Проект цеха по производству кормового концентрата триптофана

Учреждение  образования «БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Факультет Технология органических веществ

Кафедра Биотехнологии и биоэкологи

Специальность Биотехнология

Специализация

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА 

КУРСОВОГО ПРОЕКТА

по  дисциплине Оборудование и проектирование микробиологических производств

Тема Проект цеха по производству кормового  концентрата триптофана

                                       Исполнитель

                           Студент(ка) 5 курса заочного факультета                               И.Н. Слесарчик

                                                                                              подпись, дата                инициалы и фамилия

                                   Руководитель 

.

                               должность, ученая степень, ученое  звание     подпись, дата             инициалы и фамилия

Курсовой проект защищен с оценкой

Руководитель                                                   

                                              подпись                                                    инициалы и фамилия

Минск 2013

Содержание

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

1. Выбор и обоснование технологической схемы……………..………………………………6

2. Описание технологической схемы…………………………………………………………..8

3. Расчет материальных и тепловых балансов……………...………………………………...10

3.1 Материальный баланс………………………………………………………………10

3.2 Тепловой баланс…………………………………………………………………….14

4. Выбор и расчет основного технологического оборудования..……..……………………..20

4.1 Расчет числа ферментаторов и посевных аппаратов……………………………..20

4.2 Расчет УНС……………………………………….…………………………………21

4.3 Расчет оборудования  для получения стерильного воздуха……………………...22

4.4 Расчет емкостей……………………………………………………………………..23

4.5 Выбор ВВУ………………………………………………………………………….25

4.6 Выбор сушильной установки………………………………………………………26

5.2.Подробный расчет ферментатора  ………………………………………………………2

Заключение……………………………………………………………………………………...27

Список использованных источников…………………………………………………………28

Приложение А. Технологическая схема………………………………………………………29

Приложение Б. Перечень элементов  …………………………………………………………30

Приложение В. Компоновка..…………………………………………………………………31

Приложение Г. Сушилка СРЦ-НК …………………………………………………………...32

Приложение Д. Перечень элементов…………………………………………………………33

Введение

Триптофан является незаменимой  аминокислотой, содержание ее, особенно в растительных белках, невелико. Но потребность в триптофане значительно меньше, чем в лизине и глутаминовой кислоте. Триптофан в небольших количествах используется в животноводстве, медицине (препараты для лечения алкоголизма, для регулирования функций головного мозга, кровяного давления и т.д.) и при различных биохимических исследованиях. Вместе с тем это очень важная аминокислота, она входит в белки и участвует в многочисленных превращениях соединений, имеющих циклическую структуру. Отсутствие этой аминокислоты или нарушение процессов синтеза ее ведет к тяжелым заболеваниям организма.

Путем микробного синтеза  L-триптофан можно получить двумя способами:

1. Трансформацией предшественников L-триптофана с помощью ферментных систем микроорганизмов до L- триптофана;

2.  Получением с помощью  мутантого штамма бактерий, недостаточного по тирозину и фенилаланину, прямым синтезом L-триптофана без предшественника.

В первом варианте используются в качестве предшественника антраниловая кислота и особые штаммы дрожжей Candida utilis, превращающие ее сначала в индол, а затем с участием серина в присутствии пиридоксальфосфата под действием триптофансинтазы образуется триптофан. Последний этап превращения антраниловой кислоты в L-триптофан связан с ферментом триптофансинтазой. Реакция протекает в две стадии.

Во втором варианте используются мутанты, способные продуцировать  L-триптофан и имеющие нарушения в цепи синтеза фенилаланина и тирозина. Для прямого синтеза используются различные бактериальные штаммы, относящиеся к виду Bacillus subtilis. Во ВНИИгенетика селекционированы штаммы спороносных бактерий, которые способны образовывать при глубинном культивировании их до 10 г триптофана на 1 л культуральной жидкости. Таким продуцентом является Васillus subtilis ВНИИгенетика-3557.

В данной курсовом проекте  триптофан получают по второму варианту. Этот способ является гораздо более  эффективным, т.к. не требует использования  предшественников триптофана.

1. Выбор и обоснование технологической схемы

В производстве триптофана в качестве продуцента используются различные штаммы Bacillus subtilis и Candida utilis. Для прямого биологического синтеза триптофана используем Васillus subtilis ВНИИгенетика-3557.

Для нормального роста, развития культуры, активного биосинтеза целевого продукта необходимо внести в питательную среду все необходимые  источники биогенных элементов, макро- и микроэлементы, многокомпонентность  питательной среды и различные  режимы стерилизации отдельных компонентов  обуславливают необходимость установления нескольких отдельных емкостей для  приготовления субстратной. отдельно готовится солевой раствор, сахароза и кукурузный экстракт; раствор мочевины; водный раствор пеногасителя (1:10) готовят  и стерилизуют в периодическом  режиме в отдельном бачке (в жестких  условиях 140-145оС, 1-1,5 часа) , т.к. по современным  представлениям пеногаситель обволакивает клетки микроорганизмов и затрудняет получение стерильной среды. Пеногаситель дозируют в процессе ферментации  при необходимости для гашения  пены.

Стерилизацию среды осуществляем в установке непрерывной стерилизации, использование которой обеспечивает уменьшение оборота ферментатора (стерилизация среды осуществляется с одновременной  загрузкой ферментатора). При этом некоторые компоненты среды необходимо стерилизовать отдельно: мочевину отдельно от остальных компонентов питательной  среды , Выбираем УНС – 20 в соответствии с объемами стерилизуемой среды, которая включает нагреватель, пластинчатый рекуператор тепла, позволяющий  сократить расход пара и воды, пластинчатый теплообменник, который в отличие  от теплообменника труба в трубе  является более эффективным и  компактным, три трубчатых выдерживателя, которые в отличие от емкостных  работают в режиме поршневого течения  и это обеспечивает одинаковый стабильный эффект для всех проходящих в трубе  микробных частиц. Температура стерилизации для солевой части среды, сахарозы и кукурузного экстракта 135оС, время  выдерживания при температуре стерилизации 6 минут, температура охлаждаемой  питательной среды 37оС. Мочевина стерилизуется  при более низкой температуре (128оС 6 минут), т.к. она плавится при 132,7оС.   Смешивание компонентов сред производится при температуре 80-90ºС,  что улучшает их растворимость. Стерилизацию инокуляторов, посевных аппаратов и ферментаторов  острым паром при температуре 130оС 1,5-2 часа осуществляют непосредственно  перед загрузкой.

Для стерилизации воздуха  используем головной фильтр с двухслойной  набивкой (стекловолокно и активированный уголь) и индивидуальные фильтры  патронного типа ( имеют лекгозаменяемые  патроны из фтороплатса) у каждого  инокулятора, посевного аппарата и  ферментатора, отработанный воздух очищается  в системе очистки «Ц+ФС», включающей циклон с гидрозатвором для удаления влаги (содержание влаги в отработанном воздухе 60 г/м3) и сетчатый фильтр из многослойной стальной ткани. В данных условиях эта система наиболее эффективна.

Культивирование продуцента проводят в промышленном ферментаторе объёмом 100 м3, снабженном необходимыми коммуникациями, системой подачи пеногасителя, охлаждающими теплообменными устройствами (рубашкой) для снятия биологического тепла и стерилизации аппарата и  устройствами для перемешивания (трехъярусная мешалка турбинного типа с верхним  приводом – наиболее распространенный вариант в отечественной промышленности) и введения в питательную среду  воздуха (барботер кольцевой формы), а также растворов кислот или  щелочей для поддержания рН среды  на заданном уровне. Из-за больших размеров ферментатора (100 м³ ) для получения  достаточного количества посевного  материала (5-10% от объёма ферментатора)  

2.Описание  технологической схемы

Процесс получения  ККТ состоит из следующих стадий:

—получение стерильного  воздуха;

—получение стерильных сред;

—получение посевного  материала;

—культивирование продуцента триптофана;

—упаривание культуральной  жидкости (КЖ);

—сушка упаренной КЖ.

Получение стерильного  воздуха.

Для осуществления культивирования  продуцента в инокуляторах и посевных аппаратах 9 и 10 и в ферментаторе 11 необходим стерильный воздух. Для этого используется целая система фильтров и кондиционеров. Воздух забирается из атмосферы, очищается от грубой взвеси в висциновом фильтре и поступает в турбокомпрессор, где происходит его сжатие, температура воздуха поднимается до 150— 160°С; затем воздух охлаждается, отделяется конденсат и далее воздух подается в ресивер, обеспечивающий равномерность подачи воздуха в ферментатор. Подготовленный таким образом воздух поступает в заполненный активированным углем и стекловатой головной фильтр 3 и затем - на систему индивидуальных фильтров 15, заполненных специальными обеспложивающими материалами и установленных на каждом ферментаторе, инокуляторе и посевном аппарате. Отходящий из ферментатора воздух перед выбросом в атмосферу вновь очищается от клеток самого продуцента на сетчатых фильтрах из многослойной стальной ткани 14 с тем, чтобы не загрязнять окружающей среды, при этом влага предварительно удаляется из воздуха в циклоне с гидрозатвором 13.

Получение стерильных сред.

Приготовление питательной  среды для культивирования продуцентов триптофана осуществляется в две стадии. Мочевина приготовляется отдельно от других компонентов среды в смесителе  1. Питательные соли, сахароза и все другие компоненты среды растворяются в смесителе 2, но с таким расчетом, чтобы при последующем совмещении этих растворов получились требуемые регламентом концентрации компонентов в среде. Затем приготовленные смеси поступают в нагревательную колонку 5, в выдерживатель 6 и на охлаждение в теплообменник 8. Стерильная и нестерильная среды проходят через рекуператор 7, где между ними организован интенсивный теплообмен.  Режимы стерилизации для первой порции и второй различны. Стерильная охлажденная питательная среда далее поступает в ферментатор 11.

Получение посевного материала.

Исходная культура подготавливается в микробиологической лаборатории завода. И если приготовление посевного материала идет периодически, то после выращивания в качалочных колбах культура передается па первую 9 и затем на вторую 10 ступени инокуляторов, где получают необходимые объемы посевной культуры. Стерилизация питательной среды осуществляется в самих посевных аппаратах, предварительная же гомогенизация среды осуществляется в специальном посевном смесителе 4, так как в инокуляторах первой ступени, а часто и во второй нет перемешивающих устройств.

Культивирование продуцента триптофана.

Процесс осуществляется в  ферментаторе 11. В процессе культивирования для пеногашения используют стерильные пеногасители. Подача их в ферментаторы осуществляется автоматически в зависимости от высоты образовавшейся пены из аппарата 12. По окончания процесса ферментации КЖ поступает в сборник 16.

Готовая культуральная  жидкость, содержащая биомассу продуцента, твердую взвесь среды и всю сумму веществ, используется для получения сухого кормового препарата триптофана (ККТ). При этом биомасса и твердая взвесь из культуральной жидкости не удаляются.

Упаривание культуральной  жидкости (КЖ).

Перед выпариванием культуральная  жидкость подогревается в теплообменнике 17 до температуры 95—100°С и далее поступает в трехкорпусную выпарную установку со стекающей пленкой, включающей в

себя  испарители 18, сепараторы 19 и барометрический конденсатор 20. Упаренная культуральная жидкость с содержанием сухих веществ около 45% поступает в сборник 21.

Сушка упаренной КЖ.

Жидкий концентрат триптофана далее насосом перекачивается на сушку в распылительной сушилке 22. Культуральная жидкость попадает на распылительный диск сушильной башни и распыливается, мельчайшие капельки встречаются с горячим воздухом, влага мгновенно испаряется, а порошок с влажностью 4 - 8% поступает в разгрузочный циклон  24. С теплоносителем из сушильной башни выносится часть препарата, поэтому воздух проходит через циклоны 23, где отделяется основная масса препарата, который также поступает в разгрузочный циклон  24. Воздух для дополнительной очистки проходит еще через мокрую систему очистки газов (МОГ) и только после этого выбрасывается в атмосферу. В качестве сушильного агента используются дымовые газы с температурой около 300 ^оС. Полученный сухой кормовой концентрат триптофана фасуется в мешок из двойной крафт-бумаги с полиэтиленовой прокладкой, герметизируется, этикетируется и отправляется на склад готовой продукции.

процесс выращивания производят в  периодическом режиме последовательно  в инокуляторах  на 1 м³ и на 10 м³, которые представляют собой сосуды цилиндрической формы со сферической  крышкой и днищем, оборудованные  мешалкой (инокулятор второй ступени), барботером (для аэрации), посевным штуцером, рубашкой для охлаждения водой, давильной трубой, выхлопной  трубой для вывода отработанного  воздуха, лючком, двумя смотровыми стеклами для наблюдением за вспениванием, штуцером для отбора проб, гильзой  термометра, манометром и индивидуальным воздушным фильтром.

Для упаривания культуральных  жидкостей, содержащих термолабильные препараты, наибольшее применение имеют  трехкорпусные вакуум-выпарные установки, состоящие из трех последовательно  соединенных однокорпусных аппаратов  со стекающей пленкой. Для снижения потерь биологически активных веществ необходимо сокращать время пребывания термолабильных продуктов в теплообменных аппаратах. Для этого необходимо интенсифицировать процесс тепло- и массообмена. Интенсификация тепло- и массообмена достигается за счет создания тонкой пленки жидкости. В качестве теплоносителя используется водяной пар низкого давления. Первый корпус установки обогревается паром, поступающим из паровых котлов или турбин, а обогрев каждого последующего корпуса осуществляется вторичным паром из предыдущего корпуса. В многокорпусных установках головной корпус работает под избыточным давлением, а хвостовые — под разрежением, благодаря чему снижается удельный расход греющего пара в сравнении с однокорпусными. КЖ упаривается до концентрации сухих веществ 45%. Установка имеет в своем составе греющие камеры, сепараторы, барометрический конденсатор смешения.

Биологически активные вещества при сушке подвергаются существенным изменениям, вызванным  повышением концентрации некоторых  соединений, влиянием температуры сушильного агента, кислорода воздуха, изменением реакции среды и т. д. В результате могут образовываться новые соединения, инактивироваться активные вещества. Поэтому все                                                         эти факторы должны быть учтены при выборе способа сушки и вида                                                   установки. Сушку концентратов, содержащих аминокислоты, такие, как лизин, гистидин, аргинин, триптофан, до влажности 8—10 % осуществляют на распылительных, ленточных сушилках и на сушилках в кипящем слое. Выбираем распылительную сушилку с коническим днищем, т.к. распылительная сушилка позволяет проводить процесс при довольно мягких режимах, исключающих высокие потери триптофана. Центробежное распыление продукта дает возможность равномерно распыливать жидкость и интенсифицировать процесс испарения влаги. Высушиваемый раствор проходит через диск распылительной головки, вращающейся с большой частотой, благодаря чему частицы жидкости превращаются в мельчайшие капли (туман) и увеличивается активная поверхность жидкости. Способ распыления более надежен по сравнению со способами сушки под давлением и пневматическим посредством сопел и имеет незначительную опасность засорения, низкую чувствительность системы к абразивному воздействию, возможность изменения скорости подачи, частоты вращения диска, а следовательно, и размера частиц без существенного изменения других параметров. Камеры, предназначенные для сушки, изготовляются из нержавеющей стали. Они могут быть с плоским днищем или коническим, причем первые имеют устройство для удаления высушенного продукта. В камерах с коническим днищем готовый продукт в виде порошка удаляется под действием силы тяжести. Достоинствами распылительных сушилок являются быстрота процесса сушки, низкая температура материала при сушке, получение продукта в виде мелкого порошка, не требующего дальнейшего измельчения и обладающего хорошей растворимостью. В качестве сушильного агента используются дымовые газы от сжигания природного газа. Температура газа на входе в сушилку 300-350 оС, на выходе из нее 80-90 оС. Отработанные газы очищаются от порошкообразного продукта в циклонах и оступают на очистку в систему МОГ. Порошкообразный продукт выводится из конического днища сушилки и посредством системы пневмотранспорта и разгрузочного циклона поступает на фасовку.

3. Расчет материально-тепловых балансов

3.1 Материальный баланс.

Исходные  данные.

1. Производственная мощность предприятия  – 250 т

    сухого кормового препарата  триптофана в год.

2. Время работы оборудования  в году – 345 дней.

3. Продуктивность культуры –  10 кг/м³.

4. Объем ферментатора – 100 м³.

5. Продолжительность ферментации  – 52 - 60 ч.

6. Оборот ферментатора – 76 ч.

7. Коэффициент заполнения ферментатора  – 0,7.

8. Объем исходной питательной  среды (ИПС) – 40 м³,

 в том числе посевного  материала – 7 м³.

10. Состав исходной питательной  среды, кг/м³:

сахароза – 100;

кукурузный экстракт – 20 (25);

мочевина – 5;

KH₂PO₄ – 0,6;

K₂PO₄∙3H₂O – 1,4;

MgSO₄∙7H₂O – 1,0;

NaCl – 0,5;

пропинол Б-400 – 1,0;

вода (конденсат ВВУ) – остальное.

11. Состав подпитки, кг/м³:

сахароза – 350;

кукурузный экстракт – 150

мочевина – 22,5;

KH₂PO₄ – 1,8;

K₂PO₄∙3H₂O – 4,2;

MgSO₄∙7H₂O – 10,0;

NaCl – 10,0;

вода (конденсат ВВУ) – остальное.

12. Испарение и каплеунос при  ферментации – 8 % от КЖ.

13. Потери триптофана в производстве  на технологических стадиях, %:

упаривания КЖ – 6;

сушки концентрата – 4;

упаковки продукта – 1.

Объем производства триптофана составляет 250 т/год, или 250 : 345 = 0,72 т/сут.

Необходимо  получить триптофана на стадии ферментации  с учетом производственных потерь:

                      _(3.1.1)где   0,99; 0,96; 0,94– коэффициенты, учитывающие потери триптофана на технологических стадиях;

Количество  КЖ, получаемой с одной операции по биосинтезу триптофана, с учетом испарения жидкости и каплеуноса в процессе ферментации составит:

0,7∙100∙(1 – 0,08) = 64,4 м³,                                                (3.1.2)

где      70 – общий объем ИПС и подпитки, м³.

Количество  лизина в КЖ с одной операции:

64,4 ∙ 10 = 644 кг,                                                       (3.1.3)

где      10 – содержание триптофана в КЖ, кг/м³.

Требуемое число операций за сутки (число сливов КЖ):

0,72 ∙ 10³ : 644 = 1                                                          (3.1.5)

3.1.1 Ферментация. Для приготовления исходной питательной среды объемом 33 м³ требуется:

– сахарозы

33 ∙ 100 = 3300 кг,                                                          (3.1.6)

или

3300 : 1600 = 2,063 м³,                                                      (3.1.7)

где     1600 – плотность сахарозы, кг/м³.

– кукурузного экстракта

33 ∙ 20 = 660 кг,                                                           (3.1.8)

или

660:1260=0,524 м³,                                                         (3.1.9)

где     1260 – плотность кукурузного экстракта, кг/м³.

– мочевины

33 ∙ 5 = 165 кг,                                                           (3.1.10)

или

165 : 1320 = 0,125 м³,                                                      (3.1.11)

где     1320 –плотность мочевины, кг/м³.

– KH₂PO₄

33 ∙ 0,6 = 19,8 кг,                                                         (3.1.12)

 или

19,8 : 2340 = 0,0085 м³,                                                   (3.1.13)

где      2340 – плотность KH₂PO₄, кг/м³.

– K₂HPO₄∙3H₂O

33∙1,4=46,2 кг,                                                          (3.1.14)

или

46,2 : 1915=0,024 м³,                                                    (3.1.15)

где      1915 – плотность K₂HPO₄∙3H₂O, кг/м³.

– MgSO₄

33∙1=33 кг,                                                            (3.1.16)

 или

33 : 1700=0,0194 м³,                                                    (3.1.17)

где      1700 – плотность MgSO₄, кг/м³.

– NaCl

33∙0,5=16,5 кг,                                                        (3.1.18)

или

16,5 : 2165=0,0076 м³,                                                  (3.1.19)

где      2165 – плотность NaCl, кг/м³.

– пропинола Б-400

33 ∙ 1,0 = 33 кг,                                                       (3.1.20)

или

33 : 990 = 0,033 м³,                                                   (3.1.21)

где      990 – плотность пропинола Б-400, кг/м³.

Общий объем всех компонентов составит:

2,063+0,524+0,125+0,0085+0,024+0,0194+0,0076+0,033=2,8045 м³                 (3.1.22)

Количество  воды (конденсата ВВУ) для приготовления  среды:

33 – 2,8045 = 30,1955 м³                                              (3.1.23)

Для приготовления подпитки объемом 30 м³ требуется:

– сахарозы

30 ∙ 350 = 10500 кг,                                                  (3.1.24)

или

10500 : 1600 = 6,563м³,                                                (3.1.25)

где     1600 – плотность сахарозы, кг/м³.

– кукурузного экстракта

30 ∙ 150 = 4500 кг,                                                     (3.1.26)

или

4500:1260=3,571 м³,                                                   (3.1.27)

где      1260 – плотность кукурузного экстракта, кг/м³.

– мочевины

30 ∙ 22,5 = 675 кг,                                                     (3.1.28)

или

675 : 1320 = 0,51 м³,                                                    (3.1.29)

где      1320 –плотность мочевины, кг/м³.

– KH₂PO₄

30 ∙ 1,8 = 54 кг,                                                        (3.1.30)

или

54 : 2340 = 0,023 м³,                                                    (3.1.31)

где      2340 – плотность KH₂PO₄, кг/м³.

– K₂HPO₄∙3H₂O

30∙4,2=126 кг,                                                         (3.1.32)

или

126 : 1915=0,066 м³,                                                   (3.1.33)

где      1915 – плотность K₂HPO₄∙3H₂O, кг/м³.

– MgSO₄∙7H₂O

30∙10=300 кг,                                                        (3.1.34)

или

300 : 1700=0,176 м³,                                                  (3.1.35)

где      1700 – плотность MgSO₄∙7H₂O, кг/м³.

– NaCl

30∙10=300 кг,                                                        (3.1.36)

или

300 : 2165=0,139 м³,                                                  (3.1.37)

где      2165 – плотность NaCl, кг/м³.

Общий объем всех компонентов:

6,563 + 3,571 + 0,51 + 0,023 + 0,066 + 0,176+0,139 = 11,048 м³         (3.1.38)

Количество  воды (конденсата ВВУ) составит:

30 – 11,048 = 18,952 м³                                               (3.1.39)

Полученные данные сводим в таблицу. Суточный расход компонентов определяем исходя из потребности в них на одну операцию и числа операций (сливов КЖ) за сутки.

Таблица 3.1 - Материальный баланс процесса ферментации