Аппаратурное оформление

V. Аппаратурное оформление технологических процессов

  • •Тема 1. Надежность оборудования
  • •Введение. Терминология и оценка надежности
  • •1. Введение в специальность
  • •2. Специальная терминология
  • •3. Оценка надежности при проектировании
  • •4. Информация о надежности и долговечности оборудования
  • •5. Примеры исследования надежности и долговечности оборудования
  • •Инженерная сущность проблемы надежности
  • •1. Основные группы отказов
  • •2. Меры по уменьшению интенсивности от­казов оборудования
  • •3. Методы исследование надежности различных типов оборудования
  • •4. О надежности сосудов высокого давления
  • •Элементы основ теории вероятностей
  • •1. Основные термины и понятия
  • •2. Основные теоремы теории вероятностей
  • •Теорема сложения вероятностей
  • •Теорема умножения вероятностей
  • •3. Вывод основного уравнения надежности для невосстанавливаемых деталей
  • •В результате получаем:
  • •Показатели качества и методы оценки уровня качества новой и отремонтированной техники
  • •1. Введение
  • •2. Показатели качества
  • •2. Система качества и управление качеством продукции
  • •4. Программы качества
  • •Технический контроль качества продукции
  • •1. Виды контроля
  • •2. Состав службы технического контроля
  • •3. Обеспечение стабильности качества продукции
  • •Пути повышения безопасности и эксплуатационной надежности химических производств за рубежом
  • •1. Программы повышения безопасности и надежности работы химиче­ских предприятий
  • •2. Методологические подходы при разработке про­грамм повышения безопасности и надежности работы химиче­ских предприятий
  • •Основные направления повышения надежности химическОй техники
  • •1. Конструктивные методы обеспечения надежности
  • •2. Резервирование как один из методов повышения надежности сложных техничес­ких систем
  • •3. Определение вероятности безотказной работы резервированного оборудования
  • •Основы долговечности оборудования
  • •1. Опре­деление технически и экономически целесообразных сроков долговечно­сти оборудования
  • •2. Эксплуатационные мероприятия повышения долговечности и надежности оборудования
  • •3. Виды износа
  • •4. Влияние износа деталей и узлов на работу оборудования
  • •5. Зависимость износа от различных факторов
  • •Повышение износоустойчивости оборудования
  • •1.Термохимическая обработка изделий
  • •2. Пламенная поверхностная закалка
  • •3. Упрочнение поверхности деталей наклепом
  • •4. Защитные покрытия
  • •Новые конструкционные материалы
  • •1. Термопласты
  • •2. Основные типы полиэфирных смол
  • •3. Роль полиэфирных стекло­пластиков в охране окружающей среды
  • •Тема 2 взрыво и вибробезопасность
  • •Взрывобезопасность герметичных систем, находящихся под давлением
  • •1. Источники и причины образования взрывоопасной среды
  • •2. Причины аварий при работе компрессо­ров и условия безопасности их эксплуатации
  • •3. Причины аварий стационарных сосудов, газовых баллонов, газо- и трубопроводов
  • •Защита аппаратов от превышения давления
  • •1. Источники аварийного роста давления в аппаратах
  • •2. Аварийный расход среды
  • •3. Допустимые кратковременные повышения давления в аппаратах
  • •Классификация предохранительных устройств
  • •1.Предохранительные клапаны
  • •2. Предохранительные мембраны
  • •3. Рекомендации по выбору пу
  • •Конструкции предохранительных устройств План:
  • •1. Предохранительные клапаны.
  • •2. Предохранительные мембраны
  • •Совместное использование предохранительных клапанов и мембран
  • •1. Схемы установок пм и пк
  • •2. Требования к установке и эксплуатации пу
  • •Вибрация и шум
  • •1. Причины возникновения высоких уровней шума и вибрации оборудования
  • •2. Основные методы борьбы с шумом и вибрацией
  • •3. Снижение шума и вибрации в подшипниковых узлах
  • •4. Снижение шума и вибрации в зубчатых передачах и редукторах
  • •5. Снижение шума и вибрации вызванных неуравновешенностью вращающихся деталей
  • •Балансировка машин в условиях их эксплуатации
  • •Аннотация
  • •Введение. О необходимости балансировки машин в условиях их эксплуатации.
  • •1. Задача балансировки машин в условиях их эксплуатации.
  • •2. Особенности балансировки машин в условиях их эксплуатации.
  • •3. Стандартная последовательность операций при балансировке
  • •Предварительный этап. Выбор условий для балансировки.
  • •Первый этап. Подготовка к проведению балансировки.
  • •Выбор аппаратуры.
  • •Выбор и подготовка контрольных точек измерения параметров вибрации.
  • •Установка датчика оборотов.
  • •Подготовка мест установки масс.
  • •Второй этап. Измерение параметров исходной вибрации.
  • •Третий этап. Установка пробных масс и измерение параметров вибрации.
  • •Четвертый этап. Расчет балансировочных масс.
  • •Пятый этап. Установка балансировочных масс.
  • •Шестой этап. Продолжение балансировки.
  • •Этап последний. Окончание балансировки.
  • •4. Требования к измерительным приборам и пакетам программ для балансировки машин в условиях эксплуатации
  • •5. Краткий обзор измерительной аппаратуры и программного обеспечения для проведения балансировки машин в условиях эксплуатации.
  • •6. Продукция фирмы васт — пример комплексного решения задач балансировки машин в условиях их эксплуатации.
  • •Выводы.
  • •Виброметр ввм-311
  • •Виброметр ввм-201
  • •6. Снижение шума газодинамических процессов
  • •7. Снижение вибрации путем вибропоглощения и виброизоляции
  • •Вибропоглощение
  • •Определение шумовых и вибрационных харак­теристик.
  • •Литература
  • •Приложения
  • •Общие правила взрывобезопасности для взрывопожароопасных химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств
  • •I. Общие положения
  • •II. Общие требования
  • •III. Требования к обеспечению взрывобезопасности технологических процессов
  • •IV. Специфические требования к отдельным типовым технологическим процессам
  • •4.1. Перемещение горючих парогазовых сред, жидкостей и мелкодисперсных твердых продуктов
  • •4.2. Процессы разделения материальных сред
  • •4.3. Массообменные процессы
  • •4.4. Процессы смешивания
  • •4.5. Теплообменные процессы
  • •4.6. Химические реакционные процессы
  • •4.7. Процессы хранения и слива-налива сжиженных газов, легковоспламеняющихся и горючих жидкостей
  • •V. Аппаратурное оформление технологических процессов
  • •5.1. Общие требования
  • •5.2. Размещение оборудования
  • •5.3. Меры антикоррозионной защиты аппаратуры и трубопроводов
  • •5.4. Насосы и компрессоры
  • •5.5. Трубопроводы и арматура
  • •5.6. Противоаварийные устройства
  • •VI. Системы контроля, управления, сигнализации и противоаварийной автоматической защиты технологических процессов
  • •6.1. Общие требования
  • •6.2. Системы управления технологическими процессами
  • •6.3. Системы противоаварийной автоматической защиты
  • •6.4. Автоматические средства газового анализа
  • •6.5. Энергетическое обеспечение систем контроля, управления и паз
  • •6.6. Метрологическое обеспечение систем контроля, управления и паз
  • •6.7. Размещение и устройство помещений управления и анализаторных помещений
  • •6.8. Системы связи и оповещения
  • •6.9. Эксплуатация систем контроля, управления и паз, связи и оповещения
  • •6.10. Монтаж, наладка и ремонт систем контроля, управления и паз, связи и оповещения
  • •VII. Электрообеспечение и электрооборудование взрывоопасных технологических систем
  • •VIII. Отопление и вентиляция
  • •IX. Водопровод и канализация
  • •X. Защита персонала от травмирования
  • •XI. Обслуживание и ремонт технологического оборудования и трубопроводов
  • •Приложение 1 Общие принципы количественной оценки взрывоопасности технологических блоков
  • •1. Определение значений энергетических показателей взрывоопасности технологического блока
  • •Приложение 2 Расчет участвующей во взрыве массы вещества и радиусов зон разрушений
  • •Термины и определения
  • •Список рекомендуемой литературы

Аппаратурное оформление технологического процесса

⇐ Предыдущая1234

Машины и механизмы должны удовлетворять требованиям технологии обработки сырья и продуктов. Для этого необходимо, чтобы конструктивные, кинематические и гидравлические параметры оборудования обеспечивали оптимальные режимы технологических процессов и высокие технико-экономические показатели (расход электроэнергии, металлоемкость, низкая стоимость и др.).

Рабочие органы и инструменты должны обладать высокой износоустойчивостью, чтобы в процессе работы частицы металла или материала не попадали в продукт и не вызывали его порчи.

Конструкция деталей и узлов машин и механизмов должна быть технологической, т. е. обеспечивать быструю замену изношенных и неисправных органов. Размеры узлов для присоединения сменных исполнительных механизмов должны быть унифицированными, а собственно узлы и детали — взаимозаменяемыми и стандартизованными. Это позволит сократить номенклатуру запасных деталей и облегчить выполнение ремонтных работ. Технологичность конструкции обеспечивает также минимальные затраты в процессе изготовления и эксплуатации машины.

Необходимо, чтобы машины и механизмы отвечали требованиям техники безопасности и производственной санитарии. Для этого машины заземляют, а рабочие органы, инструменты и элементы передачи закрывают кожухами, крышками, облицовками или заключают в корпуса.

Выпускаемые в настоящее время машины все в большей степени отвечают требованиям производственной эстетики. Правильные пропорции машин, простота их формы, удобное расположение механизмов управления, загрузочных и разгрузочных устройств способствуют повышению производительности труда и созданию безопасных условий работы.

Таблица 5. — Оборудования для производства замороженных вареников

Наименование оборудования Количество оборудования, шт
  1. Аппарат автоматизированный для производства вареников Dominioni Punto&Pasta
  1. Тестомесильная машина HWT-50

Продолжение Таблицы 5.

3. Мукопросеиватель МПМ 800М

4. Фаршемешалка ИПКС-019

5. Туннель скороморозильный ХКУ/З-24

6. Автомат для вакуумной упаковки VARIOVAC Optimus

7. Контрольные весы «ВесГрупп»

8. Низкопрофильные напольные весы PCS METTLER TOLEDO

9. Холодильная камера POLAIR КХН-4,41 для хранения сырья

10. Морозильная камера для хранения готовой продукции POLAIR КХН-13,22

Технологическое оборудование. Рассмотрим основное технологического оборудования, применяемых в производстве вареников – пельменный автомат Dominioni Punto&Pasta,предназначенный для изготовления вареников, пельменей, мантов, из теста и начинки и т. д.

Линии Dominioni повторяет процесс домашнего (ручного) приготовления вареников. Экструдер обеспечивает непрерывный замес и раскатку теста. Формы зависят от используемой пресс-формы, которая может быть легко заменена, что обеспечивает создание широкого диапазона выпускаемой продукции.

Основные характеристики аппарата Dominioni Punto&Pasta представлены в таблице 6.

Таблица 6. — Характеристики аппарата Dominioni Punto&Pasta D 250N

Характеристика Ед. изм. Значение
Производительность кг/ч 140-190
Характеристика продукта: масса пельменя г 13-20

Продолжение Таблицы 6

Характеристика Ед. изм. Значение
Толщина тестовой оболочки Мм 0,5
Потребляемая мощность кВт
Габаритные размеры Мм 3300*1150*1590
Масса кг

Оборудование для подготовки сырья для теста и замеса теста. Высокопроизводительная мукопросеивающая машина МПМ 800М, предназначенная для механизации процесса отделения муки от посторонних предметов, а также рыхления и аэрации муки. Наличие магнитной ловушки исключает попадание в муку металлических предметов. Основные характеристики мукопросеивающей машины МПМ 800М представлены в таблице 7

Таблица 7. — Характеристики мукопросеивающей машины МПМ 800М

Характеристика Ед. изм. Значение
Производительность кг/ч
Емкость бункера л
Потребляемая мощность кВт 1,1
Габаритные размеры (с опущенным подъемником) мм 860(1350)*670*1310
Масса кг

Тестомесильная машина для крутого теста HWT-50 специально предназ-начена для замеса крутого теста с влажностью не более 40% при приготовлении вареников, пельменей, чебуреков, мант и т.д. Тестомесы этой серии были специально созданы для работы в составе производственной линии вместе с пельменными аппаратами. Отличаются компактностью, простотой в обращении, низким уровнем шума и малым расходом энергии.

Основные характеристики тестомесильной машины для крутого теста HWT-50 представлены в табл. 8.

Таблица 8. — Характеристики тестомесильной машины для крутого теста HWT-50

Характеристика Ед. изм. Значение
Производительность кг/ч
Объем дежи л
Скорость вращения об./мин
Напряжение В
Установленная мощность кВт 3,5
Габаритные размеры мм 1110*630*1070
Масса кг

Фаршемешалка ИПКС-019 предназначена для перемешивания творожного фарша с ингредиентами в соответствии с рецептурой. Особенностью её является удобная выгрузка продукта за счет опрокидывания дежи над приемной емкостью. Перемешивание осуществляется при помощи перемешивающего устройства лопастного типа, обеспечивающего равномерное перемешивание всего загружаемого продукта. Крышка фаршемеса оснащена устройством блокировки в виде решетки. Основные характеристики фаршемешалки ИПКС-019 представлены в табл. 9.

Таблица9. — Характеристики фаршемешалки ИПКС-019

Характеристика Ед. изм. Значение
Производительность кг/ч
Объем дежи л
Коэффициент заполнения дежи, не более 0,5
Частота вращения вала мешалки об./мин
Напряжение В
Мощность кВт 0,8
Габаритные размеры мм 1000*500*1000
Масса кг

Туннель скороморозильный ХКУ/З-24. Шоковая заморозка – заморозка продукта за минимальное время в потоке холодного воздуха (рис.2)

Рисунок 2 Туннель скороморозильный ХКУ/З-24

Параметры определяющую «шоковую заморозку» продуктов:

· температура воздуха в камере

· вид продукта (толщина в мм)

· скорость движения воздуха

· температура продукта на входе

· температура продукта на выходе

· время заморозки

Туннель скороморозильный типа ТСТ предназначен для «шоковой заморозки» продуктов следующих типов:

· вареников, пельменей, пирогов, блинчиков;

· котлет, гамбургеров, чебуреков, сосисок;

· мясных и рыбных полуфабрикатов;

· теста и булочек;

· ягод и грибов;

· закалки мороженого.

Продукты, расположенные на тележках – стеллажах ровным слоем. Подаются в морозильный туннель и устанавливаются непосредственно перед постаментным испарителем.

Охлажденный воздух, пройдя через испаритель, подается вентиляторами со средней скоростью 3-4 м/c противотоком или под перекрестным потоком к продукту, обеспечивая тем самым интенсивную теплоотдачу.

Применение постаментного воздухоохладителя в составе установки обеспечивает равномерное направление воздушных потоков на продукт по всем уровням тележек. А также в объем камеры.

Конструкция испарителя позволяет длительное время (от 6 до 24 часов, в зависимости от типа продукта) работать без оттайки, поддерживая заданную температуру в камере.

Туннели скороморозильные типа ТСТ с тележками циклического действия применяются для «шоковой заморозки» продуктов за минимальное время. Эффективно применять туннель ТСТ для производств объем выпускаемой продукции от 2000кг до 5000 кг в сутки.

Туннель подходит для шоковой заморозки различных продуктов. Небольшие габариты туннеля, простота конструкции, невысокие капитальные вложения, быстрое введение в эксплуатацию простота обслуживания – основные факторы, определяющие заинтересованный выбор Заказчика.

Туннель скороморозильный типа ТСТ состоит из теплоизолированной камеры, воздухоохладителя и компрессорно-конденсаторного агрегата. Продукты, расположенные на тележках – стеллажах ровным слоем. Подаются в морозильный туннель и устанавливаются непосредственно перед постаментным испарителем. Охлажденный воздух, пройдя через испаритель, подается вентиляторами со средней скоростью 3-4 м/c противотоком или под перекрестным потоком к продукту, обеспечивая тем самым интенсивную теплоотдачу.

Таблица 10. – ХКУ/З-24

Параметры Пельмени,вареники, котлеты, чебуреки
Производительность, кгч
Начальная температура внутри продукта, С +15
Конечная температура внутри продукта, С -12…18
Время замораживания, мин 30-60
Размер продукта, мм
Рекомендуемые размеры камеры. м 3,8х3,2х2.6

Упаковочное оборудование.Автомат для вакуумной упаковки VARIOVAC Optimus предназначен для фасовки пельменей объемным методом в контейнеры, массой в среднем 300-400 г, из полиамидной барьерной или пятислойной пленки для вакуум-упаковки. Автомат оснащен системой вакуумирования и подачи газа, что позволяет осуществлять на нем как вакуумную упаковку, так и упаковку в среду моногаза или готовой модифицированной смеси газов. Формование контейнеров осуществляется при нагреве по средством сжатого воздуха, который дополнительно очищается через фильтр с активированным углем. Размеры упаковки может варьироваться. Автомат оснащен защитными устройствами по новейшим требованиям техники безопасности. Основные характеристики автомата для вакуумной упаковки VARIOVAC Optimus представлены в табл. 11.

Таблица 11. — Характеристики автомата для вакуумной упаковки VARIOVAC Optimus

Характеристика Ед. изм. Значение
Производительность упак./мин.
Длина машины мм
Максимальный диаметр рулона пленки мм
Мощность вакуумного насоса м3/ч

Контрольные весы «ВесГрупп».В производственном процессе, в складском хозяйстве, а также во время упаковки товаров очень важна правильная фасовка и контроль материалов по весу. Многие категории товаров имеют технологический допуск по весу, поэтому многие производственные линии оснащаются различным взвешивающим оборудованием. В зависимости от решаемых задач могут использоваться промышленные, конвейерные или контрольные весы. Промышленные контрольные весы выполняют автоматический контроль веса материала и осуществляют его учет. Дополнив линию сортировочным оборудованием, можно производить выбраковку продукции, масса которой не отвечает допускам, либо осуществлять сортировку по группам в соответствии с ее весом. Промышленные контрольные весы позволяют проводить и другие операции. Системы управления изделиями допускают и обратную связь с дозаторами для решения ряда опредленных технологических задач.

Контрольные весы, в мире обозначаемые как чеквейер — от англ. Checkweigher относятся к устройствам динамического взвешивания. Контрольные весы, как технологическое звено производственной линии, предназначены для взвешивания в динамике различных грузов, движущихся в по промышленным ленточным транспортерам. Контрольные весы позволяют вести учет и обеспечивать управление грузопотоками в реальном времени. Контрольные весы способны реально исключить человеческий фактор при работе технологических линий контроля продукции. Таким образом, промышленные контрольные весы являются одним из ключевых инструментов, ведущим к повышению прибыли компании и увеличению эффективности технологических процессов на предприятии в целом.

Низкопрофильные напольные весы PCS METTLER TOLEDO.Весы PCS — это надёжные низкопрофильные напольные весы для использования в любых производственных или складских условиях. Весы предлагаются с наибольшим предельным весом (НПВ) 600кг, имеют III класс точности по ГОСТ P 53228.

Высота весов PCS над уровнем пола — всего 35 или 45 мм (в зависимости от размера и НПВ). Низкопрофильные весы PCS поставляются с одной или двумя рампами. Рампа позволяет вручную завозить на весы тележки с тяжелыми грузами. Компактная подъездная рампа имеет длину 35 см, что удобно при эксплуатации весов в ограниченном пространстве.

Рисунок 4 Низкопрофильные напольные весы PCS METTLER TOLEDO

Холодильная камера POLAIR КХН-4,41 для хранения сырья. Холодильная камера POLAIR КХН-4,41 представляет собой быстро монтируемую сборно-разборную конструкцию из трёхслойных сендвич-панелей, заполненных пенополиуретаном (рис.5).
Камера предназначена для хранения охлаждённых и замороженных продуктов питания, полуфабрикатов, фруктов и овощей при средних температурах. Она производится из панелей толщиной 80 мм и 100 мм. Габаритные размеры можно выбирать из стандартной матрицы или заказать индивидуально.

Рисунок 5 Холодильная камера POLAIR КХН-4,41 для хранения сырья

Основные характеристики
Габаритные размеры (мм): 1360х1360х2200
Толщина панели (мм): 80
Объём (м3): 4,41
Страна производитель: Россия.

Максимально допустимая высота 5600мм, ширина 5600 мм, длина не ограниченна. Внутренний объем камеры охлаждается моноблочными холодильными машинами или сплит-системами

Камера хранения мороженой продукции POLAIR КХН-13,22.Холодильная камера POLAIR КХН-13,22 представляет собой быстро монтируемую сборно-разборную конструкцию из трёхслойных сендвич-панелей, заполненных пенополиуретаном. Камера предназначена для хранения замороженных продуктов питания, полуфабрикатов, фруктов и овощей при средних температурах. Камера производится из панелей толщиной 80 мм и 100 мм. Габаритные размеры можно выбирать из стандартной матрицы или заказать индивидуально. Максимально допустимая высота 5600мм, ширина 5600 мм, длина не ограниченна. Внутренний объем камеры охлаждается моноблочными холодильными машинами или сплит-системами.

Основные характеристики
Габаритные размеры (мм): 2560х2860х2200
Толщина панели (мм): 80
Объём (м3): 13,22

АППАРАТУРНОЕ ОФОРМЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ.

1.1. Общие требования.

1.1.1. Выбор оборудования осуществляется в соответствии с требованиями действующих нормативных документов и настоящих Правил, исходя из условий обеспечения минимального уровня взрывоопасности технологических систем. При выборе оборудования по показателям надежности и уровню взрывозащищенности должна учитываться категория взрывоопасности технологической системы (объекта). Запрещается эксплуатация оборудования в случае его несоответствия паспорту завода-изготовителя, требованиям проектной, технологической, действующей нормативно-технической документации.

1.1.2. Для основного оборудования устанавливается допустимый срок службы (ресурс) с учетом конкретных условий эксплуатации. Данные о ресурсе работы приводятся в паспортах на оборудование. Для трубопроводов и арматуры проектной организацией устанавливается расчетный срок эксплуатации, что должно быть отражено в проектной документации и внесено в паспорт трубопроводов. Для фланцевых соединений технологических объектов, подвергающихся по условиям технологического процесса периодической сборке и разборке, разрабатываются специальные отраслевые нормативные документы, определяющие срок эксплуатации, порядок контроля за состоянием и периодичность замены всех элементов, обеспечивающих нормативные прочностные характеристики крепежных деталей и герметичность соединений. Эксплуатация оборудования, выработавшего установленный ресурс, допускается при получении технического заключения о возможности его дальнейшей работы и разрешения в порядке, устанавливаемом отраслевыми нормативными документами.

1.1.3. Для оборудования (аппаратов и трубопроводов), где невозможно исключить образование взрывоопасных сред и возникновение источников энергии, величина которой превышает минимальную энергию зажигания обращающихся в процессе веществ, предусматриваются методы и средства по взрывозащите и локализации пламени, а в обоснованных случаях — повышение механической прочности в расчете на полное давление взрыва. Эффективность и надежность средств взрывозащиты, локализации пламени и других противоаварийных устройств, как правило, подтверждается испытанием промышленных образцов оборудования на зврывозащищенность. Обеспечение оборудования противоаварийными устройствами не исключает необходимости разработки мер, направленных на предотвращение образования в нем источников зажигания.

1.1.4. Изготовление технологического оборудования выполняется, как правило, специализированными предприятиями. Допускается изготовление неспециализированными предприятиями (организациями) отдельных видов оборудования при соответствующей технической оснащенности, наличии специально подготовленных кадров, разрешения на проведение работ, оформленного в установленном порядке.

1.1.5. Не допускается применять для изготовления оборудования и трубопроводов материалы, которые при взаимодействии с рабочей средой могут образовывать нестабильные соединения — инициаторы взрыва перерабатываемых продуктов.

1.1.6. Качество изготовления технологического оборудования и трубопроводов должно соответствовать требованиям действующих нормативных документов, паспортным данным и сертификатам завода-изготовителя. Устройство аппаратов, работающих под избыточным давлением, должно соответствовать требованиям Правил устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением.

1.1.7. Монтаж технологического оборудования и трубопроводов производится в соответствии с проектом, требованиями строительных норм и правил, стандартов и других нормативных документов. Оборудование и трубопроводы, материалы и комплектующие изделия не могут быть допущены к монтажу при отсутствии документов, подтверждающих качество их изготовления и соответствие требованиям нормативно-технических документов.

1.1.8. Монтаж оборудования и трубопроводов взрывопожароопасных производств с блоками I категории взрывоопасности должен, как правило, осуществляться на основе узлового или монтажно-блочного метода с максимальным переносом работ со строительной площадки в условия промышленного производства на предприятиях-поставщиках, а также сборочно-комплектовочных предприятиях строительной индустрии и строительно-монтажных организаций.

1.1.9. При выполнении сварочных работ на месте монтажа трубопроводов I категории, входящих в состав блоков I категории взрывоопасности, осуществляется проведение 100 %-ного контроля сварных соединений неразрушающими методами (ультразвуковая дефектоскопия, просвечивание проникающим излучением или другие равноценные методы).

1.1.10. Технологические системы должны быть герметичными. В обоснованных случаях для оборудования, в котором по паспортным данным возможны регламентированные утечки горючих веществ, в проекте и технической документации указываются допустимые величины этих утечек в рабочем режиме, и определяется порядок их сбора и отвода.

1.1.11. Для герметизации подвижных соединений технологического оборудования, работающих в контакте с легковоспламеняющимися жидкостями и сжиженными газами, применяются преимущественно уплотнения торцевого типа.

1.1.12. При необходимости устройства наружной теплоизоляции технологических аппаратов и трубопроводов предусматриваются меры защиты от попадания в нее горючих продуктов. Температура наружных поверхностей оборудования и (или) кожухов теплоизоляционных покрытий не должна превышать температуры самовоспламенения наиболее взрывопожароопасного продукта, а в местах, доступных для обслуживающего персонала, быть не более 45 С внутри помещения и 60 С — на наружных установках.

1.1.13. Конструкция и надежность теплообменных элементов технологического оборудования должны исключать возможность взаимного проникновения теплоносителя и нагреваемого продукта. Требования к устройству, изготовлению и надежности, порядок испытаний, контроля состояния и эксплуатации теплообменных элементов определяются отраслевыми нормативными документами (нормалями).

1.1.14. Для аппаратуры с газо-фазными процессами и газопроводов, в которых по условиям проведения технологического процесса возможна конденсация паров, при необходимости следует предусматривать устройства для сбора и удаления жидкой фазы

.1.1.15. Для проведения периодических, предусмотренных регламентом работ по очистке технологического оборудования, как правило, предусматриваются средства гидравлической, механической или химической чистки, исключающие пребывание людей в оборудовании.

1.1.16. Аппараты со взрывопожароопасными продуктами оборудуются устройствами для подключения линий воды, пара, инертного газа. Аппараты могут быть оснащены устройствами для проветривания.

1.1.17. Для взрывопожароопасных технологических систем, оборудование и трубопроводы которых в процессе эксплуатации подвергаются вибрации, предусматриваются меры и средства по ее снижению и исключению возможности аварийного разрушения оборудования и разгерметизации систем. Допустимые уровни вибрации для отдельных видов оборудования и его элементов (узлов и деталей), методы и средства контроля этих величин и способы снижения их значений должны соответствовать требованиям государственных стандартов, общесоюзных и отраслевых нормативных документов и отражаться в технической документации.

1.2. Размещение оборудования.

1.2.1. Размещение технологического оборудования и средств взрывозащиты в производственных зданиях и на открытых площадках должно обеспечивать удобство и безопасность их эксплуатации, возможность проведения ремонтных работ и принятия оперативных мер по предотвращению аварийных ситуаций или локализации аварий.

1.2.2. Оборудование взрывоопасных технологических объектов преимущественно должно располагаться на открытых площадках (наружных установках); допускается располагать в зданиях оборудование технологических объектов при соответствующем техническом обосновании.

1.2.3. Запрещается размещать технологическое оборудование взрывопожароопасных производств: над и под вспомогательными помещениями; под эстакадами технологических трубопроводов с горючими, едкими и взрывоопасными продуктами; над площадками открытых насосных и компрессорных установок, кроме случаев применения герметичных бессальниковых насосов или при осуществлении специальных мер безопасности, исключающих попадание зрывопожароопасных веществ на нижеустановленное оборудование.

1.2.4. Размещение технологических трубопроводов горючих и взрывопожароопасных продуктов на эстакаде, площадках наружных установок, в помещениях взрывопожароопасных производств должно осуществляться с учетом возможности проведения визуального контроля их состояния, выполнения работ по обслуживанию, ремонту, а при необходимости замены этих трубопроводов.

1.3. Меры защиты аппаратуры и трубопроводов от коррозионного разрушения.

1.3.1. При эксплуатации технологического оборудования и трубопроводов взрывопожароопасных производств, в которых обращаются коррозионно-активные вещества, предусматриваются методы их защиты с учетом скорости коррозионного износа применяемых конструкционных материалов.

1.3.2. Технологического оборудование и трубопроводы, контактирующие с коррозионными веществами, преимущественно изготавливаются из коррозионно-стойких металлических конструкционных материалов. Допускается в обоснованных случаях для защиты оборудования и трубопроводов применять коррозионно-стойкие неметаллические покрытия (фторопласт, полиэтилен и т.п.), а для технологических блоков III категории взрывоопасности — использовать оборудование и трубопроводы из неметаллических коррозионно-стойких материалов (стекло, фосфор, фторопласт, полиэтилен и т.п.) при соответствующем обосновании, подтвержденном результатами исследований, и разработке мер безопасности.

1.3.3. Порядок контроля за степенью коррозионного износа оборудования и трубопроводов с использованием неразрушающих методов, способы, периодичность и места проведения контрольных замеров определяются в производственной инструкции с учетом конкретных условий эксплуатации (для новых производств по результатам специальных исследований) и выполняются в соответствии с требованиями специальной общесоюзной и отраслевой нормативной документации.

1.4. Насосы и компрессоры.

1.4.1. Компрессоры и насосы, используемые для перемещения горючих, сжатых и сжиженных газов (СГ), легковоспламеняющихся и горючих жидкостей (ЛВЖ и ГЖ), по надежности и конструктивным особенностям выбираются с учетом критических параметров, физико-химических свойств перемещаемых продуктов и параметров технологического процесса. При этом количество насосов и компрессоров определяется из условия обеспечения непрерывности технологического процесса; в обоснованных (подтвержденных расчетом) случаях предусматривается их резервирование.

1.4.2. Порядок срабатывания систем блокировок насосов и компрессоров определяется программой (алгоритмом) срабатывания системы противоаварийной защиты технологической установки.

1.4.3. Запорная арматура, устанавливаемая на нагнетательном и всасывающем трубопроводах насоса или компрессора, должна быть к нему максимально приближена и находиться в зоне, удобной для обслуживания. На нагнетательном трубопроводе предусматривается установка обратного клапана или другого устройства, предотвращающего перемещение транспортируемых веществ обратным ходом.

1.4.4. Насосы и компрессоры технологических блоков взрывопожароопасных производств, остановка которых при падении напряжения или кратковременном отключении электроэнергии может привести к отклонениям технологических параметров процесса до критических значений и развитию аварии, преимущественно должны выбираться с учетом возможности их повторного автоматического пуска и оснащаться системами самозапуска электродвигателей. Время срабатывания системы самозапуска должно быть меньше времени выхода параметров за предельно допустимые значения.

1.4.5. Компрессорные установки взрывопожароопаных производств должны проходить испытания и приемку на соответствие их дополнительным требованиям согласно специальным отраслевым нормативам.

1.4.6. Запрещается эксплуатация компрессорных установок при отсутствии или неисправном состоянии средств автоматизации, контроля и системы блокировок, указанных в паспорте завода-изготовителя и предусмотренных конструкцией установки.

1.4.7. Для нагнетания ЛВЖ применяются, как правило, ценробежные бессальниковые, с двойным торцовым, а в обоснованных случаях — одинарным торцовым с дополнительным уплотнением насосы. Для сжиженных углеводородных газов применяются, как правило, центобежные герметичные (бессальниковые) насосы. Допускается применение центробежных насосов с двойным торцевым уплотнением. В качестве затворной жидкости должны использоваться, как правило, негорючие и (или) нейтральные к перекачиваемой среде жидкости. В исключительных случаях для нагнетания ЛВЖ и ГЖ при малых объемных скоростях подачи, в том числе в системах дозирования, допускается применение поршневых насосов.

1.4.8. Центробежные насосы с двойным торцевым уплотнением должны оснащаться системами контроля и сигнализации утечки уплотняющей жидкости, а также блокировками, отключающими насосы в случае возникновения утечки (при индивидуальной для каждого насоса системе подачи уплотняющей жидкости).

1.4.9. В технологических блоках I категории взрывоопасности центробежные компрессоры и насосы с торцевыми уплотнениями должны оснащаться системами контроля состояния подшипников по температуре с сигнализацией ее предельных значений и блокировками, отключающими компрессоры и насосы при превышении этого параметра. За уровнем вибрации должен быть установлен периодический контроль.

1.5. Трубопроводы и арматура.

1.5.1. Изготовление, монтаж и эксплуатация трубопроводов и арматуры для горючих и взрывоопасных продуктов осуществляется с учетом химических свойств и технологических параметров транспортируемых сред, а также требований действующих нормативно-технических документов.

1.5.2. Запрещается применять во взрывопожароопасных технологических системах гибкие шланги (резиновые, пластмассовые и т.п.) в качестве стационарных трубопроводов для транспортировки горючих сжиженных газов, веществ в парогазовом состоянии, ЛВЖ и ГЖ. Разрешается применение гибких шлангов для проведения операций слива и налива в железнодорожные цистерны и другое нестационарное оборудование, а также для выполнения вспомогательных операций. Подключение гибких шлангов для выполнения вспомогательных операций допускается только на период проведения этих работ. Соединение шлангов с трубопроводами осуществляется с помощью стандартных разъемов. Выбор шлангов осуществляется с учетом свойств транспортируемого продукта и параметров проведения процесса.

1.5.3. Во взрывопожароопасных технологических системах, в которых при отключении от регламентированных параметров возможен детонационный взрыв в трубопроводах, должны приниматься меры по предотвращению их разрушения и средства ослабления детонационных явлений.

1.5.4. Прокладка трубопроводов должна обеспечивать наименьшую протяженность коммуникаций, исключать провисания и образование застойных зон.1.5.5. При прокладке трубопроводов через строительные конструкции зданий и другие препятствия принимаются меры, исключающие возможность передачи дополнительных нагрузок на трубы.

1.5.6. Трубопроводы, как правило, не должны иметь фланцевых или других разъемных соединений. Фланцевые соединения допускаются только в местах установки арматуры или подсоединения трубопроводов к аппаратам, а также на тех участках, где по условиям технологии требуется периодическая разборка для проведения чистки и ремонта трубопроводов.

1.5.7. Фланцевые соединения размещаются в местах, открытых и доступных для визуального наблюдения, обслуживания, разборки, ремонта и монтажа. Не допускается располагать фланцевые соединения трубопроводов с взрывопожароопасными, токсичными и едкими веществами над местами постоянного прохода людей и рабочими площадками. Материал фланцев, конструкция уплотнения принимаются по соответствующим нормалям и стандартам с учетом условий эксплуатации. При выборе фланцевых соединений трубопроводов для транспортировки веществ в условиях, не указанных в этих документах, материал фланцев и конструкция уплотнения принимаются по рекомендациям специализированных проектных или научно-исследовательских организаций. Для трубопроводов технологических объектов I категории взрывоопасности не допускается применение фланцевых соединений с гладкой уплотняющей поверхностью, за исключением случаев применения спирально-навитых прокладок.

1.5.8. Конструкция уплотнения, материал прокладок и монтаж фланцевых соединений должны обеспечивать необходимую степень герметичности разъемного соединения в течение межремонтного периода эксплуатации технологической системы.

1.5.9. В местах подсоединения трубопроводов с горючими продуктами к коллектору предусматривается установка арматуры для их периодического отключения. При подключении к коллектору трубопроводов технологических блоков I категории взрывоопасности в обоснованных случаях для повышения надежности предусматривается установка дублирующих отключающих устройств.

1.5.10. На междублочных трубопроводах горючих и взрывоопасных сред устанавливается запорная арматура с дистанционным управлением, предназначенная для аварийного отключения каждого отдельного технологического блока. Арматура устанавливается в местах, удобных для обслуживания и ремонта, а также визуального контроля за ее состоянием. Арматура с ручным приводом на трубопроводах технологических блоков, имеющих Qв

1.5.11. Во взрывопожароопасных технологических системах, как правило, применяется стальная арматура, стойкая к коррозионному воздействию рабочей среды в условиях эксплуатации. Допускается в технологических блоках, имеющих Qв

1.5.12. Арматура с металлическим уплотнением в затворе, применяемая для установки на трубопроводах взрывопожароопасных продуктов, должна соответствовать I классу герметичности затвора.

1.5.13. На трубопроводах технологических блоков I категории взрывоопасности с давлением среды P>2,5 МПа, температурой, равной температуре кипения при регламентированном давлении, и повышенными требованиями по надежности и плотности соединений следует применять арматуру под приварку.

1.6. Противоаварийные устройства.

1.6.1. В технологических системах для предупреждения аварий, предотвращения их развития необходимо применять противоаварийные устройства: запорную, запорно-регулирующую арматуру, клапаны, отсекающие и другие отключающие устройства, предохранительные устройства от превышения давления, средства подавления и локализации пламени, автоматические системы подавления взрыва.

1.6.2. Выбор методов и средств, разработка последовательности срабатывания элементов системы защиты, локализация и предотвращение развития аварий определяются по результатам анализа схем возможного развития этих аварий с учетом особенностей технологического процесса и категории взрывоопасности объекта (блока).

1.6.3. В технологических блоках всех категорий взрывоопасности и во всех системах регулирования соотношения горючих сред с окислителями для аварийного отключения в качестве отсекающих устройств допускается применение запорно-регулирующей арматуры, разрешенной к использованию проектно-конструкторской организацией по арматуростроению.

1.6.4. Запорная арматура, клапаны, отсекатели и другие устройства, предназначенные для аварийного отключения блока, по быстродействию должны отвечать следующим требованиям: отключающие устройства, устанавливаемые на трубопроводах теплоносителя, используемого для испарения горючей жидкости, по быстродействию должны исключать поступление в окружающую среду горючих парогазовых продуктов в количестве более 200 кг, энергия сгорания которых превышает 1*107 кДж; устройства, устанавливаемые на трубопроводах от источников давления (насосов, компрессоров и др.) в технологических блоках I-II категорий взрывоопасности, должны исключать возможность превышения давления в блоке выше регламентированного. При аварийной разгерметизации оборудования время срабатывания отключающих устройств должны быть минимальными, но не должно быть меньше времени отключения источников давления, установленного аварийной программой, а также исключать дополнительное поступление в окружающую среду горючих парогазовых веществ в количествах не более 200 кг, энергия сгорания которых должна быть не более 1*107 кДж.

1.6.5. Арматура, клапаны и другие устройства, используемые в системах подачи в технологическую аппаратуру ингибирующих и инертных веществ, по быстродействию и производительности должны отвечать следующим требованиям: в системах подачи инертного газа в технологические блоки всех категорий взрывоопасности обеспечивать объемные скорости ввода инертного газа, исключающие образование взрывоопасных смесей во всех возможных случаях отключений процесса от регламентированных значений; в системах ввода ингибирующих веществ технологических блоков всех категорий взрывоопасности обеспечивать необходимые объемные скорости подачи ингибиторов для подавления неуправляемых экзотермических реакций; в системах подачи хладагента в теплообменные элементы реакционной аппаратуры технологических блоков обеспечивать бесперебойную дополнительную подачу хладагента в количествах, необходимых для прекращения развития неуправляемых экзотермических реакций; на коммуникациях организованного сброса горючих парогазовых и жидких сред технологических блоков всех категорий взрывоопасности исключать возможность выброса этих сред в окружающую атмосферу.

1.6.6. При срабатывании средств защиты, устанавливаемых на оборудовании, должна быть предотвращена возможность травмирования обслуживающего персонала, выброса взрывоопасных продуктов в рабочую зону и вредного воздействия на окружающую среду.

1.6.7. Применяемая для взрывозащиты технологических систем арматура, предохранительные устройства, средства локализации пламени должны изготавливаться специализированными предприятиями в соответствии с требованиями действующей нормативной документации на изготовление, испытание и монтаж этих устройств. К эксплуатации допускаются устройства, прошедшие испытания и имеющие паспорта завода-изготовителя.

1.6.8. Выбор, расчет и эксплуатация средств защиты аппаратов и коммуникаций от превышения давления производятся в соответствии с действующей нормативной документацией. При установке предохранительных устройств на технологических аппаратах (трубопроводах) с взрывопожароопасными продуктами предусматриваются меры и средства, обеспечивающие минимальную частоту их срабатывания.

1.6.9. Средства защиты от распространения пламени должны устанавливаться на дыхательных и стравливающих линиях аппаратов и резервуаров с ЛВЖ и ГЖ, а также на трубопроводах ЛВЖ и ГЖ, в которых возможно распространение пламени, в том числе работающих периодически или при незаполненном сечении трубопровода, на трубопроводах от оборудования с раскаленным катализатором, пламенным горением и другими источниками зажигания. Средства защиты от распространения пламени могут не устанавливаться при условии подачи в эти линии инертных газов в количествах, исключающих образование в них взрывоопасных смесей. Порядок подачи инертных газов регламентируется. Конструкция огнепреградителей и жидкостных предохранительных затворов должна обеспечивать надежную локализацию пламени с учетом условий эксплуатации.

1.6.10. Для огнепреградителей и жидкостных предохранительных затворов предусматриваются меры, обеспечивающие надежность их работы в условиях эксплуатации, в том числе при возможности кристаллизации, полимеризации и замерзания веществ.

1.6.11. В резервуары с ЛВЖ, работающие под давлением и относящиеся к блокам I категории взрывоопасности, при возможности возникновения в них вакуума для его гашения и исключения образования взрывоопасной среды должна предусматриваться подача газа, инертного к перемешиваемой среде. Для резервуаров с ЛВЖ, работающих без давления в блоках I категории взрывоопасности, следует предусматривать меры, предотвращающие образование взрывоопасных смесей либо исключающие источники воспламенения.

1.6.12. Запрещается эксплуатация взрывопожароопасных технологических установок с неисправными или отключенными противоаварийными устройствами и системами подачи инертных и ингибирующих веществ. Состояние средств противоаварийной защиты, систем подачи инертных и ингибирующих веществ должно периодически контролироваться. Периодичность и методы контроля определяются проектом и регламентируются.

Основные технологические стадии биотехнологического процесса

Форма проведения лекции:лекция-консультация

План лекции

1. Приготовление посевного материала.

2. Культивирование микроорганизмов.

3. Кривая роста микроорганизмов.

1. В технологическом процессе используются полезные свойства штамма, следовательно, необходимо сохранять и, если возможно, улучшать его производственные качества. Поэтому в биотехнологическом производстве имеется отделение чистой культуры, в задачей которого является постоянное и надежное воспроизведение полезных свойств продуцента, найденных или достигнутых в свое время в ходе лабораторных исследований. Такое отделение проводит лабораторные операции по контролю и сохранению чистой культуры, а также маломасштабное культивирование для постоянной передачи штамма на стадию ферментации.

Фактически это микробиологическая лаборатория, с музеем штаммов-продуцентов. В ходе контрольных высевов и маломасштабных ферментаций (в пробирках, колбах и т. д.) контролируется устойчивость всех имевшихся или приобретенных признаков, послуживших основанием для рекомендации к промышленному применению этих культур. По мере необходимости из отделения чистой культуры поступает заданная масса инокулята, идущая в производство.

При периодическом процессе культивирования (при производстве метаболитов) в отделении чистой культуры готовят засевную дозу клеток для каждой из операций основного производства. При непрерывном производстве кормового белка этого не требуется, однако для повышения качества продукта предпочитают время от времени вводить клетки штамма-продуцента из отделения чистой культуры. Для этого в отделении имеется ферментационная часть, где производится выращивание достаточно крупных партий микроорганизма продуцента.

Посевные дозы выращиваются последовательно в колбах и бутылях на 10-20 литров, находящихся на качалках или просто в термостатируемом помещении, и далее в последовательности ферментеров объемом (по необходимости) 10, 100, 500 и 1000 литров, в которых осуществляется перемешивание, аэрация и термостатирование культуральной жидкости с клетками.

Отделение чистой культуры должно иметь достаточно большую коллекцию штаммов продуцентов, так как возможны временные переходы с одного штамма на другой, вызванные различными причинами. Например, сезонные изменения температуры частично компенсируются подбором достаточно продуктивных термотолерантных штаммов. Кроме того, микробиологическая промышленность зачастую вынуждена использовать в качестве компонентов питательных сред отходы сельского хозяйства и пищевой промышленности (меласса, кукурузный экстракт), что ведет к сезонным изменениям сырья и предполагает адаптацию продуцента к особенностям среды. Все это делает роль микробиологической службы производства достаточно высокой.

2. Основным методом биотехнологии является культивирование, то есть выращивание микроорганизмов в специально созданных условиях.

Культивирование бывает: поверхностное, глубинное.

Поверхностное культивирование ведут в специальных растительных камерах, глубинное культивирование проводят в ферментерах (это аппарат, который заполнен жидкой питательной средой).

По способу организации, культивирование бывает: периодическое, непрерывное.

Также культивирование бывает: аэробным и анаэробным.

Из множества существующих организмов в промышленности используются только чистые культуры, часто селекционированные или получаемые методом генной инженерии, их называют продуцентами. Они дают нужный продукт в максимальном количестве.

Микроорганизмы должны расти на дешёвых и доступных питательных средах. Конверсия питательной среды в биомассу или в нужный продукт должна быть максимальной. Выражается это понятие экономическим коэффициентом:

(1)

где ∆x- количество выросшей биомассы,

∆s-количество потреблённой питательной среды

Микроорганизмы должны расти с максимально- высокой скоростью роста:

(2)

где ∆τ- скорость роста.

(3)

где μ — удельная скорость роста.

Культивирование клеток в жидкой среде осуществляется несколькими способами. Наиболее простым и распространенным является накопительное или периодическое культивирование. Клетки растут в постоянном объеме питательной среды на установках качального или роллерного типа. Такая система закрыта для всего, кроме газов и летучих продуктов метаболизма. Оказывается при этом в колбах накапливается значительное количество углекислого газа. После замедления роста суспензия разводится до начальной плотности, и цикл выращивания повторяется. Цикл выращивания — это период от помещения инокулюма в свежую среду до следующего субкультивирования. Для накопительных культур чаще всего используются конические широкогорлые колбы разных размеров на платформенных качалках кругового или полукругового типа со скоростью вращения 60-120 оборотов в минуту. Клетки растений, несмотря на ряд специфических особенностей, подчиняются тем же законам роста, что и микроорганизмы, поэтому для их выращивания применяют технологию и аппаратуру, принятую в работе с микроорганизмами. Микроорганизмы обычно культивируют в особых аппаратах, называемых ферментерами. Накопительные культуры можно выращивать в лабораторных ферментерах рабочим объемом 0,5-10 л. По сравнению с глубинным выращиванием в колбах на качалке при культивировании клеток в ферментерах появляются принципиально новые возможности, связанные с их конструкцией.

На культуру клеток в ферментерах можно в любой момент воздействовать различными факторами (температура, свет, газовый режим, физиологически активные вещества, рН и др.) и отбирать пробы клеток для определения динамики роста и метаболизма популяции в цикле выращивания. То есть, не нарушая режима асептики, можно контролировать рост и продуктивность биомассы, изучать влияние на эти процессы различных воздействий. Вместе с тем культивирование растительных клеток в ферментерах сопряжено с трудностями, вытекающими из специфических особенностей клеток высших растений. Наличие вакуоли и целлюлозно-пектиновой оболочки, придающей клеткам не только прочность, но и хрупкость, обуславливает их подверженность механическому стрессу при перемешивании и аэрации. Опасность механического стресса усиливается на стадии растяжения клеток.

Ферментеры различных конструкций обеспечивают перемешивание и аэрацию по-разному: вращаясь вокруг собственной оси, будучи в наклонном состоянии, перемешиванием магнитными и механическими мешалками, продуванием сжатого стерильного воздуха через суспензию. Конструкция лопастей мешалок бывает разной, и вращаются они с разной скоростью.

Высокая скорость перемешивания ведет к разрушению клеток, снижение интенсивности перемешивания может привести к оседанию части клеток к их гибели. Рост биомассы, которого так стараются добиться в работе ученые, ведет к возрастанию вязкости, что так осложняет культивирование. В отличие от микроорганизмов растительные клетки слипаются между собой и с поверхностями культиватора. Кроме того, они могут скапливаться в верхней части сосуда, образуя пену. Перечисленные особенности растительных клеток заставляют исследователей очень тщательно подходить к выбору типа культиваторов и режиму перемешивания в зависимости от целей и задач экспериментов с суспензионной культурой.

Способ, при котором клетки выращиваются в проточном режиме, называется непрерывным культивированием. В основу создания проточных систем легли опыты, в которых было обнаружено, что добавление в суспензию в фазу экспоненциального роста культуры порций свежей питательной среды позволяет долго поддерживать деление клеток. Непрерывное культивирование может осуществляться в закрытой проточной, полупроточной и открытой проточной системах.

В закрытой проточной системе суспензионная культура непрерывно снабжается свежей средой, приток которой сбалансирован оттоком равного количества использованной среды. В такой системе хорошо изучать влияние различных факторов на метаболизм клеток.

При полупроточном режиме выращивания определенная часть суспензии время от времени отбирается и оставшаяся часть разбавляется свежей средой.

Применяется для получения большой биомассы с целью ее биохимического исследования.

Открытая проточная система устроена так, что обеспечивает баланс между притоком свежей питательной среды и удалением равного объема клеточной суспензии. Скорость удаления части клеток из системы должна соответствовать скорости образования новых клеток в результате деления, это создает равновесное состояние между ростом клеток (постоянством скорости клеточного деления) и биосинтезом (постоянством состава и метаболической активности).

В открытой проточной системе исследуются взаимосвязи между процессами роста и метаболизма, те изменения, которые происходят при переходе клеток от одного состояния к другому, а также условия оптимального режима культивирования для получения максимального количества вторичных метаболитов. В основу непрерывного культивирования могут быть положены принципы хемостата и турбидостата, разработанные при культивировании микроорганизмов (рис. 4).

В хемостатном режиме непрерывное культивирование идет под воздействием лимитирующего рост фактора. Хемостатная культура представляет собой перемешиваемую суспензию, в которую с постоянной скоростью поддается свежая среда с заданной концентрацией какого-то лимитирующего рост компонента и с такой же скоростью отбирается часть культуры. Общий объем суспензии остается постоянным. При выращивании клеточных суспензий в хемостатном режиме скорость размножения клеток регулируется концентрацией лимитирующего фактора. Скорость роста и плотность клеточной популяции проходят в соответствии с заданной скоростью поступления среды (скорость разбавления), т.е. подачей лимитирующего фактора и других компонентов среды. Это приводит популяцию в стационарное состояние, для которого характерны выравненность физиологического состояния, постоянства концентрации лимитирующего фактора и других компонентов среды.

А – хемостат; Б – турбидостат с автоматической регуляцией оптической

плотности.
1 – поступление среды, 2 – мешалка, 3 – сток культуры, 4 – насос,

5 – фотоэлемент, 6 – источник света

Рисунок 4. Схемы биореакторов для проточного культивирования

микроорганизмов

Принцип турбидостата предусматривает непрерывное культивирование без внешнего лимитирования, рост клеток популяции поддерживается на определенном уровне регулированием оптической плотности культуры. Для этого подходят суспензии с низкой плотностью клеток и высокой удельной скоростью роста, т.е. популяции в начальные фазы роста. Турбидостат представляет собой хемостат, дополненный фотоэлектрическим элементом, чувствительным к мутности культуры. Рост клеточной популяции поддерживается на заданном уровне автоматически с помощью фотометрической регуляции подачи среды.

Хемостатный и турбидостатный режимы применяют с целью стабилизации клеточной популяции в определенном состоянии роста и поддержания его неограниченное время. Эти приемы культивирования очень ценны для изучения регуляции роста и метаболизма клеток в строго стандартных условиях под влиянием различных лимитирующих и ингибирующих факторов. Однако, таких работ очень мало, что связано с новизной метода и техническими трудностями. Препятствием к культивированию клеток высших растений в проточном режиме является их высокая чувствительность к повреждениям, агрегированность, длительное время генерации.

3. Рост клеток описывается S-образной кривой. Она получается, если число клеток в культуре или их массу представить как функцию времени, прошедшего с момента их высева (рис. 5). Кривая характерна для популяции клеток, культивируемых как поверхностным способом, так и в жидкой среде, и состоит из следующих фаз: 1) латентная фаза, или лаг-фаза, во время которой отсутствует видимый рост, но идет активный процесс поглощения воды, питательных веществ и подготовки к делению; 2) экспоненциальная, или логарифмическая, фаза роста, в которой по любому принятому критерию возрастает удельная скорость роста; 3) линейная фаза — очень короткая, удельная скорость роста в этой фазе постоянная; 4) фаза замедления роста, в которой скорость роста уменьшается; 5) стационарная фаза, в которой по любому принятому критерию рост постоянен; 6) фаза гибели клетки. Однако форма реальных ростовых кривых может значительно отличаться от моделей продолжительностью фаз. Это зависит как от генотипа, так и от условий выращивания и количества инокулюма и транспланта.

Рисунок 5. Кривая ростового цикла клеток in vitro

Контрольные вопросы

1. Основные стадии и показатели роста микроорганизмов

2. Периодическое и непрерывное культивирование

3. Хемостат, турбидостат, оксистат

4. Стадии разработки биотехнологического производства

Лекция 11

Аппаратурное оформление биотехнологического процесса

Форма проведения лекции:лекция-конференция

План лекции

1. Аппаратурное оформление биотехнологического процесса. Биореакторы.

2. Повышение эффективности ферментации

1. Большое разнообразие биотехнологических процессов, нашедших промышленное применение, приводит к необходимости рассмотреть общие, наиболее важные проблемы, возникающие при создании любого биотехнологического производства. Процессы промышленной биотехнологии разделяют на 2 большие группы: производство биомассы и получение продуктов метаболизма. Однако такая классификация не отражает наиболее существенных с технологической точки зрения аспектов промышленных биотехнологических процессов. В этом плане необходимо рассматривать стадии биотехнологического производства, их сходство и различие в зависимости от конечной цели биотехнологического процесса.

Две начальные стадии включают подготовку сырья и биологически действующего начала. В процессах инженерной энзимологии они обычно состоят из приготовления раствора субстрата с заданными свойствами (рН, температура, концентрация) и подготовки партии ферментного препарата данного типа, ферментного или иммобилизованного. При осуществлении микробиологического синтеза необходимы стадии приготовления питательной среды и поддержания чистой культуры, которая могла бы постоянно или по мере необходимости использоваться в процессе. Поддержание чистой культуры штамма-продуцента — главная задача любого микробиологического производства, поскольку высокоактивный, не претерпевший нежелательных изменений штамм может служить гарантией получения целевого продукта с заданными свойствами. Третья стадия — стадия ферментации, на которой происходит образование целевого продукта. На этой стадии идет микробиологическое превращение компонентов питательной среды сначала в биомассу, затем, если это необходимо, в целевой метаболит.

На четвертом этапе из культуральной жидкости выделяют и очищают целевые продукты. Для промышленных микробиологических процессов характерно, как правило, образование очень разбавленных растворов и суспензий, содержащих, помимо целевого, большое количество других веществ. При этом приходится разделять смеси веществ очень близкой природы, находящихся в растворе в сравнимых концентрациях, весьма лабильных, легко подвергающихся термической деструкции.

Заключительная стадия биотехнологического производства — приготовление товарных форм продуктов. Общим свойством большинства продуктов микробиологического синтеза является их недостаточная стойкость к хранению, поскольку они склонны к разложению и в таком виде представляют прекрасную среду для развития посторонней микрофлоры. Это заставляет технологов принимать специальные меры для повышения сохранности препаратов промышленной биотехнологии. Кроме того, препараты для медицинских целей требуют специальных решений на стадии расфасовки и укупорки, так должны быть стерильными. Далее приводится характеристики каждой из стадий промышленного микробиологического синтеза.

Технологическое оформление процессов промышленной биотехнологии в значительной мере определяется отношением микроорганизма-продуцента к кислороду. При использовании аэробных культур ферментационное оборудование и нормы технологического режима подбираются таким образом, чтобы массообмен (перенос кислорода из газовой в жидкую фазу) обеспечивал поступление кислорода к клеткам в количествах, необходимых и оптимальных для данной культуры в данной фазе роста.

Промышленное использование факультативных анаэробов не ставит задачи абсолютного исключения кислорода из среды, поэтому процессы этого типа (брожение) технологически проще аэробных. В начальной фазе этих процессов требуется лишь удалить кислород из газовой фазы над культуральной жидкостью, что может быть достигнуто введением инертного газа или просто вытеснением воздуха углекислотой, выделяемой клетками при метаболизме (рис. 6).

Технологическое оформление строго анаэробных процессов сложнее, чем для процессов брожения, так как в этом случае необходимо полностью исключить возможность попадания кислорода в газовую, а оттуда и в жидкую среду.

Вопросы термостатирования ферментационного процесса (подвода или отвода тепла в ходе ферментации) являются очень острыми в целом ряде производств биотехнологии. В аэробных условиях микробиологический синтез протекает со значительным тепловыделением, что вызывает необходимость отвода тепла из аппаратов большого объема (сотни и тысячи кубометров). Технологические требования к скорости теплоотвода очень жесткие из-за узкого температурного оптимума роста культуры. Наиболее приемлемый на практике способ теплоотвода — охлаждение водой через змеевики, рубашки и др. устройства — осложняется небольшой разностью температур между содержимым биореактора (32-34оС для дрожжей Candida) и охлаждающей водой (20оС), температура которой в жаркое время года еще выше. Поэтому в реакторе создается развитая поверхность газообмена, увеличивается скорость движения жидкостей и т.д.

Рис. 6. Устройство ферментера

Важно также поддерживать определенный состав питательной среды. В непрерывных процессах биосинтеза задача технолога сводится к поддержанию концентрации всех питательных веществ (и кислорода) и дозированному введению кислоты или щелочи для рН-статирования системы на заданном уровне. Простейшим вариантом управления стадией ферментации в периодическом режиме является изменение концентраций компонентов среды и её рН, а также введение необходимых добавок по заранее разработанной программе, реализуемой технологом в каждом цикле ферментации. Этот способ относительно прост и легко поддается автоматизации.

Во многих случаях необходимо возможно полно исчерпывать компоненты питательной среды, чтобы они не попадали на последующие стадии переработки. Эта необходимость может быть вызвана рядом причин:

— дороговизна или дефицитность субстрата;

— вредное воздействие субстрата на качество готового продукта(например, при производстве дрожжей на парафинах , когда выделение остаточных количеств углеводородов из клеточной массы затруднено, поэтому добавляют дополнительные секции для дозревания или утилизации запасенных в цитоплазме углеводородов);

— затруднения, возникающие на стадии выделения и очистки метаболитов при одновременном присутствии в культуральной жидкости неутилизированных веществ.

2. Стадия ферментации — центральная среди этапов промышленного производства. Под ферментацией понимают всю совокупность последовательных операций от внесения в заранее приготовленную и термостатированную среду инокулята до завершения процессов роста, биосинтеза или биотрансформации.

Ферментация проходит в специальных емкостях, называемых ферментерами или биореакторами. Конструкция биореактора приведена на рис. 5. Основными элементами ферментера являются двойные стенки, промежуток между которыми заполняется охлаждающей или нагревающей жидкостью, входные отверстия для газовых и жидких потоков, система контроля за составом питательной среды и условиями внутри реактора.

Поскольку в промышленной биотехнологии выделяют 2 типа процессов — накопление биомассы и накопление ценных веществ, возникающих в ходе роста и последующего развития культуры, то меняется и характер построения производства во времени. Биомасса одноклеточных выращивается непрерывным способом в аппаратах хемостатного типа, а все процессы второй группы осуществляются периодически, когда в одном и том же аппарате в производственном цикле протекают все необходимые фазы развития клеток и биосинтеза. Процессы двух рассматриваемых типов отличаются по требованиям к степени асептики, что связано с их объёмами — белок одноклеточных выпускается миллионами тонн сухого вещества, а выпуск продуктов второго типа составляет, как максимум, тысячи или десятки тысяч тонн. Поэтому в производстве белковых веществ ограничиваются достаточно высокой, но не 100% степенью асептики, обеспечивая последнюю подбором режима культивирования, подходящего для продуцента, но неблагоприятного для возможных примесных штаммов.

Контрольные вопросы

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *