Бета-каротин: принцип застосування, культивування мікроорганізмів, аналіз становища і перспектив у виробництві

РЕФЕРАТ

Огляд літератури дипломного проекту узагальнює наявну на теперішній день інформацію про в-каротин, принцип його застосування, культивування мікроорганізмів, приводить аналіз становища і перспектив у виробництві в-каротину.

Технологічна частина дипломного проекту містить опис приготування живильного середовища, вирощування мікробної культури в реакторах для виробництва в-каротину, що проектується. Матеріальні розрахунки представлені матеріальним балансом виробництва, що проектується і виконаним на його основі розрахунком і вибором основного технологічного устаткування.

Виконано техніко-економічний розрахунок проекту виробництва по отриманню в-каротину, розглянуті питання автоматичного контролю і керування новим виробництвом. Наведені рекомендації з охорони праці на підприємстві.

ВСТУП

Останнім часом приділяється велика увага каротиноїдам і їх канцеропротекторним властивостям, в особливості в-каротину, та перспектив його використання в боротьбі з різними захворюваннями. Каротиноїди у вигляді концентрату застосовують як для збагачення, так і для забарвлення харчових продуктів.

Каротиноїди є найбільш розповсюдженою, багаточисельною та важливою групою природних пігментів у рослинному та тваринному царствах. З більш ніж 600 відомих на сьогодні каротиноїдів лише біля 50 з них відносяться до провітаміну А. Активність вітаміну, А мають ті каротиноїди, до складу молекул яких входить кільце в-іонона (3,4-дегідроіонона), зв’язане з аліфатичним ланцюгом, який містить систему супряжених подвійних зв’язків. Серед каротиноїдів найбільшу біологічну активність має в-каротин, який має два в-іонових кільця, а особливо його транс-ізомер. Вважається, що крім найбільш вивченої функції як провітаміну А, каротиноїди самі по собі виконують захисні функції при дії вільних радикалів та ліпідних пероксидів, які руйнують клітинні мембрани, а також виконують роль неспецифічних активаторів імунної відповіді в організмі. Існує багато даних про участь каротиноїдів у клітинній диференціації, процесах росту. На сьогодні відомо про ендогенну та екзогенну антиоксидантну властивість каротиноїдів. В цій якості каротиноїди здатні знижувати не тільки пошкодження, індуковане різними зовнішніми генотоксинами, але й можуть бути засобами хіміопрофілактики розвитку пухлин.

Основною сировиною для одержання каротину є морква, гарбуз, обліпиха, люцерна, але сучасні успіхи біотехнології дозволяють в значній мірі вирішувати проблеми виробництва каротину з інших джерел. Такими джерелами можуть бути одноклітинні водорості, бактерії, міцеліальні гриби.

Каротиноїди містяться у багатьох мукорових грибах, для деяких видів яких характерен надсинтез і вони використовуються для промислового одержання каротину. Для мікробіологічного одержання каротину особливий інтерес мають гетероталічні гриби порядку Mucorales: Phycomyces blakesleanus і Blacheslea trispora та зелена одноклітинна мікроскопічна водорість Dunaliella salina.

Каротиноїди промислового біотехнологічного препарата з Blacheslea trispora представлені на 90% в-каротином і на 10% - б-, г-каротинами та лікопіном.

До теперішнього часу каротин, одержаний при культивуванні Blakeslea trispora, використовувався як харчовий продукт для забарвлення масла, маргарину, сиру, морозива і в невеликій кількості як вітамінний додаток в продуктах харчування. Крім того у сільському господарстві використовують біомасу, що містить натуральні каротиноїди, як добавку до раціону годування тварин та птахів. Продукти з каротином мають невеликий термін зберігання внаслідок швидкого окислення каротину під впливом світла та тепла із зміною основних фізико-хімічних показників та утратою біологічних властивостей. Вирішення проблеми захисту каротину біотехнологічного походження на олійних основах та біомаси, що містить натуральні каротиноїди від деструктивного руйнування внаслідок окислення відкриває широкі можливості для розробки нових фармацевтичних, харчових та інших продуктів з каротином.

Розширення сфер застосування натуральних каротиноїдів та збільшення асортименту вже існуючої продукції, що містить в-каротин вимагає збільшення та вдосконалення промислового виробництва мікробіологічного каротину з біомаси зеленої одноклітинної водорості Dunaliella salina в Україні.

1. ЗАГАЛЬНА ЧАСТИНА

1.1 Огляд літератури

1.1.1 Історія дослідження в-каротину

Вперше каротин було виділено з жовтого ріпаку та моркви німецьким вченим Генріхом Вакенродером у 1831 році. У 1837 році, шведський хімік Ійонс Берцеліус шляхом екстрагування спиртом виділив з осіннього листя рослин речовину жовтого кольору, яку назвав ксантофілом. Пізніше у 1847 році дацький хімік-органик Вільям Цейзе зробив опис пігменту моркви, та запропонував для нього емпіричну формулу С5Н8.

У збірках робіт 1885−1889рр. французький вчений А. Арно висловив припущення про те, що жовті пігменти, що містяться у листях зелених рослин (ксантофіл Берцеліуса), ідентичні помаранчевим пігментам моркви (каротин Вакенродера). За результатами досліджень Арно присвоїв жовтому пігменту емпіричну формулу С26Н38 та назвав його каротеном. Запропонована A. Арно формула залишалася неспростованою протягом наступних 20 років. 1, 2, 24]

У 1906 році російський ботанік Цвєт запропонував хроматографічний метод для розділення пігментів, що були виділені з жовтого листя. На основі цього відкриття у 1907 році Ріхард Вільштеттер та Міг виділили каротин з сушеного листя крапиви, що був абсолютно ідентичний каротину з моркви. Згідно проведених аналізів, щодо встановлення структури речовини, було встановлено дійсну формулу речовини С40Н56 яку пізніше назвали в-каротином [1, 2]. Водночас Вільштеттер розмежував поняття «каротин» і «ксантофіл», характеризуючи ксантофіл, як оксіпохідну каротину.

Таким чином з робіт Вільштеттера виходить, що знайдено тільки два жовтих пігмента — каротин та ксантофіл. Але існування, окрім каротину, тільки одного ксантофілу було сумнівним, так як ще до досліджень Вільштеттера, ботаніками було зібрано значний обсяг матеріалів про пігменти, що знаходяться у жовтому листі, які мали різні спектральні характеристики та розчинність. Так слідуючи роботам самого Вільтештеттера, ним було відкрито та не досліджено чотири «ксантофіли», а ще у 1876 році Мілардет виділив червоно-фіолетовий пігмент лікопін з томатів (Lycopernicum esculentum). Назрівала необхідність створення системи раціональної класифікації цього класу пігментів [1, 2].

Перша спроба класифікувати каротиноїдні пігменти відноситься до 1913 року. Французький Н. Монтеверде та російський В. Любіменко вчені в роботі «Про перетворення пігментів пластид у живій тканині рослин» розробили класифікацію, що базувалася на двох принципах: розчинність пігментів в одному органічному розчиннику та спорідненості спектрів поглинання у сірковуглеці[2].

Американський хімік Г. Стенбок у 1919 році висловив припущення про спорідненість вітаміну, А та в-каротину. Внаслідок подальших досліджень було розроблено концепцію провітамінів, що мала великий вплив на розвиток науки та виробництва.

Структура в-каротину у вигляді полієнового ланцюга та циклічними структурами на кінцях була встановлена П. Карером за результатами дослідження 1930;1931 років. Формула в-каротин стала першою із всіх формул вітамінів або провітамінів, які відкрито на сьогоднішній день [1, 2].

Вперше синтетичний в-каротин було одержано у 1950 році. А вже у 1954 році компанія Roch налагодила випуск синтетичного в-каротину для харчової промисловості, що використовувався як барвник. До початку 1970;х років вважалося, що в-каротин можна використовувати тільки як барвник або корисну добавку до харчових продуктів. Але вже через 10 років було відкрито, що його можна використовувати для боротьби з раком, а також як антиоксидант.

1.1.2 Хімічне походження, структура та властивості каротиноїдів

Каротиноїди (від лат. carota — морква та грец. eidos — вигляд), природні пігменти від жовтого до червоно-оранжевого кольору, синтезуються бактеріями з родів Corynebacterium, Sarcina, Halobacterium, Pseudomonas, Flexibacter, водоростями з родів Dunaliellaceae, Phormidiaceae, Haematococcaceae, грибами з родів Aleuria, Choanephore, Sporobolomyces, Rhodotorula, Fusarium, усіма вищими рослинами, деякими губками та коралами та іншими організмами; обумовлюють забарвлення квітів та плодів [3, 8]. Являють собою поліненасичені сполуки терпенового ряду, побудовані здебільшого за єдиним структурним принципом: на кінцях полієнового ланцюга, що містить 4 ізопреноїдних залишки, розташовуються циклогексанові кільця, або аліфатичні залишки. У більшості випадків містять 40 вуглецевих атомів. Ці речовини поділяють на каротиноїдні вуглеводні, С40-ксантофіли, гомо-, апоі нор-каротиноїди. Властивості деяких каротиноїдів наведені у таблиці. З рослинних матеріалів каротиноїди можуть бути виділені екстракцією розчинників, що не містять пероксидів, під розсіяним світлом в інертній атмосфері з подальшим омиленням та хроматографічним розділенням. Основні - б-, в-, г-, е-каротини та лікопін (формули Ia-Iд відповідно, рис. 1.1). Усі вони добре розчинні у хлороформі (СНСl3), сірковуглеці (CS2) і бензені (С6Н6), гірше — в діетиловому ефірі, гексані, жирах та оліях. Легко приєднують кисень повітря, нестійкі на світлі та при нагріванні в присутності лугів. З розчином хлориду сурьми (SbСl3) у хлороформі (СНСl3) дають характерне синє забарвлення (лмакс 590 нм).

в-Каротин — темно-рубінові кристали; у природі розповсюджений у вигляді найбільш стабільного транс-ізомеру за всіма подвійними зв’язками. У розчинах під дією світла, при нагріванні або додаванні йоду частково ізомеризує у цис-ізомери [4, 5, 13].

Під впливом кисню або нагріванні на повітрі в-каротин поступово окислюється та знебарвлюється;продуктами окислення є різні епоксиди (напр., 5,6-епоксіта 5,8-епоксі-в-каротин) й похідні в-іонона. Гідрування в присутності каталізатора веде до часткового або повного відновлення подвійних зв’язків. в-Каротин виділяють екстракцією з сухої моркви, люцерни, гречки, пальмового масла та інших рослинних матеріалів [3, 4, 6].

Рисунок 1.1 — Формули деяких каротиноїдів У промисловому обсязі його отримують мікробіологічним способом на основі культивування гетероталічних мукорових грибів Choanephora conjuncta та Blacheslea trispora, використовуючи відходи крохмале-патокового виробництва або борошняної промисловості (кукурудзяне, соєве борошно). До складу поживного середовища включають мікроелементи, вітаміни та стимулятори (в-іонон або ізопреноїдні дімери) [6, 8].

Синтетично в-каротин можна отримати з похідних вітаміну, А за схемою:

Рисунок 1.2

б-каротин — червоні кристали; містяться у тих ж рослинах, що і в-каротин, але у значно меншій кількості (до 25% від вмісту в-каротину). При нагріванні з етилатом Натрію частково перетворюється у в-каротин; оптично активний ([б]D +315 °) [6, 10].

Лікопін — кристали червоно-фіолетового кольору, червоний пігмент томатів. Лікопін виділяють з томатів та за допомогою мікробіологічного синтезу як в-каротин. С40-ксантофіли містять у ізопреноїдному ланцюзі одну або кілька гідроксильних, алкоксильних, епоксидних, альдегідних або кетоних груп. У природі розповсюджені лютеїн (Iе), віолоксантин (Iж) (II), фукоксантин (III), кріптоксантин (Iз), кантоксантин (I, R= R'=ж), астаксантин (I, R=R'=з) та інші, [2, 6, 10].

До групи гомо-каротиноїдів належать природні пігменти, у молекулі яких міститься більше 40 атомів вуглецю. Виділені каротиноїди з 45, 50 і 56 атомами вуглецю. Апо-каротиноїди представлені сполуками з вкороченим полієновим ланцюгом (37 та менше атомів вуглецю). Нор-каротиноїди це сполуки для яких характерний полієновий ланцюг, але відсутній один або декілька вуглецевих фрагменти, тобто містять 39 або менше атомів вуглецю, наприклад, біксин (I: R=СООН, R'=СООСН3). У природі можна зустріти каротиноїди як у вільній формі, а також у вигляді глікозидів, каротинпротеїнів або естерів, що утворюються з однією або більшою кількістю жирних кислот [6, 10].

Вперше каротиноїди були виділені з перцю, пізніше — з жовтого кріпака та моркви Daucus carota, звідки і пішла назва. Серед рослин найбільше каротиноїдів міститься в абрикосах (50−100 мкг/г), моркві (80−120 мкг/г), листях петрушки (100 мкг/г). Якісно та кількісно каротиноїди визначають за інтенсивністю максимуму поглинання світла у видимого спектру, а також за допомогою хроматографії. В організмі тварин каротиноїди не синтезуються, а потрапляють з їжею. Каротиноїди, що містять у своєму складі хоча б один радикал, А (рис. 2.1), є попередниками вітаміну А. Перетворення в організмі таких каротиноїдів, що містять 40 атомів вуглецю, на вітамін, А з 20 атомами здійснюється розщепленням каротиноїдів по центральному подвійному зв’язку або ступінчастим відщепленням, починаючи із кінця молекули [5, 8].

Важливою характеристикою каротиноїдів є А-вітамінна активність. Найбільшу А-вітамінну активність має в-каротин (умовно її приймають рівною 100%), активність б-каротину 53%, г-каротину 48%, кріптоксантину 40%.

Каротиноїди приймають участь у фотосинтезі, транспорті кисню крізь кліткові мембрани, захищають зелені рослини від дії ультрафіолетових променів; у тварин стимулює діяльність полових залоз, у людини підвищують імунний статус, захищають від фотодерматозів, грають важливу роль у механізмах зору; природні антиоксиданти. Каротиноїди використовують у якості промислових харчових барвників, компонентів вітамінізованих кормів для тварин, у медичній практиці - для відновлення пошкоджених шкіряних покривів [2, 4, 7]. В таблиці 1.1 приведені деякі властивості каротиноїдів.

Таблиця 1.1 — Властивості деяких каротиноїдів

1.1.3 в-каротин — як необхідність для життя

Екологічна і соціальна обстановка, що склалася в світі, вимагає нових підходів в роботах по профілактиці, адаптації і реабілітації населення. Для практичного здійснення програми профілактики і адаптації існують два основні шляхи:

— впровадження у виробництво продуктів масового попиту з біокорегуючими властивостями (вода, напої, фруктові соки, хлібобулочні і макаронні вироби, молочні продукти, майонез і ін.), в т. ч. з добавкою в-каротину;

введення в раціон живлення біологічно активних речовин у вигляді препаратів.

За останні роки багато уваги приділяється створенню вітчизняних харчових добавок на основі біологічно активних речовин природного походження, які підвищують стійкість організму до впливу радіації і інших чинників, що надають канцерогенне, мутагенне, тератогенне і інші несприятливі дії навколишнього середовища. Серед таких харчових добавок особливе місце займає в-каротин — один з основних компонентів системи біологічного захисту організму людини від дії несприятливих чинників. в-каротин і інші каротиноїди є рослинними пігментами, які присутні в жовто-оранжевих фруктах і овочах (морква, гарбуз, петрушка, абрикос, персик, апельсин і ін.). Сезонність вирощування фруктів і овочів, збереження корисних речовин в процесі зберігання, термічна обробка позначаються на рівні надходження вітамінів в організм людини протягом року, у тому числі і в-каротину (провітаміну А). Тому отримання в-каротину з зеленої галобної мікроводорості Dunaliella salina шляхом біосинтезу в промислових масштабах має багато переваг.

Роль в-каротину в організмі безцінна з точки зору сучасних досягнень у науці. Для людини найбільший інтерес представляє натуральний в-каротин, транс-форма якого є найбільш біологічно активною. Довгий час в-каротин розглядали лише з погляду його здатності в живому організмі перетворюватися на вітамін А, проте спектр дії в-каротину набагато ширший (рисунок 1.2, 1.3). [23]

Рисунок 1.3 — Традиційні властивості в-каротину Рисунок 1.4 — Властивості в-каротину, вивчені в 1980;2000 роках Біологічна роль в-каротину обумовлена перш за все його антіоксидантнимі властивостями. Загальновідомо, що організм людини щодня піддається руйнівній дії високореакційних молекул (так званими «вільними радикалами»), які утворюються в процесі життєдіяльності організму, під впливом іонізуючого випромінювання, тютюнового диму і інших шкідливих речовин, присутніх в повітрі, в землі і воді внаслідок дії антропогенних чинників. Утворення вільних радикалів у великих кількостях спричиняє за собою серйозні зміни в організмі і провокує цілий ряд небезпечних хвороб, таких як рак, катаракта, серцево-судинні захворювання, загальне пониження функціонування імунної системи. Виявилось, що сама природа забезпечила нас могутнім захистом, здатним нейтралізувати вільних радикалів в організмі. Це вітаміни-антиоксиданти: в-каротин, вітамін Е, вітамін С. Одна молекула в-каротину може зв’язати 5−6 вільних радикалів. В-каротин перешкоджає утворенню бляшок, холестеринів, і наростанню ліпідних відкладень на стінках кровоносних судин. В результаті дії в-каротину на організм підвищується дієздатність імунної системи і збільшується стійкість організму до всього спектру захворювань.

У інституті експериментальної радіології вивчено вплив розчину мікробіологічного каротину в кукурудзяному маслі в умовах комбінованої дії опромінювання і стресу на тваринах з урахуванням фізіологічних, біохімічних, ендокринологічних показників і стійкості мембран еритроцитів. Встановлено, що розчин мікробіологічного в-каротину в маслі має захисні властивості по відношенню до іонізуючого випромінювання і в умовах впливу стресу на організм.

Оптимальною дозою, що надає захисну дію, є 1,0 мг/кг, що відповідає 5−10мг 100% в-каротину в добу для людини. в-каротин і препарати на його основі володіють цінними фармакологічними властивостями, що забезпечує їх широке застосування в медицині, фармацевтичній промисловості і виробництві косметичних препаратів. Широке застосування препаратів на основі в-каротину обумовлено його біологічною активністю при повній відсутності токсичних властивостей.

Одержані дані ученими в інституті експериментальної радіології дозволяють рекомендувати масляний розчин в-каротину (масло-каротин) як профілактичний засіб для населення, яке проживає і працює на забруднених радіонуклідами територіях, а також в системі санітарно-курортних установ, для оздоровлення осіб, що постраждали в наслідків Чорнобильської катастрофи.

1.1.4 Традиційною областю використання каротиноїдів є харчова промисловість

Харчова промисловість всього цивілізованого світу знаходиться на новому етапі розвитку, прагне знов дійти гармонії з природою і дійсно поліпшити адаптаційні можливості людей в умовах постійно наростаючого техногенного, фізичного, хімічного і емоційного стресу за рахунок використання біологічно активних природних речовин (БАВ). Останніми роками для цього все більше застосування знаходять природні антиоксиданти, такі як токофероли, аскорбінова кислота і в-каротин. У харчовій промисловості в-каротин набув поширення завдяки своїм фізіологічним і технологічним функціям. Його широко використовують як натуральний фарбник (харчова добавка Е-160а), вводять в продукти лікувально-профілактичного призначення завдяки його антиоксидантній активності, а також як провітамін А. Застосовують як функціональний інгредієнт.

Використання в-каротину в продуктах харчування дозволяє поліпшити їх зовнішній вигляд, органолептичні властивості, підвищити харчову цінність, зберегти якість при тривалому зберіганні, розширити асортимент виробів з в-каротином, в у тому числі спецпризначення. В таблиці 1.2 приведені позитивні показники в-каротину.

Таблиця 1.2 — в-каротин: природній, екологічний, технологічний

У теперішній час каротин використовують при виробництві наступних видів продукції: маргарину, майонезу, йогуртів, згущеного молока, сиру, солодких сирків, сиро-молочних продуктів, глазурі для морозива; кондитерських виробів (цукерок, драже, зефіру, мармеладу, нуги, крекерів, вафель, кремів і інше.); борошняних виробів (пряників, печення, кексів, тістечок, тортів); макаронів, хлібобулочних виробів (батонів, рогаликів, здоби).

1.1.5 Використання в-каротину у виробництві маргарину, масла, майонезі

Мікробіологічний в-каротин використовується для вітамінізації і часткового забарвлення бутербродів, дієтичних, столових, молочних сортів маргарину, вершкового масла, майонезу, кулінарного і кондитерського жиру. Комплекс в-каротину і токоферолов соняшникової олії, які містяться в наших препаратах, крім забарвлюючих властивостей, володіє ефективною антіоксидантною дією. Для забарвлення і вітамінізації продукції рекомендовано вводити 2−6г в-каротину (у перерахунку на 100%-й в-каротин) на 1 т продукції (залежно від бажаного кольору). У разі використання масляного розчину (0,2%) в-каротину доза введення складе 1−3 кг на 1 т продукції. Використання в-каротину надає товарам приємного зовнішнього вигляду і радіопротекторних властивостей.

1.1.6 Використання в-каротину в молочних і молочнокислих продуктах

Препарати в-каротину на жировій основі можуть бути використані для підфарбовування і вітамінізації продуктів цілісного молока, молочних консервів, згущеного молока, вершків, сиру, твердих сирів, йогуртах та іншій продукції. в-каротин може додати молочним продуктам різні відтінки — від блідо-жовтого до яскраво-оранжевого. Одночасно він додає продуктам харчування додаткові харчової цінності, але не енергетичні, оскільки є харчовим барвником.

Для забарвлення і вітамінізації продукції ми рекомендовано вводити 1−4г в-каротину (у перерахунку на 100% в-каротин) на 1 т продукції (залежно від бажаного кольору). У разі використання масляного розчину (0,2%) в-каротину доза введення складе 0,5−2кг на 1 т продукції.

1.1.7 Застосування в-каротину у виробництві макаронних і хлібобулочних виробів

Спеціалісти пропонують в-каротин натурального походження для підвищення харчової і біологічної цінності хліба, хлібобулочних і макаронних виробів, поліпшення їх зовнішнього вигляду і додання їм лікувально-профілактичних і дієтичних властивостей. Для збагачення і часткової вітамінізації даних продуктів використовують масляний розчин в-каротину (0,2%). Спосіб введення масляного розчину: шляхом уприскування в муку; шляхом підготовки водно-масляної емульсії.

Уприскування проводять шприцом або іншими пристосуваннями безпосередньо в бункер з мукою (при завантаженні муки 5−10 кг). Емульсію готують в окремій ємності, змішуючи в міксері розрахункову кількість масляного розчину в-каротину з частиною холодної води, необхідної по рецептурі.

1.1.8 Використання бета-каротину в кондитерських виробах

Вітаміни в кондитерських виробах містяться в незначній кількості або зовсім відсутні. Для вітамінізації кондитерських виробів, їх забарвлення пропонується використання масляних розчинів в-каротину (0,2−1%)

в-каротин має великі переваги перед синтетичними фарбниками: має підвищену біологічну і харчову цінність; сприяє зниженню рівня радіонуклідів; як фарбник може забезпечувати широку кольорову гамму; розчини в-каротину безпечні навіть в підвищених дозах.

Використовуючи в-каротин, ви можете: створювати свою власну технологію кондитерських виробів; замінити натуральним в-каротином синтетичні фарбники; збільшити термін зберігання і реалізації своєї продукції; створити високоякісну онкурентоздатну продукцію.

Обґрунтування вибору методу біотехнологічного виробництва

Dunaliella salina — одноклітинна зелена галобна мікроводорость. Згідно з альгологічною системою класифікації.

Таблиця 1.3 — Таксономічне положення Dunaliella salina

Виробництво в-каротину буде проводитись із штаму CCMAR-71. Це досить продуктивний штамп з достатньо стабільним виходом в-каротину.

Виробництво в-каротину таким способом є досить перспективним оскільки Dunaliella salina має досить вискоку швидкість приросту біомаси. А також має досить високий вихід в-каротину 3−10% від сухої маси водорості. Сама ж Dunaliella salina добре переносить різні негативні фактори в тому числі і екологічні.

Обґрунтування місця впровадження біотехнологічного виробництва Дане виробництво краще розташувати поблизу солоних водойм, оскільки для вирощування Dunaliella salina нам необхідна солона вода. Це дозволить зменшити матеріальні затрати на осолонення прісної води.

Обґрунтування цілей та завдань дипломного проекту Екологічна і соціальна обстановка, що склалася в світі, вимагає нових підходів в роботах по профілактиці, адаптації і реабілітації населення. Для практичного здійснення програми профілактики і адаптації існують два основні шляхи:

— впровадження у виробництво продуктів масового попиту з біокорегуючими властивостями (вода, напої, фруктові соки, хлібобулочні і макаронні вироби, молочні продукти, майонез і ін.), в т. ч. з добавкою в-каротину;

— введення в раціон живлення біологічно активних речовин у вигляді препаратів [23]

За останні роки багато уваги приділяється створенню вітчизняних харчових добавок на основі біологічно активних речовин природного походження, які підвищують стійкість організму до впливу радіації і інших чинників, що надають канцерогенне, мутагенне, тератогенне і інші несприятливі дії навколишнього середовища. Серед таких харчових добавок особливе місце займає в-каротин — один з основних компонентів системи біологічного захисту організму людини від дії несприятливих чинників. в-каротин і інші каротиноїди є рослинними пігментами, які присутні в жовто-оранжевих фруктах і овочах (морква, гарбуз, петрушка, абрикос, персик, апельсин і ін.). Сезонність вирощування фруктів і овочів, збереження корисних речовин в процесі зберігання, термічна обробка позначаються на рівні надходження вітамінів в організм людини протягом року, у тому числі і в-каротину (провітаміну А). Тому отримання в-каротину з зеленої галобної мікроводорості Dunaliella salina шляхом біосинтезу в промислових масштабах має багато переваг.

2. ТЕХНОЛОГІЧНА ЧАСТИНА

2.1 Характеристика готового продукту

Кінцевим продуктом проектного виробництва буде висушена біомаса Dunaliella salina CCMAR-7. Препарат має вигляд помаранчевої порошкоподібної речовини з вологістю 12%. В препараті буде міститися 5% в-каротину від сухої масси.

Фасується спочатку в герметичні поліетиленові мішки по 25 кілограм, а затим запаковану в поліетиленові мішки біомасу пакують в паперові мішки.

Термін зберігання готового і запакованого продукту 6 місяців при кімнатній температурі та вологості не більше 75%. Категорично не допускається потрапляння вологи на суху біомасі в зв’язку з її гігроскопічністю. В разі потрапляння рідини не піддається повторному висушуванню.

2.2 Характеристика біологічного агенту, сировини та допоміжних речовин

Продуцентом на нашому виробництві є Dunaliella salina CCMAR-7.

Dunaliella salina — зелена одноклітинна мікроскопічна водорість, що мешкає в гіперсольоних водоймах. Гіперсольоні водойми, заселені Dunaliella salina, знаходяться найчастіше на узбережжях морів і океанів, а також в внутріконтинентальних посушливих районах. Водорість виду Dunaliella salina — унікальний організм, який в умовах надзвичайно високих концентрацій солей у водоймі здатний синтезувати цілий ряд корисних сполук таких як в-каротин, гліцерол, ненасичені жирні кислоти, та інші. У продовж багатьох років особливий інтерес представляла біомаса Dunaliella salina як джерело в-каротину, оскільки ця речовина широко використовується в харчовій промисловості як природний барвник, хіміко-фармацевтичної промисловості, медичній практиці, а також лікувально-профілактичному харчуванні при профілактиці та лікуванні онкологічних, інфекційних і серцево-судинних захворювань. Найбільш важливим є той факт, що Dunaliella salina, як харчова добавка, є таким же організмом як і вищі рослини, вживання яких в їжу, на відміну від штучних препаратів, не викликає собою ніяких побічних ефектів.

Dunaliella salina — одноклітинна зелена галобна мікроводорость. Згідно з альгологічною системою класифікації, таксономічне положення Dunaliella salina відображає схема 2.1:

Таблицею 2.1 — Таксономічне положення Dunaliella salina

Рід Dunaliella включає 29 солоноводних, морських, прісноводних і ґрунтових видів; 6 з них знайдені на території Україна виключно в солоних водоймах. добре відома Dunaliella salina, що розвивається в гіпергіяльнних водоймах півдня України. У великій кількості вона викликає червоне «цвітіння», особливо яскраве в період літнього випаровування води з мілководних лагун. На поверхні таких лагун утворюється сольовий концентрат у вигляді пласті-нок з кристалів солі, а під ними тепла солона вода (рапа). Встановлено, що клітини водорості різноманітної форми: овальні, еліпсоїдні, яйцеподібні, грушоподібні, іноді шароподібні, циліндричні або веретеноподібні; радіальноабо білатерально симетричні, рідко дорсівентральние або злегка асиметричні. Розміри клітин вельми різноманітні. Довжина може коливатися від 5 мк. до 29 мк., ширина від 4 мк. до 20 мк.; обсяг клітин від 70 мк3 до 4500 мк3. Хлоропласт за кольором частіше всього зелений, іноді жовтий, бурий або інший відтінок червоного кольору. За формою хлоропласт зазвичай чашоподібний з піриноїдом і вічком, рідше без них. По обидві сторони від папіли, на опуклому апікальному кінці клітини прикріплені два джгутика. Зазвичай джгутики однакової довжини, який дорівнює або перевищує довжину клітини. У молодих, щойно поділившихся клітин один з джгутиків може бути коротше іншого. Клітини Dunaliella ізоконтни і характеризуються веслоподобним рухом джгутиків. Як і вся клітина, джгутики покриті протоплазматичною мембраною. Їх тонка структура характеризується звичайною конструкцією. Для Dunaliella salina характерні вегетативний, безстатевий і статевий типи розмноження. Перший є преобладаючим. Відбувається шляхом поздовжнього поділу клітин. Послідовність ділення органел строго не детермінована і легко порушується, особливо в старих культурах. При цьому утворюються потворні форми. У несприятливих умовах Dunaliella здатна утворювати цисти безстатевого походження. Цисти мають кулясту форму, товсту подвійну оболонку і гранульоване вміст, звільнення якого при проростанні відбувається через щілину в оболонці. Перед проростанням цисти, її вміст червоного кольору зеленіє і ділиться з утворенням 2−4 клітин. Статевий процес у Dunaliella salina — гологамного типу. Копуляція може відбуватися як на світлі, так і в темноті. У результаті злиття двох клітин утворюється нерухома зигота, вкрита оболонкою (іноді шаруватою). Перед проростанням відбувається редукційний поділ з утворенням 2−32 клітин. Кількість останніх обумовлюється розмірами зиготи і умовами, в яких вона розвивається.

В таблиці 2.1 та таблиці2.2 наведено усереднений склад біомаси Dunaliella по органічних і неорганічних показниками.

Таблиця 2.2 — Усереднений склад біомаси Dunaliella по неорганічним показникам

Таблиця 2.3 — Усереднений склад біомаси Dunaliella по органічним показникам

2.3 Механізм біотехнологічного процесу

Біосинтез в-каротину проходить по складній схем, включає в себе ряд послідовних перетворень.

2.4 Опис біотехнологічного процесу за стадіями

2.4.1 Стадія очистки води

Очистка морської води проходить за допомогою вертикальної решітки з ланцюговими граблями GVCC

Цей тип решіток складається з рами, виготовленої із сталевих листів холодного прокату, на якій встановлені направляючі для спеціального виду роликового ланцюга. Шестерні, що забезпечують рух ланцюга, встановлені тільки у верхній часті обладнання, тоді як в нижній частини решітки ланцюг натягнутий на нерухомий вал. Це дозволяє виключити роботу рухомих частин уводі і продовжити термін служби обладнання. Очищення решітки виконує одна або декілька граблин, закріплених на двох ланцюгах, які очищають стрижні решітки від затриманих відходів. Особливість цієї решітки полягає в тому, що очищення йде в зустрічному потоці. Очищаючі граблини діють збоку каналу, нижче за течією від решітки. Такий підхід виключає можливість закупорювання відходів між нижньою частиною решітки і очищаючими граблинами, виключають небезпеку закупорювання. Пристрій вібраційного типу забезпечує очистку граблин і полегшує скидання затриманих відходів в контейнер, розташований нижче. Рух усіх частин обладнання управляється двигуном з зубчастої передачею. Захист від перевантаження здійснюється звичайним динамометричним або за бажанням, електронним пристроєм. У стандартному варіанті решітки цього типу виготовляються з вуглецевої сталі з захистом гарячим цинкуванням. На замовлення поверхню елементів решітки може бути захищена покриттям на основі епоксидної смоли. Можливий варіант виготовлення решітки із нержавіючої сталі.

2.4.2 Стадія попередньої підготовки

На цій стадії ми проводимо попередню культивацію Dunaliella salina перед засіванням її в основні виробничі басейни. Невеликий обсяг біомаси Dunaliella salina поміщають в басейн з живильним середовищем. У міру наростання біомаси врожай не збирають, а проводять заповнення інших басейнів. Щодня таку процедуру повторюють до тих пір, поки не заповняться всі робочі басейни. Культивування на морській воді склад якої приведений в таблиці 2.3.

Таблиця 2.4 — Приблизний сольовий склад морської води

2.4.3 Стадія культивування

На цій стадії ми проводимо нарощування біомаси та стимулювання виробництва в-каротину водоростями. Для цього мі підвищуємо концентрацію NaCl до 1 М. Та проводимо культивування протягом 6 днів.

2.4.4 Стадія збору біомаси

На цій стадії ми проводимо відкачку води з біомасою Dunaliella salina з басейну за допомогою опускного насосу НЦВС-100/30А. Зібраний розчин подається на наступну стадію.

2.4.5 Стадія сепарації

На цій стадії ми проводимо сепарацію розчину за допомогою сепаратору Г9-ВСБ-М. Воду відділену від біомаси ми можемо використовувати повторно для вирощування наступної партії водоростей, попередньо збагативши воді солями та іншими поживними речовинами.

2.4.6 Стадія сушки

На цій стадії ми проводимо сушку вологої біомаси Dunaliella salina, а допомогою промислової сушилки HGW100/18. На виході ми отримаємо суху біомасу Dunaliella salina з вмістом в-каротину 5% від сухої маси.

2.4.7 Стадія фасування та упаковування

На цій стадії ми проводимо фасування сухої біомаси Dunaliella salina спочатку в герметичні поліетиленові мішки по 25 кілограм, а затим запаковану в поліетиленові мішки біомасу пакують в паперові мішки. Цю стадію ми проводимо за допомогою фасувально-упаковочної лінії для сухих дрібнодисперсних пиляних продуктів.

Норми біотехнологічного процесу Процес культивування Dunaliella salina проводиться в басейнах об'ємом 100 м³ з інтенсивним перемішуванням впродовж 6 днів. Такий термін був обраний на основі лабораторних досліджень, які показали, що після 6 днів культивування кількість в-каротину в Dunaliella salina починає знижуватись.

Як живильне середовище ми використовуємо морську воду з концентрацією NaCl приблизно 1 М. Це дозволяє підвищити вихід в-каротину з водоростей. Також існує оптимальний склад живильного середовища (таблиця 2.4) для вирощування Dunaliella salina, який був визначений лабораторними дослідженнями. Але його використання в умова зазначеного виробництва я вважаю недоцільним, оскільки це суттєво підвищить собівартість продукції.

Вирощування Dunaliella salina ми проводимо при температурі 25 ± 3 °C, оскільки це є оптимальною температурою. Взагалі чіткий контроль температури на даному виробництві не є принципіальним оскільки температурні межі для Dunaliella salina складають від 0 °C до 38 °C. Зміну температури можна використовувати як стрес фактор для збільшення виходу в-каротину.

Оптимальним значенням рН для вирощування Dunaliella salina є 7. Але чіткий контроль рН нам також не потрібен, оскільки межі рН для Dunaliella salina складають від 1 до 11. Це також можна використовувати як стрес фактор для підвищення виходу в-каротину.

На виробництві не заплановано додаткове освітлення басейнів. Але при його встановленні можливе збільшення приросту біомаси Dunaliella salina та виходу в-каротину.

Таблиця 2.4 — Оптимальній склад живильного середовища для вирощування Dunaliella salina

Також на виробництві можна встановити аераційні установки які будуть виконувати подачу СО2 до басейну. Що також дозволить підвищити вихід біомаси Dunaliella salina та вихід в-каротину.

Отсіпаровану біомасу (пасту) Dunaliella salina сушать теплим повітрям при температурі не вище60 °С. Для цього біомасу наносять тонким шаром і висушують на протязі 3−4 годин, не допускаючи попадання прямих сонячних променів, оскільки інтенсивний освітлення призводить до руйнування пігментів, що помітно знижує якість біомаси.

Кінцевим продуктом проектного виробництва буде висушена біомаса Dunaliella salina CCMAR-7. Препарат має вигляд помаранчевої порошкоподібної речовини з вологістю 12%. В препараті буде міститися 5% в-каротину від сухої масси.

Фасується спочатку в герметичні поліетиленові мішки по 25 кілограм, а затим запаковану в поліетиленові мішки біомасу пакують в паперові мішки.

Термін зберігання готового і запакованого продукту 6 місяців при кімнатній температурі та вологості не більше 75%. Категорично не допускається потрапляння вологи на суху біомасі в зв’язку з її гігроскопічністю. В разі потрапляння рідини не піддається повторному висушуванню.

2.6 Матеріальні розрахунки

2.6.1 Блок-схема виробництва

Блок-схема виробництва для проекта виробництва по отриманню в-каротину із мікроскопічної водорості Dunaliella salina потужністю 1 т за в-каротином на рік наведена на рисунку 2.1.

каротин виробництво біологічний агент Рисунок 2.1 — Блок схема виробництва в-каротину із мікроскопічної водорості Dunaliella salina

2.6.2 Вихідні дані для матеріальних розрахунків

Згідно лабораторних досліджень нам відомо, що після вирощування водорості на протязі 6 днів, в літрі морської води міститься 0,30 грам сухої біомаси Dunaliella salina.

Склад морської води наведено в таблиці 2.5.

Таблиця 2.5 — Сольовий склад морської води для розрахунків

Склад живильного середовища для вирощування Dunaliella salina наведено в таблиці 2.6.

Таблиця 2.6 — Склад живильного середовища для вирощування Dunaliella salina

2.6.3 Матеріальні розрахунки за стадіями біотехнологічного процесу

Розрахуємо кількість сухої біомаси, яку ми отримаємо за 1 цикл з одного басейну, кг:

К = СБ · VБАС (2.1)

де СБ — кількість сухої біомаси, 0,30 г/л;

VБАС — об'єм басейну, 100 м³.

Відповідно з одного басейну об'ємом 100 м³ ми отримуємо:

К = 0,30 • 100 000 = 30 000 (г) = 30 (кг) Ми отримуємо 30 кілограм сухої біомаси Dunaliella salina з одного басейну за один цикл.

Кількість в-каротину за один цикл в одному басейні розрахуємо із формули:

Кц = К · В (2.2)

де В — кількість в-каротину (процентне співвідношення від сухої маси).

Відповідно лабораторним даним нам відомо, що вміст в-каротину складає 5% ваги сухої біомаси Dunaliella salina. Згідно з цими даними с одного басейну ми отримаємо наступну кількість в-каротину, кг:

Кц = 30 · 0,05 = 1,5

Оскільки цикл триває 6 днів, розрахуємо кількість циклів за рік:

(2.3)

де П — звітній період, приймаємо 360 днів;

Т — тривалість 1 циклу, 6 днів (за дослідними даними).

(циклів) Згідно з попередніх розрахунків нам відомо, що за рік на виробництві може бути проведено 60 виробничих циклів.

Розрахуємо кількість в-каротину, яку буде отримано з одного басейну за один рік (приймемо в 1 році 60 циклів), кг:

Кв = Кц · Ц (2.4)

де Ц — кількість циклів на рік, 60;

Кв = 1,5 · 60 = 90

Відповідно за рік з одного басейну ми отримаємо 90 кілограм в-каротину.

Знаючи продуктивність одного басейну, ми можемо розрахувати необхідну кількість басейнів для виробництва 1 тони в-каротину за рік:

(2.5)

де Пр — необхідна продуктивність за завданням дипломного проекту.

Відповідно до розрахунку для вирощування 1 тони в-каротину в рік нам необхідно 12 басейнів об'ємом 100 м³.

Також треба врахувати, що нам потрібен 1 басейн для попередньої культивації. З нього ми будемо пересаджувати Dunaliella salina до інших 12 басейнів.

Оскільки ми маємо 12 басейнів по 100 м³, то їх сумарний об'єм складає:

Vсум = VБАС · Б (2.6)

Vсум = 12 • 100 = 1200 м³

Тоді сумарний об'єм басейнів в літрах:

Vсум = 1200 • 1000 = 1 200 000 л В кожен басейн ми додаємо по 100 л суспензії Dunaliella salina. Відповідно загальний об'єм суспензії, який необхідний для виконання 1 циклу:

Vсусп = Б • С (2.7)

де С — кількість суспензії, яку ми додаємо в кожний басейн.

Vсусп = 12 • 100 = 1200 л Знаючи кількість суспензії, ми можемо розрахувати, скільки нам потрібно морської води.

Потребу в морській воді розрахуємо з формули:

Vзаг = Vсум — Vсусп (2.8)

Vзаг = 1 200 000 — 1200 = 1 198 800 л Об'єм води, який міститься в одному басейні, розрахуємо за формулою:

(2.9)

л Також у нас є культиваційний басейн, для якого також потрібно 99 900 літрів води.

Відповідно сумарна витрата води за цикл дорівнює:

Всум = Vзаг + В (2.10)

Всум = 1 198 800 + 99 900 = 1 298 700 л Загальна кількість в-каротину, яку буде отримано з усіх 12 основних виробничих басейнів за один рік, згідно завдання дипломного проекту, кг:

Кзаг = Кв • Б (2.11)

Кзаг = 90• 12 = 1080 кг

2.6.4 Зведений матеріальний баланс

Зведений матеріальний баланс наведено в таблиці 2.7.

Таблиця 2.7 — Зведений матеріальний баланс виробництва в-каротину Dunaliella salina

2.7 Технологічні розрахунки

На даному виробництві використовується наступне обладнання:

2.7.1 Решітка з ланцюговими граблями GVCC

Цей тип решіток складається з рами, виготовленої із сталевих листів холодного прокату, на якій встановлені направляючі для спеціального виду роликового ланцюга. Шестерні, що забезпечують рух ланцюга, встановлені тільки у верхній часті обладнання, тоді як в нижній частини решітки ланцюг натягнутий на нерухомий вал. Це дозволяє виключити роботу рухомих частин уводі і продовжити термін служби обладнання.

Очищення решітки виконує одна або декілька граблин, закріплених на двох ланцюгах, які очищають стрижні решітки від затриманих відходів. Особливість цієї решітки полягає в тому, що очищення йде в зустрічному потоці. Очищаючі граблини діють збоку каналу, нижче за течією від решітки.

Такий підхід виключає можливість закупорювання відходів між нижньою частиною решітки і очищаючими граблинами, виключають небезпеку закупорювання.

Пристрій вібраційного типу забезпечує очистку граблин і полегшує скидання затриманих відходів в контейнер, розташований нижче. Рух усіх частин обладнання управляється двигуном з зубчастої передачею. Захист від перевантаження здійснюється звичайним динамометричним або за бажанням, електронним пристроєм.

У стандартному варіанті решітки цього типу виготовляються з вуглецевої сталі з захистом гарячим цинкуванням. На замовлення поверхню елементів решітки може бути захищена покриттям на основі епоксидної смоли.

Можливий варіант виготовлення решітки із нержавіючої сталі.

2.7.2 Насос 1Д1600−90

Д1600−90 — Горизонтальні електронасосні агрегати з відцентровим одноступінчасті насосом з робочим колесом двостороннього входу для перекачування води і схожих з нею по в’язкості і хімічній активності рідин, температурою до +85 °С, що містять тверді включення до 0,05% по масі, розміром до 0,2 мм всі інші параметри наведені в таблиці 2. Матеріал проточної частини — чавун. Ущільнення валу — чепцеве (сальниковое). Гідравлічний затвор сальника забезпечується за допомогою підведення рідини до кільця сальника по каналу в кришці насоса. ДКЗ -7,0 м. Тиск на вході до 0,3 МПа.

Таблиця 2.5 — Параметри насоса 1Д1600−90

Рисунок 2.2

2.7.3 Дренажник 255/11 ФН

Дренажний насос серії Дренажник призначений для перекачування чистої, дренажної та грунтової води, для відведення брудної води із стічних канав та басейнів, а також для відкачування фекалій. Також насос з успіхом може використовуватися для поливу або подачі води з колодязів, відкритих водойм та інших джерел. Деякі моделі виготовлені з пластмаси і призначені для чистих або злегка забруднених вод.

Крім того, насоси можуть застосовуватися для зрошення городів і садів, а також для подачі води з колодязів, відкритих водойм та інших джерел при температурі навколишнього середовища не нижче 1 ° С. Насос дренажний занурювальний, з буквою Ф, в позначенні, призначений для відкачування фекальних вод. Фекальна вода, навіть сильно забруднена, — це, перш за все вода, в якій можуть знаходитися, в підвішеному стані, різні включення, в тому числі і фекалії. Фекальний насос допускає в перекачується воді невеликі (з максимальним розміром до 35 мм) включення. Він не може бути використаний для перекачування в’язких розчинів.

Насос можна встановлювати для постійного або тимчасового використання.

Ідеальне робоче положення насоса — повне занурення у воду.

Насос оснащений вимикачем поплавця, який автоматично включає і вимикає насос в залежності від рівня води.

Максимальна глибина занурення насоса у воду — не більше 8 метрів.

Насос дренажний занурювальний складається з насосної частини та електродвигуна. Насосна частина складається з відцентрового робочого колеса, закріпленого на валу ротора електродвигуна, ущільнень і корпусу насоса. Внизу насосної частини розташовані усмоктувальні вікна для механічного очищення води. Електродвигун однофазний асинхронний змінного струму (220 ± 22 вольт, 50 ± 2,5 герц), з частотою обертання 3000 об/хв, що знаходиться всередині герметично закритого корпусу, складається з статора, короткозамкненого ротора і підшипникових щитів. Ступінь захисту від ураження електричним струмом — IP 68. Статор має дві обмотки — пускову і робочу. У обмотках статора мається термопротектором, що відключає електродвигун при підвищенні температури обмоток. Конденсатор ємністю, відповідної потужності електродвигуна, підключений паралельно пусковий обмотці і встановлений у верхній частині корпусу. Спеціальна камера для теплообміну забезпечує охолодження електродвигуна і дозволяє насосу тривало працювати, не повністю зануреним у воду. Для виключення утворення повітряної пробки в робочій порожнині пластмасового насоса є повітряний клапан. При відкачці води занурювальний насос Дренажник повинен бути встановлений в поглиблення з розмірами, відповідними габаритними розмірами насоса і розмірами поля регулювання для нормального функціонування поплавка. При тимчасовій установці насоса використовувати гнучкі труби, при постійній установці - жорсткі. З метою полегшення очищення і обслуговування насоса рекомендується монтаж швидкоз'ємного з'єднання з напірної трубою. Кабель, який живить насосів має заземлення через вилку при її включенні в розетку. Для оберігання від перевантаження ці насоси оснащені термопротектором — пристроєм для термічного захисту електродвигуна з автоматичним відключенням. Напруга електричної мережі має бути не нижче 198 В і не вище 242 В.