Технологическое оборудование предприятий биопроизводств

Требования, предъявляемые к качеству продуктов, выпускаемых предприятиями биопромышленности, определяют не толь­ко тип оборудования, который выполняет ту или иную операцию, но и условия, принципы и методы его работы, а также обусловлива­ют наличие различных типов и марок машин и аппаратов, приме­няемых в промышленности.

Вместе с тем существующее оборудование, несмотря на различ­ное назначение и разнообразие конструкций, имеет много общего как в машинно-аппаратурных схемах, так и в методах его расчета. Это позволяет дать общие сведения о машинах и аппаратах пред­приятий промышленности, зная их конструкцию и функциональное назначение.

Практически каждый вид оборудования состоит из питательного устройства, исполнительных механизмов с рабочими органами, приводного механизма и устройств управления и регулирования.

Питательное устройство кроме подачи сырья может осуществ­лять его дозировку по массе или объему. Исполнительный механизм передает движение рабочим органам оборудования. Рабочие органы непосредственно воздействуют на обрабатываемый продукт. При­меняемое оборудование обеспечено устройствами для защиты и блокировки, которые предотвращают неправильное или несвоевре­менное включение или отключение приводных устройств.

В результате проведения структурного анализа оборудования можно построить его технологическую схему, определить динами­ческие условия работы механизмов, узлов и деталей и на этой осно­ве осуществить расчет и конструирование.

1.1. Классификация оборудования в биотехнологии

В промышленности применяются разнообразные ви­ды оборудования, которые классифицируются по следующим при­знакам: характеру воздействия на обрабатываемый продукт; струк­туре рабочего цикла; степени механизации и автоматизации; прин­ципу сочетания в производственном потоке; функциональному признаку. Кроме перечисленных признаков каждый вид оборудова­ния может иметь специфические признаки.

По характеру воздействия на обрабатываемый продукт разли­чают оборудование, в котором продукт подвергается механическо­му воздействию (свойства продукта не изменяются, а изменяются его форма и размеры), и оборудование, в котором продукт подверга­ется физико-химическим, биохимическим, тепловым и другим воз­действиям (физические, химические свойства и агрегатное состоя­ние продукта меняются). Иногда в одном виде оборудования совме­щаются механические, физико-химические, тепловые и другие про­цессы.

По структуре рабочего цикла оборудование делится на непре­рывное и периодического действия.

По степени механизации и автоматизации оборудование быва­ет неавтоматическое, полуавтоматическое и автоматическое. По мере развития и совершенствования промышленности оборудование последовательно заменяется на полуавтоматическое и автоматическое.

По принципу сочетания в производственном потоке оборудова­ние классифицируется на отдельные аппараты, агрегаты или комп­лексы, комбинированные и автоматические системы. Более совер­шенными являются комбинированные виды оборудования, выпол­няющие определенный законченный цикл операций и процессов.

По функциональному признаку оборудование делится на группы, объединяющие принципиально одинаковые по характеру воздействия на продукт и конструктивному решению аппараты.

В частности, технологическое оборудование в биологической промышлен­ности можно объединить в следующие группы:

1 — оборудование для подготовки сырья к переработке:

1.1 — для мойки и замачивания;

1.2 — для очистки и сортировки;

1.3 — для хранения и транспортирования;

2 — оборудование для механической переработки разделением:

2.1 — для дробления и измельчения;

2.2 — для выделения из жидких гетерогенных систем взве­шенных твердых и коллоидных частиц;

2.3 — для отделения жидкой фракции;

3 — оборудование для механической переработки соединением:

3.1 — для перемешивания с целью получения сыпучих, жид­ких и пастообразных продуктов;

4 — оборудование для проведения тепло- и массообменных про­цессов:

4.1 — для проведения тепловых процессов;

4.2 — для проведения массообменных процессов;

4.3 — для сушки и обезвоживания;

4.4 — для разваривания и варки;

4.5 — для охлаждения и замораживания;

5 — оборудование для проведения микробиологических процес­сов:

5.1 — для солодоращения;

5.2 — для получения биомассы;

5.3 — для получения вторичных метаболитов;

6 — оборудование для выполнения финишных операций:

6.1 — для санитарной обработки тары;

6.2 — для дозирования и укупоривания;

6.3 — для инспекции и этикетировки;

6.4. — для извлечения тары и укладки ее в ящики.

Конечные продукты микробиологической технологии можно условно разделить на две большие группы: биомасса (дрожжи, бактерии) и синтезируемые микроорганизмами метаболиты (аминокислоты, ферменты, антибиотики и др.).

При получении биомассы, например, кормовых дрожжей, готовый продукт представляет собой сухую массу клеток микро­организмов, добавляемую в корм сельскохозяйственных живот­ных. Необходимо отметить, что разнообразие углеродсодержащих субстратов, применяемых для получения белковой биомассы, практически не требует изменения общей принципиальной тех­нологической схемы микробиологического производства, пред­ставленной на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Принципиальная технологическая схема производства биомассы

При получении метаболитов для нужд сельского хозяйства, например кормовых антибиотиков и витаминных препаратов, целевые продукты зачастую не выделяют в чистом виде, а вы­пускают в форме жидких или сухих концентратов, которые кроме целевых компонентов содержат в общем случае другие мета­болиты, биомассу продуцирующих микроорганизмов, остатки питательных веществ и вспомогательных материалов. Очень распространена концентратная товарная форма и среди фермент­ных препаратов. Технологические схемы таких производств отличаются от приведенных на рис. 1.1 отсутствием стадии флота­ционного сгущения биомассы, а в случае получения продуктов в жидком виде — отсутствием стадии сушки.

Для ряда микробиологических производств требуется строгое соблюдение их стерильности, поскольку проникновение в аппараты «дикой» бактериальной и дрожжевой микрофлоры вызывает нежелательные конкурентные явления в развитии полезного и посторонних видов микроорганизмов. Нарушение стерильности может привести к прямому экономическому ущербу за счет сни­жения качественных и количественных показателей всего техно­логического процесса и его целевого продукта. Поэтому харак­терной особенностью производств аминокислот, ферментов, антибиотиков является стерилизация оборудования и фермента­ционных сред, очистка технологического воздуха от посторонней микрофлоры.

Условия культивирования микроорганизмов, необходимые для накопления биомассы или получения метаболитов, различны. Однако, несмотря на все различия, присутствие живых объектов в системе накладывает на весь технологический процесс получе­ния целевых продуктов и его аппаратурное оформление общие характерные требования.

Основной стадией любого микробиологического производства, определяющей его технико-экономические показатели, является стадия биохимического превращения — ферментации, осущест­вляемая в различных по конструкции и принципу действия аппа­ратах, называемых ферментаторами.

Основу процесса ферментации составляет обмен веществ, т. е. потребление биомассой питательных компонентов, переработка их в клетках и выделение в среду продуктов метаболизма. В ре­зультате обмена веществ, сопровождаемого процессами передачи энергии, происходит синтез клеточной массы, рост и развитие микробной популяции в целом, что приводит к быстрому увели­чению биомассы микроорганизмов. Таким образом, процесс микробиологического синтеза в аппарате — это определенным образом организованное развитие популяции микроорганизмов во взаимодействии с окружающей средой, содержащей необхо­димые для роста клеток питательные вещества.

Характерной особенностью микробных популяций является многочисленность составляющих их особей — клеток, имеющих малый размер (от 0,5 до 20 мкм). При этом основные закономер­ности развития популяции микроорганизмов, как правило, не зависят от вариаций индивидуальных, внутриклеточных процес­сов и характеризуются обобщенными показателями.

Рост и развитие клеток в процессе их культивирования проис­ходят под воздействием большого числа факторов, определяемых условиями окружающей среды. Главными из этих факторов являются подвод к клеткам питательных веществ, снабжение кислородом, поддержание оптимальных физико-химических усло­вий (температура, давление, рН).