طراحی انواع اتوکلاو

در یک تعریف کلی اتوکلاو  Autoclaveدستگاهی است که محیطی ایده آل با فشار و دمای معین، برای انجام واکنش ایجاد میکند. به عنوان مثال در صنایع غذایی مواد بسته بندی شده را در فشار معین (عمدتا ۱.۲ bar   ) و در دمای معین ( عمدتا ۱۲۱ درجه سلسیوس ) به مدت معین داخل آن قرار میدهند تا مواد غذایی کاملا عاری از میکروب ها شوند. در محیط های آزمایشگاهی و بیمارستانی برای استرلیزه کردن ابزار و لوازم یا امحا مواد عفونی استفاده میشود. در در صنایع لاستیک سازی برای انجام ولکانش Vulcanization  و در صنایع الکتریکی و هوا فضا جهت ساخت بلورهای مصنوعی با روش hydrothermal استفاده میشود. بسته به کاربرد، این دستگاه در اندازه ها و مدل های مختلفی ساخته میشود. مساله ی مهمی که در طراحی این دستگاه وجود دارد کنترل دقیق فشار و دما درون مخزن است. پروسه ی اتوکلاو محصول ِ نهایی است که رابطه ی فشار و دما را بر حسب زمان تعیین میکند. این پروسه برای هر محصول به یک صورت است و تهیه کردن این برنامه قبل از شروع به هر نوع طراحی بسیار ضروری است.

اتوکلاو ها بسته به قرار گیری در خطوط تولید، هم به صورت افقی و هم به صورت عمودی ساخته میشوند.

 قسمت های اصلی یک اتوکلاو :

  1. مخزن اصلی
  2. در ( و سیستم باز و بسته کردن )
  3. واحد کنترل فرآیند
  4. تجهیزات جانبی ( پمپ ها ، فلکه ها، فن ها، مبدل های گرمایی، سنسورها و .. )

طراحی مخزن :

در فرآیند تولید محصول چه تعداد محصول و در چه زمانی قرار است اتوکلاو شوند ؟ پاسخ به این سوال حجم مخزنی که باید طراحی شود را معلوم میکند. حال باید دید چه مقدار انرژی لازم است تا این حجم را به دما و فشار مورد نظر برساند ؟

اول باید معلوم شود ( با توجه به شرایط تولید کننده ) سیستم گرمایش اتوکلاو به چه صورت است ؟

. گرمایش با بخار

. گرمایش با روغن داغ

. گرمایش با هوای داغ ( به وسیله ی Heater های الکتریکی )

گرمایش با بخار به علت ظرفیت بالای گرمایی بخار در صنایع غذایی و دارویی در اولویت است. همچنین از نظر اقتصادی مقرون به صرفه تر و از نظر بهداشتی کاملا تمیز است.

قبل از شروع محاسبات، باید کمی در مورد ماهیت بخار و طریقه ی محاسبه ی انرژی آن بدانیم.

بخاری که در صنعت با آن سرو کار داریم بر سه نوع است :

  1. بخار اشباع : تعداد مولکول های بخار با مولکول های آب در آن برابر است. بخاری که در دمای ۱۰۰ و در فشار اتمسفریک تولید میشود.
  2. بخار اشباع خشک : بخار اشباع تولید شده پس از حذف رطوبت، بخار اشباع خشک نامیده می شود، معمولاً ۹۹ درصد عملیات در صنایع غذایی و دارویی با استفاده از بخار اشباع خشک انجام می شود. میزان تراکم بخار اشباع خشک کمتر از بخار اشباع است.
  3. بخار فوق گرم super heated :  بخاری است که پس از گرم کردن بخار اشباع خشک تا دمای بیشتر تولید می شود، بسیار خطرناک است و نمی توان آن را مشاهده کرد، حتی بخار اشباع خشک را می توان مشاهده کرد، اما Super Heated ماهیتی جدا از بخار دارد و تقریبا هیچ مولکول آبی در آن وجود ندارد.

محاسبه ی انرژی بخار :

بخار توسط دیگ بخار تولید میشود. هر چه فشاردرون دیگ بیشتر شود، حرارت بیشتری برای تولید بخار باید اعمال شود. با افزایش فشار، بخار در دماهای بالاتری وارد خط لوله میشود. بخار با دمای بالاتر حاوی انرژی بیشتری در هر کیلوگرم است که به آنتالپی معروف است. آنتالپی به عنوان پتانسیل ترمودینامیکی موجود در بخار، در دما و فشارمعین تعریف می شود. در ایالات متحده، واحد اندازه گیری رایج آن BTUs/Lb ( واحد انرژی بریتانیا بر پوند ) است. بنابراین، اگر فشار روی دیگ بیشتر باشد، BTU/Lb بخار نیز بیشتر خواهد بود. این واحد را در سیستم SI  میتوانید ژول / کیلوگرم تعریف کنید. پس هر کیلوگرم بخار با دما و فشار مشخص، دارای مقداری انرژی است که از جداول بخار به راحتی قابل استخراج است.

برای انجام فرآیند باید قانون دوم ترمودینامیک را در نظر داشت :

انرژی ورودی = انرژی خروجی ( مصرف شده )

 این عبارت بدین معنی است که شما باید انرژی خروجی (  به علاوه هدر رفت انرژی ) را دقیق محاسبه کنید تا بدانید چقدر انرژی باید وارد مخزن اتوکلاو کنید. انرژی در اتوکلاو به چند صورت مصرف میشود :

. بخش بزرگ آن صرف انجام واکنش در محصول میشود.

. مقداری به صورت همرفتی  Convectionاتلاف میشود. به این صورت که در اثر حرکت در مخزن، دمای آن پایین میآید و چگال تر میشود  و دیگر ظرفیت گرمایی سابق را ندارد.

. مقداری از آن به صورت تابشی از بدنه ی اتوکلاو دفع میشود.

. مقداری از آن به صورت انرژی صوتی در هوا منتشر میشود ( که قابل چشم پوشی است )

حال با محاسبه ی این مقادیر در تساوی بالا، جرم بخاری که موجب این تساوی میشود بدست خواهد آمد.

این عدد برای تعیین ظرفیت دیگ بخاری که باید این بخار را تامین کند، مهم است.

شبیه سازی مقاومت مخزن در مقابل اعمال فشار :

فشاری که داخل اتوکلاو وجود دارد نیروی بسیار زیادی به دیواره های مخزن و درها وارد میکند. بنابراین فاکتورهایی که تحت فشار هستند باید با شبیه سازی کامپیوتری به بهینه ترین حالت طراحی برسند. با توجه به اینکه فاکتورایمنی ( safety factor  ) مخازن پر فشار عددی بالای ۳.۵ است، این امر برای به حداقل رساندن هزینه های ساخت بسیار ضروری است.

طراحی درب :

بسته به اندازه ی اتوکلاو، باز و بسته شدن درب میتواند به صورت دستی یا اتوماتیک طراحی شود. برای طراحی های بالای ۳۰۰ لیتر، این پروسه حتما به صورت اتوماتیک باید انجام شود. اتوکلاو در حین کار بسیار داغ میشود ( دمای سطح گاهی به ۸۰ درجه سلسیوس میرسد ) و خطرات سوختگی برای اپراتور به همراه دارد. همچین باز و بسته کردن در به صورت دستی علاوه بر نا ایمن بودن، عملی وقت گیر و انرژی بر است. پس از بدست آوردن وزن در و اتصالات و سایر نیروهای وارده به در، نحوه ی اهرم بندی انواع جک های هیدرولیک یا پنوماتیک بدست خواهد آمد. پس از طراحی قفل های ایمنی، باقی کار به واحد کنترل سپرده میشود.

واحد کنترل :

ابتدای شروع فرآیند با بالا رفتن دما و فشار شروع میشود، در اواسط فرآیند نسبت این دو باید ثابت بماند و در انتهای فرآیند، اتوکلاو باید سرد شود و محصول بیرون آورده شود. تنظیم کردن شرایط به گونه ای که در طول فرآیند طبق برنامه و به صورت کاملا ایمن پیش برویم از وظایف واحد کنترل است. در حقیقت هرچه واحد کنترل دقیق تر و بدون خطا کار خود را انجام دهد، محصول با کیفیت تری از اتوکلاو خارج خواهد شد.

واحد کنترل شامل یک کامپیوتر برنامه پذیر (  PLC) و رابط گرافیکی بین انسان و ماشین ( HMI ) است که به اپراتور اجازه میدهد به نحوه ی انجام فرآیند نظارت داشته باشد. همچنین گراف ها و نمودارهای سفارشی از نحوه ی انجام فرآیند به صورت گزارش به مدیر ارسال میشود تا در صورت بروز خطای کیفیت در محصول، بتوان به سرعت فرآیند را عیب یابی کرد.

تجهیزات جانبی :

طراحی اتوکلاو باید به صورتی انجام شود که تمامی تجهیزات جانبی ترجیحا در مکانی نصب شوند که بتوان به آسانی آنها را تعمیر و تعویض کرد. بهترین جا کنار مخزن است، به طوری که بدون نیاز به پله یا نردبان بتوان به تمام تجهیزات دسترسی داشت. همچنین نباید از تهویه ی مناسب و عایق بندی صحیح تجهیزات غافل شد.