Комплексное сравнение нагревательных трубок из чистого титана 1-го класса, чистого титана 2-го класса и нагревательных трубок из титанового сплава для ферментационной промышленности.

В промышленных титановых нагревательных трубках часто используются три основных материала: чистый титан класса 1, чистый титан класса 2 и титановый сплав (Ti-6Al-4V). Большие различия в сроке службы наблюдаются в органической кислоте, чередующейся кислотной-основной CIP и хлоридсодержащих средах ферментации из-за различий в содержании примесей, механических свойствах и коррозионной стойкости. В этом документе представлены рекомендации по целевому выбору материалов для производственных линий ферментации путем сравнения состава сырья, антикоррозионных характеристик, механических характеристик, характеристик обработки и стоимости закупок.

1. Базовый стандарт химического состава.
Чистый титан класса 1 (TA1)
Ti Больше или равно 99,35%, Fe Менее или равно 0,08%, C Менее или равно 0,05%, N Менее или равно 0,02% и H Меньше или равно 0,015%.

Пищевой/фармацевтический стандартный материал высокой-чистоты с минимальным риском осаждения ионов металлов и сверх-низким содержанием примесей железа.

Чистый титан 2-го класса (TA2, модель основной ферментации)
Ti Больше или равно 99,2%, Fe Менее или равно 0,15%, C Менее или равно 0,08%, N Менее или равно 0,03% и H Меньше или равно 0,015%.

Имеет несколько более высокое содержание железа, чем TA1, но полностью удовлетворяет большинству требований к защите от коррозии при ферментации, обеспечивая баланс между стоимостью и производительностью.

Титановый сплав Ти-6Ал-4В
Титановая матрица + 6% алюминия + 4% ванадия, с пределом содержания примесей железа 0,25 %.

Элементы сплава значительно повышают прочность чистого титана на разрыв, но при этом ухудшают его полную химическую инертность.

2. Сравнение коррозионной стойкости (индекс ядра для бродильных аппаратов)
Чистый титан класса 1 TA1
Наименьшее осаждение ионов в среде органических кислот, отсутствие загрязнения ферментационного бульона и оптимальная компактность пассивной пленки TiO₂.

Сильная устойчивость к недостаточной-питтинговой коррозии; наименьшая равномерная скорость травления при длительной очистке -слабой кислотой/чередующейся кислотой-основой.

Риск водородного охрупчивания минимален при травлении неорганическими кислотами, поскольку скорость поглощения водорода самая низкая. Ограничение: редко используется в проектах общей ферментации из-за чрезвычайно высокой стоимости основных материалов.

Чистый титан класса 2 TA2
В среде ферментации,-не содержащей фторидов, коррозионная стойкость является исключительной и сравнимой с устойчивостью TA1. Однако скорость коррозии лишь незначительно выше в долгосрочных условиях-высокой-солености.

Способность пассивного самовосстановления пленки-совместима с ежедневной циркуляцией кислотного-основания CIP при наличии достаточного количества растворенного кислорода.

Отсутствие риска растворения, связанного с элементами из сплава алюминия и ванадия; соответствует фармацевтическим стандартам GMP и стандартам безопасности пищевых продуктов. Преимущество: наиболее часто используемый материал для нагревательных трубок для ферментации благодаря сбалансированной стоимости и анти-коррозионным свойствам.

Титановый сплав Ти-6Ал-4В
Недостаточная стойкость к ошпариванию, разбавленные щелочи и органические кислоты: элемент алюминия в сплаве постепенно растворяется в кислой среде, что приводит к образованию локальных питтинговых ямок на стенках трубы.

Пассивная пленка подвержена щелевой коррозии сварных швов в среде хлорид-ионов из-за ее рыхлой и неровной природы.

Продукты ферментации загрязняются растворяющимися ионами тяжелых металлов алюминия/ванадия, что нарушает стандарты пищевой и фармацевтической гигиены. Запрещенный сценарий: все резервуары для ферментации пищевых продуктов, напитков и фармацевтических препаратов; разрешены только не-коррозионные механические элементы конструкции, а нагревательные трубы никогда не должны вступать в контакт со средой.

3. Адаптивность обработки и механические характеристики.
Прочность на разрыв и пластичность
Сплав Ti-6Al-4V: обладает высочайшей прочностью на разрыв, твердостью, сжатием и ударопрочностью; однако его трудно сгибать и формовать, и он обладает слабой пластичностью.

Чистый титан TA1/TA2 — это материал, который хорошо-подходит для комплексной сварки сложных фланцевых нагревательных трубок благодаря своей превосходной пластичности, низкой прочности на разрыв, а также хорошим характеристикам при изгибе и обработке.

Эффективность сварки
TA1 и TA2: постоянная коррозионная стойкость корпуса трубы, гладкая сварная пассивная пленка после очистки, стабильная аргонодуговая сварка.

Ti-6Al-4V: зерно в зоне сварного шва укрупняется, что приводит к значительной тенденции к местной коррозии после сварки. Зона термического влияния сварного шва становится слабым местом коррозии.

Адаптивность к термоциклированию
Чистый титан (ТА1/ТА2) имеет низкий коэффициент теплового расширения, небольшую термическую нагрузку во время частых циклов отключения нагрева-и скорость образования микротрещин в пассивной пленке, которая значительно ниже, чем у титанового сплава. При колебаниях температуры трубы из сплавов подвержены ускоренному отслаиванию пленки.

4. Разница в стоимости
Цена очищенного титанового сырья ТА1 класса 1 примерно на 25–35% выше, чем у ТА2.

Чистый титан TA2 Grade 2 — это основной материал массового производства по умеренной цене.

Стоимость сырья сплава Ti-6Al-4V сопоставима со стоимостью ТА2. Однако общая цена готовой продукции не ниже, чем у ТА2, и она имеет некачественную антикоррозийную отдачу из-за высоких затрат на обработку и сварочные работы.

5. Руководство по выбору сортированных материалов для проектов ферментации.
Сценарий 1. Строгий предел содержания тяжелых металлов, биологический бульон с высокой-ценностью и высокие-стандартные фармацевтические стерильные ферментации.
Выбор: нагревательная трубка из чистого титана TA1 класса 1. Причиной сверх-длительного срока службы является отсутствие загрязнения ионами металлов, сверх-низкое содержание примесей железа и частая глубокая безразборная мойка.

Сценарий 2. Непрерывное производство в течение 24 часов, обычная кислотная-мойка без мойки, обычное брожение пищевых продуктов и пивоварение на органических кислотах.
Выбор: нагревательная трубка из чистого титана TA2 класса 2 (рекомендация отраслевого стандарта). Основная причина: соответствие GMP, коррозионная стойкость полностью достаточна для удовлетворения спроса, а затраты на приобретение и техническое обслуживание сбалансированы.

Сценарий 3: Процесс с концентрированной щелочью, среда со следами фторида, кипячение
Выбор: прекратить использование всех титановых материалов и внедрить нагревательную трубку, полностью покрытую PFA. Причина этого в том, что как чистый титан, так и титановые сплавы будут испытывать серьезные нарушения равномерного травления.

Сценарий 4: Общая механическая конструкция без контакта со средой
Запрещено: Любая нагревательная трубка, погруженная в ферментационный бульон, растворение легирующих элементов приводит к бракованию продукта. Выбор: Титановый сплав Ти-6Ал-4В.

6. Таблица сравнительной сводки
Вход:

Оценка Размер Класс 1 TA1 Чистый титан Класс 2 TA2 Чистый титан Титановый сплав Ti-6Al-4V
Умеренная устойчивость к коррозииОтличная, с минимальным риском разрушенияОтличная, подходит для большинства процессов ферментацииАлюминий — плохой металл, который при растворении в кислоте образует ямки.
Риск загрязнения продуктами ферментации Практически отсутствует Чрезвычайно низкий, соответствует пищевым и фармацевтическим стандартам Высокий уровень осаждения ионов алюминия/ванадия
Термоциклирование и качество сварки. Пассивная пленка, однородная и стабильная. Основной сварочный материал, стабильный. Укрупнение зерна сварного шва и быстрое растрескивание пленки.
восприимчивость к водородному охрупчиваниюНизкая Средняя Высокая
Стоимость сырьяВысокая Умеренная, экономичная-эффективностьВ непосредственной близости от ТА2 существуют значительные затраты, связанные с последующей-обработкой.
Подходящий бродильный резервуар. Фармацевтическая ферментация при высочайшем уровне стерильности. Все обычные фармацевтические и пищевые ферментационные устройства. Контактные нагревательные устройства средней- среды запрещены.
Сокращенное резюме
Титановый сплав Ti-6Al-4V механически прочен; однако он непригоден для нагревательных трубок для ферментации из-за недостаточной стойкости к кислотной коррозии и риска загрязнения тяжелыми металлами. Универсальным оптимальным выбором для большинства ферментационных производственных линий является чистый титан Grade 2 TA2, который предлагает сбалансированное сочетание производительности и стоимости. Чистый титан класса 1 TA1 используется исключительно в стерильных фармацевтических процессах высокой-чистоты, требующих строгого контроля примесей. Во фторсодержащих средах ни один материал серии титана не способен надежно работать; поэтому необходимо использовать нагревательные трубки с покрытием PFA.