KÖZMŰVEK A BIOTECHNOLÓGIAI TERMELŐ ÜZEMEKBEN

1. KÖZMŰVEK A BIOTECHNOLÓGIAI TERMELŐ ÜZEMEKBEN Készítette: Mátyás Áron Simonkovich Sebestyén

2. A biotechnológia fő segédrendszerei • Üzemi gőzrendszerek • Steril gőz rendszerek • Hűtővízrendszerek • Hűtőtornyok • Sűrített levegő, komprimált gázok

3. 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

4. I. Üzemi gőzrendszerekKazánok(bojlerek) • Tűzcsöves kazán Vízcsöves kazán

5. I. Üzemi gőzrendszerekKazánok(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

6. I. Üzemi gőzrendszerekKazánok(bojlerek) 1 Kazán/LE=0,45 kg víz elforralásához szükséges energia 100°C-on

7. I. Üzemi gőzrendszerekKazánok összehasonlítása • Tűzcsöves kazánok • Nem alkalmas magas nyomásra és hőmérsékletre • Biotechnológiai üzemekben a leggyakoribb • Elektromos fűtésű kazánok • Magasabb fajlagos költség • Könnyebb üzembe helyezés • Kisebb helyigény • Nincs szükség kéményre • Kisebb üzemekben használják • Tervezéskor figyelembe kell venni: • Kívánt gőznyomást és gőzmennyiséget • Üzemeltetési költségeket

8. I. Üzemi gőzrendszerekTápvízkezelő rendszer • Vízkezelés célja: Gőzzel érintkező felületek védelme a vízkőtől és a korróziótól. • Figyelembe kell venni: • A bejövő tápvízminőségét • Termelt gőz nyomását • Szennyezések: • vízkeménység • foszfátok • szilikátok • oldott gázok • olaj • szilárd szennyezők

9. I. Üzemi gőzrendszerekTápvízkezelő rendszer • Korróziót okozó gázok: O2 és CO2 • Eltávolításuk: kémia és fizikai módszer • Kémia módszer: • Szulfitos kezelés: 1/2O2+Na2SO3->Na2SO4 • Hindrazinos kezelés O2+N2H4->N2+2H2O • Fizikai módszer: (oldhatóság) • Deaerátorok (gázmentesítők) • Vízkő ellen (pH 10,5-11 a cél) • lágyítás • ioncsere

10. I. Üzemi gőzrendszerTápvízkezelő rendszerDeaerátor

11. I. Üzemi gőzrendszerElosztórendszer Fanning egyenlet: Δp=f(1/2)ρv2(L/D) f: csősúrlódási tényező

12. I. Üzemi gőzrendszerElosztórendszer • Csövek anyaga: acél • Csőkötés: hegesztett vagy karimás • Szigetelés: • vastagsága és anyaga • gőz előállítási költsége vezéreli • leggyakrabban üvegszál • Csövek vezetése: • áramlás irányába lejt • kondenzedények a legalacsonyabb ponton

13. I. Üzemi gőzrendszerekKondenzátum rendszerek • Hőveszteség lép fel a csővekben, ez nyomáscsökkenéssel járó folyamat • A kondenzálodott gőz a kondenzvíz: • Kondenzátum gazdálkodás • a kondenzvíz hőmérséklete magas  visszavezetve tápvízként használható • a kondenzvíz nyomása magas  nyomáscsökkentő állomásokon expandáltatva kisebb nyomású gőz fejleszthető - Kondenzedény feladatai: • gőz áramlását lezárja (p tartás) • kondenzvizet eltávolítja • levegő eltávolítása

14. I. Üzemi gőzrendszerKondenzedények Dilatációs (termosztatikus) Termodinamikus Súlyterhelésű Fordított edényes

15. I. Üzemi gőzrendszerÜzemi gőz főbb felhasználása • Műveleti fűtőközeg • Autoklávok • Bioszennyezők ártalmatlanítása • Steril gőz előállítása • Nedvesség-megkötők regenerálása • HVAC (Heating, Ventilation, Air Conditioning; fűtés, szellőztetés, légkondícionálás) • WFI (Wate for Injection; injekciós vizek)

16. 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 • nagy tisztaságú vízből • speciális gőzfejlesztőkkel

17. II. Steril gőzrendszerek Tápvízkezelés Előkezelt víz határértékei Műveletek • szűrés • aktív szenes derítés (klóreltávolítás) • lágyítás: kation és anioncsere (gyanta) vagy reverz-ozmózis

18. II. Steril gőzrendszerek Steril gőz előállításaGőzfejlesztők Gőzfejlesztők fő egységei: - hőátadó felület - nyomástartály - szeparátor - szabályozó elemek A keletkező steril gőzben lévő vízcseppek eltávolítása nagyon fontos, mert pirogéneket szállíthatnak.

19. II. Steril gőzrendszerek Gőzfejlesztő típusai • Típusai: • Üst • Termoszifon elvű • Száraz aljú gőzfejlesztő

20. II. Steril gőzrendszerek Üst típusú gőzfejlesztő • merülőforraló-elv • ritkán használják • vízcseppecske eltávolítása

21. II. Steril gőzrendszerek Termoszifon elvű gőzfejlesztő Belépő víz Hőcserélő Steril gőz a tetején távozik

22. II. Steril gőzrendszerek Száraz aljú gőzfejlesztő • A filmbepárlóval azonos alapokon nyugszik • A cseppleválasztás ciklon-elven történik ( HATÉKONY)

23. II. Steril gőzrendszerek Steril gőz felhasználása • Légtér páratartalmának beállítása • pótlevegő %-os aránya és relatív páratartalma • üzemben levegő relatív páratartalma • cirkulált levegő összes mennyisége és hőmérséklete • üzemi veszteség • Autoklávok • WFI • Sterilezés A: steril gőz a köpenyben és a légtérben is B: üzemi gőz a köpenyben, steril gőz a belső térben

24. II. Steril gőzrendszerek Felhasználása • SIP (Sterilization in Place) • Lépései: • légtelenítés vákuumozás (gőzbefúvatás)/kiventillálás • sterilizáló hőmérsékletre hevítés • Hőntartás • (hűtés) • Első három lépéshez steril gőzt használunk

25. III. Hűtővízrendszerek • Hűtővíz felhasználása: • A túlmelegedés megakadályozására (reakcióhő elvonása • Alacsony hőmérsékleten végzett műveletek • Sterilezés utáni hűtés • Légkondicionálás, helységek hűtése • Hűtőközeg • 6°C felett víz • 6°C alatt propilénglikol-víz vagy etilénglikol-víz (ritkábban) elegy (20-40%)

26. Hűtőrendszerek elrendezése • Közvetlen hűtés is megoldható lenne, de drágább, több helyet foglal, a hűtővíz más műveletekre is felhasználható, ezért hűtőrendszerek alkalmazása kézenfekvőbb • Főbb berendezések: • Kompresszor (lengő, kis teljesítmény esetén / centrifugál nagy teljesítmény esetén) • Kondenzátor (vizes / levegős) • Expanziós szelep • Bepárló (hőcserélő) • Keringető szivattyú • Levegő szeparátor • Expanziós tartály

27. III. Hűtővízrendszerek • 1. CD: Hűtőközeg összenyomása, hőmérséklet és entalpia nő • 2. DA: Hűtőközeg lekondenzálása, hőmérséklet csökken (hűtőtorony) • 3. AB: Hűtőközeg kitágulása, expanziós szelepen keresztül, pára képződik, csökken a hőmérséklet • 4. BC: Hűtőközeg elpárolog, állandó nyomáson, energiaátadás a hűtővíz és a hűtőközeg között Hűtővíz rendszer sematikus ábrája

28. Hűtőrendszerek felépítése • 1. CD: Hűtőközeg összenyomása, hőmérséklet és entalpia nő • 2. DA: Hűtőközeg lekondenzálása, hőmérséklet csökken (hűtőtorony) • 3. AB: Hűtőközeg kitágulása, expanziós szelepen keresztül, pára képződik, csökken a hőmérséklet • 4. BC: Hűtőközeg elpárolog, állandó nyomáson, energiaátadás a hűtővíz és a hűtőközeg között folyadék gőz

29. Hűtőrendszerek tervezése • Méretezés a hűtendő, ill. HVAC rendszerek igénye alapján • Folyamatos / Szakaszos terhelés (Heating, Ventilation, Air Conditioning) • Víz-Glikol arány: 20-40 % • A glikol csökkenti a közeg hőkapacítását • Csövek anyaga: • Réz (50 mm-ig)/Szénacél/kombináció • Fagyásmentesítéshez: • Megfelelő áramlás megtartása, recirkuláró bypass szelep

30. IV. Hűtőtornyok • Mechanikailag levegőztetett hűtőtornyokat alkalmaznak a biotechnológiában 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

31. Működési elv • A meleg víz közvetlen kontaktusba kerül a vízgőzre telítetlen levegővel • Folyékony állapotban maradó része energiát ad le az elpárolgó résznek, ezáltal lehűl

32. Evaporatív hűtőrendszerek Hűtőtavak Hűtőtornyok Vízpermetezők Természetes keringetésű Mesterséges keringetésű Légmozgató rendszer helyzete szerint Víz- és levegőáramok szerint Nyomóüzemű (kényszer keringetésű) Szívóüzemű (Indukált keringetésű) Ellenáramú Keresztáramú

33. Hűtőtornyok Szívóüzem, ellenáram (legelterjedtebb) Szívóüzem, keresztáram Nyomóüzem, ellenáram

34. Hűtőtornyok

35. Méretezés Merkel egyenlet: 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 [-] Az egyenlet alapja, hogy a hőátadás hajtóereje a víz és a levegő között az entalpiaváltozás.

36. 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

37. Vízkezelés • Vízminőség romlásának okai: • folyamatos elpárolgás miatt az oldott anyagok koncentrációja növekszik • élő szervezetek felszaporodása

38. Vízkezelés • Megoldások • elvétel és folyamatos tiszta víz adagolás • Elektrolit mennyiségét csökkenti • Fémfelületek óvása inhibitorokkal • vízkő ellen: kénsavas kezelés • Kálcium-szulfát keletkezik, jobban oldódik, nagy koncentrációt mellőzni kell • algák ellen: klóros kezelés • Szakaszosan lehet alkalmazni, mert korróziót okoz

39. V. Sűrített levegő, komprimált gázok Felhasználás: • bioreaktorok oxigénellátása • szabályzókörök működtetése • folyadékáramok mozgatása • sterilezés után hűtőközeg • egyes gépek hajtóközege

40. Sűrített levegő, komprimált gázok Steril levegő esetén: • sterilre szűrés - steril termék esetén a levegőt szűrik • olaj- és vízmentesség • Olaj és vízmentes a levegő, mivel érintkezhet a termékkel • száraz gőzt alkalmaznak

41. Kompreszorok • Az elrendezés függ a levegő mennyiségétől, a kiáramló levegő nyomásától • Csavar vagy dugattyús kompresszorok • Kenőolajmentes • Csövek: szénacél, polírozott saválló acél, K-típusú rézcsövek,

42. Kétfokozatú kompresszor fogadótartállyal és szárítóval I. Fokozat: sűrítés Hűtés II. Fokozat: sűrítés Hűtés Nyomáskiegyenlítés Szárítás Szárító I. fokozat II. fokozat Fogadótartály (nyomáskiegyenlítés) Köztes hűtő (hőcserélő) Utóhűtő

43. Komprimált gázok • Felhasználás: • Csövek és Berendezések nyomástesztelésére • Fermentor levegőt készítenek belőle • Inert atmoszféra képzése • Szállítóedények nyomás alá helyezése • Alkalmazott Gázok: • O2: levegőztetés, levegődúsítása • N2: inert atmoszférának • Szintetikus levegő (80% N2, 20% O2) • Sűrített levegőként vagy folyadék formájában tárolják

44. Komprimált gázok • Nagynyomású (sűrített) gázok: - főként kis gázigény estén használják (elterjedtebb) • Cseppfolyós gázok: - napi 1-3% veszteség, nagy gázigények esetén használják Gázszolgáltatás membrán-technológiával • előnye: alacsony üzemeltetési költség • hátránya: alacsony nyomású gáz, nem megfelelő gáztisztaság

45. Összefoglalás, következtetés • A közművek méretezése és létrehozása három fő részből áll: • 1. Pontos felmérés az üzem adottságairól, a felszereltségről, az előállított termék mennyisége és minősége • 2. A megfelelő nyomás és hőmérséklet meghatározása a közműhálózat pontjaiban • 3. A potenciális fejlesztések, alternatívák alkalmazásának lehetősége

46. Kérdések: Milyen kazánokat alkalmaznak? Milyen korróziót okozó gázok vannak és hogyan távolítjuk el őket(milyen módszer)? Mikre használjuk az üzemi gőzöket? Mire alkalmazzák a steril tiszta gőz rendszereket? Milyen két típusát különböztetjük meg a hűtőközegnek? (hőmérséklet alapján) Mire alkalmazzák a hűtőtornyokat?

47. Köszönjük a figyelmet!