Процессы и аппараты химической технологии - файл n1.doc

приобрести
Процессы и аппараты химической технологии
скачать (1113 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc1113kb.18.09.2012 16:54скачать

n1.doc

1   2   3   4

21. Стерильность.стабильность ферментационных процессов.

Стерильность - уничтожение всех жизнеспособных клеток и спор. Ферментация - сложный биохимический процесс, происходящий с течением времени под воздействием различных факторов: температуры, влаги, солнечного света, кислорода и ферментов. Совокупность этих параметров определяет особенности и скорость процесса, а также степень ферментации. Стадия ферментации - центральная среди этапов промышленного производства. Ферментация проходит в специальных емкостях, называемых ферментерами или биореакторами. Биомасса одноклеточных выращивается непрерывным способом в аппаратах хемостатного типа, а накопление пит.в-в осуществляются периодически, когда в одном и том же аппарате. При использовании аэробных культур ферментационное оборудование и нормы технологического режима подбираются таким образом, чтобы массообмен обеспечивал поступление кислорода к клеткам в количествах, необходимых и оптимальных для данной культуры в данной фазе роста. Вопросы термостатирования ферментационного процесса 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. Технологические требования к скорости теплоотвода очень жесткие из-за узкого температурного оптимума роста культуры. Наиболее приемлимый на практике способ теплоотвода - охлаждение водой через змеевики, рубашки и др. 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.

40 УРАВНЕНИЕ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ

Теплопередача- это теплообмен между 2мя теплоносителями, разделённых твёрд стенкой. Теплоноситель- движ. среда (газ, пар, жид-ть). В процессе теплопередачи участвуют не менее 2х сред с разной темп-рой. Среда с более высокой темп-рой=горячий теплоноситель, отдаёт теплоту. С более низкой=холодный носитель, хлад-агент, воспринимает теплоту. Обе среды должны быть хим-ки устойчивы и не вызывать коррозию в аппаратах и тп. В кач-ве теплоносителей в пищпром используют насыщ.вод пар, воду и дымовые газы. Хлад-агентами служат фрионы, аммиак и рассол хлорида кальция в зависимости от назначения, температуры процесса и стоимости.

Теплопередача может происходить в установившихся условия (стационар режим) или в неустановившихся(нестационарн.) в стац. Режиме температура не изменяется во времени, это свойственно неприрывным процессам. В процессе переработки пищ сырья и продуктов происходит изменения физ-хим свойств. Из-за этого меняются условия теплопередачи. Основная хар-ка теплопередачи- средняя разность температур. Коэф. теплопередачи k = кол-во передаваемой теплоты (от этой величины зависит размер теплооб. аппаратуры). Этот коэф-т показывает, какое кол-во теплоты в кДж передаётся от одного теплоносителя к другому через сразделяющую их стенку площадью 1 м2 в течении 1 часа при разности температур =1. Связь между кол-вом передаваемой теплоты и площадью поверхности теплообмена выражается УРАВНЕНИЕМ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ dQ = ? · (t'ст - t'f)·F·d? Для стационар режима это ур-нение имеет вид: Q = k ·dt ср·F·,где dQ – кол-во переданной теплоты, k- коэф теплопередачи между средами, F- площадь поверхности теплообмена, dt- разность температур между средами, d?- продолжительность процесса.Трудности вызывает расчет средней разности температур.

42. Основные типы теплообменников.

ТО — устройство, осущ. передачу теплоты от горячего теплоносителя к холодному (нагреваемому). Теплоносителями могут быть газы, пары, жидкости. В зав. от назначения ТО используют как нагреватели и как охладители. По принципу действия: рекуперативные, регенеративные и смесительные. Рекуперативные ТО наиб. распространены. Передача тепла в них осущ. через твердую разделяющую стенку (обычно металлическую), причем теплоноситель и приемник тепла не смешиваются и не соприкасаются. Регенеративные: тепло более нагретого теплоносителя отдается сначала твердому телу насадки, затем — холодному. Теплоносители последовательно омывают насадку, нагревая и охлаждая ее.В смесительных ТО теплоноситель и приемник тепла непосредственно соприкасаются. Исп-ся, когда вещества легко разделить после смешения (например, вода поставляет тепло, а воздух его принимает) либо можно смешать (например, вода и водяной пар). По типу устройства: 1) с поверхностью нагрева, состоящей из труб (имеют вид змеевиков):У погружных ТО пов-ть теплообмена (змеевик), помещается в сосуд с жидкостью, обычно с водой или антифризом. Оросительные ТО состоят из труб, орошаемых снаружи водой. Приемником тепла является воздух, а вода повышает теплоотдачу за счет испарения. ТО «труба в трубе» сост. из двух концентрически распол. труб, где один теплоноситель протекает по внутр. трубе, а др. — по кольцевому пространству между трубами. Кожухотрубные ТО сост. из пучка труб, концы кот. закреплены в спец. трубчатых решетках. Пучок труб расп. внутри общего кожуха. В рабочем состоянии один из теплоносителей движется по трубам, а др. — в межтрубном пространстве (между кожухом и трубами). К этому типу ТО также относятся устройства: витые из труб, с теплообменом между стенками аппарата и трубами, с оребренными трубами (ТО воздушного охлаждения). 2) с поверхностью нагрева, составленной из плоских элементов: пластинчатые и спиральные. Практичны и имеют высокий КПД (до 60 %). 3) с поверхностью нагрева, образуемой стенками аппаратов: реакторы, в кот. тепло поступает (или отдается) в змеевик, опоясывающий «рубашку». Дополнительно выделяют испарительные, или двухфазные ТО, в кот. применяют различные типы жидкостей, а также теплоносители, нах. в разных агрегатных состояниях.
61.Движущая сила сушки.

См. 59 вопр и схемы в тетрадке.

44. периодическая стерилизация сред

Питательная среда перед засевом каким-то биообъектом должна быть стерильной. В биотехнологии используют методы периодической и непрерывной стерилизации.
Периодическая стерилизация осуществляется в аппаратах малой емкости непосредственно в ферментаторах или паром под давлением в течение 30-40 мин при температуре 134°С после удаления воздуха из аппарата при нагреве до 100°С. Затем среду охлаждают водой через змеевик и засевают биообъектами.

Общая схема биотехнологического производства, различают 5 стадий: 1)подготовка питательной среды для культивирования промышленного микроорганизма(Основу питательных сред для культивирования микроорганизмов составляют источники органического углерода (субстраты) . Отделение приготовления питательной среды представляет собой цех, оборудованный емкостями для хранения жидких и твердых веществ, средствами их транспортировки и аппаратами с перемешивающими устройствами для приготовления растворов, суспензий и эмульсий. При этом все компоненты питательной среды хранятся обычно в твердом виде, а приготовление их смеси в заданном соотношении производится в аппарате с мешалкой, куда они непосредственно поступают для последующего растворения. Иногда сначала в отдельных емкостях готовятся растворы каждого компонента, а потом производится их окончательное смешение.Важнейшим элементом подготовки питательных сред является их стерилизация); 2) получение чистой культуры для внесения в основной аппарат – ферментер(Эффективность биотехнологического производства определяется, в первую очередь, производительностью основного оборудования. Поэтому проведению стадии основной ферментации уделяется большое внимание. Под ферментацией понимают всю совокупность последовательных операций от внесения в заранее приготовленную и нагретую до требуемой температуры среду посевного материала и до завершения процесса роста клеток или биосинтеза целевого продукта.) 3) основная ферментация; (По окончании ферментации образуется сложная смесь, состоящая из клеток продуцента, раствора непотребленных питательных компонентов и накопившихся в среде продуктов биосинтеза. Такую смесь называют культуральной жидкостью.Более распространенным в микробиологической промышленности является метод глубинного культивирования, его проводят в емкостных аппаратах, которые называются ферментаторами или ферментерами. Такой аппарат должен обеспечивать: а) рост и развитие популяций микроорганизмов в объеме жидкой фазы, б) подвод питательных веществ к клеткам микроорганизмов, в) отвод от микробных клеток продуктов их обмена веществ(метаболизма), .г) отвод из среды выделяемого клетками тепла. Самый простой ферментер состоит из емкости, определяющей рабочий объем аппарата, системы ввода и вывода жидкостных и газовых потоков, системы перемешивания, обеспечивающей наиболее полное смешение компонентов питательной среды, системы диспергирования воздуха (при проведении аэробных процессов) - барботера, охлаждающих устройств для отвода тепла - змеевика и рубашки;) 4) выделение и очистка конечного продукта; () 5)получение товарных форм препарата. (Стадия фасовки препаратов кормового и технического назначения заключается в помещении их в тару, размеры и тип которой определяются потребностями заказчика и свойствами продукта.)

47. Сущность процесса выпаривания.

Выпаривание – процесс сгущения р-ров при кипении (на пищ. пр-вах: вып. свекловичных сахаров, сиропов, пектинового клея, молока и др.). Кипение происх. в объемах р-ра, когда давление паров р-ля равно общему давлению над р-ром. Особенность проц. – постоянство tры кипения в данном состоянии р-ра => вода испаряется и удаляется в виде пара, а раств.в-во остается в р-ре в неизменном кол-ве (отличие от перегонки). По мере сгущения р-ра изменяются его физ. свойства: tра кипения, теплопроводность, теплоемкость, вязкость, температуропроводность и др. параметры, значения кот. уменьшаются с ростом конц. При этом ухудшаются условия теплоотдачи от пов-ти нагрева аппарата к кипящему р-ру. Вып. происходит в испарителях технологич. назначения – выпарных аппаратах; при вып. с пом. вакуума они наз-ся вакуумаппараты. Вып. р-ров может осущ-ся в одном аппарате – однокорпусные, либо в ряде – многокорпусные. 1) В однокорпусном тепло греющего пара исп-ся однократно, а тепло вторичного пара, уходящего из аппарата, обычно не исп-ся; 2) Многокорпусные более распространены и значительно экономят тепло, т.к. вторич. пар 1го корпуса явл-ся греющим паром для 2го, в кот. р-р кипит при более низкой tре и давлении. По методу ведения процесса различают периодическое и непрерывное вып.: 1) при периодич. процессе исходный р-р можно загружать в аппарат за один прием, либо порциями, когда при достижении необх. конц. сгущенный р-р выгружают и в аппарат загружают новую порцию; 2) при непрерыв. процессе осущ-ся непрерыв. подвод греющего пара и непрерыв. отвод сгущенного р-ра, вторич. пара и конденсата греющего пара.

54. Многокорпусная выпарка.

Многократное выпаривание проводится в ряде последовательно установленных выпарных аппаратов. С целью экономии греющего пара в выпарных установках многократного выпаривания в качестве греющего пара во всех корпусах, кроме первого, используется пар из предыдущего корпуса.Многократное выпаривание возможно осуществить при использовании греющего пара высокого давления либо при применении вакуума в выпарной установке. Давление в корпусах установки должно поддерживаться ТО, чтобы температура поступающего в корпус пара была выше, чем температура кипения р-ра в этом корпусе. Оптимальное давление греющего пара в последнем корпусе определяется технико-экономическим расчётом. Выпаривание под избыточным давлением связано с повышением температуры кипения раствора. Поэтому требуется греющий пар более высокого давления. Этот способ выпаривания применяется для концентрирования термически стойких растворов.При выпаривании под избыточным давлением требуется автоматическое регулирование давления пара и плотности упаренного раствора, но установка в целом несколько упрощается, так как отпадает необходимость в постоянно действующем конденсаторе. Многокорпусные выпарные установки делятся по взаимному направлению движения греющего пара и выпариваемого раствора на прямоточные, противоточные и комбинированные.

55. Тепловой расчёт.

При поступлении на выпаривание исходный раствор имеет t = tкип и не имеют место тепловые потери. Теоретический расход пара D [кг] для однокорпусных устройств: Где i1 и i2 - энтальпия греющего и вторичного пара, СВ и Ск – теплоемкость воды и конденсата, t2 и tk – температуры исх. из сгущ. р-ров и конденсата.

Удельный расход пара к 1 кг выпаренной воды . На практике считают, что на образование 1 кг вторичного пара в однокорпусной установке расходуется 1,1 греющего пара. Поверхность нагрева F выпарного аппарата определяется из следующих уравнений для тепловой нагрузки на аппарат: а) из основного уравнения теплопередачи Q = k F ?t б) из уравнения тепловой нагрузки выпарного аппарата по расход пару Q = D (i1 – CK tk) = D r. Необходим. теорет. пов-ть нагрева [м2] F = ( D r ) / (k ?t) Где D – расход греющего пара на выпаривание. r – удельная теплота парообразования [кг/с]. ?t – полезная разность температур С, К – коэффициент теплопередачи [Дж/кг].

Вопрос 58.Движущая сила массообменных процессов.

Массообменным процессам относят абсорбцию,адсорбцию,ректификацию,сушку и кристаллизацию. Абсорбция это избирательное поглощение газов или паров жидким поглатителем абсорбентом, при этом масса в- ва или группы в-в. переходит из газовой или паровой фазы в жидкую фазу.Адсорбция это избирательное поглощение газов, или паров или растворов в жи – сти веществ пористым твёрдым поглотителем адсорбентом. При этом в –ва из газовой паровой или жидкой фазы переходят в тв.фазу

Экстракция избирательное извлечение в –ва из жидкости или твердого пористого тела ж –стью экстрактом,при этом вещество из жидкой или ТВ. фазы переходит в жидкую фазу. Ректификация разделение жидкой смеси на составляющие её частые компоненты в результате различия в их летучести и противоточного взаимодействия жидкого и парового потока, при этом в –ва из жидкой фазы переходят в паровую необратимо. Сушка это удаление влаги из ТВ. и пластических материалов путём её испарения, при этом влага из ТВ.и пластических материалов переходит в паровую или газовую фазу. Кристаллизация выделение ТВ. раст. В-ва из его пересыщенного р-ра при этом в –во из ;-кой фазы переходит в ТВ. фазу. Скорость перечисленных процессов опред. Скоростью переноса массы в –ва из одной фазы в др. т.е массопередача подобна теплопередаче. Главным образом перенос в-ва сначала передача фазы границы раздела затем перенос его через поверхность раздела фаз и наконец перенос его через вторую пов раздела фаз. Если при теплопередаче среды обмениваются теплом через ТВ. теплообменную стенку ,то при массопредаче обмен в –вом м/ду фазами происходитчерез границу раздела фаз при этом граница может быть подвижна в сист таких как газ/ж,пар/ж,или ж/ж,или не подвижнав сист. ТВ. фазы. Перенос массы в-ва из ядра фазы к пов. раздела фаз и наоборот наз. массоотдачей.

Массобменные процессы обратимы т.е. распред. В-ва м/ду фазами могут переходить из 1 фазы в др. в зависимости от концентрации этого в-ва.

66. Физические основы процесса кристаллизации

Кристаллизация-процесс выделения твердой фазы в виде кристаллов из растворов и расплавов. Кристаллы представляют собой твердые тела различной геометрической формы, ограниченные плоскими гранями. Кристаллы, содержащие молекулы воды наз. кристаллогидратами. В пищевой технологии выделение твердой фазы из растворов или расплавов в виде кристаллических продуктов является завершающей стадией технологического процесса получения сахарозы, глюкозы, солей и других кристаллических продуктов.Технологический процесс кристаллизации состоит из нескольких стадий-кристаллизация, отделение кристаллов от паточных растворов, перекристаллизация, промывка и сушка кристаллов. Статистика процесса: Раствор, находящийся в равновесии с твердой фазой при данной температуре называется насыщенным. В таких растворах между твердым веществом и раствором имеет место ... равновесие, характеризующееся тем, что в единицу времени количество единиц растворяющихся кристаллов,переходящих в раствор равно числу частиц кристаллизующихся в растворе и переходящих в твердую фазу. Пересыщенными наз. такие растворы, в которых концентрация растворенного вещества больше его растворимости. Пересыщенные растворы неустойчивы, легко переходят в насыщенные растворы. При таком переходе из пересыщенных растворов выпадает твердая фаза.Кинематика и условия кристаллизации: Переход вещества из раствора в твердую фазу осуществляется путем диффузии растворенного вещества через пограничный слой, окружающий поверхность кристалла. Скорость процесса кристаллизации может определяться скоростью диффузии растворенного вещества через пограничный слой, либо скоростью слияния вещества с телом кристалла, либо зависеть от обеих стадий одновременно. Процесс кристаллизации сахарозы: В процессе роста кристаллы окружены пограничным слоем пересыщенного межкристалльного раствора толщиной ?. Избыток молекул сахарозы из этого слоя пересыщенного раствора быстро выделяется на поверхности кристаллов и раствор становится насыщенным с концентрацией сахарозы yн. На некотором расстоянии от граней кристаллов в окружающем растворе сохраняется пересыщение с концентрацией yп. Вследствие разности концентраций (yп - yн)сахароза диффундирует через пограничный слой раствора. Скорость роста кристаллов сахарозы можно выразить уравнением 1 :dH/dt= [D*F*(yп - yн)] /? ,где dH- количество вещества кристаллизованного в единицу времени,D- коэффициент диффузии, F- площадь поверхности кристаллов, на которых выкристаллизовывается вещество,yп- концентрация вещества в объеме пересыщенного раствора,yн - концентрация вещества на поверхности кристалла (принимается равной концентрации раствора),? - толщина пограничного слоя раствора, в котором концентрация изменяется от yп до yн .Методы кристаллизации: Процесс кристаллизации может проводиться как периодически, так непрерывно. Периодическая кристаллизация применяется в малотоннажных производствах. А в крупнотоннажных производствах, например, в сахарной промышленности процессы кристаллизации организованы по непрерывной схеме. В пищевой промышленности применяются следующие методы кристаллизации: с частичной отгонкой воды, с охлаждением или нагреванием исходного раствора, комбинированно.Кристаллизация с частичной отгонкой воды: Осуществляется в вакуум-аппаратах. Отгонка воды происходит путем ее испарения. В тех же вакуум-аппаратах проводят кристаллизацию раствора. На сахаро-песочных и рафинадных заводах сахарные сиропы поступают на уваривание(концентрирование) в вакуум-аппараты с целью кристаллизации сахара из пересыщенного раствора. Полученный после уваривания продукт наз. утфилем. Недостатком этого метода кристаллизации явл. отложение кристаллов на поверхностях теплопередачи в вакуум-аппаратах. Выпадение кристаллов на трубах и стенках аппаратов затрудняют их выгрузку. Кристаллизация с охлаждением растворов: Кристаллизация с охлаждением растворов холодильным агентом (вода или воздух) позволяет получить пересыщенные растворы. Материальный баланс кристаллизации: Общий материальный баланс кристаллизации описывается формулой 2: ?н=?кр + ?м + W, где ?н, ?кр и ?м - количества соответственно исходного раствора, полученных кристаллов и маточного раствора, кг, W-количество удаленной влаги, кг. Баланс по абсолютно сухому растворенному веществу-формула 3: ?x * xн = ?кр * а + ?м * xм. При кристаллизации без присоединения молекул: M = Mкр и а=1. Количество удаленного растворителя при а=1 определяется по формуле 4:W = (?кр/ ?н) * R1*( 1- xн/xм). Массовое количество образовавшихся кристаллов определяется совместным решением уравнений 1 и 2 :?кр= (?н * ( xм - xн) - Wx * Xм)/ (xм - а)


62. Сущность процесса экстракции и применение ее биологической и микробиологической промышленности.

Экстракция - извлечение из сложного по составу твердого или жидкого вещества одного или нескольких его компонентов с помощью растворителя обладающей избирательной растворимостью. Под избирательным раствором понимают способность жидкости растворять только тот компонент которое надо увеличить.В зависимости от агрегатного состояния фаз различают экстракцию в системе тв тело- жидкость, если одна из фаз представляет собой твердое вещество и экстракцию в системе жидкость-жидкость, если обе фазы жидкие.В пищевой технологии имеют место обе этих видов экстракции, однако особо широкое распространения получила экстракция системе твердое тело-жидкость. Это извлечение сахара из свежих свеклосахарном производстве, извлечение масел из маслечных семян в производстве растительных масел, получение эфирных масел в эфиро-масленных производстве. Экстрагирование ферментов из культурных плесневых грибов в производстве ферментных препаратов. Важную роль процесс экстракции в системе твердое тело-жидкость играет в производстве вина пива, крахмала, ликеро-водочных изделий, растворимого кофе и чая и др. Жидкостная экстракция применяется в производстве, связанных с получением спирта, вина, растительных масел, а так же в производстве антибиотиков.

Процесс экстракция может осуществляется следующим методом.

  1. Однократная экстракция

  2. Многоступенчатая экстракция с параллельным током

  3. Многоступенчатая экстракция противоточным экстракция

Для экстракции применяют следующие растворители: Спирта бутанола изопропанол, Сложные эфиры аммиак бутил-ацетат, Углеводороды.

В процессе массопередачи участвуют по меньшей мере 3 вещества

  1. Распределяющее вещества, составлящую первую фазу f x

  2. Распределяющее вещества, составлящую вторую фазу f x

  3. Распределяющее вещества, переходящее из одной фазы в другую

Массообмен между фазами протекает при их непосредственном контакте.

Полученная в результате экстракции жидкая смесь поступает в разделитель, где разделяется на экстракт и р-р экстрагированных в-в в экстрагенте и рафинад. Разделение смеси на экстракт и рафинад происходит в результате отстаивания или сепарирования. Экстракция широко используется для извлечения ценных продуктов из разбавленных растворов а так же для получения концентрированных растворов. Основном является низкая рабочая температура процесса что позволяет разделить жидкая смесь термолабильных веществ направлена антибиотиков назначающихся при повышенном температуре.

64. Экстрагирование в системе твердое тело- жидкость.

Выщелачивание называется извлечение из твердого тела одного или нескольких в-в с помощью растворителя обладающего избирательной способностью. В качестве растворителей применяется вода для экстрагирования сахара из свеклы, кофе, цикория, чая. Спирт и водно-спиртовая смесь для получение настоев минеральной воды либо безалкогольных производствах. Бензин, трихлорэтилен, дихлорэтан - в масло экстракции кислот и эфиро-масличном производстве. Выщелачивание является основным производством свекольносахарным производством и применяется для извлечения сахара и сахарной свеклы .С помощью бензина извлекается растительное масло из семян подсолнечника. Статика и кинематика выщелачивания. Процесс выщелачивания заключается в проникновении растворителя в поры твердого тела и растворение извлекаемых веществ. Равновесие при выщелачивании устанавливается при выравнивании величин хим. Потенциалов растворителя вещества и его химического потенциала твердого материале. Достигаемой кон. раствора , соотв. его насыщение называется растворами поэтому при анализа процесса масло передачи применяют что кон на поверхности фаз твердого тело –растворитель равновесие кон насыщенного раствора установлено. Основное кинетики выщелачивание является определение продолжительности контакта взаимодействующих фаз,необходимое для достижение заданное степени излечение экстрагируемого вещества. значение продолжительности контакта фаз позволяет определить размер экстакционных упаковок.


1   2   3   4


21. Стерильность.стабильность ферментационных процессов
Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации