Transcript Küzművek
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 I. Üzemi gőzrendszerek Kazánok(bojlerek) Tűzcsöves kazánok Vízcsöves 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 Elektormos fűtésű kazánok 1 Kazán/LE=0,45 kg víz elforralásához szükséges energia 100°C-on 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) f: csősúrlódási tényező Szerelvény szelep visszacsapó szelep sarokszelep Pillangószelep 90°-os ív (r/d=1) Tolózár 1/ f 2 log(2,51/ Re f / 3,7d ) L (csőátmérőben) 340 100 55 45 20 8 I. Üzemi gőzrendszer Elosztórendszer • 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 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 Dilatációs (termosztatikus) Termodinamikus 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 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 Előkezelt víz határértékei Műveletek • szűrés • aktív szenes derítés (klóreltávolítás) • lágyítás: kation és anioncsere (gyanta) vagy reverz-ozmózis 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 A: steril gőz a köpenyben és a légtérben is B: üzemi gőz a köpenyben, steril gőz a belső térben • WFI • Sterilezés 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. 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 Hűtőtavak Hűtőtornyok Természetes keringetésű Vízpermetezők Mesterséges keringetésű Légmozgató rendszer helyzete szerint Szívóüzemű Nyomóüzemű (Indukált keringetésű) (kényszer Víz- és levegőáramok szerint Ellenáramú Keresztáramú IV. Hűtőtornyok Szívóüzem, ellenáram Szívóüzem, keresztáram Nyomóüzem, ellenáram IV. Hűtőtornyok IV. Hűtőtornyok Méretezés T2 Merkel egyenlet: cp KAV dT L i i T1 Me T2 i T1 cp i dT 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 [-] 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: Szárító I. fokozat II. fokozat Köztes hűtő (hőcserélő) Fogadótartály (nyomáskiegyenlítés) Utóhűtő 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!