Sistemski pristup projektiranju biotehnoloških procesa:

1. 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 ).

2. Osnove sustavske analize: znanje: kemijsko, biokemijsko i prehrambeno inženjerstvo metodologija: matematičko modeliranje osnovni alat za projektiranje: računalo i računalna podrška (baze podataka, matematički algoritmi )

3. Modeli kinetike kemijskih i bioloških pretvorbi (reakcija) Cijena kapitala EPA normativi utjecaja procesa na okoliš Termodinamička svojstva tvari Cijene sirovina, proizvoda, energenata, tehnološke opreme BAZE PODATAKA Svrha: projektiranje procesa, vođenje, optimiranje Modeli tehnoloških jedinica

4. Primjer računalne podrške “software” za projektiranje procesa u biotehnologiji i prehrambenoj industriji ASPEN PLUS INTELLIGEN, INC. BIO DESIGNER ENVIRONMENT DESIGNER SUPER DESIGNER

5. 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

6. A1. Kemijska svojstva

7. A2. Fizikalna svojstva

8. A3. EIR/EPA: parametri utjecaja na okoliš

9. B) podaci obrzini prijenosa tvari i energije

10. 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 “ )

11. 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

12. 6) snaga miješanja ( kW/m3 ) 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

13. Oblik rada: kontinuirani ili šaržni Izlazni podaci: • .visina spremnika • .dijametar spremnika • .ukupni volumen • .snaga mješalice , kW • .brzina zagrijavanja, kJ/h • .brzina hlađenja, kJ/h

14. Jednadžbe bilance: Ukupna bilanca mase ( volumena kapljevine):

15. PUMPA Ulazni podaci: • .tip pumpe ( centrifugalna ) • .pad tlaka • .protok • .maksimalna snaga • .ukupni stupanj djelotvornosti  • .cijena Izlazni podaci: snaga pumpe

16. 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

17. vrst medija za hlađenje • koeficijent brzine uništenja mikroorganizma, 1/s • energija aktivacije brzine uništenja mikroorganizama • kriterij sterilnosti, ln(No/N)

18. Izlazni podaci • . Reynoldsov broj • . Pecletov broj • . Damkohlerov bro • . Aksijalni disperzijski koeficijent , m2 s-1 • . Specifična brzina uništenja mikroorganizma • . Protok, m3 s-1 • . Prosječna linearna brzina • . Brzina prijenosa topline, kJ h-1 • . Dužina cijevi

19. Matematički model: model kinetike:

20. Model prijenosa količine gibanja na osnovu modela aksijalne disperzije određena je raspodjela vremena zadržavanja i relativna koncentracija mikroorganizama

21. v je prosječna aksijalna brzina, Dz je koeficijent aksijalne disperzije određen iz korelacije:

22. filtarski kolač voda zaispiranje suspenzija permeat voda za ispiranje FILTAR PREŠA Ulazni podaci: • .koncentracija čestica u suspenziji • .volumni protok • .pad tlaka • .poroznost filtarskog kolača • .specifična brzina filtracije, m3 filtrata / m2 filtra h

23. Izlazni podaci • .potrošnja snage pumpe, kW • .srednja brzina filtracije

24. CENTRIFUGALNI SEPARATOR BIOMASE protok filtrata

25. broj diskova N kutna brzina diskova  kut među diskovima  vanjski i unutarnji dijametar diskova r1 i r2 djelotvornost separatora  razlika gustoće čestice i kontinuirane faze  viskoznost kontinuirane faze  Stokes-ov dijametar čestice dlim

26. Kristalizator / uparivač Supara Ulazni tok Otapalo Ulazni podaci: Proizvod maksimalan volumen omjer: volumen kapljevine / ukupni volumen omjer: visina / dijametar snaga miješanja kW / m3 temperatura uparavanja temperatura kristalizacije medij za hlađenje medij za zagrijavanje

27. topiva tvar koja kristalizira djelotvornost kristalizacije % topline kristalizacije toplina uparavanja Izlazni podaci: dimenzije uređaja: visina dijametar ukupan volumen snaga mješalice, kW brzina zagrijavanja brzina hlađenja

28. hranjive tvari izlazni tok plina BIOREAKTOR ulazni tok zraka proizvod Stehiometrijski model bioreaktora: npr. za globalnu reakciju rasta biomase X i formiranje produkta P

29. 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:

30. Ulazni podaci: maksimalan volumen omjer volumena kapljevine i ukupnog volumena tlak u reaktoru temperatura specifična snaga miješanja, kW/m3 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

31. Izlazni podaci radni tlak radna temperatura snaga mješalice brzina zagrijavanja/hlađenja kW/h bilance mase pojedinih tvari ukupna bilanca energije izlazni tokovi mase tvari u kapljevini, plinu i biomasi

32. CILJEVI Osnovni cilj matematičkog modeliranja tehnoloških sustava je projektiranje industrijskih pogona. Osnovni cilj matematičkog modeliranja tehnoloških sustava je projektiranje industrijskih pogona. Sistemski pristup povezuje tehnološke, ekonomske i ekološke interakcije u industrijskoj proizvodnji, i omogućuje:

33. 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

34. 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.