7. Analizowanie procesów technologicznych produkcji leków

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

MINISTERSTWO EDUKACJI NARODOWEJ Alina Krawczak

Analizowanie procesów technologicznych produkcji leków 322[10].Z1.03 Poradnik dla ucznia Wydawca Instytut Technologii Eksploatacji – Państwowy Instytut Badawczy Radom 2007


1

Recenzenci: dr hab. Anna Gumieniczek dr Dorota Kowalczuk Opracowanie redakcyjne: mgr Alina Krawczak Konsultacja: dr hab. inż. Henryk Budzeń Poradnik stanowi obudowę dydaktyczną programu jednostki modułowej 322[10].Z1.03 „Analizowanie procesów technologicznych produkcji leków”, zawartego w modułowym programie nauczania dla zawodu technik farmaceutyczny. Wydawca Instytut Technologii Eksploatacji – Państwowy Instytut Badawczy, Radom 2007


2

SPIS TREŚCI

1. Wprowadzenie 4 2. Wymagania wstępne 6 3. Cele kształcenia 7 4. Materiał nauczania 8

4.1. Podstawowe zasady technologii chemicznej 8 4.1.1. Materiał nauczania 8 4.1.2. Pytania sprawdzające 10 4.1.3. Ćwiczenia 10 4.1.4. Sprawdzian postępów 11

4.2. Przepływ płynów 12 4.2.1. Materiał nauczania 12 4.2.2. Pytania sprawdzające 13 4.2.3. Ćwiczenia 13 4.2.4. Sprawdzian postępów 14

4.3. Rozdzielanie 15 4.3.1. Materiał nauczania 15 4.3.2. Pytania sprawdzające 16 4.3.3. Ćwiczenia 17 4.3.4. Sprawdzian postępów 18

4.4. Rozdrabnianie i mieszanie 19 4.4.1. Materiał nauczania 19 4.4.2. Pytania sprawdzające 19 4.4.3. Ćwiczenia 20 4.4.4. Sprawdzian postępów 21

4.5. Procesy przenoszenia ciepła 22 4.5.1. Materiał nauczania 22 4.5.2. Pytania sprawdzające 23 4.5.3. Ćwiczenia 23 4.5.4. Sprawdzian postępów 24

4.6. Destylacja, absorpcja, ekstrakcja, krystalizacja 25 4.6.1. Materiał nauczania 25 4.6.2. Pytania sprawdzające 26 4.6.3. Ćwiczenia 27 4.6.4. Sprawdzian postępów 28

4.7. Bilanse i wskaźniki produkcji 29 4.7.1. Materiał nauczania 29 4.7.2. Pytania sprawdzające 29 4.7.3. Ćwiczenia 30 4.7.4. Sprawdzian postępów 30

4.8. Gospodarka wodna i ochrona powietrza 31 4.8.1. Materiał nauczania 31 4.8.2. Pytania sprawdzające 32 4.8.3. Ćwiczenia 32 4.8.4. Sprawdzian postępów 33


3

4.9. Wytwarzanie wybranych środków leczniczych 34 4.9.1. Materiał nauczania 34 4.9.2. Pytania sprawdzające 38 4.9.3. Ćwiczenia 38 4.9.4. Sprawdzian postępów 40

5. Sprawdzian osiągnięć 41 6. Literatura 46


4

1. WPROWADZENIE Poradnik ten pomoże Ci w przyswojeniu wiedzy teoretycznej oraz opanowaniu

umiejętności analizowania procesów technologicznych produkcji leków, a także w organizacji procesu samokształcenia.

W poradniku zamieszczono: − wykaz niezbędnej wiedzy i umiejętności, które powinieneś posiadać przystępując do nauki

analizowania procesów technologicznych i produkcji leków, − wykaz wiedzy i umiejętności, jakie ukształtujesz podczas realizacji programu jednostki

modułowej, − materiał nauczania omawiający zagadnienia dotyczące procesów technologicznych

produkcji leków, pozwalający samodzielnie przygotować się do ćwiczeń, − pytania sprawdzające opanowanie przez Ciebie podanych treści, − ćwiczenia umożliwiające nabycie praktycznych umiejętności z wykorzystaniem zalecanych

metod nauczania i środków dydaktycznych, − sprawdzian postępów, który po zrealizowaniu każdego podrozdziału pozwoli Ci ocenić

stan Twojej wiedzy oraz wskazać materiał nauczania, który nie został przez Ciebie w pełni opanowany,

− zestaw zadań testowych potwierdzający opanowanie wiedzy i umiejętności z zakresu całej jednostki modułowej. Rozwiązanie przykładowego testu, zgodnie z instrukcją będzie dla ciebie formą treningu przed testem zaplanowanym przez nauczyciela.

− wykaz literatury związany z tematyką jednostki modułowej.


5

Schemat układu jednostek modułowych

322[10].Z1 Podstawy analizy i wytwarzania produktów

leczniczych

322[10].Z1.01 Wykonywanie analizy jakościowej i ilościowej produktów leczniczych

322[10].Z1.02 Pozyskiwanie i przetwarzanie leczniczych

surowców roślinnych

322[10].Z1.03 Analizowanie procesów technologicznych

produkcji leków


6

2. WYMAGANIA WSTĘPNE Przystępując do realizacji programu jednostki modułowej powinieneś umieć:

− przestrzegać zasad bezpieczeństwa i higieny pracy, zasad ergonomii oraz regulaminu pracowni,

− współpracować w grupie, − korzystać z Farmakopei Polskiej, − poszukiwać informacji z różnych źródeł, − posługiwać się terminologią chemiczną, − interpretować podstawowe pojęcia fizyczne i chemiczne, − opisywać podstawowe reakcje chemiczne, − dokumentować obserwacje i podejmowane działania.


7

3. CELE KSZTAŁCENIA W wyniku realizacji programu jednostki modułowej powinieneś umieć:

− określić podstawowe zasady prowadzenia procesów technologicznych, − scharakteryzować procesy technologiczne wybranych postaci leków, − wykonać podstawowe obliczenia wydajności procesów technologicznych, − wykonać podstawowe obliczenia ilości substratów potrzebnych do produkcji leków, − określić rolę substancji pomocniczych w procesie technologicznym, − zapisać i odczytać równania reakcji chemicznych otrzymywania wybranych substancji

leczniczych, − wykonać bilans materiałowy i energetyczny wybranych procesów technologicznych, − posłużyć się instrukcjami i normami stosowanymi w przemyśle farmaceutycznym.


8

4. MATERIAŁ NAUCZANIA

4.1. Podstawowe zasady technologii chemicznej 4.1.1. Materiał nauczania

Technologia chemiczna jest dziedziną wiedzy o procesach produkcyjnych, których celem jest zmiana składu chemicznego surowców przetwarzanych w produkty. W tych procesach zmiany składu przetwarzanego materiału zachodzą przeważnie w wyniku reakcji chemicznych, które prowadzi się w odpowiednio zaprojektowanych aparatach – reaktorach.

Proces technologiczny jest to zorganizowany zbiór czynności, zwanych operacjami jednostkowymi albo procesami jednostkowymi, w wyniku których surowiec zostaje przetworzony w pożądany produkt. W toku całego procesu wykonuje się wiele takich operacji, w których przetwarzane materiały ulegają przemianom chemicznym i fizycznym.

Układem technologicznym (ciągiem technologicznym) nazywamy zespół podstawowych aparatów i urządzeń produkcyjnych służących do przeprowadzenia procesu technologicznego, współdziałających ze sobą według określonego planu.

Oprócz podstawowej aparatury produkcyjnej wykorzystuje się liczne obiekty pomocnicze, jedne służą do transportu materiałów, inne do ich przechowywania. Istotną rolę odgrywają także urządzenia, za pomocą których kieruje się procesem, kontrolując przebieg jego poszczególnych etapów.

Instalacja produkcyjna jest to kompletna aparatura złożona z urządzeń produkcyjnych i pomocniczych, wykonująca określony program produkcyjny. Instalacja produkcyjna działa w powiązaniu z otoczeniem. Z zewnątrz doprowadza się surowce oraz niezbędną energię, odprowadza produkty i odpady produkcyjne, a także pewne formy energii np. ciepło zawarte w produkcie lub parze wodnej, w wodzie wykorzystywanej do chłodzenia aparatury. Sposób skutki działania instalacji produkcyjnej danych takich jak; wielkość i skład strumieni materiałów, wielkość i rodzaj strumieni energii, pobieranych i odprowadzanych przez instalację produkcyjną. Na podstawie tych danych wyznacza się wskaźniki techniczno-ekonomiczne charakteryzujące proces technologiczny.

Aparaty i urządzenia stosowane w instalacjach przemysłu chemicznego dzieli się na cztery podstawowe grupy: − aparaty, w których prowadzi się reakcje chemiczne (reaktory), − aparaty, w których prowadzi się procesy fizyczne, − urządzenia do transportu materiałów, − urządzenia, pomieszczenia i place magazynowe do przechowywania surowców,

produktów, półproduktów oraz odpadów. Niektóre aparaty są tak zaprojektowane, że prowadzi się w nich kilka różnych operacji.

Organizacja procesów produkcyjnych Wyodrębnia się trzy podstawowe poziomy organizacji procesów produkcyjnych:

− organizacja procesu w pojedynczym aparacie, − organizacja układu technologicznego (złożonego z wielu części składowych), − organizacja całego przedsiębiorstwa (lub jego wyodrębnionej części – zakładu, oddziału).

Wartość rozwiązań technologicznych ocenia się biorąc pod uwagę skuteczność procesów produkcyjnych i cztery podstawowe zasady: − zasada najlepszego wykorzystania surowców, − zasada najlepszego wykorzystania energii, − zasada najlepszego wykorzystania aparatury, − zasada umiaru technologicznego.


9

Technologia chemiczna obejmuje duży i różnorodny obszar wytwórczości, od produkcji prostych chemikaliów do złożonych procesów wytwarzania kosztownych materiałów preparatów o szczególnych właściwościach np. leków. Kierunki rozwoju to: − opracowanie nowych produktów, − wytwarzanie znanych materiałów w nowej postaci (np. monokryształy), − racjonalizacja gospodarki surowcami i energią, − wdrażanie technologii, które chronią środowisko i społeczeństwa przed zagrożeniami

związanymi z rozwojem cywilizacji. Przed projektowaniem instalacji przemysłu chemicznego ustala się chemiczną koncepcję

procesu, określa reakcje, które trzeba przeprowadzić, aby otrzymać pożądany produkt. Przeprowadza się analizę porównawczą zalet i wad kilku możliwych metod produkcji: a) różne surowce wyjściowe, ale ten sam produkt, b) ten sam surowiec wyjściowy i produkt końcowy, ale inne reakcje pośrednie.

W zależności od możliwości aparaturowych i zaopatrzenia w surowce ustala się chemizm procesu uwzględniając spodziewany stopień trudności technicznych oraz wskaźniki techniczno-ekonomiczne produkcji. Po przeprowadzonej analizie ustala się kolejność i rodzaj procesów prowadzących od surowców wyjściowych do produktu końcowego.

Procesy podstawowe to pewne powtarzające się w wielu produkcjach procesy chemiczne. Należą do nich takie procesy jak: − sulfonowanie, − fluorowanie, − nitrowanie, − alkilowanie. Według warunków, w jakich przebiegają procesy podstawowe dzieli się je na: − wysokotemperaturowe, − wysokociśnieniowe, − roztworowe, − elektrochemiczne. Najlepsze wykorzystanie surowców określa się na podstawie bilansu materiałowego procesu, i zależy ono od: − zasady przeciwprądu materiałowego, − zasady maksymalnego wykorzystania produktów, − zasady indywidualnego regulowania szybkości procesów głównych i ubocznych, − zasady regeneracji materiałów. Najlepsze wykorzystanie energii określa się na podstawie bilansu energetycznego procesu zależy ono od: − zasady odzyskiwania ciepła, − zasady przeciwprądu cieplnego, − zasady wykonywania tylko pracy niezbędnej.

Najlepsze wykorzystanie aparatury osiąga się zarówno dzięki odpowiedniemu poziomowi technicznemu produkcji jak i prawidłowej organizacji pracy (podstawowa zasada to ciągłość pracy).

Umiar technologiczny to dobór optymalnych parametrów procesu na podstawie jego wnikliwej analizy. Optymalne parametry są kompromisem pomiędzy wieloma czynnikami sprzecznie działającymi na proces.


10

4.1.2. Pytania sprawdzające Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

1. Czym zajmuje się technologia chemiczna? 2. Co to jest proces technologiczny? 3. Co to jest układ technologiczny? 4. Co to jest instalacja produkcyjna? 5. Na czym polega organizacja produkcji? 6. Jakie aparaty są stosowane w instalacjach przemysłu chemicznego? 7. Jakie urządzenia stosowane są w produkcji leków? 8. Co to są procesy podstawowe? 9. Jak dzieli się procesy podstawowe? 10. Co to jest umiar technologiczny? 4.1.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

W dostępnej literaturze wyszukaj i narysuj w zeszycie 3 dowolne aparaty, w których prowadzi się reakcje chemiczne.

Sposób wykonania ćwiczenia Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) dobrać i przygotować literaturę niezbędną do wykonania ćwiczenia, 2) przeczytać materiał nauczania z poradnika dla ucznia i poszerzyć wiadomości z literatury

uzupełniającej na dany temat, 3) wybrać i przerysować na podstawie dostępnej literatury i schematów, do zeszytu 3

dowolnie wybrane aparaty, w których prowadzi się reakcje chemiczne, 4) scharakteryzować wybrane aparaty, 5) zapisać zebrane wiadomości i wnioski w zeszycie ćwiczeniowym, 6) zaprezentować efekty swojej pracy na forum grupy.

Wyposażenie stanowiska pracy: − poradnik dla ucznia, − zeszyt i przybory do pisania, − literatura fachowa, − schematy wybranych aparatów. Ćwiczenie 2

W dostępnej literaturze wyszukaj informacje dotyczące najlepszego wykorzystania surowców i energii w procesach technologicznych.



uzupełniającej na dany temat,


11

3) określić na podstawie dostępnej literatury od czego zależy najlepsze wykorzystanie surowców i energii w procesach technologicznych,

4) zapisać zebrane wiadomości i wnioski w zeszycie ćwiczeniowym, 5) zaprezentować efekty swojej pracy na forum grupy.

Wyposażenie stanowiska pracy:

− poradnik dla ucznia, − zeszyt i przybory do pisania, − literatura fachowa. 4.1.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz: Tak Nie

1) określić czym zajmuje się technologia chemiczna? 2) określić co to jest proces technologiczny? 3) określić na czym polega układ technologiczny? 4) wyjaśnić co to jest instalacja produkcyjna? 5) wyjaśnić na czym polega organizacja produkcji? 6) wymienić aparaty stosowane w produkcji leków? 7) wymienić urządzenia stosowane w produkcji leków? 8) wyjaśnić co to są procesy podstawowe? 9) scharakteryzować rodzaje procesów podstawowych? 10) wyjaśnić na czym polega umiar technologiczny?


12

4.2. Przepływ płynów 4.2.1. Materiał nauczania

Przepływ płynów odbywa się pod wpływem różnicy ciśnienia w różnych przekrojach strumienia płynu tj. cieczy lub gazu. Różnica ciśnienia może być wytworzona: − działaniem pompy (lub innej maszyny), − różnicą poziomów (słup cieczy), − różnicą gęstości płynów. Rodzaje przepływu płynów: − ruch uwarstwiony (laminarny) – tory przepływu poszczególnych cząstek są prostolinijne

i równolegle, − ruch burzliwy – poszczególne cząstki poruszają się w sposób nieuporządkowany

z różnymi prędkościami, po torach biegnących w różnych i stale zmieniających się kierunkach.

Warunki przechodzenia jednego rodzaju ruchu w drugi określa się za pomocą bezwymiarowej liczby Reynoldsa Re, która podaje zależność liczbową między prędkością płynu w, średnicą rurociągu D, gęstością płynu e i jego lepkością. Aby obliczyć liczbę Reynoldsa trzeba znać lepkość płynu, którą uzyskuje się z tablic. Przepływ płynów w rurociągu ma charakter: a) uwarstwiony, gdy liczba Re < 2100, b) przejściowy, gdy liczba Re mieści się w zakresie 2100 do 3100, c) burzliwy, gdy liczba Re > 3100. Średnie prędkości liniowe cieczy w różnych przekrojach rurociągu są odwrotnie proporcjonalne do pola tych przekrojów. Im mniejsza jest średnica rurociągu tym większa jest prędkość liniowa. Zmniejszenie się ciśnienia wzdłuż rurociągu jest spowodowane oporami tarcia płynu podczas przepływu i oporami powstającymi przy zmianie kierunku przepływu lub kształtów geometrycznych rurociągu, jego średnicy oraz od prędkości przepływu płynu i jego lepkości.

Rurociągi służą do transportu surowców, półproduktów, produktów o bardzo różnych właściwościach: ciecze, pary, gazy, materiały sypkie.

Transport może odbywać się w temperaturze bardzo niskiej (-200°C) jak również w bardzo wysokiej (1000ºC) oraz pod zmniejszonym ciśnieniem i pod ciśnieniem kilkudziesięciu MPa.

Rurociągi buduje się z żeliwa, stali węglowych oraz tworzyw sztucznych. Obowiązuje oznakowanie rurociągów technologicznych umowną barwą charakteryzującą

rodzaj przetłaczanej substancji np. para – barwa czerwona woda – zielona powietrze – niebieska gaz palny – żółta

Sposób oznakowania rurociągu jest podany w normie. Armatura odcinająca (zawory) umożliwia zamknięcie przekroju rurociągu w celu

przerwania przepływu strumienia płynu lub jego otwarcia w celu wznowienia przepływu. Konstrukcję i materiał zaworów dobiera się w zależności od średnicy rurociągu, temperatury, ciśnienia i właściwości fizykochemicznych transportowanego płynu. Ze względu na sposób zamykania zawory dzieli się na kurki, zawory grzybkowe.


13

Pompy stosowane są w celu przesyłania cieczy rurociągiem z poziomu niższego na wyższy lub do innego punktu leżącego na tym samym poziomie. Pracę pompy charakteryzuje: wydajność, użyteczna wysokość podnoszenia cieczy i sprawność. Sprawność pompy zależy od jej konstrukcji i stanu technicznego. Wyróżnia się następujące rodzaje pomp: − pompy wirowe (odśrodkowe) – ssanie i tłoczenie cieczy zachodzi pod działaniem siły

odśrodkowej, powstającej podczas obracania się silnika, − pompy tłokowe.

Wybór pompy uzależniony jest od zadania jakie ma spełnić i warunków w jakich ma pracować.

Dokładne wskazówki dotyczące obsługi pomp wirowych i tłokowych są zawarte w instrukcjach obsługi pomp oraz w instrukcjach obsługi stanowiska pracy. 4.2.2 Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

1. W jaki sposób odbywa się przepływ płynów? 2. W jaki sposób można wytworzyć różnicę ciśnień? 3. Jakie znasz rodzaje przepływu płynów? 4. Co to jest liczba Reynoldsa? 5. Od czego zależą średnie prędkości liniowe cieczy? 6. Co to są rurociągi? 7. Jak zbudowane są rurociągi technologiczne? 8. Do czego służy aparatura odcinająca? 9. Do czego służą pompy? 10. Jakie są rodzaje pomp? 4.2.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Przeanalizuj instrukcję obsługi pompy tłokowej, scharakteryzuj niebezpieczeństwa wynikające z nie stosowania się do instrukcji.



uzupełniającej na dany temat, 3) przeczytać instrukcję obsługi pompy tłokowej, 4) scharakteryzować niebezpieczeństwa wynikające z nie stosowania się do instrukcji, 5) zapisać zebrane wiadomości i wnioski w zeszycie ćwiczeniowym, 6) zaprezentować efekty swojej pracy na forum grupy.


− poradnik dla ucznia, − zeszyt i przybory do pisania, − literatura fachowa, − instrukcje obsługi pomp tłokowych.


14

Ćwiczenie 2 Sklasyfikuj pompy stosowane w procesach technologicznych, scharakteryzuj wybrane

pompy. Sposób wykonania ćwiczenia Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) dobrać i przygotować literaturę niezbędną do klasyfikowania pomp, 2) przeczytać materiał nauczania z poradnika dla ucznia i poszerzyć wiadomości z literatury

uzupełniającej na dany temat, 3) dokonać, na podstawie dostępnej literatury i schematów budowy pomp, klasyfikacji pomp

według działania, 4) scharakteryzować wybrane pompy, 5) zapisać zebrane wiadomości i wnioski w zeszycie ćwiczeniowym, 6) zaprezentować efekty swojej pracy na forum grupy.


− poradnik dla ucznia, − zeszyt i przybory do pisania, − literatura fachowa, − schematy pomp. 4.2.4. Sprawdzian postępów


1) wyjaśnić w jaki sposób odbywa się przepływ płynów? 2) wyjaśnić w jaki sposób można wytworzyć różnicę ciśnień? 3) określić rodzaje przepływu płynów? 4) wyjaśnić co to liczba Reynoldsa? 5) wyjaśnić od czego zależą średnie prędkości liniowe cieczy? 6) wyjaśnić co to są rurociągi? 7) wymienić urządzenia stosowane w produkcji leków? 8) wyjaśnić jak zbudowane są rurociągi technologiczne? 9) wyjaśnić do czego służy aparatura odcinająca? 10) określić do czego służą pompy? 11) objaśnić budowę pomp?


15

4.3. Rozdzielanie 4.3.1. Materiał nauczania

W trakcie przygotowania surowców lub procesów technologicznych otrzymuje się mieszaniny składające się z płynu (ciecz lub gaz) i zawieszonych w nim cząsteczek ciała stałego. Cząstki ciała stałego można oddzielić przeprowadzając procesy, w których uwzględnia się ruch ciała stałego w płynie. Ruch ten zachodzi najczęściej pod działaniem siły ciężkości lub sił pola elektrycznego lub sił bezwładności. Rozdzielanie układów gazowych

Niejednorodny układ gazowy składa się z ośrodka rozpraszającego (gazu) i zawieszonych w nim cząsteczek ciała stałego lub kropelek cieczy. Stosuje się następujące metody: − odpylanie gazów pod działaniem siły ciężkości (ciężkie pylinki grawitacyjnie opadają na

dno), − odpylanie gazów pod działaniem siły bezwładności (w cyklonie cząstki mające większą

gęstość niż gaz przy ruchu wirowym gromadzą się przy ściance i opadają na dół), − elektryczne odpylanie gazów (gaz między elektrodami elektrofiltru pod wpływem pola

elektrycznego ulega jonizacji i kieruje się do elektrody osadczej, traci ładunek i opada na dno),

− fluidyzacja (rozdrobnione ciała stałe są zawieszane w płynącym do góry strumieniu gazu, gdy prędkość gazu przekroczy pewną wartość graniczną cząsteczki ciała stałego oddalają się i tworzy się warstwa fluidalna),

Rozdzielanie zawiesin Zawiesinę ciała stałego w cieczy tworzy układ rozpraszającej fazy ciekłej i zawieszonej w niej cząsteczki ciała stałego. W zależności od rozdrobnienia fazy stałej wyróżnia się kilka rodzajów zawiesin. Do rozdzielania zawiesin stosuje się metody: sedymentacja, filtracja, wirowanie.

Sedymentacja jest to opadanie pod działaniem siły ciężkości cząstek ciała stałego zawieszonego w cieczy. Wykorzystuje się różnicę gęstości ciała stałego i cieczy stanowiącej fazę rozpraszającą. W wyniku sedymentacji powstają dwa rodzaje osadów: − osady o dużych ziarnach osadzają się na dnie naczynia, w którym prowadzi się

sedymentację i występuje wyraźna granica między osadem i oczyszczoną cieczą, − osady o małych ziarnach nie mają takiej granicy, a przy dnie zbiornika występuje tylko

zwiększone stężenie ciała stałego (zagęszczenie). Sedymentację przeprowadza się w aparatach zwanych odstojnikami.

Filtracja jest to rozdzielenie składników mieszaniny cieczy lub gazu z zawieszonymi cząstkami ciał stałych za pomocą przegrody przepuszczalnej dla płynu, a nie przepuszczalnej dla cząstek ciała stałego. Ciecz przepływa przez pory materiału a cząstki ciała stałego są zatrzymane na nim. Klarowna ciecz oddzielona od cząsteczek fazy stałej stanowi przesącz a na materiale filtracyjnym zbiera się osad. Jako materiałów filtracyjnych używa się różnych ciał porowatych.

Filtrację przeprowadza się w aparatach zwanych filtrami. Ze względu na stosowanie w procesie ciśnienia filtry dzieli się na ciśnieniowe, próżniowe i pracujące pod ciśnieniem hydrostatycznym słupa cieczy filtrowanej. Ze względu na rodzaj materiału filtracyjnego dzieli się je na filtry z ziarnistą przegrodą filtracyjną, ceramiczne, filtry z półprzepuszczalną przegrodą ceramiczna oraz filtry, których przegrodę filtracyjną stanowi tkanina.

Wirowanie pozwala rozdzielić mieszaninę dwóch lub więcej składników o różnych gęstościach jeżeli jeden z tych składników jest ciekły. Praca wirówek polega na wykorzystaniu siły odśrodkowej. Na ściance bębna wirówki zbiera się warstwa materiału o większej gęstości.


16

Ze względu na konstrukcję dzieli się wirówki na kolumnowe, pionowe, poziome, automatyczne i półautomatyczne. Rozdzielanie mieszanin ciał stałych

Klasyfikacja jest to rozdzielanie materiałów sypkich wg rozmiarów (kawałków lub ziaren). Wyróżnia się: − klasyfikację hydrauliczną, która polega na wydzieleniu frakcji (klas) ziaren odznaczających

się jednakową prędkością opadania w wodzie (ziarna mniejsze od 2 mm) − klasyfikację mechaniczną na sitach (zwykłych, bębnowych, wibracyjnych i innych), (ziarna

o wielkości od 1 do 250 mm) − separację powietrzną polegającą na rozdzieleniu materiału na frakcje ziaren

odznaczających się jednakowa prędkością opadania w powietrzu (ziarna mniejsze od 2 mm). Sortowanie jest to przygotowanie produktów o z góry ustalonym uziarnieniu. Przy

sortowaniu stosuje się wyżej wymienione metody klasyfikacji. Flotacja jest to rozdzielanie drobnych ziaren różnych ciał stałych, wykorzystując różne

stopnie zwilżalności cieczą powierzchni ziaren oraz z ich różną zdolnością przywierania do pęcherzyków powietrza. Przeprowadza się ją we flotownikach. Drobno zmielony surowiec miesza się z wodą, dodaje pewną ilość reagentów flotacyjnych ułatwiających przebieg flotacji i otrzymaną w ten sposób zawiesinę przedmuchuje się powietrzem. Wskutek różnych właściwości zwilżających jedne składniki zwilżone wodą opadają na dno inne natomiast (niezwilżone wodą) adsorbują reagenty flotacyjne i tworzą aglomeraty z pęcherzykami wdmuchiwanego powietrza. Średnia gęstość ciała stałego i przyłączonego pęcherzyka powietrza jest mniejsza od gęstości wody. W efekcie cząsteczka ciała stałego jest uniesiona na powierzchnię cieczy i tworzy pianę. Pianę oddziela się od zawiesiny w specjalnych odstojnikach. Reagenty flotacyjne dzieli się na: − środki pianotwórcze, − środki zbierające (kolektory), − depresory, − aktywatory.

4.3.2 Pytania sprawdzające


1. Na czym polega oddzielanie cząstek stałych od płynów? 2. Jakie metody stosuje się do rozdzielania układów gazowych? 3. Jakie metody stosuje się do rozdzielania zawiesin? 4. Co to jest sedymentacja? 5. Co to jest filtracja? 6. Jak zbudowane są filtry? 7. Co to jest wirowanie? 8. Na czym polega klasyfikacja? 9. Jakie znasz rodzaje klasyfikacji? 10. Co to jest sortowanie? 11. Jak przebiega flotacja?


17

4.3.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1 Przeanalizuj instrukcję obsługi wirówki, scharakteryzuj niebezpieczeństwa wynikające

z nie stosowania się do instrukcji. Sposób wykonania ćwiczenia Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:


uzupełniającej na dany temat, 3) przeczytaj instrukcję obsługi wirówki, 4) scharakteryzować niebezpieczeństwa wynikające z nie stosowania się do instrukcji, 5) zapisać zebrane wiadomości i wnioski w zeszycie ćwiczeniowym, 6) zaprezentować efekty swojej pracy na forum grupy.


– poradnik dla ucznia, – zeszyt i przybory do pisania, – literatura fachowa, – instrukcje obsługi wybranych wirówek. Ćwiczenie 2

Określ budowę filtrów stosowanych w procesach technologicznych. Sposób wykonania ćwiczenia Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) przeczytać materiał nauczania z poradnika dla ucznia i poszerzyć wiadomości z literatury uzupełniającej,

2) odszukać w dostępnej literaturze schematy filtrów (ramowa prasa filtracyjna, obrotowy filtr próżniowy),

3) przerysować schematy do zeszytu ćwiczeń, 4) odszukać różnice w budowie filtrów, 5) zapisać wszystkie informacje w zeszycie, 6) określić, w jaki sposób budowa filtrów wpływa na ich przydatność do oczyszczania

produktów otrzymywanych w procesach technologicznych, 7) przedstawić wszystkie spostrzeżenia i efekty swojej pracy na forum grupy.


− poradnik dla ucznia, − literatura fachowa, − schematy filtrów, − zeszyt i przybory do pisania.


18

4.3.4. Sprawdzian postępów


1) wyjaśnić na czym polega oddzielanie cząstek stałych od płynów? 2) wyjaśnić na czym polega oddzielanie układów gazowych? 3) określić metody stosowane do rozdzielania zawiesin? 4) wyjaśnić co to jest sedymentacja? 5) wyjaśnić co to jest filtracja? 6) opisać budowę filtrów? 7) wyjaśnić na czym polega wirowanie? 8) wyjaśnić na czym polega klasyfikacja? 9) wymienić rodzaje klasyfikacji? 10) określić co to jest sortowanie? 11) objaśnić przebieg flotacji?


19

4.4. Rozdrabnianie i mieszanie 4.4.1. Materiał nauczania

Rozdrabnianie ma na celu zwiększenie powierzchni ciał stałych, a to z kolei ma wpływ na

zwiększenie szybkości procesu oraz na wydajność i jakość otrzymanych produktów. W zależności od rozmiaru największych brył w wyjściowym materiale i materiale po rozdrobnieniu wyróżnia się następujące rodzaje rozdrobnienia: wstępne, średnie i drobne.

Sposób rozdrobnienia zależy od właściwości rozdrabnianego materiału (głównie twardości i kształtu): − materiał bardzo twardy – uderzenie i zgniatanie, − materiał miękki – ścieranie, − materiał kruchy – rozłupywanie.

Rozdrabnianie ciał stałych jest to proces zmniejszania rozmiarów grubszych brył materiałów stałych.

Mielenie jest to rozdrabnianie brył drobnych. Urządzenia służące do rozdrabniania to: − wstępnego – łamacz szczękowy, − średniego – gniotownik walcowy i gniotownik obiegowy, − drobnego – młyn tarczowy, młyn kulowo-siatkowy.

Mieszanie jest to otrzymywanie możliwie jednorodnej mieszaniny różnych składników. Stosuje się je w celu otrzymania emulsji, zawiesin, mieszanin ciał stałych i gazowych oraz do intensyfikacji procesów przenoszenia masy i ciepła, do rozwinięcia powierzchni ciał reagujących ze sobą, uzyskania mieszaniny wielu ciał o pożądanych właściwościach.

Mieszanie może zachodzić niezależnie od prowadzenia reakcji chemicznej (w specjalnych mieszalnikach) lub jednocześnie z nią (w reaktorach z urządzeniem mieszającym).

Aparatura i sposób mieszania zależy od stanu skupienia substancji biorących udział procesie.

Mechaniczne mieszanie cieczy prowadzi się w mieszadłach: − łapowych, − śmigłowych, − turbinowych − specjalnych.

Mechaniczne mieszanie rozdrobnionych ciał stałych prowadzi się w mieszadłach: − ślimakowych, − bębnowych, − obrotowych z łopatkami.

Przeprowadza się również mieszanie cieczy w rurociągach oraz mieszanie pneumatyczne (barbotaż) polegające na przepuszczeniu przez ciecz małych pęcherzyków powietrza, gazu lub pary wodnej. 4.4.2. Pytania sprawdzające


1. W jakim celu stosuje się rozdrabnianie? 2. Od czego zależy sposób rozdrabniania? 3. Na czym polega rozdrabnianie ciał stałych? 4. Jak zbudowane są urządzenia do rozdrabniania?


20

5. Co to jest mielenie? 6. W jakim celu stosuje się mieszanie? 7. W jakich urządzeniach prowadzi się mieszanie? 4.4.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1 Scharakteryzuj urządzenia do rozdrabniania.


1) dobrać i przygotować literaturę niezbędną do charakteryzowania i opisywania urządzeń do rozdrabniania,


3) przeczytać uważnie treść ćwiczenia, 4) określić na podstawie literatury właściwości urządzeń służących do rozdrabniania, 5) określić twardość i kształt materiałów poddawanych rozdrabnianiu, 6) zapisać wszystkie informacje i wnioski w zeszycie, 7) przedstawić spostrzeżenia i efekty swojej pracy na forum grupy.

Wyposażenie stanowiska pracy: − poradnik dla ucznia, − literatura fachowa, − schematy urządzeń do rozdrabniania, − próbki materiałów do rozdrabniania, − zeszyt i przybory do pisania. Ćwiczenie 2 Scharakteryzuj urządzenia do mieszania.


1) dobrać i przygotować literaturę niezbędną do charakteryzowania i opisywania urządzeń do mieszania,


3) przeczytać uważnie treść ćwiczenia, 4) określić na podstawie literatury właściwości urządzeń służących do mieszania, 5) zapisać wszystkie informacje i wnioski w zeszycie, 6) przedstawić spostrzeżenia i efekty swojej pracy na forum grupy.


21

Wyposażenie stanowiska pracy: − poradnik dla ucznia, − literatura fachowa, − schematy urządzeń do mieszania, − próbki materiałów do mieszania, − zeszyt i przybory do pisania. 4.4.4. Sprawdzian postępów


1) wyjaśnić w jakim celu stosuje się rozdrabnianie? 2) wyjaśnić od czego zależy sposób rozdrabniania? 3) wyjaśnić na czym polega rozdrabnianie ciał stałych? 4) scharakteryzować budowę urządzeń do rozdrabniania? 5) wyjaśnić co to jest mielenie? 6) wyjaśnić w jakim celu prowadzi się mieszanie? 7) określić w jakich urządzeniach prowadzi się mieszanie? 8) objaśnić rodzaje mieszadeł?


22

4.5. Procesy przenoszenia ciepła 4.5.1. Materiał nauczania

Większość procesów technologicznych do prawidłowego przebiegu wymaga określonych temperatur osiąganych przez odprowadzenie lub doprowadzenie ciepła. Przenoszenie ciepła może się odbywać przez promieniowanie, przewodzenie i konwekcję.

Promieniowanie – każde ciało mające temperaturę wyższą od -273, 15oC (tj.0oK) wysyła promieniowanie temperaturowe (cieplne). Gdy promieniowanie cieplne wyemitowane przez jedno ciało padnie na powierzchnię drugiego ciała, to część energii promieniowania zostanie pochłonięta, część – odbita a część – przepuszczona. Pochłonięta przez ciało energia promieniowania powoduje wzrost jego temperatury. Promieniowanie cieplne jest emitowane przez ciała stałe, ciecze i niektóre gazy.

Przewodzenie ciepła – polega na przekazywaniu energii kinetycznej cząsteczek o wyższej temperaturze sąsiednim cząsteczkom o mniejszej energii, a więc o niższej temperaturze. Aby mogło zachodzić przenoszenie ciepła przez przewodzenie musi istnieć różnica temperatury między dwoma punktami ciała lub stykających się ciał.

Konwekcja ciepła – jest to przenoszenie ciepła przez cząstki płynu znajdującego się w ruchu. Im bardziej gwałtowny jest ruch płynu (mieszanie, wiry) tym bardziej intensywna jest konwekcja ciepła. Konwekcja ciepła może być: − naturalna (swobodna) związana z ruchem płynu wskutek wystąpienia różnicy temperatury

(gęstości) między różnymi warstwami płynu, − wymuszona, spowodowana ruchem wzbudzonym sztucznie (pompa, mieszadło). Wnikanie ciepła przez konwekcję jest to przenoszenie ciepła między płynem a ścianką, wzdłuż której przepływa strumień płynu. Wyróżnia się dwa rodzaje wnikania ciepła od płynu do ścianki i od ścianki do płynu.

Wnikanie ciepła przy wrzeniu. Wrzenie jest możliwe przy przegrzaniu cieczy. Pęcherzyki pary powstają w określonych punktach powierzchni ścianki (ośrodki wrzenia). Powodują burzliwy ruch cieczy przy powierzchni grzejnej (wrzenie pęcherzykowe). Dzięki temu zwiększa się wartość współczynnika wnikania ciepła i poprawiają się warunki wnikania ciepła przez konwekcję. Przy dużej różnicy temperatury grzejnej i pary nad cieczą ilość pęcherzyków wzrasta i na powierzchni grzejnej powstaje ciągła warstewka pary i wówczas wartość współczynnika wnikania ciepła gwałtownie zmniejsza się, ponieważ warstewka pary izoluje ciecz od powierzchni grzejnej. W przemyśle chemicznym stosuje się wyparki zbudowane z rurek, w których wrze ciecz. W miarę przesuwania się wrzącej cieczy w rurkach rośnie objętość właściwa mieszaniny ciecz – para co powoduje wzrost jej prędkości i lepszą konwekcję ciepła.

Wnikanie ciepła przy skraplaniu. Skraplająca się para osadza się na powierzchni chłodzącej w postaci warstewki ciągłej lub w postaci kropel. Zależnie od sposobu osadzania wyróżnia się skraplanie warstewkowe lub kroplowe.

Przenikanie ciepła jest to przenoszenie ciepła od jednego płynu poprzez ściankę do drugiego płynu. Składa się na to: − wnikanie ciepła od płynu o wyższej temperaturze do ścianki, − przewodzenie przez ściankę, − wnikanie ciepła od ścianki do płynu o niższej temperaturze. Przenikanie ciepła przez ściankę zależy w dużym stopniu od kierunku przepływu płynów: − współprąd – dwa płyny przepływają wzdłuż dzielącej je ścianki w tym samym kierunku,


23

− przeciwprąd – dwa płyny przepływają wzdłuż dzielącej je ścianki w kierunkach przeciwnych,

− prąd skrzyżowany – kierunki przepływu płynów są wzajemnie prostopadłe. Ogrzewanie jest niezbędne do przyspieszenia przebiegu wielu reakcji chemicznych oraz

przy prowadzeniu takich procesów jak destylacja, suszenie itp. Bezpośrednimi źródłami ciepła są gazy spalinowe i prąd elektryczny. Pośrednio przenoszą

ciepło płyny ogrzewające. Pośredniczą one w przenoszeniu ciepła pomiędzy źródłem ciepła a ogrzewaną substancją. Są to; para wodna, gorąca woda, oleje mineralne, ciecze wysokowrzące i ich pary, niektóre węglowodory, metale i sole w stanie ciekłym. Wybór płynu ogrzewającego i metody ogrzewania zależy od temperatury do jakiej chcemy ogrzać dane środowisko, a także od takich właściwości płynu jak: prężność pary, odporność termiczna, toksyczność i aktywność chemiczna.

Wymienniki ciepła stosuje się do ogrzewania i do schładzania. Są to: − wężownice, chłodnice ociekowe, wymienniki dwururowe, wymienniki płaszczowo-

rurkowe, − wyparki (aparaty wyparne) służą do odparowywania rozpuszczalnika z rozcieńczonych

roztworów soli np. wyparka Roberta. 4.5.2. Pytania sprawdzające


1. Na czym polega zjawisko przenoszenia ciepła? 2. Jakie są bezpośrednie źródła ciepła? 3. Na czym polega pośrednie przenoszenie ciepła? 4. Na czym polega promieniowanie? 5. Na czym polega przewodzenie ciepła? 6. Co to jest konwekcja ciepła? 7. Na czym polega zjawisko wnikania ciepła przy wrzeniu? 8. Na czym polega zjawisko wnikania ciepła przy skraplaniu? 9. Do czego służą wymienniki ciepła? 4.5.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1 Scharakteryzuj budowę wężownicy.


1) dobrać i przygotować literaturę niezbędną do charakteryzowania i opisywania wężownic, 2) przeczytać materiał nauczania z poradnika dla ucznia i poszerzyć wiadomości z literatury

uzupełniającej, 3) przeczytać uważnie treść ćwiczenia, 4) określić na podstawie literatury budowę wybranej wężownicy, 5) zapisać wszystkie informacje i wnioski w zeszycie, 6) przedstawić spostrzeżenia i efekty swojej pracy na forum grupy.


24

Wyposażenie stanowiska pracy: − poradnik dla ucznia, − literatura fachowa, − schematy wężownicy, − zeszyt i przybory do pisania. Ćwiczenie 2

Scharakteryzuj budowę wyparki Roberta. Sposób wykonania ćwiczenia Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) dobrać i przygotować literaturę niezbędną do charakteryzowania i opisywania urządzeń do ogrzewania i schładzania,


3) przeczytać uważnie treść ćwiczenia, 4) określić na podstawie literatury budowę wyparki Roberta, 5) zapisać wszystkie informacje i wnioski w zeszycie, 6) przedstawić spostrzeżenia i efekty swojej pracy na forum grupy.

Wyposażenie stanowiska pracy: − poradnik dla ucznia, − literatura fachowa, − schemat budowy wyparki Roberta, − zeszyt i przybory do pisania. 4.5.4. Sprawdzian postępów


1) wyjaśnić na czym polega zjawisko przenoszenia ciepła? 2) scharakteryzować bezpośrednie źródła ciepła? 3) wyjaśnić na czym polega pośrednie przenoszenie ciepła? 4) scharakteryzować promieniowanie? 5) wyjaśnić co to jest przewodzenie ciepła? 6) wyjaśnić co to jest konwekcja ciepła? 7) wyjaśnić zjawisko wnikania ciepła przy wrzeniu? 8) wyjaśnić zjawisko wnikania ciepła przy skraplaniu? 9) opisać budowę wymienników ciepła?


25

4.6. Destylacja, absorpcja, ekstrakcja, krystalizacja 4.6.1. Materiał nauczania

Przenikanie masy jest to wędrowanie składników z jednej fazy do drugiej przez

wytworzoną powierzchnię międzyfazową. Procesy przenikania masy są stosowane do rozdzielania mieszanin np. absorpcja lotnego składnika z fazy gazowej, ekstrakcja rozpuszczalnego składnika z ciała stałego, rozdzielanie składników przez destylację. Dobre warunki do przenikania masy miedzy fazami zależą od konstrukcji aparatu, fizycznych właściwości faz i równowagi między fazami. Przebieg procesów przenikania masy zależy od rozkładu stężeń w stykających się fazach.

Destylację można prowadzić w sposób prosty i ciągły. Destylacja prosta – do aparatu wprowadza się roztwór przeznaczony do rozdestylowania

czyli surówkę i również w sposób jednorazowy lub ciągły odprowadza się destylat otrzymany przy skropleniu par bogatszy w składnik oraz ciecz wyczerpaną czyli pozostałość ciekłą uboższą w ten składnik. Destylację prostą stosuje się w celu rozdzielenia cieczy łatwo lotnej od trudno lotnej lub od nielotnych zanieczyszczeń.

Prostą destylację wielostopniową stosuje się w celu dokładniejszego rozdzielenia mieszaniny kilku cieczy o wzajemnej nieograniczonej rozpuszczalności.

Rektyfikacja prowadzona jest w aparatach zwanych kolumnami rektyfikacyjnymi, w których zachodzi wielokrotna destylacja (odparowywanie i skraplanie). Przebiega tu proces przenikania masy między parami unoszącymi się ku górze kolumny a cieczą spływającą w dół. Każda kolumna rektyfikacyjna składa się dwóch części; – dolna to kolumna odparowująca (odpędowa), – górna – kolumna rektyfikująca (wzmacniająca).

Podstawowym elementem kolumny rektyfikacyjnej są półki: dzwonowe (kołpakowe) lub sitowe. Sprawność półki jest miarą intensywności procesów przenikania masy zachodzących na półce.

Absorpcja jest to pochłanianie gazu przez ciecz. Polega na rozpuszczeniu danego gazu, czyli tzw. absorbatu, w całej masie cieczy zwanej absorbentem. Absorbent w zetknięciu z mieszaniną kilku gazów pochłonie tylko niektóre jej składniki (jest to jego selektywność). Absorpcja za pomocą selektywnych absorbentów jest jedną z metod rozdzielania mieszanin gazowych. Rozpuszczanie określonego składnika mieszaniny gazów, w stykającej się z nią cieczy jest wynikiem przenikania masy (dyfuzji cząsteczek) pomiędzy fazą gazową a fazą ciekłą. Dochodzi do tego, gdy równowaga pomiędzy tymi fazami nie została jeszcze osiągnięta. Dany składnik dyfunduje z fazy, w której jego stężenie jest większe od stężenia równowagowego, do fazy, w której jego stężenie jest mniejsze od równowagowego (w przypadku absorpcji z fazy gazowej do ciekłej). Szybkość tej dyfuzji jest tym większa, im większe jest oddalenie od stanu równowagi. Rozpuszczalność gazów w cieczach maleje ze wzrostem temperatury i wzrasta ze zwiększeniem ciśnienia.

W procesach przemysłowych stosuje się często desorpcję, która jest operacją odwrotną do absorpcji, tj. gaz rozpuszczony w cieczy przenika do stykającej się z nią fazy gazowej. Absorpcję prowadzi się w absorberach. Najczęściej spotykanym typem aparatów absorpcyjnych są kolumny z wypełnieniem (materiał ceramiczny, kwarc, szkło lub metal) w kształcie pierścieni lub siodełka.


26

Ekstrakcja jest to rozdzielanie mieszanin ciekłych lub wydzielanie składników ciał stałych za pomocą ciekłego rozpuszczalnika (ekstrahenta), który selektywnie rozpuszcza tylko wydzielane składniki. Najczęściej spotykana jest ekstrakcja w układzie ”ciecz-ciecz”.

Mieszaninę ciekłą, która ma być rozdzielona przez ekstrakcję, kontaktuje się z ekstrahentem, który jest nierozpuszczalny (lub mało rozpuszczalny) w tej mieszaninie. W efekcie w mieszaninie tworzą się dwie odrębne fazy ciekłe: ekstrakt i rafinat.

Ekstrakt jest roztworem wydzielonych składników w ekstrahencie. Rafinat jest mieszaniną ciekłą uboższą w składniki wydzielane i zawierające zazwyczaj

małe ilości rozpuszczonego ekstrahenta. W warunkach przemysłowych ekstrakcję prowadzi się zgodnie z zasadą przeciwprądu,

przeprowadza się ją w aparaturze do ekstrakcji lub w ciągłych kolumnach ekstrakcyjnych. Krystalizacja jest to wydzielenie z roztworów kryształów substancji stałych. W procesie

krystalizacji wyróżnia się dwa etapy: – powstawanie zarodków krystalicznych wskutek naruszenia równowagi fazowej, – wzrost utworzonych zarodków. Krystalizację przeprowadza się w aparatach zwanych krystalizatorami. Roztwór przesycony utrzymuje się w nich przez schłodzenie roztworu nasyconego, odparowanie części rozpuszczalnika lub jednoczesne schładzanie i odparowywanie.

Suszenie jest to usuwanie wilgoci z materiałów stałych, ciekłych lub gazowych. Wyróżnia się suszenie: – naturalne (zachodzi w powietrzu atmosferycznym bez ogrzewania), – sztuczne (zachodzi pod działaniem podgrzanego czynnika suszącego np. gazy spalinowe,

gorące powietrze, który po wchłonięciu wilgoci z materiału jest następnie usuwany za pomocą specjalnych urządzeń – wentylatorów).

Suszenie przeprowadza się w suszarkach: próżniowych, atmosferycznych (komorowych, bębnowych, wielotaśmowych).

Wilgotnością bezwzględną nazywamy ilość gramów pary wodnej zawartej w 1 m³ powietrza.

Wilgotnością względną nazywamy stosunek pary wodnej zawartej w powietrzu o określonej temperaturze do ilości pary wodnej, która w tej temperaturze nasyca powietrze.

4.6.2. Pytania sprawdzające


1. Co to jest przenikanie masy? 2. Od czego zależy przebieg procesów przenikania masy? 3. Co to jest destylacja? 4. W jaki sposób można prowadzić destylację? 5. Co to jest absorpcja? 6. Co to jest absorbent? 7. Co to jest desorpcja? 8. Co to jest ekstrakcja? 9. Na czym polega krystalizacja? 10. Na czym polega suszenie? 11. Co to jest wilgotność bezwzględna? 12. Co to jest wilgotność względna?


27

4.6.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1 Scharakteryzuj budowę aparatu do destylacji.


1) dobrać i przygotować literaturę niezbędną do charakteryzowania i opisywania urządzeń do destylacji,


3) przeczytać uważnie treść ćwiczenia, 4) określić na podstawie literatury budowę wybranego urządzenia do destylacji, 5) zapisać wszystkie informacje i wnioski w zeszycie, 6) przedstawić spostrzeżenia i efekty swojej pracy na forum grupy.

Wyposażenie stanowiska pracy: – poradnik dla ucznia, – literatura fachowa, – schematy urządzeń do destylacji, − zeszyt i przybory do pisania. Ćwiczenie 2

Przeanalizuj instrukcję obsługi urządzenia do destylacji. Sposób wykonania ćwiczenia Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:


uzupełniającej na dany temat, 3) przeczytaj instrukcję obsługi urządzenia do destylacji, 4) scharakteryzować niebezpieczeństwa wynikające z nie stosowania się do instrukcji, 5) zapisać zebrane wiadomości i wnioski w zeszycie ćwiczeniowym, 6) zaprezentować efekty swojej pracy na forum grupy.


– poradnik dla ucznia, – zeszyt i przybory do pisania, – literatura fachowa, – instrukcje obsługi urządzenia do destylacji.


28



1) wyjaśnić na czym polega zjawisko przenikania masy? 2) wyjaśnić od czego zależy przebieg procesów przenikania masy? 3) wyjaśnić co to jest destylacja? 4) scharakteryzować sposoby prowadzenia destylacji? 5) wyjaśnić co to jest absorpcja? 6) wyjaśnić co to jest desorpcja? 7) wyjaśnić co to jest ekstrakcja? 8) wyjaśnić na czym polega krystalizacja? 9) wyjaśnić co to jest suszenie? 10) wyjaśnić co to jest wilgotność bezwzględna? 11) wyjaśnić co to jest wilgotność względna? 12) opisać budowę urządzeń do destylacji?


29

4.7. Bilanse i wskaźniki produkcji 4.7.1. Materiał nauczania

W bilansie materiałowym uwzględnia się: a) skład surowców, b) wydajność wszystkich reakcji przebiegających w warunkach prowadzenia procesu, c) straty surowców, półproduktów i produktów.

Bilans materiałowy dowolnego procesu technologicznego lub jego części sporządza się na podstawie prawa zachowania masy, tj. uwzględniając równania zachodzących reakcji. Bilans ten pozwala określić normy zużycia surowców, ilości tworzących się półproduktów oraz produktów właściwych i ubocznych. Zestawia się go w przeliczeniu na jednostkę masy (tona, kilogram, kilomol) wyjściowego surowca lub wytworzonego produktu. Często wyraża się go w procentach, ponieważ pozwala to na bezpośrednią ocenę, jaki procent surowca przekształcono w gotowy produkt.

Bilans materiałowy jest podstawą do wykonania bilansów cieplnego i ekonomicznego. Przedstawia się go w tabeli lub rysuje w postaci graficznej tzw. wykres strumieniowy (Sankeya).

Każdy bilans materiałowy składa się z dwóch części: rozchodu i przychodu. Przychód stanowi sumę mas wszystkich związków wprowadzonych do procesu

produkcyjnego. Rozchód stanowi sumę mas wszystkich otrzymanych produktów oraz straty. W bilansie cieplnym procesu lub aparatu podstawą jest prawo zachowania energii.

Na bilans cieplny składa się: a) ciepło niesione przez substraty i produkty reakcji, b) ciepło powstające w wyniku przemian fizycznych i chemicznych, c) ciepło dostarczone przez substancje nie biorące w procesie bezpośredniego udziału, d) straty ciepła do otaczającego środowiska.

Bilans ekonomiczny sporządza się na podstawie bilansu materiałowego i cieplnego oraz aktualnie obowiązujących cen surowców, paliwa, energii elektrycznej i produktów.

Wskaźniki techniczno-ekonomiczne produkcji są to współczynniki liczbowe charakteryzujące zużycie siły roboczej, energii lub surowców, przypadające na jednostkę masy uzyskanego produktu. Zalicza się tu takie wskaźniki jak: wydajność materiałowa, wydajność procesu technologicznego, wydajność aparatów, intensywność procesu, koszty własne produktów, wydajność pracy. 4.7.2. Pytania sprawdzające


1. Jakie elementy uwzględnia się w bilansie materiałowym? 2. Na jakiej podstawie sporządza się bilans materiałowy? 3. W jakich jednostkach zestawia się bilans materiałowy? 4. W jaki sposób przedstawia się bilans materiałowy? 5. Jakie elementy składają się na bilans cieplny? 6. Co to jest bilans ekonomiczny? 7. Co to są wskaźniki techniczno – ekonomiczne?


30

4.7.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1 Przeanalizuj schemat bilansu materiałowego.


1) dobrać i przygotować literaturę niezbędną do charakteryzowania i opisywania bilansu materiałowego,


3) przeczytać uważnie treść ćwiczenia, 4) określić elementy uwzględniane w bilansie materiałowym, 5) wypisać jednostki w jakich został sporządzony bilans materiałowy, 6) zapisać wszystkie informacje i wnioski w zeszycie, 7) przedstawić spostrzeżenia i efekty swojej pracy na forum grupy.

Wyposażenie stanowiska pracy: − poradnik dla ucznia, − literatura fachowa, − przykładowe opracowania bilansów materiałowych, − zeszyt i przybory do pisania. 4.7.4. Sprawdzian postępów


1) wyjaśnić na czym polega bilans materiałowy? 2) wyjaśnić na jakiej podstawie sporządza się bilans materiałowy? 3) określić w jakich jednostkach zestawia się bilans materiałowy? 4) wyjaśnić w jakiej postaci przedstawia się bilans materiałowy? 5) określić jakie elementy składają się na bilans cieplny? 6) wyjaśnić co to bilans ekonomiczny? 7) wyjaśnić co to są wskaźniki techniczno-ekonomiczne?


31

4.8. Gospodarka wodna i ochrona powietrza 4.8.1. Materiał nauczania

Zakłady przemysłowe zużywają duże ilości wody: a) atmosferycznej (opady deszczu i śniegu), b) podziemne, c) powierzchniowe (rzeki, jeziora).

Podstawowe zadania gospodarki wodą to zaopatrzenie zakładu w wodę, prowadzenie oszczędnej gospodarki wodą, oczyszczanie ścieków.

Podstawowe wskaźniki określające jakość wody to: - zawartość soli wapnia i magnezu (tzw. twardość całkowita), - ogólna zawartość soli (tzw. sucha pozostałość), - utlenialność, - przezroczystość, - odczyn pH, - zawartość bakterii.

W zależności od właściwości wody surowej i jej dalszego przeznaczenia dobiera się najwłaściwszy sposób jej oczyszczenia (uzdatniania). W procesach uzdatniania wody najważniejszą rolę odgrywa jej oczyszczenie: - oczyszczenie wstępne (usunięcie zanieczyszczeń mechanicznych i koloidalnych), - zmiękczenie (usunięcie soli wapnia i magnezu), - demineralizacja (usunięcie wszystkich anionów i kationów), - odgazowywanie (usunięcie tlenku i dwutlenku węgla).

Usuwanie mechanicznych zanieczyszczeń wody przeprowadza się przez umieszczanie krat zatrzymujących grubsze zanieczyszczenia, sedymentację w osadnikach, koagulację przy pomocy koagulantów – siarczany (VI) glinu i żelaza, a następnie filtrację w filtrach żwirowych i piaskowych.

Twardość wody zależy od zawartości jonów wapnia i magnezu. Wyróżnia się twardość węglanową i niewęglanową.

Twardość węglanowa wywołana jest obecnością wodorowęglanów wapnia i magnezu. W podwyższonej temperaturze rozkładają się one z wytworzeniem węglanów, które osadzają się na ściankach aparatury.

Twardość niewęglanowa jest wywołana przez rozpuszczalne w wodzie chlorki, siarczki i krzemiany wapnia i magnezu. Nie wytrącają się one z roztworu wodnego podczas ogrzewania.

Zmiękczanie i odmineralizowanie wody ma na celu całkowite lub częściowe usunięcie z wody jonów wapnia i magnezu. Stosuje się metody: - dekarbonizacja – polega na usunięciu z wody kwaśnych wodorowęglanów wapnia

i magnezu przez przeprowadzenie ich w trudno rozpuszczalne związki, które wytrąca się z roztworu wodnego. Może być termiczna lub chemiczna,

- metoda jonitowa polega na wykorzystaniu zdolności niektórych związków do wymiany jonów wchodzących w ich skład na jony obecne w wodzie. Jonity wymieniające swoje kationy na kationy obecne w wodzie nazywamy kationitami, jonity wymieniające swoje aniony – anionitami. Odgazowanie wody ma na celu usunięcie rozpuszczonych w niej gazów (tlenu, azotu,

dwutlenku węgla), które nasilają elektrochemiczną korozję aparatury. Przeprowadza się


32

odgazowanie termiczne w odgazowywaczach a następnie odgazowywanie chemiczne przy pomocy np. siarczanu (IV) sodu.

Oczyszczanie ścieków ma na celu usunięcie ze ścieków przemysłowych zanieczyszczeń szkodliwych dla życia biologicznego w rzekach, do których wprowadza się ścieki. Stosuje się oczyszczanie mechaniczne, oczyszczanie chemiczne (np. zobojętnianie, chlorowanie, utlenianie, wytrącanie osadów) i oczyszczanie biologiczne (polega na wykorzystaniu drobnoustrojów).

Ochrona powietrza atmosferycznego Z instalacji produkcyjnych wypuszcza się do atmosfery gazy odlotowe. Ich zawartość

i stężenie kontroluje się przy pomocy wskaźników: - dopuszczalne stężenie toksycznych substancji chemicznych w powietrzu atmosferycznym

mierzone w mg/m³. Stężenia dopuszczalne określają maksymalnie dopuszczalny stopień zanieczyszczenia atmosfery przez substancje toksyczne oraz pyły.

- bezwymiarowy współczynnik toksyczności (T) wyliczony względem dwutlenku siarki. (wskazuje, ile razy dane zanieczyszczenie jest bardziej szkodliwe niż dwutlenek siarki).



1. Jakie źródła wody są wykorzystywane w zakładach przemysłowych? 2. Jakie są podstawowe składniki określające jakość wody? 3. Co to jest uzdatnianie wody? 4. Na czym polega oczyszczanie wstępne wody? 5. Na czym polega proces zmiękczania wody? 6. Co to jest demineralizacja wody? 7. Co to jest odgazowanie wody? 8. Co to jest twardość wody? 9. Co to jest twardość węglanowa? 10. Co to jest twardość niewęglanowa? 11. Na czym polega ochrona powietrza atmosferycznego? 4.8.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1 Przeanalizuj normy jakie powinna spełniać woda w zależności od zastosowania.


1) dobrać i przygotować literaturę niezbędną do wykonania ćwiczenia 2) przeczytać materiał nauczania z poradnika dla ucznia i poszerzyć wiadomości z literatury

uzupełniającej, 3) przeczytać uważnie treść ćwiczenia, 4) określić na podstawie wybranych aktów prawnych normy jakie powinna spełniać woda, 5) zapisać wszystkie informacje i wnioski w zeszycie, 6) przedstawić spostrzeżenia i efekty swojej pracy na forum grupy.


33


− poradnik dla ucznia, − literatura fachowa, − wybrane akty prawne zawierające normy dotyczące wody, − zeszyt i przybory do pisania. 4.8.4. Sprawdzian postępów


1) wymienić źródła wody wykorzystywane w zakładach przemysłowych? 2) wymienić podstawowe składniki określające jakość wody? 3) wyjaśnić co to jest uzdatnianie wody? 4) wyjaśnić na czym polega oczyszczanie wstępne wody? 5) wyjaśnić na czym polega proces zmiękczania wody? 6) wyjaśnić co to jest demineralizacja wody? 7) wyjaśnić co to jest odgazowanie wody? 8) wyjaśnić co to jest twardość wody? 9) wyjaśnić co to jest twardość węglanowa? 10) wyjaśnić co to jest twardość niewęglanowa? 11) wyjaśnić na czym polega ochrona powietrza atmosferycznego?


34

4.9. Wytwarzanie wybranych środków leczniczych 4.9.1. Materiał nauczania

Substancja czynna jest odpowiedzialna w leku za jego działanie lecznicze. Substancje pomocnicze są stosowane w procesie technologii produkcji leku i pomagają w uzyskaniu odpowiedniej postaci leku oraz poprawiają jego trwałość, działanie i wygląd. Nie mogą one w zastosowanych ilościach wywierać własnego działania farmakologicznego ani działania drażniącego ani wpływać negatywnie na trwałość postaci leku i dostępność biologiczną substancji leczniczej. Produkcja kwasu acetylosalicylowego

Podstawowym surowcem do produkcji kwasu acetylosalicylowego jest kwas salicylowy, który otrzymuje się z bezwodnego fenolanu sodu i dwutlenku węgla. Do wytwarzania środków leczniczych używa się surowców o wysokim stopniu czystości. Z tego względu kwas salicylowy oczyszcza się przez sublimację jeszcze przed acetylowaniem.

Acetylowanie kwasu salicylowego

Acetylowanie kwasu salicylowego bezwodnikiem octowym przeprowadza się w roztworze benzenowym.

Mieszaninę kwasu, bezwodnika octowego i czystego benzenu ogrzewa się w ciągu kilku godzin w reaktorze emaliowanym. Reaktor ten jest ogrzewany systemem Frederkinga (wężownica grzewcza jest wtopiona w ścianę aparatu). Nośnik ciepła cyrkuluje samoczynnie w układzie: wężownice-piec.

W czasie estryfikacji należy utrzymywać temperaturę ok. 90oC. O zakończeniu procesu świadczy brak kwasu salicylowego w reaktorze. Kontroluje się to szybką ruchową analizą wykorzystującą reakcję barwną kwasu salicylowego z FeCl3.

Mieszaninę poreakcyjną kieruje się do krystalizatora, w którym za pomocą wody, a potem solanki obniża się jej temperaturę do 5oC. Wykrystalizowany kwas acetylosalicylowy przekrystalizowuje się ponownie z benzenu, odsącza na nuczy, przemywa zimnym benzenem, suszy w suszarni próżniowej.

Przesącz z nuczy zawiera kwas octowy, benzen i pewne ilości kwasu acetylosalicylowego. Benzen oddestylowuje się w kolumnie pod ciśnieniem atmosferycznym. Następnie, po wytworzeniu próżni, oddestylowuje kwas octowy. Kwas acetylosalicylowy zawarty w cieczy wyczerpanej kolumny wykrystalizowuje się, odsącza i oczyszcza przez krystalizację z benzenu i łącznie z głównym rzutem kieruje do suszenia.

Kwas acetylosalicylowy, znany pod nazwą aspiryna i polopiryna, jest szeroko stosowanym środkiem przeciwgorączkowym o jednoczesnym działaniu przeciwbólowym i przeciwreumatycznym. Produkcja sulfonamidów Chemizm otrzymywania sulfanilamidu Produktem wyjściowym do syntezy każdego sulfonamidu jest chlorek kwasu p-acetyloaminobenzenosulfonowego. Związek ten otrzymuje się w wyniku działania kwasu chlorosulfonowego na acetanilid (chlorosulfonowanie). Następnie przez kondensację otrzymanego chlorku kwasu p-acetyloaminobenzenosulfonowego z różnymi aminami otrzymuje się różne amidy kwasu p-acetyloaminobenzenosulfonowego, które poddaje się hydrolizie w celu odszczepienia grupy acetylowej i otrzymania sulfonoamidów.


35

W celu otrzymania sulfanilamidu kondensację przeprowadza się nie z aminą, a z amoniakiem (amonoliza).

Przebieg produkcji sulfanilamidu

Chlorosulfonowanie acetanilidu przeprowadza się w reaktorze emaliowanym zaopatrzonym w emaliowane mieszadło i płaszcza do chłodzenia wodnego. Do kotła wprowadza się najpierw kwas chlorosulfonowy w ilości pięciokrotnie większej od stechiometrycznej. Następnie powoli i przy ustawicznym mieszaniu dozuje się sproszkowany acetanilid z taką prędkością, aby temperatura w środowisku reakcji nie przekraczała 60oC. Po dodaniu całej ilości acetanilidu mieszaninę miesza się jeszcze ok. 1,5 h w temperaturze 57oC, po czym ochładza się ją i wylewa na lód do emaliowanej kadzi.

Wytrącany chlorek kwasu p-acetyloaminobenzenosulfonowego odfiltrowuje się w nuczy, przemywa wodą i po wysuszeniu wprowadza stopniowo do drewnianej kadzi. W kadzi tej miesza się uprzednio przygotowany 20% roztwór amoniaku. Hydrolizę amidu wytwarzanego w reakcji amonolizy przeprowadza się za pomocą 25% roztworu NaOH w żelaznym reaktorze, ogrzewając reagującą mieszaninę do wrzenia pod chłodnicą zwrotną. Reakcję prowadzi się przez 2h.

Roztwór soli sodowej amidu, powstający w wyniku hydrolizy, oczyszcza się za pomocą węgla aktywnego i odsącza na nuczy od węgla i zanieczyszczeń. Surowy sulfanilamid wytrąca się z przesączu w reaktorze za pomocą nasyconego roztworu chlorku amonu. W celu oczyszczenia krystalizuje się surowy sulfanilamid (p-aminobenzenosulfonoamid) z wrzącej wody. Oczyszczony sulfanilamid kieruje się do wytwarzania gotowych leków. Antybiotyki

Zasada produkcji antybiotyków. Przygotowanie kultur w szkle Stwierdzono, że niektóre drobnoustroje (bakterie, pleśniaki) hamują rozwój innych drobnoustrojów przez wydzielanie swoistych substancji chemicznych, zwanych antybiotykami. Substancje te mają działanie wybiórcze i są toksyczne tylko dla pewnych określonych drobnoustrojów – antagonistycznych w stosunku do „producenta” antybiotyku. Wieloletnie badania doprowadziły do opracowania przemysłowej produkcji penicyliny metodą fermentacji głębinowej, w której podstawowe znaczenie ma: − stworzenie optymalnych warunków do rozwoju grzybni i do produkowania przez nią

antybiotyku; − zachowanie sterylności roztworu fermentującego (tzw. brzeczki). Zapobiega to zużywaniu antybiotyku na niszczenie bakterii obecnych w zakażonej brzeczce i poprawia znacznie wydajność procesu. Antybiotyki produkowane są przez określone szczepy drobnoustrojów. Penicylinę wytwarza najaktywniej szczep – Penicillium chrysogenum. Ustalono, że ma ona budowę β-laktamową.

Warunki fermentacji decydują o stosunku zawartości poszczególnych odmian penicyliny w produkcie. Odmiany te różnią się tylko budową rodnika. Najwartościowsza dla lecznictwa jest penicylina G, zawierająca rodnik benzylowy (C6H5CH2-), znana pod nazwą penicyliny krystalicznej.

Cykl przemysłowej produkcji penicyliny i innych antybiotyków dzieli się na następujące podstawowe etapy: − hodowla kultury posiewowej odpowiedniego szczepu produkującego dany antybiotyk

prowadzona w naczyniach szklanych, − przygotowanie i zaszczepienie pożywki, − wyodrębnienie surowego antybiotyku z brzeczki pofermentacyjnej, − oczyszczenie antybiotyku i przygotowanie odpowiedniej formy leku.


36

Pierwszy etap produkcji tj. przygotowanie kultur w szkle, przebiega w laboratorium oddziałowym.

Zarodniki aktywnego szczepu spłukuje się sterylnie płynem fizjologicznym (0,9% wodny roztwór chlorku sodu, NaCl) do litrowych butelek z pożywką zawierającą 2% wyciągu narokowego kukurydzy. Wyciąg ten otrzymuje się przez długotrwałe moczenie kukurydzy w wodzie nasyconej dwutlenkiem siarki, SO2 i późniejsze zatężenie roztworu do konsystencji gęstego syropu. Stanowi on bardzo ważny składnik pożywki w fermentatorach produkcyjnych. Wprowadzenie wyciągu narokowego do pożywki jeszcze na etapie hodowli kultur posiewowych w szkle ma na celu stopniowe przyzwyczajenie grzybni do pożywki produkcyjnej.

Zawartość butelek wstrząsa się przez dwie doby na specjalnej wstrząsarce ustawionej w pomieszczeniu o stałej temperaturze. Następnie zaszczepia się kulturę na pożywkę wysterylizowaną w małym fermetatorze tzw. posiewowym – P.

Przebieg produkcji penicyliny Fermentacja

Fermentatory są to stalowe zbiorniki z płaszczem, zewnętrznym mieszadłem i bełkotką (urządzenie doprowadzające powietrze). Do płaszcza może być doprowadzona para grzejna lub woda chłodząca. Przygotowanie fermentatora do zaszczepiania dzieli się na trzy zasadnicze etapy. Pierwszym z nich jest napełnienie fermentatora wodą do 60% objętości i rozpuszczenie w niej składników pożywki (wyciągu narokowego kukurydzy, glukozy, laktozy, soli). Następnie doprowadza się pożywkę do wymaganego pH (ewent. dodatek H2SO4) zamyka fermentator i przeprowadza się dwugodzinną sterylizację w temperaturze 120oC (para do płaszcza). Ostatnim etapem jest chłodzenie zawartości fermentatora do temperatury 20oC (woda do płaszcza).

Aby zapobiec zakażeniu z zewnątrz, należy utrzymywać w fermentatorze lekkie nadciśnienie (ok. 0,03 MPa). W czasie sterylizacji stwarza je para (pożywka ma temperaturę 120oC), a później nadmuch sterylnego powietrza włączony w momencie rozpoczęcia chłodzenia.

Fermentację prowadzi się trójstopniowo. Chodzi o to, aby pożywkę we właściwym fermentatorze produkcyjnym F zaszczepić odpowiednio dużą ilość grzybni. Fermentacja w małych (kilkaset dm3) fermentatorach posiewowych P i średnich (kilka tysięcy dm3) fermentatorach „matkach” M jest więc nastawiona na maksymalny rozwój grzybni, a nie na wytwarzanie antybiotyku.

Pożywkę w fermentatorze P zaszczepia się w warunkach sterylnych materiałem posiewowym ze szkła. W tym celu likwiduje się nadciśnienie i w płomieniu palnika gazowego szybko odkręca króciec szczepienny, przez który (również w płomieniu) wprowadza się metalową rurkę osadzoną w korku butelki z materiałem posiewowym. Przez tę rurkę materiał posiewowy wlewa się do fermentatora. Następnie, bezzwłocznie zakręca się króciec i wznawia nadmuch powietrza (nadciśnienie).

Fermentację prowadzi się przy nieprzerwanym mieszaniu i napowietrzaniu. Powietrze tłoczone jest dmuchawą przez filtry wyjaławiające. Filtry te są wypełnione watą szklaną i wcześniej wysterylizowane parą.

Po kilkunastu godzinach fermentacji zawartość fermentatora P przetłacza się do fermentatora M, a po dalszych dwóch dobach zawartość fermentatora M przetłacza się do fermentatora F. Operacje te przeprowadza się za pomocą specjalnych rurociągów posiewowych uprzednio starannie wysterylizowanych parą. W fermentatorze F prowadzi się właściwą fermentację „produkcyjną”. Uzyskiwaną wydajność antybiotyku określa się ilością jednostek na cm3 pożywki (brzeczki).


37

Za jednostkę penicyliny uważamy jej minimalną ilość hamującą całkowicie rozwój szczepu wzorcowego gronkowców złocistych w 50cm3 bulionu.

Przy właściwym składzie pożywki dobre wydajności antybiotyku (5 – 10 tys. jednostek/cm3) osiąga się pod warunkiem jednoczesnego użycia wydajnego szczepu produkcyjnego, dobrego napowietrzenia i mieszania, rozpoczęcia fermentacji przy pH bliskim obojętnego, utrzymania stałej temperatury i jałowości brzeczki.

Nagrzewanie się brzeczki w czasie fermentacji jest wynikiem utleniania przez grzybnię substancji organicznych z pożywki. Temperaturę utrzymuje się przez automatycznie regulowane doprowadzenie wody chłodzącej do płaszcza.

Po ok. 100 h fermentacji grzybnia staje się mniej produktywna. Oględziny zabarwionych próbek pod mikroskopem pozwalają stwierdzić zmianę wyglądu grzybni – zamiast gęstych splotów widać poprzerywane krótkie kawałki. Obserwowane zjawisko jest to wynikiem autolizy (samorozpuszczania grzybni), podczas której z azotu zawartego w grzybni powstaje amoniak. Stąd końcowy wzrost pH, który może powodować rozkład części już wytworzonego antybiotyku. Fermentację należy więc przerwać.

Po ochłodzeniu brzeczki solanką w zbiorniku, oddziela się grzybnię w próżniowym filtrze obrotowym, a przesącz będący wodnym roztworem penicyliny kieruje się do prasy filtracyjnej w celu sklarowania. Ekstrakcja penicyliny z roztworu wodnego

Z silnie kwaśnego roztworu wodnego można ekstrahować penicylinę za pomocą niektórych niemieszających się z wodą rozpuszczalników (octan pentylu lub butylu, chloroform). Przy niskim pH następuje jednak szybki rozkład penicyliny. Mimo to ekstrakcyjną metodę wyodrębniania penicyliny uznano za najlepszą. Należy tylko maksymalnie przyspieszyć ekstrakcję i prowadzić ją w możliwie niskiej temperaturze.

Z tego właśnie względu chłodzi się brzeczkę przed filtracją. Przesącz z prasy 5 razem z 10% kwasem fosforowym (V) i octanem pentylu wprowadza się do ekstraktora odśrodkowego. Jest to ekstraktor specjalnego typu (najczęściej typu Luwesta), w którym następuje nie tylko mieszanie obu faz, ale także natychmiastowe rozdzielenie emulsji. Czas zetknięcia faz jest bardzo krótki, rzędu kilkunastu sekund. Tyle właśnie przebywa penicylina w zakwaszonym roztworze wodnym i nie zdążywszy się rozłożyć, przechodzi do warstwy octanu pentylu.

Roztwór penicyliny w octanie pentylu z ekstraktora kieruje się razem z roztworem buforowym do ekstraktora. Przebiega w nim ekstrakcja soli sodowej penicyliny do fazy wodnej, która powinna mieć pH 6,0÷6,7. Użycie niewłaściwego roztworu buforowego i podwyższenia prowadzi do strat penicyliny, która przy wysokim pH rozkłada się równie szybko jak przy niskim.

Następnym etapem wyodrębniania penicyliny jest jej ekstrakcja chloroformem przy pH 2 i reekstrakcja z roztworu chloroformowego za pomocą słabo zasadowego roztworu buforowego.

Otrzymany ostatecznie roztwór wodny soli sodowej penicyliny ma objętość 1000 razy mniejszą od roztworu wyjściowego. Napełnianie i zamykanie buteleczek

Wszystkie czynności związane z przygotowaniem gotowych leków zawierających penicylinę wykonuje się w codziennie dezynfekowanych pomieszczeniach. Powietrze doprowadzane do tych pomieszczeń jest wysterylizowane w filtrach i naświetlone lampami kwarcowymi.

Roztwór soli penicyliny rozlewa się do wysterylizowanych buteleczek i poddaje liofilizacji (sublimacyjne odparowanie wody ze stanu zamrożenia). W tym celu buteleczki ustawia się na


38

tacach i szybko zamraża w temperaturze -50oC. Tace przenosi się następnie na półki suszarni próżniowej (ok. 13,3 Pa, tj. 0,01mm Hg).

W temperaturze niższej od 0oC sublimuje z lodu główna masa wody, a reszta odparowuje po ogrzaniu do 30 - 50oC. Po odłączeniu pompy próżniowej wpuszcza się do komory suszarni wysterylizowany azot. Wypełnia on w każdej buteleczce przestrzeń nad porcją sproszkowanej soli sodowej penicyliny. Po przeprowadzeniu sterylnego korkowania buteleczek zabezpiecza się korki kapslami. Nalepienie etykietek kończy cykl produkcyjny.



1. Jak przebiega produkcja kwasu acetylosalicylowego? 2. Jakie podstawowe surowce stosowane są do produkcji kwasu acetylosalicylowego? 3. W jaki sposób oczyszcza się kwas salicylowy? 4. Na czym polega acetylowanie kwasu salicylowego? 5. Jakie urządzenia i aparaty stosowane są w produkcji kwasu acetylosalicylowego? 6. Jak przebiega produkcja sulfonamidów? 7. Jakie podstawowe surowce stosowane są do produkcji sulfonamidów? 8. Jaki jest chemizm produkcji sulfonamidów? 9. Jakie urządzenia i aparaty stosowane są w produkcji sulfonamidów? 10. Jak przebiega produkcja penicyliny? 11. Jak otrzymuje się żywe kultury drobnoustrojów? 12. Jak przebiega napełnianie i zamykanie buteleczek z penicyliną? 13. Jakie urządzenia i aparaty stosowane w produkcji antybiotyków? 14. Jakie są różnice między produkcją antybiotyków a produkcją kwasu acetylosalicylowego

i sulfonamidów? 4.9.3. Ćwiczenia Ćwiczenie 1

Opisz produkcję kwasu acetylosalicylowego. Sposób wykonania ćwiczenia Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:


2) przeczytać uważnie treść ćwiczenia, 3) podać w zeszycie wzór strukturalny kwasu acetylosalicylowego, 4) określić etapy produkcji kwasu acetylosalicylowego, 5) narysować w zeszycie schemat produkcji kwasu acetylosalicylowego, 6) wymienić i opisać aparaturę stosowaną przy produkcji kwasu acetylosalicylowego, 7) przedstawić opisany proces otrzymywania kwasu acetylosalicylowego za pomocą reakcji

chemicznych, 8) przedstawić wszystkie spostrzeżenia i efekty swojej pracy na forum grupy.


39

Wyposażenie stanowiska pracy: − poradnik dla ucznia, − literatura fachowa, − schemat produkcji kwasu acetylosalicylowego, − zeszyt i przybory do pisania. Ćwiczenie 2

Opisz produkcję sulfonamidów. Sposób wykonania ćwiczenia Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:


2) określić etapy produkcji sulfonamidów, 3) napisać w zeszycie reakcje chemiczne, 4) narysować w zeszycie schemat produkcji sulfonamidów, 5) wymienić i opisać aparaturę stosowaną przy produkcji, 6) przedstawić wszystkie spostrzeżenia i efekty swojej pracy na forum grupy.

Wyposażenie stanowiska pracy: − poradnik dla ucznia, − literatura fachowa, − schemat produkcji sulfonamidów, − zeszyt i przybory do pisania. Ćwiczenie 3

Opisz produkcję penicyliny.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś: 1) przeczytać materiał nauczania z poradnika dla ucznia i poszerzyć wiadomości z literatury

uzupełniającej, 2) określić etapy produkcji penicyliny, 3) określić rodzaj drobnoustrojów stosowanych w produkcji penicyliny, 4) narysować w zeszycie schemat produkcji penicyliny, 5) wymienić i opisać aparaturę stosowana przy produkcji, 6) przedstawić wszystkie spostrzeżenia i efekty swojej pracy na forum grupy.


− poradnik dla ucznia, − literatura fachowa, − schemat produkcji penicyliny, − zeszyt i przybory do pisania.


40



1) opisać produkcję kwasu acetylosalicylowego? 2) wskazać podstawowe surowce do produkcji kwasu

acetylosalicylowego?

3) wyjaśnić w jaki sposób oczyszcza się kwas salicylowy? 4) wyjaśnić na czym polega acetylowanie kwasu salicylowego? 5) wymienić urządzenia i aparaty stosowane w produkcji kwasu

acetylosalicylowego?

6) opisać produkcję sulfonamidów? 7) wskazać podstawowe surowce do produkcji sulfonamidów? 8) opisać chemizm produkcji sulfonamidów? 9) wymienić urządzenia i aparaty stosowane w produkcji sulfonamidów? 10) opisać produkcję penicyliny? 11) opisać otrzymywanie żywych kultur drobnoustrojów? 12) opisać jak przebiega napełnianie i zamykanie buteleczek z penicyliną? 13) wskazać różnice między produkcją antybiotyków a produkcją kwasu

acetylosalicylowego i sulfonamidów?

14) wymienić urządzenia i aparaty stosowane w produkcji antybiotyków?


41

5. SPRAWDZIAN OSIĄGNIĘĆ

INSTRUKCJA DLA UCZNIA 1. Przeczytaj uważnie instrukcję. 2. Podpisz imieniem i nazwiskiem kartę odpowiedzi. 3. Zapoznaj się z zestawem zadań testowych. 4. Test zawiera 20 zadań. Wszystkie zadania są wielokrotnego wyboru. Tylko jedna

odpowiedź jest prawdziwa. 5. Odpowiedzi udzielaj na załączonej karcie odpowiedzi. 6. Prawidłową odpowiedź zaznacz w odpowiedniej rubryce znakiem – X. W przypadku

pomyłki błędną odpowiedź zakreśl kółkiem, a następnie prawidłową zaznacz – X. 7. Kiedy będziesz miał problemy z udzieleniem odpowiedzi na jakieś pytanie, zostaw je,

przejdź do następnych, a do niego wrócisz na końcu jak zostanie Ci czasu. 8. Po zakończeniu rozwiązywania zadań, sprawdź w karcie odpowiedzi, czy dla wszystkich

zadań zaznaczyłeś odpowiedź. 9. Rozwiązuj zadania samodzielnie, pozwoli ci to nie tylko sprawdzić stopień opanowania

wiedzy, ale przyniesie satysfakcję. 10. Na rozwiązanie testu masz 45 minut.

Powodzenia


42

ZESTAW ZADAŃ TESTOWYCH 1. Jednostką masowego natężenia jest

a) kg/s. b) kg/min. c) m/s. d) m/min.

2. Jednostką objętościowego natężenia przepływu jest a) m²/s. b) m³/s. c) kg/s. d) m/s².

3. Do metod rozdzielania nie należy

a) flotacja. b) sedymentacja. c) fluidyzacja. d) filtracja.

4. Wielkością charakteryzującą proces fluidyzacji jest a) prędkość krytyczna. b) transport pneumatyczny. c) wywiewanie. d) powinowactwo.

5. Odstojnik to urządzenie stosowane w procesach a) kumulacji leku. b) filtracji. c) sedymentacji. d) flotacji.

6. Wszystkie czynne sulfonamidy mają

a) różny szkielet cząsteczki i różny rodnik R. b) taki sam rodnik R i różny szkielet cząsteczki. c) taki sam podstawowy szkielet cząsteczki i różny rodnik R. d) taki sam podstawowy szkielet cząsteczki i taki sam rodnik R.

7. Wyparka to urządzenie służące do a) odparowywania rozpuszczalnika z rozcieńczonych roztworów soli. b) odparowywania rozpuszczalnika ze stężonych roztworów soli. c) odpowiedzi a i b są poprawne. d) skraplania rozpuszczalnika z roztworów soli.

8. Bilans materiałowy składa się z a) przychodu. b) rozchodu. c) przychodu i rozchodu. d) surowców i produktów.


43

9. Do odpylania gazów służą urządzenia a) cyklon i elektrofiltr. b) cyklon i autoklaw. c) elektrofiltr i wyparka. d) elektrofiltr i autoklaw.

10. Do procesów przenoszenia ciepła zaliczamy a) promieniowanie. b) przewodzenie i konwekcję ciepła. c) promieniowanie i przewodzenie ciepła. d) wszystkie odpowiedzi są poprawne.

11. Wymienniki ciepła stosuje się do a) ogrzewania i skraplania. b) ogrzewania i schładzania. c) schładzania i zamrażania. d) skraplania i schładzania.

12. Rurociąg przez, który przetłacza się gaz palny ma barwę

a) żółtą. b) zieloną. c) niebieską. d) czerwoną.

13. Absorpcja to pochłanianie a) pary przez ciecz. b) cieczy przez ciecz. c) cieczy przez gaz. d) gazu przez ciecz. 14. Twardość węglanowa wywołana jest obecnością

a) węglanów wapnia i magnezu. b) węglanów sodu i potasu. c) wodorowęglanów wapnia i magnezu. d) wodorowęglanów sodu i potasu.

15. Podstawowym surowcem do produkcji kwasu acetylosalicylowego jest

a) bezwodnik octowy. b) kwas salicylowy. c) fenolan sodu. d) kwas acetylowy.

16. W estryfikacji kwasu salicylowego utrzymuje się temperaturę

a) 40ºC. b) 69º C. c) 60º C. d) 90º C.


44

17. Produktem wyjściowym do produkcji każdego sulfonamidu jest a) chlorek kwasu chlorosulfonowego. b) kwas p-aminobenzoesowy. c) chlorek kwasu p-acetyloaminobenzenosulfonowego. d) kwas p-acetyloaminobenzenosulfonowy.

18. Drobnoustrój wykorzystywany do produkcji penicyliny to

a) Penicillium Flaum. b) Penicillium chrysogenum. c) Penicillium notatum. d) Penicillium chrysope.

19. Penicylina krystaliczna zawiera rodnik

a) benzylowy. b) aminowy. c) benzenowy. d) benzalkilowy.

20. Hydrolizę amidu wytwarzanego w reakcji aminolizy przeprowadza się za pomocą

a) 10% roztwór NaOH. b) 25% roztwór NaOH. c) 20% roztwór amoniaku. d) 10% roztwór amoniaku.


45

KARTA ODPOWIEDZI

Imię i nazwisko..........................................................................................

Analizowanie procesów technologicznych produkcji leków Zakreśl poprawną odpowiedź.

Nr zadania Odpowiedź Punkty

1 a b c d 2 a b c d 3 a b c d 4 a b c d 5 a b c d 6 a b c d 7 a b c d 8 a b c d 9 a b c d 10 a b c d 11 a b c d 12 a b c d 13 a b c d 14 a b c d 15 a b c d 16 a b c d 17 a b c d 18 a b c d 19 a b c d 20 a b c d

Razem:


46

6. LITERATURA 1. Chmiel A., Grudziński S.: Biotechnologia i chemia antybiotyków. PWN, Warszawa 1998 2. Gayer R., Matysiakowa Z.: Zbiór zadań z technologii chemicznej. WSiP, Warszawa 1988 3. Jabłońska-Drozdowska H., Krajewska K.: Aparaty, urządzenia i procesy przemysłu

chemicznego. WSiP, 1986 4. Kayser O., Mueller R.H.: Biotechnologia farmaceutyczna. PZWL, Warszawa 2002 5. Minczewski J., Marczenko Z.: Chemia analityczna Tom I i II. PWN, Warszawa 2001 6. Molenda J.: Technologia chemiczna. WSiP, Warszawa 1993 7. Mueller R.H., Hildebrant G.E.: Technologia nowoczesnych postaci leków. PZWL,

Warszawa 1997 8. Zejc A., Gorczyca M.: Chemia leków. PZWL, Warszawa 2002

7. Analizowanie procesów technologicznych produkcji leków

Science

Transcript of 7. Analizowanie procesów technologicznych produkcji leków