Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Совершенствование технологии получения концентрата витамина В12 на основе метанового сбраживания

ВАК РФ 03.00.23, Биотехнология

Автореферат диссертации по теме "Совершенствование технологии получения концентрата витамина В12 на основе метанового сбраживания"

Я <г> \

На правах рдкописн

ПЕТРЕНКО АНАТОЛИИ АЛЕКСАНДРОВИЧ

СОВЕРГСНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ КОНЦЕНТРАТА ВИТАМИНА В 12 НА ОСНОВЕ МЕТАНОВОГО СБРАШАНИЯ

Специальность 03.00.23 - Биотехнология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

В о с к в а - 1996

Работа пополнена на базе Пцстоиового завода /г.Грозный/ и Яотошинспого пннтиого биотехно логического производства.

Научный руководитель: член-корреспондент Российской и Иевдународной Иняенсрной Академии доктор технических наук.профессор А.В.Винаров

Официальные оппоненты:'доктор технических паук.профессор Борнсснко Е.Г.

доктор химических наук.профессор Ямской И.П.

В случая организация : Московская . . ветеринар пая Академия им. К. И. Скрябина

Злцита состоится -28- идя§РЯ_ 1Эзе г „ ,|ас0„ |ш заседании диссертационного Совета К 063.51.04 ; Московской Госуларстпснной Академии пицевых производств но адресу: 125000 Москва.Волоколамское в.11.

С диссертацией кото ознакомиться в библиотеке Пкадеиии. Автореферат разослан " " _окгябВ?|дддг

Учений Секретарь Диссертационного Совета кадидат технических наук.доцепт

О.И.Тихомирова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА Актуальность темы

В настоящее время разработка и освоение новых биотехнологических процессов занимают важное место среди актуальных направлений развития науки и промышленности многих стран. Это закономерно, поскольку в эпоху превращения науки в непосредственную производительную силу, практическое использование результатов научных исследований становится средством рыночной экономики. Лидирующее положение в биотехнологии занимают США и Япония. Сфера деятельности компаний этих государств распространяется как на производство с помсщыо микроорганизмов белков, аминокислот, ферментов, витаминов, органических кислот, так и на биоутилизацию отходов сельского хозяйства и промышленности.

Исследование рынка сбыта биотехнологических продуктов показало, что существует тенденция возрастания потребности многих стран в кормовых добавках, необходимых для замены и обогащения растительных кормов при колебаниях урожая и повышении цен на них.

В России существуют биотехнологические производства кормовых белковых концентратов, из различных источников сырья, одним из важнейших направлений этих работ является разработка микробиологического производства дефицитных кормовых концентратов витамина В12.

Недостаток витамина В12 в естественных кормах и в целом в рационе с/х животных связан с неспособностью высших организмов синтезировать витамин В12, а химический синтез этого соединения досточно сложен и требует больших капиталовложений.

Разработанный биотехнологическии способ получения кормового концентрата В12 основан на процессе метанового сбраживания отходов сельского хозяйства в частности навоза, ацетонобутидовой барды заводов, перерабатывающих зерно и мелассу.

Однако, расширений использования этой технологии к дальнейшее рйввктие устазошк метанового брожения связано прежде всего о совершенствованием н изтенсй^кшцией процессов к аппаратов, повышением аффект ивноети к надежности установок.

Сснозше щюбгеш ври з?ш вкаочазз? разрайотф ферментационного оборудования, создааш экологически безопасного процесса, обеспечивающего повышение производительности аппаратов, улучшение качества я повышение выхода-целевого нродукта - алтаэйша В12.

В связи .с зтны даль данной работы - разработка интенсивного био-технологичеекого процесса метанового сбрааивания ацетонобуткдовой барды. увеличение выхода целевого продукта - витамина и повышение технологической устойчивости » надежности процесса.

Работа вшюднена на базе Грозненского ацетонового завода и Лото-шинского опытного биотехнодогичеекого производства.

SayiKes uwsassL gsaSesa

Теоретически обоснована и акспериментаяьао проверена возшкнссть создания устойчивого непрерывного биотехнологичеекого щюцаеса уетано--EGFO сбраживания-е организацкеГ* рециркуляции метановой бражки.

Оптимизирован состав питательной среды, возводящий повысить содержание витамина В12 в готовой продукте.

Установлено влияние добавок гарСаикда на эффективность синтеза витамина BIS и экспериментально показано, что при добавлении карбаюэда в количестве £0-40 мг/л найлэдается увеличение в готоэш продукте содержания цешш бксяогйчеоки активных ко&шонейтов, содерзащия в активной форме витаййа Б12, на 20-30Z. Усовершенствована ехеыа автоиатичес-кого управления и аппаратурного оформления процесса метанового сбраживания. Предложен метод эффективного регулирования кратности рециркудя-

дии, что обеспечивает стабилизацию параметров процесса и качества готового продукта.

Цраявзчесяая дезшосзъ

Разработан и рекомендовал для промышленной реализации процесс метанового брожения с рециркуляцией метановой бражки, обеепечивавдий увеличение производительности по витамину В12 на 252.

Разработана схема автоматического управления процессом метанового сбраживания с рециркуляцией метановой бражки, • реализация которой позволяет стабилизировать процесс брожения, повысить его эффективность.

Разработано устройство для непрерывного отбора проб геидкости в непрерывно работающем аппарате. Новизна н целесообразность разработок подтверждены авторскими свидетельствами н публикациями. Результаты работы были использованы при создании опытно-проиьшкнной .биотехнологической установки по получению кормового концентрата витамина В12 на базе Грозненского, института нефти (1988 г.) и рекоиендованы для реализации на опытном биотехнологическш производстве.

Ащ»баска ргйоту п пубгжацкз

Материалу исследований обсувдалнсь на конференции: "Биотрансформация растительного сырья (Тбилиси,1987 г.), научно-технических совещаниях по автоматизации химических процессов (Грозный 1976,1984гг.),а такка рассматривались в публикациях: в аурналах "Прикладная биохимия и микробиология", сборнике "Автоматизация микробиологических производств". Но материалам диссертационного исследования получено 7 авторских свидетельств.

Стру,геура и об&ш работы

Работа состоит ив введения и Б глав, где даны обзор литературы, методик исследования, а также результаты собственных разработок. Список литературы включает SO работ. Диссертация изложена на •120 стр.

Сажврюидю работа

Введение

Во введении формулируется актуальность и основная цель диссертации.

Перовая глава посвящена анализу литературных данных, касающихся биосинтеза витамина В12 и метана микроорганизмами.

Приведен обзор существующих способов получения витамина В12 и биогаза. Отмечены особенности биосинтеза витамина В12 смешанной культурой метанобразующих микроорганизмов. Показано, что процесс метанового сбраживания ацетонобутиловой Сарды - процесс многостадийный, позволяющий решить три задачи: очистить сточные воды ацетонового производства, получить кормовой концентрат витамина В12 и обеспечить энергией производство га счет использования выделяющегося биогаза. Описана технологическая схема производства концентрата В12. включающая следующие технологические процессы: процесс микробиологического сбраживания отходов ацетонобутилового производства биоценозом термофильных метанобраэую-щих бактерий; стабилизацию метановой бражки; сгущение и концентрирование ее на выпарных аппаратах; сушку сгущенной массы на распылительных сушилках. Отмечено, что стадией, определяющей максимальную производительность производства, является стадия ферментации, при этом получение максшального выхода продукта на этой сгадиии, определяется составон срели.

Рие.1 Схема отбора проб из непрерывно работающего ферментатора и система основных КИП. 1-5 - пробоотборные устройства

Рис.2 Состав биосуспензии на разных уровнях по высоте

ферментатора: 1-барда, 2- конус, 3,4 - середина аппарата 5 - переливная труба.

Во Второй главе приведены л£ТОДЫ жт/едомни«tоЬрлЬогка /whhoix и аппарат

по принципу вытеснения, (схема ряс Л). Сшгзу б конусную часть аппарат; подавалась барда, либо смесь барды н рецгфкрлируюеьшй бражки, caepxj через переливную трубу непрерывно отводилась метановая брахка, отходящий газ: смесь метана и углекислого газа, поступал в газгольдер.

Перемешивание среды в ферментаторе осуществлялось за ече? образующихся пузырьков газа по высоте аппарата.

Для отбора проб из ферментатора бшш разработаны устройства в виде трубок, концу которых били среааны под углом навстречу потоку жидкости, позволяющие отбирать культуральную жидкость для анализа . на расстоянии 1 и от внутренней стенки ферментатора.

В третьей главе представлены результаты исследования по определяю параметров непрерывного процесса сбраживания в опытно-промшленном ферментаторе с рабочим объемом 250 куб.и при Т - 55-97 градусов С, pH

на выходе 7,6 - 8,0. Проведен анализ взаимосвязи между параметрами

<

термофильного непрерывного процесса метанового сбраживания ацетонобу-тиловой барды в разных гонах ферментатора.

Из всех входных параметров, определяющих ход процесса брожения, только расходы добавок барды и ее температура йеляются управляемыми, а остальные характеристики перерабатываемой барды зависят сч работы ацетонового вавода.

Статистический анализ изменения технологических показателей в ходе длительной (3 месяца) работы завода, по "мере изменчивости" "h". выраженной в процентах относительно среднеквадратичного отклонения к математическому ожиданию параметра х показал, что колебание кислотности. содержания редуцирущих веществ, общего азота, небелкового азота составляет 20 - 332. При этом "мера изкекчивосги" управляемых параметров составляет 15 - 221. Анализ выходных показателей показал, что поч-

Метан, углекислый газ

а 1 а метановая бражка

¡1 5-выделение

! I концентрата

I I-1 В12

I I I

1 I ■ " | бражка

| | ( РВ - 0,015-0,039 %

|-РН - 7,7-8,0

| Витамин В12 - 600-700

Биомасса - 4-5г/л)

Барда

(РВ -0,4 - 0,6% РН - 1,5-4,0) Рис.3 Схема реализации процесса биосинтеза с

рециркуляцией метановой бражки в вертикальном ферментаторе с переливным устройством.

ти все они изменяются в пределах 20% и более. Наибольшее колебание наблюдается у показателей редуцирующего вещества (40%), содержания витамина В12 в готовом продукте (12 - 33%). Таким образом, возникает актуальная эадача уменьшения влияния неуправляемых входных параметров на процесс путем их стабилизации.

При сопоставлении показателей барды и метановой бражки была отмечена обратная зависимость в значениях одних и тех же показателей на входе и выходе жидкости из ферментатора (рис.2,3). Это позволило сделать вывод о возможности выравнивания, ряда параметров барды путем разбавления ее метановой бражкой за счет рециркуляции биосуспензии. Возмущения, оказываемые колебаниями состава барды, могут компенсироваться подачей различных количеств метановой бражки при ее рециркуляции в процессе.

С целью выявления влияния рециркулирующего потока метановой бражки на процесс метанового брожения был поставлен активный эксперимент в ферментаторе Vp- 250 куб.м (рис.2), используя для оптимизации параметров "симплекс метод".

При проведении эксперимента с целью уменьшения воздействия на процесс брожения, а также с учетом погрешности приборов, нами были выбраны интервалы варьирования для расходов барды и рециркулирующего потока соответственно 0,65 - 1,2 куб.м/час. В качестве исходного был взят режим: количество метановой бражки, подаваемой на рециркуляцию -1,2 куб.м/ч, а расход барды, подаваемой на ферментатор - 3 куб.и/ч.

Результаты проведения оптимизирующего эксперимента обработки данных представлены в работе. Полученные результаты показали, что использование рециркулирующего потока метановой бражки положительно сказывается на процесс брожения. Применение рециркуляции позволило увеличить концентрации витамина В12 на 30% по сравнению с режимом без рециркуляции. Рециркуляция позволила увеличить производительность фер-

а

ментера без нарушения процесса брожения в 2.1 раза. Таким образси, рециркуляцию метановой брапси целесообразно использовать для управления процессом брожения. При этом рециркуляционный поток стабилизирует качественные показатели барды, придает устойчивость процессу брожения, позволяет значительно увеличить концентрацию витамина В12 в метановой бражке.

В четвертой глатзэ исследована зависимость качества концентрата витамина В12 от состава питательной среды.

Изучение биологической активности кобаламинов при добавлении их в рацион животных и человека показало, что активными являются аналоги,• содержащие производные бензимидазола - 5.6 димитилбензимидазол (истинный витамин В12) и Б-оксибензимидазол.

При метановом сбраживании ацетонобутнловой барды синтезируется комплекс кобаламинов, в котором содерзрттся 8СР. биологически активных форм. Нами была исследована возможность повышения концентрации биологически активных форм кобаламинов путем введения в зону ферментации добавок карбамида. Исследования проводили в опытном ферментаторе объемом Ур - 5 куб.м. Питательная среда для культивирования микроорганизмов содержала ацетонобутиловую барду, метиловый спирт - 2%, соли двухвалентного кобальта - 10 мг/л, 5,6 - диметилбензимидазол - 2 мг/л, сернокислый никель - 5 мг/л. В процессе исследования варьировали концентрацией карбамиды в диапазоне от 10 до 300 мг/куб.м, количеством рециркулирующей культуральной жидкости.

В результате достоверных экспериментальных данных было установлено, что добавление мочевины в количестве 40 мг/л вызывает повыиение накопления кобаламинов в культуральной жидкости -на 63%, при этом уве-~ личивалось как общее количество биологически активных форм, так и доля йофйнвого вкташна В12 (рис. 4). При ревджу&щии метановой бражки (Кр=

Кобаяамины , мг/л

Биологически активные 110 формы кобаламинов % от общего количества

карбамид

Рис. 4 Влияние добавок в тггататьную среду карбамида

на синтез кобаяаминов ( I ) и на содержанием в них биологически активных &орм (.2 )

Кобаламины, мг/л

Биологически активные формы коболаминов % от общего количества

*рР°'п 1щбоамид, 40 мг/л Рис.. 5 ,Влияние коэффициента рециркуляции метановой бражки

на общее количество синтезируемых кобаламинов (I) и на

содержание в них биологически активных форм ( 2)

= 0.2 - 0.3) и добавленшв среда' мочевины в количестве 40 мг/л, отмечалось повышение содержания истинного витамина В12 по сравнения» о контролем на 20-302.

В пятой г дало описывается усовершенствованная схема автоматического управления процессе« метанового сбраживания и результаты промыш-' ленных испытаний процесса метанового сбраживания с рециркуляцией метановой бражки в ферментерах. Показано, что усовершенствованная схема автоматического регулирования количества подаваемой барды и метановой бражки по содержанию метана в выходящем газе с коррекцией по рН ацето-нобутиловой барды, позволяет регулировать коэффициент рециркуляции в зависимости от поступающей барды.

Обобщенные опытные данные на рис.5 показывают эффективность разработанных технологических приемов: оптимальной рециркуляции метановой бражки и добавки в оптимальной концентрации карбамида в питательную среду - на целевой продукт - витамин В12, получаемый в процессе метанового .сбраживания.

Промышленные испытания разработанной технологии проходили на Грозненском ацетоновом заводе в течении 3-х месяцев в ферментаторе объемом Ур - 4200 куб.м. В период испытаний Т,рН соответственно составляли: 55 - 56 град. С, 7,7 - 8,0. Расход барды подаваемой на сбраживание изменялся в пределах 16-64 м?/ч, расход рецириулируешк метановой бражки составлял 32 - 60 иР/ч.

Для сравнения колебаний процессов метанового сбраживания был введен критерий нестабильности №), выраженный в виде:

^ог юо* к . -------.

п

рассчитываемый по значениям выходных показателей.

Результаты статистической обработки показателей непрерывного процесса метанового сбраживания без рециркуляции метановой бражки зг предшествующие 3 месяца испытаниям и показателей, полученных при проведении промыкленных испытаний разработанного процесса показали, чтс критерий нестабильности при реализации процесса без рециркуляции аг контрольный отрезок времени составил - 34,112, ас рециркуляцией -10,822. При этом суммарный проток при оптимизированном процессе черег ферментатор-можно было увеличить в 1,5 раза, без ухудшения технологических показателей: концентрации витамина В12, наличия биологически активных форм, количества выделяющегося метана.

Достигнутая стабилизация и повышение надежности процесса аа сче? оптимального режима рециркуляции позволило значительно интенсифицировать выходные показатели, что отражено в таблице 2. Увеличение производительности промышленного ферментатора практически в 1,9 раза позволяет существенно улучшить экономику всего производства.

г. Таблица 2

Показатели непрерывного прочесса метанового сбраживания в ферментаторе Vp - 4200 куб.м

Показатели | Без рециркуляции I С рециркуляцией

Концентрация вита- |

мша В12 мкг/л | 2500 3100

Производительность |

по витамину В12 [

Г/Л'. [ 0,10 0,10

Коэффициент неста- 1

бижьности процесса. | 34.11 10,82

Z |

Проток куб.к/4 | 40 60

h .7-

БОН

40

30

20 •

10

Z ■f

Витамин В12 Летучие жирные Аммиачный'ааот кислоты

Рис. 6 Колебание показателей процесса брожения на выходе из ферментатора с регуляцией метановой бражки (-0 и без нее (г)

Таким образом, результаты проведенных на промышленном ферментаторе испытаний по реализации разработанной технологии и использованию рециркуляции метановой бражки подтвердили данные опытных исследований и показали, что рециркуляция способствует повышению устойчивости и продуктивности процесса биосинтеза витамина В12. (рис. 6).

Вшады

1. Исследован характер изменения входных и выходных параметров в процессе метанового сбраживания и установлено влияние этих параметров на производительность процесса и выход целевого продукта - витамина В12.

2. Предложен технологический способ саморегулирования и саырста-бшшзации процесса метанового сбраживания, ва счет организации рециркуляции метановой брзжси, при этом установлена возможность оптимизации процесса и повышение оеновнных технологических показателей.

3. Устаыоалено, что при оптимальности козэффициента рециркуляции достигается увеличение концентрации витамина В12 в метановой бражке на 25Х, производительности ферментатора по витамину В12 на 20-30% и увеличение концентрации метана в выходящем rase до 72Z.

4. Показано, что при рециркуляции Метановой бражки и добавлении в питательную среду карбамида происходит увеличение в готовом продукте биологически активных форм кобаламинов на 15Z.

51 Предложена усовершенствованная система автоматического регулирования процесса метанового сбраживания, позволяющая уменьшить колебания выходных параметров и повысить производительность процесса. _

6. Разработанная технология оптимального щх^едения процесса метанового сбраживания и получении витамина В12 проверен« в длительном непрерывном процессе в лрошииенном ферментаторе, объемом 4200 куб.м. При этом подтверждены основные результаты исследования и практически показана возможность) га счет совершенствования технологии, увеличения производительности процесса по целевому продукту в 1,9 раза.

7. Разработанные технологические и технические решения защитны авторскими свидекшлтвами и рекомендованы для промышленной реализации.

Иатефааии дшиньнаден к&кшзны в саадувдих работах:

1. Бабаянц A.B., Ханукаев Я.А., Петренко A.A. "Исследование процесса .метанового брожения как объекта автоматизации". Ст. "Автоматизация производственных процессов". Грозный. 1984.C. 12-16.

2. Керчивский A.B., Пб'х-рс-ако A.A., Еа&аянц A.B., Коадачова Л.Н., Пксыйгнкый В. А. "К вопросу определения и анализа погрешостей качественных показателей дродесеа брожения при управлении производством кормового концентрата витамина В12. // в ев. "Авзоуагизадия производственных процессов". Грозный. 1984. с. 23-24.

•3. Бабаянц A.B., лааукаеа Я.А., Петренко A.A. и др. "Исследование йарауегроз крусфцльного уетаноаого брожения а Ферментаторе с непре-р«внш потеком жщ№С?я".//г' Прикладная бисзшкя и иикроЗиошогия", т.?,зып.1. 19V1. с.43-4?.

4. Еабаяян А.Е., Ханукаев Я.А,, Корчзнский A.B., Штренко A.A., вопросу определения чаатош Намерения параметров процесса брожения в производства корммового концентрата витамина В12".// В св. "Автоматизация производственных процессов". Грозный. 1834. е.35-33.

б. Бабаяиц A.B., Ханугаев Я.А., Петренко A.A. и др. "Ееаледование возможности использования редаркулируизего потока иультуральной жидкости язв управления процессом термофильного метанового брожения". // "Прикладная биот*кя и микробиология", т.8. Вып.З. 1972.с.347-354.

6. Корчижжий A.B. .Бабаянц A.B., Петренко A.A. "ййор общего и частных критериев управления производством коршасго концентрата витамина В12".// "Автоггатязают производственных процессов". Грозный. 1884. С.52-04.

7. "Способ получения витаюша В12"„ /Авторское свидетельство СССР К 362046. Вукйн В.Я., Цейаэшн Н.П., Петренко A.A. н др.

8. "Способ автоматического управления процессом непрерывного бро-^ная'УАвторское езияетельстзо СССР К 271-46S. Бабешц A.B., Еропкин А.К.. -Заркцкай Й.М., Петренко A.A.

8. "Способ автоматического управления непрерывным процессом бро-а8ИЯЯв/Авторй1сое свидетельство СССР М 272518. Бабаянц A.B.-, Брошкин А.К., Кондакова Л.Н., Петренко A.A. и др.

10. "Устройство для непрорывного отбора проб" /Авторское свидетельство СССР N 313129. Ерошкин А.К., Петренко A.A., Бородай А.Г. и др.

11. "Способ автоматического управления процессом непрерывного сбраживания сырья"./Авторское свидетельство СССР N 327724. Бабаянц A.B., Ханукаев Я.А.. Оницук B.C., Петренко A.A. и др.

12. "Способ получения витамина В12". /Авторское свидетельство СССР N 311489. Бабаянц А.Б., Ханукаев Я.А.. Онищук B.C.. Петренко A.A.

13. "Способ автоматического управления процессом получения витамина В12"/Авторское свидетельство СССР N 366738. Бабаянц A.B., Петренко A.A., Ханукаев Я.А. и др.

s u H H A R Y

Dissertation is concerned with the technology and apparatus for production of vitamin B 12 on the basis of methane fermentation process. The new recycle method of cultivation was elaborated and tested in the Pilot and industrial scale.

Hie proposed technology allows to increase the productivity of biochemical Plant and guarantees the dependence of product <iuallty. It have been worKed out the technological conditions of cultivation process and optimal composition of waste gase3 from fermenter. The efficient technology was recoranended for industry.

Подписано в печать 16.10.96. Формат 6Qr84I/I6. Бумага офсетная. Гарнитура Тайме. Печать а'сетная. Усл.печ.л. I. Уч.-изд.л. I. Тарах 100.' Заказ 172. Типография MTAiiíí.

107884, Москва, ул. Старая Басманная,.д.21/4