РЕФЕРАТ

Дисертація освітньо-кваліфікаційного рівня “магістр” на тему: “ Дослідження процесу перероблення біополімерів з розробкою відповідного обладнання ” / НТУУ

«КПІ»; Керівник к.т.н., доц. Ружинська Л.І. – К., 2015. – 115 с.: іл – 26. Виконавець Булах Н.М. – Бібліогр.: 70 п.
Робота складається з вступу, п’яти розділів, висновків, переліку посилань та додатків. Повний обсяг роботи складає 115 сторінок, 26 рисунків, 12 таблиць і перелік посилань з 70 найменувань. Дисертація включає 4 аркуша креслень апарату формату А1 та 5 плакатів з результатами досліджень.

Актуальність теми

 Однією з особливостей біотехнологічного виробництва є те, що переважна більшість продуктів біосинтезу, в тому числі і біополімерів, характеризуються термолабільністю, що обмежує способи обробки розчинів біополімерів з метою їх концентрування та виділення продуктів.
Для обробки термолабільних розчинів застосовуються наступні способи зневоднення:

1. Ліофілізація.
2. Конвективні методи сушіння.
3. Розпилювальне сушіння.
4. Вакуум-випарювання.
5. Контактний метод зневоднення біомаси (за допомогою адсорбентів).
6. Ультрафільтрація.

     Вищенаведені методи досить поширені в промисловості, однак в дрібносерійному виробництві вони економічно не виправдовують себе з точки зору енергозатратності та складності обслуговування, можливості пересушування поверхні частинок та перегріву висушеного матеріалу, зміни його кольору та випадіння в осад супутніх речовин.
     Незважаючи на наявність високопродуктивних вакуум-випарних апаратів, повністю знівелювати недоліки методу вакуум-випарювання, такі як втрати активності, випадіння осадів, складність підтримання вакууму та герметизації рухомих елементів апарату та ін. не вдається.
Метод зневоднення за допомогою ультрафільтрації потребує значних економічних та енергетичних витрат у порівнянні з роторним випарюванням.
Аналіз стану питання щодо зневоднення термолабільних розчинів виявив, що застосування роторного випарювання дозволяє зменшити енергозатрати на процес зневоднення, уникнути ускладнення конструкції випарних апаратів через встановлення складних вузлів герметизації рухомих елементів в вакуум-випарних апаратах, уникнути випадіння в осад супутніх речовин та перегріву матеріалу.
Роторно-дисковий плівковий випарний апарат складається з корпусу, в якому розміщений вал, з’єднаний з мотор-редуктором за допомогою муфти. На валу з певним кроком розміщені дискові насадки. Корпус апарату заповнюється термолабільною рідиною до рівня валу, що обертається. При обертанні валу рідина захоплюється дисковими насадками. У верхній частині корпусу апарату розміщений газопровід, через який продувається теплоносій. Волога з плівки розчину, захопленої диском, випаровується за допомогою теплоносія. Плівка розчину при обертанні повертається в об’єм розчину та розчиняється в ньому.
Апарат працює циклічно, багаторазово повторюючи вищезазначені операції.
При використанні роторно-дискового плівкового випарного апарату в процесі зневоднення можна виділити наступні стадії:
1. Формування плівки рідини на поверхні диску при виході останнього з робочого об’єму.
2. Випарювання рідини з поверхні плівки в потік нагрітого повітря.
3. Розчинення зневодненої плівки рідини при контакті її з робочим об’ємом.
Проведений аналіз літературних джерел, в яких описані процеси концентрування та моделювання цих процесів. Нажаль, в літературі такі сторони процесу як випарювання рідини з поверхні плівки в потік нагрітого повітря та розчинення зневодненої плівки рідини при контакті її з робочим об’ємом розчину висвітлені недостатньо.

Введення в експлуатацію таких апаратів гальмується відсутністю інформації про особливості проведення процесів зневоднення продуктів біосинтезу, тобто розчинів біополімерів, зокрема мальтодекстрину; а також даних про фізичні властивості розчинів останнього: густину та в’язкість, які впливають на гідродинамічну обстановку в апараті.
Проектування роторно-плівкових апаратів вимагає розроблення методик розрахунку розмірів і режимів роботи шляхом використання експериментальних даних та математичного моделювання окремих процесів, що протікають в цих апаратах.
В зв’язку з недостатньо вивченими у наш час процесами гідродинаміки та масопередачі в конструкціях обладнання для зневоднення термолабільних рідин особливу актуальність набуває моделювання даних процесів для створення керованих умов проведення процесів зневоднення, що забезпечить необхідну точність та ефективність процесу.
Таким чином, необхідне докладне вивчення механізмів проведення процесу зневоднення, а також визначення фізичних властивостей розчинів мальтодекстрину.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами

Основним напрямком роботи кафедри є дослідження процесів та устаткування фармацевтичних та біотехнологічних виробництв, що реалізується в даній роботі.

Мета роботи

Комплексне дослідження процесу зневоднення (концентрування) термолабільних мікробіологічних розчинів (біополімерів); розробка та вдосконалення роторно-дискового плівкового випарного апарату для зневоднення біополімерів.
Завдання досліджень для досягнення поставленої мети
- теоретичне дослідження розподілення концентрації розчину по товщині примежового до диску шару розчину.
- визначення товщини плівки розчину мальтодекстрину в примежовому шарі;
- дослідження часу зневоднення плівки розчину з вільної поверхні диску від діаметру диску, швидкості повітря та товщини плівки розчину;
- дослідження коефіцієнту кінематичної в’язкості розчинів мальтодекстрину;
- дослідження густини розчинів мальтодекстрину;
- дослідження коефіцієнту динамічної в’язкості розчинів мальтодекстрину;
- дослідження рівноважної концентрації розчину мальтодекстрину;
- дослідження форми часток сухого мальтодекстрину;
- дослідження розміру часток сухого мальтодекстрину;
- дослідження коефіцієнту молекулярної дифузії мальтодекстрину в воді.

Об’єкт дослідження
Роторно-дисковий плівковий випарний апарат для зневоднення розчинів біополімерів.

Предмет дослідження
Розподілення концентрації розчину по товщині примежового до диску шару розчину; залежності товщини плівки розчину мальтодекстрину в примежовому шарі від концентрації розчину та радіусу диску апарата; залежності часу зневоднення плівки розчину з вільної поверхні диску від діаметру диску, швидкості повітря та товщини плівки розчину; залежності коефіцієнту кінематичної в’язкості розчинів мальтодекстрину від температури та концентрації розчинів; залежності густини розчинів мальтодекстрину від температури та концентрації розчинів; залежності коефіцієнту динамічної в’язкості розчинів мальтодекстрину від температури та концентрації розчинів; рівноважна концентрація розчину мальтодекстрину; форма часток сухого мальтодекстрину; розмір часток сухого мальтодекстрину; коефіцієнт молекулярної дифузії мальтодекстрину в воді.

Модельне середовище
Розчини біополімеру (мальтодекстрину).

Методи дослідження
Експериментальні методи з використанням вимірювальних засобів та лабораторного обладнання; методи математичного моделювання фізичних процесів, що супроводжують процес зневоднення в роторно-дисковому плівковому випарному апараті, які реалізовані за допомогою сучасних комп’ютерних пакетів.

Результати роботи та їх наукова новизна
У роботі вперше отримані такі наукові результати:
- досліджена та побудована математичну модель розподілення концентрації розчину по товщині примежового до диску шару розчину;
- визначена залежність товщини плівки розчину мальтодекстрину в примежовому до диску шарі рідини від концентрації розчину та радіусу диску апарата;
- теоретично досліджені залежності часу зневоднення плівки розчину мальтодекстрину з вільної поверхні диску від діаметру диску, швидкості повітря та товщини плівки розчину;
- досліджені і оброблені залежності коефіцієнту кінематичної в’язкості розчинів мальтодекстрину від температури та концентрації розчинів;
- досліджені і оброблені залежності густини розчинів мальтодекстрину від температури та концентрації розчинів;
- досліджені і оброблені залежності коефіцієнту динамічної в’язкості розчинів мальтодекстрину від температури та концентрації розчинів;
- визначена рівноважна концентрація розчину мальтодекстрину;
- визначена та досліджена форма часток сухого мальтодекстрину;
- визначений розмір часток сухого мальтодекстрину;
- визначений коефіцієнт молекулярної дифузії мальтодекстрину в воді.

Практичне значення отриманих результатів
За результатами проведених досліджень спроектований роторно-дисковий плівковий випарний апарат для проведення процесу зневоднення термолабільних рідин, таких як культуральні рідини та розчини біополімерів. Апарат може використовуватися в технологічних лініях фармацевтичної, мікробіологічної, харчової та суміжних галузей промисловості, а також у якості лабораторного обладнання. Матеріали досліджень були використані для розробки конструкції пристрою для зневоднення розчинів термолабільних речовин, захищеного деклараційним патентом України на корисну модель № U201403472.
Апробація магістерської дисертації
Результати досліджень були апробовані на X Міжнародній науково- практичній студентській конференції «Інновація в науці та техніці» (2013 р.); VIІІ Всеукраїнській науково-практичній конференції «Біотехнологія XXI століття» (2014 р.); X Міжнародній науково-практичній конференції “Trends of Modern Science” (2014 р.); IX Всеукраїнській науково-практичній конференції
«Біотехнологія XXI століття» (2015 р.), на всеукраїнському конкурсі студентських наукових робіт з природничих, технічних і гуманітарних наук в галузі технічних наук за спеціальністю «Біотехнологія» (2014/2015 н.р.).

Публікації
Опубліковані 6 тез доповідей на науково-практичних конференціях, 1 статтю в «Scientific journal «Science rise»» (№4/2(9) 2015р.) та журналі «Промышленная теплотехника» (№3 2015р.), отриманий деклараційний патент України на корисну модель № U201403472 «Пристрій для зневоднення розчинів термолабільних речовин».

Основний зміст роботи
У вступі обґрунтована наукова та практична актуальність дисертаційної роботи; наведена загальна характеристика роботи, наукову новизну та практичну цінність отриманих результатів.

У першому розділі проведений аналіз літературних джерел з дослідженням зневоднення розчинів термолабільних речовин (екзополісахаридів, антибіотиків, ферментних препаратів та мікробної біомаси), проаналізовані основні способи та обладнання для зневоднення розчинів цих речовин.
Процес зневоднення термолабільних речовин присутній на стадії отримання готового продукту при синтезі багатьох біополімерів, наприклад, полісахаридів, амінокислот, вітамінів, ферментів та інших термолабільних продуктів.

Для процесів зневоднення (концентрування) термолабільних розчинів біополімерів та мікробної біомаси при дрібносерійному виробництві пропонується застосовувати роторно-дисковий плівковий випарний апарат (РДПВА).
Запропонований апарат не володіє високою продуктивністю, однак має наступні переваги перед вакуум-випарюванням та іншими видами сушіння:
- невеликі габаритні розміри;
- простота конструкції;
- простота в користуванні;
- можливість варіювання продуктивності в залежності від кількості встановлених дисків;
- робочий режим не потребує особливих умов (робота при атмосферному тиску і кімнатній температурі);
- низькі енергозатрати.
Даний апарат може застосовуватись для зневоднення розчинів продуктів біосинтезу, культуральних рідин, харчової продукції, кормових добавок та речовин небіологічного походження в малотоннажних, серійних виробництвах та мікробіологічних лабораторіях.
Розглянуті процеси концентрування та моделювання наступних процесів в роторно-дисковому плівковому випарному апараті:
- формування плівки рідини на поверхні диску при виході останнього з робочого об’єму.
- теплові процеси, що викликають випарювання рідини з поверхні плівки.
Запропонована математична модель, дозволяє визначати оптимальні робочі параметри реально діючого роторно-дискового плівкового випарного апарату.
Визначена залежність товщини плівки примежового шару від радіусу диску та концентрації розчину. Було встановлено, що зі збільшенням концентрації розчину та збільшенням радіусу диску товщина плівки примежового шару зростає, що надає більші можливості для захоплення диском рідини. Збільшення товщини плівки сприяє посиленню перемішування рідини в об’ємі апарату.

У другому розділі проведене математичне моделювання процесів, що супроводжують процес концентрування в роторно-дисковому плівковому випарному апараті. Досліджена та побудована математична модель розподілення концентрації розчину по товщині примежового до диску шару розчину. Визначена залежність товщини плівки розчину мальтодекстрину в примежовому до диску шарі рідини від концентрації розчину та радіусу диску апарата. Теоретично досліджені залежності часу зневоднення плівки розчину мальтодекстрину з вільної поверхні диску від діаметру диску, швидкості повітря та товщини плівки розчину.

У третьому розділі проведені дослідження біополімерів та процесу їх перероблення. Досліджені і оброблені залежності коефіцієнту кінематичної в’язкості розчинів мальтодекстрину від температури та концентрації розчинів. Досліджені і оброблені залежності густини розчинів мальтодекстрину від температури та концентрації розчинів. Досліджені і оброблені залежності коефіцієнту динамічної в’язкості розчинів мальтодекстрину від температури та концентрації розчинів. Визначена рівноважна концентрація розчину мальтодекстрину. Визначена та досліджена форма часток сухого мальтодекстрину. Визначений розмір часток сухого мальтодекстрину. Встановлений коефіцієнт молекулярної дифузії мальтодекстрину в воді.
Отримані експериментальні дані залежностей фізичних величин розчинів мальтодекстрину від температури та концентрації дають можливість проектування нового та модернізації існуючого промислового устаткування для концентрування розчинів.

Четвертий розділ присвячений практичній реалізації результатів досліджень. Розроблена конструкція роторно-дискового плівкового випарного апарату. Описане призначення та область застосування роторно-дискового плівкового випарного апарату; обґрунтований вибір конструкції та матеріалів; наведена технічна характеристика апарату. Проведені теплові розрахунки; розрахунок та вибір промислового електрокалорифера та вентилятора для установки роторно-дискового плівкового випарного апарату; розрахунок часу концентрування в періодичному режимі; розрахунок роботи роторно-дискового випарного апарата в безперервному режимі; розрахунок теплових витрат у навколишнє середовище та дані рекомендації щодо їх зменшення.

Результати даних розрахунків можуть бути використані при проектуванні промислового обладнання для зневоднення термолабільних рідин інших типорозмірів і продуктивності.

У п’ятому розділі наведена охорона праці та безпека в надзвичайних ситуаціях у лабораторії. Проведене виявлення та аналіз шкідливих небезпечних виробничих факторів в умовах виконання експериментальної частини науково- дослідної роботи, описані заходи з охорони праці. Проаналізоване повітря робочої зони, виробниче освітлення. Наведені методи захисту від виробничого шуму та вібрації, заходи з електробезпеки, атестація робочих місць та безпека в надзвичайній ситуації в навчальній лабораторії. Описана безпека технологічних процесів і обслуговування устаткування та пожежна безпека.
Ключові слова: роторно-дисковий плівковий випарний апарат, біополімери, в’язкість, розчинення, випарювання, зневоднення, концентрування, препарати мікробіологічного синтезу, математичне моделювання.

Основні наукові положення дисертації викладено в роботах:
1. Пристрій для зневоднення розчинів термолабільних речовин. Патент України № U201403472. МПК B01D 1/22 [Текст] / Ружинська Л. І., Костик С. І, Ілляшенко Н. М., Фесенко С. В. – заявл. 04.04.2014., опубл. 10.09.2014. Бюл. № 17. – 5 с.
2. Ружинська, Л.І. Дослідження процесу розчинення полісахаридів [Текст] / Л. І. Ружинська, Н. М. Булах // Scientific journal «Science rise» - 2015.- №4/2(9). – с.41-45.
3. Ободович О. М. Особливості тепловіддачі при вимушеній конвекції в роторно- дисковому плівковому випарному апараті [Текст] / О. М. Ободович, Л. І. Ружинська, С. І. Костик, Н. М. Булах // Промышленная теплотехника. — 2015. —
№3. — с. 54 - 60.
4. Установка для концентрування термолабільних рідин [Текст]: тези доп. наук.- практ. конф. / відп. ред. Н. М. Ілляшенко. – Київ: ВПК «Політехніка», 2014. – 137 с.
5. Математическая модель распределения температур по поверхности диска частично погруженного в жидкость и обдуваемого газовым теплоносителем
[Текст]: тез. докл. науч.-практ. конф. (июнь 2014) / отв. ред. Илляшенко Н.М. – Sheffield: Science and education ltd, 2014 – с. 57- 59.
6. Дослідження властивостей розчинів мальтодекстрину [Текст]: тези доп. наук.- практ. конф. (квіт. 2015) / відп. ред. Н. М. Булах. – Київ: ВПК «Політехніка», 2015.–211 с.
7. Методика дослідження процесу масообміну в ферментері з обертовим перемішуючим пристроєм [Текст]: тези доп. наук.-практ. конф. (квіт. 2015) / відп. ред. Н. М. Булах. – Київ: ВПК «Політехніка», 2015. – 214 с.
8. Illiashenko N.M., Romaniv, O.I (2013). Biopolymers - an eco-friendly type of packaging // Innovations in Science and Technology, – 258.
9. Удосконалення конструкції сублімаційної сушарки [Текст]: тези доп. наук.- практ. конф. (квіт. 2015) / відп. ред. Н. М. Булах. – Київ: ВПК «Політехніка», 2015.
– 174 с.