Биотехнология аспарагиновой и глутаминовой аминокислот

(5')

В результате шестой реакции глицеральдегид-3-фофат в присутствии фермента дегидрогеназы, кофермента НАД и неорганического фосфата подвергается своеобразному окислению с образованием 1,3-биофосфоглицериновой кислоты и восстановленной формы НАД (НАДН):



(6)

1,3-Биофосфоглицерат представляет собой высокоэнергетическое соединение. Механизм действия дегидрогеназы сводится к следующему: в присутствии неорганического фосфата НАД+ выступает как акцептор водорода, отщепляющегося от глицеральдегид-3-фосфата. В процессе образования НАДН глицеральдегид-3-фосфат связывается с молекулой фермента за счет SН-групп последнего. Образовавшаяся связь богата энергией, но она непрочная и расщепляется под влиянием неорганического фосфата, при этом образуется 1,3-биофосфоглицериновая кислота.

Седьмая реакция катализируется фосфоглицераткиназой, при этом происходит передача богатого энергией фосфатного остатка на АДФ с образованием АТФ и 3-фосфоглицериновой кислоты:

(7)

Таким образом, благодаря действию двух ферментов (глицеральдегидфосфатдегидрогеназы и фосфоглицераткиназы) энергия, высвобождающаяся при окислении альдегидной группы глицеральдегид-3-фосфата до карбоксильной группы, запасается в форме энергии АТФ. В отличие от окислительного фосфорилирования образование АТФ из высокоэнергетических соединений называется субстратным фосфорилированием.

Восьмая реакция сопровождается внутримолекулярным переносом оставшейся фосфатной группы, и 3-фосфоглицериновая кислота превращается в 2-фосфоглицериновую кислоту. Реакция легкообратима, протекает в присутствии ионов магния:

(8)

Девятая реакция катализируется ферментом енолазой, при этом 2-фосфоглицериновая кислота в результате отщепления молекулы воды переходит в фосфоенолпировиноградную кислоту, а фосфатная связь в положении 2 становится высокоэргической. Енолаза активируется катионами Mg2+ и Mn2+ и ингибируется фторидом.

(9)

Десятая реакция характеризуется разрывом выскоэргической связи и переносом фосфатного остатка от фосфоенолпирувата на АДФ. Катализируется ферментом пируваткиназой:

(10)

Для дествия пируваткиназы необходимы Mg2+ , а также одновалентные катионы щелочных металлов.

В результате одиннадцатой реакции пируват под влиянием пируваткарбоксилазы и при участии СО2 и АТФ карбоксилируется с образованием оксалоацетата:

(11)

Двенадцатая реакция катализируется ферментом цитрат-синтетазой, при этом ацетильная группа ацетил-КоА конденсируется с оксалоацетатом, в результате чего образуется лимонная кислота:

(12)

Тринадцатая реакция - дегидратация лимонной кислоты с образованием цис-аконитовой кислоты, которая, присоединяя молекулу воды, переходит в изолимонную кислоту. Катализирует эти обратимые реакции гидратации-дегидратации фермент аконитатгидратаза. В результате происходит взаимоперемещение Н и ОН в молекуле цитрата:

(13)

В результате четырнадцатой реакции происходит образование ?-кетоглутарата. Изоцитрат дегидрируется в присутствии НАД-зависимой изоцитратдегидрогеназы. В ходе реакции изоцитрат одновременно декарбоксилируется. НАД-зависимый фермент является аллостерическим ферментом, которому в качестве специфического активатора необходим АДФ. Кроме того, фермент для проявления своей активности нуждается в ионах Mg2+ и Mn2+. Происходит выделение CO2.[28]

(14)

В ходе пятнадцатой реакции - ферментативного восстановительного аминирования ?-кетоглутаровой кислоты НАДФ-зависимой глутаматдегидрогеназой - образуется глутаминовая кислота:

НООС - СН2 - СН2 - СО - СООН + НАД(Ф)Н2 + NН3 >

НООС - СН2 - СН2 - NН2СН - СООН + НАД(Ф). (15)

3.4 Описание технологической процесса производства

Схема получения аспарагиновой и глютаминовой кислот при использовании в качестве источника углерода свекловичной мелассы представлена на рисунке 3.



Рис.3 Схема получения аспарагиновой и глютаминовой аминокислот

Принципиальная технологическая схема получения аспарагиновой и глютаминовой кислот складывается из следующих стадий: получение посевного материала; приготовление питательной среды, ее стерилизация, охлаждение и засев готовым посевным материалом; выращивание продуцента в ферментаторе до накопления максимального количества кислоты; выделение кислоты в кристаллическом виде.[36]

3.5 Изложение технологического процесса

3.5.1 Приготовление промышленной питательной среды

Для промышленных штаммов Coryn. glutamicum питательные среды при производстве посевного материала, как правило, содержат компоненты, указанные в таблице3.19

Таблица 3.19 Состав питательной среды

Состав питательной среды (в%)
Меласса	8
Кукурузный экстракт	0,3
Хлорид аммония	0,5
Калия фосфат двухзамещенный	0,05
Сульфат магния	0,03
Вода	96-97
рН среды	7,0-7,2

Для промышленных штаммов Ps. Aeruginosa питательные среды при производстве посевного материала содержат компоненты, указанные в таблице 3.20

Таблица3.20 Состав питательной среды для промышленных штаммов Ps. Aeruginosa

Состав питательной среды в %
Меласса	8
Калия фосфат однозамещенный	0.5
Аммония хлорид	0.1
Магния сульфат	0.02
Железа сульфат	0.01
Мел	0.01
Вода	96-97
Раствор с микроэлементами	0.01
Кукурузный экстракт	0.3
рН	8.5-9

Питательные среды на стадии биосинтеза глутаминовой кислоты содержат те же компоненты и в том же количестве, только вместо кукурузного экстракта и сульфата аммония присутствует до 2% мочевины, содержание мелассы увеличивают до 20%, дополнительно вводят мел до 1% и 0,1% синтетического пеногасителя, а для синтеза аспарагиновой кислоты, кроме того, вводится фумаровая кислота. [37]

3.5.2Санитарная обработка производства

Организация производства осуществляется согласно СанПиН 2.2.1/2.1.1.1200-03.

Все оборудование и инвентарь производства должны быть исправными и содержаться в чистоте.

Баки - хранилища для мелассы должны быть надежно защищены от попадания атмосферных осадков. Перед загрузкой сырья хранилища следует очистить от остатков старой мелассы и промыть моющими средствами. Если в хранилище находилась сильно обсемененная меласса, то необходимо провести дезинфекцию 3%-ным раствором хлорной извести. В хранящейся мелассе количество микроорганизмов по сравнению с исходным не должно увеличиваться.

Минеральные соли должны храниться в специальных помещениях, исключающих загрязнение их частицами почвы и микроорганизмами, содержащимися в них.

Дезинфекцию оборудования проводят только после удаления из него питательной среды, микроорганизмов и тщательной мойки. В качестве моющих средств используются каустическая и кальцинированная сода, а в качестве дезинфицирующих средств для борьбы с посторонними микроорганизмами - хлорная известь, антиформин, формалин, газообразный формальдегид, гипохлорид кальция.

После мойки и дезинфекции оборудование тщательно промывают водой до полного удаления моющего средства и дезинфектанта. Проверку эффективности обработки производят путем микроскопирования последней смывной воды.

Биореакторы очищают, промывают горячей водой и дезинфицируют 3%-ным раствором хлорной извести, а после отмывания дезинфицирующего раствора пропаривают. Особое внимание обращают на проведение обработки и дезинфекции воздухораспределительной системы, в которой могут сохраниться остатки питательной среды и микроорганизмов, благоприятствующие развитию посторонних микроорганизмов. Они могут стать причиной загрязнения и порчи готовой продукции. Воздухораспределительную систему заполняют раствором дезинфектанта на определенное время, а затем тщательно промывают.

Сепараторы, промывные чаны, сборники концентрата, фильтр-прессы, вакуум-фильтры необходимо регулярно (1 раз в смену) подвергать чистке и мойке. Особенно тщательно моют и дезинфицируют сепараторы, предназначенные для выделения засевных микроорганизмов чистой культуры (ЧК) и естественно чистой культуры (ЕЧК).

Все трубопроводы после окончания работы промывают холодной водой и пропаривают в течение 20-30 мин.

Применение дезинфицирующего средства «Трилокс»: дезинфекцию объектов проводят способами протирания, орошения, погружения, замачивания.

Норма расхода для готовых растворов: поверхности в помещениях, жесткую мебель, наружные поверхности приборов, аппаратов протирают ветошью, смоченной в растворе средства при норме расхода рабочего раствора средства 100 мл/м,2 обрабатываемой поверхности или орошают из расчета 300 мл/м2 при использовании гидропульта, автомакса или 150 мл/ м? при использовании распылителя типа «Квазар».После окончания дезинфекции поверхностей методом протирания влажную уборку в помещении не проводят. При ежедневной уборке помещений в отделениях неонатологии способом протирания (при норме расхода 100 мл/м2), в том числе при обработке наружных поверхностей кувезов, используют рабочие растворы средства 0,1% и 0,2% концентраций при времени дезинфекционной выдержки 30 и 15 мин. Поверхности, пораженные плесенью, предварительно очищают и просушивают, а затем двукратно с интервалом 15 мин обрабатывают растворами средства: 2,0% концентрации при экспозиции 420 мин, 3,0% концентрации - 300 мин или 5,0% концентрации - 180 мин. Санитарно-техническое оборудование обрабатывают с помощью щетки, ерша или протирают ветошью, смоченной в растворе средства при норме расхода 150 мл/м2 обрабатываемой поверхности, при обработке способом орошения - 300 мл/м2 (гидропульт, автомакс), 150 мл/ м? (распылитель типа «Квазар»). По окончании дезинфекции санитарно-техническое оборудование промывают водой.

Обработку кувезов и приспособлений к ним следует проводить в отдельном помещении в отсутствии детей. Поверхности кувеза и его приспособлений тщательно протирают ветошью, смоченной в растворе средства 1,0% концентрации при времени дезинфекционной выдержки 60 мин, при норме расхода рабочего раствора средства 100 мл/м2 обрабатываемой поверхности. Удалять остаточные количества средства с поверхностей из пластмассы и оргстекла следует путем двукратного протирания стерильной тканевой салфеткой, обильно смоченной в стерильной воде, вытирая насухо после каждого промывания стерильными салфетками. После окончания обработки кувезы следует проветривать в течение 15 минут.

Приспособления в виде резервуара увлажнителя, металлического волногасителя, воз-духозаборных трубок, шлангов, узла подготовки кислорода полностью погружают в емкость с рабочим раствором средства 1,0% концентрации на 60 мин. Отмыв приспособлений к кувезам в виде резервуара увлажнителя, металлического волногасителя, воздухозаборных трубок, шлангов, узла подготовки кислорода следует проводить путем двукратного погружения в стерильную воду по 5 мин каждое с тщательным промыванием всех каналов, затем высушить стерильными салфетками

Работу с культурой штамма-продуцента проводят в асептических условиях в специально изолированных помещениях, называемых боксами с предбоксниками. В боксе ставят стол с металлической поверхностью для посевов, табурет, дезинфицирующие средства (3 % - ный раствор хлорамина или 3 %- ный раствор перекиси водорода) спиртовую горелку.

В боксе смонтированы бактерицидные лампы. В предбокснике хранится стерильная посуда, халаты и прочее.

Посуду, содержащую культуральную жидкость с микроорганизмами, подвергают стерилизации методом автоклавирования.

3.5.3 Стерилизация питательной среды, аппаратов и коммуникаций

Кукурузный экстракт необходимо хранить в специальных закрытых емкостях, которые перед загрузкой должны быть тщательно очищены от остатков продукта, промыты водой и пропарены (при сильном загрязнении следует применить дезинфицирующие средства). При переработке сильно обсемененного экстракта необходимую порцию перед использованием разбавляют водой в соотношении 1 : 1 и паром доводят температуру до 90-95 °С.

При переработке мелассы с повышенной обсемененностью или содержащую опасные для производства микроорганизмы (например, образующие нитриты) ее подвергают пастеризации или мгновенному нагреванию до температуры 120 °С. Применяют также добавку антибиотика биомицина в количестве 5-10 г на 1 м3 мелассного сусла и антисептики (смесь молочной и борной кислот, фурацилин или фуразолидон). Они используются для борьбы с нежелательной микрофлорой в приточной мелассе в сочетании с нагреванием ее до 85 °С. Антисептики добавляются в количестве от 0,01 до 0,1% на 1 м3 мелассного сусла в зависимости от степени инфицированности мелассы.

Подготовку ферментаторов (инокуляторов) к работе начинают с промывки использованного оборудования горячей и холодной водой с последующей обработкой аппаратов и коммуникаций острым паром. Стерилизацию питательных сред осуществляют традиционным способом, так же как и подготовку технологического воздуха. Растворяемые компоненты среды нагревают до определенной температуры, затем выдерживают при этой температуре с последующим охлаждением до температуры ферментации.

Питательная среда для выращивания продуцентов глутаминовой кислоты состоит из мелассы, кукурузного экстракта или другого источника ростовых веществ, мела и пеногасителя. Питательная среда готовится и стерилизуется в две стадии с учетом свойств компонентов, входящих в ее состав. Стадия подготовки и стерилизация среды состоят из смешивания компонентов питательной среды в определенной пропорции с помощью специальных дозаторов в реакторе, растворения солей при перемешивании, нагрева до температуры стерилизации, выдержки при этой температуре в течение 1 часа и охлаждения до температуры, при которой проводится культивирование продуцента глутаминовой кислоты.[19]

Термолабильные компоненты среды, например мелассу, содержащую сахарозу стерилизуют отдельно. В реактор, снабженный мешалкой, подают мелассу и нагревают ее при постоянном размешивании до температуры 80°С, с периодическим добавлением к раствору определенного количества воды. Собственно стерилизацию осуществляют путем быстрого разогрева полученного раствора глухим паром до 120-122°С в специальном аппарате и выдерживают при этой температуре определенное время, необходимое для полной гибели всей микрофлоры. Охлажденный раствор сжатым стерильным воздухом передают в предварительно подготовленный ферментатор. Температура стерилизации мелассы выше, а длительность значительно меньше, чем те же параметры при стерилизации остальных компонентов среды.

Пеногаситель, используемый на стадиях культивирования продуцента в посевном аппарате и основном ферментере, особенно в том случае, когда им является масло или жир, стерилизуется отдельно. Режимы стерилизации (температура и длительность) при обработке пеногасителя более жесткие, чем это принято для стерилизации любых питательных сред.[27]

Процесс получения глутаминовой кислоты требует строгих асептических условий, и поэтому особое внимание уделяется стерилизации не только среды, но и всех реакторов, коммуникаций, подаваемого воздуха.

При стерилизации аппаратуры режимы стерилизации зависят главным образом от материала, из которого изготовлено оборудование и его отдельные узлы. Наибольшая эффективность стерилизации аппаратуры и коммуникаций наблюдается при применении острого пара, имеющего температуру 135-140°С. Но отдельные блоки аппаратов, в том числе датчики измерительных приборов, не выдерживают таких условий стерилизации, и потому в этих случаях могут применяться «холодные» способы стерилизации.[34] Для такой обработки могут быть использованы бактерицидные газы (этилен) и растворы химических реагентов (формалина, смеси цитилпиридинового бромида и этанолмеркурихлорида в соотношении 2:1, различные производные фенола и их смеси, аммонийные соли первичных и вторичных алкилсульфатов, хлорсодержащие соединения, |3-пропиоллактон и т.д.).

Степень стерильности среды, оборудования и коммуникаций может быть проверена. Простерилизованную среду или смывы, произведенные стерильной водой с внутренних поверхностей аппаратов и трубопроводов, высевают на агаризованные или жидкие питательные среды и инкубируют в термостате сутки. Если среды остаются стерильными, то стерилизация проведена качественно. Такой анализ проводится при пуске завода, в случае появления инфекции и периодически в профилактических целях.

Подготовка воздуха

На первом этапе происходит очистка атмосферного воздуха от пыли и его сжатие.

Атмосферный воздух поступает через фильтр предварительной очистки 1 в компрессор 2, где сжимается до необходимого давления (350-500кПа).[32]

На втором этапе сжатый воздух необходимо поддерживать в оптимальном термодинамическом состоянии. При сжатии воздух нагревается до 100-200 градусов, поэтому его охлаждают в теплообменнике 4 до 25-30 градусов. При охлаждении сжатого воздуха конденсируется имеющаяся в атмосферном воздухе влага, которую отделяют во влагоотделителе 5. После отделения воды воздух нагревают до температуры культивирования микроорганизмов в теплообменнике-нагревателе 7. Далее воздух поступает в головной фильтр 8, где поддерживается его оптимальная температура и влажность. В фильтре 9 происходит холодная стерилизация воздуха, так как вместе с частицами пыли отделяются и клетки микроорганизмов.

На третьем этапе осуществляется окончательная стерилизация воздуха в индивидуальном фильтре тонкой очистки 10.(рис.5).

Подготовка мелассы

Свекловичная меласса подвергается разбавлению водой в приемнике 11до содержания сахара примерно 5%, затем стерилизуется паром в нагревателе-стерилизаторе 13, затем поступает на выдержку в выдерживатель 14,откуда через теплообменник-рекуператор 16 поступает в теплообменник 17 и охлаждается. В процессе подготовки к раствору мелассы добавляют мочевину, фосфорные и магниевые соли.[18] Подготовленный раствор мелассы направляется на ферментацию 19 .(рис.5).

3.5.4 Приготовление исходной и посевной культуры

1-выращивания посевного материала в заводской лаборатории; 2-выращивание в инокуляторах объемом 2м3; 3- выращивание в инокуляторах объемом 5м3; 4- выращивание в биореакторах объемом 50м3.

Рис.4.Технологическая схема приготовления посевного материала

Посевной материал на каждой из стадии его получения (от пробирок до посевного аппарата) выращивают в строго асептических условиях по 24 ч. Состав питательных сред незначительно меняется при переходе от одного штамма к другому и практически остается постоянным на каждой из промежуточных стадий получения посевного материала. Только при выращивании продуцента в посевном аппарате в питательную среду вносят до 0,1% стерильного синтетического пеногаситсля.

Накопление биомассы до 6-8 г. АСВ на 1 л среды производят в аэробных условиях сначала в инокуляторах объемом 2 м3, потом в посевных аппаратах объемом 5 м3. Полученный посевной материал в количестве 5-6% (от объема среды производственных аппаратов) стерильно передают в основные ферментаторы на 50 м3. Коэффициент заполнения аппарата 0,7. [29]

3.5.5 Ферментация

Меласса поступает на спиртовые заводы в железнодорожных цистернах / или автотранспортом в автоцистернах. На заводе мелассу взвешивают на весах взвещенная меласса насосом подается в чаны 11 суточного запаса мелассы. В трубопровод между весами и чаном подаются антисептики из чанка 14 Дозатор 12, предназначенный для антисептика, синхронно связан с насосом 13. После выдерживания (12-24 часов) в чанах меласса винтовым насосом направляется в механический рассиропник 15, куда подводится также горячая или холодная вода. Под давлением насоса меласса подается в аппарат чистой культуры 16, где подвергается непрерывной аэрации (при температуре 35-37 гр Цельсия).. Подготовленная меласса подается в ферментатор 17, где осуществляется синтез аспарагиновой (глютаминовой) кислоты. В ферментатор 17 также подается посевной материал из аппарата чистой культуры 16 и стерильный воздух из фильтра 10. [20]

Ферментатор оборудован системой аэрации, мешалкой, теплообменниками, индивидуальным фильтром воздуха 18, устройством для пеногашения, дозаторами, арматурой и приборами измерения и регуляции таких параметров, как температура, рН, давление, количество подаваемого в аппарат воздуха. Объем рабочего ферментера 50 м3. Для ведения процесса ферментации по непрерывному методу устанавливают рН, температуру и начинают аэрацию. Коэффициент заполнения аппарата 0.7.

При получении аспарагиновой кислоты в качестве питательной среды применяется меласса, содержащая небольшие количества фумарата для индуцирования аспартазы. После 11 ч ферментации температура повышается до 56 °С, и вводится кристаллическая фумаровая кислота. Для поддержания рН 9 добавляется аммиак. По мере образования аспарагиновой кислоты в систему вводится фумаровая кислота с поддержанием ее концентрации около 100 г/л; после 15 ч культивирования добавление кислоты прекращают. Процесс заканчивают после 5 ч инкубации, когда достигается полная конверсия.[17]

Аппарат обеспечивает стерильный процесс ферментации.

Ферментация ведется при продувании стерильным воздухом в течение 60 ч для глютаминовой кислоты. (рис.5).

3.5.7 Очистка продукта

Предварительная обработка культуральной жидкости

Осуществляется в результате добавления к ней определенного количества негашеной извести (или известкового молока) с последующим осаждением избытка ионов кальция фосфорной кислотой. Образующийся при этом осадок способствует лучшему отделению клеток продуцента и других балластных примесей.

Отделение биомассы от культуральной жидкости проводят центрифугированием или фильтрованием под давлением. Осветление фильтрата состоит в очистке его от пигментных примесей, окрашивающих нативный раствор в темный цвет. Для этого обрабатывают фильтрат активированным углем или подвергают его ионообменной сорбции на анионите ИА-1.Концентрирование осветленного раствора глутаминовой кислоты проводят путем его вакуум-выпаривания при температуре 40-60 °С, при этом из исходного раствора глутаминовой кислоты отгоняют от 50 до 80% воды. Осаждение кристаллов глутаминовой кислоты в изоэлектрической точке осуществляется путем подкисления полученного на предыдущем этапе концентрата соляной кислотой до рН 3,2 (изоэлектрическая точка глутаминовой кислоты) и охлаждения раствора до 4-15°С. [39]

Однократное проведение операции обеспечивает кристаллизацию 77% глутаминовой кислоты; при повторном ее проведении выход возрастает до 87%. Чистота получаемых кристаллов достигает 88%.

В результате последующей перекристаллизации чистоту получаемых кристаллов можно увеличить до 99,6%, что удовлетворяет требованиям фармакопеи.Отделение кристаллов глутаминовой кислоты осуществляется центрифугированием с последующей декантацией и возвратом маточника на стадию вакуум-выпаривания. Полученные кристаллы промывают обессоленной водой и направляют на сушку. Сушка кристаллов глутаминовой кислоты проводится в вакууме или в токе нагретого воздуха при 60-70°С.

Меласса поступает в аппарат для разбавления и охлаждения; разбавленная примерно в 7 раз и охлажденная меласса направляется на катионообменник 2 для отделения солей калия и натрия, а также бетаина, после чего меласса поступает на анионообменник 3, на смоле которого задерживаются глютаминовая и пиролидонкарбоновая кислоты. Деминерализованная меласса в виде сахарного раствора с доброкачественностью 92% и выше направляется на сахарный завод для выделения сахара.

После насыщения смол солями катионообменники и анионообменникн переключают на процесс регенерации. Регенерация смол в катионообменнике проводится разбавленной серной кислотой с последующей промывкой умягченной водой. Элюат от регенерации катионообменных смол может поступать на выделение бетаина.[39]

Регенерация смол в анионообменнике проводится раствором соды с последующей промывкой смол до нейтральной реакции умягченной водой. Элюат от регенерации смол из анионообменника направляется в сборник 4, а затем на сгущение в трехкорпусный выпарной аппарат 5. Сгущенный элюат обрабатывается раствором каустической соды в реакторе 6, фильтруется 7 и направляется в реактор 8 для обработки соляной кислотой. Образовавшиеся кристаллы отделяют на фильтре и затем растворяют в реакторе 9. Полученный раствор фильтруется через нутч-фильтр 10, куда для осветления вводится активированный уголь, и поступает в кристаллизаторы 11. Выкристаллизовавшаяся глютаминовая кислота отделяется на фильтре 12, сушится в этажерочной электрической сушилке 13 и упаковывается (14). Особенность описанной схемы -- комплексная переработка мелассы на сахар, глютаминовую кислоту, бетаин и другие продукты при незначительном расходе химикатов и других вспомогательных средств. Производство полностью автоматизировано.(рис.5).

По данным фирмы на 1 т глютаминовой кислоты расходуется:

· соляной кислоты (32%-ной) в/п ............. 6,0

· едкого натра (50%-кого) в/п .............. 2,0

· пара в т ........................ 16,2

· воды в м3 ........................ 230,0

· электроэнергии в кВт-ч ................. 200,0

1, 2, 6-смесители, 3-нагреватель, 4-выдерживатель, 5-теплообменник, 7-головной фильтр, 8-сборник пеногасителя, 9-воздушный фильтр, 10,11-посевной материал, 12-ферментер, 13-фильтрационная установка, 14- сборники влажного осадка, 15-сушильная установка, 16- напорные сборники, 17- цистерна, 18-ротаметр, 19-ионообменные колонки, 20,21- коммутаторы, 22- сборники элюата, 23- выпарной аппарат, 24- баллон со сжатым воздухом, 25- сборник конденсата, 26- нутч-фильтр, 27- кристаллизатор, 28-сборник спирта, 29-сушильная установка, 30-сборник паров аммиака, 31-насосы, 32-холодильник, 33-мерник, 34-поглотительная колонка

Рис.5 Аппаратурная схема производства аспарагиновой и глютаминовой аминокислот

3.6 Описание предложенного изменения в технологии

Ранее для производства аспарагиновой кислоты чаще применялся ферментативный синтез из фумаровой кислоты, в настоящее время разработан метод микробного синтеза с питательной средой на основе мелассы, с добавлением фумаровой кислоты, при постоянном перемешивании и аэрировании. Этот метод позволил увеличить выход аспарагиновой кислоты с 1700кг/сутки с 1м3 до 2000кг/сутки, к тому же использование живых клеток посевного материала дешевле, чем использование иммобилизованных ферментов, так как иммобилизованные ферменты активны в течении 14-18дней после первого использования, затем требуется сложная регенерация колонок с ферментом.

В предложенной схеме производства глютаминовой кислоты были произведены следующие изменения: вместо ранее использованного штамма рода Micrococcus, дававшего выход продукта 20 г/л, был предложен штамм Corynebacterium glutamicum в соответствии с патентом Российской Федерации «Штамм бактерий Corynebacterium glutamicum В-7198-продуцент L-глютаминовой кислоты», дающий 40 г/л глютаминовой кислоты.[37]

К тому же для получения чистой глютаминовой кислоты был использованы ионообменные колонки, вместо многостадийных процессов сушки и кристаллизации, что позволило выделять продукт высокой степени очистки с меньшими энергозатратами.[39]

3.7 Контроль производства, стандартизация и сертификация продукции

3.7.1 Стандартизация и сертификация продукции

На биосинтез глутаминовой кислоты существенное влияние оказывают степень аэрации среды, перемешивание, рН среды, длительность и температура ферментации, возраст и доза посевного материала. Поэтому на всех стадиях процесса все параметры культивирования строго регламентируются и контролируются (температура, рН, изменение основных компонентов среды, накопление глутаминовой кислоты, аэрация, перемешивание и т.д.).

Уровень рН среды - это очень ответственный параметр процесса. Как известно, продуцентами являются бактериальные штаммы, и потому в большинстве случаев оптимум рН для культивирования лежит в области, близкой к нейтральной или слабощелочной. Для штаммов, используемых в нашей стране, наилучшие результаты по биосинтезу глутаминовой кислоты получаются, если рН среды поддерживается около 7-7,2. Для всех известных продуцентов глутаминовой кислоты рН, обеспечивающей максимальное накопление глутаминовой кислоты и рост культуры, лежит в пределах от 6 до 8,5.

Снабжение растущей культуры кислородом является ответственным и важным фактором, влияющим на рост микроорганизма и образование им лизина. Кислород, используемый бактериальной клеткой, должен быть растворен в питательной среде. Для увеличения растворимости кислорода осуществляют барботирование среды воздухом с одновременным ее перемешиванием.[25]

Контроль за ходом процесса биосинтеза осуществляют на разных этапах его проведения по оптической плотности раствора культуральной жидкости (по содержанию клеток продуцента), по содержанию субстрата в смеси или по сигналам датчиков рН и растворенного кислорода в ферментационной среде. К концу процесса биосинтеза содержание глутаминовой кислоты в культуральной жидкости достигает не менее 45 г./л, концентрация оставшегося субстрата не более 0,5-1,0%.

В настоящее время во всём мире заметно ужесточились требования, предъявляемые потребителями к качеству готовой продукции. Эти требования обычно включаются (или находят отражение) в стандартах, технических условиях. Однако, соответствие продукции требованиям нормативных документов не является гарантией полного удовлетворения требований потребителя, поскольку в конструкции изделия, технологии или организационной системе, охватывающей проектирование, создание и реализацию продукции, могут появиться несоответствия. Вероятность того, что созданная продукция будет отвечать требованиям потребителя повышается, если на предприятии действует эффективная система обеспечения качества продукции.

Термин «сертификация» впервые был сформулирован и определен Комитетом по вопросам сертификации (СЕРТИКО) международной организации по стандартизации (ИСО) и включен в Руководство ИСО/МЭК № 2 1982г. Согласно этому документу сертификация соответствия - это действия третьей стороны, доказывающее, что должным образом идентифицированная продукция, процесс или услуга соответствуют конкретному стандарту или другому нормативному докпод сертификацией продукции понимается - проверка и оценка производства сертифицируемой продукции, направленная на получение необходимой уверенности в стабильности характеристик и показателей, подтверждаемых при сертификационных испытаниях (НД).

Основные структурные элементы системы сертификации

Исходя из определения, сертификацию можно рассматривать как особый вид деятельности, которому свойственны определенные структурные элементы (рис. 5).



Рис. 6 Основные структурные элементы сертификации

Объекты сертификации

Объектами сертификации являются продукция, услуги, работы, персонал, системы качества, рабочие места и пр., подлежащие или подвергшиеся сертификации.

Продукция, подлежащая сертификации, может быть представлена продовольственным сырьем, пищевыми продуктами, табачными изделиями, непродовольственными товарами.

Одной из важнейших задач в области сертификации является определение безопасности пищевых продуктов, т.к. 70 % вредных для человека веществ попадает в организм вместе с пищей и 30 % - с водой и через воздух. Таким образом, пища является одним из главных факторов, определяющих здоровье нации и сохранение генофонда. Система сертификации пищевых продуктов и продовольственного сырья имеет 300 органов по сертификации и 800 испытательных лабораторий. Практически сертификацией пищевых продуктов занимается такое же число организаций, которое занимается остальными объектами, вместе взятыми.

Объекты обязательной сертификации определяются «Номенклатурой продукции и услуг, подлежащих обязательной сертификации в Российской Федерации», которая утверждена постановлением Правительством РФ от 13.08.97 г.

Объекты, соответствие которых может быть подтверждено декларацией о соответствии, утверждены Постановлением РФ от 07.07.99 г. № 766.

Объектами добровольной сертификации являются системы качества, производства, а также продукция, работы и услуги, не подлежащие в соответствии с законодательными актами РФ обязательной сертификации. Проведение добровольной сертификации ограничивает доступ на рынок некачественных изделий за счет проверки таких показателей, как надежность, эстетичность, экономичность и др. При этом добровольная сертификация не заменяет обязательную, и ее результаты не являются основанием для запрета продукции. Она в первую очередь направлена на борьбу за клиента. Это в полной мере касается и добровольной сертификации услуг.

При производстве продукции первостепенное значение имеют требования её безопасности для потребителя. Для решения этой проблемы все большее число производителей во всем мире приступает сегодня к разработке и внедрению системы ХАССП, обеспечивающей безопасность продуктов и повышающей её конкурентоспособность.

ХАССП в буквальном переводе означает: анализ рисков и критические контрольные точки.

Сущность системы ХАССП заключается в выявлении и контроле «критических точек» технологического процесса, то есть тех параметров, которые влияют на безопасность производимой продукции.

Система качества ХАССП включает в себя 11 разделов:

- введение в систему;

- политика руководства предприятия в области качества и безопасности выпускаемой продукции;

- Приказ «О создании рабочей группы по внедрению системы качества ХАССП (системы обеспечения качества);

- информация о продукции;

- информация о производстве;

- виды опасностей;

- планово-предупреждающие действия;

- критические контрольные точки;

- рабочие листы ХАССП;

- внутренние проверки системы ХАССП;

- ведение документации ХАССП.

- организация постоянной работы с потребителем - учет и анализ рекламаций, претензий, жалоб, связанных с нарушением требований безопасности выпускаемой продукции, с целью разработки мероприятий по снижению уровня дефектности;

- постоянная работа с поставщиками основного сырья и вспомогательных материалов, с целью улучшения качества закупаемой продукции;

- оценка их возможности обеспечивать доставку продукции гарантированного качества;

- проведение обоснованного входного контроля сырья и вспомогательных материалов на соответствие требованиям нормативной документации;

- контроль и анализ готовой продукции с целью повышения стабильности качества и предупреждения дефектов, связанных с нарушением требований безопасности готовых продуктов;

- внедрение системы ХАССП как предупредительной системы безопасности, определяющей систематический подход к анализу технологической обработки продуктов, опознаванию возможных рисков химического, физического и биологического происхождения и контролю этих рисков;

- контроль технологической дисциплины путем установления системы планово-предупредительного ремонта, межремонтного обслуживания, организации проведения метрологической проверки средств измерения и контроля;

- формирование целей и задач в области обеспечения качества для каждого подразделения, их разъяснение сотрудникам и обеспечение со стороны руководства условий для их реализации;

- постоянное повышение уровня знаний и профессионального мастерства сотрудников, развитие форм самодеятельности сотрудников в области качества путем организации групп качества;

- совершенствование форм и методов организации и повышения культуры производства;

- регулярное проведение внутренних и внешних проверок эффективности функционирования системы качества.

3.7.2 Контроль сырья и материалов

Контроль сырья и материалов осуществляется на основании нормативной документации на каждый вид сырья и материалов. Основные показатели, необходимые для проверки, и их значения приведены в таблице 3.21

Таблица 3.21 Контроль сырья и материалов

Наименование сырья	Частота контроля	Нормы, методы испытаний	Ответственное лицо
Меласса	Каждая партия	Согласно ГОСТ 30561-98	Лаборант ПТЛ
Карбамид (мочевина)	Каждая партия	Согласно ГОСТ 2081-92	Лаборант ПТЛ
Калий дигидроорто-фосфат	Каждая партия	Согласно ТУ 609-5324-87	Лаборант ПТЛ
Магний сернокислый	Каждая партия	Согласно ГОСТ4523-77	Лаборант ПТЛ
Экстракт кукурузный	Каждая партия	Согласно ТУ 67.18-37486361.005-2004	Лаборант ПТЛ
Вода	Перед каждым засевом	Согласно ГОСТ 287-82	Лаборант ПТЛ
Фумаровая кислота	Каждая партия	Согласно ТУ 2431-001-48426412-99	Лаборант ПТЛ
Аммиак	Каждая партия	Согласно ГОСТ 6221-90	Лаборант ПТЛ
Мешки полипропи-леновые	Каждая партия	Согласно ГОСТ 30090-93	Лаборант ПТЛ

Для каждой партии сырья и материалов проводят проверку наличия и соответствия товаросопроводительных документов и маркировки.

3.7.3 Технологический контроль производства

Технологический контроль производства осуществляется в соответствии с требованиями, представленными в таблице 3.22

Таблица 3.22 Технологический контроль производства

Наименование стадии процесса	Контролируемый параметр	Периодичность	Ответственное лицо
Приготовление питательной среды	Масса компонентов, кг	Каждая загрузка	Лаборант ПТЛ Аппаратчик
	Температура, оС	Каждая загрузка
	Водородный показатель	Каждые 4 часа
Выращивание посевного материала	Водородный показатель	Каждые 4 часа	Аппаратчик
	Температура, оС	Каждый час	Аппаратчик
	Жизнеспособность	Каждые 4 часа	Лаборант ПТЛ
	Микробиологическая чистота	Каждые 4 часа	Лаборант ПТЛ
Ферментация	Масса компонентов, кг	Каждая загрузка	Технолог, аппаратчик
	Водородный показатель	Каждые 4 часа	Технолог, аппаратчик
	Температура, оС	Каждый час	Технолог, аппаратчик
	Уровень, м3	Постоянно	Аппаратчик
	Расход воздуха, кг/м3 час	Каждые 4 часа	Технолог, аппаратчик
	Жизнеспособность	Каждые 8 часов	Лаборант ПТЛ
Очистка синте-зированной кислоты	Масса компонентов,кг	Каждая загрузка	Аппаратчик
	Водородный показатель	Через 0.5 часа от начала стадии	Технолог, аппаратчик
	Температура, оС	Каждая загрузка	Технолог, аппаратчик

3.7.4 Химический и микробиологический контроль производства

Химический и микробиологический контроль осуществляется лаборантом ПТЛ. Все необходимые контролируемые параметры указаны в таблице 3.23

Таблица 3.23 Химический и микробиологический контроль производства

Наименование контролируемого параметра	Метод контроля	Периодичность
Контроль питательной среды
Сахар	По Бертрану	Каждые 8 часов
Аммонийный азот	Метод Поп- Стивенса	Каждые 8часов
Аммиачный азот	Колориметрическое ГОСТ 27894.3-88	Каждые 8 часов
Контроль посевного материала
Жизнеспособность	Иммерсионная микроскопия	Каждые 4 часа
Накопление биомассы	Спектрометрия, гравиметрия	Каждые 4 часа
Контроль ферментационной среды
Сахар	По Бертрану	Каждые 8 часов
Кислотность	Титриметрия	Каждые 4часа
Аммонийный азот	Метод Поп- Стивенса	Каждые 8 часов
Аммиачный азот	Колориметрическое ГОСТ 27894.3-88	Каждые 8 часов
Жизнеспособность продуцента	Иммерсионная микроскопия	Каждые 8 часов
Накопление кислоты	Тонкослойная хроматография	Первый раз через 24часа от начала культивирования, затем каждые 8 часов
Контроль выделения и очистки продукта
Концентрация кислоты	ВЭЖХ	На каждой стадии очистки

3.7.5 Контроль готового продукта

Контроль готового продукта осуществляется в соответствии с требованиями, представленными в таблице 3.24.

Таблица 3.24 Контроль готового продукта

Наименование контролируемого параметра	Метод контроля
Массовая доля влаги,%	Гравиметрия
Массовая доля кислоты	ВЭЖХ
Массовая доля хлоридов, %	Титриметрия ГОСТ 51421-99
Микробиологические показатели: Общая обсемененность Обсемененность E.coli	Посев на селективные среды МПА Среда Эндо
Определение токсичных элементов	Согласно ГОСТ 26927,ГОСТ 26931,ГОСТ 26932, ГОСТ 26933,ГОСТ 26934,ГОСТ 26930

Контроль за наличием сертификации санитарно-эпидемиологических заключений, качественных удостоверений, а также других документов, подтверждающих качество и безопасность сырья постоянно осуществляется заведующим лаборатории.

Сменный технолог осуществляет визуальный контроль за выполнением санитарно-противоэпидемиологических, соблюдением санитарных правил, разрабатывает и реализует меры, направленные на устранение выявленных нарушений. Приостанавливает или прекращает работу отдельных участков в связи с возможными аварийными ситуациям связанными с остановкой производства, поломкой технологического оборудования, отключением электроэнергии.

Сменный технолог обязан прекратить использование сырья и материалов не соответствующих установленным требованиям и не обеспечивающих выпуск продукции безопасной для человека и принять меры по устранению.

Заведующий лабораторией обязан своевременно информировать органы самоуправления, органы учреждений государственной санитарно-эпидемиологической службы об аварийных ситуациях, нарушениях технологических процессов, остановках производства, создающих угрозу санитарно-эпидемиологическому благополучию населения.

4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ

4.1 Расчет материального баланса

Расчет материального баланса на 1 тонну продукта, произведенного из мелассы с содержанием сахарозы 47%.

Таблица 4.1 Материальный баланс производства аспарагиновой кислоты (расчет на 1т продукта)

Материальный баланс
Использовано	Получено
Название сырья и полуфабрикатов	Количество,кг	Название конечного продукта, отходов и потерь	Количество, кг
1	2	3	4
Меласса	6363.83	Аспарагиновая кислота	1000
Фосфат калия	46.9	Биомасса	9.53
Сульфат магния	23.4	Углекислый газ	3726
Мочевина	703	Культуральная жидкость	16242.6
Кукурузный экстракт	117	Потери	2487,33
Вода	14828
Фумаровая кислота	1050
Аммиак	333,3
Всего	23456,46	Всего	23456,46

Таблица 4.2 Материальный баланс производства глютаминовой кислоты (расчет на 1т продукта)

	кг		кг
Меласса	6363.83	Глютаминовая кислота	1000
Фосфат калия	46.9	Биомасса	9.53
Сульфат магния	23.4	Углекислый газ	3726
Мочевина	703	Культуральная жидкость	16242.6
Кукурузный экстракт	117	Потери	1104
Вода	14828
Всего	22082.13	Всего	22082.13

4.2 Расчет основного оборудования (ферментера)

Ферментер- аппарат для глубинного выращивания (культивирования) микроорганизмов в питательной среде в условиях стерильности, интенсивного перемешивания, непрерывного продувания стерильным воздухом и постоянной температуры. Ферментер представляет собой герметичный цилиндрический сосуд - корпус, снабженный барботером для подачи стерильного воздуха и мешалкой с электроприводом. Внутри ферментера вдоль его корпуса и перпендикулярно к нему закрепляют узкие металлические полосы - отбойники для повышения эффективности перемешивания. Объём ферментеров, предназначенных для лабораторных исследований, чаще до 30 л, для полузаводских экспериментов - 0,05-5 м3, промышленного использования - 50-100 м3. Лабораторные ферментеры могут изготовляться из термостойкого стекла (их стерилизуют в автоклавах), ферментеры больших размеров - из нержавеющей стали (они имеют паровую рубашку для стерилизации и поддержания температуры). ферментеры, как правило, оборудуются устройствами для измерения и регулирования температуры, количества продуваемого воздуха и давления внутри ферментера.

В случае необходимости ферментер дополнительно снабжается устройствами для измерения и регулирования pH среды, концентрации растворённого кислорода в культуральной жидкости, углекислого газа в выходящем воздухе, сигнализатором уровня пены и приспособлениями для механического или химического пеногашения. При непрерывном процессе культивирования микроорганизмов ферментеры дополнительно оборудуются стерилизуемыми резервуарами для хранения компонентов питательной среды и насосами для их непрерывной подачи в ферментер. Используют ферментеры в промышленности при микробиологическом синтезе антибиотиков, ферментов, витаминов, аминокислот, нуклеотидов, белково-витаминных концентратов и т.д., в научных исследованиях в области микробиологии, биохимии и других родственных дисциплин.

Рис.7 Ферментер для производства аспарагиновой и глютаминовой аминокислот

Техническая характеристика ферментера

Все необходимые технические характеристики ферментера указаны в таблице 4.3

Таблица 4.3 Технические характеристики ферментера

Характеристика	Значение
Емкость ферментера, м3	15
Рабочее давление в корпусе, кг/см2	3
Рабочее давление в рубашке, кг/см2	3
Мощность электродвигателя, квт	22
Скорость вращения мешалки , об/мин	170
Вес ферментёра, кг	8000

Турбинная мешалка трехъярусная.

В корпусе аппарата мешалки размещены: теплообменники, перемешивающие устройства, барботер, отражательные перегородки. На корпусе - секционная рубашка.

Расчет толщины стенки

Sр=Рр* Dвн/(2[?]* ?-Рр), мм

Sр - расчетная толщина стенки

Рр - расчетное давление в аппарате, МПа

[?] - допустимое напряжение материальной части про рабочее температуре

? - коэффициент прочности сварных швов. Определяется по стандартам ?=0,8

Расчетная температура

tр=40?С, но для обогрева ферментера и для стерилизации используют пар с температурой до 100 ?С. Поэтому tр=100?С

Рр=Р+Рг

Р=0,3 МПа

Рг=?ж*g* Нж=1020*9,81*5,98=59837,1 Н/м2=0,0598МПа

Рр=0,3+0,0598=0,3598МПа

Определяем дополнительное напряжение [?]

[?]=?min*[ ?1.0/nт=261/1,5=174МПа; ?в/nв=500/2,4=208МПа]=174МПа

Sр=0,3598*2000/2*174*0,8-0,3598=2,225мм

S= Sр+С=2,225+3,7=5,925мм

С=С1+С2+С3=2,4+0,8+0,5=3,7мм

С1=П*?=0,2*12=2,4 мм

С2=0,8 (выбираем по справочнику, с учетом того, что толщина листа 8 мм)

С3=0,5

Выбираем листовую сталь 8 мм согласно ГОСТ

Проверка:

8-3,7/2000=0,002<0,1

Определение веса аппарата

Gап=Gк+Gв+Gж

Gк - вес корпуса аппарата

Gк= g* ?к*Vк, кг

Gк=7900*0,04=316кг

?к - плотность материала (?к=7900кг/м3)

Vк= ?* Dср* S *Lр=3,14*2*0,008*0,5=0,03м3

Dср - средний диаметр

Dср= D+ S=2+0,008=2,008

Lр - расчетная длина

Lр= L+2/3Н=5,2+2/3*0,8=0,5м

L - длина цилиндрической части корпуса, L=5200мм

Н - высота эллиптического днища (Н=0,25 Dвн=0,25*2=0,5)

Gв - вес вспомогательных устройств

Gв=0,6 Gк=0,6*316=189.6 кг

Gж - вес жидкости

Gж= g* ?к*Vж=1020*2,8=2856 кг

Vж= ?d2/4 * Lр=3,14*2/4 * 0,5*0,7=2,8м3

G=316+189.6+2856=3361.6кг=3.36 т

Расчет конструкции ферментера

Расчет объема ферментера

1. Gгод=120 т/год

2. Расчет и обоснование ?эф

Цех работает в непрерывном режиме. ?эф=8000ч

3. рассчитываем время цикла ферментации

?цикла= ?ферментации+ ?резервное

?ферментации=72ч

?резервное = 12ч

?цикла=72+12=84ч

4. Определяем количество циклов ферментации за год

nциклов= ?эф/ ?цикла=8000/84=96 цикл/год

5. Определяем производительность за один цикл

Gцикл= Gгод/ nциклов=120000/96=1250 кг/цикл

6. Определяем реакционный объем ферментера

Vф= Gцикла/схр * ?х * кз = 1250/244*0,9*0,7=81,3 м3, где

схр - концентрация продукта по абсолютно сухому веществу в ферментационной жидкости = 244 кг/м3

?х - коэффициент, учитывающий потери продукта в ходу ферментации = 0,9

кз - коэффициент заполнения ферментера = 0,7

7. Определяем количество стандартных ферментаторов с Vф = 15м3

Z= Vф/ Vф.ст = 99.2/63 = 1.57шт, для производства возьмем 6 ферментеров

В настоящее время изготовляются ферментеры для производства лизина с Vф = 15 м3 с такими габаритными размерами, мм:

высота - 8540

диаметр - 2000

ширина - 2100

Проверка по формуле

Vф= Gгод * ?цикла/ схр * ?х * кз * ?эф = 120000* 84/ 244 * 0,9 * 0,7 * 8000=81,3м3

Расчет затрат на аэрацию

1. Уравнение массопереноса по О2

d О2/ d? = кLa * (c* - cф)

кLa - коэффициент массопереноса, час-1

c* - концентрация О2 на уровне насыщения, c* =21,9 г О2/л

cф - концентрация О2 в ферментационной среде, cф=0,2 * c* =4,38 г О2/л

2. Концентрация О2 на биосинтез

d О2/ d? = ? * сх * ?х

сх - концентрация продукта, сх=20 г/л

? - средняя удельная скорость роста метаболита

? = ln(20/Т)/72=0,041 час-1

3. Определяем объемный коэффициент массопередачи

кLa = (схк - сх0)/ ?* ?х * (сх - сф)=(20-1)*2,19/72?(1-0,2)*10-3*21,9)?=33час-1

Исходя из значений коэффициента массопередачи, выбираем тип перемешивающего устройства ферментера. Выбрали барботер с турбинной мешалкой.

4. Определим количество воздуха, подаваемого на аэрирование. Принимая, что степень потребления О2 ?г=30% от исходящего воздуха

VО2= ?х * схк * ?/ (?г * 0,21 *?возд)=2,19*20*0,041/0,3*0,21*29=0,98м3/час

Расход воздуха на ферментер

Vвоздферм= VО2 * Vр = 0,98* (125*0,7)=85,75 м3/час

Выбираем 3 воздуходувки, производительностью 32 м3/час

5. Расчет затрат на перемешивание

Затраты на перемешивание мешалки

dм=0,3*Dвн

Dвн =3200мм

dм=0,3*3,2=0,9м

Определяем среднюю мощность на перемешивание, исходя из критериального уравнения

кLa=270(Nср/ Vр)3/4 => Nср= Vр(кLa/270)4/3= 42*(33/270)4/3=4,67 кВт

Определяем частоту вращения мешалки

N=КN*?с*n3* dм5

КN- критерий мощности, зависящий от интенсивности перемешивания КN=f(Re)

?с - плотность среды, кг/м3 (?с=1020 кг/м3)

n - число оборотов мешалки

Re= ?с* n3* dм2/ ?с

? с - вязкость среды, Па·с (?с=0,648*10-3 Па·с)

n = ?/?* dм

? - окружная скорость мешалки.

Для турбинной мешалки ?=4,2?7,0

Определяем количество оборотов

n 1= 4,2/3,14*0,9=2,12 об/с

n2 = 7,0/3,14*0,9=5,31 об/с

Re1=2,123*0,92*1020/0,00065=122*105

Re2=5,313*0,92*1020/0,00065=1921,1*105

По графику зависимости КN=f(Re) определяем КN для области, рассчитанной Re КN=0,4. Тип мешалки - пропеллерная

Проверим частоту вращения мешалки, что уменьшает энергозатраты

n = (1,4*103/0,4*1020*0,95)1/3=6,7 об/с

Рассчитаем мощность на валу мешалки

Nр=к1*к2 (?к+1)* N

к1 - коэффициент заполнения аппарата растущей культурой

к1=Нж/ Dвн

Нж= кз*Нап

к1=0,7*12,98/3,2 =2,8

к2 - коэффициент, учитывающий увеличение мощности из-за повышения сопротивления растущей культуры в процессе роста

к2=1,1

?к - коэффициент, учитывающий увеличение потребления мощности на преодоление сопротивления, вызывающегося вспомогательными устройствами

?к = кп+ктр+ КN

кп - сопротивление отражательных перегородок (кп = 1,5)

ктр - сопротивление труб подвода воздуха для аэрирования (ктр=0,2)

КN - сопротивление датчиков для термопар и давления (КN=0,3)

Nр=1,32*1,1(1,5+0,2+0,3+1)4,67=20кВт

Определяем мощность с учетом потерь на преодоление трения в сальниках вала и редуктора и КПД двигателя

Nр`= Nр * кзап/к3=20*1,15/0,9=25 кВт

Определяем мощность, затраченную суммарно на аэрацию и перемешивание

Nсум= Nр`+ Nбар*кзап

Nбар=0,2 * Nср=1,3 кВт

Nсум=25+1,3*1,15=26,5кВт

Удельный расход электроэнергии по потреблению О2

Nуд= Nсум*?ферм/Vр(схк - сх0)=26,5*72/42*(20-1)=2,4 кВт/час на 1 кг а.с.в.

Выбор конструкционных материалов ферментера

Первый слой - Сталь 12Х18Н10Т, все характеристики указаны в таблицах 4.4, 4.5, 4.6

Таблица 4.4 Характеристика стали 12Х18Н10Т

Марка:	12Х18Н10Т
Заменитель:	08Х18Г8Н2Т, 10Х14Г14Н4Т, 12Х17Г9АН4, 08Х22Н6Т, 08Х17Т, 15Х25Т, 12Х18Н9Т
Классификация:	Сталь коррозионно-стойкая обыкновенная
Применение:	детали, работающие до 600 °С.Сварные аппараты и сосуды, работающие в разбавленных растворах азотной, уксусной, фосфорной кислот, растворах щелочей и солей и другие детали, работающие под давлением при температуре от --196 до +600 °С, а при наличии агрессивных сред до +350 °С.

Таблица 4.5 Химический состав

Химический элемент	%
Кремний (Si), не более	0.8
Медь (Cu), не более	0.30
Марганец (Mn), не более	2.0
Никель (Ni)	9.0-11.0
Титан (Ti)	0.6-0.8
Фосфор (P), не более	0.035
Хром (Cr)	17.0-19.0
Сера (S), не более	0.020

Таблица 4.6 Механические свойства

Термообработка, состояние поставки	Сечение, мм	?0,2, МПа	?B, МПа	?5, %	?, %
Прутки. Закакла 1020-1100 °С, воздух, масло или вода.	60	196	510	40	55
Прутки шлифованные, обработанные на заданную прочность.			590-830	20
Прутки нагартованные	<5		930
Листы горячекатаные или холоднокатаные. Закалка 1000-1080 °С, вода или воздух.	>4	236	530	38
Листы горячекатаные или холоднокатаные. Закалка 1050-1080 °С, вода или воздух.	<3,9	205	530	40
Листы горячекатаные или холоднокатаные нагартованные

Подобные документы

• Характеристика солода и мелассы

  Характеристика солода и его назначение в различных бродильных производствах. Химический состав и технологические показатели качества свеклосахарной мелассы. Классификация меласс, их биохимические, микробиологические и технологические характеристики.
  
  контрольная работа [407,9 K], добавлен 31.10.2012
  

• Молочнокислое брожение, схема получения молочной кислоты. Технология получения молочной кислоты

  Отличия гомоферментативного и гетероферментативного молочнокислого брожения. Процесс подготовки питательной среды и стадии получения посевного материала при производстве молочной кислоты. Примеры способов получения молочной кислоты и их эффективность.
  
  презентация [1,1 M], добавлен 06.10.2016
  

• Извлечение кремнефтористоводородной кислоты при процессе производства фосфорной кислоты

  Технология и основные этапы извлечения кремнефтористоводородной кислоты при процессе производства фосфорной кислоты: производство экстрактной фосфорной кислоты, переработка отходов образующихся в процессе и извлечение кремнефтористоводородной кислоты.
  
  реферат [155,3 K], добавлен 11.10.2010
  

• Производство соляной кислоты

  Методы получения соляной кислоты. Характеристика основного и вспомогательного сырья. Физико-химические характеристики стадий процесса. Характеристика абсорберов хлороводорода. Расчет материального баланса производства синтетической соляной кислоты.
  
  курсовая работа [835,1 K], добавлен 17.11.2012
  

• Выбор и расчет средств измерений в системах автоматизации технологических процессов

  Производство соляной кислоты. Характеристика основного и вспомогательного сырья. Автоматизация процесса получения соляной кислоты. Технологическая схема процесса и система автоматического регулирования. Анализ статических характеристик печи синтеза.
  
  контрольная работа [96,6 K], добавлен 08.06.2016
  

• Производство разбавленной азотной кислоты по схеме АК-72: отделение окисления аммиака

  Характеристика исходного сырья, вспомогательных материалов для получения азотной кислоты. Выбор и обоснование принятой схемы производства. Описание технологической схемы. Расчеты материальных балансов процессов. Автоматизация технологического процесса.
  
  дипломная работа [1,9 M], добавлен 24.10.2011
  

• Производство адипиновой кислоты

  Изучение свойств и определение области практического использования адипиновой кислоты как двухосновной карбоновой кислоты. Описание схемы установки периодического действия для её получения. Оценка экологических факторов производства и его безопасность.
  
  контрольная работа [307,5 K], добавлен 29.01.2013
  

• Проектирование узла ингибирования соляной кислоты на АО "Каустик"

  Обоснование места размещения производства продукции. Характеристика методов производства соляной кислоты. Описание технологической схемы получения синтетической соляной кислоты. Устройство и принцип работы основного и вспомогательного оборудования.
  
  дипломная работа [3,5 M], добавлен 03.12.2017
  

• Технология получения полифосфорной кислоты на базе ООО "Балаковские минеральные удобрения"

  Технологический процесс получения полифосфорной кислоты. Методы и аппараты для обеспечения экологической безопасности. Контроль производства и управления абсорбцией отходящих газов. Расчет абсорбера санитарного. Приборы измерения загрязняющих веществ.
  
  дипломная работа [1,3 M], добавлен 06.11.2012
  

• Производство азотной кислоты

  Промышленные способы получения разбавленной азотной кислоты. Катализаторы окисления аммиака. Состав газовой смеси. Оптимальное содержание аммиака в аммиачно-воздушной смеси. Типы азотнокислотных систем. Расчет материального и теплового баланса реактора.
  
  курсовая работа [1,9 M], добавлен 14.03.2015
  

• главная
• рубрики
• по алфавиту
• вернуться в начало страницы
• вернуться к началу текста
• вернуться к подобным работам