Драгузя К. В., Зубрій О. Г. Визначення режиму перемішування та типу перемішуючого пристрою ферментера для виробництва бактеріоцинів // Міжнародний науковий журнал "Інтернаука". — 2019. — №6.
Технічні науки
УДК 663.03
Драгузя Костянтин Васильович
студент
Національного технічного університету України
«Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського»
Драгузя Константин Васильевич
студент
Национального технического университета Украины
«Киевский политехнический институт имени Игоря Сикорского»
Drahuzia Kostya
Student of the
National Technical University of Ukraine
"Igor Sikorskiy Kyiv Polytechnic Institute"
Зубрій Олег Григорович
кандидат технічних наук, доцент кафедри
машин та апаратів хімічних і нафтопереробних виробництв
Національний технічний університет України
«Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського»
Зубрий Олег Григорьевич
кандидат технических наук, доцент кафедры
машин и аппаратов химических и нефтеперерабатывающих производств
Национальный технический университет Украины
«Киевский политехнический институт имени Игоря Сикорского»
Zubriy Oleg
Candidate of Engineering Science, Associate Professor of the Department of
Machines and Apparatus for Chemical and Oil Refining Production,
National Technical University of Ukraine
"Igor Sikorskiy Kyiv Polytechnic Institute"
ВИЗНАЧЕННЯ РЕЖИМУ ПЕРЕМІШУВАННЯ ТА ТИПУ ПЕРЕМІШУЮЧОГО ПРИСТРОЮ ФЕРМЕНТЕРА ДЛЯ ВИРОБНИЦТВА БАКТЕРІОЦИНІВ
ОПРЕДЕЛЕНИЕ РЕЖИМА ПЕРЕМЕШИВАНИЯ И ТИПА ПЕРЕМЕШИВАЮЩЕГО УСТРОЙСТВА ФЕРМЕНТЕРА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА БАКТЕРИОЦИНОВ
DETERMINATION OF THE MODE OF MIXING AND THE TYPE OF MIXING DEVICE FOR THE PRODUCTION OF BACTERIOCINES
Анотація. Розглянуто схему виробництва бактеріоцинів. У роботі представлені результати розрахунків, що проводились для визначення режиму перемішування та типу перемішуючого пристрою ферментера, призначеного для виробництва бактеріоцинів.
Ключові слова: бактеріоцин, технологічна схема, перемішуючий пристрій.
Аннотация. Рассмотрена схема производства бактериоцинов. В работе представлены результаты расчетов, проводимых для определения режима перемешивания и типа перемешивающего устройства, предназначенного для производства бактериоцинов.
Ключевые слова: бактериоцин, технологическая схема, перемешивающее устройство.
Summary. The scheme of production of bacteriocins is considered. The scheme of production of bacteriocins is considered. The paper presents the results of calculations carried out to determine the mode of mixing and the type of mixing device intended for the production of bacteriocins.
Key words: bacteriocin, technology system, mixing device.
Постановка проблеми. Бактеріоцини – велика родина пептидів, які мають антимікробну активність, що діє проти інших штамів того ж виду або близькоспоріднених видів. Вважається, що бактеріоцини, які продукуються молочнокислими бактеріями, можуть використовуватись як консерванти в харчовій промисловості. Найбільш відомий і вивчений бактеріоцин є нізин. Тому роботу зроблено на прикладі технології його виробництва.
Мета статті. Метою роботи є визначення режиму перемішування та типу перемішуючого пристрою, призначеного для перемішування рідкого середовища для виробництва бактеріоцинів.
Виклад основного матеріалу. Нізин – природний антимікробний препарат поліпептидного типу, аероб, який відноситься до біологічних інгібіторів і продукується молочнокислими бактеріями Lactococcus lactis.
Вченими доведена здатність даної речовини до повного розщеплення і засвоєння організмом людини. Нізин швидко руйнується в шлунково-кишковому тракті і не має негативного впливу на мікрофлору кишечника. Нізин пригнічує розвиток ряду грампозитивних бактерій: бацил, стрептококів, сарцин, знижує термостійкість багатьох спорових форм, які викликають псування харчових продуктів при їх зберіганні. Застосування нізину в процесах консервування харчових продуктів дозволяє зменшити час теплового впливу або температуру термообробки, що дає змогу зберегти значну кількість корисних речовин в продуктах.
Технологія виробництва цього бактеріоцину передбачає застосування глибинного методу культивування мікроорганізмів, при якому саме інтенсивність перемішування під час всього процесу культивування визначає антимікробну активність бактеріоцинів.
На рисунку 1 зображена принципова бактеріоцинів [2].
Процес приготування посівного матеріалу полягає в активації ліофільно висушених штамів і їх культивуванні на щільних поживних середовищах протягом 18-ти годин при температурі 28±1 °C.
В якості компонентів поживного середовища використовують розсіл після сушки молочної сироватки, молочну сироватку та ополосок, одержуваний після миття технологічного обладнання на молочних підприємствах.
Приготоване в реакторі-змішувачі 1 поживне середовище стерилізують і охолоджують до температури 28±1 °C. Посівну культуру стерильно пересівають на рідке поживне середовище і культивують протягом 10-ти годин в ферментері 10 при температурі 28±1 °C.
Отриману культуральну рідину сепарують для відділення клітинної біомаси. Для очищення від залишкових клітин культур проводять фільтрування надосадової рідини на мембранних фільтрах 9. Виділення і очищення бактеріоцинів із культуральної рідини проводять висолюванням в прохолодному приміщенні при 7±2 °C, додаючи до фільтрату сульфат амонію ((NH4)2SO4), і відстоюють протягом 2-х годин. Осад, що сформувався осаджують в центрифузі 11.
Для отримання сухого препарату отримана суміш подається на сушіння в сушарку 12. Процес сушіння відбувається до вмісту вологи 4-6%.
Отриманий препарат бактеріоцинів надалі використовують в харчовій промисловості як консервант.
Рис. 1. Принципова технологічна схема виробництва бактеріоцинів:
1 – змішувач; 2 – стерилізаційна колона; 3 – витримувач; 4 – теплообмінник; 5 – біореактор; 6 – ферментер; 7 – реактор; 8 – сепаратор 9 – фільтр; 10 – екстрактор; 11 – центрифуга; 12 – розпилююча сушарка; 13 – збірник продукту; 14 – збірник рідкої фракції; 15 – збірник клітинної маси
Перемішування в апаратах здійснюється мішалками, більшість з яких являють собою маточину, до якої кріпляться лопаті (зварюванням або різьбовими кріпильними виробами). Основними факторами, що характеризують роботу мішалок, є витрати потужності та ефективність перемішування [3].
Оптимальні умови інтенсивного перемішування при глибиному вирощуванні мікроорганізмів забезпечать турбінні та гвинтові мішалки, тому інші типи мішалок до розрахунку не було представлено.
Нижче розглянуто розрахунок швидкості обертання перемішуючих пристроїв з умов отримання суспензії, витрат потужності та забезпечення процесу теплообміну.
Планується використати апарат з еліптичним днищем без внутрішніх пристроїв об’ємом 6,3 м3 для перемішування суспензії. Діаметр корпусу апарата D=1,6м, діаметр мішалки d=0,4м, висота рідини Hр=2,33м, коефіцієнт динамічної в’язкості суміші μ=1,024∙10-3Па∙с, густина суміші ρ=1024кг/м3, густина твердої фази ρтв=1233кг/м3, розмір твердих частинок dч=1,1∙10-4м.
Для визначення необхідних значень критерію Reц, що характеризує режим руху середовища, яке перемішується, та значень n, обертання валу скористаємось узагальненим рівнянням [5]:
де – критерій Галілея;
– діаметр твердої частинки;
– густина твердої фази.
Значення коефіцієнта C та показників ступенів зведено до табл.1.
Таблиця 1
Значення коефіцієнта C та показників ступенів для рівняння (1)
|
Тип мішалки |
C |
k |
l |
m |
n |
|
Гвинтова |
0,105 |
0,6 |
0,8 |
0,4 |
1,9 |
|
Турбінна (закрита) |
0,25 |
0,57 |
0,37 |
0,33 |
1,15 |
Критерій Галілея в обох випадках буде однаковим:
Для гвинтової мішалки відцентровий критерій Рейнольдса дорівнює:
Значення кількості обертів n’п визначаємо за рівнянням:
Кутова швидкість обертання валу перемішуючого пристрою визначається за формулою ω=2∙π∙n. Тоді ω’п=2∙3,14∙4,786=30,07рад/с. Приймаємо значення кутової швидкості обертання вала: ωп=39,7 рад/с, при якій кількість обертів в секунду складає nп:
Перераховуємо критерій Рейнольдса швидкості обертання валу nп:
Тоді потужність, яка витрачається на перемішування суспензії, складе:
де KNп – критерій потужності гвинтової мішалки [6, с. 707].
Коефіцієнт, що враховує збільшення потужності при Hр>D:
Кінцева розрахункова витрата потужності при застосуванні гвинтового типу мішалки:
Критерій Рейнольдса для турбінної закритої мішалки:
Значення кількості обертів n’т:
Кутова швидкість ω’т=18,364рад/с. В літературі [6, табл.32.2, табл 32.3] із наведеного ряду найближче більше значення швидкості обертання вала становить ωт=18,8рад/с, при якій кількість обертів в секунду складає nт:
Критерій Рейнольдса швидкості обертання валу nп:
Тоді потужність, яка витрачається на перемішування суспензії турбінною закритою мішалкою:
де KNт – критерій потужності турбінної мішалки [6, стр. 707].
Кінцева розрахункова потужність:
Інтенсивність тепловіддачі від стінки апарата до середовища, яке перемішується, характеризується значенням коефіцієнта тепловіддачі α1. При застосуванні гвинтового типу мішалки, коефіцієнт α1 суттєво перевищує значення коефіцієнта тепловіддачі при використанні мішалки турбінного закритого типу. Значення розрахованих коефіцієнтів зображено на рисунку 2.
Рис. 2. Значення коефіцієнта α1 для різних типів мішалок
Коефіцієнт тепловіддачі α2 для потоку води, що рухається в циліндричній оболоні ферментера, розраховано з урахуванням впливу вільної конвекції і практично не залежить від типу мішалки. Значення розрахованих коефіцієнтів α2 зображено на рисунку 3.
Рис. 3. Значення коефіцієнта α2 для різних типів мішалок
Незначна розбіжність розрахункових значень коефіцієнтів теплопередачі K (рисунок 4) та значень отриманої площі теплообміну ферментера відповідно, обумовлена низькими значеннями коефіцієнтів тепловіддачі α2.
Рис. 4. Значення коефіцієнта K для різних типів мішалок
Отже, на основі проведених розрахунків і отриманих значень обертання перемішуючого пристрою та витрат потужності, при заданих параметрах апарату та середовища, що перемішується, доцільніше використання турбінного, ніж гвинтового, типу перемішуючого пристрою.
Література
