Аппаратно-технологическая схема производства глюкозамина из хитина

     Министерство  образования и науки Российской Федерации 

     Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования 

     ДАЛЬНЕВОСТОЧНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ 

     Школа биомедицины

Кафедра биотехнологии продуктов из животного сырья и функционального питания 

КУРСОВАЯ  РАБОТА 

ТЕМА: Аппаратно-технологическая схема производства глюкозамина из хитина 

                                                           Студент С 7503 Пб гр. Дышловая  Е. А. 

                                                           Руководитель: к.т.н. доцент Макарова Е.В. 

                                                Курсовая работа допущена к  защите: 

                                                 _______________________________ 

                                                  «____»___________________  20__г. 

                                                           Курсовая работа защищена   

                                                           с оценкой:_ ___________________                 

                                                 «____»___________________  20__г. 
 
 

Владивосток 2011г. 

Дальневосточный федеральный университет

     Школа биомедицины

           Кафедра биотехнологии продуктов из животного сырья и функционального питания

ЗАДАНИЕ

На курсовую работу студента 5 курса

1. Тема  курсовой работы: Аппаратно-технологическая схема производства глюкозамина из хитина

2. Цель  и общее направление работы: ознакомление  с аппаратно-технологической схемой  и методом получения глюкозамина.

3. Содержание  работы.

1 Характеристика  основных свойств пищевого сырья  для производства глюкозамина………………………………………………..……….……….…….7

2 Теоретические  подходы к обоснованию параметров  обработки на основных этапах  производства глюкозамина……………………………….…………..…13

3 Ассортимент  вырабатываемой продукции,  требования  к ее качеству…….19

4 Основные  процессы, протекающие при производстве  и хранении……...…22

5 Технологическая  схема производства глюкозамина………………...…..…..25

6 Характеристика  оборудования линии…………………………………..……27

7 Современные  подходы к совершенствованию  способов переработки….…43

8 Проблемы  утилизации отходов…………………………………………..…..45

5. Сроки  выполнения курсовой работы:

• Начало работы ________________________________________________
• Конец работы _________________________________________________
• Срок представления работы на кафедру ___________________________

Руководитель  курсовой работы________________________________________

Студент ___________________________________________________________ 

РЕФЕРАТ 

    Пояснительная записка 49 листов, 1 схема, 8 рисунков, 11 библиографических источников, 8 интернет ресурсов.  

    ГЛЮКОЗАМИН, ХИТИН, ХИТОЗАН, ТЕХНОЛОГИЯ, ПОЛУЧЕНИЕ, ПРОИЗВОДСТВО, ПРОМЫШЛЕННОСТЬ, ОБРАБОТКА,  ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ. 

    Объект  разработки курсового проекта – аппаратно-технологическая схема производства глюкозамина, его состав и применение. 
 
 

    В работе представлено химико-технологическое обоснование проекта, дана характеристика сырьевой базы, произведён подбор оборудования, рассмотрено применение продукта, его состав, свойства основные процессы, протекающие при производстве и хранении. Произведены расчеты процесса фильтрации как одной из важнейших операций производства.

    Рассмотрены инновационные течения в рыбной отрасли, проблемы утилизации отходов.

Содержание

Введение………………………………………………………….………..………5

1 Характеристика  основных свойств пищевого сырья  для производства глюкозамина………………………………………………..……….………….….7

2 Теоретические  подходы к обоснованию параметров  обработки на основных этапах  производства глюкозамина……………………………….…………..…13

3 Ассортимент  вырабатываемой продукции,  требования  к ее качеству….....19

4 Основные процессы, протекающие при производстве  и хранении……...…22

5 Технологическая  схема производства глюкозамина…………………….…..25

6 Характеристика оборудования линии……………………………………..…27

7 Современные  подходы к совершенствованию  способов переработки…….43

8 Проблемы  утилизации отходов………………………………………..……..45

Заключение………………………………………………………………...……..47

Список  использованных источников………………………….…………..……49 
 
 
 
 

Введение

Хитин - азотсодержащий полисахарид, из которого построены  твердые оболочки ракообразных и  насекомых, например крылья жуков.

Хитин - один из наиболее распространённых в  природе полисахаридов — каждый год на Земле в живых организмах образуется и разлагается около 10 гигатонн хитина.

• Выполняет защитную и опорную функции, обеспечивая жёсткость клеток — содержится в клеточных стенках грибов.
• Главный компонент экзоскелета членистоногих.
• Также хитин образуется в организмах многих других животных — разнообразных червей, кишечнополостных и т. д. [10]

    В 1878 г. установили, что в состав хитина входят глюкозамин и уксусная кислота. Кислотный гидролиз хитина приводит к образованию глюкозамина (2-аминопроизводное глюкозы), а при гидролизе под  воздействием энзима, находящегося в кишечнике улиток, получается N-ацетилглюкозамин.

    Глюкозамин  относится к производным сахаров, в структурных формулах которых  одна, реже две гидроксильные группы замещены аминогруппой. Глюкозамин по химической номенклатуре называют 2-амино-2-дезокси-Д-глюкозой и относят к группе аминосахаров. Из аминосахаров, в тканях рыб и безпозвоночных обнаружены в основном глюкозамин, галактозамин и маннозамин.

    Глюкозамин  обладает характерными свойствами аминов. Он является сильным основанием и образует устойчивые соли. В виде оснований глюкозамин не устойчив, поэтому в практике обычно используют его хлоргидраты.

    В качестве сырья могут быть использованы панцирьсодержащие отходы, образующиеся при переработки криля, а так  же панцири различных ракообразных и гладиус кальмара.

    Цель  работы состоит в  разработке перспективных  способов обработки и утилизации отходов ракообразных

    Задачей работы является ознакомление с инновационными направлениями в области рыбной промышленности в целом и в  частности с проблемами утилизации панцерьсодержащего сырья [12]. 

     1 Характеристика основных свойств пищевого сырья для производства глюкозамина

    Основным  источником глюкозамина является хитин  и его производный хитозан, полученный в результате обработки хитина в жестких  условиях раствором щелочи.

    Хитин — один из наиболее распространённых в природе полисахаридов, каждый год на Земле в живых организмах образуется и разлагается около 10 гигатонн хитина.

    Хитин выполняет защитную и опорную функции, обеспечивая   жёсткость клеток.

    Одно  из производных хитина, получаемое из него промышленным способом — хитозан. Сырьём для его получения служат панцири ракообразных (криль, камчатский краб), а также продукты микробиологического  синтеза. Хитозан полностью биосовместим с тканями организма. Он обладает бактериостатическими, фунгицидными, противоопухолевыми, иммуномоделирующими свойствами, способствует снижению холестирина.

    В пищевой промышленности хитозан  находит применение в качестве диетического волокна, эмульгатора, загустителя и т.д. Хитозан используется  для очистки растительных соков, в качестве биофлокулянта для извлечения белков из растворов и эмульсий (в том числе из молочной сыворотки) и в других процессах [17].

    Олигомеры хитозана являются источником глюкозамина  – основного строительного материала для соединительной ткани. Глюкозамин участвует в образовании суставных хрящей, связок и сухожилий. После того как его молекула усваивается желудочно-кишечным трактом, она доставляет к хрящу и другим тканям, где преобразуется в необходимые организму компоненты. Поэтому хитозан полезен для восстановления хрящевой ткани при заболеваниях суставов любой природы, включая артриты и артрозы.

Глюкозамин в очень малых количествах содержится в пищи. Его вырабатывают хрящевые клетки тела. Имеет очень большое значение в формировании и поддержании целостности сухожилий, кожи, глаз, ногтей, спинно-мозговой жидкости, костей, связок и даже сердечных клапанов. Потеря глюкозамина тканями приводит к раннему разрушению клеток, потере клеточных функций, ослаблению соединительной ткани и утрате гибкости. Является составной частью слизи, вырабатываемой в желудочно-кишечном тракте, легких и почках, а также в синовиальной жидкости. В сочетании с витамином С стимулирует образование коллагена.

    Химический  состав:

    основное вещество, не менее  99% (по факт. 99,85%);

    размер частиц  20 mesh;

    тяжелых металлов, не более 0,001 % (по факт.0,0002 %);

    железа, не более  0,001 % (по факт.0,0008 %);

    содержание Cd, не более  0,0002 % (по факт.0,00004 %);

    мышьяка, не более  0,00005 % (по факт.0,000005 %);

    содержание хлоридов  16,3-16,5% (по факт.16,38 %);

    плотность, не менее  0,8 г/мл (по факт. 0,87);

    остаток после прокаливания, не более  0,1% (по факт.0,06%);

    потери при высушивании, не более  0,3% (по факт. 0,08 %).

     В мире все большее внимание уделяется  биотехнологии морских продуктов, в частности хитину и его производным.

     Новиковым В. Ю. и Харзовой Л.П. в Мурманской области в 1999 году была предложена технология комплексной переработки отходов промысла ракообразных гидробионтов предназначена для производства хитина и концентратов каротиноидов, включая астаксантин.

     Предварительное извлечение из панциря липидов и  окрашенных соединений позволяет ускорить химические процессы переработки и  получить продукты высокой чистоты [21].

     Технология  предусмотривает обезжиривание  панциря при экстрагировании  сырья, что заметно улучшает условия  депротеинизации и деминерализации  панциря, значительно уменьшает  остаточное содержание липидов в  готовом продукте. Кроме того, при  экстракции отделяют ценные БАВ – каротиноиды, фосфолипидный концентрат и плотный остаток, содержащий хитин и кормовой белок. Нативные свойства БАВ максимально сохранены, а хитин, получаемый из плотного остатка, имеет белый цвет без проведения дополнительной стадии обесцвечивания.

     Из  хитина получают не только глюкозамин, но и другие вещества. Использование  и самого хитина в различных отраслях промышленности довольно велико.

     Хитозан является производным хитина - результат  обработки хитина в жестких условиях раствором щелочи позволяет заместить ацетильные группы хитина аминогруппами.

     Потенциальная возможность хитозана как функциональной добавки в решении задач технологии пищевых продуктов значительна. Хитозан может быть применен для  разделения веществ, регулирования  структуры продуктов, предохранения от порчи, сохранения биологической ценности, в рецептуре лечебно-профилактических продуктов и др. Хитозан используется для осветления соков, пива, вина, подсырной и творожной сыворотки. Образующийся комплекс хитозан - белок молоко может быть использован для обогащения творожных изделий, сыров, сырных соусов, паст.

   Обработка хитозаном измельченной мышечной ткани, ферментативных гидролизатов, бульонов, полученных из рыбы и беспозвоночных, позволяет снизить в них содержание пиптидов. Технологические воды, образующиеся при переработке крабов, содержат до 2 % сухих веществ, которые успешно осаждаются хитозаном и представляют собой ценный кормовой продукт. Некоагулированные белки, переходящие в промывную воду при производстве рыбных фаршей, осаждают нейтрализованным до рН 6 раствором хитозана. Полученный белково-хитозановый осадок обладает высокой пенообразующей способностью и благополучной микрофлорой, что позволяет использовать его в пищевом производстве.

     Результативно применение хитиновых сорбентов с целью удаления из виноматериалов ионов металлов. В зависимости от вида сорбента достигается удаление порядка 60-98 % первоначального содержания ионов железа [18].

   Раствор хитозана в присутствии регуляторов  кислотности применяемый для промывки икры лососевых, способствует снижению контаминации продукта и устранению ряда дефектов качества, значительно повышает прочность прикрепления панировочных слоев, препятствует испарению излишнего количества воды при обжаривании, придает желаемую хрустящую консистенцию верхнему слою изделия и снижает скорость порчи масла, в котором осуществляется обжарка.

    Хитозан, включенный в продукты питания как  лечебный препарат, проявляет способность выводить из организма радионуклиды. С этой целью в разное время стали   успешно производить овсяное печенье, хлеб, бисквиты с добавлением хитозана. Промышленный выпуск хитозана заданного качества позволит расширить ассортимент пищевых продуктов лечебно-профилактического назначения.

     Хитин, хитозан и их производные в  медицине имеют в основном четыре назначения: лечебное средство, БАД, средство для направленного транспорта лекарств и основа медицинских материалов.

     Как лечебное средство хитозан используют для лечения ран, ожогов, язв, как средство ускорения регенерации ткани при поражении кожи, в диагностике и лечении злокачественных опухолей, как противолучевое средство, а также в виде лекарственных форм антисклеротического и антиартрозного действия. Сульфопроизводные хитозана, обладающие антикоагулянтным действием, используют как заменитель гепарина. На основе хитиновых материалов разработаны препараты для лечения остеопороза, артритов, регенерации костной и нервной ткани. Хитозан способствует заживлению язв желудка, поджелудочной железы и других повреждений внутренних органов. Широкий ранозаживляющий эффект хитозана заключается не только в его прямом воздействии на пораженный участок, но и в локальной активации защитных ресурсов организма. Хитозан может быть применен в онкологии, так как способен концентрироваться вокруг раковых клеток и тормозить их рост и миграцию. В стоматологии препараты на основе хитина и хитозана используют для лечения глубокого кариеса и пародонтоза.

     В медицинских материалах хитин и  хитозан используют для изготовления хирургического шовного и перевязочного материала, искусственных мембран, раневых покрытий, заменителя кожи, для изготовления контактных линз, искусственного хрусталика, наполнителей лунок после удаления зубов. Гели хитина и хитозана служат удобным наполнителем для разнообразных лекарств (бактерицидных, сосудорасширяющих, болеутоляющих, противовоспалительных) и препаратов. Преимущества использования хитозана в виде гелей заключаются в их способности покрывать любые участки тела, давая эластичные пленки, в равномерном распределении на кожных и слизистых поверхностях и свободном проникновении через них.

    Положительное действие хитозана, включенного в  состав косметических средств, на кожу и волосы связано с высокой влагоудерживающей способностью полимера, его биоадгезивными свойствами, способностью формировать с кератином волос устойчивые пленки. Благодаря этим свойствам уменьшается отрицательный заряд и увеличивается электропроводность волос, снижается накопление электростатических зарядов, положительно сказываясь на сохранении прически в разных климатических условиях. В продуктах по уходу за кожей хитозан формирует чистые защитные покрытия. Применение хитозана как эмульгатора, антистатика, увлажнителя является перспективным в производстве шампуней, гелей, кремов, пудры, зубной пасты, стабилизаторов аромата духов, лака для ногтей, средств для очистки пор кожи. Все чаще хитозан рассматривается как иммобилизующая матрица для сорбции активных компонентов.

    В ветеринарии хитозан способствует повышению резистентности животных к инфекционным заболеваниям и толерантности к кормовым добавкам, лечению пищеварительного тракта, дыхательных путей, покровных тканей. Отмечена особенность хитозана, включенного в корм, положительно влиять на состав мяса, в частности на уровень холестерина в мясе кур. Он применяется при содержании сельскохозяйственных и домашних животных. Существует мнение, что освоению хитозана в медицине способствовало в большой степени его успешное применение в животноводстве.

     На  растения хитозан оказывает биостимулирующее действие, повышая их болезнеустойчивость, увеличивая урожайность, защищая от вредителей. Хитозан эффективен в борьбе с вирусной инфекцией.

Одной из областей, где хитозан начали применять достаточно давно и с использованием широкого спектра его функциональных свойств, является рыбоводство. Полимер используют для повышения эффективности рыбных кормов за счет придания им регулируемой водостойкости, прочности, плавучести. В аквакультуре хитин и хитозан могут быть использованы как сорбенты для очистки поверхности воды от возможного загрязнения нефтью и продуктами ее переработки [22]. 
 

2 Теоретические подходы  к обоснованию  параметров обработки  на основных этапах  производства глюкозамина

     При разделении суспензий в зависимости  от вида фильтровальной перегородки  и свойств самой суспензии фильтрование может происходить с образованием осадка на поверхности перегородки, с закупориванием пор фильтрующей перегородки и с тем и другим явлениями одновременно (промежуточный вид фильтрования).

     Фильтрование  с образованием осадка на поверхности  фильтрующей перегородки имеет место, когда диаметр твердых частиц больше диаметра пор перегородки. Этот способ осуществим при концентрации твердой фазы суспензии более 1 мас. %, когда создаются благоприятные условия для образования сводиков над входами в поры фильтровальной перегородки. Образованию сводиков способствует увеличение скорости осаждения и концентрации твердой фазы в суспензии [1].

     Фильтрование  с закупориванием пор происходит, когда твердые частицы проникают в поры фильтровальной перегородки. Закупоривание пор твердыми частицами наблюдается уже в начальный период процесса фильтрования, что снижает производительность фильтра. Для поддержания ее на должном уровне фильтр регенерируют, промывая обратным током жидкости либо прокаливая металлические фильтровальные перегородки.

     Промежуточный вид фильтрования имеет место в случае одновременного закупоривания пор фильтровальной перегородки и отложения осадка на поверхности фильтровальной перегородки.

     Для повышения скорости фильтрования при  разделении суспензий с небольшой концентрацией твердой фазы либо содержащих слизистые вещества фильтрование проводят в присутствии вспомогательных веществ, препятствующих закупориванию пор фильтровальной перегородки. Слой вспомогательного вещества наносят на фильтровальную перегородку перед фильтрованием суспензии. В качестве вспомогательных веществ используют тонкодисперсные угли, перлит, асбест, кизельгур, фиброфло, аксанит и другие материалы.[15] 

       Движущая сила  и скорость процесса

     Движущая  сила процесса фильтрования — разность давлений по обе стороны фильтровальной перегородки либо центробежная сила. Разность давлений можно получить разными способами: созданием избыточного давления над фильтровальной перегородкой либо подсоединением пространства под фильтровальной перегородкой к вакуумной линии. В этих случаях фильтрование происходит при постоянном перепаде давлений и скорость процесса прямо пропорциональна разности давлений и обратно пропорциональна сопротивлению осадка. Процесс описывается кинетическим уравнением: 

       (1) 

где V — объем фильтрата, м³;

F— площадь поверхности фильтрования, м²;

τ — продолжительность фильтрования, с;

Δр — перепад давлений, Н/м²;

µ— вязкость жидкой фазы,

R_o, R_фд — сопротивление соответственно осадка и фильтровальной перегородки, м^-1.

     Примем, что при прохождении 1 м³ фильтрата образуется х₀ м³ осадка, тогда 

                                                    (2) 

где h_Q — высота слоя осадка, м, откуда h₀=x₀V/F.

     Допустим, что сопротивление слоя осадка пропорционально  его высоте: 

                                                 (3) 

где r_{o –} удельное сопротивление осадка, м^-2.

     Поставим  полученное соотношение в уравнение (3) 

                                             (4) 

     Пренебрегая сопротивлением фильтровальной перегородки, полуяим

     r_{o =} Δp/ µh_oν,

где ν – скорость фильтрования.

     Для начального момента фильтрования (V = 0) R_{фп =} Δp/ (µν).

     Для случая фильтрования при Δp = const из уравнения (4) после его интегрирования в пределах О – V и О – τ получим 

                                           (5) 

     Полученное  уравнение применимо как к сжимаемым, так и к несжимаемым осадкам и показывает, что с увеличением объема фильтрата скорость фильтрования уменьшается.

     Решая уравнение (5) относительно продолжительности  фильтрования τ, получим 

                                       (6) 

     или с учетом выражения (2) 

                                                             (7) 

     Таким образом, продолжительность фильтрования прямо пропорциональна квадрату объема полученного фильтра  V_f = V/F , получим 

                                 (8) 

     Для случая фильтрования при ν = const из уравнения (4) полчуим 

                                       (9) 

     Или 

     откуда 

                               (10) 

     или Δp = µx_or_ov² + µR_фпv

     Таким образом, перепад давления возрастает с увеличением пропорциональности фильтрования: 

     Т.е. пропорционально квадрату объема полученного  фильтрата.