ВСТУП

В наш час біотехнологія набуває все більшого поширення як галузь науки, тому пошук нових технологій виробництв певних продуктів мікробного синтезу, обладнання промисловості, а також вдосконалення вже існуючого устаткування є одними з найпріоритетніших напрямків роботи.

Темою даного курсового проекту є виробництво пропіонової кислоти, відділення отримання посівного матеріалу та саме виробничий біосинтез в біореакторі з механічним перемішуванням.

Пропіо́нова кислота (також пропанова кислота, метилоцтова кислота, консервант E280; від грец. προτος — «перший», πιον — «жир») — їдка рідина без кольору з різким запахом, з хімічною формулою — С2Н5-СООН. У природі пропіонова кислота зустрічається у нафті, також може утворюватись внаслідок ферментації (пропіоновокисле бродіння). Бактерії роду Propionibacterium виробляють пропіонову кислоту, як кінцевий продукт свого анаеробного метаболізму. Ці бактерії часто зустрічаються в шлунку жуйних тварин. У промисловості її отримують окисленням вуглеводнів C4—C10 або пропіонового альдегіду, а також введенням карбонільної групи у молекулу етилену.

Кислоту та її похідні застосовують у виробництві гербіцидів (пропанол), лікарських речовин (ібупрофен), ароматичних речовин, розчинників (бутилпропіонату), поверхнево-активних речовин. Завдяки здатності стримувати розвиток бактерій та плісняви найчастіше її застосовують як консервант у продуктах для людини та тварин. У продуктах, споживаних людьми, особливо в хлібі і в інших хлібобулочних виробах, пропіонова кислота використовується як натрієва (пропіонат натрію) або кальцієва (пропіонат кальцію) солі.

Саме завдяки основним сферам застосування, фармацевтичній та харчовій, важливими є шляхи вдосконалення методів отримання цільової пропіонової кислоти та основного обладнання, що використовується при виробництві. В проектуванні біотехнологічних виробництв важливе значення має апаратурне оформлення технологічних процесів. Обладнання має багато спільного із обладнанням галузей хімічної та харчової промисловості. Найбільш відомими апаратами є змішувачі, випарні установки, теплообмінники, ферментери та ін.

Ферментери набули широкого розповсюдження в біотехнологічній, хімічній та інших галузях промисловості. Основним процесом, що проходить у даних апаратах є ферментація. Під ферментацією розуміють всю сукупність послідовних операцій від внесення в заздалегідь приготовлене і нагріте до необхідної температури середовище посівного матеріалу і до завершення процесу росту клітин або біосинтезу цільового продукту. По закінченні ферментації утворюється складна суміш, що називають культуральною рідиною.

Для синтезу цільового продукту – пропіонової кислоти, необхідно дотримуватись заздалегідь встановлених та визначених параметрів культивування та стандартів.

1. Викладення технологічного процесу

Для промислового отримання пропіонової кислоти використовують різні культури бактерій, наприклад Propionibacterium freudenreichii, Р. shermanii, Р. rubrum та ін. Це грампозитивні факультативно анаеробні бактерії, що не утворюють спори. Бактерії цієї групи є активними продуцентами вітаміну В₁₂.

Пропіонову кислоту отримують в анаеробних умовах методом глибинного культивування. Використовують середовище, що містить 2 % глюкози і джерело органічного азоту, як, наприклад , дріжджовий екстракт, а також солі молочної кислоти. Процес йде в нейтральному середовищі (pH 6,8-7,2), при температурі 30 °С, триває 7-12 діб. В процесі бродіння накопичується пропіонова, оцтова кислоти (5:1) і виділяється вуглекислий газ. Приблизно 75 % цукру споживається на синтез кислот, а 20 % - на утворення вуглекислого газу.

Основною стадією технологічного процесу виробництва є культивування мікроорганізмів (Рисунок 1.1). У період запуску виробництва початкова стадія складається з підготовки вихідного посівного матеріалу і перемішування його в промислових ферментерах з наступним відділенням утворених мікробних мас від рідкої фази середовища. Чисту культуру посівного матеріалу подають в ферментер для постійного оновлення культури. Тому незалежно від способу культивування та періоду роботи заводу, процес вирощування мікроорганізмів має 2 ступені:

1 - отримання чистої культури посівного матеріалу;

2 - вирощування мікробних мас у промислових ферментерах.

Рис. 1.1 Принципова технологічна схема культивування мікроорганізмів глибинним методом

1 - циклон; 2, 4 - трубоконвейери; 3 - бункера; 5 - автоматичні ваги; 6 - шнек; 7 - норія; 8 - змішувач; 9 - ємність; 10 , 30 - насоси; II - головний фільтр; 12 - стерилізатор для піногасника; 13, 15, 17, 20. 26 - індивідуальні фільтри; 14 - мірник; 16 , 19 - інокулятори; 18 , 21 , 27 - фільтри для очищення повітря; 22 - нагрівач; 23 - спіральний теплообмінник; 24, 28 - охолоджувачі; 25 - ферментер; 29 - збірник культуральної рідини.

Технологічна схема глибинного культивування. Технологічні схеми глибинного культивування аеробних та анаеробних мікроорганізмів майже не відрізняються одна від одної, за виключенням того, що у схемах культивування анаеробних мікроорганізмів виключається стадія підготовки повітря та використовуються ферментери без керуючих та перемішуючих пристроїв.

На рисунку 1.1 приведена технологічна схема культивування мікроорганізмів глибинним методом. Сухі компоненти середовища подаються в складське приміщення заводу по пневмотранспорту. З циклону 1 за допомогою трубоконвеєра 2 вони потрапляють до бункера 3, а з них по трубоконвеєру 4 – на автоматичні ваги 5. Якщо потрібно вводити у состав середовища солі або інші компоненти у невеликій кількості, то вони поступають у шнек 6, що транспортує сипучі матеріали в норію 7. З норії компоненти середовища потрапляють у змішувач 8 для приготування продовольчого живильного середовища. Сюди ж поступають вода й рідкі компоненти через відповідні дозуючі та мірні пристрої.

Для розчинення солей і клейстеризації крохмалю середовище підігрівають. Підготовлена підігріте середовище за допомогою насосу 30 потрапляє у нагрівач 22 системи безперервної стерилізації живильного середовища, а потім подається у спіральний теплообмінник 23 для витримування при температурі 140 ºС. Стерильне живильне середовище охолоджується у теплообміннику 24 і направляється у чистий стерильний ферментатор 25, котрий заповнюють на 65-75 % в залежності від ступеню піноутворення при рості культури.

Посівний матеріал отримують у посівному відділенні. Середовище для нього готують у спеціальній невеликій ємкості 9, нагрівають, перемішують і насосом 10 направляють у інокулятори першої 16 та другого 19 ступеню, де проводяться стерилізація, охолодження та засів середовища. Суспензія вихідної культури пересівається спочатку у колби на качалці, потім подається в інокулятор першої ступені 16, виращується в ньому і повністю передавлюється в інокулятор другого ступеню 19 зі стерильним охолодженим середовищем. Вирощений посівний матеріал із інокулятора 19 передається у ферментер 25. У процесі культивування проводиться піногасіння. Піногасник стерилізують у спеціальному апараті періодичної дії 12, потім охолоджується і потрапляє через мірник 14 у ферментатор. У процесі культивування в інокуляторах і ферментаторі культура, що росте аерується кондиціонованим стерильним повітрям. Стиснене у компресорі і нагріте від 80 до 220 ºС повітря після видалення конденсійної вологи потрапляє в головний фільтр 11, заповнений скловатою. Далі очищене повітря потрапляє у індивідуальні фільтри тонкої очистки 13, 15, 17, 20, 26 і подається для охолодження піногасника і аерування культури, що росте в інокуляторах 16, 19 і ферментері 25. Перед викидом у атмосферу повітря, що виходить очищається у фільтрах 18, 21 та 27.

Готова культуральна рідина насосом 30 або самотоком при перемішуванні потрапляє у теплообмінник 28 для охолодження перед потраплянням у збірник 29. Необхідність охолодження визвана тим, що відразу всю культуральну рідину обпрацювати неможливо, а при тривалому зберіганні у збірнику може відбутися інактивація ферментів. Зі збірника 29 охолоджена рідина по мірі необхідності подається на фільтровану установку.