Projektowanie procesw biotechnologicznych

Projekt Bioreaktor 1. Wstp

Biosynteza pproduktu chemicznego wykorzystywanego w farmacji prowadzona jest w reaktorze biologicznym w fazie ciekej. Reakcja przebiega w przemysowym reaktorze z idealnym przemieszaniem. Z racji wraliwoci termicznej produktu, maksymalna dopuszczalna temperatura prowadzenia procesu ograniczona jest do 65C. Surowiec podawany do reaktora jest ogrzewany w wymienniku ciepa w celu przyspieszenia reakcji zachodzcej w reaktorze. Schemat technologiczny instalacji zosta przedstawiony na rysunku 1. Czas przebywania reagentw w reaktorze musi by tak dobrany, by zapewni wymagany stopie konwersji substratu. Zmiana temperatury surowca wpywa na zmian temperatury mieszaniny w reaktorze, a tym samym wpywa na kinetyk reakcji i wielko (koszt) reaktora, przy zachowaniu zaoonego wymaganego stopnia konwersji substratw.

Zadanie polega na wyznaczeniu optymalnej temperatury surowca. Koszty ktre naley uwzgldni to koszty inwestycyjne zakupu reaktora oraz wymiennika ciepa oraz koszty operacyjne zwizane z ogrzewaniem surowca w wymienniku.

Rysunek 1. Schemat technologiczny instalacji biosyntezy pproduktu farmaceutycznego

2. Opis problemu Naley dobra optymaln temperatur surowca dla masowego natenia przepywu ms wyraonego w galonach/godzin (tabela 1). Surowiec ma waciwoci fizyczne zblione do wody =1000 kg/m3, Cp=4,18 kJ/(kg-K) i jest podawany do wymiennika ciepa w temperaturze Tc,1 (tabela 1). Nastpnie jest on przeponowo ogrzewany w wymienniku za pomoc medium grzejnego o temperaturze pocztkowej Th,1=65C. Temperatura medium grzejnego na wylocie z wymiennika ciepa musi by utrzymywana na poziomie Th,2=30C. Z tego te powodu temperatura surowca na wlocie do reaktora Tc,2 moe by kontrolowana jedynie za pomoc zmiany natenia przepywu medium grzejnego. Waciwoci fizyczne medium grzejnego: =920 kg/m3, Cp=2,2 kJ/(kg-K). Szybko reakcji, ra, jest uzaleniona od stenia reagenta A (CA) w mieszaninie reakcyjnej nastpujcy sposb:

A Ar kC = (1)

Wymiennik ciepa

Bioreaktor Surowiec

Tc,1

Produkty

Tc,2 = ?

Th,1 = 65C Th,2 = 30C

gdzie:

=

K][exp]s[ 1-

T

Eak a (2)

Parametry rwnania (2): a i Ea zale od waciwoci wykorzystywanego katalizatora. Parametry wykorzystywanych katalizatorw zostay zebrane w tabeli 1.

Podstawowym parametrem projektowym reaktora jest jego objto, opisana rwnaniem:

(1 )

o A

A

vV

k

=

(3)

gdzie: V objto czynna reaktora (m3), v0 objtociowe natenie przepywu surowca (m

3/s), A stopie konwersji substratu A (tabela 1). Bilans cieplny wymiennika opisany jest rwnaniem:

, ,2 ,1 , ,1 ,2( ) ( )

1,25

c p c c c h p h h h E lm

E

Q M C T T M C T T K A T

A A

= = =

= (4)

gdzie: Q strumie przekazywanego ciepa (kW), F = 1,25 (staa projektowa wspczynnik poprawkowy), K wspczynnik przenikania ciepa = 400 (W/(m2-K)), AE pole powierzchni wymiany ciepa (m

2), A pole powierzchni wymiany ciepa powikszone o wsp. bezpieczestwa (m2). oraz

,2 ,1 ,1 ,2

,2 ,1

,1 ,2

( ) ( )

( )ln

( )

h c h clm

h c

h c

T T T TT

T T

T T

=

(5)

Za optymaln temperatur zasilania reaktora naley przyj t dla ktrej uzyskuje si najmniejsze ekwiwalentne roczne koszty operacyjne (EAOC):

2

1

1[$/y] [$] 0,01 [%] [1/y] [$/y]i

i

EAOC PC i UCn

=

= + + (5)

gdzie: PCi koszty zakupu aparatury (wymiennika ciepa i reaktora) ($) UC koszty operacyjne (koszty medium grzejnego) ($/rok), i wspczynnik kosztw serwisowych (i = 7% rocznie), n wspczynnik amortyzacji (czas pracy instalacji n = 12 lat). Koszt zakupu reaktora opisuje rwnanie:

0.85$17000reactorPC V= (6) gdzie: V objto reaktora (m3),

Koszt zakupu wymiennika ciepa opisuje rwnanie:

( )0.57$12000exchangerPC A= (7) gdzie: A powierzchnia wymiany ciepa powikszone o wsp. bezpieczestwa (m2)

Koszty medium grzejnego (ogrzewania):

6[$/h] $5 10 [kJ/h]UC Q= (8)

Wyniki oblicze naley przedstawi na czterech wykresach. Pierwsze trzy powinny przedstawia zalenoci 6 - 8 w funkcji Tc,2, a czwarty EAOC w funkcji Tc,2. Do sprawozdania naley rwnie doczy przykad obliczeniowy oraz tabel z wynikami oblicze porednich oraz wyjanienie przedstawionych na wykresach trendw.

Pytania dodatkowe

1. Jaki wpyw na koszty procesu maj parametry Ea i K ? 2. Co si stanie gdy zastosujemy wspprdowy wymiennik ciepa?

Podpowied do punktu 2:

Naley przeanalizowa oba procesy (wspprdowy i przeciwprdowy) zwracajc uwag na

zmiany EAOC, PCE, Mh dla kolejno malejcych wartoci Th,2, poczynajc od wartoci Th,2 =

64C. Prosz przedstawi na jednym wykresie zaleno min. EAOC w funkcji Th,2 dla

wymiennika wspprdowego i przeciwprdowego w zakresie 64C Th,2 30C.

Uwaga: temperatura Tc,2 nie moe by wysza ni Th,2 w przypadku wymiennika

wspprdowego.