Міністерство освіти і науки України

Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут

імені ігоря сікорського»

Факультет біотехнології і біотехніки

Кафедра біотехніки та інженерії

реферат

На тему «Культивування дріжджів у виробництві етанолу. Конструкція ректифікаційної колони. Фізичні процеси, що реалізуються у ректифікаційній колоні.»

дисципліна «Основи культивування мікроорганізмів»

Група БІ-11

Студент __ _____________

(прізвище, ініціали) (підпис)

Керівник __. _____________

(прізвище, ініціали) (підпис)

Київ

КПІ ім. Ігоря Сікорського

2023

Глосарій

Етанол — це хімічна сполука, яка представляє собою один з видів спиртів. Утворюється при бродінні цукрів дріжджами або іншими мікроорганізмами. Етанол використовується у виробництві алкогольних напоїв, таких як пиво, вино та спиртні напої. Він також використовується як паливо, розчинник, антисептик та у різних промислових процесах.

Бродіння — це процес, під час якого мікроорганізми, зазвичай дріжджі або бактерії, розщеплюють вуглеводи відносно простих сполук, зазвичай етанолу та вуглекислого газу, за відсутності кисню. У виробництві алкогольних напоїв, таких як пиво та вино, бродіння є ключовим процесом, під час якого дріжджі перетворюють цукри на спирт та інші продукти.

Дріжджі — це одноклітинні мікроорганізми з класу грибів, які використовуються у багатьох галузях, включаючи випічку, виробництво алкогольних напоїв, а також у біотехнології для виробництва ферментів та інших продуктів. Вони є важливим компонентом біологічних систем і здатні до швидкого розмноження при сприятливих умовах, таких як наявність вуглеводів та оптимальна температура.

Штами дріжджів — це різні види або варіанти дріжджів, які можуть відрізнятися за своїми властивостями та характеристиками. Штами можуть бути різні за своєю здатністю до ферментації, швидкістю росту, стійкістю до стресових умов, а також за продуктами, які вони виробляють. У виробництві алкогольних напоїв, таких як пиво чи вино, вибір певного штаму дріжджів може суттєво вплинути на смак, аромат та інші характеристики кінцевого продукту. Штами дріжджів також використовуються в біотехнологічних процесах для виробництва різних продуктів, включаючи фармацевтичні та харчові добавки, а також біопалива.

Гетеротрофність — це тип живлення організмів, які не здатні до синтезу власних органічних речовин з неорганічних сполук та, отже, отримують необхідні поживні речовини з інших живих організмів або органічних речовин, що походять з них. Вони розкладають складні органічні сполуки на простіші та використовують їх для свого живлення. Багато мікроорганізмів, таких як дріжджі або бактерії, є гетеротрофами.

Біосинтез — це процес виробництва складних органічних сполук, таких як білки, нуклеїнові кислоти, ліпіди та інші біомолекули, в клітинах живих організмів. Він відбувається за участю біохімічних реакцій, які відбуваються в клітині або організмі під контролем специфічних ферментів. Біосинтез дозволяє організмам виробляти необхідні для життя речовини та підтримувати їхню життєдіяльність.

Генетична модифікація — це процес вносу змін в генетичний матеріал організму шляхом маніпуляцій з його ДНК. Ці зміни можуть бути введені з метою поліпшення організму, його властивостей або продуктивності. Генетична модифікація може включати видалення, зміну або додавання конкретних генів до геному організму. Цей процес використовується в сільському господарстві для створення рослин з покращеними врожаями, стійкістю до хвороб або шкідників, а також в медицині для створення лікарських препаратів або терапій.

Меляса — це темний, густий сироп, який утворюється як побічний продукт під час виробництва цукру з соку цукрових рослин, таких як тростина цукрова чи цукровий буряк. Вона містить залишкові цукри, мінерали та інші речовини, які не видаляються під час процесу очищення соку. Меляса використовується як поживний добавка у кормленні тварин, у виробництві деяких видів алкоголю, а також як інгредієнт у деяких харчових продуктах та напоях.

Солодове сусло — це рідка суміш, яка утворюється під час процесу солодування зерна, зазвичай ячменю, для виробництва пива. Під час солодування крохмаль, що міститься в зерні, розщеплюється на цукри. Сусло отримується після видалення твердих частинок з отриманої суміші. Це солодка речовина використовується як основна сировина для виробництва пива під час бродіння, де дріжджі перетворюють цукри у суслі на алкоголь та вуглекислий газ.

Гідролізне виробництво — це процес розщеплення складних органічних сполук на простіші складові за допомогою води . Цей процес може відбуватися під впливом високої температури, високого тиску або за допомогою ферментів. Гідролізне виробництво застосовується в різних галузях промисловості, наприклад, в харчовій, фармацевтичній та біопаливній промисловості. В харчовій промисловості гідроліз може використовуватися для отримання різних продуктів, таких як цукор, амінокислоти, жири та інші біологічно активні сполуки.

Ферментація — це біохімічний процес, під час якого мікроорганізми, такі як дріжджі або бактерії, перетворюють органічні речовини, зазвичай цукри, на інші речовини за відсутності кисню. Основна мета ферментації полягає в тому, щоб виділити енергію, необхідну для життєдіяльності мікроорганізмів, а також утворити певні продукти.

Гетеротрофні організми — це організми, які не здатні синтезувати власні органічні речовини з неорганічних сполук, тому вони отримують органічні речовини з інших живих організмів або органічних речовин, що походять з них.

Анаероби — це організми, які можуть існувати або функціонувати у відсутності кисню або при дуже низькому його рівні. Вони можуть використовувати альтернативні способи дихання або ферментації для отримання енергії без використання кисню. Анаеробні організми широко поширені у природі, зокрема в ґрунті, водоймах та в екстремальних умовах, де доступ кисню обмежений. Деякі анаероби є важливими в промислових процесах, таких як виробництво алкоголю, вин, органічних кислот, а також у збагаченні ґрунту та очищенні води.

Спиртове бродіння — це тип бродіння, при якому мікроорганізми, зазвичай дріжджі, перетворюють цукри на етанол та вуглекислий газ у відсутності кисню. Цей процес використовується в промисловості для виробництва спиртних напоїв, таких як пиво, вино, водка, текіла тощо. Дріжджі розщеплюють цукри, які містяться у сировині, на алкоголь та вуглекислий газ, що призводить до формування спиртової напою. Важливою частиною процесу спиртового бродіння є контроль температури та інших умов, щоб забезпечити оптимальні умови для росту та активності дріжджів.

Температурний діапазон — це проміжок температур, який відповідає оптимальним умовам для активності та росту організмів або для виконання певних біологічних процесів. Для різних видів організмів та біологічних процесів можуть бути різні оптимальні температурні діапазони.

Для бродіння дріжджів у виробництві пива оптимальний температурний діапазон може бути приблизно від 18°C до 24°C в залежності від виду дріжджів і типу пива, яке виробляється. Для інших процесів, таких як вирощування бактерій або виробництво ферментів, можуть бути інші оптимальні температурні умови.

pH середовища — це міра кислотності або лужності розчину, яка визначається концентрацією іонів водню у ньому. pH шкала зазвичай варіюється від 0 до 14, де значення 7 відповідає нейтральному розчину, значення менше 7 - кислому розчину, а значення більше 7 - лужному розчину. У біологічних системах, таких як процеси бродіння, вирощування мікроорганізмів або виробництво харчових продуктів, контроль за pH середовища є дуже важливим. Багато мікроорганізмів мають оптимальний діапазон pH, у межах якого вони можуть найкраще рости та функціонувати. Наприклад, для бродіння дріжджів у виробництві пива або вина, оптимальний pH зазвичай знаходиться у діапазоні від 4 до 6. Контроль за pH середовища дозволяє забезпечити оптимальні умови для функціонування мікроорганізмів та для проведення біологічних процесів, що має велике значення у виробництві харчових продуктів, фармацевтичних препаратів та біотехнологічних продуктів.

Біоетанол — це тип алкоголю, який виготовляється з біологічних джерел, зазвичай з рослинного матеріалу, такого як цукровий тростник, цукровий буряк, кукурудза, солома тощо. Процес виробництва біоетанолу зазвичай включає в себе ферментацію цукрів, що містяться в сировині, дріжджами або іншими мікроорганізмами, та наступну дистиляцію для відокремлення етанолу від решти сировини та інших компонентів.

Асептичні умови — це умови, що забезпечують відсутність живих мікроорганізмів у середовищі, зокрема у процесах, пов'язаних з виробництвом, зберіганням або обробкою чутливих до забруднення продуктів, таких як харчові продукти, лікарські засоби чи біологічні матеріали.

Біореактор — це пристрій або система, яка використовується для контрольованого проведення біологічних реакцій у контрольованому середовищі. Це може бути обладнання для вирощування та культивування мікроорганізмів, клітин або тканин у відповідних умовах температури, рН, аерації та інших параметрів, що забезпечують оптимальні умови для росту та функціонування організмів.

Ферментативний процес — це біохімічний процес, під час якого ферменти, білкові каталізатори, сприяють швидкій та ефективній конверсії субстратів (вихідних речовин) у продукти шляхом каталітичного прискорення хімічних реакцій. Ферменти можуть активно впливати на швидкість реакцій, а також забезпечувати вибірність та специфічність у виробництві біологічних продуктів.

АБРЕВІАТУРИ

Біологічний агент (БА) – мікроорганізми, віруси, клітини й тканини рослин, людини і тварин, їхні компоненти й позаклітинні речовини, використовувані в біологічних процесах.

ГМО – генетично модифіковані організми

S. cerevisiae – скорочення до Saccharomyces cerevisiae

Апаратурна схема (АС) –схема, план або діаграма, що описує систему або послідовність пристроїв, компонентів або процесів у техніці, інженерії, інформатиці або будь-якій іншій галузі, де опис системи або її складових частин має важливе значення.

Чиста культура дріжджів (ЧКД) - чистий штам дріжджів, який використовується для виробництва конкретного продукту.

ЗМІСТ

Глосарій…………………………………………………………………………..2 Зміст………………………………………………………………………………7 Вступ……………………………………………………………………………...8 1 Характеристика продуктів дослідження………………………………….….11 1.1 Опис характеристики дріжджів ………………………………...…………..11

1.2. Характеристика етилового спирту ………………………………………...12

2 Технологічні прийоми отримання готового продукту (етанолу)…………..16

2.1 Вид синтезу…………..………………………………………………………16

2.2 Тип виробництва…………………………………………..…………………16

2.3 Технологічний процес ………………………………………………………16

3 Опис технології отримання біотехнологічної продукції етанолу………..…17

3.1 Типова апаратурна схема виробництва етанолу……………………..……17

4 Ректифікаційна колона……………………..……………………….…………19

4.1 Обґрунтування вибору типу ректифікаційної колони……………….……19

4.2 Фізичні процеси в ректифікаційній колоні…………………………...……20

5 Конструкція ректифікаційної колони………………….…………..…………21

5.1 Загальний вид колони…………………………...…………………………..21

5.2 Послідовність розрахунку колони……………….…………………………24

5.3 Переваги та недоліки колони…………….…………………………………25

Висновок………………………………………………………………...………..27

Список використаної літератури………………………………………………..28

ВСТУП

У сучасному світі зростає значення застосування біотехнологічних методів у виробництві, зокрема, у використанні дріжджів для виробництва етанолу. Мікробіологічне виробництво набуває все більшої важливості у фармацевтиці та харчовій промисловості, що дозволяє ефективно вирішувати проблеми, пов'язані з енергетикою та сталим розвитком.

У вступі ми розглядаємо сучасний стан проблеми, оцінюючи розвиток мікробіологічного виробництва взагалі та вказуючи на важливу роль біотехнології у фармацевтиці та харчовій промисловості. Також аналіз машинобудування в контексті розробки та використання обладнання для бродильного апарата або біореактора розкриває сучасні технологічні виклики та шляхи їх вирішення для забезпечення ефективного виробництва.

В цьому контексті важливо розглянути типову технологію виробництва визначеного біореактора та мікробних мас. Аналіз цих етапів виробництва дозволяє визначити етапи культивування дріжджів, оптимальні умови для їх росту та вивчити метаболічні шляхи, які призводять до утворення необхідного метаболіту. Такий підхід дозволяє не лише підтримувати ефективність виробництва, але й оптимізувати процес для підвищення виходу продукту та зниження витрат.

У світі наукових досліджень та виробництва сучасні парадигми біотехнології визначають не лише нові можливості у фармацевтиці та харчовій промисловості, але й шляхи створення екологічно чистих та енергоефективних технологій. Однією з ключових галузей, де виявляються ці сучасні тенденції, є виробництво етанолу через культивування дріжджів.

Розгляд цих тенденцій дозволяє усвідомити важливість досліджень та впровадження новітніх методів у виробництво етанолу та пов'язаних продуктів. У зв'язку з постійним зростанням світового населення, збільшенням потреб у енергетичних ресурсах та акцентуванням уваги на проблемах сталого розвитку, виробництво етанолу через культивування дріжджів стає важливим компонентом сучасної біотехнологічної індустрії.

Актуальність даної теми для глобальної практики визначається не лише значенням етанолу як важливого біопалива, але й його впливом на зменшення викидів та розвиток екологічно чистих технологій.

Етанол, отриманий з рослинної біомаси, такої як цукрова тростина, кукурудза, соя, солод, дріжджі та інші, є одним з найбільш розповсюджених біопалив. Він має значний потенціал у зменшенні викидів CO2 і інших шкідливих речовин порівняно з традиційним нафтовим паливом.

Мікробіологічне біотехнологічне виробництво в Україні має значний потенціал для подальшого розвитку і впливає на різні галузі, включаючи медицину, сільське господарство і інші. Проте, щоб належним чином оцінити важливість виробництва етанолу для України, важливо розглянути його конкретний вплив на наше суспільство. Виробництво етанолу не лише сприяє сталому енергетичному розвитку країни, але також може мати суттєвий соціальний вплив. Створення нових робочих місць, підтримка сільськогосподарського сектору та зменшення залежності від традиційних джерел енергії - лише кілька аспектів, які слід враховувати при розгляді актуальності виробництва етанолу для України.

У цьому контексті дослідження конструкції бродильного апарату та фізичних процесів у біореакторі набуває нового рівня важливості, сприяючи не лише технологічному прогресу, але й соціальному розвитку. Дослідження та вдосконалення бродильних апаратів у біореакторах мають не лише технічне значення для підвищення продуктивності та ефективності виробництва біопалива, але й велике соціальне значення через сприяння енергетичній безпеці, екологічній чистоті та розвитку нових робочих місць у цій промисловості.

Мікробіологічне біотехнологічне виробництво в Україні має значний потенціал для подальшого розвитку і впливає на різні галузі, включаючи медицину, сільське господарство і інші. Країна має значну кількість наукових установ, що займаються мікробіологічними дослідженнями та розробками, що створює потенціал для інновацій у цій галузі. Деякі з них включають:

1. Інститут біології та медицини при Національному центрі науки та медицини ім. Богомольця: Спеціалізується на фундаментальних та прикладних дослідженнях в медицині та біотехнології.

2. Інститут фармакології та токсикології Національної медичної академії наук України: Займається дослідженнями в галузі фармакології та токсикології.

3. Національний медичний університет ім. О.О. Богомольця: Має дослідницькі лабораторії, що досліджують різні аспекти медицини.

Мета цієї роботи полягає у глибокому дослідженні процесу культивування дріжджів для виробництва етанолу та аналізі конструкція ректифікаційної колони разом із фізичними процесами, які відбуваються у цих ключових елементах біотехнологічного виробництва, з метою оптимізації та вдосконалення процесу виробництва етанолу. Ми розглядаємо технологічні аспекти виробництва етанолу для їх подальшого використання у фармацевтичній та харчовій біотехнології.

У харчовій біотехнології, культивування дріжджів може бути ключовим для виробництва різних харчових продуктів та добавок. Розуміння конструкції конструкція ректифікаційної колони та фізичних процесів дозволяє оптимізувати виробництво, забезпечуючи його ефективність та безпеку.