CC BY
153
УДК 66.047.2:663.1
В. В. Ермолаев, В. В. Давидюк, Л. Х.-А. Саипова Астраханский государственный технический университет
ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ТЕПЛОМАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ПРЕПАРАТА «БИФИДУМБАКТЕРИН СУХОЙ»
В России растет потребление лекарств, несмотря на то, что уровень заболеваемости различными болезнями остался прежним. По расчетам лидера аналитических исследований российского фармакологического рынка компании RMBC, в 2006 г. потребление лекарств на душу населения составило около 73 дол. (в Германии - 220 дол., в США - 180 дол.). По объему потребления лекарственных средств Россия занимает 12-е место в мире и 6-е в Европе. Объем фармацевтического рынка уже сегодня превышает 10 млрд дол. По оценкам крупнейшей мировой аудиторской компании Pricewaterhouse Coopers, объем продаж фармацевтической продукции в России с 2000 г. утроился. В настоящее время иностранные эксперты считают отечественный фармакологический рынок самым быстрорастущим в Европе - прирост составляет не менее 10 % в год.
Рост рынка - это, в изрядной степени, рост продаж биодобавок и косметики. По результатам исследований, проведенных кафедрой управления здравоохранением Московской медицинской академии им. И. М. Сеченова, общий объем предложения биодобавок увеличился на 15 %, косметических средств - на 35 %, в то время как предложение собственно лекарств несколько снизилось.
Анализ состояния рынка лекарственных средств наглядно иллюстрирует перспективность его развития, в особенности развития рынка биологически активных добавок. В настоящее время в медицинской практике для лечения и профилактики всевозможных заболеваний всё большее применение находят сухие пищевые добавки. Особую группу представляют микробиологические препараты, ярким примером которых является препарат «Бифидумбактерин сухой». Би-фидумбактерин (Bifidumbacterinum) представляет собой микробную массу живых антагонистически активных бифидобактерий штаммов Bifidumbakterium bifidum № 1, 791, ЛВА-3, высушенных в среде культивирования с добавлением защитной сахарозно-желатозно-молочной среды, применяется с целью нормализации микробиоценоза желудочно-кишечного тракта (ЖКТ).
Бифидумбактерин - иммуномодулирующее средство, нормализующее микрофлору кишечника. Бифидумбактерин является пробиотиком и содержит лиофильно высушенные живые антагонистически активные бифидобактерии. Является антагонистом широкого спектра патогенных и условно-патогенных микроорганизмов; активизирует процесс пищеварения и функции ЖКТ, обменные процессы и неспецифическую резистентность организма.
Ввиду невозможности длительного хранения препарата во влажном виде в технологическую схему его производства введён процесс сушки, напрямую влияющий не только на качество продукта, но и на его стоимость. Так как объектом обезвоживания является микробная масса живых бифидобактерий, характеризующихся ярко выраженной реакцией на условия и пределы обезвоживания (температура, остаточная влажность, скорость нагрева и интенсивность удаления влаги), а также высокой начальной влажностью биомассы, на процесс сушки накладывается ряд жестких технологических требований.
В настоящее время при производстве биологических препаратов наиболее широко применяется метод лиофилизации. Так, при производстве препарата «Бифидумбактерин сухой» используется способ сублимационной сушки, обеспечивающей высокое качество готового продукта. К основным недостаткам этого способа сушки относятся высокие продолжительность и энергоёмкость процесса и сложность сублимационного оборудования [1]. Проводились исследования [1, 2] по замене лиофильного способа на способ распылительной сушки, результаты которых дают основания расценивать распылительный способ как потенциально равнозначный и более рентабельный по сравнению с лиофилизацией.
Наряду с этим следует отметить недостатки, присущие сушке в распыленном состоянии: значительные удельные габариты установок, работающих при мягких режимах; сложность и высокая стоимость оборудования для распыливания и улавливания пыли; сравнительно высокие энергетические затраты [3]. Таким образом, весьма перспективной областью исследований является поиск такого способа обезвоживания, который не имел бы названных недостатков.
Одним из них является способ вакуумной пеносушки [3], невысокая продолжительность, отсутствие крупногабаритных установок и небольшие удельные энергетические затраты которого делают его весьма привлекательным по сравнению с другими способами обезвоживания.
Таким образом, формируется цель дальнейшей работы: определение рациональных режимных параметров проведения процесса сушки препарата «Бифидумбактерин» для обоснованного выбора высокоэффективного сушильного оборудования и методов его расчета.
Исследование влияния основных факторов на интенсивность процесса сушки препарата «Бифидумбактерин» на основе изучения и анализа кинетики обезвоживания
Экспериментальное изучение кинетики обезвоживания. Наряду с физическим моделированием внутреннего тепломассопереноса существенную роль играет его моделирование [4, 5], основанное на положениях термодинамики необратимых процессов [6] при высокотемпературной сушке.
Проблема расчета кинетики сушки влажных материалов ставит общую задачу математического моделирования процесса сушки материала, которое целесообразно декомпозировать на два основных уровня: микрокинетический - описание кинетики сушки единичного тела (частицы, гранулы и т. д.) или дифференциально малой его порции в аппарате и макрокинетический -описание кинетики сушки всей массы тел (частиц) в аппарате [7-10]. Описание микрокинетики осуществляется на основе различных методов, которые можно разделить на три группы: 1) теоретические (математические) - аналитические и численные, основанные на решениях дифференциальных уравнений переноса; 2) полуэмпирические, в основу которых положены те или иные фундаментальные уравнения тепломассообмена, но в которых в целях «развязывания» «узких» мест описания используются различные упрощения; 3) эмпирические (например, метод «черного ящика»).
Очевидные трудности расчета микрокинетики сушки на основе решений дифференциальных уравнений тепломассопроводности приводят к тому, что на практике, как правило, используются различные полуэмпирические методы, развитые в работах Е. Льюиса, Н. Ледерера, В. Ньюмана, Е. Шервуда, А. В. Лыкова. Эти работы можно разбить на следующие группы: 1) аппроксимируется распределение влагосодержания по толщине тела; 2) аппроксимируется кривая скорости сушки; 3) решается уравнение массопереноса. Широкое развитие получили по-луэмпирические методы описания микрокинетики по следующим направлениям: 1) применение двухзонных аппроксимационных соотношений; 2) построение обобщенных кривых сушки; 3) «развязывание» дифференциальных уравнений тепломассопереноса с помощью опытных зависимостей вида w = Д7).
Использование опытных функций дает возможность свести систему дифференциальных уравнений тепломассопереноса либо к уравнению массопроводности и строить математическое описание на его основе, либо к уравнению теплопроводности с решением задач кинетики сушки на его основе. Применение методов кинетического расчета с помощью опытных кривых сушки наиболее эффективно в том случае, когда их получают для дифференциально малого объема аппарата, т. к. последующее присоединение к микрокинетическому уравнению уравнений материального и теплового баланса, гидродинамики потоков позволяет получить достоверное описание кинетики и динамики сушки для всего аппарата в целом и обоснованно решать задачу перехода от результатов лабораторных исследований к промышленным аппаратам.
Необходимо помнить, что сушка влажных материалов является не только тепломассообменным, но и технологическим процессом, в ходе которого изменяются их технологические свойства. Поэтому тепломассообмен высушиваемого материала должен рассматриваться во взаимосвязи с технологическими показателями качества продукта. В термолабильных материалах первостепенное значение имеет знание локальных температур; в материалах, не допускающих пересушивания - знание локальных влагосодержаний; в материалах, подверженных усадке, растрескиванию и короблению - знание перепадов температур и влагосодержаний по их толщине. В первых двух случаях важным фактором становится расчет не только кинетики сушки, но и локальных влагосодержаний и температур в нем (динамика процесса), что повышает роль математических моделей, основанных на дифференциальных уравнениях, описывающих внутренний тепломассоперенос. В последнем случае существенным является то, что развитие неод-
нородных полей влагосодержании и температур в материале в ходе сушки приводит к возникновению механических напряжений, которые, в свою очередь, оказывают влияние на внутренний тепломассоперенос, описание которого в силу этого еще более усложняется.
Экспериментальному изучению процесса усадки, которое проводилось преимущественно применительно к керамическим материалам и древесине, посвящено большое количество работ. Параллельно проводились исследования по разработке математических моделей, описывающих процесс сушки материалов, деформируемых в условиях тепломассообмена, с учетом его влажностно-структурных превращений. В данном направлении достигнут значительный прогресс.
Описание процесса сушки, включая его кинетику, позволяет осуществлять математическую постановку и решение задач оптимизации сушильного процесса, что и предпринято в данной работе. Очевидно, что оптимизировать надо не отдельный сушильный аппарат, а всю сушильную установку в комплексе взаимосвязанных аппаратов, включая вспомогательное оборудование. При этом особое внимание надо уделить выбору целевой функции и влияющих факторов вследствие многокритериальности задачи оптимизации, наличия большого количества технологических ограничений, которые не всегда удается учесть в рамках формальной постановки задачи оптимизации, недостаточности данных по теплофизическим, кинетическим, гидродинамическим и другим характеристикам высушиваемого материала и самого процесса. В связи с этим легче решать не задачу строгой формальной оптимизации процесса сушки, а задачу управления этим процессом, используя методы численного моделирования. Таким образом, методы кинетического расчета сушилок весьма разнообразны, но все они базируются на фундаментальных положениях теории сушки.
Планирование и погрешность экспериментов. К основным факторам, влияющим на интенсивность процесса вакуумной сушки во вспененном состоянии, относятся: 1) Е - плотность теплового потока, кВт/м2; 2) И - толщина высушиваемого слоя продукта, мм; 3) wн - начальная влажность препарата, кг/кг.
Экспериментальные кривые сушки представлены на рис. 1. Экспериментальные исследования проводили по полному многоуровневому многофакторному плану с помощью вероятностно-статистических методов планирования и обработки экспериментальных данных.
В качестве целевой функции выбран съем сухого продукта с единицы объема в единицу времени П, кг/(м3-с):
П = Мсух.прод (1)
S ■ 1
где Мсух. прод - масса высушенного продукта (^ = 0,05 кг/кг), кг; S - площадь поверхности подложки м2; т - экспериментальное время сушки, с.
Вычисление погрешностей при определении влажности продукта проводили в следующем
— 1 п
порядке: составляли таблицу измерений; находили средние значения х = — X xi (п = 3 - число
п 1
измерений в выборке; х^ - численное значение измеренной влажности); находили единичные
_ п
отклонения Ахг- = х{ — х; проверяли согласие с соотношением X Дхг- = 0 ; вычисляли квадраты
отклонений (АХг )2 ; находили средние квадратичные отклонения 8п =
Е (Дх )/(п -1); выяв-
ляли и исключали из таблицы измерений промахи (приближенно считая промахами измерения, при которых Дх. > 2Бп); находили средние квадратичные отклонения среднего
X (Дх-)2 задаваясь значением надежности доверительной вероятности
(обычно а = 0,95) определялся коэффициент (критерий) Стьюдента ^ап = 4,3; вычисляли погрешности результатов измерений Дх = еа = (ап8х; находили относительные погрешности
8 х = (дх/ х)■ 100 % . Относительная погрешность среднего результата определения влажности не превышала 8 = 12 %.
і
п
п
Рис. 1. Экспериментальные кривые сушки препарата «Бифидумбактерин» при Е = 2,325 кВт/м2: 1 - wн = 0,5 кг/кг, 2 - wн = 0,6 кг/кг; ^ н = 0,7 кг/кг
Определение зависимости интенсивности сушки от влияющих факторов. Статистический анализ и компьютерная обработка опытных данных позволили получить адекватную математическую линейно-степенную зависимость (2). Оценка достоверности аппроксимации Я2 зависимости критерия оптимизации от варьируемых параметров для всех зависимостей не менее 0,9. Увеличение показателя степени параметров в полиноме не влияло на величину Я2.
У(Е, w, к) = к2[(11936,400 • w2 -11323,680 • w + 4177,440)• Е3 +
+ Е2(-36010.700 • w2 + 43321,170 • w -1267.435) + Е • (32356,700 • w2 --39160.520 • +11543,126) + (-8145,650 • w2 + 9940,665 • w2 - 2973,826)] +
+ к • [Е2(-7564,100 • w2 + 9076,920 • w - 2647,435) + Е2(22894,225 • w2 -
- 27541,203 • w + 8058,085) + Е • (-20682,700 • w2 + 25027,410 • w - 7375,805) +
+ (5173,400 • w2 - 6308,640 • w +1886,509)] + [Е3 • (1263,360 • w2 -1516,032 • w +
+ 442,176) + Е2 • (-3818,625 • w2 + 4595,093 • w -1344,991) + Е • (3445,975 • w2 -
- 4172,843 • +1231,386) + (-860,825 • w2 +1051,448 • w - 314,241)]. (2)
Заключение
Обобщая результаты исследования, можно сделать следующие выводы о влиянии варьируемых факторов на целевую функцию.
Влияние начальной влажности препарата. Рост съема сухого продукта при уменьшении начальной влажности препарата «Бифидумбактерин» (рис. 2) объясняется тем, что сокращается количество удаляемой влаги, а следовательно, и продолжительность процесса сушки.
Влияние толщины слоя высушиваемого продукта. Полученные результаты (рис. 2) свидетельствуют о том, что при увеличении толщины слоя высушиваемого продукта величина удельного съема увеличивается до определенного значения к, дальнейшее увеличение толщины слоя ведет к снижению показателя целевой функции. Это объясняется как уменьшением прогрева, так и затруднениями, связанными с отводом испарившейся влаги из глубинных слоев продукта.
Рис. 2. Поле значений удельного съема сухого продукта с единицы площади при варьируемом факторе начальной влажности: wн = 0,7-0,05 кг/кг
Влияние плотности теплового потока. С увеличением плотности теплового потока производительность существенно увеличивается (рис. 2), но при этом увеличивается температура продукта, что нежелательно, особенно при низкой влажности, и термовоздействие, которое учитывает не только величину температуры, но и время теплообмена, что определяет температуру продукта и его качественное изменение. Значение температуры продукта лимитируется вследствие недопустимости термоинактивации бифидобактерий. Анализ качественных показателей препарата «Бифидумбактерин» в результате комплекса экспериментов и теоретического анализа технологических требований позволил рекомендовать верхний предел температуры препарата (338 К).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Карпов А. М., Саруханов А. В. Теплофизические и физико-химические характеристики продуктов микробиологического синтеза: Справ. - М.: Агропромиздат, 1987. - 224 с.
2. Лыков А. В. Тепломассобмен. - М.: Энергия, 1978. - 478 с.
3. Алексанян И. Ю., Буйнов А. А. Высокоинтенсивная сушка пищевых продуктов. Пеносушка. Теория. Практика. Моделирование: Моногр. - Астрахань: Изд-во АГТУ, 2004. - 380 с.
4. Лыков А. В., Михайлов Ю. А. Теория тепло- и массопереноса. - М.: Госэнергоиздат, 1963. - 536 с.
5. Пригожин И. Введение в термодинамику необратимых процессов. - М.: Изд-во иностр. лит-ры, 1960.
6. Хургин Н. К. Адсорбция паров воды химотрипсином и лизоцином. - М., 1972. - С. 485-492.
7. Расчет кинетики и динамики процессов конвективной сушки / С. П. Рудобашта и др. // Теор. основы хим. технологии. - 1991. - Т. 25, № 1. - С. 25-31.
8. Рудобашта С. П. Роль математического моделирования при контроле и управлении качеством дисперсных высушиваемых материалов // Теплофизические измерения при контроле и управлении качеством: Материалы Пятой Междунар. теплофиз. школы 20-24 сентября 2004 г. - Тамбов. - Т. 1. - С. 42-73.
9. Рудобашта С. П., Долгунин В. Н., Плановский А. Н. // Исследование массо- и теплопереноса при сушке гранулированного материала в плотном продуваемом слое // Теоретические основы химической технологии. - 1977. - Т. 11, № 6. - С. 839-847.
10. Рудобашта С. П., Долгунин В. Н., Плановский А. Н. Зональный расчет кинетики сушки гранулированного материала в плотном продуваемом слое на основе решений уравнений массо- и теплопереноса // Теоретические основы химической технологии. - 1978.- Т. 12, № 12.- С. 173-183.
Статья поступила в редакцию 17.10.2006
INTENSIFICATION OF HEAT-MASS EXCHANGE PROCESSES IN PRODUCTION OF "BIFIDUMBACTERINUM DRY” PREPARATION
V. V. Ermolaev, V. V. Daviduk, L. H.-A. Saipova
Now for drying of microbiological preparations we widely apply the method of sublimation drying, possessing a number of lacks. Search and development of a new kind of dehydration will allow, in particular considerably to lower the cost of the end product. Series of experiments on preparation drying are led with the vacuum drying at infrared energy admission. The dry product removal rate is accepted as an objective function. The statistical analysis of experimental data and their computer processing by means of the processor of spreadsheets Excel in the environment of OS Windows XP have allowed to receive adequate mathematical polynomial dependence. An estimation of reliability of approximation R2 from varied parameters for dependence not less than 0.9.
