білковий мікроорганізм флотація ферментатор
Матеріальний баланс
Сучасне промислове використання мікроорганізмів для виробництва білка здійснюється у ферментерах, що працюють за принципом хемостата. Обсяги ферментерів досягають кілька сотень кубічних метрів. У середовище з мікроорганізмами, що розмножуються, безупинно подаються водяний розчин мінеральних солей і застосовуваний у конкретному процесі органічний субстрат. Культура піддається перемішуванню й охолодженню. Швидкість виділення тепла в процесі росту аеробних мікроорганізмів прямо пропорційна швидкості споживання ними молекулярного кисню. На кожен грам спожитого мікроорганізмами CО2 виділяється 142 % КДж. Витрати на охолодження тим нижче, чим більше різниця температур між охолодним агентом і ферментаційним середовищем.
Раціональний процес вирощування здійснюється при лімітуванні росту мікроорганізмів киснем або близько до такого лімітування. Тому при раціональному проведенні процесу вирощування, коли масо-обмінна характеристика ферментера використається найбільше повно, швидкість фізіологічної теплопродукції у ферментері постійна, вона не залежить від використовуваного органічного субстрату й застосовуваного штаму мікроорганізму.
Баланс мікроелементів переробки органічного субстрату в біомасу мікроорганізмів можна представити у вигляді наступного рівняння:
СНmOl + aNH3 + b2 → ycCHpOnNq + (1 – yc)CO2 + C2O
У цьому рівнянні брутто – формула органічного субстрату й висушеної біомаси дані розраховуючи на один атом вуглецю. Наприклад, брутто – формула глюкози приймає вид СН2. Букви m й l характеризують склад конкретного субстрату, а букви p, n, q - склад отриманої біомаси.
На один атом вуглецю в клітинах дріжджів доводиться 1,7 атома водню й 0,55 атома кисню, а в клітинах бактерій на один атом вуглецю доводиться 1,82 атома водню й 0,47 атома кисню. Зміст азоту піддається більшим коливанням і його потрібно визначати в кожному конкретному випадку. Частка маси вуглецю в безводній біомасі безлічі різних мікроорганізмів дорівнює 0,46.
Вус – вихід по вуглеці. Частка вуглецю субстрату. Рівна вус, перейшла в біомасу, а інша частина (1 – вус) потрапила в O2. Аналогічним образом коефіцієнт із у рівнянні балансу відповідає числу молів, що утворилися, води. У процесі росту вода може споживатися й утворюватися. Коефіцієнт із відбиває сумарний баланс води в процесі росту мікроорганізмів розраховуючи на безводну біомасу. Коефіцієнт із показує число молів води, що утворилася при використанні одиниці субстрату в процесі росту з виходом по вуглеці, або з виходом O2 (1 – вус), з витратою аміаку а, або з витратою кисню b.
Матеріальний баланс можна розрахувати, знаючи кількість спожитого мікроорганізмами органічного субстрату й коефіцієнт при якому - або зі членів рівняння. Якщо кількість використаного субстрату невідомо, необхідно визначити два коефіцієнти.
Можна скласти формули, таблиці й графіки. Дозволяючи по відношенню двох коефіцієнтів рівняння росту визначити матеріальний баланс. Розгляд цих відносин має сенс тільки в можливих межах. Такими межами є, з одного боку, випадок, коли росту мікроорганізмів немає й весь органічний субстрат окисляється до СО2 і Н2О, а з іншого боку - ідеальний процес, коли вся хімічна енергія органічного субстрату збереглася б як хімічна енергія в біомасі. Фундаментальність поняття енергетичного виходу росту дозволяє використати його для порівняння ефективності процесів вирощування різних мікроорганізмів на різних органічних субстратах у фізіологічно порівнянних величинах. Значення енергетичного виходу росту лежать у зручних межах від 0 до 1. Обумовлене в експерименті або на виробництві значення енергетичного виходу росту відразу показує, наскільки отримана величина вилучена від граничного значення.
Значення виходу по масі, одержувані при вирощуванні мікроорганізмів на різних субстратах, не можна порівнювати для характеристики ефективності їхнього використання. Можна ввести поняття нормалізованих виходів, тобто виходів у відсотках від граничного значення для даного субстрату. Такі нормалізовані виходи були б ні чим іншим, як енергетичним виходом росту.
Значну цінність представляє вимір так званих неінерційних показників матеріального балансу – швидкостей споживання кисню й аміаку, утворення СО2.
При виборі параметрів для виміру балансу росту необхідно враховувати його специфічні закономірності на тім або іншому субстраті й характер змін показників балансу в робочій зоні вимірів. При вирощуванні дріжджів на метанолі відношення СО2/О2 менш зручно використати в зоні низьких виходів, чим у зоні середніх і високих значень виходів. А при вирощуванні на вуглеводах відношення СО2/О2 у зоні низьких виходів украй слабко залежить від виходу й, отже, незручно для визначення балансу росту.
Нарешті, важливо знати, чи вірно визначений баланс. Тому доцільно визначити двоє або більше відносин параметрів балансу. Потрібно зрівняти значення енергетичного виходу росту, одержувані при вимірі різних компонентів балансу. Якщо енергетичний вихід ростів, одержуваний різними способами, виявляється однаковим, результат можна враховувати.
Найважливішими узагальнюючими фізіологічними характеристиками росту мікроорганізмів є його швидкість й ефективність. Ефективність росту, що найбільше вдало виражати через енергетичний його вихід, є також технологічним показником першорядної важливості. Немає умов, оптимальних для росту взагалі, а є умови, оптимальні для швидкості росту. Локалізація оптимуму для цих двох характеристик може бути різної.
При мікробіологічному одержанні білків на будь-якому конкретному субстраті важливо, щоб ферментер працював з найбільшою продуктивністю, тобто масо-обмінна характеристика використалася б у максимальній мері. Разом з тим надлишки органічного субстрату подавати у ферментер недоцільно, тому що він не буде використаний, утруднить очищення стічних вод, а при вирощуванні мікроорганізмів на вуглеводнях у надлишковій кількості попадає в продукт.
Відомо, що при зміні режиму хемостатного вирощування навіть при збереженні тієї ж питомої швидкості росту може змінитися вихід. Тому при зміні температури або якого – або іншого фактора, що впливає на енергетичний вихід росту, може відбутися зміна ріст, що лімітує, фактора. У зв'язку із цим при зміні режимів культивування мікроорганізмів варто перевіряти, чи не відбулася зміна ріст, що лімітує, компонент харчування. Для цього потрібно ввести у ферментер разову дозу компонента, передбачуваного як, що лімітує ріст. Якщо цей компонент середовища дійсно лімітує ріст, негайно або в плині декількох хвилин зросте швидкість споживання кисню, аміаку, збільшується утворення О2. Реєструючи реакцію по кожному із цих неінерційних показників балансу, можна побачити чи лімітує доданий компонент ріст культури. Якщо реакції на добавку не спостерігається, отже, ріст культури лімітований яким - то іншим компонентом харчування. У такому випадку для виявлення ріст фактора необхідно послідовно випробовувати інші компоненти живильного середовища.
Таким чином, застосування деяких підходів матеріально - енергетичного балансу росту при вирощуванні біомаси мікроорганізмів дозволяє оперативно оцінювати й оптимізувати ефективність росту й продуктивність ферментера [19].
Продуктовим розрахунком визначається потреба в сировині та допоміжних матеріалів, а також кількість проміжних продуктів виробництва.
При проведенні розрахунків використовуються наступні вихідні дані:
- річний виробіток білка;
- кількість вихідної сировини;
- число робочих днів у році;
- апаратурно-технологічна схема виробництва білків.
На підставі прийнятої схеми вибираються наступні технологічні показники:
- число стадій вирощування білків;
- тривалість одержання білка на кожній стадії;
- вихід білка у % до маси молочної сироватки;
- ступінь розведення середовища;
- величина засіву в % до маси молочної сироватки;
- питома швидкість росту дріжджів.
На основі розрахунків (з урахуванням якості молочної сироватки і мінерального харчування) визначається витрата молочної сироватки, витрата мінерального харчування, вироблення білків по кожній стадії за добу.
Визначається витрата основної сировини і допоміжних матеріалів на річну і добову продуктивність заводу. Отримані дані використовуються для підбора і розрахунку технологічного устаткування.
Витрата молочної сироватки в кожній стадії визначається на підставі корисного обсягу апарата, призначеного для проведення даної стадії:
де М – витрата молочної сироватки, кг;
YП – обсяг апарата корисний, м3.
Кількість засівних дріжджів Д0 визначається по кожній стадії, по формулі:
де Д0 – кількість засівних дріжджів, кг;
g – величина засіву в % до маси молочної сироватки.
Вироблення білка по стадіях визначається по формулі:
де Д – вироблення білка по стадіях, кг;
В – вихід білка у % до маси молочної сироватки.
З формули основного закону експонентного росту мікроорганізмів визначається коефіцієнт швидкості нагромадження біомаси дріжджів ( модуль швидкості росту) К і коефіцієнт годинного приросту Н:
де Д0 – коефіцієнт швидкості нагромадження біомаси дріжджів (модуль швидкості росту).
Н – коефіцієнт годинного приросту:
t – час тривалості процесу, год.
Для характеристики процесу одержання білка необхідно підрахувати нагромадження дріжджів по стадіях:
де С – нагромадження дріжджів по стадіях, кг/м3.
Річна кількість товарних циклів визначається по формулі:
де П – річна продуктивність, т
Дт – отримано білка кг у товарній стадії з 1 – ого апарата
t – тривалість одержання білка у товарній стадії, год;
4 – число годин необхідних на звільнення апарата, його мийку і дезінфекцію.
Витрата дріжджів на засів в рік визначається по формулі:
Д0рік = Црік*Д0 ( на 1 засів)
Стадія товарного апарата:
М = 37,8*103 = 37800 кг
кг;
Визначаємо річну кількість циклів у рік:
Црік = 
Для вироблення 900 т білка буде потрібно n = 265/300 = 0,8, тобто одна технологічна лінія товарної стадії.
Усі раніше отримані дані по витраті молочної сироватки, дріжджів, нагромадженню білка дають можливість обчислити витрату молочної сироватки на вироблення 10 кг білка по формулі:
(М і Д – сума по всій технологічній стадії)
До основних матеріалів у білковому виробництві відносяться: сульфат амонію, діамоній фосфат, хлорид калію, екстракт кукурудзи.
Розрахунок кількості діамоній фосфату в кг вичислюється по формулі:
де Ф – кількість фіамоній фосфату, кг;
Д – вироблення білка у даній стадії, кг;
Р – кількість, що передбачається, Р2О5 у білку, %;
1,1 – коефіцієнт, що враховує надлишок Р2О5 у середовищі, що складає 10 % від його кількості, що утримується в білку даної стадії;
51,2 – вміст Р2О5 у діамоній фосфаті, %.
Розрахунок кількості діаммонію фосфату для товарного порядку:
Розрахунок кількості сульфату амонію по стадіях виробництва здійснюється по формулі:
,
де С – кількість сульфату амонію, кг;
N2др, N2мол.сив.., N2дф – вміст азоту відповідно в дріжджах, молочній сироватці, діамоній фосфаті, %;
М – витрата молочної сироватки по стадіях, кг;
21 – вміст азоту в сульфаті амонію для товарної стадії, %.
Зразковий розрахунок задачі сульфату амонію для товарної стадії:
Розрахунок хлориду калію по стадіях виробництва, кг:
де Д0 – кількість хлориду калію, кг;
3,5 – необхідний вміст К2О в молочній сироватці, %;
k – вміст К2О, що переробляє мій молочною сироваткою;
М – кількість молочної сироватки для виробництва 10 кг білка даної стадії, кг;
К1 – вміст К2О в хлориді калію, %.
Зразкова витрата солей хлориду калію для товарного порядку:
Використовуючи норми витрат допоміжних матеріалів на вироблення 10 кг білка, величини їх затрат у виробництві можна розрахувати на задану річну продуктивність заводу.
Тепловий баланс
З метою відведення тепла, що виділяється в результаті одержання білка, ферментери обладнанні виносними теплообмінниками. У яких культуральне середовище охолоджується водою.
Вихідні дані: середнє питоме тепловиділення – 4171 кДж/кг дріжджів;
Приріст дріжджів у ферментаторі – 800 кг/год;
Культуральне середовище охолоджується від 32 °С до 26 °С;
Початкова t охолоджувальної води 10 °С;
Кінцева t води 27 °С.
Загальна кількість тепла, що відводиться від охолоджувального середовища:
Qбіол = 4171*800 = 3336,8*1000 кДж/год
Кількість тепла, що відводиться аеруючим повітрям:
Qпов = 54,6*4500 = 245,7*1000 кДж/год
54,6 кДж/кг – збільшення теплоємкості;
4500 км/год – кількість повітря, що надходить в апарат.
З достатньої для інженерних розрахунків точністю кількість тепла, що витрачається на нагрівання води, що доливається в апарат. Молочна сироватка і розчини живильних солей, приймається 5 % від Qбіол.
Qжив = 0,05*3336,8*103 = 166,8*1000 кДж/рік.
Тоді кількість тепла, що відводиться з охолоджувальною водою в пластинчастому теплообмінику:
Qвод = Qбіол – Qпов – Qжив = 2924,3*103 кДж/рік
Витрата холодної води на охолодження середовища в теплообміннику:
де 
і 
- початкова і кінцева t охолоджувальної води;
р – щільність води при середній t 998,4 кг/м3;
с – питома теплоємкість води при t 4,205 кДж/(кг*К).
Середня різниця t теплообмінних рідин:
26 °С 32 °С
живильне середовище
10 °С 27°С
Вода
Коефіцієнт теплопередачі приймаємо К = 1200 Вт/(м2*К).
Поверхня охолодження теплообмінника:
Приймаємо найближчу стандартну поверхню F = 80 м2.
Продуктивність пластинчатого теплообмінника по культуральному середовищу розрухуємо по рівнянню:
Y – продуктивність теплообмінника, м3/год;
рс – відповідно щільність і питома теплоємність культурального середовища:
Дата: 2019-12-10, просмотров: 345.
