Выпуск №19 (Ноябрь) / Научный журнал "Интернаука" (2018 год) / Публикации журналов Издательского дома "Интернаука" / Internauka

Анотація. Розглянуто схему виробництва глутамінової кислоти. У роботі представлено результати розрахунків, що проводились з метою визначення конструкції апарату для виготовлення глутамінової кислоти.

Ключові слова: глутамінова кислота, мікробіологічний синтез, конструкція апарата.

Аннотация. Рассмотрена схема производства глутаминовой кислоты. В работе представлены результаты расчетов, проводимых с целью определения конструкции аппарата для изготовления глутаминовой кислоты.

Ключевые слова: глутаминовая кислота, микробиологический синтез, конструкция аппарата.

Summary. The scheme of production of glutamic acid is considered. The paper presents the results of calculations conducted to determine construction of the apparatus for the manufacture of glutamic acid.

Key words: glutamic acid, microbiological synthesis, device design.

Постановка проблеми. Використання глутамінової кислоти, як харчової добавки та як лікарського засобу постійно зростає, це зумовлює потребу у покращенні виробництва, збільшені виходу речовини, якості вихідного продукту.

Мета статті. Головною метою цієї роботи є вибір ферментера призначеного для виробництва глутамінової кислоти.

Виклад основного матеріалу. Глутамінова кислота і глутамін знаходяться в центрі всіх видів обміну, поєднуючи білковий, вуглеводний і жировий обмін, а також обмін нуклеїнових кислот і біогенних амінів.

Останні наукові дослідження довели, що глутамінова кислота, хоча і відноситься до ряду замінних амінокислот, але для деяких тканин організму людини є незамінною і не може бути замінена ніякою іншою амінокислотою або речовиною. В організмі глутамінова кислота бере участь у значній кількості життєво важливих процесів і функцій [1].

Глутамінова кислота знаходить широке використання в медицині при ряді захворювань в неврологічної, терапевтичної, психіатричної та хірургічній клініці. Її препарати використовуються при лікуванні захворювань центральної нервової системи, для нормалізації секреції при гіперацидному гастритах і виразковій хворобі шлунка.

Сіль глутамінової кислоти, – глутамат натрію використовують у харчовій промисловості для покрашення смакових якостей продуктів. Глутамат натрію сприяє також тривалому збереженню смакових якостей консервованих продуктів [4].

Відомо декілька способів отримання глутамінової кислоти: гідроліз білків, синтез хімічний, ферментативний з α-кетоглутаровой кислоти і мікробіологічний.

Мікробіологічний синтез це найбільш перспективний і використовуваний спосіб виробництва глутамінової кислоти. Промислове значення для отримання глутамінової кислоти мають бактеріальні культури Micrococcus, Brevibacterium, Microbacterium, Corynebacterium.

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. Сировиною для отримання глутамінової кислоти крім вуглеводів, типу глюкози та сахарози можуть бути також різні вуглеводні, починаючи від природного газу (метан, етан) і кінчаючи н-парафинами або ароматичними сполуками (бензиловий спирт, пирокатехин та ін.). Можуть бути також використані газойль, оцтова, аміномасляна, фумарова кислоти і ряд інших продуктів [2].

Нижче на рис. 1 приведена технологічна схема отримання глутамінової кислоти [2].

Для отримання глутамінової кислоти з сховища меляси 1 відбирають деяку кількість меляси та направляють на реактор змішувач 2. В реакторі-змішувачі 2 поживне середовище перемішується з мінералами. Далі середовище подається до системи стерилізації. Ця система складається з стерилізаційною колоною 3 та витримувача 4. Після чого середовище охолоджують в теплообміннику 5.

Частина середовища з теплообміника потрапляє у інокулятор 6. Інша частина разом з посівним матеріалом з інокулятора надходить до ферментера 7. Повітря для аерації подається через індивідуальній повітряний фільтр 13.

З ферментера культуральна рідина потрапляє на центрифугу 14. В вакуум-випарному апараті 9 проводимо концентрування рідини.

В кристалізаторі 10 проводиться попередня кристалізація з підкисленням соляною кислотою. Далі в реакторі-змішувачі 12 глутамінову кислоту змішують з водою, щоб на кристалізаторі 15 отримати більший відсоток чистої глутамінової кислоти. На барабанному-вакуум фільтрі 14 відділяють надлишкову рідину. В сушарці 16 проводиться сушка глутамінової кислоти.

Одним з основних в апаратів представлених в технологічній схемі є ферментер. Для виробництва глутамінової кислоти в ферментер необхідно підводити повітря (джерело кисню).

Рис. 1. Принципова технологічна схема:

1 – сховище меляси; 2,12 – реактор-змішувач; 3 – стерилізаційна колона; 4 – витримувач; 5 – теплообмінник; 6 – посівний апарат; 7 – ферментер; 8 – центрифуга; 9 – випарний апарат; 11 – насос; 10,15 – кристалізатор; 13 – індивідуальний повітряний фільтр; 14 – барабанний-вакуум фільтр; 16 – сушарка

В роботі визначено можливості виробництва глутамінової кислоти у ферментерах двох типів –з перемішуючим пристроєм і барботером, та у барботажному ферментері. Прийнято об’єм ферментерів 16 м3 та продуктивність по глутаміновій кислоті 120 т/рік.

З рівняння біосинтезу глутамінової кислоти видно, що для утворення одного молю глютамінової кислоти необхідно 1,5 моля кисню. Теоретично необхідний потік кисню Gт для процесу біосинтезу дорівнює 0,0487 кг/с при продуктивності120 т/рік.

Схеми апаратів представлені на рис. 2.

Рис. 2. Схеми ферментерів:

1 – ферментер з мішалкою та барботером; 2 – барботажний ферментер

В об’ємі ферментеру циркулює газорідинна суміш, концентрація кисню в якій знижується до 2%. Тому активну область для його переносу представляє тільки зона барботажа, в якій створюється нова міжфазна поверхня за рахунок введення свіжого повітря [3].

Для знаходження потоку кисню було використано формулу, кг/с [3]:

де – поверхневий коефіцієнт масопереносу, м/с; – площа поверхні контакту фаз, м2 ; – концентрація кисню у рідкій фазі, кг/м3 ; – рівноважна концентрація кисню на межі розділу фаз, кг/м3 .

Поверхневий коефіцієнт масопереносу βр м/с для ферментера з мішалкою та барботером, [3]:

де – критерій Шервуда; – коефіцієнт молекулярної дифузії, м2/с; – середній діаметр газових бульбашок.

Критерій Шервуда знаходиться за формулою:

де n – частота обертів, с-1; dм – діаметр перемішуючого пристрою, м; dб – середній діаметр газових бульбашок, м; mр – динамічна в’язкість рідини, Па·с; Dр – коефіцієнт молекулярної дифузії, м2/с.

Для барботажного ферментера поверхневий коефіцієнт масопереносу βр м/с розраховуємо за формулою [3]:

де – приведена швидкість в апараті, м/с; – газовміст системи, м3/м3.

Для отримання глутамінової кислоти заданої продуктивності, необхідно щоб потік кисню GО2 був більше теоретично необхідного потоку Gт.

На рис. 3 представлені результати розрахунку кількості кисню, що передається від газової фази до рідини і може бути використаним для мікробіологічного утворення глутамінової кислоти

Рис. 3. Значення потоку кисню

Як видно з рис. 3 для виробництву глутамінової кислоти заданої продуктивності відповідає ферментер з перемішуючим пристроєм та барботером. Барботажний ферментер за аналогічних умов забезпечує розчинення кисню у рідкому середовищі у двічі менше, а отже очікувана продуктивність його також буде меншою.

Висновки і пропозиції. Проведено розрахунки потоку кисню необхідного для виробництва глутамінової кислоти в барботажному апараті та в апараті з перемішуючим пристроєм і барботером. Встановлено, що заданій продуктивності та об’єму апарату відповідає ферментер з перемішуючим пристроєм та барботером.

Література

[Електронний ресурс]. – Режим доступу: http://sportivnoepitanie.ru/biblioteka.aspx?a=glutaminovaja-kislota від 12.05.2018 р.
Мосичев М.С., Складнев А.А., Котов В.Б. Общая технологія микробиологических производств. - М.: Легкая и пищевая пром-сть. 1982.-264с.
В.Н.Соколов. Аппаратура микробиологической промышленности / В.Н.Соколов, М.А. Яблокова. – Л.: Машиностроение, 1988. – 278 с.
[Електронний ресурс]. – Режим доступу: