Проект цеха по производству микробиального молокосвертывающего фермента

Сборку и разборку аппаратов первого типа проводят вручную, поэтому их не используют в установках большой производительности. Однако при небольшой потребной производительности они обладают рядом преимуществ по сравнению с другими типами аппаратов ультрафильтрации: возможностью выявления и замены поврежденных мембран, многократного использования сепарирующих и дренажных материалов при замене мембран, отработавших срок службы.Учитывая, что потребная производительность в рассматриваемом случае невелика, выберем аппарат типа фильтр-пресс. Среди аппаратов этого типа следует отдать предпочтение бескорпусным. Такие аппараты не имеют массивного корпуса, рассчитанного на работу при высоких давлениях, благодаря чему снижается металлоемкость и достигается относительно высокая удельная поверхность мембран. Аппарат (рисунок 5.1) состоит из ряда секций, стянутых между собой крышками 11, 12 с помощью шпилек 14 и гаек 15. Рисунок 5.1 – Устройство аппарата ультрафильтрацииКаждая секция представляет собой пакет мембранных элементов, чередующихся с уплотнительными прокладками. Пакет уложен в цилиндрическую обечайку. Прокладки 13 обеспечивают герметичность секции и благодаря силам трения при обжатии шпильками передают усилие рабочего давления на дренажный материал (этот эффект позволяет в данной конструкции обойтись без специального корпуса). Между элементами располагаются сетки- сепараторы, предотвращающие соприкосновение элементов и создающие каналы для протекания разделяемого раствора. Переточные отверстия всех мембранных элементов секции совпадают, образуя коллекторы для входа раствора в секцию, распределения его между элементами и выхода в следующую секцию. Число мембранных элементов в каждой последующей секции по ходу раствора в аппарате уменьшается, что обеспечивает необходимую скорость раствора в любом межмембранном канале.Мембранный элемент состоит из двух мембран, уложенных на подложки из мелкопористого материала, между которыми размещается дренажный материал. Для предотвращения вдавливания мембран и подложек в дренажный материал между подложками и дренажом располагаются кольца из тонкого жесткого материала. Мембраны, расположенные по обе стороны дренажного слоя, приклеиваются одна к другой по периферии переточных отверстий. Исходный раствор поступает в аппарат через штуцер Б в нижнем фланце и последовательно проходит все секции. В каждой секции раствор движется параллельными потоками по межмембранным каналам. Пройдя вдоль мембран, раствор собирается в выходном коллекторе секции и поступает во входной коллектор следующей секции. Концентрат (ретентат) выходит из аппарата через штуцер В верхнего фланца. Фильтрат (пермеат) движется внутри каналов, образованных дренажными сетками, в радиальном направлении, поступает в обечайки и из них сливается через отводные патрубки Г – Н.Диаметр аппарата определяется шириной выпускаемого мембранного полотна (0,45 м). Переменными величинами могут быть толщина сепарирующей сетки и дренажного слоя (составленного из собственно дренажного материала и двух подложек), а также число секций.При уменьшении толщины сетки-сепаратора и дренажного слоя повышается компактность установки, но растет гидравлическое сопротивление. Поэтому наиболее правильно проводить выбор сепараторов и дренажей на основе технико-экономических расчетов. Для целей настоящего проекта можно принять, исходя из практики, следующие значения: толщина сепаратора δс = 0,5 мм; толщина дренажной сетки δд = 0,4 мм; толщина подложки и мембраны соответственно δ1 = 0,2 и δ2 = 0,1 мм.4.3 Принцип работы оборудованияУльтрафильтрация – метод мембранной очистки жидкости, в ходе которого раствор под давлением пропускают через фильтр, способный пропускать только определенные компоненты. Ввиду разности молекулярных масс растворенного вещества и растворителя, а также разного давления по обе стороны мембраны происходит очистка воды от посторонних включений. Молекулярные соединения, подлежащие удалению из раствора, остаются по ту сторону мембраны и не проходят через фильтр. В основе ультрафильтрационной очистки жидкостей лежит принцип, сходный с обратным осмосом.Продавливание раствора через мелкосетчатую мембрану с размером отверстий от 0,005 мкм обеспечивает удаление до 97 % железа, до 99,9 % бактерий, вирусов и до 100 % взвешенных веществ. При прохождении воды под давлением сквозь мембраны происходят такие процессы:- обезжелезивание;- снижение цветности и мутности;- удаление органический примесей (взвеси и коллоидных растворов).Ультрафильтрация воды – баромембранный процесс, в ходе которого жидкость продавливают под давлением через полупроницаемую мембрану, что обеспечивает высокое качество тонкой очистки и оптимизацию микробиологических показателей (ОМЧ). В основе фильтрационных систем – полимерные половолоконные мембраны, предназначенные для удержания частиц размером до 0,1 мкм. Назначение установок ультрафильтрации – улучшение качественных показателей жидкости перед обессоливанием. Для повышения эффективности тонкой очистки рекомендован предварительный прогрев воды до +20–25 0C.6 Подробный расчет основного аппарата6.1 Расчет селективностиРассчитаем истинную селективность мембран φи по микробиальному ферменту, исходя из средней величины его молекулярной массы М = 76500 [6, c.334] и используя приведенные в [6] данные о размерах пор в мембранах. Обратимся к графику зависимости селективности мембран по глобулярным ВМС от соотношения диаметров молекул и пор в мембранах. График построен для интервала dмол /dпор> 0,5, в котором селективность имеет высокие значения, обычно удовлетворяющие требованиям по качеству разделения.Определим отношение dмол /dпор для приведенных выше мембран. Условию dмол /dпор> 0,5 отвечают мембраны УАМ-30П, УАМ-50П и УАМ-100П, для которых отношение dмол/dпор равно соответственно 2,3; 1,4 и 0,7.Расчеты начнем с более производительной мембраны – УАМ-100П. Из графика находим φи = 0,999. Приняв в первом приближении, что наблюдаемая селективность равна истинной, определим концентрацию растворенного вещества.Степень концентрирования по условию составит К = 3,7. Для данного значенияК выбираем мембрану аналогичную УАМ-100П.Рабочая поверхность мембран зависит от их удельной производительности и потребного расхода пермеата. Определим сначала удельную производительность по чистой воде, пользуясь приведенными выше данными о константах проницаемости. Для выбранной мембраны УАМ-100П А = 1,7·10-2 кг/(м2·с·МПа). Тогда при рабочем давлении 0,23 МПа (по условию) удельная производительность по чистой воде составит:.Для перехода от этой величины к удельной производительности в рабочих условиях следует учесть, что осмотические давления разбавленных растворов ВМС пренебрежимо малы. Неорганические соли ультрафильтрами практически не задерживаются, поэтому осмотическое давление пермеата близко к осмотическому давлению исходного раствора и последнее также не сказывается на удельной производительности. В общем случае основным фактором, снижающим ее, является повышение вязкости, определяемое концентрацией ВМС. Течение растворов через поры ультрафильтрационных мембран подчиняется закону Пуазейля, поэтому проницаемость обратно пропорциональна динамической вязкости. Тогдаполучим:, где μ0 и μ – вязкость воды и раствора ВМС при температуре переработки.Поскольку в рассматриваемом случае концентрация фермента незначительна, вязкость раствора может быть принята равной вязкости воды. Определим производительность мембраны исходя из того, что концентрирование молокосвертывающего фермента производится прифакторе концентрирования К = 3,7.При производительности установки по раствору ферментного препарату 8730 кг при количестве часов работы 50-80 = 60 ч:Lк = G/TрабLк = 8730/30/3600 = 0,02 кг/с Секундная производительность по начальному раствору с учетом фактора концентрирования К= 3,7 составит:Lн = 0,02 .3,7 = 0,075 кг/сОпределим расход пермеата, считая в первом приближении, что наблюдаемая селективность равна истинной:.Рабочая поверхность мембраны:.Определим также расход концентрата, знание которого понадобится при последующих расчетах..6.2 Расчет наблюдаемой селективности мембранРасчеты проведем для крайних секций – первой и седьмой. По причинам будем считать канал, по которому движется разделяемый раствор, полым.При течении раствора между круговыми элементами скорость меняется от максимальной (в областях входа и выхода) до минимальной (в средней части элемента). Среднюю ширину кругового сечения найдем, разделив площадь элемента на длину пути раствора, которую примем равной диаметру элемента:.Средняя скорость в первой секции;;75.где ν = 0,91∙10-6 м2/с – кинематическая вязкость воды при Т = 25 °С. Это свидетельствует о ламинарном режиме течения раствора, и, следовательно, для расчета диффузионного критерия Нуссельта можно использовать критериальное уравнение. Определим критерий Рrд:,где D = 7∙10-7 м2/с – коэффициент диффузии для водного фермента [6, с. 334] Тогда получим:;;;.Отсюда φ1 = 0,9860.Средняя скорость в седьмой секции:;;;;.Отсюда φ7 = 0,985.Селективность секций мало различается, поэтому для последующих расчетов используем ее среднее значение:.3.3 Уточненный расчет поверхности мембранОпределим расход пермеата, используя полученное значение наблюдаемой селективности.Рабочая поверхность мембраны.Расхождение с величиной 18,92 м2, полученной в первом приближении, составляет: (18,92 – 18,76) · 100 / 18,92 ≈ 1,35%; это расхождение ничтожно, поэтому перерасчета не делаем.3.4 Расчет гидравлического сопротивленияСледует учитывать, что в установке ультрафильтрации с аппаратом типа фильтр-пресс основная часть местных сопротивлений сосредоточена в самом аппарате, где многократно меняется направление и скорость раствора: в коллекторах, образованных совмещенными отверстиями мембранных элементов; при перетоке из одной секции в другую и, главное, при входе из коллектора в межмембранное пространство и выходе из последнего. Кроме того, в рассматриваемом случае рабочие давления на порядок меньше, чем при обратном осмосе, поэтому нельзя пренебрегать перепадом давления, связанным с геометрической высотой подъема разделяемого раствора.Примем что Δрп (включая потери на местные сопротивления в самом аппарате) составляет 20 % от Δра, а геометрическая высота подъема (расстояние от уровня раствора, прошедшего песчаный фильтр, до вентиля на выходе концентрата из аппарата ультрафильтрации) hг = 2 м. Тогда получим:,.Определение Δра: Общая длина канала, по которому проходит разделяемый раствор, равна произведению диаметра элемента на число секций: l = 0,4·7 = 2,8 м.Поскольку скорость течения мало меняется от первой к последней секции, используем в расчетах среднеарифметическое значение скорости:.Примем ζ1 = 5,6. Тогда находим:Δра = 1,95·103·5,6 = 1,108·104 Па.Определение Δрд: Скорость пермеата в дренажном слое меняется от нуля в центре элемента до максимального значения на его окружности. Общая длина канала, по которому проходит пермеат, равна радиусу элемента: l = rм – dм / 2 = 0,2 м.Перепад давления в произвольном сечении на расстоянии r от центра элемента на участке бесконечно малой длины dr составит:.Скорость на расстоянии r от центра элемента:,где 2πr2 – поверхность мембраны от центра элемента до произвольного сечения на расстоянии r; 2πrδд – площадь поперечного сечения канала на расстоянии r от центра элемента.Отсюда находим, учитывая, что dэ = 2δд:.Проинтегрируем часть от 0 до Δрк, а правую – от 0 до rм:,Проведем расчет по этой формуле, учитывая, что dэ = 0,8·10-3 м:.Примем ζ2 = 100. Тогда Δрд = 10·100 = 1000 Па. .Напор насоса:Н.Исходя из требуемой производительности по исходному раствору (Lн = 0,2 кг/с = 2∙10-4 м3/с ) и найденному напору (Н = 26,64 м) принимаем к установке насос марки НД 1 000/10 производительностью Q = 2,78∙10-4 м3/с и напором H = 100 м.ЗаключениеСцельюувеличенияэффективностипроцессаисниженияэкономическихзатрат была разработана комплекснаятехнологияполучениямолокосвёртывающегоферментаврезультатеодногокультивирования.ДлявыделенияцелевыхпродуктовиспользоваласькультуральнаяжидкостьгрибаCoprinuslagopides.Выполнен проект определения по производству микробиальногомолокосвертывающего фермента мощностью 10 т/г по готовому продукту. Выбрана и обоснована технологическая схема для осуществления данного процесса, подобрана и рассчитана распылительная сушилка, произведены расчет и подбор числа ферментаторов, стерилизатора, сепаратора и оборудования фильтрации. Технологическая схема приведена на Листе 1 Графической части проекта.Выполнены материальные расчеты технологического процесса, приняты объемно-планировочные решения по размещению оборудования на плане и разрезе здания. Компоновка цеха приведена на Листе 2 Графической части проекта.Получениекультуральной жидкости осуществляется в ферментатореэрлифтного типа объемом 63 м3. Итоговое разделение производится в ультрафильтрационной установки с площадью фильтрации не менее 18,67 м2. Чертеж аппарата ультрафильтрации приведен на Листе 3 Графической части проекта.Список использованных источниковСпособ получения коллагенолитического фермента: пат. 2758788C1 Российская Федерация, М.М.Шамцян, Е.В.Воробейчиков, Д.В.Фотуньянц и др. заявл. 25.05.2020; опубл. 01.11.2021.Способ получения молокосвертывающего фермента из биомассы плодовых тел высших грибов: пат. 2815049 C1 Российская Федерация, Д.В. Минаков, С.Л. Тихонов, Я.В. Уразова и др.заявл. 31.10.2022; опубл. 11.03.2024. Питательная среда для выращивания продуцента молокосвертывающего фермента Piptoporusbetulinus – продуцента молокосвертывающего фермента: пат. 2814594 C1 Российская Федерация, Д.В. Минаков, С.Л. Тихонов, Я.В. Уразова и др.заявл. 23.11.2022; опубл. 01.03.2024. Способ получения молокосвертывающего фермента: пат. 2354698 C2 Российская Федерация, Т.А. Дмитриева, М.М.Шамцян, Н.П. Денисова и др.заявл. 12.09.2006; опубл. 10.05.2009. Штамм Aspergillusniger– Продуцент лимонной кислоты: пат. 2558228 C2 Российская Федерация, Н.Ю. Шарова, Т.В. Выборнова.заявл. 19.11.2013; опубл. 27.07.2015. Ферментный препарат тромболитического и фибринолитического действия из базидиального гриба рода Coprinus: пат. 2435848 C1 Российская Федерация, М.М.Шамцян, Н.Н. Патрищев Н.П. Денисова и др.заявл. 31.05.2010; опубл. 10.12.2011. Способ производства сычужных сыров: пат. 2271114 C2 Российская Федерация, А.Н. Белов, И.М. Мироненко, Е.А. Тюкова.заявл. 09.10.2003; опубл. 10.03.2006. Способ производства сычужного сыра: пат. RU25810739 C1 Российская Федерация, М.М, Камель, Е.П. Акузина, Е.Г. Ковалева и др.заявл. 14.12.2022; опубл. 28.12.2023.Способ производства грибов: пат. RU2689951 C1 Российская Федерация, М. Маурицио.заявл. 30.09.2016; опубл. 29.05.2019.Способ производства сычужного фермента: пат. RU2155809 C1 Российская Федерация, В.И, Квасенков, В.Б. Пенто.заявл. 11.05.1999; опубл. 10.09.2000.Колесников Б.А. Разраьотка технологии получения гидрофобиновгриьов для применения в пишевых отраслях. Диссертация на соискание степени к.т.н. – Санкт-Петербург, 2018. – 170 с.Технология микробного синтеза антибиотиков, витаминов иферментов : электронный курс лекций для студентов специальности 1-48 02 02 «Технология лекарственных препаратов» специализации 1-48 02 02 01 «Промышленная технология лекартственных препаратов» / И. Н. Кузнецов. – Минск : БГТУ, 2018. – 175 с.Сутягин В.М., Бочкарев В.В. Основы проектирования и оборудование производств органического синтеза: Учебное пособие /В.М. Сутягин, В.В. Бочкарев; Томский политехнический университет. – 2-еизд. -Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2009. – 188 с.Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии, 10-ое издание, переработанное и дополненное. // Под ред. П.Г. Романтшва. – Л.: Химия, 1987. – 576 с.Лиофильная сушилка VLP. Технические характеристики [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://vilitek.ru/products/liofilnye-sushki/ekonomichnye-liofilnye-sushki/Дытнерский, Ю. И. Основные процессы и аппараты химической технологии. Пособие по проектированию [Текст] / Ю. И. Дытнерский, – М.: Химия, 1983. – 270 с.Багров И. В., Шаханов В. Д., Чулкова Э. Н. Процессы и аппараты химической технологии. Тепловые и массообменные процессы [Текст] / Под ред. проф. Л. Я. Терещенко. – СПб.: С.-Петерб. государственный университет технологии и дизайна, 1998. – 103 с.