Процесс брожения сельскохозяйственных отходов с целью получения витамина В12

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Аннотация

Определения

Введение

1. Аналитический обзор

1.1 Значение витаминов в питании сельскохозяйственных животных

1.2 Структура витамина B₁₂, его продуценты

1.3 Применение витамина В₁₂

2. Разработка технологической схемы

2.1 Сырье

2.2 Описание технологической схемы использования последрожжевой барды для производства кормового концентрата витамина В₁₂

2.3 Выбор основного оборудования

2.4 Выбор вспомогательного оборудования

3. Безопасность жизнедеятельности

Заключение

Список использованной литературы



Аннотация

Анаэробное сбраживание отходов, кормовой биоконцентрат, сельскохозяйственные животные, биологически активные вещества, витамин В₁₂, кормовая биомасса, питательная ценность, карбамид, влажность, температура, выход

Важным фактором повышения питательной ценности кормов сельскохозяйственных животных является наличие в них витаминов - биологически активных веществ разного химического строения и необходимых для поддержания жизнедеятельности организмов. Биологическая активность витаминов определяется тем, что они в качестве активных групп входят в состав каталитических центров ферментов. Поэтому при недостатке этих веществ понижается активность соответствующих ферментов и, как следствие, ослабляются или полностью прекращаются биохимические процессы, происходящие с участием данных ферментов. Последнее является причиной ряда серьезных заболеваний, вызванных недостатком витаминов.

Целью данной курсовой работы является исследование процесса брожения сельскохозяйственных отходов с целью получения витамина В_12.

Курсовая работа содержит следующие основные разделы: введение, аналитический обзор, технологическую часть, включающую методики и результаты эксперимента, раздел безопасность жизнедеятельности и заключение.



Определения

Витамин - жизненно важное вещество, присутствующее в организме в следовых количествах и необходимое для выполнения нормальных клеточных функций.

Витамин В₁₂ - один из наиболее сложных и биологически активных витаминов, получаемых главным образом путем микробиол. синтеза. Микробиол. пром-сть производит для животноводства препарат В₁₂ (КМБ-12), а также премиксы, включающие этот витамин.

Брожение - энергетический процесс, в котором органические соединения функционируют одновременно и как доноры, и как акцепторы электронов. Частный случай анаэробного дыхания.

Анаэробное дыхание микроорганизмов - процесс окисления орган, соединений с выделением энергии, в котором в качестве акцепторов электронов выступают неорган, соединения, а не кислород.

Биосинтез - образование необходимых организму веществ в живых клетках, в результате чего из простых исходных веществ образуются более сложные соединения (белки, витамины, аминокислоты, антибиотики и т.д.).

Культивирование - выращивание микроорганизмов, клеток тканей и других организмов в специально созданных условиях.

Белково-витаминный концентрат - порошкообразный продукт, полученный при термообработке и высушивании клеток инакти'вированных дрожжей и бактерий, полученных при культивировании на углерод-содержашем сырье, низших синтетических спиртах и кислотах. Используется как кормовая добавка в животноводстве и птицеводстве.



Введение

В настоящее время процессы биотехнологии широко используются при производстве ценных биологически активных веществ (антибиотиков, ферментов, гормонов и др.). Биотехнология в настоящее время переживает период чрезвычайно бурного роста, который был стимулирован успехами в фундаментальных и теоретических исследованиях в области наук о жизни, заметно опередивших практическое использование результатов этих исследований. Сельскохозяйственная биотехнология является довольно перспективной областью и, как отрасль общей биотехнологии, является результатом тенденций мировой глобализации и проникновения науки во все сферы жизни человека. В свою очередь микробиология кормления сельскохозяйственных животных занимает довольно важное место в совокупности наук по уходу за крупным и мелким рогатым скотом. О незаменимости кормов даже не ведутся споры. Важным фактором повышения питательной ценности кормов сельскохозяйственных животных является наличие в них витаминов - биологически активных веществ разного химического строения и необходимых для поддержания жизнедеятельности организмов. Биологическая активность витаминов определяется тем, что они в качестве активных групп входят в состав каталитических центров ферментов. Поэтому при недостатке этих веществ понижается активность соответствующих ферментов и, как следствие, ослабляются или полностью прекращаются биохимические процессы, происходящие с участием данных ферментов. Последнее является причиной ряда серьезных заболеваний, вызванных недостатком витаминов. Изучение механизма действия ферментов как с целью выявления общих принципов ферментативного катализа, так и для установления деталей механизмов отдельных конкретных ферментативных реакций остается одной из центральных задач теоретической биохимии. Наряду с огромным мировоззренческим значением эта задача приобретает большую практическую значимость, поскольку открывает перспективу сознательного конструирования более совершенных молекул ферментов и апоферментов.

Интенсификация сельского хозяйства - процесс, имеющий большое историческое значение и практически безграничные перспективы в прогрессе животноводства и растениеводства. При умелом подходе к решению проблем, возникающих в этих важнейших отраслях, можно добиться роста перерабатывающей промышленности и развитию не только сети предприятий пищевой, но и предприятий текстильной промышленности и т.д.

Целью данной курсовой работы является исследование процесса брожения сельскохозяйственных отходов с целью получения витамина В_12.



1. Аналитический обзор

1.1 Значение витаминов в питании сельскохозяйственных животных

Значение витаминов в кормлении сельскохозяйственных животных велико. При их недостатке или отсутствии задерживается рост и развитие молодняка, снижается сопротивляемость организма различным заболеваниям, уменьшается продуктивность. С недостаточным витаминным питанием у сельскохозяйственных животных нередко связаны яловость, аборты, низкая плодовитость. Потребность в витаминах зависит от вида животных, возраста, физиологического состояния, продуктивности, условий кормления и содержания, а также от запаса витаминов в организме. Особенно велика эта потребность у молодняка, беременных и лактирующих самок, высокопродуктивных и племенных животных.

Основной источник витаминов для животных -- корма. Поэтому для правильной организации кормления необходимо знать наряду с потребностью в витаминах содержание их в кормах. Нормирование витаминного питания животных осуществляют подбором кормов, обогащением рационов витаминными кормами или концентратами витаминов, выпускаемыми промышленностью. В состав комбикормов, выпускаемых промышленностью, включают все необходимые витамины.

Витамины - группа низкомолекулярных органических веществ, которые в очень низких концентрациях оказывают сильное и разнообразное биологическое действие. В природе источником витаминов являются главным образом растения и микроорганизмы. Менахиноны и кобаламины синтезируются исключительно микроорганизмами. И хотя химический синтез в производстве большей части витаминов занимает ведущее положение, микробиологические методы также имеют большое практическое значение [1,2].

Принципы химического строения витаминов настолько разнообразны, что классификация их на основе структуры невозможна. Витамины делятся по принципу растворимости на жирорастворимые и водорастворимые. Из жирорастворимых витаминов наибольшее значение в народном хозяйстве и в микробиологической промышленности имеют витамины групп А и D, а из водорастворимых - витамины В₂и В₁₂ [1,4]. Кроме того, микроорганизмы используются как селективные окислители сорбита в сорбозу (при получении витамина С), а также для производства витаминных концентратов (витамина В₂, каротиноидов). Перспективно микробиологическое получение биотина, используемого в рационе кур и свиней. В настоящее время на Западе в большую часть комбикормов для свиней включают биотин, получаемый путем химического синтеза. В результате химического синтеза образуется рацемическая смесь, а биологическая активностью обладает лишь D-форма витамина, которую синтезируют микроорганизмы [1].

Среди неполимерных соединений витамин B₁₂ имеет самое сложное строение. Это б (5,6-диметилбензимидазол) - кобамидцианид:



В молекуле витамина B₁₂ различают:

1. Порфириноподобное, хромофорное, или корриновое, кольцо, связанное с атомом кобальта четырьмя координационными связями через атомы азота.

2. Верхним координационным лигандом кобальта в витамине B₁₂ является цианогруппа. Ее место могут занимать другие неорганические или органические заместители, например NO₂^2-, SO₂^2-, ОН^-, H₂O, CH₃, аденозил; заместители определяют название производных витамина B₁₂.

3. Шестая позиция кобальта занята нуклеотидным ядром (нижним лигандом кобальта), состоящим из азотистого основания, рибозы и остатка фосфорной кислоты. Нуклеотидное ядро связано с кобальтом через азот основания, а с корриновым кольцом через аминопропаноловый мостик.

В составе витамина B₁₂ или цианкобаламина азотистое основание представлено 5,6-диметилбензимидазолом (5,6-ДМБ). Наличие 5,6-ДМБ определяет активность молекулы корриноидов (синоним названия витаминов группы B₁₂) для высших животных. Вместо 5,6-ДМБ микроорганизмы могут включать в молекулу другие бензимидазольные и пуриновые основания. Нуклеотидное ядро вообще может отсутствовать, как в случае фактора В.

Через 25 лет после открытия витамина B₁₂ в 1972 г. в результате многолетних исследований был осуществлен полный химический синтез корриноидной структуры. Корриноид синтезирован в результате тридцати семи последовательных ступеней, но в силу сложности такого синтеза микробиологический метод остается пока единственным промышленным способом получения витамина B₁₂ [1].

Продуценты витамина B₁₂

В природе витамин B₁₂ и родственные корриноидные соединения находят в клетках микроорганизмов, в тканях животных и некоторых высших растениях (горох, лотос, побеги бамбука, листья и стручки фасоли). Однако происхождение витамина B₁₂ в высших растениях окончательно не установлено. Такие низшие эукариоты, как дрожжи и мицелиальные грибы, корриноиды, по-видимому, не образуют. Организм животных не способен к самостоятельному синтезу витамина. Среди прокариот способность к биосинтезу корриноидов широко распространена. Активно продуцируют витамин В₁₂ представители рода Propionibacterium [1, 4, 5].Природные штаммы пропионовокислых бактерий образуют 1,0-8,5 мг/л корриноидов, но получен мутант Р. shermaniiМ-82, с помощью которого получают до 58 мг/л витамина [1,5]. В семействе Propioni bacberiaceae есть и другие представители, способные к высокому накоплению витамина B₁₂в клетках. Это, прежде всего Eubacterium limosum Butyribacterium rettgerii).Как продуценты витамина практический интерес имеют многие представители актиномицетов и родственных микроорганизмов [1, 4]. Истинный витамин B₁₂ в значительных количествах синтезирует Nocardiarugosa. Путем мутаций и отбора получен штамм N. rugosa, накапливающий до 18 мг/л витамина B₁₂. Активные продуценты витамина обнаружены среди представителей рода Micromonospora: M. purpureae, M. echinospora, M. halophitica, M. fusса,M. chalceae. Высокой кобаламинсинтезирующей активностью обладают метаногенные бактерии, например Methanosarcina barkeri, M. vacuolataи отдельные штаммы галофильного вида Methanococcus halophilus [1, 4].Последний организм синтезирует более 16 мг корриноидов на грамм биомассы. Столь высокого содержания корриноидов не отмечено ни у одного другого из изученных микроорганизмов. Причина высокого содержания корриноидов у метаногенных бактерий не установлена. Корриноиды синтезируют строго анаэробные бактерии из рода клостридий. УClostridlum tetanomorphum и Cl. sticklandil аденозилкобаламин входит в состав ферментных систем, катализирующих специфические реакции изомеризации таких аминокислот, как глутаминовая, лизин и орнитин. В значительных количествах образуют витамин B₁₂ ацетогенные клостридийCl. thermoaceticum, Cl. formicoaceticum и Acetobacter woodi, синтезирующие ацетат из СО₂. Известны активные продуценты витамина B₁₂ у псевдомонад, среди которых лучше других изучен штамм Pseudomonas denitrificans MB-2436 - мутант, дающий на оптимизированной среде до 59 мг/л корриноидов. Интерес представляют термофильные бациллы, а именно Bacillus circulans и Вас. stearothermophilus, которые растут соответственно при 60 и 75 °С и за 18 ч. культивирования без соблюдения стерильных условий дают высокие (2,0-6,0 мг/л) выходы витамина. Корриноиды синтезируют Rhodopseudomonas palustris, фототрофные пурпурные бактерии Rhodobactersphericus, Rh. capsulatus, Rhodospirillumrubrum,Chromatiumuinosumи ряд других видов. Значительные количества витамина B₁₂ образует цианобактерии Anabaena cylindrica, одноклеточные зеленые водоросли Chlorella pyrenoidosae и красные водоросли Rhodosorus marinus [1].

Питательные среды

Продуценты витамина B₁₂ культивируют в средах, приготовленных на основе пищевого сырья: соевой муки, рыбной муки, мясного и кукурузного экстракта. В последние годы выявлены микроорганизмы, образующие высокие качества корриноидов при утилизации непищевого сырья.Achromobactersp., используя изопропиловый спирт как источник углерода и энергии, накапливает до 1,1 мг/л провитамина, Pseudomonassp.синтезирует витамин B₁₂ в среде с метанолом или пропандиолом (до 160 мкг/л), факультативный метилотроф образует в среде с метанолом до 2,6 мг/л витамина. Выделен штамм Klebsiella 101, образующий большое количество корриноидов в клетках только при росте на среде с метанолом как единственном источнике углерода и энергии [1].

Производство витамина В₁₂

В нашей стране в качестве продуцента витамина В₁₂ используют Propionibacteriumf reudenreichii var. Shermanii [1,5].Для получения витамина B₁₂бактерии культивируют периодическим методом в анаэробных условиях в среде, содержащей кукурузный экстракт, глюкозу, соли кобальта и сульфат аммония. Образующиеся в процессе брожения кислоты нейтрализуют раствором щелочи, которая непрерывно поступает в ферментер. Через 72 ч в среду вносят предшественник - 5,6-ДМБ. Без искусственного введения 5,6-ДМБ бактерии синтезируют фактор В и псевдовитамин B₁₂(азотистым основанием служит аденин), не имеющие клинического значения. Ферментацию заканчивают через 72 ч. Витамин B₁₂ сохраняется в клетках бактерий. Поэтому после окончания брожения биомассу сепарируют и экстрагируют из нее витамин водой, подкисленной до рН 4,5-5,0 при 85-90 С в течение 60 мин с добавлением в качестве стабилизатора 0,25%-ной NaNO₂. При получении Ko-B₁₂ стабилизатор не добавляют. Водный раствор витамина B₁₂ охлаждают, доводят рН до 6,8-7,0 50%-ным раствором NaOH. К раствору добавляют Аl₂(SO4)₃*18H₂Oи безводный FеСl₃ для коагуляции белков и фильтруют через фильтр-пресс. Очистку раствора проводят на ионообменной смоле СГ-1, с которой кобаламины элюируют раствором аммиака. Далее проводят дополнительную очистку водного раствора витамина органическими растворителями, упаривание и очистку на колонке с Al₂O₃. С окиси алюминия кобаламины элюируют водным ацетоном. При этом Ko-B₁₂ может быть отделен от CN- и оксикобала мина. К водно-ацетоновому раствору витамина добавляют ацетон и выдерживают при 3-4°С 24-48 ч. Выпадающие кристаллы витамина отфильтровывают, промывают сухим ацетоном и серным эфиром и сушат в вакуум-эксикаторе над P₂O₅. Для предотвращения разложения Ko-B₁₂ все операции необходимо проводить в сильно затемненных помещениях или при красном свете. Таким образом, можно получить не только смесь CN- и оксикобаламинов, но и коферментную форму, которая обладает высоким терапевтическим эффектом. Для химической очистки витамина B₁₂используется его способность образовывать продукты с фенолом и резорцином. При этом способе отделение витамина B₁₂от сопутствующих ему факторов упрощается. Промышленный концентрат цианкобаламина обрабатывают водным раствором резорцина (или фенола), выделяют комплекс витамина B₁₂ с резорцином (или фенолом), далее разлагают его и получают кристаллический препарат [1].

Применение витамина В₁₂

Для обогащения кисломолочных продуктов витамином B₁₂ используют пропионовокислые бактерии как в чистом виде, таки в виде концентрата, приготовленного на молочной сыворотке. Для нужд животноводства витамин B₁₂ получают, используя смешанную культуру, содержащую термофильные метанообразующие бактерии [1,4]. Установлено образование корриноидов не только в смешанной, но и в чистой культуре метан образующих бактерий Methanosarcina barkeri, Methanobacterium formicum, Mb. thermoautotrophicum при росте в присутствии H₂ и CO₂. Содержание корриноидов у метанобразующих бактерий составляет 1,0-6,5 мг/г сухой биомассы. С помощью смешанной культуры метанобразующих бактерий разработан метод получения кормового препарата витамина B₁₂-KMБ12. Субстратом для метанового брожения служит ацетоно-бутиловая и спиртовая барда. Ацетоно-бутиловую барду получают в результате удаления растворителей из культуральной жидкости Clostridium acetobutylicum, сбраживающей паточно-мучные заторы. Для метанового брожения используют декантат барды, содержащий 2,0-2,5 %сухих веществ. К декантированной барде добавляют 4 г/м³ СоСl₂ и 0,5% метанола как стимуляторы синтеза кобаламинов. В качестве биостимуляторов вносят также карбамид и диаммонийфосфат, 5,6-ДМБ не вносят, поскольку CN=B₁₂и фактор III, обладающие биологической активностью, составляют до 80% от суммы всех корриноидов. Исходная барда имеет температуру около 100°С и практически стерильна. Перед поступлением в ферментеры барда охлаждается до 55-57°С. В качестве исходной культуры используют смешанную культуру метанообразующих бактерий, осуществляющих термофильное «метановое брожение» сточных вод. Получение концентрата витамина B₁₂включает следующие технологические стадии: непрерывное сбраживание барды комплексом бактерий, сгущение метановой бражки и сушку сгущенной массы на распылительной сушилке [1,4]. Брожение проводят в железобетонных ферментерах непрерывным способом в течение года. Важное условие нормального процесса брожения - контроль уровня жирных кислот и аммонийного азота. Витамин B₁₂ неустойчив при тепловой обработке, особенно в щелочной среде. Поэтому перед выпариванием к метановой бражке добавляют - Cl до оптимального значения рН 5,0-5,3 и сульфит Na(оптимальное содержание 0,07-0,1%). Перед поступлением на установку выпаривания метановая бражка дегазируется путем нагревания до 90-95°С при атмосферном давлении. Бражку сгущают до 20% сухих веществ в четырехкорпусных выпарных аппаратах. Сгущенная метановая бражка высушивается на распылительной сушилке.

Технологическая схема представлена на рисунке. Ацетоно-бутиловая барда из нижней части бражной колонны поступает в сборник барды и насосом подается в декантатор 3. Отстой барды собирается в сборнике 4 и используется на корм скоту. Декантат, охлажденный до температуры 55-57°С, метанол и хлористый кобальт поступают в ферментер 12. Сброшенную массу из верхней части ферментера отбирают и направляют в реактор 19, где осуществляют стабилизацию витамина B₁₂путем добавления сульфита натрия и соляной кислоты, смешанных в смесителе 18. Из стабилизированной бражки удаляют газы в сепараторе газов 22, бражку упаривают в выпарной установке 24 и собирают в сборниках 26. Сгущенная метановая бражка перекачивается насосом 27 в сборник метановой бражки 28, а от туда насосом 29 в распылительную сушилку 31. В качестве теплоносителя для сушки используют газы брожения, сжигаемые в печи 39. Сухой порошок поступает в бункер 33 и расфасовывается в полиэтиленовые мешки, вложенные в крафт-пакеты. Отсутствие промышленных отходов, доступность сырья, непрерывность метода, не требующего стерильных условий, делают его экономичным [1].

Украинским научно-исследовательским институтом спиртовой и ликеро-водочной промышленности разработана технология получения кормового концентрата витамина B₁₂ путем сбраживания мелассно-спиртовой барды смешанной культурой метанообразующих бактерий. Предварительно на мелассно-спиртовой барде выращивают кормовые дрожжи. После сепарирования дрожжей получают культуральную жидкость, содержащую 7-8% сухих веществ. На этой жидкости выращивают метанообразующие бактерии и получают с 1 м³ исходной барды 1,5-2 г витамина В₁₂ [1].

1.2 Структура витамина B₁₂, его продуценты

В природе витамин В₁₂ и родственные корриноидные соединения находят в клетках микроорганизмов, в тканях животных и некоторых высших растениях (горох, лотос, побеги бамбука, листья и стручки фасоли). Однако происхождение витамина В₁₂ в высших растениях окончательно не установлено. Такие низшие эукариоты, как дрожжи и мицелиальные грибы, корриноиды, по-видимому, не образуют. Организм животных не способен к самостоятельному синтезу витамина. Среди прокариот способность к биосинтезу корриноидов широко распространена. Активно продуцируют витамин В₁₂ представители рода Propionibacterium. Природные штаммы пропионовокислых бактерий образуют 1,0--8,5 мг/л корриноидов, но получен мутант P. shermanii M.- 82, с помощью которого получают до 58 мг/л витамина. В семействе Propionibacteriaceae есть и другие представители, способные к высокому накоплению витаминами В₁₂ в клетках. Это, прежде всего, Eubacterium limosum (Batyribacterium retteerii). Как продуценты витамина практический интерес имеют многие представители актиномицетов и родственных микроорганизмов. Истинный витамин В₁₂ в значительных количествах синтезирует Nocardia rugosa. Путем мутаций и отбора получен штамм N. rugosa, накапливающий до 18 мг/л витамина В₁₂. Активные продуценты витамина обнаружены среди представителей рода Micromonospora: M. purpureae, M. echinospora, M. halophitica, M. fusca, M. chalceae.

Высокой кобаламинсинтезирующей активностью обладают метаногенные бактерии, например, Methanosarcina barkeri, M. vacuolata и отдельные штаммы галофильного вида Methanococcus halophilus. Последний организм синтезирует более 16 мг корриноидов на грамм биомассы. Столь высокого содержания корриноидов не отмечено ни у одного другого из изученных микроорганизмов. Причина высокого содержания корриноидов у метаногенных бактерий не установлена. Корриноиды синтезируют строго анаэробные бактерии из рода клостридий. У Clostridium tetanomorphum и Cl. Sticklandii аденозилкобаламин входит в состав ферментных систем, катализирующих специфические реакции изомеризации таких аминокислот, как глутаминовая, лизин и орнитин. В значительных количествах образуют витамин В₁₂ ацетогенные клостридии Cl. thermoaceticum, Cl. formicoaceticum и Acetobacter woodi, синтезирующие ацетат из СО₂. Известны активные продуценты витамина B₁₂ у псевдомонад, среди которых лучше других изучен штамм Pseudomonas denitrificans MB-2436 - мутант, дающий на оптимизированной среде до 59 мг/л корриноидов. Корриноиды синтезируют Rhodopseudomonas, фототрофные пурпурные бактерии Rhodobacter sphericus , Rh. Capsulatus, Rhodospirillum rubrum, Chromatium vinosum и ряд других видов. Наряду с витамином В₁₂ они образуют бескобальтовые корриноиды, роль которых для продуцентов не установлена. Значительные количества витамина В₁₂ образует цианобактерия Anabaena cylindrica, одноклеточные зеленые водоросли Chlorella pyrenoidosae и красные водоросли Rhodosorus marinus. Продуценты витамина B₁₂ культивируют в средах, приготовленных на основе пищевого сырья: соевой муки, рыбной муки, мясного и кукурузного экстракта. В последние годы выявлены микроорганизмы, образующие высокие качества корриноидов при утилизации непищевого сырья.

Среди неполимерных соединений витамин В₁₂ имеет самое сложное строение. Это б (5,6-диметилбензимидазол) - кобамидцианид или цианкобаламин.

В молекуле витамина В₁₂ различают: порфириноподобное, хромофорное или корриновое кольцо, связанное с атомом кобальта четырьмя координационными связями через атомы азота.

Верхним координационным лигандом кобальта в витамине В₁₂ является цианогруппа. Ее место могут занимать другие неорганические или органические заместители, например, NO₂^2- SO₂^2-, ОН^-, Н₂О, СН₃, аденозил; заместители определяют название производных витамина В₁₂.

Шестая позиция кобальта занята нуклеотидным ядром (нижним лигандом кобальта), состоящим из азотистого основания, рибозы и остатка фосфорной кислоты.

Нуклеотидное ядро связано с кобальтом через азот основания, а с корриновым кольцом - через аминопропаноловый мостик.

В составе витамина В₁₂ или цианкобаламина азотистое основание представлено 5,6-диметилбензимидазолом (5,6-ДМБ). Наличие 5,6-ДМБ определяет активность молекулы корриноидов (синоним названия витаминов группы В₁₂) для высших животных. Вместо 5,6-ДМБ микроорганизмы могут включать в молекулу другие бензимидазольные и пуриновые основания. Нуклеотидное ядро вообще может отсутствовать, как в случае фактора В. Через 25 лет после открытия витамина B₁₂ в 1972 г. в результате многолетних исследований был осуществлен полный химический синтез корриноидной структуры. Корриноид синтезирован в результате тридцати семи последовательных ступеней, но в силу сложности такого синтеза микробиологический метод остается пока единственным промышленным способом получения витамина В₁₂.

Рисунок 1. Структура цианокобаламина



1.3 Применение витамина В₁₂

Мировая продукция витамина В₁₂ составляет 9 - 11 тыс. кг в год; из них 6,5 тыс. кг используют на медицинские цели, а остальное - для животноводства. Производство витамина В₁₂ основано главным образом на культивировании пропионовокислых бактерий (Великобритании, Венгрии), мезофильных и термофильных меганогенных бактерий (Венгрия), а также актиномицетов и родственных форм (Италия).

В СНГ в качестве продуцента витамина В₁₂ используют Propionibacterium freudenreichii var. shermanii. Для получения витамина B₁₂ бактерии культивируют периодическим методом в анаэробных условиях в среде, содержащей кукурузный экстракт, глюкозу, соли кобальта и сульфат аммония. Образующиеся в процессе брожения кислоты нейтрализуют раствором щелочи, который непрерывно поступает в ферментер. Через 72 ч. в среду вносят предшественник - 5,6-ДМБ. Без искусственного введения 5,6-ДМБ бактерии синтезируют фактор В и псевдовитамин В₁₂ (азотистым основанием служит аденин), не имеющие клинического значения. Ферментацию заканчивают через 72 ч. Витамин B₁₂ сохраняется в клетках бактерий. Поэтому после окончания брожения биомассу сепарируют и экстрагируют из нее витамин водой, подкисленной до рН 4,5 - 5,0 при 85 - 90°С в течение 60 мин. с добавлением в качестве стабилизатора 0,25 % NaNO₂.

Водный раствор витамина В₁₂охлаждают, доводят рН до 6,8 - 7,0 50 %-ным раствором NaOH. К раствору добавляют Al₂(SO₄)₃* 18Н₂О и безводный FeCl₃ для коагуляции белков и фильтруют через фильтр - пресс. Очистку раствора проводят на ионообменной смоле СГ-1,с которой кобаламины элюируют раствором аммиака. Далее проводят дополнительную очистку водного раствора витамина органическими растворителями, упаривание и очистку на колонке с А1₂О₃, с окиси алюминия кобаламины элюируют водным ацетоном. К водно-ацетоновому раствору витамина добавляют ацетон и выдерживают 24 - 48 ч. при 3 - 4°С. Выпадающие кристаллы витамина отфильтровывают, промывают сухим ацетоном и серным эфиром и сушат в вакуум-эксикаторе над Р₂О₅. Для предотвращения разложения В₁₂ все операции необходимо проводить в сильно затемненных помещениях или при красном свете. Таким образом можно получить не только смесь CN- и оксикобаламинов, но и коферментную форму, которая обладает высоким терапевтическим эффектом.

Промышленность выпускает различные формы лечебных препаратов кобаламинов: ампулы со стерильным раствором CN - B₁₂, приготовленного на 0,9 % растворе NaCl, таблетки CN - В₁₂ и в смеси с фолиевой кислотой, таблетки, (муковита), содержащие CN - B₁₂ и мукопротеид. Лечебные препараты в ампулах: камполон, антианемин и гепавит содержат водный экстракт печени крупного рогатого скота. Перспективны исследования по мутагенезу пропионовокислых бактерий как один из способов повышения продуктивности штамма, а также проверки и внедрения в производственные условия других продуцентов, растущих на дешевом непищевом сырье.

Промышленное получение витамина В₁₂ с помощью пропионовокислых бактерий позволяет полностью удовлетворить потребности медицины. Для обогащения кисломолочных продуктов витамином В₁₂ используют пропионовокислые бактерии как в чистом виде, так и в виде концентрата, приготовленного на молочной сыворотке. Для нужд животноводства витамин В₁₂ получают, используя смешанную культуру, содержащую термофильные метанообразующие бактерии.

Установлено образование корриноидов не только в смешанной, но и в чистой культуре метанобразующих бактерий Methanosarcina barkeri, Methanobacterium formicum при росте в присутствии Н₂ и СО₂. Содержание корриноидов у метанобразующих бактерий составляет 1,0 - 6,5 мг/г сухой биомассы. С помощью смешанной культуры метанобразующих бактерий разработан метод получения кормового препарата витамина В₁₂ - КМБ₁₂. Субстратом для метанового брожения служит ацетоно-бутиловая и спиртовая барда. Ацетоно-бутиловую барду получают в результате удаления растворителей из культуральной жидкости Clostridium acetobutylicum , сбраживающей паточно-мучные заторы. Для метанового брожения используют декантат барды, содержащий 2,0 - 2,5 % сухих веществ. К декантированной барде добавляют 4 г/м³ СоС1₂ и 0,5 % метанола как стимуляторов синтеза кобаламинов. В качестве биостимуляторов вносят также карбамид и диаммонийфосфат, 5,6-ДМБ не вносят, поскольку CN= B₁₂ и фактор III, обладающие биологической активностью, составляют до 80 % от суммы всех корриноидов.

Исходная барда имеет температуру около 100°С и практически стерильна. Перед поступлением в ферментеры барда охлаждается до 55 - 57°С. В качестве исходной культуры используют смешанную культуру метанообразующих бактерий, осуществляющих термофильное метановое брожение сточных вод. Получение концентрата витамина В₁₂ включает следующие технологические стадии: непрерывное сбраживание барды комплексом бактерий, сгущение метановой бражки и сушку сгущенной массы на распылительной сушилке. Брожение проводят в железобетонных ферментерах непрерывным способом в течение года.

Важное условие нормального процесса брожения - контроль уровня жирных кислот и аммонийного азота. Витамин В₁₂ неустойчив при тепловой обработке, особенно в щелочной среде. Поэтому перед выпариванием к метановой бражке добавляют НСl до оптимального значения рН 5,0 - 5,3 и сульфит (оптимальное содержание 0,07 - 0,1 %). Перед поступлением на установку выпаривания метановая бражка дегазируется путем нагревания до 90 - 95°С при атмосферном давлении. Бражку сгущают до 20% сухих веществ в четырехкорпусных выпарных аппаратах. Сгущенная метановая бражка высушивается на распылительной сушилке.

Сухой концентрат КМБ-12, помимо витамина В₁₂ (100 мг/кг препарата), содержит ряд других ростстимулирующих веществ. Особенно хорошие результаты в животноводстве получают при сочетании витамина В₁₂ с малыми дозами антибиотиков, в частности, с биомицином.



2. Разработка технологической схемы

2.1 Сырье

На мелассно-спиртовых заводах кормовые дрожжи выращивают на барде, как содержащей сахаромицеты, так и не содержащей их.

Последрожжевая барда характеризуется высоким содержанием золы, что обусловлено использованием серной и соляной кислот для поддержания оптимального значения рН. Сернокислые зольные элементы составляют 53%, солянокислые - до 45%.

Относительно химического состава следует отметить, что барда характеризуется большим содержанием вещества бетаина (8,21 - 20,9 % к СВ). Из органических веществ в наименьшем количестве содержится молочная кислота и летучие кислоты (0-2% к СВ). Также в составе имеются аминокислоты, большая часть которых ассимилируется в процессе биосинтеза белка, далее их концентрация во отдельности не превышает 1%. Максимальное количество приходится на аланин (0,31).

Концентрация в 5 к СВ последрожжевой барды составляет 5,0-5,5, взвешенных веществ в барде содержится порядка 6000 мг/л. Плотность барды составляет 1,022-1,026 кг/м³, удельная теплоемкость - 3,98 кДж/кг К, вязкость составляет порядка 10,0 Па?с. Аминного азота в барде содержится 180 мг/л, сухих веществ - 5000 мг/л. Таковы основные химические, биохимические и физические характеристики сырья.

2.2 Описание технологической схемы использования последрожжевой барды для производства кормового концентрата витамина В₁₂

По разработанной в УкрНИИСПе (А. И. Скиртымонский, Ю. М. Кравец, М. И. Кошель и др.) техиологии кормового концентрата метановой бражки (КМБ-12) производство организовано на одном из больших спиртовых комбинатов. Последрожжевая барда сбраживается метанообразующими бактериями, полученная метановая бражка сгущается на выпарных аппаратах и высушивается на распылительной сушилке в однородный мелкий порошок. Кроме витамина В₁₂ в продукте содержатся и другие витамины группы В, а также аминокислоты.

Технологическая схема производства представлена на рисунке 5.

Непрерывное метановое брожение происходит при температуре 53--55°С, рН среды 7,5-8,5 и длительности пребывания ее в метантенках 8--10 суток. Метантенки -- металлические или железобетонные емкости объемом 1000--4000 м³, соединенные с насосами для циркуляции жидкости.

При метановом брожении на 1 м³ барды выделяется 24 м³ газов, в том числе метана 60% по объему и углекислого газа 38%. Теплотворная способность выделяемых газов около 25,1 кДж. Через газгольдер газы направляют в котельную и сжигают, что на 20% снижает затраты на топливо.

Метановую бражку по выходе из метантенка подкисляют соляной кислотой до рН 5,5--6,0 (9--11 кг технической кислоты на 1 м³ бражки). При этом выделяются газы (1 м³/м³ бражки), преимущественно С0₂ (99,0--99,5%). И небольшие количества метана, аммиака, следы индола. Подкисление барды предохраняет витамин В₁₂ от распада и уменьшает гигроскопичность сухой метановой бражки.

Подкисленную метановую бражку перед упариванием дегазируют нагреванием до 90--100° С, что уменьшает пенообразование и перебросы жидкости в корпусах выпарки. Метановую бражку упаривают в четырехкорпусной установке под разрежением при температуре кипения в переднем корпусе не выше 125-135^оС. На выходе из четвертого корпуса концентрация бражки соответствует 35-40% СВ.

Упаренную до указанной концентрации метановую бражку высушивают на распылительной сушилке. Топливо - мазут. Температура смеси воздуха и дымовых газов на входе в сушилку 300-320^ОС, температура продукта на выходе 84-90^оС.

Рисунок 5. Аппаратурно-технологическая схема производства кормового концентрата метановой бражки, содержащей витамин В₁₂

1 -- метантанки; 2 -- промежуточный сборник метановой бражки; 3 -- мерник соляной кислоты; 4, 6 -- подогреватели; 5 -- дозатор; 7 -- корпуса выпарной установки с кипятильниками; 8 -- барометрический конденсатор; 9 - сборник упаренной метановой бражки; 10 -- вакуумный сборник упаренной метановой бражки; 11 -- сборник барометрической воды; 12 -- промежуточные сборники; 13 -- нейтрализатор

Последрожжевая барда, применяемая в производстве КМБ-12, не должна подкисляться серной кислотой, так как ионы SO^2- ₄ восстанавливаются метановыми бактериями до сероводорода, ингибирующего их размножение. Упаривание метановой бражки, содержащей сульфат кальция, также весьма затруднено из-за образования осадка гипса на греющих поверхностях выпарного аппарата.

Высушенный до 5%-ной влажности тонкий порошок упаковывают в трехслойные крафт-мешки, либо в полиэтиленовые, вложенные в бумажные, по 25-30 кг.

Выход витамина В₁₂ - 1,03 г на 1м³ барды или на 139 г на 1000 дал спирта-сырца. Расход соляной кислоты с концентрацией 31% составляет 1,4т/1000дал. Сухой кормовой концентрат витамина В₁₂ должен соответствовать требованиям ТУ 5908-68 на концентрат кормовой КМБ-12. В таблице 2 дана характеристика готового продукта - кормового концентрата витамина В₁₂.

2.3 Выбор основного оборудования

Метантенк - аппарат, где происходит микробиологическое разложение веществ в анаэробных условиях.

Метантенки представляют собой железобетонные герметически закрытые резервуары с коническим днищем. Интенсификация распада веществ достигается искусственным подогревом и перемешиванием. Подогрев осуществляется при помощи горячей воды, которая подаётся по трубопроводу. Перемешивание происходит мешалкой, работающей от электродвигателя.

брожение сельскохозяйственный отход витамин

Рисунок 6. Схема работы коаксиального метантенка

Коаксиальный метантенк представляет собой герметичный резервуар 1 с коническими днищем 2 и купольным покрытием 3 с газосборником 4, снизу под которым к нему присоединена доходящая до днища 2 резервуара 1 концентрическая перегородка 5, одинаковая по своей форме в плане с формой резервуара 1 в плане и разделяющая резервуар 1 на внешнюю 6 и внутреннюю 7 камеры, в которых размещены патрубки подвода разжиженных отходов 8 и отвода сброженной массы 9. Из разнонаправленного тройника на конце патрубка 8 обеспечивается перемешивание поступающих отходов со сбраживаемой во внешней камере 6 массой струйным напором подаваемых разжиженных отходов из тройника патрубка 8. Над внешней 6 и внутренней 7 камерами выполнены патрубки 10 и 11 отвода из них биогаза, тогда как патрубок 10 отвода биогаза из внешней камеры 6 метантенка соединен газопроводом 12 с всасывающим патрубком 13 инжектора 14, к напорному патрубку 15 которого присоединен теплообменник 16 с нагревателем 17 и насосом 18. Всасывающий патрубок 19 насоса 18 соединен с трубопроводом 20 забора сбраживаемой массы из метантенка на перемешивание и подогрев, тогда как патрубок смесительной камеры 21 инжектора 14 соединен напорным трубопроводом 22 нагретой газожидкостной смеси с введением в метантенк и установленным над его днищем 2 рассредоточителем потока 23.

Для обеспечения широкого диапазона регулирования задаваемых величин избыточного давления биогаза и его вакуума во внешней камере 6 всасывающий газопровод 12 инжектора 14 двумя обособленными параллельными газопроводами 24 и 26 соединен с газопроводом 28. При этом в газопровод 24 встроен редукционный клапан 25 сброса избыточного давления из внешней камеры 6 метантенка в газопровод 28 отвода биогаза из внутренней его камеры 7, а в газопровод 26 встроен редукционный клапан 27 подачи биогаза из газопровода 28 во внешнюю камеру 6 метантенка при образовании в ней вакуума. Выполнение наклоненных вниз козырьков 29 над отверстиями 30 в концентрической перегородке 5 со стороны внешней камеры 6 исключает как поступление в камеру 7 из камеры 6 оседающих плотных и трудносбраживаемых органических веществ, поступающих в камеру 6 в составе вводимых в нее по патрубку 8 разжиженных и измельченных органических отходов на сбраживание, так и предотвращает поступление вырабатываемого в камере 7 биогаза в камеру 6. Для периодической очистки внешней камеры 6 от минеральных осадков /грунт, песок, глина, мелкий гравий, ракушка и др./, которые на животноводческих и птицеводческих фермах поступают на сбраживание в метантенки в составе разжиженных и измельченных органических отходов, в нижней части внешней камеры 6 выполнены закрываемые крышками люки 31 и патрубок опорожнения 32.

2.4 Выбор вспомогательного оборудования

Дробилка молотковая ДМ предназначена для измельчения зерна пленчатых и злаковых культур (ржи, пшеницы, овса, ячменя и др.), жмыхов. Применяется как в технологических линиях комбикормовых заводов и мельниц, так и вне их. Дробилка состоит из дробильной камеры, ограждения муфты, муфты и электродвигателя. Дробильная камера состоит из корпуса, крышки и ротора. Корпус устанавливается на раму и крепится к ней болтами.

Внутри корпуса на боковых стенках имеются радиальные пазы для установки сита, cостоящего из двух частей.

Крышка устанавливается не верхний фланец корпуса. На ее боковых стенках также имеются радиальные пазы для установки сита и чугунной деки.

Рабочим органом дробилки является ротор, который состоит из вала, дисков, распорных шайб, молотков.

Продукт подается через приемный патрубок в крышке и, благодаря ударному воздействию вращающихся молотков, а также ударам частиц о деку, измельчается. Степень измельчения зависит от размера сит.

Рисунок 7. Дробилка молотковая ДМ



3. Безопасность жизнедеятельности

Охрана труда представляет собой систему законодательных актов и соответствующих им социально- экономических, технических, гигиенических и организационных мероприятий, обеспечивающих безопасность, сохранение здоровья и работоспособность человека в процессе труда.

Предприятия микробиологической промышленности являются производствами химического и микробиологического профиля. На этих предприятиях при производстве биологически активных препаратов (витаминов, аминокислот, белковых и ферментных препаратов, кормовых дрожжей и др.) широко используются кислоты, щелочи, различные соли, микроорганизмы, которые могут вызвать у работающих аллергические реакции и ряд других заболеваний. Кроме этого некоторые целевые продукты и используемые в производстве вспомогательные вещества пожаро - и взрывоопасны.

Поэтому вопросам охраны труда в микробиологической промышленности уделяется особое внимание.

Общие положения охраны труда

Они включают в себя задачи выявления и изучения производственного травматизма, разработки мероприятий по улучшению условий труда и санитарно- оздоровительных мер, обеспечивающих предотвращение травматизма, профессиональных заболеваний, аварий, пожаров и взрывов на предприятиях.

Большое внимание уделяется повышению качества обучения и инструктажа по технике безопасности рабочих с применением современных средств обучения, обеспечению работающих эффективными средствами индивидуальной защиты с учетом специфики производственных процессов, ответственности, как рабочих, так и инженерно- технических и руководящих работников за соблюдение нормативных документов в области охраны труда и пожарной безопасности.

Отопление, вентиляция и освещение

В Правилах безопасности для производств микробиологической промышленности эти вопросы нашли особое отражение. Все производственные помещения микробиологических предприятий должны обеспечиваться отопительными системами, устойчиво поддерживающими необходимую температуру в соответствии с санитарными нормами и требованиями технологических режимов. Системы отопления применяются местные или центральные. В микробиологической промышленности в основном используются центральные системы отопления. В качестве теплоносителей могут использоваться вода, пар и воздух.

Вентиляция в производстве является важнейшим средством создания нормальных санитарно- гигиенических условий на микробиологических предприятиях. На всех предприятиях предусматривается герметизация работающего оборудования, однако в воздухе производственных помещений микробиологических предприятий все- таки происходит выделение микроорганизмов, продуктов их жизнедеятельности, пылевидных частиц питательных веществ, а также влаги, газов, пара, летучих взрывоопасных и токсичных веществ, теплоты. Вентиляция позволяет свести концентрацию этих веществ к минимуму.

Освещение производственных помещений также играет важную роль. При хорошем освещении устраняется напряжение глаз, обеспечивается распознавание окружающих предметов в производственной деятельности работающих.

Недостаток же освещения приводит к перенапряжению и быстрому утомлению зрения, в результате чего повышается нервозность, ослабевает внимание, ухудшается координация движении. Это приводит к снижению производительности и качества труда, увеличивается возможность несчастных случаев, так как рабочий вынужден приближаться к оборудованию.

Обеспечение охраны труда на микробиологических производствах

Этот раздел Правил включены меры по обеспечению безопасной работы в основных технологических процессах, размещению, монтажу и эксплуатации основного технологического оборудования, магистральных коммуникаций и рабочих мест. В этом разделе перечислены мероприятия, обеспечивающие безопасную работу на оборудовании в сырьевом и вспомогательных цехах и участках, кислотной и щелочной станциях, гидролизном отделении, отделениях приготовления растворов известкового молока, питательных солей и сред, заторов, бродильном отделении, отделениях и цехах сепарирования, центрифугирования, фильтрования, экстракции веществ, отделении сушки, стандартизации фасования и упаковки готовых продуктов биологически активных веществ.

Для организации каждого рабочего места необходимо иметь данные о выделениях вредных веществ, тепловой лучистой энергии, газа, пыли в зоне рабочего места, наличие шума, вибрации; знать габариты оборудования, способы доставки сырья, материалов и полуфабрикатов, расположение энергетических источников, транспортных путей, проездов и подходов, системы обслуживания рабочих мест по функциям и др. С учетом всех опасных факторов для каждого участка производства составляют проект организации рабочего места для создания безопасных условий труда.

На участках с выделением производственных вредностей в проектах организации труда указывают сроки и средства контроля за удельным содержанием вредных веществ, а также их физико-химические и токсикологические свойства.

В Правила включены требования по обеспечению особо важных участков производства и оборудования контрольно-измерительными приборами, средствами автоматизации, производственной сигнализации и связью.

Профилактические меры безопасности

Необходимость осуществления профилактических мер на предприятиях микробиологической промышленности связана с большим количеством производственных процессов, происходящих при высоких температурных режимах стерилизации технологического оборудования, трубопроводов и питательных сред, находящихся в аппаратах при избыточном давлении или проходящих в трубопровода, с применением легковоспламеняющихся жидкостей (спирта, ацетона, бензина и др.), превышение концентрации, которых в воздухе может привести к пожару и взрыву.

Взрывоопасные концентрации веществ чаще всего могут образовываться внутри производственных помещений, аппаратов и цистерн. Огнеопасные жидкости, как правило, хранят в изолированных цистернах, чаще всего под землей. Их заполнение и опорожнение должны происходить при строгом соблюдении правил и норм эксплуатации. Особенно следует обращать внимание на содержание образовавшейся взрывоопасной смеси в освобожденных от взрывоопасных жидкостей аппаратах, мерниках, емкостях, так как в них при случайно образовавшемся источнике огня может произойти взрыв. Поэтому все емкостное оборудование должно подвергаться тщательной промывке с последующей проверкой на отсутствие паров.

Не рекомендуется применять сжатый воздух для передавливания из аппарата в аппарат легковоспламеняющихся и горючих жидкостей, так как количественные соотношения воздуха и пара, а также пыли внутри аппарата могут привести к образованию взрывоопасной концентрации газо-, паро- или пылевоздушной смеси. В этом случае для передавливания целесообразно использовать инертный газ. Перекачивание легковоспламеняющихся жидкостей следует производить с помощью бессальниковых мембранных или других насосов, исключающих подтекание. Помещения, в которых установлено оборудование для выделения биологически активных продуктов и ректификации спирта и ацетона, должны быть оборудованы световой и звуковой сигнализацией, сблокированной с вентиляцией, включающейся автоматически от газоанализатора, определяющее опасную концентрацию взрывоопасных веществ в воздухе. Для предотвращения образования электрических искр и очагов нагрева во взрыво- и пожароопасных помещениях все токоприемники, пусковые электроприборы, средства автоматизации должны быть выполнены в герметичном взрывозащищенном исполнении.

...