birmaga.ru
добавить свой файл

1


На правах рукописи



ЧАЙКА Алексей Юрьевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССА СУШКИ МИЦЕЛИЯ В ПРОИЗВОДСТВЕ НИСТАТИНА

Специальность 05.17.08.- Процессы и аппараты химических технологий

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук



Иваново 2010

Работа выполнена в ГОУВПО “Ивановский государственный химико-технологический университет” на кафедре “Процессы и аппараты химической технологии”.



Научный - кандидат технических наук, доцент

руководитель: Исаев Вадим Николаевич

Официальные - академик РААСН,

оппоненты: доктор технических наук, профессор

Федосов Сергей Викторович
- доктор технических наук, профессор

Сафин Рушан Гареевич

Ведущая - ГОУВПО “Московский государственный

организация: университет инженерной экологии”,

г. Москва


Защита состоится « 6 » декабря 2010 г. в 10.00 час. на заседании совета по защите кандидатских и докторских диссертаций Д 212.063.05 в Ивановском государственном химико-технологическом университете по адресу: 153000, г. Иваново, пр. Ф. Энгельса, 7, ауд. Г-205.


Тел. (4932) 32-54-33. Факс: (4932) 32-54-33. E-mail: dissovet@isuct.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ивановского государственного химико-технологического университета по адресу: 153000, г. Иваново, пр. Ф. Энгельса, 10.

Автореферат разослан « 5 » ноября 2010 г.

Ученый секретарь Зуева Г.А.

совета Д 212.063.05


ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Снижение активности антибиотиков при их термообработке связано с длительностью воздействия высоких температур. Сублимационная сушка, широко применяемая для таких материалов в химико-фармацевтической промышленности, несмотря на неоспоримые преимущества, имеет существенные недостатки, связанные с длительностью процесса и его энергоемкостью.

Применение вакуум-осциллирующего метода сушки для интенсификации процесса является перспективным направлением для обезвоживания термолабильных материалов. Однако, несмотря на имеющийся экспериментальный и теоретический опыт, накопленный в России по этому направлению, задача физического и математического моделирования вакуум-осциллирующей сушки является актуальной.

Цель работы заключается в экспериментальном и теоретическом исследовании применимости вакуум-осциллирующего метода для сушки мицелия нистатина - полупродукта антибиотика, получаемого в результате биосинтеза, с последующей его переработкой в целевой продукт.

В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:

-исследование сорбционно-структурных свойств мицелия нистатина;

-определение теплофизических характеристик мицелия с различным влагосодержанием;

-изучение кинетических закономерностей вакуум-осциллирующей сушки;

-разработка математической модели процессов обезвоживания материала;

-разработка методики расчета процессов тепломассопереноса при вакуум-осциллирующей сушке.

Научная новизна. Разработана математическая модель процесса сушки с периодическим прогревом материала при атмосферном давлении и последующим сбросом давления, позволяющая определить время достижения конечного влагосодержания.

Получено уравнение, связывающее равновесное влагосодержание мицелия с его температурой и относительной влажностью воздуха, определена гигроскопическая влажность.

Экспериментально установлены зависимости теплоемкости, теплопроводности и температуропроводности мицелия от его влагосодержания и температуры.

Экспериментально и экспериментально-аналитически определены коэффициенты внутреннего массопереноса мицелия, получены эмпирические зависимости этих коэффициентов от влагосодержания и температуры.

Получены критериальные уравнения для вычисления коэффициентов теплоотдачи при сушке мицелия нистатина сбросом давления и его конвективном нагреве.


Практическая ценность. Предложен вакуум-осциллирующий способ сушки мицелия нистатина, позволяющий снизить потери антибиотика на этой стадии производства.

Разработана методика расчета вакуум-осциллирующей сушки.

Рекомендованы режимные параметры проведения процесса сушки мицелия нистатина.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были доложены на XXIII Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях – ММТТ-23» (Саратов, 2010); на XIII Международной научно-технической конференции «Наукоемкие химические технологии-2010» (Иваново-Суздаль, 2010).

Публикации. По результатам диссертационных исследований опубликовано 7 печатных работ, в том числе 3 статьи в ведущих рецензируемых журналах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы и приложения. Работа изложена на 163 страницах машинописного текста, содержит 66 рисунков, 9 таблиц. Список литературы включает 122 наименования.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, определена цель, научная новизна и практическое значение исследований.

В первой главе рассмотрена технология производства нистатина, анализ которой позволил выявить стадии с наименьшим выходом продукта: сушки пасты мицелия и экстракции нистатина. Однако, поскольку высокая концентрация продукта в экстракте может быть достигнута только путем предварительного максимального обезвоживания мицелия, то в качестве объекта исследования была выбрана стадия его сушки.

Данный процесс в действующем производстве осуществляется путем подачи мицелийной массы в сушильную камеру с кипящим слоем инертной насадки при температуре сушильного агента на выходе 80÷100 °С. Интенсивное истирание мицелия на поверхности насадки и высокая температура термообработки обуславливают потери, связанные с уносом сухого материала из установки и инактивацией нистатина, интенсивно протекающей при температуре более 50 °C. Рассмотрены способы сушки термолабильных химико-фармацевтических препаратов с присущими им достоинствами и недостатками. Более подробно рассмотрен вакуум-осциллирующий метод сушки, физическая сущность которого заключается в чередовании периодического прогрева материала с последующим сбросом давления в сушильной камере. Такое ведение процесса позволяет активировать молярный перенос влаги в материале и значительно увеличить интенсивность сушки.


Во второй главе приведены результаты экспериментальных исследований свойств мицелия нистатина как объекта сушки, которые включали:

-изучение гранулометрического состава материала, высушенного в сушильной установке действующего производства;

-исследование сорбционно-структурных характеристик мицелия;

-определение его теплофизических свойств;

-исследование коэффициентов внутреннего массопереноса мицелия нистатина: коэффициента потенциалопроводности и относительного коэффициента термодиффузии.

Для определения сорбционно-структурных характеристик мицелия нистатина (суммарного объема его пор и кривых распределения объема пор по радиусам) использовали адсорбционный метод, основанный на обработке экспериментальных изотерм сорбции-десорбции. Полученные данные позволили охарактеризовать материал как переходнопористый с объемной долей микропор 4,3 %; переходных пор – 95,7 %. В целях исследования равновесного состояния мицелия нистатина в диапазоне температур от 0 до 60 °C была получена зависимость максимального гигроскопического влагосодержания материала от температуры





(1)

и равновесного влагосодержания материала от температуры и относительной влажности воздуха

,

(2)

где a’, b’, c’, d’, e’, f’, g’ – опытные коэффициенты политермы десорбции, зависящие от температуры.

Для идентификации теплофизических характеристик мицелия нистатина был использован способ их комплексного определения, основанный на решении уравнения теплопроводности для неограниченного цилиндра с граничными условиями первого рода, зависящими от времени. В результате обработки экспериментальных данных получены следующие корреляционные зависимости тепловых коэффициентов от влагосодержания материала в интервале температур 1,6÷51 °С и влагосодержаний U = 0,1025÷4,0123 кг/кг:

зависимость коэффициента теплопроводности


;

(3)

коэффициента температуропроводности



;

(4)

коэффициента теплоемкости мицелия

.

(5)

Опытное определение коэффициента потенциалопроводности мицелия заданной влажности am осуществляли путем обработки кривых сушки. Материал помещали в кювету, выполненную в виде пластины высотой 5 мм с дном, изготовленным из сетки, и высушивали в изотермических условиях при скорости воздушного потока, исключающей внешнедиффузионное сопротивление (14 м/с, ). Идентификация коэффициента потенциалопроводности заключалась в решении нелинейного уравнения



(6)

относительно критерия Фурье при известных Uср(τ) и с последующим нахождением am. При этом использовались узкие интервалы времени, на которых среднее влагосодержание Uср(τ) уменьшалось не более чем на 6 % от первоначального U0. Обработка экспериментальных данных позволила получить зависимость am от влагосодержания и температуры




(7)

при t = 3÷50,8 °C и U = 0,4÷2,5 кг/кг.

Относительный коэффициент термодиффузии мицелия нистатина был определен с помощью политермы десорбции путем последовательного расчета химического потенциала, влагоемкости материала и температурного коэффициента химического потенциала. Зависимость относительного коэффициента термодиффузии от влагосодержания и температуры представлена формулой





(8)

в интервале температур t = 0÷60 °C и влагосодержаний U = 0÷3,0 кг/кг.

Комплексный анализ результатов экспериментальных исследований мицелия нистатина как объекта сушки и его физико-химических свойств позволил обосновать выбор метода обезвоживания материала - использование вакуум-осциллирующей сушки.


Третья глава посвящена разработке математической модели вакуум-осциллирующей сушки материала в вакуумных сушильных камерах полочного типа.

В соответствии с физической сущностью вакуум-осциллирующей сушки рассмотрены следующие группы процессов:

1) процессы изменения параметров влажного воздуха при его откачке из сушильной камеры в ходе вакуумирования системы;

2) процессы переноса теплоты и массы на стадии сброса давления;

3) процессы тепломассопереноса на стадии конвективного нагрева материала при атмосферном давлении.

Уравнения газодинамической модели записаны на основе материального и теплового балансов, характеризующих изменение парциальных давлений компонентов влажного воздуха и его температуры в сушильной камере:


;

(9)

;

(10)

;

(11)

с начальными условиями: рс.в. = рс.в.0; рв.п. = рв.п.0; tв = tв0.

Перед использованием системы уравнений (9)-(11) проведена предварительная идентификация ее параметров: суммарной проводимости всех течей системы UТ, эффективной быстроты откачки газа из вакуумной системы Sэф и теплового потока, поступающего от стенок сушильной камеры q(). Решение системы осуществлялось методом Рунге-Кутта второго порядка совместно с задачей тепломассопереноса при обезвоживании мицелия.

Динамика полей температуры и влагосодержания внутри слоя мицелия на стадии сброса давления описана системой уравнений в частных производных

;

(12)

;

(13)

с граничные условия первого и третьего рода соответственно

;


(14)

;

(15)

;

(16)

условием симметрии



(17)

и начальными условиями, характеризующими распределение влагосодержания и температуры внутри материала после предшествующей стадии конвективного нагрева

;

(18)

.

(19)

Для расчета полей влагосодержания и температуры материала на стадии сброса давления система (12)-(13) дополнена выражениями зависимости общего давления pм от температуры tм и влагосодержания материала U. При этом полагали, что это давление равно равновесному давлению водяного пара при данной температуре и влагосодержании. Параметрами модели, подлежащими предварительной идентификации по экспериментальным температурным кривым и кривым сушки, являются коэффициент молярного переноса, критерий фазового превращения при сбросе давления и коэффициент теплоотдачи. Решение модели осуществляли по явной разностной схеме сеточным методом.

На стадии конвективного нагрева распределение температуры и влагосодержания по толщине слоя материала может быть рассчитано с помощью системы уравнений


;

(20)

;

(21)

с граничными условиями третьего рода

;

(22)

;

(23)

условием симметрии (17) и начальными условиями

;

(24)

.

(25)

Для первой стадии конвективного нагрева начальные условия имеют вид:

;

(26)

.

(27)

При расчете использовался комбинированный метод с разбивкой процесса тепломассопереноса на последовательные микропроцессы. Распределения температуры и влагосодержания в конце i-го микропроцесса являлись начальными условиями для расчета полей этих величин на следующем шаге. Для расчета поля влагосодержания использовано аналитическое решение А.В. Лыкова


;

(28)

для расчета поля температуры решение С.В. Федосова

.

(29)

Экспериментальные кривые сушки и температурные кривые стадии конвективного нагрева применялись для идентификации параметров модели - модифицированного коэффициента массоотдачи и коэффициента теплоотдачи.

В конце третьей главы приведен алгоритм совместного решения газодинамической модели и модели взаимосвязанного влаго- и теплопереноса на последовательно протекающих стадиях прогрева материала и сброса давления.



Четвертая глава посвящена экспериментальному исследованию вакуум-осциллирующей сушки и идентификации параметров ее математической модели.

1 – вакуумная сушильная камера; 2 – конденсатор; 3 – компрессорная холодильная установка; 4 – вакуум-насос; 5 – каркас для размещения основных узлов; 6 – тепловая изоляция; 7 – вакуумметр; 8 – игольчатый клапан; 9 – вторичный прибор контроля температуры УКТ38-Щ4; 10 – измеритель-регулятор ТРМ-1А; 11 – дверца; 12 – опора; 13 – шланг из вакуумной резины; 14 – устройство для размещения термопар внутри образца


Рис. 1. Схема экспериментальной установки

С целью определения возможности применения данного метода был поставлен ряд опытов по изучению его отдельных стадий. Опыты проводились на специально созданной лабораторной установке (рис. 1). В результате были получены кривые сушки и температурные кривые по толщине материала при сушке сбросом давления и конвективном нагреве мицелия при различных значениях температуры и начального влагосодержания материала, температуры воздуха и остаточного давления в системе (в случае сушки сбросом давления).

Анализ экспериментальных данных показал, что для осуществления стадий сушки “прогрев материала - сброс давления” с максимальной интенсивностью испарения влаги при условии отсутствия термодеструкции нистатина, материал должен быть прогрет до температуры 50 °C. Температура воздуха в сушильной камере должна составлять 80 °C на начальных циклах сброса давления и постепенно снижаться до 50 °C на последних. Вакуумирование системы необходимо проводить до остаточного давления 1 мм.рт.ст. Осуществление сушки при таких режимных параметрах позволило провести обезвоживание пасты мицелия толщиной 5 мм до заданного влагосодержания 9,3 % менее чем за 4 часа. При этом было выполнено 7 циклов конвективного нагрева материала – сброса давления. Окончательно высушенный мицелий представлял собой пористый материал, обводнение которого не представляет затруднений на последующей стадии производства – экстракции нистатина.

С целью оценки возможности реализации вакуум-осциллирующего метода сушки в действующем производстве был проведен ориентировочный расчет необходимой площади противней вакуумной камеры, который показал, что для обеспечения обезвоживания мицелийной массы могут быть применены вакуумные сушильные шкафы типа ЦВШ-33 с площадью поверхности 33 м2. Использование двух таких аппаратов обеспечивает производительность цеха по сухому мицелию за 16 часов с четырьмя циклами загрузки. Таким образом, применение вакуум-осциллирующего метода позволяет осуществить сушку мицелия нистатина в мягких условиях без увеличения продолжительности процесса.

В четвертой главе изложены также методика и результаты идентификации параметров математической модели вакуум-осциллирующей сушки мицелия нистатина.

По кривым натекания атмосферного воздуха в сушильную камеру и изменения его температуры при сбросе давления определены суммарная проводимость всех течей системы UТ, эффективная быстрота откачки газа Sэф, получено регрессионное уравнение для потока теплоты, передаваемого откачиваемому воздуху от стенок камеры.

По температурным кривым и кривым сушки идентифицированы параметры внутреннего и внешнего тепло- и массопереноса: зависимость коэффициента молярного переноса от температуры и влагосодержания материала



(30)


критерия фазового превращения от влагосодержания мицелия нистатина

.

(31)

Получены критериальные уравнения для расчета коэффициента теплоотдачи на стадии сброса давления и прогрева материала. Сопоставление опытных и расчетных кривых сушки при идентификации модифицированного коэффициента массоотдачи для стадии прогрева материала показало, что скорость внешнего массопереноса намного превосходит скорость внутреннего ().

В приложении к работе приведены опытные данные, программы идентификации неизвестных параметров и расчета моделируемых процессов.

Основные результаты и выводы по работе.

1.Показана возможность использования вакуум-осциллирующего метода для высушивания мицелийной пасты.

2.Экспериментально изучены сорбционно-структурные и теплофизические свойства мицелия, кинетика процессов, протекающих при его сушке с периодическим прогревом материала при атмосферном давлении и последующим сбросом давления.

3.Разработана математическая модель вакуум-осциллирующего метода сушки, позволяющая прогнозировать влажность материала.



4.Предложена методика расчета вакуум-осциллирующей сушки.

Условные обозначения.

t – температура, °C; tв0, tв – начальная и текущая температура воздуха в сушильной камере, °C; tв.ат – температура атмосферного воздуха, ºC; tпов – температура поверхности материала, °C; tм0, tм – начальная и текущая температура материала, °C; τ – время, с; x – координата, м; a – коэффициент температуропроводности материала, м2/с; am – коэффициент потенциалопроводности материала, м2/с; δ – относительный коэффициент термодиффузии, 1/°C; a’, b’, c’, d’, e’, f’, g’ – коэффициенты уравнения политермы десорбции; λ – коэффициент теплопроводности материала, Вт/(м·K); C – коэффициент теплоемкости материала, Дж/(кг·K); CVв, CVв.п. – удельная теплоемкость воздуха и водяного пара при постоянном объеме, Дж/(кг·K); С* - комплексная величина, Дж/(кг·K); r* - количество теплоты, необходимое для испарения 1 кг влаги, Дж/кг; Kp – коэффициент молярного переноса, с; ε’ – критерий фазового превращения при сбросе давления; jпов – интенсивность испарения влаги с поверхности материала, кг/(м2·с); F – площадь поверхности материала, м2; U – влагосодержание, кг влаги/кг с.м.; Uср – среднее влагосодержание, кг влаги/кг с.м.; U0, Uр – начальное и равновесное влагосодержание, кг влаги/кг с.м.; Uм.г. – максимальное гигроскопическое влагосодержание материала, кг влаги/кг с.м.; Uпов – влагосодержание на поверхности материала, кг влаги/кг с.м.; pв – давление влажного воздуха в сушильной камере, Па; pат – атмосферное давление, Па; pс.в., pв.п. – парциальные давления абсолютно сухого воздуха и водяного пара в сушильной камере, Па; pс.в.0, pв.п.0 – парциальные давления абсолютно сухого воздуха и водяного пара в момент времени τ = 0, Па; pм – общее давление парогазовой смеси внутри материала, Па; φ – относительная влажность воздуха; V – объем вакуумной системы, м3; ρв – плотность воздуха в сушильной камере, кг/м3; ρ0 – плотность сухого материала, кг/м3; xв – влагосодержание воздуха, кг влаги/кг с.в.; Mв.п., Mс.в. ­ – молярная масса воды и сухого воздуха, кг/кмоль; UТ – суммарная проводимость всех течей системы, м3/с; Sэф – эффективная быстрота откачки газов из объема вакуумной системы, м3/с; mс.м. – масса сухого вещества в высушиваемом материале, кг; R – универсальная газовая постоянная, Дж/(кмоль·K); R0 – половина толщины слоя материала, м; Bim – массообменный критерий Био; Fo, Fom – тепловой и массообменный критерии Фурье; Fd* - критерий Федорова; μn, νn – корни характеристических уравнений; αсб – коэффициент теплоотдачи при сбросе давления, Вт/(м2·K); T(x, τ) – безразмерная температура; T0 – безразмерная температура в начале микропроцесса. Индексы: м.г. – максимальное гигроскопическое; р – равновесное; 0, нач – начальное; в – воздух; с.в. – сухой воздух; в.п. – водяной пар; с.м. – сухой материал; эф – эффективный; Т – натекание; ат – атмосферный; в.ат – атмосферный воздух; пов – поверхность материала; ср – среднее значение; сб – сброс давления; н – нагрев; кон – конечное; i, i+1 – порядковый номер.


Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Исследование сорбционно-структурных характеристик мицелия нистатина / А.Ю. Чайка [и др.] // Известия вузов. Химия и химическая технология. – 2010. - Т. 53, вып. 1. – С. 100-102.

2. Чайка, А.Ю. Исследование теплофизических характеристик мицелия нистатина / А.Ю. Чайка, В.Н. Исаев, Е.С. Сливченко // Известия вузов. Химия и химическая технология. – 2010. – Т. 53, вып. 5. – С. 119-120.

3. Чайка, А.Ю. Определение коэффициентов внутреннего массопереноса при сушке мицелия нисатина / А.Ю. Чайка, В.Н. Исаев, Е.С. Сливченко // Современные наукоемкие технологии. Региональное приложение. – Иваново. – 2009. - № 4. – С. 72-76.

4. Чайка, А.Ю. Математическое описание сушки мицелия нистатина / А.Ю. Чайка, В.Н. Исаев, Е.С. Сливченко // Материалы XXIII Межд. науч. конф. «Математические методы в технике и технологиях – ММТТ-23»: в 12 т. – Т. 8. Секция 9. – Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2010. – С. 112-114.

5. Исаев, В.Н. Сушка мицелия нистатина в вакуумных сушильных камерах полочного типа / В.Н. Исаев, А.Ю. Чайка, Е.С. Сливченко // Современные наукоемкие технологии. Региональное приложение. – Иваново. – 2008. - №4. – С. 71-73.

6. Чайка, А.Ю. Исследование вакуум-осциллирующей сушки мицелия нистатина / А.Ю. Чайка, В.Н. Исаев, Е.С. Сливченко // Материалы XIII Межд. науч.-техн. конф. «Наукоемкие химические технологии-2010», 29 июня – 2 июля 2010 г., Иваново-Суздаль. – Иваново: Иван. гос. хим.-технол. ун-т, 2010. – С. 194.

7. Моделирование процесса охлаждения влажного материала в вакуумных сушильных камерах полочного типа / А.Ю. Чайка [и др.] // Известия вузов. Химия и химическая технология. – 2007. – Т. 50, вып. 10. – С. 108-110.