Лекция 1 Классификация процессов и аппаратов биотехнологических производств

Процессы и аппараты в биотехнологии – наука о принципах организации и расчета химико-технологических процессов и принципах конструирования технологической аппаратуры. Возникнув в конце XIX века, она является научной дисциплиной, которая играет громадную роль в различных современных технологиях пищевых и химических производств. В курсе «Процессы и аппараты пищевых производств и биотехнологии» изучаются совокупность физических и биохимических процессов и пути их осуществления в промышленном производстве различных продуктов в конкретных технико-экономических условиях. Любой технологический процесс, несмотря на различие методов, представляет собой ряд взаимосвязанных типовых технологических стадий, протекающих в аппаратуре определенного класса. Однако высокие требования к качеству продукции, эффективности производства, снижению энерго- и материалоемкости, охране окружающей среды определили специфику продуктов и аппаратурно-технологическое оформление от подобных процессов в других отраслях народного хозяйства. Процессы пищевой технологии в большинстве своем значительно сложны и зачастую представляют собой сочетание гидродинамических, тепловых, массообменных, биохимических и механических процессов. Основная цель данного курса состоит в анализе элементарных технологических приемов и функционирования типичных аппаратов – в отдельности и в различных сочетаниях.

 В качестве главных выделим здесь две задачи: 

а) изучение закономерностей и математическое описание технологических приемов и их совокупностей, разработка расчетных методов перехода от процесса в лабораторной установке к крупным промышленным аппаратам (часто говорят: «от стекла к металлу»); 

 б) усовершенствование существующих и разработка новых технологических приемов, создание методики их расчета. Таким образом, курс «Процессы и аппараты пищевых производств и биотехнологии» является в значительной мере «синтетической» наукой; здесь широко используются инструментарий математики и знания из ряда областей физики, прикладной механики, технической термодинамики, физической химии (прежде всего, термодинамики и кинетики) и других дисциплин. В свою очередь курс «Процессы и аппараты пищевых производств и биотехнологии» служит базой для ряда других наук, использующих его методы и результаты при решении своих научных и инженерных задач. В тоже время «Процессы и аппараты пищевых производств и биотехнологии» нередко вторгаются в область некоторых других наук, в чем-то пересекаясь с ними, исследуя проблемы, представляющие совместный интерес.

 Почти каждая наука, в особенности связанная с последующим практическим использованием ее теоретических изысканий, проходит «собирательную» стадию, когда она оперирует разрозненными объектами и фактами. Вплоть до конца XIX века технологи в построении промышленных процессов ориентировались на знание отдельных фактов и правил – «Процессы и аппараты пищевых производств» находились на описательном (собирательном) этапе. В развитии курса «Процессы и аппараты пищевых производств» преобладающую роль играло инженерное искусство в результате большой работы, проведенной отечественными и зарубежными учеными. Так, в 1897 г. Д. И. Менделеев в книге «Основы фабричнозаводской промышленности» впервые изложил принципы построения курса «Процессы и аппараты пищевых производств» и дал их классификацию. Эти идеи затем были развиты А. К. Крупским, И. А. Тищенко и рядом других ученых. В России первый курс, посвященный процессам и аппаратам, появился в 1913 г. Это была книга проф. И. А. Тищенко «Основные процессы и аппараты химической технологии». В дальнейшем вышли книги проф. А. Г. Касаткина, А. Н. Плановского, В. В. Кафарова и т. д. Из иностранных ученых, внесших заметный вклад в создание и развитие курса процессов и аппаратов, можно отметить Льюиса, Уокера, Шервуда, Ричардсона и др. В настоящее время данный курс пополнился различными сочетаниями технологических и биотехнологических процессов, в результате чего появилось его новое название «Процессы и аппараты пищевых производств и биотехнологии». 

Классификация основных процессов, применяемых в пищевых производствах

Пищевая промышленность наряду с химическими превращениями использует многочисленные явления и процессы нехимического характера, требующие определенных способов организации и осуществляемые в соответствующих аппаратах и технологических схемах. Протекание таких процессов в той или иной мере связано с переносом какого-либо количества движения (импульса), теплоты, массы. Этот перенос характеризуется изменением технологического процесса, в общем случае – во времени в рассматриваемой точке аппарата, а в самом аппарате – от одной точки к другой. 

Выделяют и изучают следующие группы процессов: 

• гидромеханические, где основные явления связаны с переносом импульса (количества движения) в жидкостных и газовых потоках, реже – в системах с твердыми телами. К этой группе примыкают механические процессы, базирующиеся в основном на законах механики твердого тела; 

• тепловые, где наблюдаются явления, связанные с различными формами переноса теплоты в области умеренных, низких или высоких температур. При этом обычно приходится учитывать и закономерности переноса импульса, поскольку он сопутствует переносу теплоты; 

• массообменные (диффузионные), куда относят многочисленные процессы, связанные с переносом вещества. При этом обычно приходится учитывать и закономерности переноса импульса, а довольно часто – и теплоты. За последние годы массообменные процессы пополнились новой весьма важной группой мембранных процессов; 

• химические и биохимические процессы – это процессы, связанные с изменением химического состава и свойств вещества, скорость протекания которых определяется законами химической кинетики. По способу организации процессы пищевой промышленности делятся на периодические и непрерывные. 

Периодические процессы проводятся в аппаратах, в которые через определенные промежутки времени загружаются исходные материалы; и после их соответствующей переработки (например, проведения химической реакции) происходит выгрузка конечного продукта. По окончании разгрузки аппарата и его повторной загрузки процесс повторяется снова. Таким образом, периодический процесс характеризуется тем, что все его стадии протекают в одном месте (в одном аппарате), но в разное время. Непрерывные процессы осуществляются в проточных аппаратах. Поступление исходных материалов в аппарат и выгрузка конечных продуктов производится одновременно и непрерывно. Следовательно, непрерывный процесс характеризуется тем, что все его стадии протекают одновременно, но разобщены в пространстве, т. е. осуществляются в разных аппаратах или в различных частях одного аппарата. Известны также комбинированные процессы. К ним относятся непрерывные процессы, отдельные стадии которых проводятся периодически, либо периодические процессы, одна или несколько стадий которых протекает непрерывно.

 Основные преимущества непрерывных процессов по сравнению с периодическими следующие: 

1) нет перерывов в выпуске конечных продуктов, т. е. отсутствуют затраты времени на загрузку аппарата исходными материалами и выгрузку из него готовой продукции; 

2) более легкое автоматическое регулирование и возможность более полной механизации; 

3) большая компактность оборудования, что сокращает капитальные затраты и эксплуатационные расходы; 

4) более полное использование подводимого (отводимого) тепла за счет отсутствия перерывов в работе аппаратов. Благодаря указанным достоинствам использование непрерывных процессов увеличивает производительность аппаратуры, уменьшает количество обслуживающего персонала, улучшает условия труда и повышает качество конечной продукции. Периодические процессы сохраняют свое значение главным образом в производствах относительно небольшого масштаба с разнообразным ассортиментом продукции, где их применение позволяет достичь большей гибкости оборудования при меньших капитальных затратах. Непрерывные процессы отличаются от периодических и по распределению времени пребывания частиц среды в аппарате. В периодически действующем аппарате все частицы среды находятся одинаковое время, а в непрерывно действующем их время пребывания может значительно различаться.