő víz hőmérséklete [°C]

Me : Merkel-szám [-]

Merkel egyenlet:

 _



1

T

T

p

dT i

i c L

KAV ^ 

_

1

T

T

p

dT

i i

Me c

IV. Hűtőtornyok

Töltetek

• Fröcskölő típusú

 Ütközéses mechanizmus

 Nő a hulló cseppek tartózkodási ideje

 Fa, műanyag, fém töltet

 Kevésbé hajlamos eldugulásra

• Film típusú

 Függőleges lapok – ált. redőzött

 Érintkezési felület nő

 Csorog le a víz

 Mostanában ez utóbbit használ- – ják, így kompaktabb a torony

IV. Hűtőtornyok

Vízkezelés

• Vízminőség romlásának okai

• folyamatos elpárolgás miatt az oldott anyagok koncentrációja növekszik

• élő szervezetek felszaporodása

• Megoldások

• elvétel és folyamatos tiszta víz adagolás

• vízkő ellen: kénsavas kezelés

• Elektrolit mennyiséget csökkenti

• Fémfelületek óvása inhibitorokkal

• algák ellen: klóros kezelés (szakaszos!)

V. Sűrített levegő, komprimált gázok

Felhasználás

Felhasználás:

• bioreaktorok oxigénellátása

• szabályzókörök működtetése

• folyadékáramok mozgatása

• sterilezés után hűtőközeg

• egyes gépek hajtóközege

V. Sűrített levegő, komprinált gázok Felhasználása

Steril levegő esetén:

• sterilre szűrés

- steril termék esetén a levegőt szűrik

• olaj- és vízmentesség

- Olaj és vízmentes a levegő, mivel

érintkezhet a termékkel

V. Sűrített levegő,komprimált gázok

Kompresszorok

• Csavar vagy dugattyús kompresszorok – Kenőolajmentes

• Csövek: szénacél, polírozott saválló acél, K-típusú rézcsövek

Kétfokozatú kompresszor fogadótartállyal és szárítóval:

II. fokozat Köztes hűtő

(hőcserélő) Utóhűtő

I. fokozat Fogadótartály

(nyomáskiegyenlítés)

Szárító

V. Sűrített levegő, komprimált gázok V. Sűrített levegő, komprimált gázok

Komprimált gázok

• Felhasználás:

– Csövek és Berendezések nyomástesztelésére – Fermentor levegőt készítenek belőle

– Inert atmoszféra képzése

– Szállítóedények nyomás alá helyezése

• Alkalmazott Gázok:

– O2: levegőztetés, levegődúsítása – N2: inert atmoszférának

– Szintetikus levegő (80% N2, 20% O2)

V. Sűrített levegő, komprimált gázok Kompromitált gázok

• Nagynyomású (sűrített) gázok:

- főként kis gázigény estén használják

• Cseppfolyós gázok:

-

napi 1-3% veszteség, nagy gázigények esetén használják

Gázszolgáltatás membrán-technológiával

•előnye: alacsony üzemeltetési költség

•hátránya: alacsony nyomású gáz, nem megfelelő

gáztisztaság

Kérdések

Milyen kazánokat alkalmaznak?

Milyen korróziót okozó gázok vannak és hogyan távolítjuk el őket(milyen módszer)?

Mikre használjuk az üzemi gőzőket?

Mire alkalmazzák a steril tiszta gőz rendszereket?

Milyen két típusát különböztetjük meg a hűtőközegnek? (hőmérséklet alapján)

Mire alkalmazzák a hűtőtornyokat?

Köszönjük a figyelmet!