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

• Elektromos 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 bejövő 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 típusú 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 használunk

III. Hűtővízrendszerek

• Hűtővíz felhasználása:

• A túlmelegedés megakadályozására (reakcióhő elvonása

• Alacsony hőmérsékleten végzett műveletek

• Sterilezés utáni hűtés

• Légkondicionálás, helységek hűtése

• Hűtőközeg

• 6°C felett víz

• 6°C alatt propilénglikol-víz vagy etilénglikol-víz

(ritkábban) elegy (20-40%)

Hűtőrendszerek elrendezése

• Közvetlen hűtés is megoldható lenne, de drágább, több helyet foglal, a hűtővíz más műveletekre is felhasználható, ezért hűtőrendszerek

alkalmazása kézenfekvőbb

• Főbb berendezések:

– Kompresszor (lengő, kis teljesítmény esetén / centrifugál nagy teljesítmény esetén)

– Kondenzátor (vizes / levegős) – Expanziós szelep

– Bepárló (hőcserélő)

– Keringető szivattyú

– Levegő szeparátor

– Expanziós tartály

III. Hűtővízrendszerek

• 1. CD: Hűtőközeg

összenyomása, hőmérséklet és entalpia 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, állandó nyomáson,

energiaátadás a hűtővíz és a hűtőközeg között

Hűtővíz rendszer sematikus ábrája

Hűtőrendszerek felépítése

• 1. CD: Hűtőközeg

összenyomása, hőmérséklet és entalpia 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, állandó nyomáson,

energiaátadás a hűtővíz és a hűtőközeg között

gőz folyadék

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 hőkapacítását

• Csövek anyaga:

• Réz (50 mm-ig)/Szénacél/kombináció

• Fagyásmentesítéshez:

• Megfelelő áramlás megtartása, recirkuláró bypass szelep

IV. Hűtőtornyok

• Mechanikailag levegőztetett hűtőtornyokat alkalmaznak a biotechnológiában

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

Működési elv

• A meleg víz közvetlen kontaktusba kerül a vízgőzre telítetlen levegővel

• Folyékony állapotban maradó része energiát ad le az elpárolgó

résznek, ezáltal lehűl

Evaporatív hűtőrendszerek

Szívóüzemű

(Indukált keringetésű)

Nyomóüzemű

(kényszer keringetésű)

Légmozgató rendszer helyzete szerint

Víz- és levegőáramok szerint

Ellenáramú Keresztáramú Természetes

keringetésű

Mesterséges keringetésű

Hűtőtornyok Vízpermetezők Hűtőtavak

Hűtőtornyok

Szívóüzem, ellenáram (legelterjedtebb)

Szívóüzem, keresztáram

Nyomóüzem, ellenáram

Hűtőtornyok

Méretezés

 _



1

T

T

p

dT i

i c L

KAV ^ 

_

1

T

T

p

dT

i i

Me c

Merkel egyenlet:

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 [-]

Az egyenlet alapja, hogy a hőátadás hajtóereje a víz és a levegő között az entalpiaváltozás.

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

Vízkezelés

Vízkezelés

• Megoldások

• elvétel és folyamatos tiszta víz adagolás

- Elektrolit mennyiségét csökkenti - Fémfelületek óvása inhibitorokkal

• vízkő ellen: kénsavas kezelés

• Kálcium-szulfát keletkezik, jobban oldódik, nagy koncentrációt mellőzni kell

• algák ellen: klóros kezelés

• Szakaszosan lehet alkalmazni, mert korróziót okoz

V. Sűrített levegő, komprimált gázok

Felhasználás:

• bioreaktorok oxigénellátása

• szabályzókörök működtetése

• folyadékáramok mozgatása

• sterilezés után hűtőközeg

• egyes gépek hajtóközege

Sűrített levegő, komprimált gázok

Steril levegő esetén:

• sterilre szűrés

-

• olaj- és vízmentesség

- Olaj és vízmentes a levegő, mivel érintkezhet a termékkel

• száraz gőzt alkalmaznak

Kompreszorok

• Az elrendezés függ a levegő

mennyiségétől, a kiáramló levegő nyomásától

• 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

I. Fokozat: sűrítés Hűtés

II. Fokozat: sűrítés Hűtés

Nyomáskiegyenlítés Szárítás

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)

• Sűrített levegőként vagy folyadék formájában

tárolják

Komprimált gázok

• Nagynyomású (sűrített) gázok:

-

• Cseppfolyós gázok:

- napi 1-3% veszteség, nagy gázigények esetén használják

Gázszolgáltatás membrán-technológiával

•előnye: alacsony üzemeltetési költség

•hátránya: alacsony nyomású gáz, nem megfelelő gáztisztaság

Összefoglalás, következtetés

• A közművek méretezése és létrehozása három fő részből áll:

• 1. Pontos felmérés az üzem adottságairól, a felszereltségről, az előállított termék

mennyisége és minősége

• 2. A megfelelő nyomás és hőmérséklet

meghatározása a közműhálózat pontjaiban

• 3. A potenciális fejlesztések, alternatívák

alkalmazásának lehetősége

Kérdések:

Milyen kazánokat alkalmaznak?

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

Mikre használjuk az üzemi gőzöket?

Mire alkalmazzák a steril tiszta gőz rendszereket?

Milyen két típusát különböztetjük meg a

hűtőközegnek? (hőmérséklet alapján)

Mire alkalmazzák a hűtőtornyokat?

Köszönjük a figyelmet!