Дипломная работа: Виробництво кормового білка

Сприятливий амінокислотний склад білків, інтенсивний їхній синтез у вегетативних органах рослин послужили основою розробки технології витягу з рослинної маси білків для кормових і харчових цілей.

Однак пізніше було з'ясовано, що в рослинному соку втримується багато шкідливих домішок, таких, як феноли, важкі метали, інгібітору трипсину, гемолізуючі речовини, нуклеїнові кислоти й т.д. Більше таких речовин - у ядрі, хлоропластах, мітохондріях і менше - у цитоплазмі. Виходячи із цього, для використання на кормові й харчові цілі найбільш придатними є цитоплазматичні білки.

Невеликі напівпромислові установки для одержання кормових білкових концентратів з вегетативної маси рослин можуть бути використані в будь-якому господарстві, що має високобілкову рослинну сировину й кормоцех. Технологія готування білкових концентратів включає здрібнювання рослинної маси, отжиму соку, його коагуляцію, поділ коагуляту на зелену творого-образну масу й коричневий сік, консервування білково-вітамінної пасти.

Таким чином, у результаті переробки рослинної маси можуть бути отримані три види кормів: білковий коагулят, з якого одержують білково-вітамінну пасту; ферментований сік; залишки рослинного матеріалу після отжиму соку у вигляді гніта. [14].

Відомий спосіб одержання білка за допомогою аеробного культивування при температурі 45 – 65 °С у водному середовищу, що містить джерела вуглецю, азоту й мінеральних речовин. Недоліком відомого способу є невисокий вихід протеїну. Поставлена мета досягається тим, що як вихідна культура мікроорганізму для одержання протеїну використають термофільну змішану культуру. Термофільна змішана культура бактерій складається із трьох окремих видів бактерій. Ці бактерії класифікуються як великі вигнуті палички, підтип бактерій, клас Schizomycetes, загін Enbacteriales, сімейство Bacillaceae рід Bacillus; великі грамотрицательные палички, підтип бактерій, клас Schizomycetes, загін Enbacteriales,сімейство Bacillaceae, рід Bacillus; дрібні грамотрицательные палички, підтип бактерії, клас Schszomycetes. Змішана термофільна культура проявляє коштовні властивості. Ця змішана культура (Мс) росте краще при високих температурах, чим при звичайних, з більшим виходом клітин і зменшеною тенденцією до піно утворення в умовах ферментації.

Ця змішана культура є термофільної, росте ефективно з високою продуктивністю на сировину з окислених вуглеводнів, зокрема, нижчих спиртів, найбільше переважно з метанолу або еталона, при низьких температурах, при яких більшість інших відомих видів бактерій або відносно непродуктивні, або просто не можуть існувати, або непродуктивні й не толерантні до сировини з окислених вуглеводнів.

Ріст мікроорганізмів здійснюється у водному живильному, середовищі утримуючий водяний розчин мінеральної солі, джерело вуглецю й енергії, молекулярний кисень і вихідний посівний матеріал змішаної культури Мс. Мс є високопродуктивною при порівняно високих температурах ферментації й продуцирує необхідні й коштовні одноклітинні протеїнові продукти з високим змістом протеїну у вигляді амінокислот необхідного типу й у необхідному співвідношенні.

Вирощування Мс змішаних бактерій із сировини з окислених вуглеводнів може бути успішно здійснене при 45 – 65 °С, переважно, для досягнення оптимальної швидкості росту, 50 – 60 °С. Більше низькі температури придушують ріст бактерій.

При використанні змішаної культури досягається великий вихід клітин, що визначається в грамах отриманих клітин на 100 м використаного джерела вуглецю й енергії, наприклад метанолу.

Задовільний контроль може бути досягнуть також шляхом перевірки змісту живильного матеріалу у вихідному з ферментаторів потоці, воно повинне становити 0 - 0,2 вага. %.

Джерелом азоту може бути будь-яке азот містке з'єднання, здатне виділяти азот у вигляді, зручному для обмінного поглинання мікроорганізмами. Хоча можуть застосовувати різні органічні джерела азоту, наприклад інші протеїни, сечовина або т.п., але звичайно неорганічні джерела азоту більше економічні й зручні для практичного застосування. Як приклад таких неорганічних азот містке з'єднань можна привести аміак або гідроксид амонію, а також різні солі амонію, наприклад карбонат амонію, цитрит амонію, фосфат амонію, сульфат амонію й пірофосфат амонію. Зручно застосовувати газоподібний амоній, якому можна барботировати у відповідних кількостях через водне ферментаційне середовище. рН водної мікробної ферментаційної суміші 5,5 - 7,5 переважно 6 - 7.

Крім джерел кисню, азоту й вуглецю й енергії, необхідно до живильного додавати середовища обрані мінеральні живильні речовини в необхідних кількостях і співвідношеннях, щоб забезпечити правильний ріст мікроорганізмів і максимальне засвоєння окисленого вуглеводню клітинами в процесі мікробної конверсії. Джерелом вуглецю й енергії є окислений вуглеводень. Окислені вуглеводні включають спирти, кетони, складні й прості ефіри, кислоти й альдегіди, які в основному є водорозчинними й переважно містять до 10 атомів вуглецю в молекулі.

Найбільш кращими спиртами є спирти, що містять С1 – С4 у молекулі, особливо одноатомні спирти, внаслідок їхньої доступності, економічності. Особливо кращий метанол, тому що відносно дешево, легко доступний і розчинний у воді. [15].

1.2 Особливості культивування біообъєктів

При періодичному культивуванні доцільно створити штучно такий сталий стан, при якому концентрація клітин, питома швидкість росту й навколишньої клітини середовище не змінювалися б у часі. Такі умови можливі при безперервному культивуванні, коли клітини продуцента розмножуються зі швидкістю, що залежить від припливу живильних речовин і деяких інших умов. Безперервний спосіб особливо вигідний, коли джерелом вуглецю й енергії є нижчий спирт, наприклад метанол або етанол, витрата якого може бути легко автоматизований. Частина обсягу культуральної рідини постійного випливає з тією же швидкістю, з який подається середовище в апарат. Метод проточного культивування може бути організований як процес повного витиснення і як процес повного змішання. Здійснення першого можливо для культивування анаеробних мікроорганізмів у ферментаторі, що представляє собою трубу, у яку з одного кінця безупинно подають живильне й з посівний матеріал, а з іншого кінця відбирають культуральну рідина. Процес відбувається без перемішування й аерації. Коли середовище й посівний матеріал попадають у ферментатор, популяція перебуває в лаг - фазі, а на виході з ферментатора культура може перебувати в будь-якій фазі залежно від швидкості подачі середовища. У ферментаторі відтворюється повна крива розмноження, але не в часі, а в просторі.

У процесі повного змішання розмноження культури відбувається у ферментаторі при інтенсивному перемішуванні й аерації. У повному обсязі культуральної рідини умови повинні бути однаковими. При цьому у ферментаторі можуть бути створені умови, що відповідають будь-якій крапці кривої розмноження культури, вирощуваної періодичним способом. Процес повного змішання може бути організований по типі системи "турбидостат" й "хемостат".

У системі "турбидостат" у ферментаторі підтримують щільність популяції постійної, і при швидкій протоці середовища створюються умови, близькі до тих, які відповідають логарифмічній фазі, при повільному - наближаються до умов, що відповідають стаціонарній фазі. У сталому режимі роботи ферментатора питома швидкість протоки середовища дорівнює питомої швидкості розмноження культури. Підвищення швидкості протоки або вплив, що сповільнює ріст, приводить до того, що швидкість розмноження виявляється менше швидкості протоки й клітини культури будуть вимиті з ферментатора.

У системі "хемостат" величину клітинної популяції контролюють за допомогою окремих компонентів живильного . середовища Середовище становлять так, щоб один з компонентів, необхідний для росту біомаси клітин, був у недоліку або лімітував ріст, підтримуючи тим самим культуру в потрібному стані. Використовуючи батарею ферментаторів, можна в кожному апарату постійно підтримувати продуцент у певній фазі розмноження.

У цей час безперервне культивування застосовують для одержання білково-вітамінних концентратів (БВК), кормових дріжджів, лимонної кислоти, лізину.

У виробництві антибіотиків, поряд з періодичним культивуванням, всі частіше починають використати методи, що займають проміжне положення між переодичним і безперервним культивуванням, тобто напівбезперервний від’ємна-доливной метод. Таким способом вдається в 2 - 3 рази збільшити час перебування продуцента в активній фазі. Недолік полягає в тому, що доливи здійснюють живильним повним середовищем складу. Цього недоліку позбавлений метод напівбезперервної регульованої ферментації. Суть цього методу полягає в тому, що в певний час, починаючи з логарифмічної фази розмноження в культуральну рідину додають окремі компоненти живильного , середовища підтримуючи їхню концентрацію на постійному сприятливому рівні - спочатку для росту біомаси клітин, а потім - для синтезу цільового продукту.

Періодично з ферментатора відбирають певні об’єми культуральної рідини із всі зростаючою концентрацією цільового продукту. Ферментацію припиняють після того як активність продукту досягла максимуму. Цим способом вдається не тільки продовжити активну фазу, у якій перебуває продуцент, але й підвищити ступінь використання їм субстрату, а в остаточному підсумку - продуктивність процесу, тобто збільшити вихід кінцевого продукту розраховуючи на спожитий субстрат.

Із усього розмаїтості способів проведення процесів біотехнології найбільш складними є регульовані ферментації з дотриманням умов асептики. Крім того для проведення процесу в асептичних умовах необхідне введення додаткових стадій, що забезпечують стерилізацію живильних і з подаваного у ферментатори повітря.

Стерильне живильне в з інокуляторі - посівному апарату першого щабля засівають із дотриманням правил асептики через спеціальний пристрій посівним матеріалом, що попередньо був вирощений у колбі.

Створюються й підтримуються необхідні режими в апарату для розмноження клітин продуцента (температуру, аерацію й перемішування), а потім контролюють й оцінюють розвиток культури. При досягненні необхідних стадій розвитку й кількості біомаси посівний матеріал передавлюють стерильним стисненим повітрям по посівному колекторі в посівний апарат більшої місткості. На цьому другому щаблі вирощування посівного матеріалу прагнуть одержати більше біомаси клітин, щоб у ферментаторі можна було створити необхідну для даного штаму продуцента вихідну щільність популяції. Якщо ця вимога здійсненна без другого щабля, то ферментаційне середовище засівають безпосередньо з інокулятора.

Біосинтез цільового продукту у ферментаторі відбувається при заданих температурному режимі, аерації, перемішуванні й рН культуральної рідини; величину рН звичайно регулюють періодичною подачею аміачної води через барботер ферментатора. У випадку піно утворювання подають стерильний піногасник зі спеціального апарата по сигналі датчика рівня піни.

Для підтримки сталості концентрацій окремих компонентів живильного їх середовища подають у вигляді стерильних розчинів по команді ЕОМ з відомою швидкістю й періодичністю у ферментатор зі спеціальних апаратів.

У випадку проведення ферментації свідомо в нестерильних умовах живильне й з повітря для аерації не стерилізують, але посівний матеріал завжди вирощують на стерильних живильних у з асептичних умовах.[20].

1.3 Обладнання для культивування

1.3.1 Ферментатори для глибинного культивування мікроорганізмів на рідких живильних середовищах

Глибинне культивування мікроорганізмів - продуцентів біологічно активних речовин - є найбільш складним і тонким процесом одержання продуктів мікробного синтезу. Біосинтез продуцируемих мікроорганізмом біологічно активних речовин залежить від таких факторів, як температура, рН середовища й зростаючої культури, концентрація розчиненого кисню, тривалість культививування, конструкція й матеріал устаткування, у якому відбувається процес, і ін.

Залежно від застосовуваних методів оцінки роботи ферментатори для глибинного вирощування мікроорганізмів підрозділяють на ряд груп по наступних ознаках:

- по способі культивування - на апарати безперервної й періодичної дії;

- по стерильності - на герметичні й не потребуючої строгої герметичності;

- по конструктивних ознаках - на ферментатори з дифузором і турбіною, з обертаючими аераторами, з механічними мішалками, із зовнішнім циркуляційним контуром, колонні ферментатори, з ежекційною системою аерації;

- по способі уведення енергії й організації перемішування й аерації - на апарати з підведенням енергії до газової фази, до рідкої фази й комбінованої.

У мікробіологічній промисловості практично всі процеси культивування продуцентів біологічно активних речовин, за винятком дріжджів для одержання БВК на парафинах, гідролізатах і сульфітних лугах, проводяться періодичним способом у стерильних умовах.

1.3.2 Ферментатори для стерильного культивування мікроорганізмів

Ферментатори з механічним перемішуванням барботажного типу. Даний тип ферментатора широко застосовується для стерильних процесів вирощування мікроорганізмів - продуцентів біологічно активних речовин.

Ферментатори конструкції Гипромедпрома. Це циліндричний апарат вертикального типу з верхнім приводом пристрою, що перемішує. Геометричний обсяг ферментатора коливається в межах 1 – 50 м3. апарати обсягом 50 м3 обладнані пристроєм, що дозволяє змінювати частоту обертання приводу пристрою, що перемішує, від 60 до 140 хв-1.

З метою відводу фізіологічного тепла ферментатор постачений багатоярусною сорочкою, що має площа поверхні охолодження 55 м2, і змійовиками, розташованими всередині нього, із площею поверхні 39 м2. ферментатор, теплообмінні сорочки й змійовики розраховані на робочий тиск 0,29 МПа й температуру стерилізації 140°С.

На валу діаметром 160 мм і довжиною 7000 мм змонтовані два комплекти мішалок, що складаються з відкритих і закритих турбін. Ущільнення вала торцеве, окружна швидкість на кінці мішалки 6,5 м/с. Ферментатор обладнаний барботером розбірної конструкції, що має 2000 конічних отворів діаметром 3 мм, звужуючих донизу. Діаметр апарата 3000 мм, висота без електродвигуна 6800 мм.

Ферментатор фірми «Нордон». Конструкція цього ферментатора відрізняється від вищенаведених тем, що нижньої частини вала розташоване пристрій, що перемішує, із шести регульованих лопат прямокутного розтину, а на верхньої – піно гасячи механічний пристрій із двох лопат прямокутного розтину з ребрами жорсткості, спрямованими убік обертання.

Ферментатори із пневматичним перемішуванням середовища.

До цього типу ставляться апарати, усередині яких змонтовані форсунки, дифузори, барботери для подачі повітря. Вступник повітря використається для перемішування зростаючої культури, забезпечення потреби мікроорганізму в кисні й відводу метаболітів, що утворяться.

Ферментатор циліндричний. Конструктивно такий ферментатор зовні аналогічний ферментатору з механічним перемішуванням, але в ньому відсутні механічні пристрої, що перемішують. Недоліком цього виду ферментатора є більше низька в порівнянні з ферментаторами з механічним перемішуванням величина робочого обсягу, особливо при роботі із сильно пінливими середовищами. Вони застосовуються в тих випадках, коли культура мікроорганізму не має потреби в інтенсивному перемішуванні і її в'язкості невелика.

Також до цього типу ставляться ферментатори: ферментатор кульовий із пневматичним перемішуванням, ферментатор з форсуночним підведенням повітря, ферментатор з інтенсивним масообміном, ферментатор фірми «Хеман».

1.3.3 Ферментатори для нестерильних процесів культивування мікроорганізмів

До нестерильних процесів культивування мікроорганізмів ставляться в основному процеси вирощування продуцентів кормових дріжджів. По конструктивному виконанню ферментатори для виробництва кормових дріжджів аналогічні апаратам для виробництва ферментів, кормових антибіотиків, амінокислот й інших продуктів мікробного синтезу, але в них відсутні паровий або повітряний захист обертових валів і деякі конструктивні елементи.

Ферментатори із пневматичним перемішуванням і внутрішнім циркуляційним контуром. Найбільше поширення одержали ерлифтні дріжджі-вирощувальні апарати системи Лефрансуа із внутрішнім циркуляційним контуром. У гідролізно-дріжджовому виробництві застосовуються апарати цього типу ємністю 250, 320, 600 й 1300 м3. Дані конструкції ферментаторів не мають механічних засобів пеногасіння. Піна гаситься під вагою стовпа рідини при її циркуляції.

Також існують ферментатори із само усмоктувальною мішалкою (ферментатори системи Вальдгофа, з механічним перемішуванням й обертовими аераторами й ін.); горизонтального типу; колонні ферментатори (струминні, з контактними пристроями й ін.)

Ферментатори з ежекційною системою аерації. Конструкція дріжджі-вирощувального апарата АДР - 76 - 900 у цей час широко використається на заводах з виробництва БВК. Ферментатор складається з корпуса 1; периферійного циркуляційного контуру 2; центральні дифузори 5; пристроїв 3, які встановлені в периферійному циркуляційному контурі й центральному дифузорі; теплообмінників 7 і каплевідделителя 4. Привід пристроїв здійснюється від електродвигунів 6.

Подача в апарат живильного й з відвід готового продукту на сепарацію здійснюється через штуцера. Подача повітря для аерації зростаючої культури здійснюється шляхом само усмоктування. Масообмін відбувається при прокачуванні повітрям середовища аераторами через теплообмінники з утворенням висхідних і спадних потоків.

Корпус апарата виготовлений із двошарової корозієстійкої сталі, а теплообмінники, аерируючі пристрої й перегородки - з монолітної сталі.

Технічна характеристика ферментаторів АДР - 76 - 900

Продуктивність апарата, т/год 30 - 36

Ємність, м3

повна 900

робоча 450

Тиск, МПа 0,02

Робоча температура, °З 32 – 34

Середовище, рН 4,2 - 4,4

Площа поверхні теплообміну, м2 2700

Витрата повітря (при нормальних умовах), м3/ч 54000

Кількість аеруючих пристроїв 13

Потужність електродвигуна, кВт 315

Габаритні розміри, мм 17000 – 17000 - 6500

Маса, т 535

До недоліків ферментаторів з ежекційною системою аерації ставляться вібрація валів апаратів, забруднення поверхонь теплообміну й зменшення коефіцієнта тепловіддачі.

Однак ці конструкції ферментаторів є в цей час самими продуктивними в нашій промисловості. [16].

1.3.4 Флотація, сепарування, промивання, випарювання й сушіння для одержання протеїнів

Флотацію як один з ефективних методів збільшення концентрації одержуваного продукту широко використають у мікробіологічній промисловості. Дозволяє скоротити кількість сепараторів, знизити енерговитрати й стабілізувати безперервність технологічного процесів.

Найпоширенішим способом флотації є флотація диспергуванням повітрям, при якій повітря диспергуєтся в рідкому середовищі з утворенням пухирців діаметром більше 1 мм. Спосіб простий по апаратному оформленню, але вимагає більших витрат повітря. У цілому цей спосіб підходить для одержання протеїну.

Коефіцієнт флотації: відношення концентрованої біомаси в суспензії, що виходить із флотатора, до концентрації біомаси у вихідному середовищі. Він звичайно дорівнює 4 - 6. Збільшення його вказує на зниження продуктивності апарата. КПД флотатора збільшується зі зменшенням діаметра пухирців у повітрі.

У випадку одержання протеїну зручно використати пневматичного флотатора. Одноступінчастий пневматичний флотатор місткістю 100 м3 мають продуктивність 105 – 120 м3/ч. Час перебування середовища приблизно 10 хвилин. Обсяг займаний повітрям суспензії, 55 - 65 %.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6