90972368 Proiect Biotehnologii Industriale

PROIECT BIOTEHNOLOGII INDUSTRIALE

Îndrumător:Dr.Ing.Alexandra Blaga Student: Abramiuc Alexandru Grupa:2405 (IB)

TEMA DE PROIECTARE: Proiectarea unei instalatii industriale de ontinere a Penicilinei G cu o productivitate de 26 T/AN.

2

CUPRINS Cap.1 Memoriu tehnic Cap.2 Tehnologii de fabricatie………………………………………………5 2.1 Domenii de utilizare si proprietatile produsului…………………...9 2.1.1 Domenii de utilizare……………………………………………....9 2.1.2 Proprietati chimice,fizice si biologice…………………………....10 2.2 Variate tehnologice…………………………………………………...13 2.3 Alegerea variantei optime…………………………………………....13 2.4 Descrierea procesului tehnologic adoptat………………………. ....15 2.4.1 Elaborarea schemei tehnologice…………………………….........15 2.4.2 Materii prime intermediare si auxiliare………………………....30 2.4.3 Mecanismul reactiilor biochimice……………………………......42 2.4.4 Cinetica reactiilor biochimice…………………………………….46 2.4.5 Termodinamica reactiilor biochimice…………………………....54 2.4.6 Bilantul de materiale....…………………………………………...58 2.4.7 Consumuri specifice……………………………………………… Cap.3 Controlul fabricatiei……………………………………………….…73 3.1 Controlul,reglarea si automatizarea proceselor tehnologice……....73 3.2 Controlul de calitate……………………………………………….....79 3.2.1 Metode de analiza ale materiilor prime si intermediare……….79 3.2.2 Metode de analiza ale produsului finit………………………......90 Cap.4 Produse secundare,deseuri de fabricatie ,epurarea apelor reziduale……………………………………………………………………….91 Cap.5 Utilitati………………………………………………………………....92 Cap.6 Transport,ambalare,depozitare……………………………………...93 Cap.7 Norme de prevenire a muncii si PSI………………………………....99 7.1. Norme de protecț ia muncii................................................................99 7.2. Masuri P.S.I........................................................................................101 Bibliografie.........................................................................................................103

3

Cap.1 MEMORIU TEHNIC În cadrul acestui proiect s-a proiectat procesul biotehnologic de obținere a Penicilinei G. Penicilina G este un produs de biosinteză produs de diferite microorganisme din clasa Penicillium și Aspergiullius. Penicilina G conține în structura ei un nucleu tiazolidinic. Penicilina G descoperită în anul 1929 de Alexander Fleming reprezintă unul din cele mai valoaroase antibiotice de biosinteză, având o puternică acțiune bactericidă și bacteriostatică. Procesul tehnologic de obținere a penicilinei G se realizează printr-un proces discontinuu de fermentație în profunzime. Pe baza procesului tehnologic optim adoptat s-a realizat schema bloc a procesului tehnologic de obținere a Penicilinei G. Schema bloc conține fiecare etapă necesară procesului de obținere a Penicilinei G. Tehnologia de obținere a Penicilinei G cuprinde următoarele faze:  pregătirea mediului de cultură  fermentația  filtrarea soluției native  separarea și purificarea. În capitolul 2 etapa 2.4.2. sunt relatate materiile prime și auxiliare necesare mediului de cultură. In acest proiect s-au prezentat mecanismulul reacțiilor biochimice dar și cinetica și termodinamica procesului.

4

Cap.2 TEHNOLOGII DE FABRICATIE

Industria produselor farmaceutice, ca o ramură importantă a industriei chimice, se ocupă cu descoperirea ș i ob ț inerea prin biosinteză, sinteză, semisinteză sau extrac ț ie din plante sau organe animale de medicamente si substan ț e cu ac ț iune biologică. Medicamentele au aparut ca rezultat al dorin ț ei omului de a- ș i men ț ine organismul în perfectă stare de sănătate. Acestea sunt substan ț e organice sau anorganice, naturale sau de sinteză care prezintă în doze foarte mici, anumite ac ț iuni farmacodinamice. Începuturile utilizării medicamentelor, pentru men ț inerea stării fizice normale ș i ameliorarea durerilor, pornesc din antichitate, unde medica ț ia avea un caracter empiric, bazat pe observa ț ii accidentale, repetate si acumulate, cu privire la efectele plantelor asupra organismului uman. În evul mediu apar primele medicamente de origine minerală datorită dezvoltării alchimiei, totodată extractele de plante devin mai pure. Se introduc in pactica terapeutică medicamentele anestezice, saruri de mercur ș i argint. Dezvoltarea spectaculoasă a chimiei secolului al XIX-lea a permis identificarea ș i separarea în stare pură, a principiilor active din plante, precum ș i sinteza unui mare numar de substan ț e chimice cu proprietă ț i terapeutice. În 1803 se separa din plante morfina, apoi stricina, nicotina, atropina, codeina si cocaina si multe alte produse utilizate astâzi în terapia modernă. Sub impulsul acestor descoperiri s-au sintetizat o serie de substan ț e organice care ș i-au găsit imediat aplicarea in medicină: eterul etilic(1846), cloroformul(1849), acidul salicilic(1887), novocaina, aspirina etc. Datorită calită ț iilor terapeutice ridicate ale acestor substan ț e, fabricarea lor părăse ș te laboratoarele si revine unei noi aparute industrii specializare: industria farmaceurică. Industria medicamentelor , unul dintre cele mai eficiente sectoare ale industriei chimice, se caracterizează în esen ț ă prin: 5

- valorificarea superioară a materiilor prime furnizate de industria organică ș i petrochimică - ob ț inerea unei game largi de medicamente printr-un număr redus de transformări chimice - existen ț a sec ț iilor specializate pe un anumit produs, alături de instala ț ii cu caracter universal - asimilarea permanentă de produse noi - înbunătă ț irea calită ț ii medicamentelor prin modelarea ș i optimizarea tehnologiilor existente [1,11,14] Datorită varietă ț ii mari de medicamente denumirea lor reprezintă o problemă, drept dovadă, faptul ca în prezent, nu s-a reu ș it să se stabilească denumiri comune pentru toate podusele. Numele lor a fost ales in mod arbitrar, fapt care a generat confuzii. De exemplu, sulfanilamida se întâlne ș te sub 60 de denumiri, iar aspirina sub 91 de denumiri. In acest sens, medicamentele se găsesc sub următoarele denumiri: - denumire înregistrată sau denumire depusă - denumire comună interna ț ională - denumire chimică Denumirea înregistrată. Ob ț inerea industrială a medicamentelor se poate realiza dupa diverse proceedee care, de obicei, sunt brevetate, iar în cadrul brevetului este înregistrată ș i o denumire a produsului propusă de fabricant. În acest mod apar mai multe denumiri pentru unul ș i acela ș i medicament ș i se eviden ț iază firma producătoare. Denumirea comună interna ț ională. Organiza ț ia mondială a sănătă ț ii inpune utilizarea denumirilor comerciale interna ț ionale. Acestea nu trebuie să fie lungi ș i să se bazeze pe înrudirea farmacologică ș i chimică.S-au propus o serie de silabe sau grupe de silabe ce definesc categorii de medicamente si care se găsesc la sfâr ș itul denumirii produsului. Denumirea chimică este specifică fiecărui produs, iar utilizarea ei alături de denumirile comune interna ț ionale ș i de cele înregistrate, evită confuziile ce pot apărea ș i oferă informa ț ii asupra structurii chimice. În continuare, tot pentru evitarea confuziilor, în literarură se folosesc toate cele trei tipuri de denumiri. [1,19,20] Clasificarea medicamentelor. Două criterii principale sunt adoptate pentru clasificarea medicamentelor, si anume: clasificarea după structura chimică ș i clasificarea dupa ac ț iunea farmacologică. Clasificarea după structura chimică are avantajul de a grupa medicamentele pe clase chimice ș i e func ț iuni organice, dar nu ț ine cont de aplica ț iile terapeutice ale acestora, ș i prin aceasta este ruptă de practică. Mai mult, produse din aceea ș i clasă au ac ț iuni fiziologice total diferite. Astfel naftazolina ș i tolazolinul de ș i sunt imidazoline au ac ț iuni farmacologice opuse: prima este un medicament vascoconstrictor, iar a doua este vascodilator puternic.

6

Naftazolina

Tiolazolinul

Clasificarea după ac ț iunea biologică area avantajul de a grupa pe ac ț iuni farmacoterapeutice toate tipurile de substan ț e cu efect biologic apropiat sau sinergic. Se foloseste in literatură clasificarea dupa ac ț iunea biologică, urmată de o subclasificare pe baza structurii chimice. Dupa acest criteriu, medicamentele se clasifică în două clase pricipale: medicamente chimioterapeutice ș i medicamente simptomatice. Medicamentele simptomatice stimuleaza sau deprimă func ț iile fiziologice sau biochimice intr-un mod care poate fi prevăzut, astfel încât acestea să poată fi utilizate pentru a modifica evoli ț ia unei boli. Ele nu ac ț ionează asupra cauzei care produce boala, dar anihilează simptomele cauzate de aceasta. Din această categorie fac parte medicamentele sistemului nervos central ș i vegetativ, medicamentele aparatelor(respirator, cardiovascular, renal, digestiv, genital), medicamente metabolice, substan ț e hormonale ș i antihormonale, enzime. Medicamentele chimioterapeutice sau etiologice ac ț ionează direct asupra cauzei care produce înbolnăvirea, iar distrugerea organismelor patogene favorizează vindecarea organismului bolnav. Din această categorie fac parte antibioticele, medicamentele antimalarice, medicamente antituberculoase. Aceste medicamente trebuie sa posede ac ț iuni farmacodinamice minime ș i antimicrobiene maxime. [1,20,21] Antibioticele sunt medicamente chimioterapice produse de microorganisme ș i au proprietatea de a încetini multiplicarea unor organisme patogene(viru ș i, ricketsii, protoplaste, bacterii), implicate etiologic în diferite boli ș i sindroame infec ț ioase ș i au rolul de a le distruge. Provenind din metabolismul celulelor vii, cu structuri extrem de variate, aceste medicamente se obtin in general prin fermenta ț ie. Biosinteza in cazul penicilinelor se face cu microorganisme specifice, in general, fungi de tipul Penicillium. In func ț ie de natura chimica a antibioticului, separarea se face prin extrac ț ie cu solven ț i organici, prin sorb ț ie pe schimbători de ioni, prin adsorb ț ie pe cărbune sau alumină. Clasificarea antibioticelor. O clasificare generala a antibioticelor se referă la grupul de agen ț i patogeni asupra cărora sunt active antibioticele. Astfel, avem: 1. Antibiotice antibacteriene: Gramicidina, Bacitracina, Polimixinele 2. Antibiotice antifungice: Penicilinele, Grizeofulvina 3. Antibiotice antituberculoase: Streptomicina 4. Antibiotice antivirale: Aciclovir, Amantadina, Vidarabină 7

5. Antibiotice cu ac ț iune împotriva protozoarelor și metazoarelor: antimalarice, antihelmintice 6. Antibiotice cu ac ț iune antitumorală. Un alt criteriu de clasificare este mecanismul de ac ț iune împotriva infec ț iei: 1. Ac ț iune asura peretelui celular, cu efect bactericid, numai în faza de multiplicare a bacteriilor: Penicilinele G ș i V, Oxacilina, Ampicilina, Carbenicilina, Cefalosporinele 2. Ac ț iunea asupra membranei citoplasmatice, cu efect bactericid: Polimixina B, Colistina, Amfotericina B 3. Ac ț iune de inhibare a sintezei proteinelor, la nivelul ribozomilor, cu efect bactericid in faza de multiplicare ș i de stagnare a bacteriilor: Streptomicina, Gentamicina, Tobramicina, Kanamicina, Neomicina, Tetraciclinele, Cloramfenicol, Eritromicina, Lincomicină 4. Ac ț iune de inhibare a sintezei acizilor nucleici, cu efect bacteriostatic ș i bactericid: Novobiocina, Rifampicina, Griseofluvina, Acidul nalidixic 5. Ac ț iune competitivă prin substituire de metaboli ț i analogi. Aici se incadrează sulfamidele care nu sunt antibiotice, dar posedă efect bacteriostatic ș i bactericid. În func ț ie de structura chimică antibioticele se grupează în: 1. Beta-lactamice: Peniciline, Cefalosporine 2. Aminoglicozidice: Streptomicina, Kanamicina, Gentamicina, Amikacina 3. Polipeptide ciclice: Colistina, Polimixina 4. Tetraciclinele: Doxicilina 5. Macrolide: Eritrimicina După spectrul antimicrobian există: 1. Antibiotice cu spectru îngust de tip penicilinic 2. Antibiotice cu spectru îngust de tip streptomicinic: aminoglicozide, polipeptide 3. Antibiotice cu spectru larg ș i foarte larg de ac ț iune: Tetracicline, Cloramfenicol, cefalosporine din genera ț ia a II-a ș i a III-a 4. Antibiotice de înlocuire, in cazul apari ț iei fenomenului de rezisten ț ă: macrolidele, lincosamdele, rifampicina 5. Antibiotice de rezervă, toxice: Vancomicina 6. Antibiotice de excep ț ie: Fosfomicina [2,33-34] Penicilinele de biosinteză fac parte din clasa antibioticelor βlactamice, ș i sunt substan ț e chimice produse de diferite specii de microorganisme din clasa Penicillium notatum ș i Penicillium crysogenum. Penicilinele con ț in în structura lor un nucleu tiazolic, condensat cu unul tetragonal, diferind între ele prin natura radicalului R.

8

Pentil Metil p-aminobenzil p-hidroxibenzil 2-pentil Benzil Heptil L-4-amino-4carboxi-butil Alil-mercaptometil

Radicalul R CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 CH 3 H 2 N-C 6 H 4 -CH 2 HO-C 6 H 4 -CH 2 CH 3 -CH=CH 2 -CH 2 -CH 2 C 6 H 5 -CH 2 CH 3 -(CH 2 -) 5 -CH 2 CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH(NH 2 ) (COOH)CH 2 =CH-CH 2 -S-CH 2 -

Dihidropenicilina F Metilpenicilina Penicilina T Penicilina X Penicilina F Penicilina G Penicilina K Penicilina M Penicilina O

3-clor-2-buteniltiometil

CH 3 -CCl=CH-CH 2 -S-CH 2 -

Penicilina S

Fenoximetil

C 6 H 5 -O-CH 2 -

PenicilinaV

(2,35) În secolul trecut, 1929, Alexander Fleming descoperă penicilina G ș i o introduce în tratament în 1941. Penicilina G este unul dintre cele mai de pre ț antibiotice de biosinteză, cu o puternică ac ț iune bactericidă ș i bacteriostatică. Ini ț ial, penicilina a fost produsă de subculturile de Penicillium notatum, ulterior, s-a descoperit că ș i Penicillium crysogenum, citro-roseum, ribrum, ș i unele specii de Aspergillus secretă penicilină. Men ț inerea tulpinilor la un nivel inalt de productivitate s-a realizat prin culturi succesive ale tulpinelor tinere, viguroase, ș i utilizându-se uscarea tulpinilor prin liofilizare. (3,46) 2.1 Domenii de utilizare ș i proprieta ț ile produsului Dintre penicilinele de biosinteză, în practica medicală au fost introduse penicilina G, sub formă de săruri de porasiu, sodiu sau cu amine. 2.1.1 Domenii de utilizare Potrivit statisticilor, anual se produc cca. 26000 tone penicilina G la nivel mondial. Domeniile de utilizare ale acesteia sunt urmatoarele: - utilizare în terapeutică: 13% - ob ț inerea de acid 6-aminopenicilanic: 65% - ob ț inerea de acid 7-desoxicefalosoranic ș i al ț i intermediari: 20% 9

- alimenta ț ie: 2% (2,30) În cazul utilizării terapeutice a penicilinei G, aceasta prezintă o toxicitate scăzută, fiind activă impotriva agen ț ilot patogeni de tipul bacililor gram pozitivi, a cocilor gram pozitiv ș i negativ, fiind recomandată în angine streptococice, erizipel, scarlatină, pneumonie streptococică, otite, sinuzite, antrax, difterie, sifilis, blenoragie. Deasemenea este utilizată în profilaxia antitetanică ș i cea a infec ț iilor prin mu ș cături de animale. Nu este utilizată în cazul infec ț iilor cu agen ț ilor patogeni secretori de penicilinază (stafilococii ”de spital”) care sunt rezisten ț i la ac ț iunea antibioticului. (3,46) Penicilina G se prezinta cu formula bruta: C16H18O4N2S, masa moleculara M m =334 moli/g. In comert la noi in tara se gaseste sub denumirile „Penicilina G sodica” si „Penicilina G potasica” produse fabricate de S.C. Antibiotice S.A.

(2S,5R,6R)7-oxo-6-(2-

3,3-dimetill-

fenilacetamido)-4-thia-1-aza-biciclo[3.2.0]heptan-2-carboxilat 2.1.2 Proprietă ț ile produsului Proprietă ț i fizice Penicilina G se prezintă sub forma unei substan ț e albe, cristaline, solubile in apă ș i solven ț i organici, insolubilă în eter, cloroform, uleiuri grase, parafină. p.t.=80°C Miros slab, caracteristic, gust amar. Substan ț ă higroscopică. (1,86) Proprietă ț i chimice . Penicilinene sunt instabile în prezen ț a acizilor, alcalilor, oxidan ț ilor, alcoolilor, metalelor grele ș i la temperaturi ridicate. Penicilina i ș i pierde proprietă ț ile in solu ț ii cu pH acid mai mic de 5 sau bazic mai mare de 8. (4,3) In solu ț ii apoase prezintă pH= 5,5-7,5. Prezintă trei atomi de carbon asimetrici (C 3 , C 5 ,C 7 ), fiind optic activă cu α D 2 0 +241° Produsul ini ț ial rezultat prin hidroliza nucleofilă (prezen ț a βlactamazelor, a penicilinazelor sau a ionilor metalici) a penicilinei este acidul peniciloic, biologic inactiv, acesta prin acidulare pierde o moleculă de CO 2 trecând în acid peniloic. ac. peniciloic

ac. peniloic

10

Sub acțiunea clururii mercurice, acidul peniloic se degradează la aldehidă penilică și penicil amină.

Penicilinele reacționează nucleofil cu hidroxiamina formând acizi hidroxiaminici:

In reacția cu alcooli a penicilinelor se formează esteri:

In prezenta de alchilamine, penicilinele formeaza alchilamide.

11

In mediu acid, penicilinele (1) izomerizeaza la acid penicilinic (10), printr-un mecanism implicand structura de tranzitie oxazolonica(11). Daca concentratia acidului este mare atunci structura oxazolonica trece in acid penicilinic (12) care izomerizeaza rapid fie in acid penilic (10), fie in acid peniciloic(2), functie de pH-ul mediului. La o valoare mai mare a pH-ului, acidul penicilinic trece in aldehida penilica (5) si penicilamina (6). (1,82,83)

Proprietați biologice Penicilina G se prezintă sub formă de săruri de sodiu sau potasiu fiind activă bacteriostatic și bactericid față de bacili și coci grampozitivi. (1,86) În studiul acțiunii biologice a antibioticelor se urmărește stabilirea relației dintre structura chimică a medicamentului și acțiunea sa farmacologică pe de o parte, 12

iar pe de alta se caută determinarea naturii și a structurii chimice a receptorilor și modul de interacțiune între receptor și medicament. De exemplu, cunoscându-se acțiunea anestezică a cocainei s-a sintetizat novocaina care este mai ieftină și mai accesibilă. Proprietățile biologice a penicilinei sunt date de structura chimică, proprietățile fizice și chimice, conformația spațială, natura interacțiunilor cu receptorul, viteza de metabolizare. (1,25) Penicilinele au ca mecanism de acțiune, impiedicarea formării peretelui celular, prin legarea transversală a lanțurilor aparținând unui polimer peptidoglicanic, format dintr-un lanț de unități N-acetilglucozamină-acid N-acetilmuramic, cu lanțuri de pentapeptidă-entaglicină, atașate perpendicular. Legătura dintre glicina terminală a pentaglicinei și D-alanină o realizează transpeptidaza membranară. Penicilinele se cuplează cu transpeptidaza, o blochează, imiedicând astfel formarea legăturilor transversale , care asigură existența peretelui bacterian. Celulele microbiene, lipsite de perete, sunt expuse tensiunilor osmotice și mor. Bacteriile care nu au perete celular nu sunt sensibile la acțiunea penicilinelor. Penicilinele pot acționa asupra funcției enzimatice a proteinelor, ducând la autoliza unora dintre bacterii, sau la inhibarea creșterii. (3, 44) Administrarea penicilinei se face intramuscular, intravenos sau intrarahidian, la intervale de 6 ore. Eliminarea se produce pe cale renală, în formă nemodificată.

2.4. Descrierea procesului tehnologic Procesul tehnologic de obținere a penicilinei G se realizează prin procedeul discontinuu de fermentație în profunzime care prezintă o serie de avantaje precum: -

pericolul de infectare a mediilor de cultură este redus

-

randament ridicat

-

procesul este omogen

-

costuri de investiție reduse

Obținerea penicilinei G s-a efectuat dupa următoarea schemă bloc:

13

Hidrati de carbon Extract de porumb

Saruri nutritive Aer nesteril

Pregatire mediu de cultura

Abur, 5 a.t.a. Penicillium crysogenum

Sterilizare m.c.

Sterilizare aer Condens

Ag. antispumant Acid fenilacetic

Fermentatie

Filtrare Masa celulara Acetat de butil Sol. dil. H 2 SO 4

Extractie Faza apoasa Reextractie

Sol.NaCO 3 Butanol

`CH 3 Cl 3 butanol

Distilare azeotropa

Solventi reziduali

Filtrare, spalare pe

Uscare

Pe ni c G ilina

14

2.4. Descrierea procesului tehnic adoptat. Tehnologia de obtinere a Penicilinei G cuprinde urmatoarele faze: 1.Pregatirea mediilor de cultura 2.Sterilizarea mediilor de cultura si a aerului 3.Fermentatia biochimica 4.Filtrarea solutiilor native 5.Separarea si purificarea penicilinelor

1.Pregatirea mediilor Mediul de cultura reprezinta substratul nutritiv care contine complexul de substante folosite pentru cresterea si multiplicarea microorganismelor in conditii artificiale. Pregatirea mediului consta in dizolvarea in apa a componentilor acestuia conform retetei pentru fiecare faza a procesului de fermentatie. Mediul de cultura trebuie sa contina hidrati de carbon:, saruri minerale, surse de azot oragnic si anorganic, precursori si apa. Deoarece sterilizarea mediului de cultura de face cu abur direct, cantitatea de apa ce se adauga la prepararea mediului de cultura este mai mica cu o cantitate egala cu cea a aburului care condenseaza in timpul sterilizarii. Pregatirea mediilor de cultura se face in aparate destinate acestui scop, prevazute cu agitatoare, conducte pentru abur, serpentine de incalzire respectiv racire. In aceste aparate se introduce apa, se incalzeste la 50-60°C, apoi se adauga extractul de porumb –principala sursa de aminoacizi- si se fierbe timp de 30-60 minute.Dupa aceasta, solutia se raceste la 50-60°C si se adauga restul componentilor mediului in urmatoarea ordine: CaCO 3 , NH 4 NO 3 , NaSO 4 , MnSO 4 , KH 2 PO 4 , ZnSO 4 , lactoza, glucoza.

15

Componenții mediului de cultura pe faze de fermentație: Componenţii mediului de Inoculator cultură Extract de porumb 2 Lactoză 0,5-0,6 Glucoză 3-3,5 Făină de soia CaCO3 0,7-0,8 KH2PO4 0,1 NH4NO3 Na2SO4 ZnSO4 MnSO4 Acid fenilacetic Tiosulfat de sodiu Apă până la 100%

Intermediar

Regim

2-3 3-3,5 1,2 0,7 0,2-0,3 0,12 0,06 0,2 0,016

2,5-2,8 6-7 2-3 0,3 1,2-1,3 0,5-0,6 0,3 0,06 0,002 0,002 0,4 0,8

Mediul de cultură astfel realizat va cuprinde următoarele surse de carbon: lactoza ș i glucoza. Glucoza, sau dextroza, reprezintă o excelentă sursă de carbon ș i energie, utilizatăpentru producerea de antibiotic. În special se folose ș te pentru stimularea cre ș terii microbiene, însă poate genera ș i efecte nedorite, de tipul inhibi ț iei de substrat,indezirabile la producerea de metaboli ț i secundari, cum sunt penicilinele. Aceste efecte pot fi diminuate prin două cai: - modelarea adaosului de glucoză în etapa de cre ș tere a biomasei, astfel încât să se ajungă la viteze maxime de cre ș tere ș i să se reducă la minim concentra ț ia glucozei; - utilizarea zaharurilor cu viteză lentă de metabolizare, cum este lactoza, care poate elibera glucoză ș i galactoză prin hidroliză enzimatică, în concentra ț ii departe de valoarea inhibitorie. [5.61-62] Lactoza, dizaharid reducător ( 4 – β – D – galactozido – D – glucoză ), se folose ș te în stare pură numai pentru biosinteza antibiotecelor, în mod deosebit la ob ț inerea penicilinei. [5.63] Surse de azot Necesarul de azot pentru mediul de cultură este asigurat de sursele organice naturale sau sintetice și din sursele anorganice. Microorganismele sunt capabile, în mod obișnuit, să biosintetizeze toate tipurile de molecule de azot (aminoacizi, proteine)

16

plecând de la ionul amoniu (NH4+) în funcție de energia existentă, timp și gradul de tratare mutagenă a sușei cultivate. Viteza de creștere a microorganismelor atinge valori ridicate numai dacă mediul conține surse organice de azot. Pentru culturile industriale folosite la obținerea de penicilina G, necesarul de azot este asigurat de extractul de porumb și făina de soia. Aceste surse natrale sunt bogate în proteine și aminoacizi, conținând și acizi nucleic, vitamine, oligoelemente, lipide, zaharuri, compuși cu sulf și fosfor. Prezența ionului amoniu în mediile necesare fermentațiilor industriale favorizează metabolizarea proteinelor, dar și formarea de produse din categoria antibioticelor. [5.66] Săruri minerale În biosinteză, sărurile minerale sunt compuși folosiți drept surse de: - elemente constitutive ale produselor: Na2SO4, ZnSO4, MnSO4, tiosulfat de sodiu; - elemente constitutive ale biomaselor: CaCO3, KH2PO4, NH4NO3; - modificatori ai presiunii osmotice și ai permeabilității membranelor celulare: CaCO3; - agenți de complexare și de precipitare: ionul sulfat SO42- ( Na2 SO4, Mg SO4, KH2SO4 ). [5.67-68]

Precursori Precursorii sunt compuși organici sau anoganici, care atunci când sunt adăugați în mediul de cultură intervin ca molecule intermediare în biosinteză sau dirijează biosinteza către o anumită direcție. Acidul fenilacetic dirijează procesul de biosinteză către obținerea de penicilină G, folosind ca microorganism producător Penicillium Chrysogenum. Astfel se favorizează atingerea unor randamente ridicate de biosinteză. Prin activitatea lor, extrem de eficientă, în procesele de biosinteză, precursorii sunt considerați componente ce nu lipsesc din mediile de cultură, iar pentru a evita efectele inhibitorii aceștia se vor adăuga treptat, menținându-se o concentrație constantă. [5.68] Reglatori ai proceselor de biosinteză În biosinteza antibiotecelor se pot folosi unele molecule organice sau anorganice, ce acționează ca inductor, activatori sau represanți. Un exemplu tipic este ionul fosfat (PO43-), prezent prin KH2 PO4, care după o anumită concentrație devine un inhibitor pentru acumularea produselor utile. ). [5.69]

17

2.Sterilizarea este procesul prin care are loc distrugerea sau indepartarea microorganismelor patogene sau apatogene din substante, preparate, spatii inchise, obiecte etc. Metodele diferite de sterilizare se pot clasifica dupa urmatoarele criterii: a. metode termice: - sterilizare cu aer cald la 140-200°C - sterilizare cu vapori de apa sub presiune la 120-140°C - sterilizare prin incalziri repetate la 70-100°C b. metode fizice: - filtrare prin umpluturi fibroase - filtare prin materiale poroase - filtrare prin membrane - utilizarea radiatiilor UV, IR, raze X, β etc. c. metode chimice: - utilizarea agentilor chimici : oxid de etilena, formaldehida, fenol, ozon, etc. [7,80] Sterilizarea mediilor de cultura se poate realize prin metode mecanice(filtrare, centrifugare, flotatie, electrostatic), pe cale termica, cu agenti chimici sau cu unde electromagnetice. S-a ales ca posibilitate de sterilizare a mediului de cultura din industria de biosinteza, sterilizarea cu abur. Procedeul de sterilizare cu abur este foarte simplu si permite obtinerea unui grad inalt de sterilitate. Acest procedeu prezinta totusi o serie de dezavantaje date de reactiile secundare pe care le sufera principalele componente ale mediului in timpul procesului: - denaturarea proteinelor si inactivarea enzimelor - degradarea artiala a vitaminelor si a anumitor factori de crestere - supraincalziri ce pot initia reactii chimice. Aceste dezavantaje sunt diminuate prin alegerea judicioasa a procesului, care este totusi cel mai sigur. Procedeul de sterilizare termica a mediului de cultura poate fi realizat prin procedeu continuu sau discontinuu, utilizand drept sursa de incalzire aburul sau energia electrica. Deoarece sterilizarea directa in fermentator prin proedeu discontinua la 120°C necesita un timp mare si degradarea mediului este mai avansata, se alege procedeul de sterilizare mediului de cultura in instalatia continua. [6, 27]

Sterilizarea continua a mediilor de cultura la 120-125°C

18

Pentru sterilizarea unor cantitati mari de medii de cultura se recomanda utilizarea proceselor continue de sterilizare care prezinta o serie de avantaje: o conservarea mai buna a proprietatilor nutritive ale mediului o control superior al calitatii o utilizarea rationala a consumului de abur o eficacitate si productivitate sporita o control automat Realizarea in conditii optime a procesului impune un control al spumarii mediuliu si a vascozitatii acestuia. Pentru sterilizarea continua a mediilor de cultura se folosesc instalatii industriale care lucraza la 120-125°C.

Instalatia este compusa din trei parti distincte: coloana de sterilizare, mentinator si racitor. Coloana de sterilizare este formata din doua tevi concentrice: prin teava interioara trece aburul de 5 a.t.a, iar prin spatiu inelar circula mediul supus sterilizarii. In coloana de sterilizare are loc incalzirea mediului pana la 120°C, dupa care acesta este trecut prin mentinator si racitorul teava in teava, pentru desavarsirea procesului de sterilizare si racirea la 35-40°C. Din diagrama timp-temperatura pentru sterilizarea continua la 120-125°C rezulta ca incalzirea mediului cu abur direct de 5 ata in coloana de sterilizare se face in 4-5 secunde, iar timpul de mentinere(1519

20minute) permite o distrugere a tuturor microorganismelor patogene capabile de multiplicare in conditiile din fermentator. In acest procedeu, contributia perioadei de racire si de incalzire fiind de 5-6%, se poate considera ca procesul de sterilizare are loc numai in mentinator. [6,36]

°C

35-40°C

Sterilizarea aerului. Procesele industriale de fermentatie sunt aproape in totalitate procese aerobe si in marea lor majoritate aseptice. Necesarul orar de aer steril variaza intre 60-120 m 3 aer/m 3 mediu de cultura. In sterilizarea acestor debite mari de aer apar dificultati generate, pe de o parte de varietatea microoganismelor prezente si de rezistenta lor la temperaturi uscate si pe de alta de limitele largi ale dimensiunilor acestora. [5,110] Pentru sterilizarea aerului au fost propuse urmatoarele metode: - sterilizare termica - sterilizare cu raze ionizante sau untra-violete - sterilizarea cu agenti chimici - sterilizarea prin filtrare Pentru sterilizarea prin filtrare se pot folosi urmatoarele materiale filtrante: - fibre de sticla cu diametru intre 5 si 18 μ - nitrat de celuloza pentru filtru cu membrana - teflon cu o rezistenta termica mare(300°C) si caracter hidrofob - poliamida In sterilizarea prin filtrare aplicabilitate practica: - filtrul cu fribra de sticla - filtre disc cu membrana - filtre-lumanare

exista

trei

tipuri

de

filtre

cu

Filtrul cu fibre de sticla este alcatuit dintr-un strat de material filtrant fixat intre doua site, sustinute de doua placi perforate( cu diametrul perforatiilor de 0.7-0.8 cm). Filtrul este prevazut cu manta de 20

incalzire, care permite uscarea materialului filtrant sterilizat cu abur direct. Acest tip de filtru ofera posibilitatea sterilizarii unor debite ridicate de aer, realizarea unui grad inalt de purificare si durata indelungata de functionare.

21

3.Fermentatia. Este faza fundamentala a procesului de biosinteza si se realizeaza in trei etape: - inoculator - intermediar - regim Aceste etape corespund unor faze de dezvoltare a microorganismelor. Astfel, in inoculator se petrece procesul de aclimatizare a Penicillium crysogenum la noile conditii de dezvoltare, in intermediar incepe cresterea exonentiala a numarului de microorganisme, iar in regim se termina procesul de crestere a microorganismelor si de formare a penicilinei. Aceasta etapizare reprezinta o imagine generala si putin idealizata a procesului de biosinteza, deoarece chiar in intermediar incepe procesul de elaborare a penicilinelor ca rezultat al distributiei varstelor microorganismului. Acumularea unor cantitati mari de masa moleculara face ca volumele fermentatoarelor, in care are loc procesul, sa creasca in raport zecimal. Eficacitatea procesului de biosinteza este determinata de conformatia genetica a tulpinei. Tulpina utilizata este P. Crysogenum Q176 a carei potenta a fost ridicata foarte mult prin procese de mutatie. O tulpina buna se caracterizeaza prin capacitatea mare de inmultire, utilizare rapida a azotului si a precursorului, lipsa pigmentilor in biomasa si miceliu fibros. Procesul de fermentatie cuprinde trei faze distincte: - faza de crestere - faza de producere - faza autolitica Faza de crestere se caracterizeaza prin acumularea de masa miceliana si utilizarea intensiva a componentelor mediului de cultura. Glucoza este asimilata foarte rapid atat pentru formarea masei celulare, cat si pentru formarea energiei necesare. Cerintele de oxigen sunt maxime in aceasta perioada, iar activitatea respiratorie, volumul de CO 2 degajat este mare. Faza de producere a penicilinelor se caracterizeaza prin incetinirea cresterii miceliului fie datorita epuizarii constituentilor usor asimilabili, fie altor conditii existente cum ar fi scaderea consumului de oxigen, mentinerea pH-ului la 6.8-7.5 si acumularea de penicilina. In aceasta faza lactoza este folosita lent de catre miceliu si furnizeaza energia necesara proceselor de biosinteza sau pentru formarea constituentilor celulari. Faza autolitica corespunde stadiului in care microoganismele se epuizeaza ca urmare a activitatii metabolice prelungite, iar sursele de carbon din mediu sunt consumate. Continutul de azot al miceliului descreste considerabil si incepe procesul de autoliza al acestuia cu elibereare de amoniac si cresterea pH-ului peste 8. Producerea

22

penicilinelor inceteaza si apare un proces de hidroliza alcalina a penicilinelor formate. In practica industriala nu este permisa prelungirea fermentatiei pana la aparitia autolizei. Cantitatea de peniciline formate intr-o fermentatie biochimica normala este rezultatul imbinarii rationale a urmatorilor factori: - conformatia genetica a tulpinii care decide caacitatea de producere a penicilinelor - folosirea unor constituenti adecvati in mediu si un echilibru corect in proportiile acestora - mentinerea pH-ului la un nivel optim in mediul de fermentatie - dozarea corecta a raportului intre hidratii de carbon - adaugarea de precursori care vor decide natura catenei laterale si tipul de penicilina produsa - asigurarea necesitatilor de substante minerale - mentinerea temperaturii optime Din datele existente in literatura se poate se poate trage concluzia ca pH-ul afecteaza vitezele reactiilor enzimatice, permeabilitatea membranelor celulare si gradul de ionizare a sarurilor. Pentru faza de crestere a masei celulare pH-ul optim este de 4.55.0, iar pentru faza de producere a penicilinelor este de 7.0-7.5. Prin urmare, procesul va trebui condus inter cele doua etape in regim diferit. Nu se recomanda depasirea pH-ului de 7.5 deoarece incepe procesul de autoliza insotit de degradarea penicilinelor formate. Mentinerea pH-ului la valoarea 7 in ultima parte a ciclului de fermentatie asigura valori ridicate pentru vitezele de respiratie si elaborare de peniciline. Regimul optim de temperatura este de 25°C cu o toleranta de un grad, iar necesarul de aer, deoarece este un proces aerob, este de 1-1.5 l aer/l mediu x min., la o turatie a agitatorului elicoidal de 110-140 rot/min. [6,182,183] . Viteza de dizolvare a oxigenului creste cu turatia agitatorului, dar acesta nu poate depasi anumite limite deoarece se ajunge la deteriorarea mecanica a biomasei. Mecanismul de transfer al oxigenului din bula de aer la celula in sistem eterogen gaz-lichid-solid implica urmatoarele etape: •

difuzia oxigenului molecular prin filmul de aer

•

dizolvarea oxigenului la interfata gaz-lichid

•

difuzia oxigenului solvit prin filmul de lichid

•

difuzia oxigenului solvit in intreaga masa

•

difuzia oxigenului solvit prin filmul de lichid de la suprafata microorganismelor

•

difuzia oxigenului prin membrana celulara

•

reactia de consum a oxigenului

23

Din datele existente in literature de specialitate rezulta ca in sisteme eterogene gaz-lichid-solid, bine agitate, viteza procesului de transfer de masa al oxigenului este determinate de difuzia oxigenului dizolvat prin filmul de lichid. [1,92] Compozitia mediului de cultura are un rol hotarator in procesul de biosinteza deoarece, in dezvoltarea sa, microorganismele au nevoie de surse de hidrati de carbon, azot, substante minerale si precursori. Sursele de hidrati de carbon sunt necesare pentru dezvoltarea microorganismelor si pentru producerea penicilinei. Este necesar sa se mentioneze ca biomasa unei molecule asa de complexe, necesita un flux de energie din exterior, procesul fiind endoterm. Prin urmare, biosinteza penicilinelor se poate realiza numai daca se desfasoara simultan si procesele de oxidare ale hidratilor de carbon care constituie sursa principala de energie. Oxidarea lenta a lactozei elibereaza o energie ce depaseste cu 66kJ/l mediu de cultura energia necesara sistemului ; din aceasta cauza procesul de biosinteza in ansamblu este exoterm. Viteza de utilizare a hidratilor de carbon se inscrie in urmatoarea schema: glucoza  acid lactic  lactoza; fapt care confirma ca in faza de crestere a microorganismelor se consuma glucoza, iar in faza de producere a penicilinelor se consuma lactoza. Introducerea fructozei sau lactozei in locul glucozei are ca efect scaderea brusca a vitezei de crestere a masei celulare. Sursele de azot sunt necesare pentru formarea grupelor aminice si obtinerea acozilor aminici. Se utilizeaza azot mineral din saruri de amoniu si azot organic furnizat de aminoacizii si peptidele din extractul de porumb. Prezenta substantelor minerale este vitala in pocesul de crestere deoarece ele afecteaza direct permeabilitatea membranei sau intra in sistemele enzimatice. Astfel KH 2 PO 4 ofera K 3 - entru activarea unor sisteme enzimatice si PO + pentru fosforilare. Necesarul de substante minerale pentru fazele de crestere a masei celulare si elaborarii de peniciline pentru P.crysogenum Q174 este urmatorul: Element Potasiu Magneziu Fosfor Fier Sulf

Valori exprimate in mg/l mediu Cresterea ciuercii Producerea penicilinei 40 40 8 8 80 200 0.2 7 70 100

Dirijarea procesului de biosinteza spre obtinerea Penicilinei G se face cu ajutorul cu 24

ajutorul unei substante care este inglobata in catena laterala si poarta numele de precursor. Acesta este acidul fenilacetic. Precursorul se adauga in portiuni deoarece in concentratii mai mari de 0/1-0/2% sunt toxici pentru microorganisme. Procesul de formare a penicilinelor fiind aseptic, sterilizarea aparatelor se face cu abur la 120-125°C, iar mentinerea sterilitatii in timpul procesului este asigurata de suprapresiunea creata prin barbotarea aerului steril necesar biosintezei. Procesul de fermentatie se realizeaza in fermentatoare cilindrice verticale contruite din otel inoxidabil, echipate cu agitator elice sau turbina, serpentina pentru racire, conducta pentru aerare, dispozitive spargere-val, teaca termocuplu, filtru individual de aer si rezervor de antispumant. Fundurile fermentatoarelor sunt sudate pentru a asigura un grad sporit de securitate impotriva infectiilor, iar stuturile au garnitura metalica pe toata suprafata flanselor de legatura. Dinamica procesului de fermentatie a penicilinelor Controlul procesului de fermentatie se realizeaza prin determinarea sterilitatii mediului, a gradului de determinare mofologica a ciupercii, a pH-ului mediului, a activitatii lichidului de cultura si a consumului de de zahar. Probele se iau la interval de 4-6 ore, iar procesul se considera terminat atunci cand continutul de zahar al biomasei ajunge la 0.2-0.6%, iar concentratia solutiei ramane aproape constanta intre doua determinari. Perametrii procesului de fermentatie biochimica a penicilinei: Etapa de T Agitarea Debit aer Presiunea fermentatie [°C] [Rot/min] [l/l mediu x [ata] min] Inoculator 26±1 270 1.0 1.2-1.3 Intermediar 26±1 170 1-1.2 1.2-1.3 Regim 26±1 120 0.6-1 1.2-1.3

Durata [h] 30-40 20-40 90-120

Concentratia penicilinelor in solutia nativa la terminarea procesului de fermentatie este cuprinsa intre 5%-6%. Valoarea exacta depinde de potenta susei folosite si de conditiile de realizare a procesului de fermentatie. [6,184,185]

25

4.Filtrarea solutiilor native Filtrarea la nivel industrial a lichidelor de fermentatie intampina dificultati considerabile datorate naturii masei celulare. Alegerea utilajului pentru filtrare este conditionata de: - caracterul suspensiei, - productivitate, - grad de recuperare - materialul de constructie al suprafetei filtrante Filtrarea lichidelor care contin masa celulara cu caracter fibros este o operatie relativ usoara, deoarece miceliul nu colmateaza materialul filtrant si se desprinde usor de pe acesta. Pentru aceste lichide, la nivel industrial sunt recomandate filtre rotative cu vid. Filtrele ofera o suprafata mare de filtrare, posibilitatea spalarii miceliului pe filtru, pentru recuperarea avansata a produselor utile si nu necesita operatii manuale. Filtrul rotativ cu vid, denumit filtru celular Oliver, poate fi construit din otel-carbon, otel inoxidabil, otel captusit cu cauciuc sau teflon, din diferite aliaje. Alegerea materialului de constructie este determinata de caracterul agresiv al lichidelor supuse filtrarii. Filtrul consta dintr-un tambur rotativ, cu lungimea 1-4.5, si diametrul 1.75-3m, construit din doi cilindrii orizontali coaxiali. Cilindrul exterior este perforat si acoperit cu material filtrant, iar spatiile dintre cei doi cilindrii este impartit in 10-12 celule etanse care functioneaza succesiv si independent ca un filtru nuce. Legatura dintre aceste celule si conductele de vid sau aer comprimat se realizeaza rin intermediul capului de distributie. Suprafata tamburului este impartita in mai multe zone corespunzatoare operatiilor de filtrare, spalare, uscare si indepartare a stratului de miceliu depus. In timpul unei rotatii a tamburului, fiecare celula trece prin toate aceste zone. Indepartarea miceliului se realizeaza cu ajutorul unui cutit razuitor fix.[3,37,38] . Soluția rezultată se trece printr-un răcitor tubular unde se răcește până la 35°C și se depozitează în rezervorul de așteptare, de unde este trimisă la extracție. Răcirea este absolut necesară pentru a reduce viteza reacțiilor de degradare a penicilinelor. În unele tehnologii de fabricație soluția răcită se tratează cu cetazol 10% pentru coagularea albuminelor, se filtrează și se trimite la extracție. [6,186] 26

5.Separarea si purificarea penicilinelor Separarea penicilinelor prin extractie fizica rerezinta singurul procedeu de separare cu aplicabilitate industriala. Concentratia finala a penicilinei in lichidele de fermentatie este de 3-6%, in functie de tulpina utilizata. Datorita dilutiei foarte mari, este necesara concentrarea solutiei prin extractii repetate a penicilinelor cu solventi. Fluxul general al separarii penicilinelor cuprinde urmatoarele etape: - filtrarea lichidului de fermentatie in scopul separarii biomasei - extractia penicilinelor din filtru cu solvent organic in doua sau mai multe stadii, in functie de conc sa in solutie - reextractia penicilinelor din solventul organic cu o solutie de carbonat de sodiu - cristalizarea si purificarea. Extracț ia ș i reextracț ia Extracția reprezintă operația de separare a componenților unui amestec lichid sau solid pe baza diferenței de solubilitate a acestora într-unul sau mai mulți solvenți. Dacă amestecul supus separării este lichid, operația este de extracție lichid-lichid, iar pentru solid, extracție solid-lichid. Atunci când procesul are loc prin intermediul operațiilor fizice, extracția este fizică, iar atunci când intervin reacții chimice, extracția este reactivă. Extracția fizică lichid-lichid cuprinde 4 etape: 1. contactarea soluției inițiale cu solventul (amestecarea) 2. solubilizarea și difuzia solutului în faza solventului (transferul de masa a solutului) 3. separarea celor două faze rezultate (extractul-faza solventului care conține solutul, rafinatul-soluția inițiala epuizată) 4. recuperarea solventului atât din extract, cât și din rafinat. [3.52] Viteza extracției depinde de 3 factori: aria interfacială de contact dintre cele 2 faze lichide, forța motrice a trasnferului de masă al solutului între soluția inițială și solvent, coeficienții de transfer de masă ai solutului în fiecare fază. Operația de extracție prezintă capacitate maximă, atunci când se obține un contact intim între fazele din sistem, reflectat de gradul de dispersie ale uneia în cealaltă, respective de valoarea ariei interfaciale. Produsele de biosinteză se găsesc în lichidul de fermentație în concentrații reduse (0.5-8%), fiind în general, compuși labile chimic și termic. În plus, în lichidele de fermentație se găsesc numeroși compuși secundari, unii cu caracterisitici fizicochimice asemănătoare cu ale produselor utile, de aceea separarea și purificarea produselor de biosinteză sunt operații dificile, ce implică etape complicate. [8.48] Extracția fizică reprezintă până în prezent singurul procedeu de separare industrial al penicilinei G. Concentrația finală a penicilinei G în lichidele de fermentație este cuprinsă între 3 și 6 %, în funcție de tulpina utilizată. Datorită diluției

27

foarte mari este necesară concentrarea soluției prin extracție și reextracție. Penicilinele pot fi extrase fie din soluția apoasă rezultată în urma filtrării biomasei, fie direct din lichidul de fermentație. [7.61] Fluxul general al separării penicilinelor de biosinteză este alcătuit din 4 etape: 1. filtrarea lichidului de fermentație cu ajutorul filtrelor rotative cu vid, în scopul separării biomasei de lichidul care conține penicilinele; 2.

extracția penicilinelor din filtrat cu un solvent organic în două sau mai multe stadii, ăn funcție de concentrația lor în soluție;

3.

reextracția penicilinelor din solventul organic cu o soluție de carbonat de sodiu sau de potasiu;

4.

cristalizarea și purificarea, în funcție de tipul de penicilină.

Extracț ia penicilinei G folosește ca mediu supus extracției fizice, lichidul de fermentație filtrate, iar ca solvent acetatul de butil la pH cu valoarea 2. [8.49-50] Extracția penicilinei G în acetat de butil decurge cu randamente maxime numai în condțtiile în care acest antibiotic se va găsi în soluția apoasă supusă extracției în formă nedisociată. Acesta deoarece acetatul de butil este un solvent nepolar sau cu polaritate redusă. Din analiza procesului de extractive fizica a penicilinei G cu acetat de butil s-a constat ca: - în solvent sunt extrase numai molecule de penicilina nedisociată - între molecule de penicilinaă, în condțtiile în care se realizează extracția, nu are loc formarea unor asociații - în acetatul de butil penicilina G nu disociază [3.62] Schema de operații pentru separarea penicilinelor prin extracție este prezentată în schema următoare:

Pentru extracția penicilinei G se folosește extractorul Podbielniak.Acesta este construit dintr=o foaie metalică înfășurată în spiral în jurul unui arbore care se rotește cu 28

2000-5000rpm..Rotorul are forma unei spirale cu un număr variabil de spire( 6-33 spire) a căror secțiune formează canale paralele.

1. 2. 3. 4. 5.

ansamblu rotor +ax carcasă lagăre curea de tranmisie foaie metalică spiralată perforată 6. conducte de distribuţie a fazelor 7. conductă pentru lichidele de spălare şi curăţare 8. ştuţuri de alimentare şi evacuare

Distilarea azeotropă În prezent pentru separarea sărurilor penicilinei G din soluția apoasă rezultată de la reextracția în carbon de Na(K), se folosește procedeul antrenării azeotrope a apei cu butanol, la vid, astfel încat, odată cu îndepărtarea apei are loc cristalizarea sării respective, apoi, acesta se filtrează si se spală cu butanol și cloroform. Utilizarea butanolului, deși prezintă avantajul unui timp relativ scurt al fazei de cristalizare si al unei solubilitați relativ bune a impuritatilor are o serie de inconveniente cum ar fi: - conduce la pierderi mari de butanol, datorita solubilitatii ridicate a acestuia in apa(7,45%), precum si datorita solubilitatii mari a apei in butanol (20,5%); acest aspect determina si cheltuilei sporite cu recuperarea solventului. - posibilitatea degradarii termice a penicilinei, datorita temperaturii necesare evaporarii amestecului butanol-apa - posibilitatea degradarii chimice a penicilinei in butanol.[8,85] Uscarea Uscarea este o operatie prin care se indeparteaza umiditatea dintrun material cu ajutorul energiei termice.Termenul de uscare se mai utilizeaza si in cazul indepartatii unui component in stare lichida sau de vapori dintr-un gaz sau dintr-un amestec lichid. Uscatoarele se pot clasifica in functie de mai multe criterii: 1) dupa regimul de fuctionare pot fi: - continue - discontinue 2) dupa presiunea de lucru pot fuctiona: - la presiune atmosferica

29

- la vid 3) dupa procedeul de uscare pot fi: - cu agent termic gazos - cu incalzirea materialului 4) dupa sensul de circulatie a solidului si a gazului pot fi in : - echicurent, - contracurent, - curent mixt - curent incrucisat 5) din punct de vedere constructive sunt: -uscatoare cu strat fix, -cu strat mobil, -cu strat fluidizat, -cu pulverizare, -de contact Penicilina G precipitata se filtreaza pe filtrul Nuce si se usuca in uscator dulap la 35-45°C sub vid de 100-225 mmHg, timp de 16-20 ore.

2.4.2. Materii prime, Intermediare, Auxiliare. Microorganismul producator Mucegaiurile(ciuercile sau fungii) sunt microorganisme ce se prezinta sub forma de filamente, de diverse dimensiuni, ce formeaza un miceliu care provoaca degradarea mediului in care se dezvolta. Unele specii de mucegaiuri sunt producatoare de antibiotice cum ar fi Penicillium si Aspergillus, in special antibiotice β-lactamice Mediul de cultura are in componenta urmatorii constituenti: 1. Lactoza Generalități: Formulă brută: C12H22O11 Masă moleculară: 360.30 g/mol Prezinta o usoara solubilitate in apa si este insolubilă în alcool etilic, eter etilic și cloroform. Zerul și materialele auxiliare folosite la fabricarea lactozei trebuie să corespundă documentelor telenice normative ale produselor respective și să respecte dispozițiile legale sanitare și sanitar – veterinare în vigoare. Condiții tehnice de calitate: Denumirea caracteristicii

Condiții de admisibilitate Tipul Lactoză rafinată Lactoză telenică Calitatea I Calitatea a II-a

30

Aspect Culoare Gust și miros Aspectul soluției apoase Puterea rotației specifice [α]2020 Pierderi prin uscare: -la 130°C, %, max. -la 100°C, %, max. Aciditatea exprimată a acidului lactic, %, max. Cloruri, %, max. Sulfați (SO4), %, max. Calciu Metale grele (Pb) Arsen, %, max. Fier

pulbere cristalină albă albă - galbenă galbenă slab dulceag, fără miros străin incolor, limpede galben deschis, Galben slab tulbure +52 ÷ +53 +51 ÷ +52 +47 ÷ +51 5.5 0.05

0.4 0.07

2 1

0.004 0.002 lipsă în condițiile determinării lipsă în condițiile determinării 0.01 lipsă în condițiile determinării

-

-

-

-

-

-

2. Extractul de porumb Conditii tehnice de calitate Constituienti g/100g extract de porumb Substanta uscata Cenusa N total Zahar total (exprimat ca glucoza) Acid lactic Aciditate(ml sol NaOH 0,1N/100g) extract de porumb Fe P Ca Zn K SO2 Sedimente solide

% 46-49,6 8,04-10,73 3,33-3,67 4,00-4,70 0,74-4,39 11,6-19,3 0,009-0,02 1,5-1,9 0,02-0,7 0,05-0,012 2,0-2,5 0,02 38,4-52,9

Generalitati. Proprietati fizice. - Aspect: lichid cremos de culoare galben inchis - Miros: caracteristic unei fermentatii lactice - Sedimentare dupa 24 ore intr-un cilindru de 100 ml de 100% - Aspect microscopic: in frontiu colorat prezinta o masa bacteriana tipica bacililor lactic, in proportie de peste 90% - Substanta uscata: minim 50%

31

- pH= 3.5-4 - Continutul in acid lactic: minim 20g la 100g substanta uscata - Zahar total: maxim 2.5% 3. Faina de soia Generalitati: Faina de soia este o sursa de azot naturala, bogata in proteine, aminoacizi continand si acizi nucleici, vitamine, oligoelemente, lipide, zaharuri, compusi cu sulf si fosfor dupa cum urmează:

4. Glucoza Generalități:

Proteine

42 %

Materii grase

3.5 %

Metionina

0.54 %

Cisteina

1.1 %

Lizina

2.4 %

Calciu

0.2 %

Sodiu

0.287 %

Potasiu

1.7 %

Magneziu

0.21 %

Sulf Fosfor

0.32 % 0.6 %

SR 13359-7

Obiect și domeniu de aplicare: Prezentul standard se referă la glucoza obținută din cartofi și din porumb, destinată pentru consum și scopuri industriale. Tipuri de gluxoza: -glucoză lichidă -glucoză solidă: - aromatizată - nearomatizată Glucoza aromatizată poate fi fabricată cu diferite adaosuri: esențe, aromatizanți și coloranți alimentari avizați din punct de vedere sanitar, miez de nucă, miez de floarea-soarelui etc., conform acordului între producător și beneficiar.

32

-Sirop de glucoză: soluție apoasă, concentrată și purificată de zaharuri nutritive, obținute din amidon de cartofi și de porumb. -Glucoză solidă: masă de zaharuri nutritive, obținută prin hidroliză avansată a amidonului de cartofi și de porumb. Condiții tehnice de calitate: Pentru glucoza de cartofi și de porumb, materiile prime și auxiliare trebuie să corespundă standerdelor și normelor sanitare în vigoare Proprietăți organoleptice: Caracteristici

Aspect Culoare

Gust Corpuri străine

Metodă de verificare

SR 13359-1

Miros

Condiții de admisibilitate Tip de glucoză Lichidă Solidă Aromatizată Nearomatizată Lichid vâscos Masă solidă, Masă solidă sub formă de tablete Incolor până Crem până la Crem până la la galben galben sau galben specifică colorantului adăugat Lipsă Caracteristic Lipsă aromei adăugate Dulce Dulceag, ușor amărui specific Lipsă

Proprietăți fizico – chimice: Caracterisitici

Umiditate, % max. RBU, max. Culoare ml iod soluție 0.1 n/100 ml, max Densitate 20/20°C, g/ml, min Indice de refracție la 20°C Aciditate, grade, max. Acizi minerali liberi, % pH, la o soluție 20 g/100 ml

Condiții de admisibilitate Tip de glucoză Lichidă Solidă Aromatizată Nearomatizată 20 21 200 1.5 -

1.42 1.49 2.5

2.8 Lipsă 4.5...5.5

Metodă de verificare SR 13359-2 SR 13359-3

SR 13359-4 SR 13359-5 SR 13359-6 SR 13359-7 SR 110-12

33

Conținut de -în produs SO2 ml/100 g nealbit max. -în produs albit Conținut de cenușă conductometrică, raportată la s.u., %, max. Conținut de dextroză raportat la s.u., (DE), %

4 40 0.6

32...49

SR EN 1185 15 -

SR 110-2 SR 13359-8 sau SR 13359-9 sau SR ISO 5377

min. 75

5. CaCO3, Carbonatul de calciu STAS 1083-76 Prezentul standard se refera la carbonatul de calciu precipitat, tehinic, obtinut prin tratarea solutiei de var cu bioxid de carbon.Produsul se prepara sub forma de pulbere microcristalina. Formula chimica:CaCO3 Masa moleculara relativa: 100,09 g/mol Carbonatul de calciu precipitat, tehnic se livreaza in patru tipuri: - tipul I destinat, in special, la fabricarea pastei de dinti; - tipul A destinat, in special, industriei de produse cosmetice, industriei de antibiotice si industriei electrotehnice; - tipul B destinat, in special, industriei de material plastic si industriei cauciucului; - tipul C pentru alte utilizari; Conditii tehnice de calitate a carbonatului de calciu Tipul I A Grad de alb, %min 97 92 Finite: -rest pe sita cu tesatura de sarma 0063 STAS 1077-67, %max 0,1 1,0 -rest pe sita cu tesatura se sarma 009 STAS 1077-67, %max 0,05 0,5 Densitate in gramada in stare tasata, 0,45 0,45 g/cm3, max Cifra de sedimentare, cm3, min 95 91 Umiditate, % max 0,4 0,4 Substante insolubile in acid clorhidric, 0,1 0,2 %max Oxizi de fier si de aluminiu 0,5 0,5 (Fe2O3+Al2O3), %max Carbonat de calciu (CaCO3),% min 99 99 Alcalinitate[Ca(OH)2], % max 0,008 0,008 Limite de pH la un adaos de 1…30cm3 5,5….6,0 acid clorhidric n(capacitate de tamponare) pH-ul suspensiei 2% in apa, max 8,5 9,5 pH-ul suspensiei 10% in apa, max 9 10

B 92

C -

1,0

-

0,5 0,45

1 0,47

90 0,6 0,2

90 0,6 0,2

0,5

0,5

98,5 0,10 -

97 0,15 -

-

-

34

Cupru(Cu), %max Mangan(Mn), %max Arsen

0,001 0,003 -

0,001 0,003 -

0,001 0,003 -

-

6. Fosfat monopotasic S.T.A.S 10497-76 Generalitati: Prezentul standard se refera la fosfatul monopotasic tehnic utilizat, în principal, in mediu de cultura la fabricarea antibioticelor. Formula chimica: KH2PO4 Masa moleculara: 136,09 g/mol Condiții tehnice de calitate Aspect și culoare Cristale albe Umiditate , %, max. 0.3 Fosfat monopotasic (KH2PO4), %, min. 96 Cloruri (Cl), %, max. 0.25 Fier (Fe), %, max. 0.003 Metale grele (Pb), %, max. 0.01 Substanțe insolubile în apă, %, max. 0.5 Observații: - Caracteristicile din tabel, cu exceptia umiditatii, se refera la fosfatul monopotasic uscat la 105 ± 2°C - Cu acordul beneficiarilor produsul se poate livra si cu max. 0.05 % fier. 7. Sulfat de sodiu S.T.A.S 2126-84 General itați Prezentul standard se refera la sulfatul de sodiu, anhidru, tehnic, intrebuintat in industria de medicamente. Formula chimică: Na2SO4 Masa moleculara relativă: 142.044 g/mol Calități Sulfatul de sodiu, anhidru, tehnic se livrează în trei calitați: calitatea I – produs secundar la băile de filare, de la obținerea fibrelor artificiale; calitatea II – obținut prin tratarea fosfogipsului rezidual cu sodă calcinată (Na2CO3), urmată prin uscarea produsului prin atomizare. - calitatea III – produs secundar din fabricația acidului formic din formiat de sodiu și acid sulfuric. Condiții tehnice de calitate Calitatea I II Aspect praf neaglomerabil praf neaglomerabil Culoare Alb alb Sulfat de sodiu 99 97.5

III praf aglomerabil Alb cenușiu 97 35

(Na2SO4), %, max. Umiditate, %, max. Substanțe insolubile în apă, %, max. Acid sulfuric liber(H2SO4) Clorură de sodiu (NaCl), %, max. Fier (Fe), %, max. Acizi organici (HCOONa) Densitate în stare netasată kg/dm3

0.3

0.1

0.5

0.3

0.3

0.5

Lipsă

lipsă

%, max. 1.0

0.1

1.2

1.2

0.001

0.001

0.03

-

%, max. 1.5

lipsă 0.7...1.55

0.4...0.7

1.26...1.30

Observație: - toate valorile din tabel, exceptând umiditatea si densitatea în stare netasată, sunt raportate la produsul uscat la 105 ± 2°C. 8. Sulfat de zinc S.T.A.S. 2367-80 Generalitati : Prezentul standard se refera la sufatul de zinc tehnic cristalizat, granulat si lichid. Sulfatul de zinc tehnic cristalizat si granulat se livreaza in 3 calitati: - calitatea I - calitatea II - calitatea III Sulfatul de zinc tehnic lichid se livreaza in 2 calitati: - calitatea I - calitatea II Formula chimica: ZnSO4 Masa moleculara: 161 g/mol La data aprobarii standardului, sulfatul de zinc tehnic granulat si lichid se importa. Conditii tehinice de calitate a sulfatului de zinc tehnic cristalizat, calitatea I: Calitatea

I

II

Aspect

III cristale mici

Culoare

Alba

alba sau alb-galbui

alb-galbuie-cenusie

Zinc(Zn) %min.

22,5

22,1

21,6

Substante insolubile in apa, %max.

0,05

0,1

0,5

Fier(Fe), %max

0,035

0,5

1,0

Cupru(Cu), %max

0,005

-

-

36

Acid sulfuric liber(H2SO4), %max

0,1

0,5

-

Arsen

Lipsa

-

-

Cloruri, %max

0,2

-

-

Observatii: - pentru industria chimico-farmaceutica se va folosi sulfat de zinc tehnic cristalin, calitatea I. 9. Azotat de amoniu S.T.A.S. 450-30 Generalitați Standardul cu nr. 450-30 se refera la azotatul de amoniu tehnic, granulat obținut prin neutralizarea acidului azotic cu amoniac utilizat la fabricarea explozivilor și în alte scopuri industriale. Formula chimica: NH4NO3 Masa moleculară relativă: 80.04 g/mol -

Azotatul de amoniu tehnic granulat, se livrează în două tipuri: tip I – folosit la fabricarea explozivilor;

-

tip II – folosit în alte scopuri industriale.

Condiții tehnice de calitate Tip Aspect Culoare Granulație: granule între 1...3 mm, %, min. granule sub 1 și peste 3 mm, %, max. Umiditate, %, max. Aciditate liberă (HNO3), %, max. Azotat de amoniu, %, min. Azotat de magneziu, %, min. Azotat total, %, min. Reziduu de calcinare, %, max.

I Granule neaglomerabile alb

II granule neaglomerabile alb-roz

95

95

5 0.2

5 0.3

0.02

0.02

98.8

99.4

0.2

-

34.6

34.8

0.2

-

Observație: - conținutul de azotat de amoniu, azotat de magneziu, azot total și aciditatea liberă sunt raportate la produsul uscat.

37

Precursor in obtinerea Penicilinei G: Acidul fenilacetic. Generalitati : Formula chimica: C6H5CH2COOH Masa moleculara: 136.15 g/mol Proprietati fizice : - pulbere alba, alba-galbuie - punctul de topire la 77-78.5°C, - temperatura de fierbere: 265°C, - densitate 1.081 g/cm3 , - solubilitate moderata in apa - stabil in conditii normale. Descriere generala si aplicatii: Acidul fenilacetic se prezinta sub forma de cristale albe, cu un miros neplacut, caracteristic, solubil in alcool si eter. El serveste ca ingredient in parfumuri oferind un miros asemanator mierii. Se gaseste in concentratie mica in unii alcaloizi si hormoni din plante. Acidul fenilacetic substituit in pozitie alfa si esterii acidului fenilacetic sunt folositi in medicina, deasemeni acidul fenilacetic este folosit ca precursor in obtinerea penicilinei G. In comert se gaseste sub forma de pudra galbuie de puritate minim 99% si umiditate maxima 1%, livrat in saci de 25kg.

Agent antispumant: Ulei de floarea soarelui tehnic

STAS 2710-70

Generalități: Standardul cu numarul 2710-70 se referă la uleiul tehnic obținut din semințele de floarea soarelui. Uleiul tehnic de floarea soarelui se livrează în două calități: -calitatea I, obținută prin presare sau extracție cu solvenți și prelucrare ulterioară; -calitatea II, obținută prin presare sau extracție cu solvenți. Proprietăți fizice și chimice: Calitatea Aspect, la 60°C

I Limpede fără impurități

II -

Metode de analiză STAS 145/1-67

38

Densitate relativă la 20°C Indice de refracție la 20°C Culoare de iod, mg I/ 100 cm3 max. Impurități insolubile în eter etilic, % max. Umiditate și materii volatile, % max. Indice de aciditate, mg KOH/g max. Substanțe organice nesaponificate, % max. Indice de iod, g I/100g min. Cenușă, % max. Indice de saponificare, mg KOH/g Substanțe mucilaginoase Punct de inflamabilitate (Penki-Martens), °c min.

mecanice 0.914...0.927 1.4710...1.4760 20 0.1 1 0.2 1 2 12 1.2 1.2 119...135 0.05 186...198 lipsă 165 135

STAS 145/3-67 STAS 145/4-67 STAS 145/2-67 STAS 145/11-67 STAS 145/10-67 cap 1 STAS 145/16-67 cap 1 STAS 145/15-67 STAS 145/19-67 cap 1 STAS 145/13-67 STAS 145/17-67 STAS 18-70 STAS 145/6-67 cap 1

Observatii: - la uleiul rafinat de floarea soarelui tip A, imbuteliat pe linii fara uscare, se admite un continut de apa si substante volatile de max 0.15% - indicele de peroxid pentru uleiul destinat pastrarii indelungate se stabileste prin intelegere intre parti

Acetat de N-butil S.T.A.S 904-89 Generalitati: Standardul cu numarul 904-89 se refera la acetatul de n – butil tehnic obtinut prin esterificarea acidului acetic cu alcool n – butilic sau prin transesterificarea acetatului de metil. Formula chimica: CH3CO2(CH2)3CH3 Masa moleculara relativa: 116.16 g/mol Acetatul de n – butil tehnic este un produs inflamabil, avand punctul de inflamabilitate de cca. 28°C. Acetatul de n–butil tehnic se livrează în trei tipuri, funcție de continutul de ester si anume: - tipul 98 -

tipul 92

-

tipul 88

Condiții tehnice de calitate Denumirea caracteristicii 98

Condiții de admisibilitate Tipul 92 88 39

Aspect Culoare , mg K2Cr2O7/ l, max. Miros Densitate relativa, d2020 Distilare (la presiunea de 1013,2 mbar)*: - interval de distilare, °C... - în intervalul de distilare distila, % vol., min... Acetat de n–butil, %, min. Aciditate (acid acetic), %, max. Reziduu la evaporare, %, max. Apă , %, max.

Lichid limpede, fară substanțe în suspensie 16 caracteristic 0.878...0.884 0.872...0.880 0.868...0.874 120...127

116...128

113...130

95 98.0 0.01 0.01 0.2

95 92.0 0.03 0.02 0.35

95 88.0 0.03 0.02 0.5

* 1013.2 mbar = 760 mm Hg Observație: - tipul 98 destinat industriei de antibiotice trebuie să aibă intervalul de distilare 123...127°C.

Acid sulfuric tehnic.

S.T.A.S 97-80

Generalitati: Formula chimica:H2SO4 Masa moleculara: 98,08 g/mol Dupa contiuntul de acid sulfuric monohidrat, acidul sulfuric fehnic se livreaza in 4 tipuri: -tipul 98 -tipul 96 -tipul 92 -tipul 73 Conditiile tehnice de calitate a acidului sulfuric Tipul 98 96 92 73 Aspect lichid nicios, limpede sau opalescent Culoare Conform STAS 9482-74 Densitate g/cm3, min 1,836 1,835 1,821 1,634 Acid sulfuric monohridat(H2SO4), 98 96 92 73 % max Dioxid de sulf(SO2), % max 0,1 0,1 0,1 Fier(Fe), % max 0,02 0,02 0,02 Reziduu la calcinare, % max 0,1 0,15 0,15 Arsen(As), % max 0,001 0,001 0,001 Cloroform S.T.A.S. 3306-82 Generalitati: Formula chimica:HCCl3 Masa moleculara: 119,38 g/mol Cloroformul se livreaza in urmatoarele tipuri si calitati: -tipul A, stabilizat cu 0,6…1% alcool etilic absolute, utilizat in industria de medicamente: 40

-calitatea I -calitatea II - tipul B, nestabilizat tehnic utilizat ca solvent

Conditii tehnice de calitate Denumirea caracteristicii

Tipul A (stabilizat) B(nestabilizat) calitate I calitatea II lichid limpede, incolor, volatil Caracteristic dulceag, arzator 1,473-1,480 1,473-1,490 98,0 97,0 -

Aspect Miros Gust Densitatea relativa Cloroform, %min Distilare: -punct initial de fierbere, 0C, min 59 57 57 -punct final de fierbere, 0C, max 62 63 63 -intre punctual initial si final de fierbere distilata, %vol, min 97 96 94 Reziduu la evaporare, % max 0,002 0,002 0,015 Clor liber Cloruri(Cl), % max 0,0008 0,0008 Aciditate Substante organice straine 15mg l/100cm3 Substante volatile straine Apa Observatii: Cloroformul este greu solubil in apa, miscobil in orice proportie cu alcoolul etilic absolute, eterul etilic, benzina si majoritatea uleiurilor,Este neinflamabil.

[9]

41

2.4.3 Mecanismul reactiilor biochimice Desi mecanismul biosintezei penicilinelor nu este pe deplin elicudat, totusi tinand seama de faptul ca in molecula lor se gasesc trei componente de baza: d-valina, l-cisteina si un acid substituir, precum si identificarea in miceliul de Penicillium crtsogenum a unei tripeptide, se pot concepe etapele care intervin in biosinteza. Prima etapa consta in formarea, din glucoza, a l-cisteinei si d-valinei, iar din aceasta a δamino-adipil-cisteinil-valinei conform urmatoarei scheme:

42

Pentru elucidarea mecanismului celei de a doua etape, in care se formeaza sistemul biciclic al penicilinelor sunt propuse doua ipoteze. In urmatoarea schema este prezentata ipoteza conform careia se pleaca de la o tripeptida.

43

Dupa aceasta schema sinteza nucleului de baza al penicilinei, acidul 6aminopenicilanic ar rezulta din acidul α-amino-adipic, l-cisteina si l-valina trecand prin faza tripeptidei. In ultima etapa se formeaza enicilina G sau acid 6-aminopenicilanic prin pierderea grupei acil.

44

Aceasta ipoteza nu este, deocamdata, confirmata deoarece toate incercarile de a schimba in tripeptida acidul amino-adipic au acidul fenilacetic, necesar formarii penicilinei G, au esuat. Penicilinele s-ar putea forma si direct din l-cisteina su l-valina printr-o serie de faze intermediare, despre care nu se stie daca se formeaza in stare libera, asa cum sunt redate in schema de mai sus. In esenta, se distung in aceasta schema urmatoarele faze in formarea penicilinei: condensarea aminoacizilor, dehidrogenarea peptidei, hidrogenarea si ciclizarea intermediarului la acid 6-aminopenicilanic si introducerea catenei laterale. Formarea acidului 6-AP in lipsa precursorului, recum si obtinerea diferitelor peniciline in functie de recursorul folosit, demonstreaza ca rocesul de biosinteza oate decurge si dupa aceasta schema. 2.4.4. Cinetica reactiilor de biosinteza Prin metoda cinetica, se face studiul mecanismului reactiilor enzimatice, a proceselor metabolice și a vitezei de transformare a substratului în produs. Aceasta metoda este singura modalitate de studiu a proceselor enzimatice, deoarece numarul enzimelor pure separate pâna în prezent este relativ redus. Viteza de fermentatie este definita prin variatia momentana a concentratiei produsului, a intensitatii respiratiei sau a concentratiei masei celulare. Viteza volumetrica este definita prin cantitatea de produs obtinuta, cantitatea de substrat utilizata, consumul de oxigen sau cantitatea de celule obtinute pe unitatea de volum de mediu de cultura și în unitatea de timp.

A- viteza de utilizare a oxigenului, g/l.h B- viteza de creștere a masei celulare, g/l.h C- viteza de consum a zaharurilor, g/l.h D- viteza de producere a penicilinei, g/l.h

45

Fig. Vitezele volumetrice la fermentatia penicilinei

Viteza specifica se definește prin raportul dintre viteza volumetrica și densitatea bacteriana, fiind exprimata în grame produs obtinut în unitatea de timp și pe gram de masa celulara. A- viteza de producere a penicilinei, g/g.h B- viteza de utilizare a oxigenului, g/g.h C- viteza de consum a zaharurilor, g/g.h

Fig.Vitezele specificela fermentatia penicilinei Procesele metabolice ce se desfașoara în interiorul celulelor vii sunt catalizate de enzime. Enzimele sunt macromolecule organice cu structura proteica care catalizeaza procesele biochimice. Din punct de vedere stuctural, enzimele sunt compuși de natura heteroproteica cu sensibilitate deosebita la toti factorii care afecteaza proteinele. Activitatea enzimelor este influentata de temperatura, pH, presiune osmotica, concentratia substratului, concentratia produșilor rezultati în reactie etc. Activitatea enzimatica este inhibata de anumiti agenti specifici precum: sulfamidele, antibioticele, narcoticele, colorantii, apa oxigenata, dioxidul de carbon, dezinfectantele. Substratul este acea substanta asupra careia se excercita actiunea enzimelor. Prezenta enzimelor permite transformarea sustratului la temparatura normala a materiei vii, oferind astfel, energia necesara desfașurarii procesului de biozinteza. Functia esentiala a enzimelor este de a accelera viteza reactiilor metabolice la temperatura normala a organismelor. Având activitatea catalitica foarte ridicata (de mii de ori mai mare comparativ cu activitatea catalizatorilor anorganici uzuali), enzimele reduc considerabil barierele de potential ale reactiilor de transformare a substratului, facilitând astfel deplasarea echilibrului spre formarea produsului. 46

Mecanismul prin care enzimele transforma substratul poate fi descris cu ajutorul teoriei starii de tranzitie. Aceasta teorie presupune ca substratul se combina cu enzima formând un complex activat, instabil, care ulterior se descompune în produs și enzima. Enzima eliberata reia ciclul de transformare a substratului conform schemei:

k

E S

1

k

E S*

k2

1

P E

in care: E enzima libera S substrat P produs E S* complex activat enzima substrat k k k2

constanta de viteza a reactiei de formare a complexului enzima substrat 1

constata de viteza a reactiei de formare a substratului si a enzimei din complexul enzima substrat constanta de viteaza a reactiei de formare a produsului din complexul enzima substrat

- se admite ca între enzima și substrat, cât și între complexul enzima-substrat exista un echilibru descris de ecuatia:

Kc*= k+1 = CE-S* k 1 CE CS iar viteza specifica de descompunere a complexului enzima-substrat în produs este redata prin intermediul urmatoarei expresii:

K 2 = kB T h unde CE-S* concentratia complexului enzima substrat in stare activata constanta de echilibru kC* constanta Boltzman kB h

constanta Planck

Viteza de formare a produsului este prezentata în relatia:

vp =

kB T h

CE-S*

Reformulând se obtine:

vp =

kB T h

K C* C E C S

Constanta de echilibru a formarii complexului activat se poate exprima functie de energia libera standard ΔG*: ΔG* = ΔH* - T∙ΔS* = -R∙T∙lnKC* (6) Din aceasta relatie rezulta expresia constantei de echilibru: KC* = 47

Modele cinetice pentru viteza de formare a procesului Michaelis si Menten au dezvoltat modelul cinetic al vitezei de formare a produsului în functie de concentratia susbtratului și a enzimei. Dupa acestia, se considera ca reactia dintre enzima și substrat se desfașoara în doua etape: în prima etapa viteza de reactie este dependenta direct de cantitatea de substrat, iar în a doua etapa are loc formarea produsului și eliberarea enzimei, care este capabila sa reia ciclul descris de sistemul de reactie, viteza depinde de concentratia complexului enzima – substrat: k 1 E S E S k 1 k2 P E S Viteza de formare a produsului în procesul enzimatic descris de sistem este : dCp Vp = ― = k2 * Cc dτ Pentru determinarea concentratiei complexului enzima – substrat, Cc, se utilizeaza expresia vitezei de formare a acestuia, pentru cazul în care Cs>>CE. dCp Vp= = k 1* (CE Cc)* Cs k 1 * Cc k2 * Cc dτ E

În regim stationar, concentratia complexului nu variaza în timp, iar expresia devine : k 1*(C Cc)*Cs k E

Cc =

1*

Cc k2*Cc= 0

C E * Cs k

1

k2

k

1

Cs

De mai sus rezulta ca: k2 * C E* Cs V * Cs dCp Vp= = k 2 *Cc = = dτ k 1 k2 k2 Cs Cs Ks k 1 k 1

48

Unde avem: V= k2*CE : viteza maxima de formare a produsului ce corespunde stadiului în care întreaga cantitate de enzima formeaza complexul enzima – substratul;

Ks =

k2 : constanta de echilibru la disocierea complexului enzima substrat k 1

KM = K s

k2 k

1

: constanta Michaelis Menten

Constanta KM este egala cu constanta KS numai atunci cand k2CE Creșterea concentratiei enzimei din mediul de fermentatie peste o anumita limita atrage dupa sine anularea ipotezei, si in consecinta viteza reactiei enzimatice nu va mai fi direct proportionala cu concentratia enzimei. Din reprezentarea grafica a ecuatiei Michaelis–Mentin, se vede ca KM este acea valoare a concentratiei substratului CS pentru care reactia pornește cu jumatate din viteza maxima V.

Reprezentarea grafica a ecuatiei Michaelis-Menten

49

Deoarece valoarea vitezei maxime de reactie este limita asimptotei la curba, ea nu poate fi determinata cu exactitate. Pentru determinarea constantei KM și a vitezei maxime V, se utilizeaza metode de linearizare. Una din aceste metode este metoda Lineweaver – Burk, care folosește inversul relatiei Vp=

dCp V*Cs = KM Cs dτ

. 1

=

K M

1

1

* Cs Vp V V Prin reprezentarea grafica a ultimei relatii în coordonate 1/Vp și 1/Cs conduce la obtinerea diagramei Lineweaver–Burk, ce permite determinarea constantelor V și KM în functie de variatia concentratiei substratului și de valorile experimentale ale vitezei de formare a produsului.

Fig. Reprezentarea grafica a ecuatiei Lineweaver – Burk In literatura se mai intalnesc si alte reprezentari ale ecuatiei MichaelisMenten: Edaie-Hofstee sau Woolf.

50

Modelul Michaelis–Menten a fost conceput ca un model ideal și descrie viteza de formare a produselor în procese de fermentatie perfecte. Totusi, acest model, ce abordeaza cinetica enzimatica în regim stationar, poate fi extins și la procese în care, alaturi de transformarea enzimatica a substratului în produs, intervin reactii de inhibitie competitiva sau necompetitiva a enzimelor. Prezenta inhibitorilor nu se poate evita, deoarece ei apar ca urmare a degradarii mediului nutritiv în timpul sterilizarii, a unor reactii secundare și nu numai. Principalele tipuri de inhibitii întâlnite curent în procesele de fermentatie sunt : -inhibitie competitiva; -inhibitie necompetitiva; -inhibitie de substrat; -inhibitie de produs. Procesul de transformare enzimatica a substratului însotit de inhibitie competitiva este descris prin reactiile: Cc Ks k2 E S E S P E KI E

I

CD E

I

Caracteristic pentru procesul de transformare enzimatica însotit de inhibitie competitiva este faptul ca enzima pusa în libertate prin disocierea complexului enzimainhibitor, E-I, îsi pierde capacitatea de a cataliza transformarea substratului in produs. Viteza de formare a produsului este proportionala cu concentratia complexului enzima-substrat, de aceea este necesara cunoasterea valorii acesteia in regim stationar.

Fig.Reprezentarea grafica a vitezei reactiei enzimatice însotita de inhibitie competitiva dupa metoda Lineweaver – Burk. In cazul in care inhibitorul nu actioneaza competitiv, afinitatea enzimei pentru substrat sau inhibitor ramâne neschimbata, indiferent daca enzima este libera sau fixata în complex. Reactiile ce au loc în sistemul cu inhibitie necompetitiva sunt:

51

Ks

E S

E S

P

E

KI

E I

E

E I S E S

k2

I

KS' K'I

I E S I E S I

Fig.Reprezentarea grafica a vitezei reactiei enzimatice însotita de inhibitie necompetitiva dupa metoda Lineweaver – Burk. Cinetica procelesor de biosinteza poate fi studiata și sub aspectul creșterii masei celulare functie de concentratia substratului. Astfel, Monod, analizand procesul de crestere bacteriana în corelatie cu variatia concentratiei unui singur substrat (substrat limitativ), a stabilit pentru faza de creștere logarit mica a masei celulare urmatoarea expresie de calcul a vitezei specifice: Cs µ = µ max * Ks Cs În care:

nu este limitat

µ - viteza specifica de creștere a masei celulare când substratul este limitat µmax –viteza maxima de creștere a masei celulare când substratul

KS – constanta de saturatie (corespunde concentratiei substratului la care viteza specifica de creștere este jumatate din viteza maxima ).

52

Dependenta dintre viteza specifica de creștere a masei celulare și concentratia substratului limitativ este redata în figura de mai jos, din care se constata ca viteza specifica de creștere tinde asimptotic catre valoarea maxima. Fig Dependenta dintre viteza specifica de creștere și concentratia substratului limitativ.

Substratul limitativ poate fi sursa de carbon si energie (glucoza, alcool, nparafine), un aminoacid esential (triptofan, arginina), oxigenul, fosforul sau azotul anorganic. ecuatia de creștere a masei celulare în functie de concentratia substratului limitativ, Cs: Cs dCx µ = max * * Cx Ecuatia lui Monod dτ Ks Cs

Trebuie remarcat faptul ca ecuatia Monod este valabila numai în cazul în care creșterea este limitata de un singur substrat, ceea ce în conditiile industriale se întâmpla foarte rar. De obicei, în aceste procese intervine și un al doilea substrat, care, de cele mai multe ori, este chiar oxigenul. În aceste conditii, vitezele specifice de creștere a masei celulare sunt descrise prin ecuatia lui Monod modificata sau prin ecuatia Monod Cantois : CL Cs µ = µ max * * KL CL Ks Cs µ= µ max *

CL KL CL

*

Cs B* Cx Cs

În care: CL, CS- concentratiile substraturilor limitative; KL, KS – constantele de saturatie corespunzatoare substraturilor limitative; B – constanta Cantois; Pentru culturi industriale discontinue, Monod a introdus o constanta caracteristica Y, denumita constanta de exploatare sau de creștere:

53

dCs dCx =Y* dτ dτ În functie de valorile constantelor cinetice KS, µmax, Y stabilite de Monod, se pot caracteriza cantitativ culturile microbiene discontinue.

2.4.5. Termodinamica reactiilor biochimice Procesul de fermentatie se încadreaza, din punct de vedere termodinamic, în grupa sistemelor termodinamice deschise, sisteme ce sunt specifice organismelor vii, caracaterizate prin schimb de energie și de materie cu mediul înconjurator, pe care îl transforma. Sistemele termodinamice deschise au drept conditie de baza, faptul ca ele nu pot fi în echilibru cu mediul lor. Organismele vii se afla, de obicei, intr-o stare stationara care reprezinta conditia de baza a sistemelor deschise în care viteza transferului de materie și energie din mediu în sistem este compensata total de viteza transferului de materie și energie din sistem în afara lui. Faptul ca celula definita ca un sistem deschis, care nu se gasește în echilibru cu mediul sau, un mecanism ce capteaza energie libera din mediu, producâmdu-i simultan o creștere oarecare a gradului de dezordine, a entropiei, face arte din logica moleculara a starii vii. O caracteristica a sistemelor deschise aflate in aceasta stare stationara este capacitatea de a efectua un lucru, deoarece sunt departe de conditia de echilibru. In starea stationara viteza de producere a entropiei are valoare minima, iar în aceste conditii sistemul va opera la valoarea maxima de eficienta in conditiile date. Însa, organismele vii fiind obligate sa respecte principiul al doilea al termodinamicii, și anume sa produca entropie, au ales sa faca acest lucru dar folosind o viteza minima, mentinându-se astfel într-o stare stationara în care reactiile din celulele vii decurg cu o viteza foarte mare. Ca urmare, studiul entropiei în termodinamica proceselor de biosinteza este foarte important. Analiza acestor fapte arata ca sistemele termodinamice deschise sunte traversate de un flux de energie ce determina autoorganizarea sistemului , și astfel se mentine la valori minime viteza de producere a entropiei.De asemeni, microorganismele se remarca printr-o eficienta deosebita în prelucrarea energiei și a materiei, eficienta ce depașește cu mult majoritatea mașinilor cunoscute de omenire. Analiza acestor aspecte evidentiaza ca celulele vii functioneaza ca mașini izoterme ce absorb energia din mediul lor, energie pe care o transforma în energie chimica, folisita apoi pentru realizarea functiei chimice de biosinteza a componentelor celulare, a functiei osmotice, necesara transportului de materiale în celula, și a functiei mecanice, de contractie și locomotie, toate aceste functii fiind realizare la temperatura constanta.

54

Sursa de energie a sistemelor termodinamice deschise sunt energie hidratii de carbon, lipidele, alcoolii, proteinele etc., care prin combustie chimica elibereaza o mare cantitate de energie. O parte din aceasta energie se elimina din sistem, iar o parte este înmagazinata de sistem în compuși organici macroenergetici, dintre care se remarca acidul adenozintrifosforic(ATP), compusul responsabil cu rezerva energetica a celulei. Din structura ATP-ului, prezentata in continuare, rezulta ca legaturile dintre gruparile fosfat adiacente din ATP și ADP(acidul adenozindifosforic) sunt legaturi de tip anhidrida, notate cu (.....), în timp ce legatura dintre acidul fosforic și riboza din AMP(acidul adenozinmonofosforic) este o legatura esterica, notata cu linie dreapta.

În acest context, trebuie subliniat faptul ca energia libera standard de hidroliza a legaturilor tip anhidrida este mult mai mare comparativ cu cea a legaturilor esterice. Chiar daca ATP-ul are în structura doua legaturi macroergice (~), în reactiile enzimatice intervine, de obicei, doar fosfatul terminal. În plus, ATP-ul nu are doar functia de a înmagazina energie chimica, ci este, în primul rând un transmitator sau trasnportor de energie chimica în celulele vii. Prin acest proces de transport al energiei la alte molecule,ATP-ul pierde gruparea fosfat terminala, trecând în ADP, care, la rândul sau, poate accepta energie chimica și reface ATP-ul, primind o grupare fosfat. Prin reunirea acestor observatii asupra ATP-ului, s-a postulat ca ATP-ul functioneaza ciclic ca transportor de energie chimica de la reactiile de ardere, ce furnizeaza energia chimica, la diferite procese celulare care necesita un consum energetic

CO2 H2

ATP

Energie rezultată O2 la oxidareaP sursa moleculei combustibile de energie O2\

Biosinteză (lucru chimic)

Contracț ie musculară (lucru mecanic)

Transport activ (lucru osmotic)

P ADP

Surse de energie Fig. Ciclul ATP-ADP și modalitatile de utilizare a energiei eliberate de ATP

55

S-a demonstrat experimental ca indiferent de natura substratului limitativ, folosit drept sursa de energie, sau molecule de combustibil(exceptiile fiind foarte rare), raportul dintre cantitatea în grame a celulelor microbiene obtinute în stare uscata și numarul de molecule de ATP sintetizate este aproximativ constant și are valoarea de 10.5. În plus, s-a aratat și ca în procesul de cultivare a bacteriilor în conditii aerobe 60±5% din cantitatea de carbon din mediu este asimilata de celule și numai 40±5% este oxidat de CO2. Analizând din punct de vedere energetic, circa 62% din energia libera de oxidare a substratului reprezinta energia libera de ardere a componentelor masei bacteriene, astfel încât ΔHC=22kJ/g s.u. masa microbiana. Daca substratul furnizor de energie este glucoza, ce se consuma într-un proces de fermentatie aerob prin catabolism, atunci se formeaza, conform urmatoarei reactii, 38 moli ATP, ce pot înmagazina 1159kJ din cei 2870 kJ obtinuti prin combustia unui mol de glucoza: Glucoza + 6 O2 --> 6CO2 + 6H2O + 38 moli ATP Moleculele de ATP și ADP fiind puternic ionizate, datorita faptului ca pH-ul lichidului intracelular are valoarea 7, vor forma în prezenta ionilor Mg2+, complecși de tipul celui prezentat mai jos, complecși ce constituie, de altfel, chiar forma activa a ATP-ului.

56

2.4.6 Bilantul de materiale Determinarea productiei pe sarje (Pan) Pan = 26 tone/an = 26*103 kg/an Numarul de sarje (ns)

FAT = fondul anual de timp FAT = 330 zile = 330 * 24 h ts = tf + taux tf = durata fermentatiei tf = 140 h taux = timpii auxiliari = [10-15] h  se adopta taux = 13 h ts = 140 + 13 = 153 ore Productia pe

Productia in

sarje (Ps)

fermentator

ηg – randament global

Randamentele specifice pentru fiecare etapa a procesului tehnologic sunt urmatoarele :

57

-

filtrare : 80%

- cristalizare + distilare azeotropa : 94%

-

extractie : 94%

- filtrare + spalare : 95 %

-

reextractie 90%

- uscare : 98%

ηg = 0,59229 %

Productivitatea microorganismului Productivitatea microorganismului pentru penicilina este de 80000 ui/ml, iar activitatea standard este de 1670 ui/ml 1 mg................................1670 ui/ml

x = 47,9041 mg/ml = 47,9041

kg/m3 x mg..............................80000 ui/ml P = productivitatea microorganismului ; P = x P = 47,9041 kg/m3 Vu = volumul util

Mmdc = masa mediului de cultura Mmdc = Vu * ρ ρ = densitatea apei la temperatura de 25°C ρ = 997,047 kg/m3 M mdc

= 17,9676 * 997,047 = 17914,581 kg/sarja

58

1. Pregatirea mediului de cultura In fermentatorul de regim, compozitia mediului de cultura este urmatoarea: Componentii mediului de cultura 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Fermentatorul de regim (%)

Extract de porumb Lactoza Glucoza Faina de soia CaCO3 KH2PO4 NH4NO3 Na2SO4 ZnSO4 Acid fenilacetic Tiosulfat de sodiu MnSO4 Apa

2,6 6,5 2,5 0,3 1,25 0,55 0,3 0,06 0,002 0,4 0,8 0,002 84,736

Apa = 100 - ∑xi 100 kg M.d.c. ..................................2,6 kg extract de porumb 17914,581 kg M.d.c.........................x1 kg extract de porumb x1 = 465,779 kg extract de porumb/sarja 100 kg M.d.c.......................................6,5 kg lactoza 17914,581 kg M.d.c............................x2 kg lactoza x2 = 1164,448 kg lactoza/sarja 100 kg M.d.c...........................2,5 kg glucoza

59

17914,581 kg M.d.c.................x3 kg glucoza x3 = 447,865 kg glucoza/sarja 100 kg M.d.c.............................0,3 kg faina de soia 17914,581 kg M.d.c..................x4 kg faina de soia x4 = 53,744 kg faina de soia/sarja 100 kg M.d.c...............................1,25 kg CaCO3 17914,581 kg M.d.c.....................x5 kg CaCO3 x5 = 223,932 kg CaCO3/sarja 100 kg M.d.c..............................0,55 kg KH2PO4 17914,581 kg M.d.c....................x6 kg KH2PO4 x6 = 98,53 kg KH2PO4/sarja 100 kg M.d.c.............................0,3 kg NH4NO3 17914,581 kg M.d.c……….....x7 kg NH4NO3 x7 = 53,744 kh NH4NO3/sarja 100 kg M.d.c…………………..0,06 kg Na2SO4 17914,581 kg M.d.c……………x8 kg Na2SO4 x8 = 10,748 kg Na2SO4/sarja 100 kg M.d.c..............................0,002 kg ZnSO4 17914,581 kg M.d.c...................x9 kg ZnSO4 x9 = 0,358 kg ZnSO4/sarja 100 kg M.d.c..............................0,4 kg Acid fenilacetic 17914,581 kg M.d.c..................x10 kg Acid fenilacetic x10 = 71,658 kg Acid fenilacetic/sarja 100 kg M.d.c........................0,8 kg Tiosulfat de sodiu 17914,581 kg M.d.c.............x11 kg Tiosulfat de sodium x11 = 143,316 kg Tiosulfat de sodium/sarja

60

100 kg M.d.c........................0,002 kg MnSO4 17914,581 kg M.d.c............x12 kg MnSO4 x12 = 0,358 kg MnSO4/sarja 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Materiale intrate Extract de porumb Lactoza Glucoza Faina de soia CaCO3 KH2PO4 NH4NO3 Na2SO4 ZnSO4 Acid fenilacetic Tiosulfat de sodiu MnSO4 Apa TOTAL

% 2,6 6,5 2,5 0,3 1,25 0,55 0,3 0,06 0,002 0,4 0,8 0,002 84,736 100

kg/sarja 465,779 1164,448 447,865 53,744 223,932 98,53 53,744 10,748 0,358 71,658 143,316 0,358 15180,099 17914,575

Materiale iesite Extract de porumb Lactoza Glucoza Faina de soia CaCO3 KH2PO4 NH4NO3 Na2SO4 ZnSO4 Acid fenilacetic Tiosulfat de sodiu MnSO4 Apa TOTAL

% 2,6 6,5 2,5 0,3 1,25 0,55 0,3 0,06 0,002 0,4 0,8 0,002 84,736 100

kg/sarja 465,779 1164,448 447,865 53,744 223,932 98,53 53,744 10,748 0,358 71,658 143,316 0,358 15180,099 17914,575

Deoarece in timpul sterilizarii o parte din componentii mediului de cultura se degradeaza, urmatoarele componente se iau in exces de 10% : extractul de porumb, lactoza, faina de soia.

Componentii in exces: -

extract de porumb: 1,1 * 2,6 = 2,86 % ;

1,1 * 465,779 = 512,357

kg/sarja -

lactoza : 1,1 * 6,5 = 7,15% ;

1,1 * 1164,448 = 1280,891

kg/sarja

1 2 3 4 5

-

gluzoca : 1,1 * 2,5 = 2,75% ;

1,1 * 447,865 = 492,65 kg/sarja

-

faina de soia : 1,1 * 0,3 = 0,33% ;

1,1 * 53,744 = 59,118 kg/sarja

Materiale intrate Extract de porumb Lactoza Glucoza Faina de soia CaCO3

% 2,86 7,15 2,75 0,33 1,25

kg/sarja 512,357 1280,891 492,65 59,118 223,932

Materiale iesite Extract de porumb Lactoza Glucoza Faina de soia CaCO3

% 2,86 7,15 2,75 0,33 1,25

kg/sarja 512,357 1280,891 492,65 59,118 223,932 61

6 7 8 9 10 11 12 13

KH2PO4 NH4NO3 Na2SO4 ZnSO4 Acid fenilacetic Tiosulfat de sodiu MnSO4 Apa TOTAL

0,55 0,3 0,06 0,002 0,4 0,8 0,002 83,546 100

98,53 53,744 10,748 0,358 71,658 143,316 0,358 14966,915 17914,575

KH2PO4 NH4NO3 Na2SO4 ZnSO4 Acid fenilacetic Tiosulfat de sodiu MnSO4 Apa TOTAL

0,55 0,3 0,06 0,002 0,4 0,8 0,002 83,546 100

98,53 53,744 10,748 0,358 71,658 143,316 0,358 14966,915 17914,575

Datorita componentilor care se degradeaza si adaugarii lor in exces, cantitatea de apa este : Apa = 100 - ∑xi = 83,546%

2. Sterilizarea In aceasta etapa se degradeaza compusii care la etapa precedenta au primit un excedent de 10%.

1 2 3 4 5 6

Marimi intrate Extract de porumb Lactoza Glucoza Faina de soia CaCO3 KH2PO4

% 2,86 7,15 2,75 0,33 1,25 0,55

kg/sarja 512,357 1280,891 492,65 59,118 223,932 98,53

Marimi iesite Extract de porumb Lactoza Glucoza Faina de soia CaCO3 KH2PO4

% 2,6 6,5 2,5 0,3 1,25 0,55

kg/sarja 465,779 1164,448 447,865 53,744 223,932 98,53

62

7 8 9 10 11 12 13

NH4NO3 Na2SO4 ZnSO4 Acid fenilacetic Tiosulfat de sodiu MnSO4 Apa TOTAL

0,3 0,06 0,002 0,4 0,8 0,002 83,546 100

53,744 10,748 0,358 71,658 143,316 0,358 14966,915 17914,575

NH4NO3 Na2SO4 ZnSO4 Acid fenilacetic Tiosulfat de sodiu MnSO4 Apa TOTAL

0,3 0,06 0,002 0,4 0,8 0,002 84,736 100

3. Fermentatia In etapa de fermentatie este necesar calculul a 3 cantitati : necesarul de aer, cantitatea de biomasa si cantitatea de apa evaporata. Aer. Necesarul de aer pentru etapa de fermentatie se considera a fi

1 Laer / 1 Lm.d.c *

min 1L = 10-3m3 M.d.c................................1L = 10-3m3 aer Vu = 17,9676 m3 M.d.c.........................x m3 aer x=17,9676 m3 aer/min 1 min.........................................17,9676 m3 aer tf = 140 * 60 = 8400 min..........y y = 150927,84 m3 aer/sarja Maer = Vaer * ρaer

ρ0 = 1,293 kg/m3 T0 = 273 K T = 298 K P = 1 atm P0 = 1,1 atm

63

53,744 10,748 0,358 71,658 143,316 0,358 15180,099 17914,575

Maer = 196508,047 kg/sarja

Biomasa. cx = 20 g s.u./l M.d.c Celulele vii contin 20% substanta uscata si 80% apa. 1L = 10-3 m3 M.d.c.......................................100 g celule 17,9676 m3 .................................................cx g celule cx = 1796,76 kg biomasa/sarja

Apa evaporata.

- 1 kg de aer trecut prin mediul de cultura preia 0,01 kg de apa ; 1 kg aer.............................0,01 kg apa evaporata 196508,047 kg aer............x kg apa evaporata x = 1965,080 kg apa evaporata/sarja Minocul = 0,1 * Mm.d.c = 1791,458 kg/sarja Mmediu = 0,9 * Mm.d.c = 16123,122 kg/sarja Ldf – masa lichidului de fermentatie 64

Ldf = Minocul + Mmediu – Mapa evaporata - Mbiomasa Ldf = 17914,581 – 1965,080 – 1796,76 Ldf = 14152,740 kg/sarja

1 2 3 4

Marimi intrate Mediu de cultura Inocul Aer TOTAL

kg/sarja 16123,122

Marimi iesite Lichid de fermentatie

(Penicilina G) 1791,458 Biomasa 196508,047 Apa evaporata Aer 214422,627 TOTAL

kg/sarja 14152,740 (860,722) 1796,76 1965.080 196508,047 214422,627

4.Filtrarea η = 80% - precipitatul retine 20% din lichidul de fermentatie Mpp - masa precipitatului Mpp = Mbiomasa + 0.2 * Mpp = Mbiomasa / 0,8 Mpp = 2245,95 kg/sarja Mfiltrat = Ldf – 0,2 * Mpp Mfiltrat = 14152,140 – 0,2 * 2245,950 = 13703,55 kg/sarja

1

Marimi intrate Lichid de fermentatie

kg/sarja 14152,740

Marimi iesite Precipitat

kg/sarja 2245,95

2

(Penicilina G) Biomasa

(860,722) 1796,76

Filtrat

13703,55

65

TOTAL

15949,5

(Penicilina G) TOTAL

(688,577) 15949,5

5. Extractia η = 94% - extractia se realizeaza utilizand acetat de butil in raport de 1:3 fata de filtrat Madb = Mfiltrat / 3 Madb = 4567,85 kg/sarja - reactia chimica dupa care are loc extractia este urmatoarea: 2PCOOK + H2SO4  2PCOOK + K2SO4 2 * 372

98

2 * 334

174

688,577

x

y

z

x = 90,699 kg H2SO4/sarja y = 618,238 kg PCOOH/sarja z = 161,038 kg K2SO4/sarja Fermentatia are loc la un pH 6,7. Extractia are loc la pH 2. In acest scop se adauga acid sulfuric. pH=6,7 pH=2

ΔpH=4,7

pH = -log[H+]  4,7 = -log[H+]  [H+] = 10 -4,7  [H+] = 1,995 * 10 -5 H+/mol 1 mol H2SO4.....................2 H+ t moli H2SO4................................1,995 * 10-5 H+ t = 9,975 * 10-6 moli/l

1L filtrat……………………9,975 * 10 -6 moli H2SO4 13744 L filtrat ……………..u moli H2SO4 u = 0,13709 moli H2SO4 kg H2SO4/sarja = 0,13709 * 98 * 10-4 +90,699 = 90,7124

66

Pentru extractie, acidul sulfuric folosit va avea concentratia de 4% md = 90,7124 kgH2SO4/sarja

mapa din acid = 2267,8180 – 90,7124 = 2177,098 kg apa/sarja mextract = 0,98 * madb + PGextrasa = 0,98 * 4567,85 + 618,415 * 0,94 = 5057,6367 kg/sarja mrafinat = 0,02 * madb + mK2SO4 + mapa din acid + mPen neextrasa + mfiltrat – mpen extrasa mrafinat = 0,02 * 4567,85 +161,084 +2177,098 + 34,87 + 13703,55 – 688,577 mrafinat = 15481,5602 kg/sarja

1 2 3

Marimi intrate Filtrat

kg/sarja 13703,55

Marimi iesite Extract

(Penicilina G) Acetat de butil H2SO4 4% TOTAL

(688,577) (Penicilina G) 4567,85 Rafinat 2267,818 20539,218 TOTAL

kg/sarja 5057,6361 (b=581,310) 15481,5602 20539,1962

6. Reextractia η = 90% - reextractia se realizeaza cu solutie de K2CO3 10% in exces de 10% - are loc dupa urmatoarea reactie: 2PCOOH + K2CO3  2PCOOK + CO2 + H2O

67

2*334

138

2*372

581,310

x

y`

44

18

z`

t` y` *0,9 = y t` * 0,9 = t z` * 0,9 = z

x = 120,091 kg K2CO3/sarja y`= 647,44 * 0,9 = 582,7023 kg PCOOK/sarja z`= 38,289 * 0,9 = 34,460 kg CO2/sarja t`= 14,664 * 0,9 = 14,097 kg H2O/sarja

MK2CO3 exces = MK2CO3 nereactionat =12,0091 kg/sarja MK2CO3 10% = 1321,001 kg/sarja mapa din carbonat = 1188,9009 kg/sarja Msolvent = Mextract – MPen. reextrasa – 0,02 * (Madb * 0,98) MPen reextrasa = b* 0,9 = 523,179 Msolvent = 4444,9341 kg/sarja Msol carbonat = MPen. reextrasa + mapa din carbonat + MK2CO3 nereactionat + MK2CO3 exces +Mapa din reactie + + MCO2 din reactie + 0,02 * (Madb * 0,98) Msol carbonat = 1933,8712

2

Marimi intrate Extract

kg/sarja 5057,636

Marimi iesite Solvent

(Penicilina G) K2CO3 10%

(581,310) 321,001 Solutie carbonat

TOTAL

6378,637

(Penicilina G) TOTAL

kg/sarja 4444,9341 1933,8712 (c=582,7023) 6378,805

68

7. Cristalizare. Distilare azeotropa. η = 0,94 - compozitia azeotropului apa:butanol este de 32:68 32 kg H2O.............................68 kg BuOH Msol carbonat-c............................x` Msol carbonat - c = 1933,8712 – 582,7023 = 1351,1689 x` = 2871,2339 kg/sarja BuOH  x = x` *1,2 = 3445,4807 kg BuOH/sarja BuOHI = BuOHex + PGnecristalizata = x` * 0,2 + c *0,06 = 609,2088 kg/sarja MPGnecrist = c * 0,94 = 582,7023 * 0,94 = 547,7401 kg/sarja Mazeotrop = MH2O sol de carbonat + MBuOH = 4222,4082 kg/sarja 1 2 3

Marimi intrate Solutie carbonat

kg/sarja 1933,8712

(Pen. G) BuOH

(582,7023) Precipitat 3445,4807 Azeotrop BuOHI 5379,351 TOTAL

TOTAL

Marimi iesite Penicilina G

kg/sarja 547,7401 4222,4082 609,2088 5379,3517

8. Filtrare η = 0,95 - cristalele se spala pe filtru cu BuOH si CHCl3 in raport de 1:5 fata de masa pecipitatului MBuOH = MCHCl3 = Mpp/5 = 109,5482 kg/sarja

MBuOH I` = BuOHI + d – Mpp = 578,7788 kg/sarja

69

1 2 3 4

Marimi intrate Penicilina G pp

kg/sarja 547,7401

Marimi iesite Precipitat

BuOH CHCl3 BuOHI TOTAL

109,5482 109,5482 609,2088 1376,0453

BuOH CHCl3 BuOHI` TOTAL

kg/sarja 578,1701 (e=520,353) 109,5482 109,5482 578,7788 1376,0349

9. Uscare η = 0,98 - umiditatea retinuta este de 10% MCHCl3 = 0,1 * Mpp + Mpp pierdut = 68,224 kg/sarja Mpp pierdut = e * 0,02 = 10,407 kg/sarja Penicilina G = e *0,98 = 520,353 * 0,98 = 509,9459 kg/sarja Marimi intrate kg/sarja Marimi iesite 1 Precipitat 578,1701 Penicilina G 2 CHCl3 TOTAL 578,1701 TOTAL

kg/sarja 509,9459 68,224 578,1699

70

Cap.3 CONTROLUL FABRICATIEI 3.1. Controlul, reglarea și automatizarea procesului tehnologic Obiectivul

conducerii automate a unui fermentator este realizarea și

menț inerea condiț iilor favorabile pentru viaț ași producerea microorganismelor. Acest fapt se face prin reglarea automata a unor parametrii tehnologici specifici proceselor de biosinteza.

Principalii parametri luati in considerare sunt: •

temperatura

•

presiunea

•

pH-ul

•

concentrația reactanților

•

debit

•

nivelul lichidului

•

nivelul spumei

•

nivelul Oxigenului

71

Reglarea automata a nivelului.

În cazul unui rezervor închis, cu secțiune

transversală

suprapresiune presiunea

mare

depășind

si

cu

considerabil

hidrostatică,variații

ale

suprapresiunii vor induce abateri relativ mici

ale

nivelului

dar

modificari

însemnate ale debitului de ieșire. Pentru aceste situații se recomandă reglarea nivelului cu SRA evoluate, în cascadă nivel-debit. Obiectivul reglarii automate a nivelului este de a mentine cu precizie ridicata un nivel constant. Principala perturbatie este reprezentata de variatia debitului de intrare, iar variabila manipulate va fi debitul de evacuare.

Reglarea automata a presiunii in vase inchise. In cazul schemei re reglare a presiunii in vase inchise avem in amontele vasului ventilul care joaca rol de reducere a presiunii. Aceasta schema este utilizata numai atunci cand fluxul de alimentare are in permanenta presiune mai mare decat valoarea de referinta.

72

Reglarea automata a temperaturii Transferul de caldura se face prin conductie. Variabila manipulata este de regula debitul de agent termic. Pentru stabilizarea temperaturii in bioreactoare se foloseste o schema de reglare tip cascada: temperatura –debit. Bucla de debit stabilizeaza debitul de agent de incalzire la valoarea dara de regulatorul de temperatura inainte ca abaterea acestui debit sa influenteze temperatura care este paramentrul reglat princial. Dacă temperatura lichidului încalzit depașește referința, regulatorul comandă închiderea parțială a ventilului de reglare de pe conducta de agent

73

Reglarea automata a concentratiei Reglarea automate a concentratiei in bioreactoare este realizata de cele mai multe ori indirect, stabilizand direct alti parametrii care influenteaza desfasurarea procesului de reactie: temperatura, debite de reactanti , timpi de stationare in reactor, etc. Reglarea automata directa a concentratie este justificata in cazurile in care viteza de reactie fluctueaza si abaterile concentratiei au efecte economice semnificative. De exemplu, concentratia unui produs poate trece printr-un maxim dupa care, cresterea

74

conversiei reactantilor duce la descompunerea acestuia intr-o serie de produse secundare. In acest caz reactorul trebuie automatizat, avand ca scop obtinerea unei concentratii optime a produsului care, in mod obisnuit poate fi mai mica decat valoarea maxima. Reglarea automata a concentratiei se face indirect urmarind alti parametrii cum ar fi: densitate, indice de refractie, vascozitate, etc. Schema de automatiza este urmatoarea:

Reglarea automata a pH-ului. Pentru obtinerea pH-ului dorit al unei solutii se recurge la adaugarea in aceasta a unor reactivi sub forma altor solutii de acizi si baze , substante pulverizate, substante gazoase, a unor solutii tampon, agenti de neutralizare. Sistemele de reglare a pH-ului au scopul de a regla pH-ul ca o actiune suplimentara, in ideea realizarii unei conditii necesare pentru buna desfasurare a unui proces. In procesul de fermentatie unde datorita unui timp indelungat de stationare a masei de reactie in reactor si a consumului lent de reactiv adaugat pentru stabilizarea pH-ului, reglarea este destul de usor de indeplinit si este suficient un regulator simplu, bi-pozitional.

75

Reglarea nivelului spumei Sensorii sau electrozii de contact reprezintă cea mai simplă soluție pentru controlul formării spumei.

Aceste

sisteme

sunt

constituite din două fire metalice fixate intr-un corp izolant, a căror capete sunt plasate la o distanță foarte mică, unul de altul . Acest tip de sensor se plasează la o anumită înălțime deasupra mediului lichid din interiorul bioreactorului. Prin atingerea spumei la extremitațile capetelor

neizolate

ale

firelor

metalice, se realizează practic un contact electric cu apariția unui semnal analitic, care după o prealabilă amplificare poate declanșa un sistem de avertizare opticsau acustic, sau ambele. Simultan, semnalul dat poate acționa spargatorul mecanic de spumă, sau dupa un anumit interval de timp sistemul de adăugare a agentului de antispumare.

Reglarea automată a oxigenului

76

Oxigenul constituie unul dintre parametrii chimici de bază pentru majoritatea proceselor

biochimice

industriale,

influențând

în

mod

decisiv

numeroase

microorganisme, întrucat dezvoltarea multora dintre acestea este condiționată. Reglarea automată a oxigenului se face prin intermediul sensorului Mancy. Este un sensor de tip galvanic, constă în eliminarea completă al rezervorului cu electrolit. Întreaga cantitate de electrolit se gasește sub forma unui film plasat ăntre electrozi și membrana permeabilă pentru O2. Suprafața relativ mare a catodului din argint face posibilă măsurarea semnalului analitic prin conectarea directă a sensorului la un ampermetru. Datorită acestui principiu constructiv, sensorul nu prezintă raspuns histerezis. În schimb acest sensor prezintă o mare dependență a semnalului analitic față de mișcarea lichidului probei de analizat. Astfel, pentru o aceeași probă, s-a constatat un răspuns al sensorului de aproximativ 20 ori mai mare, în condiții de agitare comparativ cu proba neagitată.

3.2 Controlul de calitate 3.2.1 Metode de analiza ale materiilor prime si intermediare

Extractul de porumb si faina de soia Analiza aminoacizilor Metode spectrofotometrice

77

In prezența ninhidrinei,

aminoacizii, formeaza un compus albastru-violet

cu un maxim de absorbție la 570 nm sau prin descompunerea enzimatica ionii de amoniu formați pot fi dozați spectrofotometric. Cromatografia cu gradient de pH sta la baza funcționarii unor analizoare automate pentru aminoacizi. Aceste analizoare folosesc in general separarea pe coloana cromatografica termostatata, cu shimbatori de ioni, iar eluarea se face cu soluție tampon de diferite valori ale pH-ului dupa un program prestabilit pentru obținerea unui gradient de pH cu rezoluție maxima, intr-un timp minim. Detecția se efectueaza spectrofotometric, pe baza reacției de culoare pe care o dau aminoacizii eluați de pe coloana cu ninhidrina. Absorbția optica a compusului colorat se masoara la 440 si 570 nm, cu un spectrofotometru cu dublu fascicol, iar semnalul analitic obținut

care este direct

proporțional cu concentrațiile diferiților aminoacizi din proba de analizat se inregistreaza grafic cu ajutorul unui inregistrator. Aparatura: - coloana cromatografica termostatata - rezervoare cu soluție tampon pH - soluție cu reactivi de culoare pentru determinarea spectrofotometrica a aminoacizilor (ninhidrina) - camera de amestecare - serpentina pentru racire - spectrofotometru - inregistrator - pompe - proba de analizat Sulfat de Zinc, tehnic Determinarea conținutului de zinc Metoda polarografica Principiul metodei Proba se dizolva in apa si se aciduleaza cu acid pentru oxidarea fierului. Dupa separarea fierului, zincul se polarografiaza in mediu amoniacal, intre 1,0 v si 1,5 v.

78

Aparatura Polarograf si accesorii. Reactivi acid azotic d = 1,40 diluat 1+1 amoniac, sol d = 0,91 gelatina, sol 1% preparata la 60°C - proaspat preparata. soluție de baza - intr-un balon cotat de 1000 ml se introduc 20g clorura de amoniu si 80 ml amoniac sol. d = 0,91, se aduce la semn cu apa. soluție etalon de zinc - intr-un pahar Berzelius de 150 ml se dizolva 0,4g zinc metalic intr-un amestec format din 10ml acid sulfuric d = 1,84 diluat 1+1 si 1 ml acid azotic d = 1,40 diluat 1+1. Se fierbe pentru completa dizolvare si eliminare a vaporilor nitrosi. Soluția se trece intr-un balon cotat de 1000 ml. Se adauga 25 ml soluție d = 0,91, 100 ml soluție de baza si 20 ml soluție 1% de gelatin. Se aduce la semn cu apa. 1 ml soluție etalon conține 0,0004 g zinc. sulfit de sodiu.

Modul de lucru Intr-un pahar Berzelius de 250 ml se introduce 1 g proba de analizat si se dizolva in 30 ml apa 5 ml acid azotic. Se fierbe pentru oxidarea fierului si eliminarea vaporilor nitrosi. Dupa racire, soluția se trece intr-un balon cotat de 500 ml si se adauga: 25 ml soluție de amoniac 50 ml soluție de baza 10 ml soluție de gelatina Se aduce la semn cu apa. Se lasa sa se depuna hidroxidul de fier. Soluția se introduce in vasul pentru polarografiere. Se adauga circa 1 g sulfit de sodium, se agita si se lasa 5 minute in repaus. Se polarografiaza fața de electrodul saturat de calomel intre 1 V si 1.5 V.

79

In aceleasi condiții se polarografiaza si un volum egal de soluție etalon. Se masoara inalțimea treptei polarografice a probei de analizat si a soluției etalon. Calcul %zinc = unde: Ip – inalțimea treptei polarografice a soluției de analizat, mm Ie – inalțimea treptei polarografice a soluției etalon, mm Ce – cantitatea de zinc, in g, conținuta in volumul de soluție etalon folosit (500 ml) m – masa probei luata in lucru, g

Sulfat de sodiu anhidru tehnic Determinarea conținutului de sulfat de sodiu Principiul metodei Ionul sulfat se precipita sub forma de sulfat de bariu, care se determina gravimetric. Reactivi: acid azotic d= 1,4 acid clorhidric 10% azotat de argint, soluție 1% clorura de bariu, soluție 10%.

Modul de lucru Din proba se introduc 25 ml intr-un pahar Berzelius si se adauga 250 ml apa. Soluția se aciduleaza cu 5 ml acid clorhidric, se incalzeste la fierbere, apoi se adauga

80

picatura cu picatura, sub continua agitare, 20 ml soluție de clorura de bariu. Se fierbe circa 10 minute. Se lasa sa se depuna precipitatul de sulfat de bariu, circa 30 minute dupa care se controleaza daca precipitarea este completa - prin adaos de 1 ml soluție de clorura de bariu. Se lasa sa se depuna precipitatul minim 4 ore. Se filtreza prin hartie de filtru cu porii mici si precipitatul se spala cu apa fierbinte pana la dispariția ionilor clor in filtrat. Hartia de filtru cu precipitat se introduce intr-un creuzet de porțelan, adus in prealabil la masa constanta la 800°C, se arde apoi se calcineaza la 800°C, in etuva, pana la masa constanta. Calculul rezultatelor % sulfat de sodiu

unde: m1 – masaprecipitatului de sulfat de bariu calcinat, in grame m – masa probei de sulfat de sodiu luata, in grame U – umiditatea, in procente A – conținutul de acid sulfuric liber, in procente.

Carbonat de calciu precipitat Determinarea continutului de Carbonat de calciu Reactivi - acid clorhidric, n. - hidroxid de sodiu, sol. 0.5 n - fenolftaleina, sol 1% in alcool etilic sol 96% vol. - metiloranj, sol 0.1 % Mod de lucru Circa 1 gram din proba uscata se introduce cantitativ intr-un vas Erlenmayer de 300 ml. Se adauga 100 ml apa lipsita de bioxid de carbon si se amesteca prin agitarea 81

vasului timp de 3 minute. Se adauga 2 picaturi solutie felolftaleina, apoi, acid clorhidric picatura cu picatura, sub agitara, pana la virarea culorii indicatorului. Se adauga 40 ml acid clorhidric, exact masurati, se fierbe timp de 10 minute si se raceste. Se adauga 2 picaturi solutie metiloranj si se titreaza excesul de acid clorhidric cu solutie de hidroxid de sodiu. Titrarea este considerata terminata atunci cand, prin adaugarea unei picaturi de solutie de hidroxid de sodiu, indicatorul vireaza de la portocaliu la galben. Aceasta picatura se scade din volumul de solutie de hidroxid de sodiu consumat pentru titrare. Intre doua determinari paralele se admite o diferenta de maxim 0.5% in valoare absoluta. Calcul %carbonat de calciu (CaCO3)

V – volumul sol.0.5 n de hidroxid de sodiu utilizat la titrare, in ml m – masa probei luata in calcul, in g

Azotat de amoniu, tehnic Principiul metodei Azotatul de amoniu reacționeaza cu aldehida formica cu formare de hexametilentetramina. Acidul azotic pus in libertate se titreaza cu hidroxid de sodiu in prezența de fenolftaleina. Reactivi aldehida formica, soluție 16%, neutralizata cu sol 0,1 n de hidroxid de sodiu in prezența de fenolftaleina fenolftaleina, soluție 1% in alcool etilic 96% vol. hidroxid de sodiu, sol 0,1 n 82

rosu de metil, sol 0,1% in alcool etilic 96% vol.

Modul de lucru Din proba de azotat de amoniu se iau 5g si se introduc intr-un balon cotat de 100 ml si se completeaza cu apa pana la semn. Din aceasta soluție, se iau cu o pipeta cate 25 ml si se introduc in doua vase Erlenmayer de 200 ml. In primul vas, se adauga una sau doua picaturi de soluție de rosu de metil si daca este cazul se neutralizeaza cu soluție de hidroxid de sodiu. In al doilea vas, se adauga volumul de soluție de hidroxid de sodiu adaugat in primul vas pentru neutralizarea soluției - fara soluția de rosu de metil, 10 ml soluție de aldehida formica masurați cu cilindrul gradat si 5...7 picaturi de fenolftaleina. Se agita si se lasa sa stea 5 minute, pentru terminarea reacției de formare a hexametilentetraminei si eliberarea acidului azotic. Se titreaza cu soluție de hidroxid de sodiu pana la colorația slab roz, persistenta. Calcul %azotat de amoniu unde: V – volumul soluției 0,1 n de hodroxid de sodiu folosit la titrarea probei, dupa adaugarea aldehidei formice, in ml m – masa probei luata pentru determinare, in g U – conținutul de umiditate, in procente.

83

Tiosulfar de sodiu Reactivi iod, sol. 0,1 n; amidon, sol. 0,5 % Preparare: se dizolva prin agitare continua 0,5g amidon in 10 ml acid salicilic soluție 0,1 %. Se adauga 30…40 ml apa clocotita si se fierbe pana la dizolvarea amidonului. Dupa racire se completeaza cu apa pana la 100 ml. Mod de lucru 10 ml proba tiosulfat de sodiu in apa si se trece cantitativ intr-un balon cotat de 100 ml, se aduce la semn cu apa si se omogenizeaza. Se iau cu pipeta 10 ml proba, se introduc intr-un vas Erlenmeyer de 300 ml si se adauga circa 40 ml apa. Se titreaza cu soluție de iod in prezența de amidon, pana cand apare o colorație albastra care se menține timp de un minut.

Calcul %tiosulfat de sodium unde V- volumul soluției de iod 0,1 n utilizat la titrare, in ml m - masa probei, in g.

84

Carbonat de potasiu tehnic Determinarea conținutului de sulfați

Principiul metodei: Precipitarea ionului sulfat cu clorura de bariu si dozarea gravimetrica a acestuia ca sulfat de bariu. Reactivi: acid azotic d = 1,4 acid clorhidric d = 1,19 azotat de argint, sol. ,5% acid sulfuric d = 1,84 clorura de bariu, sol. 10% metiloraj sol. 0,1%

Mod de lucru Din soluția pregatita se iau 50 ml si se introduc intr-un pahar de laborator de 200 ml. Se adauga 2-3 picaturi de soluție de metiloranj, se neutralizeaza cu acid clorhidric pana la virarea indicatorului, apoi se dauga 1 ml acid clorhidric in exces. Se fierbe soliția cateva minute, apoi in soluția calda se adauga in fir subțire, 25 ml soluție de clorura de bariu. Se fierbe inca 2 - 3 min. Se lasa sa se depuna pana a doua zi. Se filtreaza apoi prin hartie de filtru cu porozitate mica si se spala precipitatul cu apa calda pana cand filtratul nu mai da reacția ionului clor(verificarea cu soluție de azotat de argint, in prezența de acid azotic). Filtrul cu precipitat se introduce intr-un creuzet de platina sau de porțelan, adus in prealabil la masa constanta prin calcinare in cuptor electric, la cca. 800°C.

85

Precipitatul se usuca in etuva la 105 ± 2 °C, apoi se carbonizeaza hartia pe becul de gaz, avand grija ca hartia sa nu arda cu flacara. Se calcineaza creuzetul in cuptorul electric la 800°C, timp de 30 de minute. Se raceste creuzetul in exicator si apoi se cantareste. Se repeta operațiile de uscare, racire si cantarire pana la masa constanta. Daca precipitatul calcinat are o culoare cenusie, se adauga o picatura de acid sulfuric si se calcineaza din nou inca 15 minute. Calcul % sulfaț = unde: m1 – masa precipitului calcinat, in g m - masa probei luate pentru determinare, in g

Acetat de N-butil tehnic Determinarea continutului de acetat de N-butil Continutul de acetat de n-butil se poate determina prin metoda saponificarii. Principiul metodei Saponificarea esterilor cu solutie alcoolica de hidroxid de potasiu si titrarea excesului de hidroxid de potasiu cu acid clorhidric, in prezenta fenolftaleinei ca indicator. Reactivi - acid clorhidric, n. - alcool etilic, 96% vol. - fenolftaleina: se dizolva 0.5g fenolftaleina in 100 ml alcool etilic 95% vol., apoi se adauga solutie 0,5% hidroxid de sodium, picatura cu picatura, pana la colorarea solutiei in roz. - hidroxid de potasiu, sol n in alcool etilic 95% vol.

86

Mod de lucru Intr-un vas conic de 250 ml cu gatul slefuit se introduc 50 ml sol hidroxid de potasiu si se cantareste la balanta analitica. Se introduc apoi 5 ml proba si se cantareste din nou, determinandu-se prin diferenta cantitatea de proba. Vasul se racordeaza la un refrigerent cu reflux, racit cu apa si se incalzeste la fierbere timp de o ora, pe baie de apa. Apoi se raceste vasul si se spala interiorul refrigerentului si sliful de doua ori cu care 20 ml apa, care se prinde in vasul cu proba. Se adauga 0.5 ml sol fenolftaleina si se titraza excesul de hidroxid de potasiu cu acid clorhidric pana la disparitia culoarei roz. In paralel, in mod identic dar fara proba de analizar, se executa o proba de control al reactivilor.

Calcul Acetat de n-butil

V1 – volumul de acid clorhidric n folosit la titrarea probei de control al reactivilor in ml V2 – volumul de acid clorhidric folosit la titrarea probei de analizat, in ml m – masa probei luate pentru determinare, in g A – aciditatea probei in procente. Cloroform Determinarea continutului de cloroform Principiul metodei Continutul de cloroform se determina prin metoda gaz-cromatografica. Componentii din proba de analizat se identifica prin compararea timpilor de retinere a fiecarui component de pe cromatograma probei cu cei ai unui amestec etalon cu 87

compozitie cunoscuta si care contine toti componentii existenti in proba de analizat. Concentratia componentilor se calculeaza prin metoda normarii interne. Aparatura si materiale -

cromatograf de analiza in faza gazoasa, prevazut cu termostat pentru coloana cromatografica, cu detector de conductivitate termica si cu potentiometru inregistrator.

-

Coloana cromatografica din otel inoxidabil, cu lungime 2m si diametrul interior de 2.2 mm

-

Microseringa de 5μl

Reactivi - amestec etanol care contine toti componentii existenti in proba de analizat si in concentratii apropiate de ale probei de analizat -

Chromsorb W, cu granulatia 0.125…0.15 mm

-

Cloroform, de calitate pentru cromatografie

-

Gaz de protectie: azot cu conc min. 99.9%

-

Gaz purtator : hidrogen cu conc min 99.9%

-

Tricrezil fosfat

88

3.2.2 Metode de analiza a produsului finit Dozarea benzilpenicilinei potasice: 0,188 g benzilpenicilina potasica, se dizolva in apa si se completeaza cu apa pana la 100 ml, intr-un balon cotat si se determina absorbantele solutiei de 264 nm si 280 nm. In paralel se determina absorbantele unei solutii etalon de benzilpenicilina potasica 0,188 % m/V.

Concentratia in benzilpenicilina potasica se calculeaza conform relatiei:

unde: c - concentratia in bezilpenicilina potasica a probei de analizat (%) Ap264, Ap280 - absorbantele solutiei cu proba la 264 nm si la 280 nm Aen264,Aen280 - absorbantele solutiei etalon la 264 nm si la 280 nm mp - masa probei luata in lucru, in g men - masa etalonului national luata in lucru, in g Up - pierderea prin uscare a probei, % Uen - pierderea prin uscare a etalonului national, % Cen - concentratia in benzilpenicilina potasica a etalonului national, %

89

Cap.4 PRODUSE SECUNDARE, DESEURI FABRICATIE, EPURAREA APELOR REZIDUALE

DE

Din tehnologia obținerii penicilinei G prin fermentație discontinuă, pe lângă produsul principal apar în diferite etape produse secundare și deșeuri de fabricație. Principalul deșeu rezultatat în procesul de biosinteză a penicilinei G este miceliul separat prin filtrarea lichidului de fermentație. Miceliul se usucă, se tratează cu un mediu alcalin, se amestecă cu lisină sau extract vitaminic obținând o masă proteică valoroasă pentru zootehnie. Apele cu urme de solvent sunt supuse îndepărtării solventului apoi se epurează. Apele acide de la extracție se neutralizează și se trimit la stațiile de epurare. P ro c es ul d e ep ur ar e con s tă î n î n dep ă r ta r ea di n ap el e uz at e a s u b s t an ţ el or t ox i c e, a microorganismelor, în scopul protecţiei mediului înconjurător. Evacuarea apelor uzate neepurate în mod corespunzător poate prejudicia, printre altele, în primul rând, sănătatea publica. Ca o primă măsură STAS 1481-76, prevede ca apele uzate sa fie evacuate întotdeauna în aval de punctele de folosinţă. Epurarea apelor uzate se realizează în staţiide epurare; acestea fac parte integrantă din canalizarea oraşului sau industrie, mărimea lor fiind d et erm i n ată de g r a d u l de ep u ra r e n eces a r , de deb i te l e ş i ca ra ct er i s t i c i l e ap el or u za t e , de folosinţele prezente si viitoare ale apelor. Epurarea apelor uzate se poate realiza prin metode ce se bazează pe procese fizice,chimice şi biologice, care diferă funcţie de tipul poluanţilor şi concentraţia lor în apa uzată.Se poate face o clasificare a acestor metode luând în considerare tipul procesului care stă la baza metodei de epurare: - Epurare mecanică - Epurare chimică - Epurare biologică - Epurare avansată Considerând operaţiile şi procesele unitare necesare pentru a realiza îndepărtarea poluanţilor, într-un anumit stadiu al sistemului de epurare în: - Epurare primară - Epurare secundară - Epurare terţiară (avansată

90

Apele uzate industriale sunt admise în rețeaua de canalizare a orașului numai dacă îndeplinesc anumite condiții. Este interzisă evacuarea în rețelele de canalizare orășenești a apelor reziduale industriale care conțin: -suspensii sau alte materiale care se pot depune -corpuri solide, solide plutitoare sau antrenate care nu trec prin grătarul cu spațiul liber de 20 mm între bare -corpuri solide antrenate, dure care pot genera zone de corodare a colectoarelor -păcură, uleiuri, grăsimi care pot genera aderență pe pereții colectorului -substanțe care provoacă fenomene de coagulare -substanțe cu agresivitate chimică asupra materialului de construcție a colectorului și stației de epurare -substanțe ca: benzină, benzen, eter, cloroform, acetilenă, hidrocarburi clorurate, etc., care prin evaporare pot provoca amestecuri detonante -substanțe nocive care pot pune în pericol personalul de deservire a stațiilor de epurare -substanțe inhibitoare ale procesului de epurare care ar putea prejudicia funcționarea instalațiilor de epurare biologică sau a celor de fermentare a namolului -ape calde cu temperaturi de peste 50°C. O altă sursă de poluare este reprezentată de eliminarea de gaze, CO2 și aer-de cele mai multe ori amestecat cu particule lichide sau solide. Prin interacțiunea chimică a acestor substanțe cu diferite forme fizice ale apei pot rezulta uneori substanțe chimice foarte toxice.

Cap.5 UTILITATI Utilitatile folosite in procesul de productie al penicilinei G sunt: -energia electrica -aburul -apa -aerul comprimat Toate utilitățile sunt considerate ca făcând parte din sfera produselor energetice ale unei întreprinderi. Energia electrică Aceasta reprezintă una din formele de energie cele mai folosite în industria chimică datorită ușurinței de transport la distanțe mari cu care poate fi transformată în energie mecanică, termică sau luminoasă. Energia electrică transformată în energie mecanică este utilizată la acționarea electromotoarelor cu care sunt dotate: pompele și reactorul cu agitare mecanică. Se utilizează energie electrică pentru iluminat-monofazat și pentru motoare-trifazat. Aburul

91

Vapori de apă sunt cei mai utilizați agenți termici pentru încălzire. Realizarea unor temperaturi peste 200°C necesită presiuni mai mari de 35 atmosfere, ceea ce conduce la cresterea cheltuielilor de investiție. Funcție de presiunea pe care o are la ieșirea din generator aburul poate fi: abur umed, abur saturat, abur supraîncălzit. Aburul umed conține picături de apă și rezultă de la turbinele cu contra presiune sau din operațiile de evaporare, ca produs secundar. Este cunoscut sub denumirea de abur mort. Aburul saturat este frecvent folosit ca agent de încălzire, având căldură latentă de condensare mare și coeficienții individuali de tranfer de căldură mari. Temperatura aburului saturat poate fi reglată ușor prin modificarea presiunii. Încălzirea cu abur se poate realiza direct, prin barbotare, sau indirect, prin intermediul unei suprafețe ce separă cele două fluide. Aburul supraîncălzit cedează, în prima fază căldura sensibilă de răcire, până la atingerea temperaturii de saturație, cand coeficientul individual de transfer de căldură este mic și apoi căldura latentă prin condensare. Apa Se utilizează apa pentru răcirea masei de reacție în timpul fermentației. Apa de răcire poate proveni din fântâni de adâncime, temperatura ei se menține între 10 - 15°C tot anul, sau apa de la turnurile de răcire, când se recirculă având temperatura în timpul verii 25 - 30°C. Pentru răcirea conținutului de suspensii se realizează coagularea, decantarea sau filtrarea apei înainte de a fi utilizată în instalații. Pentru evitarea formării crustei, temperatura apei la ieșire din aparate nu trebuie să depășească 50°C. Răcirile cu apă industrială se pot realiza pănâ la 35-40°C. Apa este un agent termic cu capacitate calorică mare, ușor de procurat. Se utilizează și: apa de incendiu, apa potabilă, apa tehnologică. Aerul comprimat Aerul comprimat se utilizează în următoarele scopuri: − materie primă tehnologică; − amestecare pneumatică; − uscare; − diferite scopuri: curățirea utilajelor; − purtător de energie (pentru acționarea aparatelor de măsură și de reglare, în atelierul mecanic etc.)

Cap.6 TRANSPORT, AMBALARE, DEPOZITARE Glucoza Se ambalează, pentru desfacere, în hârtie pergaminată și apoi în hârtie velină. Ambalajele de transport pentru glucoza solidă sunt lăzi de lemn căptușite cu material corespunzător, iar pentru glucoza lichidă, butoaie de metal sau de material plastic.

92

Toate ambalajele de desfacere și transport trebuie să corespundă normelor legale sanitare în vigoare. Abaterea admisă la conținutul net al ambalajelor de desfacere este de ± 10 g. Glucoza se depozitează în magazii curate, uscate, dezinfectate, lipsite de miros străin și aerisite, având temperatura de max. 20°C și umiditatea relativă a aerului de max. 70%. Transportul glucozei se face în vehicule acoperite, curate, dezinfectate, uscate și fără miros străin.

Azotat de amoniu tehnic, granulat Se amabalează în saci de polietilenă închiși prin sudură. Viza organului de control tehnic al calitățiia ambalajelor se face prin șablonare sau etichetare cu următoarele specificații: -marca de fabricație a întreprinderii producătoare -denumirea produsului de calitate STAS 2126-84 -masa netă -numarul lotului -data livrării -data fabricației -termenul de garanție. Depozitarea azotatului de amoniu se face în stive, de max. 20 saci, pentru tipul I și de max. 10 saci pentru tipul II, în magazii special amenajate, pentru acest produs. Magaziile vor fi curate, uscate și fără alte surse de încălzire, decât cele ale instalațiilor de condiționare. Temperatura în timpul depozitării nu trebuie să depășească valorile cuprinse între -15°C și +30°C. Azotatul de amoniu nu se depozitează la un loc cu alte materiale. Pentru transportul azotatului de amoniu, se folosesc vehicule acoperite, uscate și curate. Manipularea, depozitarea și transportul azotatului de amoniu, tehiv, granulat, se face în conformitate cu legile, regulamentele și instrucțiunile în vigoare privind tehnica securității muncii pentru produse comburante. Fiecare lot de livrare va fi însoțit de documentul de certificare a calității, întocmit conform dispozițiilor legale în vigoare. Carbonat de calciu precipitat tehnic Se ambalează în saci de hârtie, curați, legați cu sârmă. Sacii se marchează vizibil prin șablonare sau etichetare, cu urmatoarele specificații: -marca de fabrică; -denumirea produsului, tipul și STAS 1083-76; -masa netă; -numărul lotului; -semnul organului de control tehnic al calității (CTC). Carbonatul de calciu precipitat, tehnic se depozitează în locuri curate, ferite de umezeală. Transportul produsului se face cu mijloace de transport curate și acoperite. La documentele de transport se va anexa un certificat de calitate întocmit conform dispozițiilor legale în vigoare.

93

Sulfat de sodiu anhidru tehnic Sulfatul de sodiu anhidru, tehnic, se livrează în containere sau în saci de hârtie cașerată cu polietilenă STAS 87-81, la temperatura de 50...60°C. Marcarea ambalajelor se face prin șablonare sau etichetare, în loc vizibil, cu următoarele specificații: -marca de fabricație a întreprinderii producătoare -denumirea produsului de calitate -STAS 2126-84 -masa netă -numarul lotului -data livrării -data fabricației -termenul de garanție -viza organului de control tehnic al calității. Depozitarea sulfatului de sodiu anhidru, tehnic, se face în încaperi ferite de umezeală. Transportul sulfatului de sodiu anhidru, tehnic, se face în containere sau în vehicule acoperite. Fiecare lot de livrare va fi însoțit de documentul de certificare a calității întocmit conform dispozițiilor legale în vigoare. Fosfat monopotasic tehnic Marcarea ambalajelor se face prin șablonare sau etichetare cu următoarele specificații: marca de fabricație a întreprinderii producătoare denumirea produsului de calitate STAS 10497-76 masa netă numarul lotului semnul organului de control tehnic al calității. Fosfatul monopotasic tehnic se depozitează în încăperi uscate și acoperite. Pentru transportul fosfatului monopotasic tehnic se folosesc mijloace de transport acoperite. Fiecare transport va fi însoțit de un certificat de calitate întocmit conform dispozițiilor legale în vigoare.

Acetat de n – butil tehnic Acetatul de n – butil se livrează în butoaie de tablă decapată STAS 7683-79 sau în cisterne. Butoaiele și cisternele trebuie să fie destinate special acetatului de n – butil tehnic, curate, uscate și cu închidere ermetică. Ambalajele trebuie să fie marcate cu următoarele specificații: -marca de fabrică a întreprinderii producătoare -denumirea produsului, tipul, STAS 904-89 -masa netă -tara -numarul lotului sau al cisternei -data fabricației -data livrării -perioada de garanție

94

-viza organului de control tehnic al calității. Ambalajele trebuie să fie marcate în mod vizibil cu semnul de avertizare pentru produse inflamabile conform STAS 5055-82. Manipularea, depozitarea și transportul acetatului de n-butil tehnic se fac cu respectarea normelor de tehnică a securității muncii referitoare la produsele inflamabile și de pază contra incendiilor. Acetatul de n-butil tehnic se depozitează în ambalajele care se livrează, în magazii răcoroase și uscate,ferit de lumină și de surse de căldură, sau în rezervoare special destinate și etanșe. Transportul acetatului de n- butil tehnic se face cu mijloace de transport acoperite sau cu cisterne. Fiecare lot de livrare trebuie să fie însoțit de documentul de certificare a calității, întocmit conform dispozițiilor legale în vigoare. Carbonatul de potasiu tehnic Carbonatul de potasiu tehnic se livrează în ambalajele și materialele de ambalare stabilite prin normativul de ambalare a produselor destinate consumului intern, aprobat de organul central coordonator. Ambalajele se vor marca prin șablonare cu următoarele specificații: -marca de fabrică a întreprinderii producătoare -denumirea produsului, calitatea și STAS 10985-77 -masa netă -numarul lotului -data fabricației -semnul organului de control tehnic al calității. Carbonatul de potasiu tehnic se depozitează în locuri uscate, ferit de umezeală. Transportul se face cu mijloace de transport acoperite. Fiecare lot de livrare va fi însoțit de documentul de certificare a calității, întocmit conform dispozițiilor legale în vigoare. Sulfat de zinc tehnic Pentru sulfatul de zinc granulat și lichid, ambalarea și marcarea se stabilesc prin contract. Marcarea ambalajelor cu sulfat de zinc tehnic, cristalizat, se face prin șablonare sau etichetare, în mod vizibil, cu următoarele specificații: -marca de fabrică a întreprinderii producătoare -denumirea produsului, calitatea și STAS 2367-80 -masa netă -masa brută -tara -numarul lotului -viza organului de control tehnic al calității. Sulfatul de zinc se depozitează în încăperi uscate. Transportul sulfatului de zinc se face cu mijloace de pransport acoperite. Fiecare lot de livrare va fi însoțit de documentul de certificare a calități, întocmit conform dispozițiilor legale în vigoare.

95

Tiosulfat de sodiu Tiosulfatul de sodiu cristalizat, tehnic, se ambalează în butoaie din hârtie înfășurată STAS 5537-65, sau în butoaie din fag STAS 1648-71. Se admite folosirea și a altor ambalaje numai dacă ele se încadrează în prescripțiile respective prevăzute de legislatia în vigoare. Ambalajele se etichetează în mod vizibil și durabil cu următoarele specificații: -marca de fabrică -denumirea produsului, calitatea și STAS 1817/2-75 -numărul lotului și data fabricației -masa brută și tara -semnul organului de control tehnic al calității (CTC) -termenul de garanție. Tiosulfatul de sodiu cristalizat, tehnic se depozitează în încăperi uscate, în care temperatura nu depășește 30°C. Transportul produsului se face numai cu mijloace de transport acoperite. La documentele de transport se va anexa un certificat de calitate întocmit conform reglementărilor legale în vigoare. Cloroform Cloroformul se ambalează astfel: Tipul A in damigene de sticlă, de culoare închisă sau vopsite în negru, închise cu dopuri de plută învelite în foiță de staniol sau în celofan și apoi parafinate. Damigenele de sticlă se introduc în coșuri de nuiele și se protejează cu un strat de paie sau talaș. Sau cisterne de oțel. Tipul B in cisterne de oțel sau bidoane de polietilenă. Ambalajele trebuie să fie curate, uscate și închise etanș. Ambalajele vor fi marcate cu următoarele specificații: -marca de fabrică a întreprinderii producătoare -denumirea produsului, tipul, calitatea, STAS 330-82 -masa netă -numarul lotului -data fabricației -termenul de garanție -viza organului de control tehnic al calității (CTC). -semnele avertizoare pentru produse toxice, produse care trebuie ferite de umezeală și produse care trebuie păstrate la rece, conform STAS 5055-66. Manipularea, depozitarea și transportul cloroformului se fac cu respectarea normelor de tehnică a securității muncii referitoare la produsele toxice. Cloroformul se depozitează în încăperi, ferit de lumină, de umiditate și de căldură, pentru a evita descompunerea produsului cu formare de fosgen (foarte toxic). Transportul se face cu mijloace de transport acoperite. Fiecare lot de livrare va fi însoțit de documentul de certificare a calității, întocmit conform dispozițiilor legale în vigoare. Acid sulfuric tehnic

96

Până la stabilirea ambalajelor și materialelor de ambalare pentru acidul sulfuric tehnic, prin normativul de ambalare pe produse și grupe de produse destinate consumului intern, aprobat de organul central coordonator, acesta se livrează în cisterne de oțel, butoaie de oțel și baloane de sticlă, curate și uscate, sau alte ambalaje convenite între părți cu condiția menținerii integrității produsului. Butoaiele de oțel vor fi prevăzute cu dopuri de oțel, filetate, cu garnituri de azbest și vor fi plumbuite. Baloanele de sticlă vor fi prevăzute cu dopuri etanșe cu ipsos. Baloanele de sticlă vor fi protejate cu un strat de vată minerală și introduse în coșuri metalice, prevăzute cu capace de protecție și mânere. Marcarea ambalajelor se face prin șablonare sau etichetare cu următoarele specificații: -marca de fabrică a întreprinderii producătoare -denumirea produsului, tipul, STAS 97-80 -masa brută -tara -viza organului de control tehnic al calității (CTC). -semnul avertizor pentru produse corosive, STAS 5055-66 -PRODUS COROSV, A SE MANIPULA CU ATENȚIE. Manipularea, depozitarea și transportul acidului sulfuric tehnic se fac cu respectarea normelor de tehnică a securității muncii, referitoare la produsele corosive. Se interzice transportul altor produse (inclusiv acid sulfuric rezidual) în cisternele destinate transportului de acid sulfuric tehnic. Fiecare lot de livrare va fi însoțit de documentul de certificare a calității, întocmit conform dispozițiilor legale în vigoare.

97

Cap. 7 NORME DE PROTECTIE A MUNCII. PREVENIREA SI STINGEREA INCENDIILOR 7.1. Norme de protecț ia muncii 7.1.1. Tehnica securităț ii ș i igiena muncii Protecția muncii cuprinde totalitatea măsurilor luate pentru a se asigura tuturor oamenilor muncii condiții bune de muncă, pentru a-i feri de accidente și boli profesionale. Protecția muncii face parte integrantă din procesul de muncă. În industria chimică problema protecției muncii este deosebit de importantă deoarece pe langa factorii de periculozitate comuni cu alte ramuri industriale – elemente mobile(periculoase) ale utilajelor, acțiunea curentului electric, degajări importante de căldură, zgomote și trepidații – intervin și numeroși factori specifici industriei chimice, cum ar fi: -degajări de substanțe toxice -prezența frecventă a unor substanțe inflamabile -posibilitatea exploziilor cauzate de amestecuri explozive -operații cu lichide agresive care pot provoca arsuri chimice -temperaturi ridicate. Protecția muncii are următoarele trei aspecte: -protecția juridică a muncii reprezentată de legislația referitoare la protecția muncii, legislație constituită în principal din: -Codul muncii -Legea nr. 5/1965 cu privire la protecția muncii -HCM nr. 2896/1966 cu privire la accidentele de muncă -Legea nr. 1/1970 privind organizarea și disciplina muncii -Decretul 400/1981 -Alte HMC – uri, Decrete elaborate de Consiliul de Stat, instrucțiuni și ordine elaborate de ministere. -protecția sanitară a muncii cuprinde măsurile pentru crearea unor condiții fiziologice normale de muncp și de suprimare a riscului îmbolnăvirilor profesionale. -protecția tehnică a muncii constă în măsuri tehnice și organizatorice pentru ușurarea muncii și prevenirea accidentelor de muncă. Măsurile de tehnica securității muncii se pot clasifica în măsuri generale, care se referă în principal la alegerea amplasamentului întreprinderii la planul general al acesteia și la protecția muncii în clădirile industriale, masuri speciale, care se referă la particularitățile tehnice ale proceselor și masuri de protecție individuală a muncitorului care se referă la folosirea echipamentului și materialelor de protecție individuală prevăzute de norme. Normele de tehnica securității muncii elaborate de M.I. Ch. sunt grupate în 6 capitole: 1.Tehnica securității muncii la instalații, aparate și mașini 2.Tehnica securității muncii la întreținere, reparații și intervenții 3.Tehnica securității muncii pentru procese fizice și chimice 4.Tehnica securității muncii la depozitare 5.Tehnica securității la manipulare, asamblare și transport 98

6.Tehnica securității în laboratoare În continuare se vor prezenta în linii generale problemele tratate în fiecare din capitolele menționate. 1. Acest capitol tratează problemele de securitatea muncii la organele de mașini în mișcare, la echipamentul de transmitere și dispozitivele de acționare a utilajelor, la conducte și armături, aparate de măsură și control, vase de reacție, utilaje sub presiune, aparate pentru operații unitare(centrifuge, extractoare, uscătoare, filtre, malaxoare, etc.) precum și la principalele utilaje din industria celulozei și hârtiei. În preambulul la acest grup de norme se precizează că proiectantul este obligat să acorde tot atâta importanță realizării condițiilor de securitate cât acordă și parametrilor tehnici și economici ai aparatului și instalației proiectate. 2. În acest capitol se dau norme cu caracter organizatoric și tehnic. Pentru orice intervenție sau reparație se întocmește un plan de acțiune cu sarcini defalcate pe angajați, plan care cuprinde toate masurile de protecția muncii. Pentru locurile de muncă unde exista pericol de incendiu și explozie se întocmește de către șeful secției permisul de lucru cu foc, aprobat de inginerul șef. Pentru lucrările la instalații sub presiune, intrarea în vase de reacție, rezervoare, instalații în care se prelucrează substanțe foarte agresive este necesar în plus permisul de lucru, întocmit de șeful secției. Este strict interzisă începerea oricărei lucrări de reparație sau intervenție fară a se face în prealabil tuturor celor ce execută operația respectivă instructajul de protecție a muncii. 3. Dupa un capitol introductiv în care se precizează că absorbția noxelor de orice gen se face la locul unde se produc ele, fiind cotraindicată absorbția lor prin ventilație generală și că alimentarea utilajelor cu substanțe toxice, corozive, iritante, inflamabile și cele care degajă praf se va face mecanizat și etanș, se tratează: − tehnica securității muncii la efectuarea unor peocese chimice unitare(halogenări, sulfonări, esterificări, polimerizări, etc.) − tehnica securității muncii la efecturea unor operații fizice unitare(extracție, decantare, centrifugare, filtrare, absorbție, distilare și rectificare, uscare, etc.) − tehnica securității muncii la operații cu substanțe toxice, inflamabile, explozive, corozive, caustice. 4. Se dau norme referitoare la amplasarea și depozitarea substanțelor toxice, inflamabile și explozive. Este interzisă depozitarea în aceeași încăpere a substanțelor toxice, inflamabile și explozive cu diverse materiale. De asemenea, substanțele chimice care ar putea reacționa unele cu altele degajând substanțe periculoase trebuiesc depozitate la distanță unele de altele în încăperi separate. 5. Deoarece statisticile arată că 35% din accidentele de muncă se înregistrează la operațiile de manipulare, această problemă prezintă o deosebită importanță. Normele prevăd ca aceste operații să se execute numai sub supravegherea unui conducător al procesului de muncă instruit special în acest scop. Lucrul tinerilor sub 16 ani la operațiile manuale de încărcare, descărcare și transport este interzis. 6. Din ansamblul normelor referitoare la această problemă, norme care se referă la ventilație, manipulare a sticlăriei, a dispozitivelor de încălzire, a utilajelor sub presiune, a substanțelor toxice, inflamabile, etc., trebuie reținută obligația generală, pentru munca de cercetarea, de a se aplica și respecta în toate fazele metodologice de lucru adecvată privind protecția muncii.

99

7.2. Masuri P.S.I Incendiile si exploziile se produc numai atunci cand sunt prezente in cantitati suficiente trei elemente: substanta combustibila, oxigenul si caldura. Cauzele principale ale incendilor si exploziilor se datoresc, pe de o parte aprinderii siautoaprinderii, iar pe de alta parte nerespectarii parametrilor procesului tehnologic, lipsei deinstructaj, de atentie de curatenie, etc. Explozile pot fi provocate de depasirea instantanee a limitei de rezistenta a peretilor vaselor produsa de presiunea gazelor sau vaporilor. Explozile produse de gaze combustibile,vapori sau praf in amestec cu aerul sau oxigenul au loc numai la anumite concentratii, carevariaza cu presiunea si temperatura amestecului.Incendiul izbucneste ca urmare a depozitarii in sectii a unor substante usor inflamabilesau explozive, care depasesc cantitatile admise, precurn si a depozitarii lor necorespunzatoarei n a m b a l a j e d e t e r i o r a t e , l a n g a s u r s e d e c a l d u r a s i lipsa de supraveghere a lor. C e a m a i frecventa cauza de aprindere este flacara directa produsa de diferite surse.Caldura degajata in cursul unor reactii chimice exoterme, poate constitui de asemenea,o s u r s a d e a p r i n d e r e p r o v o c a n d i n c e n d i u l . D e o s e b i t d e p e r i c u l o s e s t e c o n t a c t u l a c i z i l o r concentrati cu substantele combustibile.In timpul desfasurarii proceselor tehnologice sunt cazuri cand incendiile sau exploziilesa produc datorita aprinderii substantelor combustibile, fie de la o scanteie electrica, fie prinincalzirea exagerata a conductorilor electrici si aprinderea materialului izolant. I n c e n d i l e m a i p o t f i p r o v o c a t e , d e a s e m en e a , d i n c a u z a e l e c t r i c i t a t i i s t a t i c e s i a descarcarilor atmosferice. Masurile generale prevenirii incendiilor sau exploziilor sunt in principal: - evitarea sau reducerea substantei combustibile; - evitarea sau reducerea sursei de caldura; -evitarea sau reducerea oxigenului, aerului sau a substantelor cu continut mare deoxigen; -inpedicarea contactului substantei combustibile cu sursa de caldura; -controlul permanent al surselor de caldura si cunoasterea caracteristicilor periculoaseale substantelor combustibile; masuri de siguranta pentru ecranarea sursei de caldura si op r i r e a a c c e s u l u i substantelor combustibile in eventuala zona de ardere; - controlul automat al concentratilor de oxigen in zona de pericol. Materialele folosite pentru stingerea incendiilor Materialele stingatoare sunt acele materiale care folosite intr-un anumit mod in zonade ardere, actioneaza defavorabil asupra conditilor necesare arderii, oprind arderea. Materialele stigatoare, se foloses fie in stare gazoasa, lichida sau solida, fie sub forma unor a m e s t e c u r i d e l i c h i d e c u g a z e s a u l i c h i d e c u s u b s t a n t e s o l i d e i n s a p r o c e s u l s i r a p i d i t a t e a aplicarii sunt factorii horatatori ai stingerii incendiilor. Cele mai importante substante stingatoare sunt: apa, aburul, solutile apoase de saruri,CCl3, dioxidul de carbon, spuma chimica si mecanica, prafurile stingatoare. Apa. Folosirea apei la stingerea incendilor se bazeaza pe proprietatile

100

ei de racire si izolare termica. Proprietatile de racire a apei sa datoresc capacitatii de absorbtie a caldurii si caldurii latente de vaporizare, care au o valoare importanta. Racirea suprafetelor aprinse va fi cu atat mai mare cu cat cantitatea de apa transformata in vapori va fi mai mare. Desi apa poseda astfel de calitati pentru stingerea incendiilor , t o t u s i d o m e n i u l ei de utilizare este limitat. Produsele petroliere si dizolvantii organici nemiscibili cu apa plutesc la suprafata apei si ard in continuare. Apa folosita la stingerea incendilor contine saruri, deci este o buna conductoare de electricitate, din acest motiv folosirea ei la stingerea incendiilor produse in instalatii de inalta tensiune trebuie sa se faca utilizandu-se dispozitive speciale. Unele substante reactioneaza violent cu apa, producand o degajare mare de caldura si de gaze, care pot da nastere incendiilor si exploziilor. Aburul Stingerea incendiilor cu ajutorul aburului se ba z e a z a p e r e d u c e r e a concentratiei de oxigen din zonele de ardere. Folosirea aburului pentru stingerea substantelor gazoase, lichide si solide se face in locurile unde exista instalatii de cazane si si steme fixe destingere. In afara de reducerea concentratiei de oxigen din zona de ar d e r e , l a s t i n g e r e a incendiilor contribuie si efectul mecanic al jetului. Acest procedeu se foloseste la stingerea incendiului la coloanele de rectificare, la conducte, etc. Solutii apoase de saruri In scopul imbunatatirii calitatii apei se folosesc adaosuri:CaCl, Na2SO4,etc. Prin evaporarea apei aceaste solutii formeaza la suprafata metalului aprins u n s t r a t d e s a r e c a r e s e t o p e s t e , i a r i n u n e l e c a z u r i s e d e z a g r e a g a . S o l u t i i l e d e s a r u r i s e folosesc la stingatoarele manuale. CCl4 A r e p r o p r i e t a t e a d e a s t i n g e f o c u l , i n s a i n i n c a p e r i i n c h i s e p o a t e d a n a s t e r e fosgenului, gaz foarte toxic. CC14 se foloseste la stingerea incendiului la instalatile electrice de inalta tensiune, la motoarele cu ardere interna, la substantele lichide si solide pe o suprafatamica, etc. CO2 Nu arde si este un slab conductor de electricitate, cea ce permite folosirea lui la stingerea incendiilor izbucnite in instalatiile electrice. Introdus in zonele de ardere, C02 dilueaza atmosfera, reducand concentratia de oxigen si a substantei combustibile, micsorandsau oprind arderea. Spumele stingatoare Spuma este formata din bule de gaz i n c o n j u r a t e d e u n s t r a t subtire de lichid. In prezent se folosesc doua tipuri de spume: chimice si mecanice. Spuma chimica este rezultatul unei reactii chimice si se compune din bule de gaz care au un invelisdin solutii apoase de saruri. Spumele mecanice se realizeaza prin amestecarea mecanica a solutiei. Densitatea spumelor este mica permitand plutirea la suprafata produselor petroliereseparand flacara de substanta combustibila. Prafuri stingatoare In compozitia acestor prafuri intra diferite saruri si substantec a r e c o n t r i b u i e l a t o p i r e a l o r . P r a f u r i l e s t i n g a t o a r e i m p i e d i c a d e z v o l t a r e a a r d e r i i p r i n acoperirea suprafetelor solide aprinse cu un strat izolator care prin topirea sarii contribuie mai activ la stingerea incendiului. Degajarea unor saruri, produce gaze n e c o m b u s t i b i l e c a r e contribuie la stingerea incendiului.

101

Bibiografie: 1. C. Onisiu ”Chimia și tehnilogia medicamentelor” Editura Tehnica, București, 1988 2. Anca Irina Galaction, Dan Cascaval „ Metaboliti secundari si bioreactoare” Editura Bit, Iasi, 2004 3. Dan Cascaval „Inginerie biochimica si biotehnologie” vol. 3 4. prospect penicilina G. www.antibiotice.ro 5. Dan Cascaval „Inginerie biochimica si biotehnologie” vol 1. 6. C. Onisiu „Tehnologia poceselor de biosinteza” 7. Dan Cascaval „Inginerie biochimica si biotehnologie” vol 2. 8. Anca Irina Galaction, Dan Cascaval „Metaboliti secundari cu aplicatii farmaceutice, cosmetice si alimentare” 9. STAS-uri si standarde conform Consiliului national pentru stiinta si tehnologie, Institutul roman de standardizare. 10. Indrumar FDT

102

103