6. Материальный баланс

Исходные данные для продуктового расчета и составления материального баланса Протосубтилина Г20Х:

Наименования данных для расчета матбаланса	Показатели
1.Объем среды для ферментации	1 м3
2. Объем посевного материала	5%
3. Содержание целевого продукта в КЖ - Активность фермента	160 ед/см3
4. Потери: 4.1. Уносом КЖ за счёт ферментации	5 %
4.2 на стадии фильтрации: - потери по объему - потери от инактивации	8,5% 5 %
4.3 на стадии ультрафильтрации: - степень концентрирования - потери с ультрафильтратом - потери по массе	10 раз 5,3% 4,9%
4.4 на стадии стерилизующей фильтрации: - потери по объему - потери от инактивации	6,2% 3,4%
4.5 на стадии жидкостной стандартизации: - потери от инактивации	2,6%
4.6 на стадии сушки: - потери по массе - потери от инактивации	1,8% 1,5%
4.7 на стадии просеивания продукта: - потери по массе	1%
4.8 на стадии сухой стандартизации: - потери по массе	1,3%
4.9 на стадии упаковки - потери по массе	2,4%
5. Содержание сухих веществ 5.1 в культуральной жидкости	9,8%
5.2 в фильтрате	6,6%
5.3 в биомассе	15%
5.4 в ультраконцентрате	7,5%
5.5 в стерильном концентрате	7,3%
5.6 в стандартизованном концентрате	12%
5.7 в сухом препарате	92%
6. Стандартная активность препарата	1500 ед/см3
7. Вода для промыва биомассы (гидромодуль)	0,5 объема на 1 объем КЖ

1. Количество ферментационной среды с учетом потерь (5%) за счет уноса среды с отходящими от ферментера газами.

Количество готовой культуральной жидкости (КЖ) –(G) составит – 1 м³.

Потери с уносом –5%.

Количество ферментационной среды, поступившей в ферментер составит:

G₁=G∙1,05=1∙1,05=1,05 м³.

2. Количество посевного материала для засева ферментационной среды (посевная доза –5% по отношению к G₁) составляет:

G₄=G₁∙0,05=1,05∙0,05=0,0525 м³

Потери при выращивании посевного материала - 5%

Количество готового посевного материала составит:

G₅=G₄∙0,95=0,0525∙0,95=0,0498 м³

3. Количество среды, поступившей в ферментер(среда для ферментации):

G₈=G₁+G₅=1,05+0,0498=1,0998 1,1 м³.

4. Количество культуральной жидкости (КЖ), полученной после ферментации и поступившей на стадии обработки (выход с учетом уноса с отходящими газами – 95%):

G₁₀=G₈∙0,95 = 1,1∙0,95=1,045м³=1,045∙10³ дм³

1. Потери КЖ с отходящими газами (5%):

G₁₁=G₈∙0,05 =1,1·0,05=0,055 м³.

2. Активность протосубтилина в культуральной жидкости:

А₁=160 ед/см³.

3. Общая активность:

А₂=А₁∙G₁₀=160·1,045·10⁶ =167,2·10⁶ ед.

4. Количество абсолютно сухих веществ в культуральной жидкости X=9,8 %:

G₁₂=G₁₀∙X/100=1,045∙10³ 9,8/100=102,41 кг.

5. Фильтрация культуральной жидкости:

   1. Расход воды на промывку осадка при гидромодуле 1:0,5:

G₁₅=G₁₀∙0,5=1,045·0,5=0,5225 м³.

2. Количество полученного фильтрата с учетом 8,5% потерь на фильтрации (механические потери):

G₁₆=(G₁₀+G₁₅) ∙ (1-0,085)=(1,045+0,522) ∙(1-0,085)=1,433 м³.

3. Активность фильтрата с учетом потерь от инактивации (5%):

A₃= (А₂ ∙(1-0,05))/( G₁₀+G₁₅)= (167,2·10⁶ (1-0,05))/(1,045∙10⁶+0,522∙10⁶)=

=101,3 ед/см³

4. Общая активность фермента в фильтрате:

А₄=G₁₆∙A₃=1,433∙10⁶∙101,3=145,2∙10⁶ ед.

Потери активности на стадии составят:

a₁= A₂-A₄=167,2·10⁶– 145,2∙10⁶ =22∙10⁶ ед, из них

- потери активности с биомассой (а₎

a₂ = G₁₈∙0,85∙А₃=110 ∙0,85·101,3 =9471,5 ед = 9,471∙10³ ед.

- потери от инактивации: а₃= а₁-а₂=22∙10⁶ -0,009·10⁶=21,991·10⁶ед

5. Содержание абсолютно сухих веществ в фильтрате – Х=6%:

G₂₀=G₁₆∙X/100=1,433∙10³∙6/100=85,9 кг

6. Количество абсолютно сухого осадка, отделенного при фильтрации:

G₁₇=G₁₂-G₂₀=102,41-85,9=16,51 кг.

При влажности осадка 85%, его количество составляет:

G₁₈= G₁₇/(1-0,85)=16,51/0,15=110 кг или

G₁₉= G₁₂/1,2= 110/1,2=91,7 дм³, где 1,2-плотность осадка.

6. Концентрирование ферментного раствора методом ультрафильтрации:

   1. Количество концентрата при степени концентрирования – 10;

G₂₁=G₁₆/10=1,433∙10³/10=143,3дм³=0,143∙10³ дм³=0,143∙10⁶ см³

2. Активность фермента в ультрафильтрате с учетом 5,3% потерь:

A₅=A₃∙G₁₆∙(1-0,053)/G₂₁=101,3∙1,433 ∙10⁶∙0,947/0,1433∙10⁶=959,311 ед/см³.

3. Общая активность концентрата:

A₆=A₅∙G₂₁=959,311 ∙0,143∙10⁶=137,2∙10⁶ ед.

4. Количество абсолютно сухих веществ в концентрате (7,5%):

G₂₂=G₂₁∙0,075=143∙0,075=10,725 кг.

5. Количество ультрафильтрата:

G₂₃=G₁₆-G₂₁=1433-143=1290 дм³.

6. Количество абсолютно сухих веществ в ультрафильтрате:

G₂₄=G₂₀-G₂₂=85,9 -10,725=75,175 кг.

7. Общая активность ультрафильтрата (потери с ультрофильтратом –4,9% от общей активности фильтрата):

A₇=A₄∙0,049=145,2∙10⁶ ∙0,049=7,1∙10⁶ ед.

Потери от инактивации –

a₄=A₄-(A₆+A₇)=145,2 ∙10⁶-(137,2∙10⁶ +7,1∙10⁶)=0,9∙10⁶ ед.

8. Активность ультрафильтрата:

a₅=A₇/G₂₃=(7,1∙10⁶)/(1,29∙10⁶)=5,5 ед/см³.

7. Стерилизующая фильтрация концентрата.

   1. Количество стерильного концентрата с учетом потерь –6,2%:

G₂₅=G₂₁∙(1-0,062)=143 ∙(1-0,062)=134,134 дм³.

2. Активность стерильного концентрата с учетом инактивации 3,4% от активности концентрата:

A₈=A₆∙(1-0,034)/G₂₅=137,2∙10⁶∙(1-0,034)/134,134∙10³=988 ед/см³.

3. Общая ферментативная активность в стерильном концентрате:

A₉=A₈∙G₂₅= 988∙134,1343∙10³= 132,5 ∙10⁶ ед.

4. Количество абсолютно сухих веществ в стерильном концентрате (Х=7,3%):

G₂₉=G₂₅∙0,073=134,134 ∙0,073=9,79 кг.

5. Количество осадка, полученного при стерилизующей фильтрации (удаляется 10% от асв, содержащихся в концентрате):

G₂₆=G₂₂∙ Х%=10,725∙ 0,1=1,0725 кг.

6. Количество влажного осадка ( 85%), полученного после стерилизующей фильтрации:

G₂₇=G₂₆/(1-0,85)=1,0725/0,15=7,15 кг

Или G₂₈=G₂₇/1,1= 7,15/1,1 = 6,5 кг ,где 1,1 – плотность осадка

Потери активности с осадком:

a₇=G₂₇∙0,85∙A₈=7,15∙10³∙0,85∙ 988∙10³=1,16∙10⁶ ед.

8. Жидкостная стандартизация стерильного концентрата

   1. Жидкостная стандартизация проводится поваренной солью,до содержания абсолютно сухих веществ в концентрате до 10-12% и получения базового препарата. ( берем 12%)

   2. Количество наполнителя для жидкостной стандартизации:

G₃₀=G₂₅∙0,12-G₂₉= 134,134·0,12-9,79=6,3 кг.

3. Количество абсолютно сухих веществ в стерильном концентрате с наполнителем:

G₃₁=G₂₉+G₃₀=9,79+6,3=16,09 кг.

4. Общая активность стерильного концентрата с учетом потерь –2,6%:

A₁₁=A₉∙(1-0,026)= 132.5 ∙10⁶ ∙(1-0,026)=129∙10⁶ ед.

Потери активности:

a₇=A₉-A₁₁= 132,5 ∙10⁶ -129∙10⁶= 3,5∙10⁶ ед.

5. Количество стандартизированного препарата с учетом увеличения объема от внесения наполнителя – 0,3%:

G₃₂=G₂₅∙(1+0,003)= 134,134∙1,003=134,5 дм³.

6. Активность стерильного концентрата:

A₁₂=A₁₁/G₃₂= 132,4∙10⁶/( 134,5∙10³)=959 ед/см³.

9. Сушка концентрата

   1. Количество высушенного препарата с учетом 1,8% потерь с отходящим воздухом (W=8%):

G₃₃=(G₃₁∙(1-0,018))/(1-0,08)=( 16,09∙(1-0,018))/0,92=17,17 кг

2. Активность препарата с учетом 1,5% потерь от инактивации:

A₁₃=(A₁₁∙(1-0,015))/G₃₃=(129∙10⁶∙(1-0,015))/(17,17 ∙10³)= 7400 ед/г.

3. Содержание абсолютно сухого вещества в препарате:

G₃₄=G₃₃∙0,92=17,17∙0,92=15,79 кг.

4. Потери абсолютно сухих веществ с учетом влажности составят:

G₃₅=G₃₁-G₃₄= 16,09-15,79=0,3 кг.

5. Общая ферментативная активность сухого препарата:

A₁₄=A₁₃∙G₃₃=7.4∙10³ ∙17,17 ·10³ =127∙10⁶ ед.

10. Просеивание сухого препарата (потери 1 %).

10.1. Количество просеянного препарата :

G₃₆= G₃₃∙(1-0,01)=17,17 ∙0,99=16,99 кг.

В том числе а.с.в.:

G₃₇= G₃₆∙0,98 = 16,99∙0,98 = 16,65 кг

10.2. Количество отходов сухого препарата :

G₃₈= G₃₃ - G₃₆= 17,17 – 16,99 = 0,18 кг

10.3. Общая активность просеянного препарата :

А₁₅ = G₃₆∙ А₁₃ = 16,99∙7,4∙10³ = 125∙10⁶ ед

11. Стандартизация сухого препарата

    1. Активность стандартного препарата в соответствии с ТУ:

A₁₆=1500 ед/г

2. Количество наполнителя для стандартизации:

G₃₉=G₃₆∙(A₁₃-A₁₆)/A₁₆=16,99∙(7400 -1500)/1500=66,82 кг.

3. Количество вещества, поступившего на стандартизацию:

G₄₀=G₃₆+G₃₉=16,99+ 66.8= 83,81 кг.

4. Количество препарата, после стандартизации при учете потерь – 1,3%:

G₄₁=G₄₀∙(1-0,013)= 83,81∙0,987=82,72 кг

В том числе а.с.в.

G₄₁ ∙(1- W) = 82,72 ∙(1-0.08) = 76,1 кг

5. Общая активность в стандартизированном препарате:

A₁₇=A₁₆∙G₄₁= 1500∙ 82,72= 124,153∙10³ ед.

6. Потери количества препарата при стандартизации:

G₄₂=G₄₀-G₄₁= 83,81- 82,72= 1,09 кг

7. Потери активности на стадии стандартизации:

a₉=G₄₂∙A₁₆= 1,09∙10³∙1500= 1,635∙10⁶ ед

12. Фасовка, упаковка, маркировка

    1. Препарат расфасовывают в полиэтиленовые мешки и затем в бумажные мешки по 100 г. Потери на стадии упаковки составляют 2,4%.

Количество упакованного препарата :

G₄₃=G₄₁∙(1-0,024)= 82,72∙(1-0,024)= 80,73 кг.

2. Механические потери:

G₄₄=G₄₁-G₄₃= 82,72- 80,73= 1,99 кг.

3. Общая ферментативная активность готового препарата:

A₁₈=A₁₆∙G₄₃=1500∙ 80,73∙10³= 121,09∙10⁶ ед.

4. Потери активности на стадии:

a₁₀= A₁₇-A₁₈= 124∙10⁶- 121,09∙10⁶= 3∙10⁶ ед.

Таким образом, выход препарата Протосубтилин Г20Х с активностью 1500 ед/г с 1 м³ культуральной жидкости составляет 80,73.

Общий выход по активности:

G₄₅=(A₁₈∙100%)/A₂=( 121.09∙10⁶∙100%)/161,92·10⁶ =74,7%.

Материальный баланс получения протосубтилина Г20х

(расчет на 1 м³ культуральной жидкости)

Израсходовано					Получено					Выход фермента, %
Наименование сырья и продуктов	Колво, кг, дм3	Содержание а.с.в., кг	Активность, ед/г, ед/см3	Общая активность, ед	Наименование конечного продукта, отходов и потерь	Колво, кг, дм3	Активность, ед/г, ед/см3	Общая активность, ед	Содержание а.с.в., кг		На стадии	К исход.
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10		11	12
Стадия ТП –Выращивание продуцента в ферментере
питательная ферментационная среда посевной материал	1050 49,8				Культуральная жидкость, Потери с уносом Расход сухих веществ на энергию биосинтеза	1045 55	160	167,2*106	102,41
ИТОГО: 1100 1100
Стадия ТП – Фильтрация культуральной жидкости
культуральная жидкость вода для промыва осадка	1045 522,5	102,41	160	167,2*106	Фильтрат КЖ Биомасса (W=85%) Потери от инактивации и механические	1433 134	101,3	145,2*106 22*106	85,9
ИТОГО: 1567 102,41 167,2*106 1567 101,3 167,2*106 85,9 100
Стадия ТП –Концентрирование ферментного раствора
Фильтрат КЖ	1433	85,9	101,3	145,2*106	Ультраконцентрат Ультрафильтрат Потери от инактивции	143,3 1290	959,3 42	137,2*106 6,9*106	10,725 75,1
ИТОГО: 1433 85,9 101,3 145,2*106 1433 101.3 145,2*106 85,9
Стадия ТП – Стерилизующая фильтрация концентрата
ультраконцентрат	143,3	10,725	959	137,2*106	Стерильный концентрат Потери от инактивации Осадок Потери от инактивации с осадком Влажный осадок	134,134 7,15	988	132,5*106 6,16*106	9,79 1,07
ИТОГО: 143,3 10,725 959 137,2*106 143,3 138,6*106 10,725
Стадия ТП – Жидкостная стандартизация стерильного концентрата
Стерильный концентрат Наполнитель	134,134	9,79 6,3	988	132,5*106	Стандартизованный стерильный концентрат Потери	134,5	959	129*106 3,5*106	16,09
ИТОГО: 134,134 16,09 988 132,5*106 134,5 959 132,5 16,09
Стадия ТП Сушка концентрата
Стандартизованный стерильный концентрат	134,5	16,09	959	129*106	Высушенный препарат Сухой препарат после просеивания Потери на стадии	17,17 16,99 0,18	7400	127*106 2*106	15,79 0,3
ИТОГО: 134,5 16,09 959 129*106 34,34 7400 129*106 16,09
Стадия ТП – Стандартизация сухого препарата
Высушенный препарат Наполнитель потери	16,99 66,82	15,79	7400	127 *106	Препарат после стандартизации потери	82,72 1,09	1500	124,153*106 1,635*106	76,1
ИТОГО: 83,81 15,77 7223 127*106 82,54 1500 123,82*106
Стадия ТП – Фасовка, упаковка, маркировка
Препарат после стандартизации	82,72		1500	124*106	Упакованный препарат Потери(1%) Механические потери	80,73 1,99	1500	121*106 3* 106
ИТОГО: 82,72 1500 124*106 82,72 1500 124*106