РЕФЕРАТ Дипломный проект содержит 89 с., 28 таблиц, 15 источников, 4 рисунка. ФУМАРОВАЯ КИСЛОТА, ЯБЛОЧНАЯ КИСЛОТА, ФУМАРАТГИДРАТАЗА, ФЕРМЕНТАТИВНЫЙ МЕТОД, МЕТАБОЛИЗМ, ПЕРМИБИЛИЗАЦИЯ. Объектом исследования является производство пищевой яблочной кислоты. в технологическом разделе дана общая характеристика и технология процесса производства пищевой яблочной кислоты. В экономическом разделе инвестиционный проект производства пищевой яблочной кислоты, а так же определены технико-экономические показатели производства. В разделе безопасности и экологичности проекта разработаны мероприятия для ведения безопасного технологического процесса производства пищевой яблочной кислоты. Автоматизация технологического процесса производства пищевой яблочной кислоты представлена в разделе автоматизации. В экспериментальном разделе разработана методика идентификации микроорганизмов.
					0200 000000 011ПЗ
Изм.	Лист	№ докум.	Подпись	Дата
Разраб.		Насибуллина			Производство яблочной кислоты	Лит.			Лист	Листов
Рук.проекта		Василова					У		3	89
Н. контр.		Прищепов				УГНТУ ТБ-09-01
Рецензент

СОДЕРЖАНИЕ

с.

Определения, обозначения и сокращения …………………………………………6

Введение……………………………………………………………………………..7

1 Литературный обзор……………………………………………………………..10

1.1 Введение………………...

2 Технологический раздел…………………………………………………………16

2.1 Выбор и обоснование технологической схемы производства…………….

2.2 Технологический расчет ……………………………………………22

2.3 ….

2.4 ……………………………………………

2.5 …………………………………………………

3 Экономический раздел …………………………………………………………..47

3.1 Расчёт производственной мощности установки и выпуска продукции…….

3.2 Расчёт капитальных затрат…………………………………………………….

3.3 Расчёт численности персонала ………………………………………………

3.4 Расчёт годового фонда заработной платы…………………………………...

3.5 Расчёт и калькуляция себестоимости очищенных стоков………………….

3.6 Обоснование экономической эффективности проекта ........……….…….....

4 Средства измерения и контроля………………………………………………..

4.1 Анализ технологического процесса как объекта управления………….…..

4.2 Выбор средств автоматизации…………………………………………….…

4.3 Описание систем контроля, регулирования, сигнализации, защиты….…..

5 Безопасность жизнедеятельности………………………………………….…..74

5.1 Характеристика производства………………………………………………..

5.2 Обеспечение пожаро– и взрывобезопасности………………………………

5.3 Электробезопасность…………………………………………………………

5.4 Санитарно–гигиенические требования……………………………………..

5.5 Безопасность в чрезвычайных ситуациях…………………………………..

6 Экология………………………………………………………………………...

6.1 Описание технологического процесса……………………………………...

6.2 Токсичные вещества в очищаемой и очищенной воде……………….……

6.3 Сброс очищенных сточных вод в водные объекты……………….………..

6.4 Утилизация отходов биологических очистных сооружений……….……...

7 Экспериментальный раздел…………………………………………...….……

7.1 Материалы и методы…………………………………………………...……

7.2 Результаты и их обсуждение……………………………………….………...

Заключение………………………………………………………………………..

Список использованных источников……………………………………………

Перечень сокращений

ВВУ – вакуум-выпарная установка

ПААГ – полиакриламидный гель

ПДК – предельно-допустимая концентрация

ЯК – яблочная кислота

Введение

Микробиологическая промышленность страны обладает высоким потенциалом по развитию производств, базирующихся на микробиологическом синтезе и обеспечению значительного роста выпуска продукции. Микроорганизмы, обладая широким набором разнообразных ферментов, способны образовывать в процессе жизнедеятельности различные продукты обмена, весьма ценные для практической деятельности человека.

Микробиологическим синтезом получают продукты, производство которых химическим путем либо невозможно, либо сложно и дорого. Например, при микробиологическом производстве ферментов, антибиотиков, витаминов все процессы протекают достаточно быстро при сравнительно низких температурах (20-60⁰С) без использования высокого давления и глубокого вакуума. При этом значительно упрощается технология производства, уменьшаются капиталовложения и эксплуатационные расходы.

В настоящее время большинство органических кислот, в особенности для пищевой и фармацевтической промышленности, получают микробиологическим путем. За последние годы внедрены в промышленность получение некоторых органических кислот с помощью иммобилизованных клеток микроорганизмов или ферментов.

В технологической части данного дипломного проекта разрабатывается метод получения пищевой яблочной кислоты из фумарата с помощью пермибилизованных клеток. Использовались клетки дрожжей Saccharomyces cerevisiae пермибилизованные 0,2 % - ным раствором цетил-3-метил аммоний бромида.

Целью экономического раздела дипломного проекта является определение себестоимости производства пищевой яблочной кислоты.

В разделе безопасности и экологичности проекта рассматриваются вопросы проектирования безопасного для человека и безвредного для окружающей среды производства для того, чтобы человек в процессе труда чувствовал себя комфортно, и производил качественную продукцию, не нанося при этом урона окружающей среде. Для предотвращения возникновения чрезвычайной ситуации, для обеспечения безопасной работы обслуживающего персонала предусматриваются возможности возникновения аварий, взрывов, нарушений технологического режима и предлагаются безопасные и «правильные» режимы ведения технологического процесса и меры по предупреждению чрезвычайных ситуаций.

1 Литературный обзор

1.1 Введение

В настоящее время органические кислоты находят широкое применение. Они используются в фармацевтической промышленности, в производстве пластификаторов, ряда полимеров, в кожевенной промышленности и т.д. Кроме того, органические кислоты могут являться исходным сырьем для тонкого органического синтеза, в частности для получения некоторых аминокислот. В настоящее время подобраны условия для выращивания микроорганизмов – продуцентов ряда органических кислот на н- парафинах и других побочных продуктах нефтехимической промышленности. Таким образом, оказалось возможным получить молочную, фумаровую, яблочную, янтарную кислоты с выходом до 60 – 85 % [1 ].

Яблочная кислота, участвуя в цикле Кребса, играет важную роль в метаболизме живых микроорганизмов. Она кислота применяется в кондитерской промышленности (желе, мармелад), в производстве газированных безалкогольных напитков, соков, молочных продуктов, в качестве стабилизатора эмульсии яичного желтка, а также при производстве бакалейных продуктов. Рекомендуемая дозировка – 0,5-0,6 %. Используется как подкислитель, антисептик пищевых продуктов (является хорошим заменителем лимонной кислоты). Она менее кислая, чем лимонная и виннокаменные кислоты, поэтому её добавляют на 20-30% больше.

Находит она применение в получении редких металлов в качестве комплексообразователя, и в микробиологической промышленности в качестве одного из компонентов питательных сред [2].

Яблочная кислота наиболее широко распространена в растительном мире. Этот факт обусловлен ее особой ролью в обмене веществ у растений. Она играет важную роль при минеральном питании растений; она первой накапливается в корнях растений при поступлений в них минеральных солей, нейтрализуя катионы.

Обыкновенная яблочная кислота, L – кислота, открытая Шееле, находится в соках многих растений в свободном состоянии, как, например, в соке неспелых яблок, винограда, крыжовника и др. В виде кислой калиевой соли она найдена в листьях и побегах барбариса. Для добывания удобно пользоваться соком неспелой рябины, откуда яблочная кислота может быть выделена в виде кальциевой соли. Листья хлопчатника являются сырьем для промышленного получения яблочной кислоты [3].

Яблочная кислота является оздоровительным компонентом: повышает тонус, защищает печень, компенсирует почечную недостаточность, лечит от гипертонии. Она используется в медицине как компонент улучшающий восприимчивость и усвоение лекарств, может входить в состав инъекций аминокислот, непосредственно участвующих в обменных процессах организма (цикл Кребса), так как способна уменьшить их потери. Кроме того, L – яблочная кислота снижает опасное воздействие противораковых лекарств на эритроциты.

Является главным компонентом в препаратах парентерального питания для больных с гипераммониемией. Она снижает повышенный уровень свободных фенолов в крови за счет высокой способности соединения фенолов с глюкуроновой кислотой. Яблочная кислота обеспечивают организм энергией.

Использование в косметике определяется ее антиокислительными, очищающими, увлажняющими, противовоспалительными свойствами. Вводится в готовые изделия в виде концентратов либо экстрактов из мякоти яблок, вишен, брусники и другого растительного сырья.

Величина допустимого суточного потребления яблочной кислоты не установлена [4].

Представители НАСА и фирмы "Spacehab, Inc.", предоставляющей в аренду места для экспериментов в лабораторном модуле на борту космического корабля, описали развитие программы коммерческих исследований в космосе. В эксперименте, проведенном совместно с фармацевтической фирмой "Upjohn Co.", удалось синтезировать высококачественный кристалл протеина, известного как яблочная кислота. Это вещество играет критическую роль в распространенном в слаборазвитых странах паразитическом заболевании кишечника. Установить структуру вещества удалось только для полученного в космосе кристалла. Теперь ученые разрабатывают лекарство, которое сможет взаимодействовать с яблочной кислотой и таким образом контролировать болезнь[5].

Приоритетным направлением развития пищевой промышленности является внедрение нетрадиционного, дешевого растительного сырья повышенной пищевой ценности. В этом отношении одним из перспективных природных источников биологически ценных веществ является сахарная свекла, которая относится к общедоступным и недорогим видам сырья. По пищевой ценности свекловичное пюре, по сравнению с яблочным, обладает повышенным содержанием углеводов, белков, клетчатки, пектиновых и минеральных веществ (К, Са, Na, Mg, P), однако уступает по содержанию витаминов и др.

Разработанная технология карамели с начинками на основе свекловичных полуфабрикатов прошла производственную проверку, отработаны параметры на поточно-механизированной линии по производству карамели с жидкими начинками. Экспериментальные исследования подтвердили экономическую и технологическую целесообразность внедрения данных способов на промышленных предприятиях [6].

Яблочная кислота (оксиянтарная кислота) представляет собой бесцветное кристаллическое вещество, хорошо растворимое в воде и этаноле, плохо – в эфире. Относится к семейству двухосновных оксикарбоновых (фруктовых) кислот. Является одним из важных промежуточных продуктов обмена веществ в живых организмах. Довольно трудно кристаллизующееся (обычно в иглах), легко расплывающееся, бесцветное тело; плавится при 100 °C; водный раствор (слабый) вращает влево плоскость прямолинейно поляризованного луча; с изменением концентрации, температуры, в присутствии кислот – величина вращения и даже его знак могут меняться ввиду сложности наблюдаемых явлений. Установлено строение L – яблочной кислоты и некоторые реакции ее распада. Двухосновность кислоты устанавливается существованием двух родов солей: кислых и средних. Нормальное строение — восстановлением с помощью йодистого водорода в янтарную кислоту:

СООН.СН (ОH).СН _2.СООН + 2HI = СООН. (СН ₂)₂.COОH + H₂O + I₂

и превращением при нагревании с бромистым водородом в бромоянтарную кислоту:

CООН.CН_{2 .}СH(OH).COОH + HBr = CООН.CH₂ СНBr.СООН + Н ₂O;

Водный остаток присутствует из-за ацетиляблочной кислоты:

СООН.CH (OC ₂H₃)CH_2.COОH,

получающейся при действии воды на ацетиляблочный ангидрид, образующийся в свою очередь при действии хлористого ацетила на яблочную кислоту. Как α – оксикислота яблочная кислота распадается под влиянием минеральных кислот на муравьиную кислоту и альдегидкислоту:

CООН. СН(ОН).СН _2.СООН = НООС.Н + НОС.СН ₂.COО H

(альдегидмалоновая кислота),

в высшей степени нестойкую и превращающуюся при этом в кумалиновую кислоту

СООН. СН ₂.СОН = 2Н ₂О + С ₆ Н ₄О ₄

(кумалиновая кислота);

этим же распадением объясняется и образование из яблочной кислоты при кипячении со слабой серной кислотой: окиси углерода, углекислого газа и обыкновенного альдегида: С ₄ Н ₆ О ₄ = СО + СО ₂ + С ₂ Н ₄ О + Н ₂ О, так как CO и H ₂ O представляют продукты распада муравьиной кислоты , а СО ₂ теряется альдегидомалоновой кислотой, дающей одновременно альдегид:

НОС.СН ₂.СОН = СО ₂ + Н ₃ С.СОН.

Из других реакций распада яблочной кислоты интересно отметить реакцию потери ею при нагревании воды с образованием, смотря по условиям, фумаровой или малеиновой кислот:

СООН.СН(ОН).СН ₂.СООН = СООН.СН:СН.СОО Н + Н ₂ О.

Известны многочисленные соли и эфиры как самой L–яблочной кислоты, так и ее многочисленных эфирокислот.

Раньше L-яблочную кислоту выделяли из растительного сырья: отходов листьев хлопчатника, фруктовых соков. В настоящее время L–кислота может быть получена из обыкновенной аспарагиновой (аминоянтарной) кислоты или аспарагина при действии азотистой кислоты:

СООН.СН_2.СН(NН ₂)СН _2.СООН + НNO₂ = N ₂ + H₂O + CООН.CH(OH)CH_2.COОH;

Также из рацемической яблочной кислоты с помощью кислой соли цинхонина или из D– яблочной кислоты, переходя через L– хлороянтарную кислоту и действуя на нее окисью серебра. Возможно получение восстановлением L– винной кислоты йод водородом при 130 °С. Недостатком всех этих методов является то, что яблочная кислота получается в виде рацематов и не имеет пищевой квалификации[7].

Яблочную кислоту можно получать методом промышленной ферментации, путем совместного культивирования на глюкозосодержащих средах микроорганизмов, синтезирующих фумаровую (Phizopus arrhirus), а из нее уже яблочную кислоту (Pichia membraneafaciens). Существует ферментативный способ получения яблочной кислоты, представляющий одностадийную реакцию гидратации фумаровой кислоты. Этот процесс катализирует фумаратгидратаза, или фумараза, широко распространенная у различных таксономических групп микроорганизмов. Недостатком этих методов является то, что активность фермента падает с каждым циклом, поэтому их необходимо стабилизировать.

Итальянские исследователи использовали колонку с очищенной бактериальной фумаразой, иммобилизованной на волокнах из триацетата целлюлозы, за 100 дней работы при 25 °С снизила активность на 25 %. В этих условиях 0,5 М раствор фумаровой кислоты на 70 % превращался в яблочную.

Получение L–яблочной кислоты из фумаровой при помощи иммобилизованных клеток микроорганизмов с высокой фумаразной активностью

Заключенные в полиакриламидный гель (ПААГ) клетки Brevibacterium ammoniagenes были использованы для трансформации фумаровой кислоты в яблочную. Дополнительная обработка клеток бактерий субстратом, содержащим желчные кислоты или дезоксихолат, не только повышала в 7-8 раз активность биокатализатора, но и подавляла в 10-20 раз образование побочного продукта этого синтеза - янтарной кислоты, ингибируя активность сукцинатдегидрогеназы. Были подобраны оптимальные условия для непрерывного получения яблочной кислоты в колонке с иммобилизованными клетками Brevibacterium ammoniagenes, предварительно обработанными 0,2 % - ным раствором желчного экстракта. При рН 7.0, температуре 37 °С и удельной скорости элюции 0,2 ч^-1 1 М раствор фумаровой кислоты на 70 % превращался в яблочную кислоту. В этих условиях время полужизни свободных клеток было равно 6 суткам, а иммобилизованных в ПАГГ – 55 суток.

В Японии синтез L– яблочной кислоты осуществляют при помощи клеток Brevibacterium ammoniagenes, иммобилизованных в каррагинане, в 2,5–5 % полисахаридном геле, полученном из морских водорослей. Этот гель лишен некоторых недостатков полиакриламидного, таких, как токсичность мономеров и легкая набухаемость. Продолжительность функционирования иммобилизованных в каррагинане клеток бактерий при синтезе яблочной кислоты достигала 75 суток, и эффективность работы этого биокатализатора была в 1,5–2,3 раза выше, чем при иммобилизации в ПААГ.

У микроорганизма Brevibacterium flavum фумаразная активность выше в 1,5–2 раза. После иммобилизации в каррагине клеток Brevibacterium flavum стабильность этого биокатализатора сохранялась в течение 160 суток, и продуктивность синтеза яблочной кислоты возросла почти в 5 раз по сравнению с клетками Brevibacterium flavum, иммобилизованными в ПААГ. Используя однократно приготовленный биокатализатор в колонках проточного типа, можно производить до 100 т яблочной кислоты [2].

D– яблочная кислота может быть получена только искусственно, а именно: восстановлением HI обыкновенной винной кислоты:

СООН. СН(ОН).СН(ОН).СООН + 2HI = СООН.СН(ОН).СН ₂.COОH + H₂O + I₂

( Исследователь Бремер, разъяснивший эту реакцию неправильно назвал D– кислоту антияблочной кислотой), или действием HNO₂ на D – Аспарагин.

По физическим свойствам является буквальным повторением L– кислоты, тождество химических превращений.

DL – яблочная кислота находит применение в производстве косметики, моющих средств, очистителей металла, текстильной промышленности.

DL – яблочной кислота – кристаллическое тело, не действующее в растворах на поляризованный свет, плавится при 130 – 131°C; она труднее растворима в воде, чем оптически деятельная кислота, и легче кристаллизуется. По химическим свойствам аналогична предыдущим D и L–яблочным кислотам. При нагревании большей частью перегоняется в виде ангидрида (малида).

DL–яблочная кислота (D+ L кислота) может быть получена:

1) охлаждением ниже 72 °С нагретой смеси водным раствором кислых аммиачных солей D и L– яблочных кислот;

2) из фумаровой кислоты, нагреванием ее с водой до 150 – 200 °С;

3) нагреванием с едким натром фумаровой кислоты или малеиновой кислоты;

4) из монобромянтарной кислоты при нагревании с окисью серебра или при нагревании ее кальциевой-соли с водой (NaOH, Танатар);

5) из недеятельной аспарагиновой кислоты при действии NO.OH;

6) при восстановлении HI виноградной кислоты;

7) из щавелевоуксусного эфира при восстановлении в кислом растворе амальгамой натрия;

8) при омылении KOH нитрила, образующегося при действии KCN на Br.CH:CH.Br;

9) при действии KOH на γ-трихлор- β-оксимасляную кислоту:

Cl₃C.CH(OH).CH₂.СОO Н + 3KOH = CООН.СН(ОН).СН ₂. СОО Н + 3KCl + Н ₂ О /7/.

В технологическом разделе дипломного проекта предложена технология получения L – яблочной кислоты из фумаровой, с помощью клеток дрожжей пермибилизованных цетил-3-метил аммонийбромидом. Этот метод имеет преимущества перед остальными. Пермибилизованные клетки не требуют затрат на культивирование микроорганизмов, а также на выделение и стабилизацию ферментов. Фумаровая кислота является побочным продуктом в некоторых реакциях химического синтеза.

16