Виробництво глютамінової кислоти

Виробництво глютамінової кислоти

Вступ

Глютамінова кислота (б-аміноглутарова) є однією з найважливіших амінокислот рослинних і тваринних білків. Вона не належить до числа незамінних, однак, тим не менш, служить основою для синтезу багатьох фізіологічно активних сполук, необхідних для нормальної життєдіяльності людського організму. Вона має дуже приємні органолептичні властивості і тому має широке застосування в різних галузях.

Важливою особливістю глютамінової кислоти є здатність служити захисним фактором при різних отруєннях печінки і нирок, посилювати фармакологічну дію одних і послаблювати токсичність інших лікувальних засобів, підтримувати поряд з іншими амінокислотами постійну реакцію середовища. На цих властивостях і засновано лікування ряду захворювань шляхом введення в організм глютамінової кислоти.

Не менше значення має і мононатрієва сіль цієї амінокислоти - глутамат натрію. Ця сполука підсилює смак багатьох харчових продуктів, а також сприяє тривалому збереженню смакових якостей консервованих продуктів. Ця обставина дозволяє широко використовувати моноглутамат натрію в консервній промисловості, особливо при консервуванні овочів, риби, м'ясних продуктів. У багатьох зарубіжних країнах глутамат натрію додають абсолютно в усі продукти при консервуванні, заморожуванні або просто при зберіганні. Він підвищує не тільки смакову цінність харчових продуктів, а й стимулює діяльність травних залоз. В даний час виробництво глютамінової кислоти стало дуже великим. Провідне місце в цьому виробництві займають Японія і США.

У промисловості глютамінову кислоту одержують декількома способами: багатостадійним хімічним синтезом із акрилонітрилу, мікробіологічним синтезом за одноступінчатою і двоступінчатою технологією, виділенням із цукрової меляси або із білкових гідролізатів. Найбільшого розповсюдження одержали способи виділення глютамінової кислоти із меляси і одноступінчатого мікробіологічного біосинтезу. Останній вважається найбільш перспективним, але отримання глутамату цим шляхом можна і необхідно вдосконалювати з точки зору економічної ефективності: підбирати більш дешеві і продуктивніші джерела живильного середовища для біосинтезу, а також здешевлювати методи відділення і обробки культуральної рідини шляхом підбору ефективнішого обладнання.

1. Викладення технологічного проекту

Можна виділити наступні етапи технологічного процесу виготовлення глютамінової кислоти мікробіологічним способом:

Приготування живильного середовища.

Для промислових штамів Coryn. glutamicum поживні середовища при виробництві посівного матеріалу, як правило, містять наступні компоненти (у%) [3]:

) меляса - 8;

) кукурудзяний екстракт -0,3;

) хлорид амонію - 0,5;

) калію фосфат двозаміщений - 0,05;

) сульфат магнію - 0,03;

) синтетичний піногасник (пропінол Б-400) - 0,1

) вода - інше, рН середовища 7,0-7,2.

Живильні середовища на стадії біосинтезу містять ті ж компоненти і в тій же кількості, тільки замість кукурудзяного екстракту і сульфату амонію містять до 2% сечовини, вміст меляси збільшують до 20%, додатково вводять крейду до 1% і 0,1% синтетичного піногасника [3].

Стерилізація живильного середовища, апаратів і комунікацій.

Підготовку ферментерів (інокуляторов) до роботи починають з промивання використаного обладнання гарячою і холодною водою з наступною обробкою апаратів і комунікацій гострою парою. Стерилізацію поживних середовищ здійснюють традиційним способом, так само як і підготовку технологічного повітря. Компоненти середовища, які розчиняються, нагрівають до певної температури, потім витримують при цій температурі з наступним охолодженням до температури ферментації.

Живильне середовище для вирощування продуцентів глютамінової кислоти складається з меляси, кукурудзяного екстракту або іншого джерела ростових речовин, крейди і піногасника. Живильне середовище готується і стерилізується в дві стадії з урахуванням властивостей компонентів, що входять до його складу. Стадії підготовки і стерилізація середовища складаються з змішування компонентів живильного середовища в певній пропорції за допомогою спеціальних дозаторів у реакторі, розчинення солей при перемішуванні, нагрівання до температури стерилізації, витримки при цій температурі протягом 1 години і охолодження до температури, при якій проводиться культивування продуцента глютамінової кислоти.

Термолабільні компоненти середовища, наприклад мелясу, що містить сахарозу стерилізують окремо. У реактор з мішалкою подають мелясу і нагрівають її при постійному перемішуванні до температури 80°С, з періодичним додаванням до розчину певної кількості води. Власне стерилізацію здійснюють шляхом швидкого розігріву отриманого розчину глухою парою до 120-122°С в спеціальному апараті і витримують при цій температурі певний час, необхідний для повної загибелі всієї мікрофлори. Охолоджений розчин стисненим стерильним повітрям передають у попередньо підготовлений ферментер. Температура стерилізації меляси вище, а тривалість значно менше, ніж ті ж параметри при стерилізації інших компонентів середовища.

Піногасник, використовуваний на стадіях культивування продуцента в посівному апараті і основному ферментері, особливо в тому випадку, коли їм є масло або жир, стерилізується окремо. Режими стерилізації (температура і тривалість) при обробці піногасника жорсткіші, ніж це прийнято для стерилізації будь-яких поживних середовищ.

Процес отримання глютамінової кислоти вимагає строгих асептичних умов, і тому особлива увага приділяється стерилізації не тільки середовища, а й усіх реакторів, комунікацій, повітря, що подається.

При стерилізації апаратури режими стерилізації залежать головним чином від матеріалу, з якого виготовлено обладнання і його окремі вузли. Найбільша ефективність стерилізації апаратури і комунікацій спостерігається при застосуванні гострої пари, що має температуру 135-140°С. Але окремі блоки апаратів, у тому числі датчики вимірювальних приладів, не витримують таких умов стерилізації, і тому в цих випадках можуть застосовуватися «холодні» способи стерилізації. Для такої обробки можуть бути використані бактерицидні гази (етилен) і розчини хімічних реагентів (формаліну, суміші цитилпіридинового броміду і етанолмеркуріхлориду у співвідношенні 2:1, різні похідні фенолу та їх суміші, амонійні солі первинних і вторинних алкілсульфатів, хлорвмісні сполуки, 3-пропіоллактон і т.д.).

Ступінь стерильності середовища, обладнання та комунікацій може бути перевірена. Простерилізоване середовище або змиви, проведені стерильною водою з внутрішніх поверхонь апаратів і трубопроводів, висівають на агаризовані або рідкі живильні середовища та інкубують в термостаті добу. Якщо середовища залишаються стерильними, то стерилізація проведена якісно. Такий аналіз проводиться при пуску заводу, у разі появи інфекції та періодично в профілактичних цілях.

Приготування вихідної і посівної культури.

Посівний матеріал на кожній зі стадії його отримання (від пробірок до посівного апарату) вирощують в строго асептичних умовах по 24 год. Склад поживних середовищ незначно змінюється при переході від одного штаму до іншого і практично залишається постійним на кожній з проміжних стадій отримання посівного матеріалу. Тільки при вирощуванні продуцента в посівному апараті в живильне середовище вносять до 0,1% стерильного синтетичного піногасника.

Накопичення біомаси до 6-8 г. АСВ на 1 л середовища проводять в аеробних умовах спочатку в інокуляторах об'ємом 2 м³, потім в посівних апаратах об'ємом 5 м³. Отриманий посівний матеріал в кількості 5-6% (від об'єму середовища виробничих апаратів) стерильно передають в основні ферментери на 50 м³. Коефіцієнт заповнення апарату 0,7.

Вирощування продуцента в ферментері.

Процес біосинтезу здійснюють в строго асептичних умовах у ферментерах об'ємом 50 м³ з коефіцієнтом заповнення апарату 0,7 протягом 48-52 год і інтенсивної аерації [80-85 мг О₂/(л-хв)]. Температуру культивування на всіх стадіях підтримують постійною на рівні 28-30°С. Наприкінці процесу біосинтезу готова культуральна рідина містить до 45 г./л глютамінової кислоти. Вихід глютамінової кислоти по відношенню до спожитих цукрів становить 45-50% [7,9,10].

Оскільки виробництво глютамінової кислоти направлено на отримання високоочищених препаратів, подальша технологічна схема передбачає виробництво продуктів, підготовлених безпосередньо до застосування в якості харчових добавок і у вигляді лікарських форм.

Виділення глютамінової кислоти з культуральної рідини і подальша очистка її відповідно до вимог фармакопеї передбачає таку послідовність проведення технологічних операцій [6].

Попередня обробка культуральної рідини.

Здійснюється шляхом додавання до неї певної кількості негашеного вапна (або вапняного молока) з наступним осадженням надлишку іонів кальцію фосфорною кислотою. Утворений при цьому осад сприяє кращому відділенню клітин продуцента та інших баластних [3].

Відділення біомаси від культуральної рідини.

Проводять фільтруванням на нутч-фільтр. При цьому досягається відділення клітин продуцента і завислих речовин [3].

Концентрування розчину глютамінової кислоти.

Проводять шляхом його вакуум-випарювання при температурі 40-60°С, при цьому з вихідного розчину глютамінової кислоти відганяють від 50 до 80% води [3].

Осадження кристалів глютамінової кислоти в ізоелектричній точці.

Ця стадія здійснюється шляхом підкислення отриманого на попередньому етапі концентрату соляною кислотою до рН 3,2 (ізоелектрична точка глутамінової кислоти).

Кристалізація глютамінової кислоти.

Охолодження розчину до 4-15°С. Одноразове проведення операції забезпечує кристалізацію 77% глютамінової кислоти; при повторному її проведенні вихід зростає до 87%. Чистота одержуваних кристалів досягає 88% [3].

У результаті подальшої перекристалізації чистоту одержуваних кристалів можна збільшити до 99,6%, що задовольняє вимогам фармакопеї [6].

Відділення кристалів глютамінової кислоти від маточника.

Це досягається центрифугуванням.

Отримані кристали розчиняють в знесоленій воді, додають гідроксид натрію та активоване вугілля для освітлення отриманого розчину [3,7]. Отримані домішки відділяють на фільтрі.

Далі повторюють наступні стадії: осадження кристалів глютамінової кислоти в ізоелектричній точці, кристалізація глютамінової кислоти, відділення кристалів на центрифузі, розчинення кристалів в невеликій кількості води з додаванням гідроксиду натрію та активованого вугілля, відділення отриманої грязьової суміші фільтруванням.

Наступною стадією є нейтралізація надлишку доданого гідроксиду натрію, яка здійснюється додавання соляної кислоти. Попередньо визначається водневий показник рН і встановлюється необхідна кількість подаваного реагента.

Випарювання під розрідженням. Проводять шляхом його вакуум-випарювання при температурі 40-60°С [3].

Отриманий продукт центрифугують та відправляють на сушку.

Сушка кристалів глютамінової кислоти.

Проводиться під вакуумом або в струмі нагрітого повітря при 60-70° С [3].

2. Призначення та галузь використання виробу, що розробляється

Найбільш перспективним і широко використовуваним способом виробництва глютамінової кислоти є мікробіологічний синтез. Вперше про можливість отримання L - глютамінової кислоти безпосередньо з вуглеводів за допомогою мікроорганізмів методом глибинного культивування повідомили в 1957 р. японські вчені Кіносіта, Асаї та ін.

До теперішнього часу з'ясовано, що здатністю продукувати глютамінову кислоту володіють деякі дріжджі, мікроскопічні гриби, бактерії. Проте практично лише бактерії можуть синтезувати глютамінову кислоту з виходом не менше 40% щодо вихідного цукру або іншої сировини. Тому промислове значення мають поки тільки бактерії, що відносяться до родів Micrococcus, Brevibacterium, Microbacterium, Corynebacterium [3].

Це, головним чином, паличкоподібні, грампозитивні, нерухомі бактерії, що не утворюють спор. Специфічною для них є обов'язкова потреба в біотині або в біотині і тіаміні одночасно. Сировиною для отримання глютамінової кислоти крім вуглеводів можуть бути також різні вуглеводні, починаючи від природного газу (метан, етан) і кінчаючи н-парафінами або ароматичними сполуками (бензиловий спирт пірокатехін та ін.). Можуть бути також використані газойль, оцтова, аміномасляна, фумаровая кислоти і ряд інших продуктів [3,8].

Надалі розглянемо апарати, що викорисовуються на стадії відділення оброби культуральної рідини. А саме: збірники з механічним перемішуючим пристроєм, нутч-фільтр, вакуум-випарна установка, вакуумний кристалізатор, центрифуга періодичної дії з ножовим автоматичним вивантаженням та одновальцева сушарка під тиском нижче атмосферного.

) Ємнісне обладнання - це спеціальні конструкції з металу, які призначені для прийому, зберігання та видачі газоподібних і рідких продуктів при температурах від -210°C до +700°C і під надлишковим тиском до 100 кг/см², а також під вакуумним і атмосферним тиском.

Простою мовою, ємнісне обладнання виконує роль резервуарів для рідких і газоподібних середовищ [20].

Виробництво ємнісного обладнання ведеться на багатьох машинобудівних підприємствах. Це пов'язано з тим, що дана сфера дуже затребувана в промисловій індустрії. На сьогоднішній день без виробництва ємнісного і резервуарного обладнання не може обійтися жодна харчова, нафтова, газова галузь. Ємнісне обладнання дозволяє зберігати, перевозити і відпускати різні види рідких і газоподібних речовин. Харчове ємнісне обладнання використовується на підприємствах харчової промисловості для зберігання і виведення різних елементів живлення [20].

Завод ємнісного обладнання ретельно стежить за продукцією, що випускається, постійно перевіряючи на герметичність, щільність і міцність готових виробів. Резервуари, виконані за допомогою зварювання, на заводі ємнісного і резервуарного обладнання перевіряються спеціальним радіографічним обладнанням. Устаткування, створене для транспортування та зберігання небезпечних матеріалів, проходить додаткову пневматичну і гідравлічну перевірку, ємнісне обладнання для харчової промисловості має також відповідати всім нормативним вимогам.

На сьогоднішній день, ємнісне обладнання представлено в широким діапазоном видів. По-перше, ємнісне обладнання виготовляється з металів різного роду. В основному це матеріали з нержавіючої сталі: харчові, кислотостійкі і жароміцні. Для зберігання хімічних рідин, ємнісне обладнання з металу виробляється з використанням нержавійки (вуглецевої нержавіючої сталі). По-друге, за своїм типом, ємності поділяють на: наземні та підземні, горизонтальні і вертикальні, а також залежно від форми днища [20].

Крім усього вище перерахованого, ємнісне обладнання з нержавійки може оснащуватися різними датчиками рівня, мішалками, оглядовими люками, вимірювальними приладами і т.д.

Залежно від типу, ємнісне обладнання поділяють: горизонтальні та вертикальні.

При складанні апаратурної схеми було вибрано вертикальний збірник оснащений механічним перемішуючим пристроєм, який оснащений датчиками рівня, оглядовими люками, вимірювальними приладами (Рис. 2.1).

Рисунок 2.1. Ємнісне обладнання NORMIT

Вертикальні ємності - також, як і горизонтальні виготовляються з нержавіючої та вуглецевої сталі [20].

Пересувне і стаціонарне ємнісне обладнання, відкритого та закритого типу, що володіє потрібною кількістю стінок і перегородок, з різними формами дна і термо-ізольовані - виконують виробники ємнісного обладнання на замовлення клієнта, використовуючи під час цього необхідну документацію, а також сертифікати якості. Перед здачею резервуара в експлуатацію - він ретельно перевіряється за допомогою багатьох випробувань. Ємності зі зварювальними швами перевіряються на герметичність і міцність, що дозволяє бути впевненим у її експлуатаційних характеристиках. Тому, етап виготовлення ємнісного обладнання є дуже важливим виробничим процесом. Крім виготовлення ємнісного обладнання виробники пропонують готову продукцію, а й надають такі послуги: монтажні та демонтажні послуги, підбір і розміщення обладнання, навчання персоналу і розробка документації [20].

2) Нутч-фільтр. Опис конструкції та характеристика роботи апарату наведені в розділі 3.

Вакуум - випарний апарат (Рисунок 2.2) являє собою герметичну циліндричну ємність з нержавіючої харчової сталі, оснащену перемішуючим пристроєм з приводом, сорочкою з теплоносієм. Розрідження в апараті створюється за допомогою вакуум - насоса [24].

Рисунок 2.2 Конструкція вакуум-випарного апарату

На пульті управління знаходяться пускачі перемішуючого пристрою, вакуум - насоса, терморегулятор з індикацією значення температури продукту, пускачі ТЕНів (при електропідігріві). Розрідження в апараті контролюється за допомогою вакууметра. Передбачена можливість регулювання тиску в апараті [24].

Вакуум-випарний апарат складається з вертикального корпусу з сорочкою нагріву, ротора і розташованого всередині конденсатора. На несучій конструкції ротора розташовані рухливі високоточні щітки, які відцентровими силами притискаються до внутрішньої поверхні гріючої стінки. Щітки, що обертаються, захоплюють продукт і відразу ж створюють на гріючої стінці тонку плівку з високою турбулентністю. Під впливом гравітації продукт по спіралі стікає вниз. При цьому летюча фаза продукту випаровується [22]. Пари конденсуються на внутрішньому конденсаторі. Не випарена частина продукту протягом декількох секунд досягає нижнього краю зони нагріву і видаляється з випарного апарату [22].

Вакуумне випарювання є термічним процесом розділення, який здійснюється під вакуумом від 1 до 0,001 мбар. Завдяки цьому температура випарювання знижується, що дозволяє без пошкодження розділяти висококиплячі і чутливі до високої температури продукти [22].

Перевагою варіння при тиску нижче атмосферного, є кипіння продукту при температурі нижче 100°С, що в значній мірі сприяє більшому збереженню поживних речовин, фарбувальних пігментів сировини в порівнянні з випарюванням при атмосферному тиску. При уварюванні під вакуумом процес випарювання однієї і тієї ж кількості вологи протікає швидше, ніж при випаровуванні при атмосферному тиску [24].

) Вакуумний кристалізатор (Рисунок 2.3).

Принцип дії: У вакуумному кристалізаторі суспензія кристалів циркулює через відсмоктувальну трубу за допомогою мішалки. У цьому кристалізаторі дрібні частинки вилучаються, здатність деструкції шляхом видалення маточного розчину з дрібними кристалами (дрібна фракція) із зони перегородки. Енергія, необхідна для випаровування надходить в систему нагріванням циркуляції маточного розчину. Нагрівання також навпроти розчиняє дрібну фракцію і, отже, може вплинути на розмір товарного кристала і класифікацію за розмірами.

Переваги: низькі експлуатаційні витрати; тривалі робочі цикли; можливість контролювання розміру кристала; можливість вибору діапазону розмірів кристала; покращена фільтрації та центрифугування [24].

Застосування: використовується для отримання дуже високої щільності розчину в робочому обсязі кристалізатора; вибірковий діапазон дрібних кристалів може бути видалений і розчинений; безперервний режим експлуатації.

Рисунок 2.3. Вакуум-кристалізатор

) Горизонтальна фільтруюча центрифуга періодичної дії з ножовим вивантаженням осаду.

Фільтруючі центрифуги (ФГН) (Рисунок 2.4) застосовуються для розділення суспензій з середньо- і дрібнозернистою (розмір часток більше 30 мкм), переважно розчинної твердою фазою, коли допускається дроблення частинок осаду [26].

Робота центрифуг найбільш ефективна при об'ємному вмісті суспензії більше 10%. У їх конструкціях передбачена можливість хорошого віджимання і ефективної промивки осаду. Конструктивні модифікації центрифуги з осаджувальним ротором призначені для поділу малоконцентрованих погано фільтруючих суспензій з нерозчинної твердої фазою. (розмір часток 5 - 40 мкм) Осад в цих центрифугах не промивається [26].

Основна перевага центрифуг типу ФГН полягає в можливості проведення всіх стадій процесу в автоматичному режимі і при постійній частоті обертання ротора. До їх недоліків слід віднести подрібнення кристалів при зрізі осаду, великі труднощі регенерації фільтруючого перегородки при обробці суспензій з нерозчинної твердої фазою [26].

- розвантажувальний бункер, 2 - живильна труба, 3 - механізм зрізу осаду, 4 - кожух, 5 - ротор, 6 - опори вала; 7 - вал, 8 - станина; 9 - привід.

Рисунок 2.4. Конструктивна схема центрифуг типу ФГН з консольним ротором

Загальний конструктивна ознака таких центрифуг - горизонтальне розташування осі ротора 5, вал 7 якого обертається в підшипниках кочення, встановлених в станині 8. Привід центрифуги від електродвигуна через клиноременну передачу. У передній кришці центрифуги змонтований механізм зрізу осаду 3, розвантажувальний бункер 1, що живить труба 2, труба промивання і регенерації (для фільтруючих центрифуг), регулятор рівня шару завантаження і перемикач ходу ножа. Повоpoтна кришка підвішена на петлях, ущільнена гумовою прокладкою [26].

При роботі фільтруючої центрифуги суспензія через регульований завантажувальний клапан і живильну трубу вступає у обертовий з повною швидкістю ротор і рівномірно розподіляється по поверхні сит.

Фільтрат, промивний фільтрат і рідина після регенерації сит відводяться роздільно. При досягненні заданої товщини шару осаду в роторі подача суспензії автоматично припиняється, після чого відбувається віджимання і промивання осаду. Віджатий після промивання осад зрізається ножем (або скребком) і вивантажується з центрифуги.

Типовий цикл роботи фільтруючих центрифуг складається з операції фільтрування суспензії з утворенням осаду, його промивання, відцентрового віджиму осаду після промивки, вивантаження осаду і регенерації фільтруючої перегородки. Остання операція залежно від проникності шару, що залишається після зрізу осаду, може проводиться в кожному циклі або через кілька циклів.

) Одновальцева сушарка під тиском нижче атмосферного.

Вальцова вакуум-сушарка (Рисунок 2.5) застосовується в тих випадках, коли необхідно знизити температуру сушки [27].

-вальці; 2-скребки, 3-патрубок для вологого матеріалу; 4-патрубок для відводу газу; 5,7 - дзвони; 6-камера для збору сухого матеріалу.

Рисунок 2.5. Вальцова вакуум-сушарка

Від звичайної вальцьовий сушарки вона відрізняється тим, що вальці 1 оточені кожухом, у внутрішньому просторі якого створюється вакуум. Вологий матеріал подається через патрубок 3. При обертанні вальців матеріал прилипає до них, висушується і висушений зрізається скребками 2. Утворений пар відсмоктується через патрубок 4 [27].

В апаратах, безперервно перероблюючих сипучий матеріал під вакуумом, особливо важким завданням є пристрій завантаження і вивантаження матеріалу, оскільки сам кусковий матеріал, що має канали між частинками, не може служити затвором, як рідина [27].

Це завдання, зокрема і для вакуум-сушарок безперервної дії, вирішується двома шляхами.

. Завантаження та розвантаження ведеться періодично, наприклад, один раз на зміну. У цьому випадку сирий матеріал засипається в закритий живильний бункер і витрачається звідти, а висушений накопичується в збірному бункері сушарки протягом певного часу (зміни), після чого відключається вакуум і здійснюється розвантаження збірного бункера [27].

. Застосовуються герметичні затвори. Для розвантаження застосовується, наприклад, шлюзовий затвор. У цьому затворі дзвони відкриваються в наступному порядку: при закритому дзвоні 7 відкривається дзвін 5, матеріал пропускається з конуса сушарки в камеру 6, потім закривається дзвін 5 і відкривається дзвін 7 - матеріал випускається із сушарки. При необхідності підвищити герметичність число камер - шлюзів збільшується до 3 - 5. Закриває і відкриває заслінок шлюзів і їх чергування може бути легко автоматизовано [27].

3. Описання та обґрунтування вибраної конструкції

конструкція глютаміновий кислота

Фільтрацію застосовують в техніці для розділення різних суспензій і в деяких випадках для розділення колоїдних розчинів. Це один з найбільш поширених процесів на хімічних заводах. Суспензією називають рідину, що містить тверді частки в підвішеному стані. Фільтрація проводиться пропусканням суспензії через пористий матеріал - керамічні плитки, пісок, металеві сітки, найчастіше тканину [28].

Рідина (фільтрат) проходить через фільтр, тверді частинки залишаються у вигляді осаду. Осад матеріалу, що залишається на поверхні фільтрувальної перегородки, робить вирішальний вплив на продуктивність фільтру і на витрату енергії на проштовхування рідини через фільтр. Продуктивність характеризується швидкістю фільтрації кількістю фільтрату, що проходить через 1 м² поверхні фільтруючої перегородки в одиницю часу. Швидкість фільтрації залежить від опору фільтруючого шару [28].

Для прискорення процесу збільшують висоту стовпа рідини над перегородкою, застосовують фільтрацію під тиском (фільтр преси), а також вакуумні фільтри. Вакуумні фільтри широко використовують в різних виробництвах і особливо в хімічній промисловості для фільтрації пульп з відносно крупними твердими частинками. При наявності погано фільтруючих аморфних осадів краща фільтрація на фільтр-пресах. Легко фільтруючі і особливо кристалічні речовини краще фільтрувати на вакуумних фільтрах [28].

Розрідження в вакуумному фільтрі створюється відкачуванням повітря з-під пористого фільтруючого шару вакуумним насосом. Суспензія перед фільтром знаходиться під атмосферним тиском. Завдяки різниця між атмосферним тиском, з одного боку, фільтрувальної перегородки і тиском нижче атмосферного, з іншого, рідина проштовхується крізь шар фільтруючого матеріалу. Тиск повітря за фільтром підтримується 60-260 мм рт. ст. Вакуумні фільтри можуть бути періодичної і безперервної дії [28].

Ємнісний фільтр застосовують для розділення невеликих кількостей суспензій. Він може працювати під вакуумом (нутч-фільтр) і під надлишковим тиском (Друк-фільтр). Корпус ємнісного фільтра буває відкритим або закритим. Фільтрувальна перегородка розташовується на перфорованому днище. У верхню частину корпусу подається розділювана суспензія. З нижньої частини відводиться фільтрат. У фільтрі з механізованої розвантаженням осад відаляється через відкидне днище, а у фільтрі з відкритим корпусом - перекиданням або вручну [30].

Вакуумні нутч-фільтри. Нутч-фільтри (Рисунок 3.1) періодичної дії з тканинної перегородкою мають фільтруючу поверхню порядку 1-6 м² і більше, товщину шару осаду 50-400 мм, працюють при вакуумі 500-700 мм рт. ст. Вони прості за конструкцією, недорогі, легко доступні для спостереження і контролю, дозволяють відсмоктати з осаду максимальну кількість рідини [28].

Призначення. Нутч-фільтр призначений для проведення різних фізичних процесів: розчинення, відмивання, усереднення, фільтрації і вивантаження відфільтрованого продукту. Корпус фільтра обладнаний комбінованою рамно - стрічковою мішалкою, що виконує перемішування продукту в процесі його приготування і його вивантаження після відкриття вигрузочного отвора [31].

До горизонтальних елементів мішалки приварені дві вертикальні стрічкові спіралі, які забезпечують необхідну інтенсивність процесу перемішування в об’ємі реактора [31].

Нижня частина мішалки виконана таким чином, щоб продукт зміщувався від центральної осі корпусу до периферії, одночасно очищаючи фільтрувальну сітку від продукту, що знаходиться на ній [31].

Днище фільтра відокремлюване, еліптичного типу кріпиться до корпусу за допомогою фланцевого з'єднання з відкидними болтами [31].

У внутрішній частині днища вварена кільцева опора, на яку укладається підставу сітки [31].

Рисунок 3.2. Нутч-фільтр

Фільтруюча сітка укладається на підставу і притискається до нього притискними планками [31].

Головними перевагами нутч-фільтрів є:

можливість здійснювати фільтрацію в інертній атмосфері;

організація процесу відповідно вимогам GMP і FDA;

відсутність контакту зовнішнього середовища і оператора з речовиною - робота в стерильних умовах, з чутливими і токсичними речовинами;

можливість обігріву або охолодження фільтруючої ємності;

робота з світлочутливими речовинами за рахунок використання затемненого скла;

здійснення процесу у вибухонебезпечних зонах, завдяки використанню матеріалів, що розсіюють електричний заряд;

ефективне і швидке розділення твердої і рідкої фаз;

простота конструкції, відсутність необхідності використання дорогого обладнання;

довговічність при роботі з агресивними середовищами [29].

Рисунок 3.2. Нутч-фільтр

Використання нутч-фільтрів, обладнаних зовнішньої сорочкою дозволяє здійснювати фільтрацію при різних температурних режимах у верхній камері. Охолодження камери використовують для пониження розчинності осаду при фільтруванні і промиванні. Нагрівання використовується для запобігання кристалізації речовин з гарячих маточних розчинів, в тих випадках, коли необхідно отримати фільтрат, що містить цільовий продукт [29].

Нутч-фільтри компаній Radleys і QVF прекрасно підходять для вирішення специфічних завдань в області тонкого органічного синтезу та фармацевтичного виробництва. При використанні вакууму під час процесу фільтрації рідка фаза засмоктується через фільтраційну пластину в приймальну ємність. Конструкція нутч-фільтрів QVF дозволяє здійснювати фільтрацію в атмосфері інертного газу, роблячи можливою роботу з чутливими до вологи і кисню повітря речовинами [29].

Рисунок 3.3. Нутч-фільтр

Однак вони мають істотні недоліки: громіздкість, необхідність ручного вивантаження, засмічення приміщення цеху шкідливими речовинами, обмежені розміри поверхні, що фільтрує. На решітку накладається шар фільтруючого матеріалу, рідина, що стікає, (фільтрат) витікає через патрубок в приймальний резервуар. Продуктивність нутч-фільтра залежить від величини поверхні фільтруючої перегородки, товщини шару осаду і ступеня вакууму. Ефективність нутч-фільтрів підвищують головним чином шляхом механізації вивантаження відфільтрованого осаду. Для цього апарат обладнують відкидним днищем, або перекидаючим механізмом з ручним або гідравлічним приводом, або піднімаючою мішалкою зі шкребками. Ефективність підвищують також установкою декількох фільтрів для отримання постійної продуктивності станції фільтрації в цілому [28].

Незважаючи на істотні недоліки - велика площа виробничого приміщення і потреба в значній кількості обслуговуючого персоналу нутч-фільтри завдяки простоті інструкції ще застосовують на малих підприємствах або при обробці агресивних рідин.

4. Технічна характеристика

. Апарат призначений для фільтрувальння розчину, який містить кристали глутамінової кислоти.

. Об'єм приймача, л:

а) суспензії (повний) 2000;

б) заповненого суспензією 600;

в) фільтрату 100.

. Робоча температура, С 20.

. Робоча різниця тисків, МПа 0,5.

. Габаритні розміри, мм:

висота 1975;

ширина 1700;

довжина 1700.

. Маса 1420.

5. Розрахунки, що підтверджують працездатність та надійність конструкції

Розрахуємо відношення об’єму осаду до об’єму фільтрату за формулою

 (1)

де С=5% - об’ємна частка твердої фази в суспензії; =55% - вологість осаду після фільтрування; - відношення густини рідини  до густини твердої фази :

 (2)

де кг/м³;  кг/м³.

Звідси

Знаходимо масу твердої фази, що відкладається при отриманні 1 м³ фільтрату за формулою:

 (3)

Отже

 кг/м³.

Пористість осаду визначаємо за формулою

 (4)

Підставимо значення в формулу (4):

.

Визначимо константи фільтрування.

Дані дослідного фільтрування на лабораторному фільтрі з  м² представлені в Таблиці 5.1.

Таблиця 5.1. Дані дослідного фільтрування на лабораторному фільтрі з  м².

За даними таблиці 1 будуємо графік для визначення констант фільтрування.

З рівняння лінії тренду отримаємо константи фільтрування: = 485 м³/м² та  =18313 с/м².

Питомий опір осаду  та опір фільтрувальної перегородки розраховуються відповідно до наступних формул:

 (5)

 (6)

де МПа - постійний перепад тиску при якому працює фільтр; Па·с - динамічна в’язкість води при температурі 30 ^оС.

Підставляємо значення в рівняння (5) та (6):

 м^-2,

 м^-1.

Визначаємо найбільшу питому продуктивність  за формулою

 (7)

де с - час основних операцій;  - коефіцієнт, який розраховується за формулами

, (8)

дe  та

, (9)

, (10)

де - відношення маси розчиненої речовини, що вимивається розмивною водою, до маси, що знаходиться в осаді до промивки.

Отже,

 с/м²,

 м³/(м²·год).

Тривалітсть стадії фільтрації:

 с.

Тривалість стадії промивки:

 с.

Тривалість основної стадії:

 с.

Тривалість циклу фільтрації:

 с.

Розрахуємо оптимальну питому продуктивність фільтру по суспензії:

 м³/(м²·год).

Знаходимо необхідну загальну площу фільтрування

, (11)

де =10 м³/год - витрата культуральної рідини, що йде на освітлення.

Звідси

 м².

Питомий об’єм промивної води становить:

 м³/(м²·год).

Погодинна витрата промивної води

 м³/год.

Визначаємо необхідну кількість фільтрів, якщо фільтр з діаметром 1400 мм має фільтрувальну поверхню 1,5 м²:

 фільтрів.

Висновки

В даному курсовому проекті спроектовано виробництво глютамінової кислоти, розглянуті етапи одержання цільового продукту та апарати, що використовуються на стадіях виділення обробки культуральної рідини.

Була вибрана конструкція фільтра для відділення біомаси клітин від розчину з цільовим продуктом, а саме нутч-фільтр, - та наведено опис апарата, який підлягає розробленню, його ескіз, конструктивні особливості апарата та його конструктивних елементів, відповідність конструкції апарата технологічній операції, що в ньому протікає, недоліки та переваги вибраної конструкції у порівнянні з існуючими.

Було вирішено на виробництві використовувати нутч-фільтр з діаметром 1400 мм та площею фільтрування 1,5 м². Встановлено, що при витратах культуральної рідини, що іде на освітлення, 10 м³/год необхідно влаштувати 8 нутч-фільтрів вибраної конструкції.

Перелік посилань

конструкція глютаміновий кислота

1. Денщиков. М.Т. Отходы пищевой промышленности и их использование. Изд. 2-ое, перераб. и доп. - М.: Пищепромиздат., 1963, - 616 с.      

. Жушман А.И. Производство и применение глютаминовой кислоты и глютамата натрия. - М.: Пищепром, 1965, - 44 с.

. Красноштанова А.А. Основы биотехнологии: Учеб. Пособие / Красноштанова А.А., Крылов И.А., Бабусенко Е.С. - ЗЧТУ им. Д.И. Менделеева. - М., 2001. - 84 с.

. Бекер М.Е. Введение в биотехнологию. Пер. с латышского (Рига, 1974): «Пищевая промышленность», 1978. - 232 с.

. Бирюков В.В. Основы промышленной биотехнологии. - М.: КолосС, 2004. - 296 с.

. Державна Фармакопея України / Державне підприємство «Український науковий фармакопейний центр якості лікарських засобів». - 1-е вид. - Доповнення 4. - Харків: Державне підприємство «Український науковий фармакопейний центр якості лікарських засобів». 2011. - 540 с.

. Грачева И.М. Технология микробных белковых препаратов, аминокислот и жиров / Грачева И.М., Гаврилова Н.Н., Иванова Л.А. - М.: Пищевая пром-сть, 1980. - 448 с.

. Мосичев М.С. Общая технология микробиологических производств / Мосичев М.С., Складнев А.А., Котов В.Б. - М.: Легкая и пищевая пром-сть, 1982. - 264 с.

. Никитин Г.А. Биохимические основы микробиологических производств / Никитин Г.А. - К.: Вища шк., 1992. - 319 с.

. Біотехнологія: Підручник / В.Г. Герасименко, М.О. Герасименко, М.І. Цвіліховський та ін.; Під общ. Ред. В.Г. Герасименка. - К.: Фірма «ІНКОС», 2006. - 647 с.

. Безбородов А.М. Биохимические основы микробиологического синтеза. - М.: Легкая и пищевая пром-сть, 1984. - 304 с.

. Жужиков В.А. Фильтрование: Теория и практика разделения суспензий. - 4-е изд., и доп. - М.: Химия, 1980. - 400 с.

. Малиновская Т.А. Разделение суспензий в химической промышленности / Малиновская Т.А., Кобринский И.А., Кирсанов О.С., Рейнфарт В.В. - М: Химия, 1983. - 264 с.

14. Основные процессы и аппараты химической технологи: Пособие по проектированию / Борисов Г.С., Брыков В.П., Дытнерский Ю.И. и др. Под ред. Дытнерского Ю.И., 2-е изд., перераб. и дополн. - М.: Химия, 1991. - 296 с.

. Федосеев К.Г. Процессы и аппараты биотехнологии в химико-фармацевтической промышленности. - М.: Изд-во «Медицина», 1969. - 200 с.

. Иоффе И.Л. Проектирование процес сов и аппаратов химической технологи: Учебник для техникумов. - Л.: Химия, 1991. - 352 с.

. Горбатюк В.И. Процессы и аппараты пищевых производств. - М.: Колос, 1999. - 335 с.

. Методичні вказівки та контрольні завдання для самостійної ро-боти з дисципліни «Процеси та апарати хімічних виробництв (частина 1)» / укладачі: Я.Е. Михайловський, М.П. Юхименко. - Суми: Вид-во СумДУ, 2010. - 61 с.

. Стабников В.Н. Процессы и аппараты пищевых производств. - 4-е изд., перераб. и доп. - Москва, «Агропромиздат», 1985. - 503 с.

. Емкостное оборудование. [Електронний ресурс] - Режим доступу: http://www.ompspb.ru/products/tmkostnoe-oborudovanie/sborniki-nakopiteli-otstoiniki/

. Вакуум-выпарные аппараты NORMIT. [Електронний ресурс] - Режим доступу: http://normit.ru/otrasli/katalog-oborudovaniia/527

. Принцип работы вакуум-выпарного апарата. [Електронний ресурс] - Режим доступу: http://www.sms-vt.com/ru/tekhnologii/vakuum-vyparnoi-apparat/princip-raboty.html

. Емкостное оборудование NORMIT (производство емкостного оборудования, емкостное оборудование из нержавеющей стали). [Електронний ресурс] - Режим доступу: http://www.ompspb.ru/products/tmkostnoe-oborudovanie/sborniki-nakopiteli-otstoiniki/

. Вакуум-выпарной апарат. [Електронний ресурс] - Режим доступу: http://www.agro-mash.ru/0811_SER_vakuum_vypar_ap.html

. Вакуумный кристаллизатор DTB. [Електронний ресурс] - Режим доступу: http://www.ecoplanning.fi/index.php/vakuumnyj-kristallizator-dtb.html

. Горизонтальные центрифуги с ножевой выгрузкой осадка. [Електронний ресурс] - Режим доступу: http://macp.web.tstu.ru/04/04_013_03.html

. Вальцовая вакуум-сушилка. [Електронний ресурс] - Режим доступу: http://macp.web.tstu.ru/11/11_1022_03_00.html

. Вакуумные фильтры периодического действия. [Електронний ресурс] - Режим доступу: http://www.pro-vacuum.ru/vakuumnye-filtry/vakuumnye-filtry-periodicheskogo-deistviia.html

. Нутч-фильтры. [Електронний ресурс] - Режим доступу:

. Фильтр. Електронний ресурс] - Режим доступу: http://www.armatech.ru/ pdf/43.pdf

. Нутч-фильтр. [Електронний ресурс] - Режим доступу: http://promvit.com.ua/ nutch-filtr/