Биосинтез l-аргинина. Технологическая схема и ее описание.

Введение 3
1. Общая часть 5
1.1. Основные продуценты целевого продукта 5
1.2. Биосинтез целевого продукта 7
1.3.Отходы производства целевого продукта способы их утилизации 22
2. Технологическая часть 24
2.1. Описание питательной среды 24
2.2. Описание компонентов 24
2.3. Стерилизация питательной среды 24
2.4. Получение посевного материала 25
2.5. Воздухоподготовка 27
2.6. Описание технологической схемы целевого продукта 27
2.7. Расчет материального баланса, сводная таблица 28
2.8. Подбор основного оборудования 28
2.9. Расчет основного оборудования 32
Заключение 33
Список литературы 34

Необходимо получить аргинина на стадии ферментации с учетом производственных потерь:тгде 0,99; 0,96; 0,94; 0,98 – коэффициенты, учитывающие потери аргинина на технологических стадиях; 146,19 – молекулярная масса аргинина; 182,64 – молекулярная масса монохлоргидратааргинина.Количество КЖ, получаемой с одной операции по биосинтезу аргинина, с учетом испарения жидкости и каплеуноса в процессе ферментации составит:70× (1 – 0,08) = 64,4 м3,где 70 – общий объем ИПС и подпитки, м3.Количество аргинина в КЖ с одной операции:64,4 × 40 = 2576 кг,где 40 – содержание аргинина в КЖ, кг/м3.Требуемое число операций за сутки (число сливов КЖ):7,5 × 103 : 2576 = 3ФерментацияРасчет потребности производства в компонентах питательных сред производят на одну операцию по биосинтезу аргинина (на одну загрузку ферментатора) исходя из прописи среды.Для приготовления исходной питательной среды объемом 40 м3 требуется:– мелассы40 × 170 = 6800 кг, или6800 : 1300 = 5,2 м3,где 1300 – плотность мелассы, кг/м3.– кормовых дрожжей40 × 20 = 800 кг,или нейтрализованного кислотного гидролизата кормовых дрожжей (800 + 800 × 4) : 1020 = 3,9 м3,где 4 – гидромодуль обработки дрожжевой массы по нейтрализованномугидролизату;1020 – плотность нейтрализованного гидролизата, кг/м3.– хлорида аммония40 × 5 = 200 кг, или200 : 1526 = 0,13 м3,где 1526 – плотность хлорида аммония, кг/м3.– двухзамещенного фосфата калия40 × 0,5 = 20 кг, или20 : 2340 = 0,0085 м3,где 2340 – плотность фосфата калия, кг/м3.– пропинола Б-40040 × 1,0 = 40 кг, или40 : 990 = 0,04 м3,где 990 – плотность пропинола Б-400, кг/м3.Для корректировки рН исходной питательной среды требуется 1 м3аммиачной воды (22 % аммиака), или 1 × 916 = 916 кг,где 916 – плотность аммиачной воды, кг/м3.Общий объем всех компонентов с учетом посевного материала составит:5,0 + 5,2 + 3,9 + 0,13 + 0,0085 + 0,04 + 1,0 = 15,3 м3Количество воды (конденсата ВВУ) для приготовления среды:40 – 15,3 = 24,7 м3Для приготовления подпитки объемом 30 м3 требуется:– мелассы30 × 400 = 12000 кг, или12000 : 1300 = 9,2 м3– кормовых дрожжей30 × 15 = 450 кг,или нейтрализованногогидролизата кормовых дрожжей (450 + 450 × 4) : 1020 = 2,2 м3– хлорида аммония30 × 12 = 360 кг, или360 : 1526 = 0,24 м3– двухзамещенного фосфата калия30 × 0,3 = 9 кг, или9 : 2340 = 0,004 м3– аммиачной воды30 × 6,5 × 100 : 22 = 866 кг, или866 : 916 = 0,96 м3,где 22 – содержание аммиака в аммиачной воде, %;916 – плотность аммиачной воды, кг/м3.– пропинола Б-40030 × 1,0 = 30 кг, или30 : 990 = 0,03 м3.Общий объем всех компонентов:9,2 + 2,2 + 0,24 + 0,004 + 0,96 + 0,03 = 12,7 м3Количество воды (конденсата ВВУ) составит:30 – 12,7 = 17,3 м3Полученные данные сводят в таблицу. Суточный расход компонентов определяют исходя из потребности в них на одну операцию и числа операций (сливов КЖ) за сутки.Таблица 3. Материальный баланс процесса ферментацииНаименованиекомпонентовКоличествона одну операциюКоличествоза суткипомассе,кгпообъему,м3помассе,тпообъему,м312345ПриходИсходная питательная среда:– меласса30002,620,415,6– нейтрализованный гидроли-зат кормовых дрожжей40003,924,024,3– хлорид аммония2000,131,20,78– двухзамещенный фосфат калия200,00850,120,051– пропинол Б-400400,040,240,24– аммиачная вода9161,05,56,0– вода (конденсат ВВУ)2470024,7148,2148,2– посевной материал4762*5,028,630,0Всего:4143840,0248,6240,0Подпитка:– меласса120009,272,055,2– нейтрализованный гидроли-зат кормовых дрожжей22502,213,513,2– хлорид аммония3600,242,161,44– двухзамещенный фосфат калия90,0040,0540,024– аммиачная вода8860,965,35,76– пропинол Б-400300,030,180,18– вода (конденсат ВВУ)17300017,3103,8103,8Всего:3283530,0197,0180,0Итого:7427370,0445,6420,0РасходЖидкость на испарение и каплеунос60135,636,133,6Культуральная жидкость6826064,4409,5386,4Итого7427370445,6420,0* Плотность суспензии посевного материала 1050 кг/м3Из приведенного в таблице материального баланса следует, что плотность ферментационной среды составит в среднем:74273 : 70 = 1060 кг/м3В том случае, если состав питательной среды задан в % масс., вначале определяют среднюю плотность среды (ср):ср = с1 × 1 + с2 × 2 + с3 × 3 + …….. + сn × n,где с1, с2, ….сn – массовая доля соответствующих компонентов среды;1, 2, …… n – плотность компонентов, кг/м3.Затем определяют массу исходной питательной среды и подпитки и рассчитывают количество каждого компонента, исходя из его концентрации в среде по прописи аналогично приведенному выше расчету.Расчет потребности в компонентах питательной среды для получения посевного материала производят таким же образом, как и для рабочей ферментационной среды. Количество посевного материала составляет 510 % от общего объема питательной среды в ферментаторе.Учитывая потери питательной среды в процессе ее подготовки и передачи на ферментацию, а также расход ее на нестерильные операции, общую потребность в среде увеличивают на 20 % от расчетной.Стабилизация и подкисление КЖНа стабилизацию поступает из ферментатора 64,4 м3, или 64,4 : 1,06 = 68,26 т КЖ,содержащей 2576 кг аргинина. Содержание сухих веществ в КЖ 14 %, или 68,26 × 0,14 = 9,56 тРасход бисульфита натрия на стабилизацию КЖ составит:64,4 × 0,1 = 6,44 кгВ виде 25 %-ного раствора количество бисульфита:64,4 : 0,25 = 258 кг, или258 : 1120 = 0,23 м3,где 1120 – плотность 25 %-ного раствора бисульфита натрия,кг/м3.Количество 27,5 %-ной соляной кислоты для подкисления КЖ:64,4 × 50 = 3220 л = 3,22 м3, или3,22 × 1,136 = 3,66 т,где 1,136 – плотность 27,5 %-ного раствора соляной кислоты.При взаимодействии с компонентами КЖ соляная кислота образует сухих веществ: 3,22 × 1,136 × 0,275 = 1,0 тКоличество сухих веществ КЖ 9,56 + 1,0 + 0,064 = 10,62 т,что составляет 15,6 % от КЖ.Количество КЖ после стабилизации и подкисления:64,4 + 0,23 + 3,22 = 67,8 м3,или 68,26 + 0,258 + 3,66 = 72,18 тВ результате подкисления КЖ образуется монохлоргидратаргинина, количество которого с учетом потерь в процессе стабилизации составит: 2576 × 0,98 × 182,64 : 146,19 = 3154 кг,где 182,64 и 146,19 – молекулярная масса монохлоргидрата аргинина и аргинина соответственно.Упаривание КЖКЖ упаривается до концентрации сухих веществ 45 %. Количество упаренной КЖ (УКЖ) составит:10,62 : 0,45 = 23,60 тТребуется испарить влаги:72,18 – 23,60 = 48,58 тКоличество монохлоргидратааргинина с учетом потерь при упаривании КЖ:3154 × 0,94 = 2965 кгСодержание монохлоргидратааргинина в УКЖ:2965 × 100 : 23,6 × 103 = 12,6 %Сушка упаренной КЖУКЖ поступает на сушку после смешения с отрубями (влажность 15 %) в соотношении 1 : 1 по массе. Количество смеси:23,60 + 23,60 = 47,20 тВлажность смеси отрубей и УКЖ:0,5 × 15 + 0,5 × 55 = 35 %Количество сухих веществ в смеси:47,20 × (1 – 0,35) = 30,68 тКоличество кормового концентрата аргинина (ККЛ) с влажностью 8 %:30,68 : 0,92 = 33,35 тТребуется испарить влаги при сушке смеси:47,20 – 33,35 = 13,85 тКоличество монохлоргидратааргинина с учетом потерь при сушке:2965 × 0,96 = 2846 кгСодержание монохлоргидратааргинина в товарном продукте:2846 × 100 : 33,35 × 103 = 8,5 %Количество товарного ККЛ с учетом потерь при упаковке: 33,35 × 0,99 = 33,02 тКоличество монохлоргидратааргинина в товарном продукте:2846 × 0,99 = 2817 кгСводный материальный баланс производства ККЛ представлен в табл. 4.Таблица 4. Материальный баланс производства ККЛПриходРасходНаименование компоненовКоличество компонентов,тНаименование компоненовКоличество компонентов,тнаоднуоперациювсуткинаоднуоперациювсуткиИПС41,438248,63Испарение и каплеуноспри ферментации6,0136,10Подпитка32,835197,01Влага, испаренная при упаривании КЖ48,58291,48Бисульфит натрия (25 %-ный раствор)0,2581,55Влага, испаренная при сушке КЖ13,8583,10Соляная кислота (27,5 %-ныйраствор)3,66021,96Потери товарного продукта при упаковке0,331,98Отруби23,600141,60Товарный продукт33,02198,12Итого101,791610,75Итого101,79610,782.3. Подбор основного оборудованияОборудование располагают так, чтобы был обеспечен свободный доступ, не должно быть труднодоступных мест для уборки. Перед каждой операцией проверяют техническое состояние оборудования, неисправности устраняют.Поверхность оборудования должна быть гладкой легко поддаваться мытью и дезинфекции. Должны быть графики периодической чистки, мойки и дезинфекции всего технологического оборудования с указанием моющего и дезинфицирующего средства.График разрабатывается начальником цеха и утверждается главным технологом. Аппаратуру, оборудование, инвентарь необходимо содержать в чистоте и порядке.Оборудование, аппаратура и инвентарь поверхность которого покрывается в процессе работы слоем масла жира следует сразу промыть горячей (78-800С), а затем дезинфицировать.Пускать в эксплуатацию аппараты и оборудование после реконструкции и ремонта разрешается только после мытья, дезинфекции и осмотра их технологом или главным мастером участка.Инвентарь слесарей и других ремонтных работников должен находиться в переносных инструментальных ящиках. Хранение запчастей, деталей, инструмента и т.п. в производственных помещениях запрещается. По мере износа защитной окраски трубопроводов, оборудования ее возобновляют, но не реже одного раза в год.Определение микробной обсемененности оборудования и коммуникаций проводят выборочно не реже одного раза в неделю во время производственного процесса и за 1,5 часа до начала работы.В смывах с площади 10×10 см допустим рост 10 колоний неспорообразующих микроорганизмов на двух параллельных чашках.Таблица 5. Спецификация основного оборудованияНаименованиеКол-воМатериалКраткая техническая характеристика Стоимость ед., $ тыс.Затраты, $ тыс.Приготовление азотно-углеводного компонента питательной среды770Емкость для замачивания зерна4Нерж. ст.V=100 м3, выносной теплообменник, шнековое загружающее и разгружающее устройство, циркуляционный насос60240Сборник «замочной воды»2Нерж. ст.V=63 м32550Вальцы2-5 т/час, регулируемый зазор1020Реактор зерна2-V=63 м3, мешалка, шнековое загружающее устройство3570Шнек-пресс2-3 т/час1010Сборник «технической» воды2-100 м3, мешалка50100Выпарная установка для упаривания «замочной воды»1-Q=4 т/час, термокомпрессор (ТГ-80-1,6), N=20 кВт3030Сборник «крахмального молока»2-V=63 м3, мешалка N=20 кВт2550Крахмальный сепаратор3-Производительность 10 м3/час по исходной суспензии1030Гидролиз-аппарат2ЭмальV=25 м3, мешалка, рубашка, атм. давл.1530Выпарная установка для упаривания гидролизата1Нерж. ст.Q=4 т/час, термокомпрессор (ТГ-80-1,8), N=120 кВт3030Сборник влажного остатка2-Шнековая мешалка, разгруз. устройство, V=50 м33060Сборник азотно-углеводного компонента2-V=50 м3, мешалка, Р=0,4 МПа2550Гидролиз биомассы10Гидролиз-аппарат1ЭмальV=16 м3, мешалка, рубашка, атмосферное давление1010Получение жидкости50Биореактор1Нерж. ст.V=3 м3, мешалка, рубашка, фильтры воздуха (100 м3/час), Р=0,4 Мпа, аэрация, регулирование tº, расхода газа, система мокрой очистки газовых выбросов4545Установка непрерывной стерилизации1-1 т/час, рекуператор, V=0,2 м355Получение питательной среды для бисинтезааргинина118Реактор3ЭмальV=6,3 м3, мешалка, рубашка618Установка непрерывной стерилизации2Нерж. ст.10 т/час, рекуператор, V=2 м31020Накопитель стерильной подпитки2-V=30 м3, рубашка, мешалка, Р=0,4 МПа, N=10 кВт4080Получение инокулята для аргинина50Посевной аппарат1-V=6,3 м3, мешалка, рубашка, фильтры воздуха (1000 м3/час), Р=0,4 Мпа, аэрация, регулирование tº, расход газа, система мокрой очистки газовых выбросов5050Получение аэрирующего газа440Фильтр3-Масляный, производительность 10000 м3/час, Р=0,32 Мпа1030Компрессор3-Производительность 10000 м3/час, Р=0,32 Мпа, N=560 кВт120360Скруббер2-Производительность 10000 м3/час, Р=0,12 Мпа,1020Установка для получения СО211600 кг/час, ≥96% СО23030Биосинтез аргинина1350Ферментационная установка2-V=143 м3 рубашка, мешалка, измерение рО2, регулирование рН, регулирование tº, расхода газа, N=400 кВт350700Холодильная установка4Абсорбционная, 2000 кВт160640Испаритель аммиака2Ст. 3Производительность 50 кг/час, Р=1,2 МПа510Сепарация биомассы40Микрофильтрационная установка2Нерж. ст.3 м3/час по исх. суспензии, 12000 g, саморазгружающаяся510Сборник2Эм. ст.V=16 м31530Ультрафильтрация140Ультрафильтрационная установка4Нерж .ст.Производительность 1,5 м3/час, 10 КДал35140Упаривание пермеата105Установка для упаривания пермеата1-Q=2 т/час с падающей пленкой, N=90 КВт4545Термокомпрессор1-Реконструкция ТГ-80-1,6, N=100 кВт3030Сборник2Эм. ст.V=16 м31530Получение кристаллического аргинина145Кристаллизатор6ЭмальV=10 м3, рубашка, мешалка7,545Центрифуга4Нерж. ст.Производительность 250 кг/час по крист., тип ОГШ-600К, N=75 кВт2080Сушилка кормового кристаллического аргинина1-Шнековая, 75 кг/час, исп. влаги F=10 м22020Получение ЖКЛ100Установка для упаривания ЖКЛ1-Q=2 т/час. с падающей пленкой, N=90 кВт7070Термокомпрессор1-Реконструкция ТГ-80-1,61515Сборник2Эм. ст.V=6,3 м37,515Балансировка комбикорма30Смеситель2Нерж. ст.V=10 м3, N=10 кВт, мешалка1530Сушка комбикорма250Сушилка для комбикорма1Нерж. ст.Кипящего слоя, гранулирующая, 4 т/час по исп. влаге25250Сбор и распределение технологической воды40Сборник2Гум. ст.V=30 м3, мешалка, N=10 Квт2040Итого по секциямАВD16101880320Итого по заводу основное оборудование38102.4. ВоздухоподготовкаОчистку воздуха можно осуществить принципиально разными методами, основанными на уничтожении организмов или удалении их. Одним из самых эффективных способов стерилизации воздуха является облучение ультрафиолетовыми лучами. Этот метод используется для обеззараживания воздуха в боксах.Отечественным и зарубежным опытом доказано, что технологически и экономически оправданным в промышленности является способ очистки воздуха с помощью волокнистых и пористых материалов. Таким путем удается получить воздух со степенью чистоты 99,9999%.Для стерилизации воздуха рекомендуют также мембраны диаметром пор 0,45 мкм. Пористость мембран достигает 80%. Удаление микроорганизмов с помощью мембраны основано на ситовом эффекте. В основном фильтрующие материалы поставляет фирма "Миллипор" (США), в нашей стране (г. Владимир) налажен выпуск мембраны "Владипор". Мембранам не требуются высокие перепады давления, но для их надежной работы необходимо точное выполнение условий стерилизации. Стерилизовать мембраны можно только насыщенным водяным паром, от перегретого пара в мембранах появляются трещины, и мембраны выходят из строя.Предварительную очистку воздуха производят на масляных самоочищающихся висциновых фильтрах в заборной шахте турбокомпрессоров. Воздух, поступающий в турбокомпрессоры, сжимается до 0,3 МПа и нагревается (за счёт сжатия) до t=120-150°С. При этом происходит частичная стерилизация воздуха.Между второй и третьей ступенями турбокомпрессоров работает промежуточный холодильник, где воздух охлаждается до температуры 60-70°С.Далее холодный воздух поступает на третью и четвертую ступени турбокомпрессора, где сжимается до 0,3 МПа, где нагревается до температуры 120-140°С и поступает в концевой холодильник. Там он охлаждается до температуры 70-80°С.Далее по коллектору поступает в ресивер, заполненный кольцами Рашига, влага конденсируется на поверхности колец. Влага из ресивера удаляется продувкой через нижний спуск.Сжатый воздух из ресивера по трубопроводу по эстакаде поступает в брызгоуловитель, представляющий собой вертикальный цилиндрический аппарат с влагоотборником. Ревизия и чистка брызгоуловителя 1 раз в летнее время. В брызгоуловителе воздух освобождается от влаги и затем проходит через воздухонагреватель, представляющий собой стальной кожухотрубчатый теплообменник, в котором поддерживается температура воздуха 70±5°С.Очищенный от механических примесей и влаги воздух поступает в головной фильтр, представляющий собой вертикальный цилиндрический аппарат, вместимостью 3000 литров, Рраб до 0,3 МПа.Чистоту воздуха после головного фильтра проверяют по прибору АЗ-5. Содержание механических частиц размером 0,5 мкм должно быть не более 1200 частиц в 1 литре воздуха.Подготовленная воздушная система до включения в работу находится под воздушном давлением 0,15-0,2 Мпа.ЗаключениеВ процессе курсового проектирования была рассчитан сепаратор для очистки аргинина. Был подобран наиболее подходящий для данных условий сепаратор. Помимо расчетов, курсовой проект содержит чертежи сепаратора. Приведен материальный баланс производства L-аргинина.Дефицит аргинина приводит к инфарктам, ослаблению организма, гипертонии, нарушению мозговой деятельности, преждевременному старению, замедлению роста детей, развитию диабета 2-го типа, при котором инсулинозависимые ткани становятся невосприимчивы к вводимому инсулину.L-Аргинин встречается во многих продуктах питания, как животного, так и растительного происхождения. В таблице приведены данные по содержанию аргинина на 100 грамм продукта и указано содержание белка.Аргинин присутствует в рецептуре гепатопротекторов, иммуномодуляторов, кардиологических препаратов, лекарственных препаратов для ожоговых больных, больных ВИЧ/СПИД, а также в рецептурах средств для парентерального питания в послеоперационный период. В последнее время лекарства с аргинином появились в геронтологии и онкологии.Проводится тестирование L-аргинина в качестве средства терапии инсультоподобных эпизодов при митохондриальном заболевании - синдроме MELAS (Mitochondrialencephalomyopathy, lacticacidosis, andstroke-likeepisodes - «митохондриальнаяэнцефаломиопатия, лактатацидоз, инсультоподобные эпизоды»)Пищевые добавки.Аргинин широко рекламируется как компонент БАД (Биологически активные добавки) для бодибилдеров и спортсменов-тяжёлоатлетов с целью улучшения питания мышц, и пожилых людей для улучшения эректильной функции.Список литературы1. Биотехнология: Учеб. Пособие для вузов. В 8 кн./Под Б 63 ред. Н. С. Егорова. В. Д. Самуилова. Кн. 6: Микробиологическое производство биологически активных веществ и препаратов/Быков В. А., Крылов И. А., Манаков М. Н. и др. – М.: Высш. шк., 1987. – 143 с.: ил.2. Бекер М. Е., Лиепиньш Г. К., Райпулис Е. П. Биотехнология, М., ВО Агропромиздат. 1990.3. Биотехнология // Под ред. А. А. Баева. – М.: Наука, 1984. С. 3114. Федосеев К.Г. Физические основы и аппаратура микробного синтеза биологически активных соединений. – М.: Медицина, 1977. – 304 с.5. Виестур У.Э., Кристапсон М.Ж., Былинкина Е.С. Культивирование микроорганизмов. – М.: Пищ. пром-сть, 1980. – 232 с.6. Быков В.А., Винаров А.Ю., Шерстобитов В.В. Расчет процессов микробиологчиеских производств. – Киев. : Техника, 1985. – 245 с.7. Дытнерский, Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии / Ю.И. Дытнерский. – М.: Колос, 2009. – С. 14 - 17.8. Кавецкий, Г.Д. Технологические процессы производства / Г.Д. Кавецкий. – М. 2001. – 426 с.9. Роздин, И.А. Безопасность производства и труда на химических производствах / И.А. Роздин. – Москва: Издательство Колос, 2005. – 427 с. 10. Тутельян, В.А. Микронутриенты в питании здорового и больного человека: Справочное руководство по витаминам и минеральным веществам / В.А. Тутельян, Б.П. Спиричев – М.: Колос, 2001. – 424 с.11.  Е.А. Строев. Биологическая химия. М., Высшая школа, 1986.12.  М.Е. Беккер, Г.К. Лиепинын, Е.П. Райпулис. Биотехнология. М., ВО Агропромиздат, 1990.13.  У.Э. Виестур, И.А. Шмите, А.В. Жилевич. Биотехнология. Био технологические агенты, технология, аппаратура. Рига, Зинатне, 1987.14.  Г.К. Лиепинын, М.Э. Дунцэ. Сырье и питательные субстраты для промышленной биотехнологии. Рига, Зинатне, 1986.15.  Н.П. Блинов. Основы биотехнологии. СПБ., Наука, 1995.16.  Л.И. Воробьев. Промышленная микробиология. М., МГУ, 1989.17.  С.Д. Варфоломеев, С.В. Калюжный. Биотехнология. Кинетические основы микробиологических процессов. М., Высшая школа, 1990.18.  В.М. Беликов. Аминокислоты, их химический синтез и применение. Вестн. АН СССР, 1973.19.  Дж.   Бейли, Д. Оллис. Основы биохимической инженерии, т. 1. М„ Мир, 1989.20.  Г.С. Муровцев, Р.Г. Бутенко, Т.Н. Тихоненко, М.И. Прокофьев. Основы сельскохозяйственной биотехнологии. М., ВО Агропромиздат, 1990.21.  Биотехнология: принципы и применение. Под ред. И. Хиггинса, Д.Беста, Дж. Джонса. М., Мир, 1988.