Sistemski pristup projektiranju biotehnolokih procesa Sustavski pristup povezuje
Sistemski pristup projektiranju biotehnoloških procesa: Sustavski pristup povezuje osnovne značajke ( inženjerske , financijske, ekonomske) tehnoloških procesa i omogućava analizu djelovanja na osnovu skupa ulaznih ( X ) i izlaznih veličina ( Y ).
Osnove sustavske analize: znanje: metodologija: osnovni alat za projektiranje: kemijsko, biokemijsko i prehrambeno inženjerstvo matematičko modeliranje računalo i računalna podrška (baze podataka, matematički algoritmi )
BAZE PODATAKA Svrha: projektiranje procesa, vođenje, optimiranje Cijena kapitala Cijene sirovina, proizvoda, energenata, tehnološke opreme EPA normativi utjecaja procesa na okoliš Termodinamička svojstva tvari Modeli kinetike kemijskih i bioloških pretvorbi (reakcija) Modeli tehnoloških jedinica
Primjer računalne podrške “software” za projektiranje procesa u biotehnologiji i prehrambenoj industriji ASPEN PLUS INTELLIGEN, INC. BIO DESIGNER ENVIRONMENT DESIGNER SUPER DESIGNER
Definiranje procesnih tokova Procesni tok je definiran sa slijedećim podacima: A) kemijskim, fizikalnim i biološkim značajkama B) brzinom prijenosa tvari i energije C) ekonomskim vrijednostima
A 1. Kemijska svojstva
A 2. Fizikalna svojstva
A 3. EIR/EPA: parametri utjecaja na okoliš
B) podaci o brzini prijenosa tvari i energije
C) Ekonomski parametri cijene sirovina cijene proizvoda cijene energenata cijena radne snage cijene procesne opreme cijene kapitala anuiteti / otpis vrijednosti opreme tok kapitala ( “ money flow “ )
MODELI PROCESNIH JEDINICA Ulazni podaci: 1) maksimalni volumen 2) maksimalni tlak 3) maksimalni omjer volumena kapljevine/ukupni volumen 4) omjer visina/duljina 5) maksimalno prosječno vrijeme zadržavanja
6) snaga miješanja ( k. W/m 3 ) 7) izbor medija u izmjenjivaču topline 8) temperatura medija na ulazu u izmjenjivač 9) temperatura u spremniku 10) izvedba spremnika ( standardi: ASME, DIN, …. ) Ekonomski podaci 1) cijena spremnika 2) cijena medija u izmjenjivaču topline 3) cijena električne energije 4) cijena održavanja po 1 godini 5) cijena radne snage ( operatera ) na 1 dan
Oblik rada: kontinuirani ili šaržni Izlazni podaci: . visina spremnika. dijametar spremnika. ukupni volumen. snaga mješalice , k. W. brzina zagrijavanja, k. J/h. brzina hlađenja, k. J/h
Jednadžbe bilance: Ukupna bilanca mase ( volumena kapljevine):
PUMPA Ulazni podaci: . tip pumpe ( centrifugalna ). pad tlaka. protok. maksimalna snaga. ukupni stupanj djelotvornosti . cijena Izlazni podaci: snaga pumpe
CIJEVNI STERILIZATOR Ulazni podaci. dužina cijevi. viskoznost kapljevine. temperatura sterilizacije. temperatura na izlazu prije izmjenjivača. konačna izlazna temperatura iz izmjenjivača. maksimalni protok. režim strujanja ( aksijalna disperzija da/ne ). vrst ogrijevnog medija
vrst medija za hlađenje koeficijent brzine uništenja mikroorganizma, 1/s energija aktivacije brzine uništenja mikroorganizama kriterij sterilnosti, ln(No/N)
Izlazni podaci. Reynoldsov broj. Pecletov broj. Damkohlerov bro. Aksijalni disperzijski koeficijent , m 2 s-1. Specifična brzina uništenja mikroorganizma. Protok, m 3 s-1. Prosječna linearna brzina. Brzina prijenosa topline, k. J h-1. Dužina cijevi
Matematički model: model kinetike:
Model prijenosa količine gibanja na osnovu modela aksijalne disperzije određena je raspodjela vremena zadržavanja i relativna koncentracija mikroorganizama
v je prosječna aksijalna brzina, Dz je koeficijent aksijalne disperzije određen iz korelacije:
filtarski kolač permeat voda zaispiranje suspenzija voda za ispiranje FILTAR PREŠA Ulazni podaci: . koncentracija čestica u suspenziji. volumni protok. pad tlaka. poroznost filtarskog kolača. specifična brzina filtracije, m 3 filtrata / m 2 filtra h
Izlazni podaci . potrošnja snage pumpe, k. W. srednja brzina filtracije
CENTRIFUGALNI SEPARATOR BIOMASE protok filtrata
broj diskova N kutna brzina diskova kut među diskovima vanjski i unutarnji dijametar diskova r 1 i r 2 djelotvornost separatora razlika gustoće čestice i kontinuirane faze viskoznost kontinuirane faze Stokes-ov dijametar čestice dlim
Kristalizator / uparivač Supara Ulazni podaci: Ulazni tok Otapalo Proizvod maksimalan volumen omjer: volumen kapljevine / ukupni volumen omjer: visina / dijametar snaga miješanja k. W / m 3 temperatura uparavanja temperatura kristalizacije medij za hlađenje medij za zagrijavanje
topiva tvar koja kristalizira djelotvornost kristalizacije % topline kristalizacije toplina uparavanja Izlazni podaci: dimenzije uređaja: visina dijametar ukupan volumen snaga mješalice, k. W brzina zagrijavanja brzina hlađenja
izlazni tok plina hranjive tvari ulazni tok zraka proizvod BIOREAKTOR Stehiometrijski model bioreaktora: npr. za globalnu reakciju rasta biomase X i formiranje produkta P
globalna stehiometrijska jednadžba je: doseg reakcije (extent of reaction) za šaržni rad bioreaktora za bilancu u kontinuiranom obliku rada bioreaktora maseni tok komponente i je:
Ulazni podaci: maksimalan volumen omjer volumena kapljevine i ukupnog volumena tlak u reaktoru temperatura specifična snaga miješanja, k. W/m 3 naziv limitirajuće komponente doseg reakcije stehiometrijski koeficijenti, i=1, 2. . N entalpija reakcije medij za zagrijavanje/hlađenje udio komponente u plinovitoj fazi, % udio komponente izvan stanice
Izlazni podaci radni tlak radna temperatura snaga mješalice brzina zagrijavanja/hlađenja k. W/h bilance mase pojedinih tvari ukupna bilanca energije izlazni tokovi mase tvari u kapljevini, plinu i biomasi
CILJEVI Osnovni cilj matematičkog modeliranja tehnoloških sustava je projektiranje industrijskih pogona. Sistemski pristup povezuje tehnološke, ekonomske i ekološke interakcije u industrijskoj proizvodnji, i omogućuje:
ispitivanje različitih strategija u razvoju procesa i poslovanju istraživanje velikog broja alternativa u fazi projektiranja procesa analizu ekonomskih, ekoloških i tehnoloških ograničenja optimiranje planova proizvodnje adaptaciju planova proizvodnje zbog promjena na tržištu
-osiguranje kakvoće proizvoda -automatizaciju (kompjuterizaciju) procesa -optimiranje produktivnosti -optimiranje diversifikacije proizvoda -dugoročno strateško planiranje ZAKLJUČAK Primjenom znanstvene metodologije matematičkog modeliranja moguće je ostvariti sintezu sustava s gledišta ekonomije, tehnologije i ekologije. Ova metodologija mora se primijeniti tijekom razvoja procesa, projektiranja tehnološkog pogona, vođenja proizvodnje, i za razvoj strateških ciljeva.
- Slides: 34