KÖZMŰVEK A BIOTECHNOLÓGIAI

TERMELŐ ÜZEMEKBEN

Készítette: Mátyás Áron

Simonkovich Sebestyén

A biotechnológia fő segédrendszerei

I. Üzemi gőzrendszerekII. Steril gőz rendszerekIII. HűtővízrendszerekIV. HűtőtornyokV. 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 gőzrendszerekKazánok(bojlerek)

• Tűzcsöves kazán

Vízcsöves kazán

I. Üzemi gőzrendszerekKazánok(bojlerek)

• Elektromos fűtésű kazán

1 Réztartály fűtőbetétekkel2 Automatikus légtelenítő3 Bekötési kapocsléc4 Biztosíték5 Mikroprocesszoros vezérlő6 Nyomáskapcsoló7 Keringető szivattyú8 Szivattyú légtelenítőı9 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 gőzrendszerekKazánok 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 gőzrendszerekTápvízkezelő 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 gőzrendszerekTápvízkezelő 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 gőzrendszerTápvízkezelő rendszer

Deaerátor

I. Üzemi gőzrendszerElosztórendszer

Fanning egyenlet: Δp=f(1/2)ρv2(L/D)

Szerelvény L (csőát-mérőben)

szelep 340visszacsapó szelep 100

sarokszelep 55Pillangószelep 45

90°-os ív (r/d=1) 20Tolózár 8

f: csősúrlódási tényező

)7,3/Re/51,2log(2/1 dff

I. Üzemi gőzrendszerElosztórendszer

• Csövek anyaga: acél

• 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 gőzrendszerekKondenzátum 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 gőzrendszerKondenzedények

Termodinamikus

Dilatációs (termosztatikus)

Súlyterhelésű

Fordított edényes

I. Üzemi gőzrendszerÜzemi 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,

• Előállítása1.nagy tisztaságú vízből2.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

GőzfejlesztőkGőzfejlesztők 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 vízHőcserélőSteril 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 isB: üzemi gőz a köpenyben, steril gőz a belső térben

II. Steril gőzrendszerek Felhasználása

• SIP (Sterilization in Place)• Lépései:

• légtelenítésvákuumozás (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. HűtővízrendszerekHűtőrendszerek elrendezése

• Főbb berendezések:

• Kompresszor (lengő / centrifugál)• Kondenzátor (vizes / levegős)• Expanziós szelep• Bepárló (hőcserélő)

–Keringető szivattyú–Levegő szeparátor–Expanziós tartály

III. Hűtővízrendszerek Hűtőrendszerek felépítése

• 1. CD: Hűtőközeg összenyomása, hőmérséklet nő

• 2. DA: Hűtőközeg lekondenzálása, hőmérséklet csökken (hűtőtorony)

• 3. AB: Hűtőközeg kitágulása, expanziós szelepen keresztül, pára képződik, csökken a hőmérséklet

• 4. BC: Hűtőközeg elpárolog, energiaátadás a hűtővíz és a hűtőközeg között

III. Hűtővízrendszerek Hűtőrendszerek felépítése

• 1. CD: Hűtőközeg összenyomása, hőmérséklet nő

• 2. DA: Hűtőközeg lekondenzálása, hőmérséklet csökken (hűtőtorony)

• 3. AB: Hűtőközeg kitágulása, expanziós szelepen keresztül, pára képződik, csökken a hőmérséklet

• 4. BC: 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 0C-os hűlés, 29 0C 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

SzívóüzeműSzívóüzemű

(Indukált keringetésű)(Indukált keringetésű)

NyomóüzeműNyomóüzemű

(kényszer (kényszer keringetésű)keringetésű)

Légmozgató rendszer Légmozgató rendszer helyzete szerinthelyzete szerint

Víz- és levegőáramok Víz- és levegőáramok szerintszerint

EllenáramúEllenáramú KeresztáramúKeresztáramú

Természetes Természetes keringetésűkeringetésű

Mesterséges Mesterséges keringetésűkeringetésű

HűtőtornyokHűtőtornyok VízpermetezőkVízpermetezőkHűtőtavak Hűtőtavak

IV. Hűtőtornyok

Szívóüzem, Szívóüzem, ellenáramellenáram

Szívóüzem, Szívóüzem, keresztáramkeresztáram

Nyomóüzem, Nyomóüzem, ellenáramellenáram

IV. Hűtőtornyok

IV. HűtőtornyokMéretezés

K : anyagátadási koefficiens [kg/m2s]A : levegő-víz kontakt felület [m2]V : térfogat [m3]L : vízarány [kg/m2s]cp : 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:

2

1

T

T

p dTii

c

L

KAV

2

1

T

T

p dTii

cMe

IV. HűtőtornyokTöltetek

• 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. HűtőtornyokVízkezelés

• 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 gázokFelhasználás

Felhasználás:• bioreaktorok oxigénellátása

• szabályzókörök működtetése

• folyadékáramok mozgatása

• sterilezés után hűtőközeg

• egyes gépek hajtóközege

V. Sűrített levegő, komprinált gázokFelhasználása

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 gázokV. Sűrített levegő, komprimált gázokKomprimált 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

KérdésekMilyen 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!