Knjiga Bioprocesna oprema namenjena je, pre svega, studentima Tehnološkog fakulteta u Novom Sadu kao osnovni udžbenik za istoimeni obavezni predmet na osnovnim akademskim studijama studijskog programa Biotehnologija, studijskog područja Biohemijsko inženjerstvo. Materijal je uobličen tako da se uklapa u obrazovni program studenata, koji kao posebne predmete slušaju Tehnološke operacije, Industrijsku mikrobiologiju, Bioprocesno inženjerstvo.
Biotehnologija predstavlja primenu naučnih i inženjerskih principa u preradi materijala pomoću biokatalizatora za ostvarivanje dobara i usluga. Ona se uveliko koristi u poljoprivredi, medicini, industriji, energetici, proizvodnji hrane, zaštiti životne sredine. Poznavanje osnovnih karakteristika bioprocesne opreme, zakonitosti rada te opreme, njenih proizvodnih i konstrukcionih karakteristika, od velikog je značaja kako za inženjere u praksi, tako i za naučno-istraživački rad u cilju razvoja nove i unapređenja postojeće opreme za biotehnološke procese.
U okolnostima potpunog odsustva udžbenika sličnog sadržaja na našem jeziku, bilo je neophodno pokriti širok spektar problema. Knjiga je zato zamišljena kao prva u nizu, dajući osnove problematike sa neprevelikim upuštanjem u detalje.
Izrazitu zahvalnost autori duguju recenzentima: akademiku prof. dr Vladi Veljkoviću i prof. dr Draganu Povrenoviću na nesebičnom trudu, energiji i vremenu koje su uložili, što prevazilazi okvire klasične recenzije. Njihove sugestije i predlozi značajno su unapredili kvalitet ove knjige.
U Novom Sadu, 2011. godine
Prof. dr Siniša Dodić i prof. dr Stevan Popov
Sadržaj
1. UVOD
2. SUDOVI U BIOTEHNOLOGIJI
2.1. PROPISI I SPECIFIKACIJE KUPACA
2.1.1. NACIONALNI PROPISI
2.1.2. BIOTEHNOLOŠKI PROPISI
2.1.3. SPECIFIKACIJE KUPACA I OCENA SUDOVA
2.2. MATERIJALI ZA IZRADU SUDOVA
2.3. KARAKTERISTIKE POVRŠINA
2.3.1. MEHANIČKA OBRADA POVRŠINA
2.3.2. HEMIJSKA OBRADA POVRŠINA
2.3.3. INSPEKCIJA OBRADE POVRŠINA
2.3.4. SKLADIŠTENJE TRETIRANIH DELOVA
2.4. KONSTRUKCIJA SUDOVA
2.4.1. MRTVI PROSTORI I UDUBLJENJA
2.4.2. ZAPTIVENOST
2.5. OBLICI SUDOVA
2.6. KOMPONENTE SUDA
2.6.1. ROTIRAJUĆI ZAPTIVAČI
2.6.2. STATIČKE SPOJNICE
2.6.3. OTVORI
2.6.4. STAKLA ZA POSMATRANJE
2.6.5. MANIPULATIVNI OTVORI
2.6.6. ODBOJNICI
2.6.7. PLAŠTEVI ZA ZAGREVANJE
2.6.8. MEŠALICE
2.6.9. SISTEMI ZAAERACIJU
2.6.10. POGON ZA MEŠANJE
3. CEVOVODI U BIOTEHNOLOGIJI
3.1. KARAKTERISTIKE SISTEMA CEVOVODA
3.1.1. FAZA NACRTA
3.1.2. SKRIVENI CEVOVODI
3.2. MATERIJALI ZA IZRADU CEVOVODA
3.2.1. IZBOR MATERIJALA
3.2.2. SANITARNI CEVOVODI
3.2.3. POLIRANJE
3.2.4. PASIVIZACIJA
3.3. DIMENZIONISANJE CEVOVODA
3.4. SPOJEVI I MOGUĆNOSTI PRANJA CEVOVODA
3.5. PRIMENA CEVOVODA
3.5.1. USISNA STRANA PUMPI
3.5.2. PRAVILO ,,6d”
3.5.3. STERILNE BARIJERE
3.5.4. NAGIB CEVOVODA
3.5.5. DVOSTRUKI CEVOVODI
3.5.6. SPOJEVI ZA CIP SISTEM PRANJA
3.6. OSLONCI I IZOLACIJA SANITARNIH CEVOVODA
3.7. INSTRUMENTI POSTAVLJENI IN-LINE
3.8. CREVA (SAVITLJIVE CEVI)
4. VENTILI U BIOTEHNOLOGIJI
4.1. PROCESNI VENTILI
4.2. KONTROLNI VENTILI
4.3. VENTILI ZA UZORKOVANJE I ISPUST TEČNOSTI
5. PUMPE U BIOTEHNOLOGIJI
5.1. CENTRIFUGALNE PUMPE
5.1.1. OPŠTA KONSTRUKCIJA
5.1.2. PUMPE SA USISNIM DELOVANJEM
5.1.3. HORIZONTALNE PUMPE SA RAZDELJENIM KUĆIŠTEM
5.1.4. VERTIKALNE PUMPE BEZ ZAPTIVAČA
5.1.5. PUMPE NA MAGNETNI POGON
5.1.6. VIŠESTEPENE PUMPE
5.1.7. REGENERATIVNE TURBINSKE PUMPE
5.1.8. POTAPAJUĆE PUMPE
5.2. POTISNE PUMPE
5.2.1. OPŠTA KONSTRUKCIJA
5.2.2. PUMPE SA KLIZAJUĆIM KRILCIMA
5.2.3. KLIPNE PUMPE
5.2.4. PUMPE SA FLEKSIBILNIM IMPELEROM
5.2.5. PUMPE SA PROFILISANIM IMPELERIMA
5.2.6. ZUPČASTE PUMPE
5.2.7. PUMPE SAROTIRAJUĆIM KLIPOVIMA
5.2.8. PUŽNE PUMPE
5.2.9. PERISTALTIČKE PUMPE
5.2.10. MEMBRANSKE PUMPE
5.3. POREĐENJE CENTRIFUGALNIH I POTISNIH PUMPI
6. ENERGETSKI SISTEMI U BIOTEHNOLOGIJI
6.1. SISTEMI ZA TEHNOLOŠKU PARU
6.1.1. PARNI KOTLOVI
6.1.2. PRIPREMA VODE ZA PARNE KOTLOVE
6.1.3. SISTEM RASPODELE PARE
6.1.4. SISTEMI ZA KONDENZAT
6.1.5. OSNOVNA MESTA KORIŠĆENJA PARE U POGONU
6.2. SISTEMI ZA ČISTU PARU
6.2.1. GENERATORI
6.2.2. PRIPREMA NAPOJNE VODE
6.2.3. SISTEMI CEVOVODA
6.2.4. DIMENZIONISANJE
6.3. SISTEMI RASHLAĐENE VODE
6.3.1. KONFIGURACIJA SISTEMA
6.3.2. DIMENZIONISANJE UREĐAJA ZA HLAĐENJE VODE
6.3.3. SISTEMI CEVOVODA
6.3.4. RASHLADNE SOLE
6.4. TORNJEVI ZA HLAĐENJE
6.4.1. TIPOVI TORNJEVA
6.4.2. DIMENZIONISANJE TORNJEVA
6.4.3. TIPOVI ISPUNA
6.4.4. PRIPREMA VODE ZA TORNJEVE
6.5. SISTEMI ZA VAZDUH I GASOVE
6.5.1. SISTEMI ZA KOMPRIMOVANI VAZDUH
6.5.2. SISTEMI ZA KOMPRIMOVANE GASOVE
7. SISTEMI ZA PRANJE BIOPROCESNE OPREME
7.1. HIGIJENA POSTROJENJA
7.1.1. MATERIJALI
7.1.2. SUDOVI
7.1.3. SISTEM CEVOVODA
7.1.4. VENTILI
7.1.5. PUMPE
7.1.6. POMOĆNI PROCESNI UREĐAJI
7.2. REAGENSI ZA PRANJE
7.2.1. DETERDŽENTI
7.2.2. DEZINFEKCIONA SREDSTVA
7.3. POSTUPCI PRANJA
7.3.1. PRANJE CEVOVODA I VENTILA
7.3.2. PRANJE SUDOVA
7.3.3. PRANJE OPREME ZA SEPARACIJU PROIZVODA
7.3.4. PRANJE POMOĆNE OPREME
7.3.5. DEPIROGENACIJA
7.3.6. PRANJE POSTROJENJA I GRAĐEVINA
7.4. CIP SISTEMI
7.5. OCENA USPEŠNOSTI PRANJA
8. SISTEMI ZA STERILIZACIJU BIOPROCESNE OPREME
8.1. STERILIZACIJA OPREME
8.1.1. STERILIZACIJA SUDOVA
8.1.2. STERILIZACIJA FILTARA ZA VAZDUH
8.1.3. STERILIZACIJA FILTARA ZA PODLOGE
8.1.4. STERILIZACIJA VENTILA I CEVOVODA
8.1.5. UKLANJANJE KONDENZATA
8.1.6. ŠEMATSKI PRIKAZ KOMPLETNOG SUDA
8.2. UPRAVLJANJE STERILIZACIJOM
8.3. OCENA USPEŠNOSTI STERILIZACIJE
8.4. PROBLEMI TOKOM STERILIZACIJE
8.5. PROVERA STERILNOSTI
8.6. AUTOMATIZACIJA STERILIZACIJE
9. SISTEMI ZAZAGREVANJE, VENTILACIJU I KONDICIONIRANJE VAZDUHA
9.1. SPECIFIČNOSTI BIOTEHNOLOŠKIH POSTROJENJA
9.1.1. ZAKONSKE ODREDBE I KODEKSI
9.1.2. TEMPERATURA I VLAGA VAZDUHA
9.1.3. KLASIFIKACIJA PROSTORIJA
9.1.4. SUSEDNE PROSTORIJE
9.2. PROSTORIJE POD PRITISKOM
9.2.1. ZAPTIVENOST PROSTORIJA I VRATA
9.3. SISTEMI ZA MANIPULACIJU VAZDUHOM
9.3.1. UREĐAJI ZA UKLANJANJE VLAGE IZ VAZDUHA
9.3.2. UREĐAJI ZA VLAŽENJE VAZDUHA
9.3.3. IZBOR I LOCIRANJE UREĐAJA ZA PRIPREMU VAZDUHA
9.3.4. POVRATNI I IZDUVNI VENTILATORI
9.3.5. PROCEDURA RADA SISTEMA
9.4. KOMPONENTE HVAC SISTEMA
9.4.1. TERMINALNI UREĐAJI ZA KONTROLU VAZDUHA
9.4.2. HEPA I VISOKOEFIKASNI FILTRI VAZDUHA
9.4.3. TERMINALNI ISPUSTI OTPADNOG VAZDUHA
9.4.4. MATERIJALI VODOVA VAZDUHA, PRITISAK I ODRŽAVANJE ČISTOĆE
9.4.5. IZOLACIJA PROSTORIJA I BUKA
9.5. KONTROLA RADA I AUTOMATIZACIJA HVAC SISTEMA
9. 6. TESTIRANJE, URAVNOTEŽAVANJE I OCENA USPEŠNOSTI HVAC SISTEMA
10 OPREMA ZA MERENJE I REGULACIJU U BIOTEHNOLOGIJI
10.1. OPREMA ZA MERENJE RASTVORENOG KISEONIKA
10.2. OPREMA ZA MERENJE POTROŠNJE KISEONIKA
10.3. OPREMA ZA MERENJE KONCENTRACIJE CO2
10.4. OPREMA ZA MERENJE NIVOA PENE
10.5. OPREMA ZA MERENJE KONCENTRACIJE MIKROORGANIZAMA
10.6. MERENJE KONCENTRACIJE SUPSTRATA I PROIZVODA
LITERATURA
1 Uvod
Ako se izuzme klasična (tradicionalna) biotehnološka proizvodnja (proizvodnja etanola, pekarskog kvasca, piva, vina i sl.), biotehnologija predstavlja potpuno novu oblast tehnologije.
Ne postoje komplementarne linije, sa komercijalno − eksploatacionim dokazanim višegodišnjim garancijama za proizvodnju, na primer, stočnog lizina, stočnog kvasca i sl.
Ove tehnološke linije se nalaze na nivou razvoja poluindustrijskih postrojenja.
Određena oprema (postupak) ima status industrijskog postrojenja tek posle višegodišnjih ispitivanja i odgovarajućih dorada u konkretnim uslovima.
Pri izgradnji postrojenja, odnosno ugradnje opreme za biotehnološke procese (bioprocese) u praksi su moguća dva rešenja:
1) montaža tehnoloških linija (opreme) urađenih prema individualnom projektnom zadatku (projektu) i
2) povezivanje (uklapanje) zasebnih celina opreme, odnosno delova postrojenja u jedinstveno postrojenje. Svaka od zasebnih celina poseduje tehničke, tehnološke i eksploatacione garancije isporučioca opreme.
Garancije isporučioca opreme mogu se odnositi na zasebne celine (blokove) postrojenja, grupe tehnoloških linija ili elementarne jedinice opreme: pumpi, pogonskih agregata, rezervoara, izmenjivača toplote i sl.
Praktična iskustva su pokazala da se javljaju veoma ozbiljni problemi u probnom i stalnom radu postrojenja izgrađenih prema individualnom projektu. Iz tog razloga se prednost daje izgradnji već proverenih kompletnih tehnoloških linija ili posebnih blokova tih linija. Pod kompletnom tehnološkom linijom podrazumeva se i neophodna kontrolno-merna oprema sa obradom podataka i regulacionim elementima za upravljanje režimom bioprocesa. Zbog toga, blokovi ili agregati za realizaciju posebnih tehnoloških operacija obično imaju posebne pultove upravljanja.
Prateća oprema postrojenja i oprema za merenje i regulaciju se grade po principu individualnog projektovanja. Pri projektovanju industrijskog biotehnološkog postrojenja, veoma su važne podloge za projekat opreme za merenje i regulaciju. Ove podloge se određuju na osnovu pokazatelja statike i kinetike bioprocesa.
Konstrukcija bioreaktora malo utiče na izbor načina i opreme za merenje i regulaciju, odnosno automatizaciju bioprocesa. Obrada izmerenih vrednosti veličina bioprocesa i algoritmi daljeg delovanja, na osnovu rezultata merenja, malo zavise od konstrukcije bioreaktora u kome se odvija bioproces.
Važan elemenat svakog projekta za biotehnološko postrojenje je definisanje razmeštaja senzora i izbor načina i opreme za upravljanje. Osnovni zahtev za merno-regulacionu opremu je stabilnost rada u uslovima mehaničkih i termičkih naprezanja. Senzori moraju da izdrže mehaničko opterećenje koje nastaje usled strujanja fermentacione tečnosti u bioreaktoru i termičko opterećenje koje se javlja pri sterilizaciji opreme. Razmeštaj senzora nije značajan samo s aspekta zaštite od mehaničkih i termičkih opterećenja, nego i zbog tačnosti mernog instrumenta.
Stoga se oprema za merenje i regulaciju može podeliti na dve grupe:
1) Oprema za merenje temperature, vrednosti pH i drugih fizičko-hemijskih veličina. U svakoj tački radnog prostora bioreaktora uprosečuju izmerenu vrednost za kratko vreme (deseti deo sekunde). Ova oprema može biti postavljena na svakom dostupnom mestu u bioreaktoru.
2) Oprema za merenje koncentracije rastvorenog O2, CO2, biomase, količine oslobođene toplote i niza drugih veličina. Ova oprema se zasniva na metodologiji merenja koja zavisi od stanja (homogenosti) međufazne površine gas − tečnost u bioreaktoru. Za lokaciju ove opreme, neophodno je izvršiti eksperiment u eksploatacionim uslovima, da bi se dobila prethodna informacija o karakteristikama mešanja u konkretnom uređaju.
Pri izradi idejnog i glavnog tehnološkog projekta, u prethodnoj fazi projektovanja, trebalo bi izvršiti analizu raspoloživih podataka (koji se odnose na prethodno projektovano postrojenje) o tehničkim, eksploatacionim i ekonomskim karakteristikama:
1) mogućih tehnologija,
2) procesa i opreme,
3) novih biotehnoloških postupaka,
4) opreme za kontrolu i automatizaciju,
5) režima rada procesa u optimalnim uslovima biosinteze.