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.