nauk a • technik a Technologia produkcji plazmy krwi i hemoglobiny
Zygmunt KOWALSKI, Agnieszka MAKARA, Marcin BANACH - Instytut Chemii i Technologii Nieorganicznej Politechniki Krakowskiej, Kraków
Prosimy cytować jako: CHEMIK 2011, 65, 5, 466-475
Wstęp
Krew jest produktem bardzo wrażliwym na czynniki zewnętrzne, negatywnie wpływające na możliwości jej przerobu i wykorzystania.
Jedną z najważniejszych operacji, mających wpływ na jakość krwi jest sposób jej poboru. Krew pobiera się wbijając nóż rurkowy w aortę oszołomionego zwierzęcia. Z noża spływa ona do zbiornika. W trak- cie poboru krwi, do noża rurkowego tłoczony jest roztwór antyko- agulanta, zwykle roztwór cytrynianu sodowego. Następnie krew jest chłodzona i przechowywana w temperaturze 0-3°C. Hemolizie można zapobiec poprzez ostrożne, mechaniczne traktowanie krwi podczas transportu i minimalizowanie jej rozcieńczania wodą [1÷4]. Testem potwierdzającym przydatność krwi do produkcji plazmy, jest próba wirowania pobranej próbki w wirówce laboratoryjnej. Krew powinna ulec rozwarstwieniu na bursztynową lub lekko różową plazmę i hemo- globinę. Surowiec nie nadaje się do dalszego przerobu, gdy nie ulega rozwarstwieniu, albo gdy warstwa plazmy ma kolor czerwony.
Przy zachowaniu właściwej higieny, ilość bakterii w pobieranej krwi powinna być <2000/ml ogólnej liczby zliczonych organizmów i utrzymywać się na tym poziomie podczas kilku dni przechowywania
w temperaturze 2-3°C. Jeśli standardy higieny nie są przestrzegane, krew może zawierać nawet > 2,5x105 bakterii/ml. Poziom ten może gwałtownie rosnąć w czasie magazynowania i transportu. Po odwi- rowaniu krwi 20-25% bakterii znajduje się w plazmie, zaś we frakcji erytrocytów pozostaje 75-80%. Stąd plazma krwi powinna zawierać dosyć niską liczbę bakterii ( tab. 1), tj. ok. 1000/ml plazmy [1, 3, 5].
Odwirowana plazma jest zamrażana albo suszona.
W większości przypadków, przed suszeniem, plazmę zatęża się poprzez odparowanie lub filtrację membranową [6, 7]. W wyniku su- szenia rozpyłowego stężonej plazmy otrzymuje się suchą plazmę krwi zawierającą 96,4% protein i 2,5% wilgoci. Frakcja erytrocytów po su- szeniu zawiera 38% suchej masy i może być suszona bez zatężania.
W celu uniknięcia zabarwienia plazmy stosuje się oddzielne suszarki rozpyłowe dla erytrocytów i dla plazmy.
W niniejszej pracy przedstawiono koncepcję technologiczną pro- dukcji plazmy i hemoglobiny z krwi zwierzęcej, opracowaną na podsta- wie wyników prób i testów, prowadzonych zarówno w skali laborato- ryjnej, jak i przemysłowej [1, 2]. Docelowa podaż krwi z ubojni wynosi
~9,4 t/d (2300 t/r) [1].
Tablica 1 Charakterystyka surowców, półproduktów i produktów
Surowce, półprodukty,
produkty Postać/własność Skład/wymagania
Krew zwierzęca
– Gęstość właściwa krwi:
– bydlęcej 1 060 kg/dm3 – trzody chlewnej 1 040 kg/m3 - Temperatura przechowywania 0-3oC
– Zawartość: fazy stałej 19-20%, wilgoci 80-81%
– Obecność ciał obcych: wolna od skrzepów i ciał obcych – Ogólna liczba bakterii: nie większa niż 1x104 /g – Liczba bakterii E. Coli – nieobecne
Cytrynian trójsodowy (jedno- lub dwuwodny, antykoagulant)
– Występuje w handlu w postaci: ziarnisty biały proszek – Gęstość właściwa: 1 665 kg/dm3
– Własności organoleptyczne: smak słony, lekko kwaśny, chłodzący; bez zapachu
– Higroskopijny, łatwo rozpuszcza się w wodzie (43% w/v) – Temperatura: topnienia 150°C, rozkładu 175°C
– pH 5% roztworu 7,5-9,0
– Wykazuje silne buforowanie w zakresie pH 2,5-6,5 – Zawartość: głównego składnika 87,5-88,0%
– popiołu <0,05 % – wilgoci <0,5%
Roztwór plazmy krwi wieprzowej
– Postać: ciecz o barwie od żółtej do jasnoróżowej – Gęstość właściwa: ~1,030 kg/dm3
– Zapach: obojętny
– Zawartość: fazy stałej 9%, wilgoci 91%
– Skład chemiczny [%]: białko ≤7,0; tłuszcz ≤0,3; włóknik ≤0,15;
popiół ≤7,0; Na ≤0,6; K ≤0,06; Ca ≤0,015; P ≤0,015;
Cl ≤0,3; Fe ≤5ppm
Roztwór krwinek czerwo- nych (hemoglobina)
– Postać: ciecz o barwie od czerwonej do brązowej – Gęstość właściwa: ~1,080 kg/dm3
– Zapach: obojętny
– Zawartość: fazy stałej ~ 38%, wilgoci ~62%
– Skład chemiczny [%]: białko ≤37,0; tłuszcz ≤1,0; włóknik ≤0,15; popiół ≤7,0; Na ≤3,0; K ≤0,3; Ca ≤0,08; P ≤0,08; Cl ≤1,5;
Fe ≤25ppm
Wysuszona plazma wieprzowa
– Postać: sypki proszek barwy kremowej do jasno-beżowej – Gęstość właściwa: 0,60 – 0,65 kg/dm3
– Zapach: obojętny
– Rozpuszczalność w wodzie: 88%
– Skład chemiczny [%]: białko ≤70,0; tłuszcz ≤2,0;
wilgotność ≤10; włóknik ≤0,3; popiół ≤14,0; Na ≤6,0; K ≤0,6;
Ca ≤0,15; P≤0,15; Cl ≤3,0; Fe ≤50ppm
– Typowy skład aminokwasowy [%]: alanina 3,8; arginina 4,2; kwas asparginowy 7,1; cystyna 2,5; kwas glutaminowy 10,6; glicyna 2,7;
histydyna 2,5; izoleucyna 2,6; leucyna 7,0; lizyna 6,1; metionina 0,6;
fenyloalanina 4,1; prolina 11,5; seryna 4,2; treonina 4,3; tryptofan 1,2; tyrozyna 3,3; walina 4,8
Wysuszona hemoglobi- na (wysuszone krwinki czerwone)
– Postać: sypki, ciemno - brązowy proszek – Gęstość właściwa: 0,60 – 0,65 kg/dm3 – Zapach: obojętny
– Rozpuszczalność w wodzie: 80%
– Skład chemiczny [%]: białko ≤90,0; wilgotność ≤10,0;
tłuszcz ≤2,0; włóknik ≤0,5; popiół ≤3,0; Na ≤0,8; K≤0.25;
Ca ≤0,02; P ≤0,09; Cl ≤1,4; Fe ≤2700 ppm
– Typowy skład aminokwasowy [%]: alanina 7,6; arginina 4,0; kwas asparginowy 11,4; cystyna 0,6; kwas glutaminowy 8,7;
glicyna 4,7; histydyna 7,5; leucyna 13,4 lizyna; 9,0; metionina 0,8;
fenyloalanina 7,1; seryna 4,4; treonina 3,6; tryptofan 1,2;
tyrozyna 2,2; walina 9,2
nauk a • technik a
Schemat ideowy procesu
Sposób prowadzenia procesu technologicznego oraz dobór apara- tów i urządzeń dla instalacji produkcyjnej, zależą od asortymentu i ja- kości wytwarzanych produktów. W przypadku hemoglobiny i plazmy możliwe jest uzyskanie produktu ciekłego i suszonego. W przypadku plazmy można otrzymać plazmę suszoną wg następujących warian- tów:
Wariant I – produkcja suszonej plazmy (chemicznie odbarwionej,
•
bez wstępnego zatężania plazmy) i suszonej hemoglobiny Wariant II – produkcja suszonej plazmy (chemicznie odbarwionej,
•
z wstępnym zatężaniem plazmy) i suszonej hemoglobiny.
Na rysunku 1 przedstawiono schemat ideowy prowadzenia pro- cesu technologicznego wg wariantu II, w którym odwirowana plazma poddawana jest odbarwianiu, a następnie zatężaniu i suszeniu.
Krew spożywcza dostarczana jest z ubojni w pojemnikach z two- rzywa sztucznego, dopuszczonego do kontaktu z żywnością, o objęto- ści 1m3. Surowiec spełniający wymagania bakteriologiczne, zadawany jest odpowiednią ilością antykoagulanta i transportowany w samo- chodzie–chłodni, w temperaturze 3-5°C. Zbiorniki magazynowane są w pomieszczeniu, gdzie temperatura również wynosi 3-5°C. Krew ze zbiornika jest zasysana za pomocą pompy membranowej i tłoczona od spodu do wirówki talerzowej. Wirówka, obracając się z prędkością 700 obrotów na minutę, rozdziela krew na plazmę i hemoglobinę, któ- re następnie kierowane są do zbiorników buforowych o pojemności 0,5 m3, skąd okresowo podawane są, za pomocą pompy, do zbiorników magazynowych plazmy i hemoglobiny (każdy o objętości 5 m3). Plazma ze zbiornika magazynowego podawana jest pompą do reaktora, gdzie dodaje się kolejno odpowiednie porcje: kwasu solnego (2,5%), wody utlenionej (10%) i wodorotlenku sodu (4M) [8].
W tych warunkach plazma ulega odbarwieniu do koloru słom- kowego i podawana jest na układ mikrofiltracji, a tam jest zatężana z 9 do ok. 20% zawartości suchej masy. Zatężona plazma i hemoglobi- na są naprzemiennie wprowadzane do suszarki rozpyłowej ze złożem pseudofluidalnym, które stanowią kulki z dekstrozy.
Podstawy fizykochemiczne procesu
Sporządzanie i dozowanie roztworu cytrynianu sodowego Roztwór cytrynianu sodowego (20%) sporządza się poprzez roz- puszczenie soli cytrynianu w ciepłej wodzie (40-60°C). W momencie poboru krwi roztwór cytrynianu musi być podawany natychmiast tak, aby krew przed dodaniem antykoagulanta nie miała żadnego kontaktu z powietrzem. Zużycie 20% roztworu cytrynianu sodowego wynosi 50 dm3/1000 l krwi.
Chłodzenie, przechowywanie i transport krwi
Krew zwierzęca spożywcza, w chwili poboru ma temperaturę 36-40°C. Wskazane jest jej szybkie schłodzenie do 2-3°C i przechowy- wanie w temperaturze 0-3°C, w celu zapewnienia jej trwałości przez co najmniej 3 dni. Zbiorniki magazynowe oraz układy przetłaczające muszą być okresowo myte oraz dezynfekowane, zgodnie z wymogami CIP. Przewóz krwi spożywczej odbywa się w zbiornikach z tworzywa sztucznego przeznaczonego do kontaktu z żywnością, w samochodach wyposażonych w instalację chłodzenia i izolację, które zapewniają utrzy- manie temperatury surowca do 3°C. Zbiorniki następnie przechowywa- ne są w magazynach, w których utrzymywana jest temperatura do 3°C.
Rozdział krwi na plazmę i hemoglobinę
Najpopularniejszą metodą rozdzielania krwi na plazmę (kolo- ru bursztynowego) oraz czerwoną hemoglobinę (gęstwę krwinek) jest wirowanie [1, 9]. Gęstość właściwa krwinek (~1,080 kg/dm3) jest większa o ok. 0,046-0,073 g/cm od gęstości właściwej plazmy (~1,030 kg/dm3). W wyniku wirowania uzyskuje się przeciętnie 55-60% nieznacznie zabarwionej plazmy (surowicy), zaś pozosta- łość stanowi gęstwa krwinek. Wirowaniu podaje się krew spożywczą o temperaturze 3-5°C. Bardzo ważne jest odpowiednie ustawienie obrotów separatora podczas odwirowywania krwi. Przy zbyt dużej sile odśrodkowej, dochodzi do hemolizy rozdzielanych krwinek skład- ników krwi, zaś przy zbyt małej sile odśrodkowej krew nie rozdziela się na pożądane składniki.
W trakcie wirowania krwi mogą wystąpić zakłócenia, które uniemożliwiają prawidłowe oddzielenie plazmy od gęstwy krwinek.
Najpoważniejszym problemem bywa hemoliza krwi, spowodowana przypadkowym zanieczyszczeniem krwi poubojowej przez wodę, przyubojowym zanieczyszczeniem krwi śliną zwierzęcia, działaniem enzymów lub drobnoustrojów, rozpoczęciem wyrównawczych pro- cesów dyfuzyjnych [9÷11]. Wirowanie krwi zhemolizowanej jest bez- celowe, dlatego że nie otrzymuje się jasnej plazmy.
Rozdzielone na wirówce plazma krwi i hemoglobina przechowy- wane są w oddzielnych zbiornikach, w temperaturze 0-3°C. Zapewnia to utrzymanie ich trwałości do 3 dni. Zbiorniki magazynowe, układy przetłaczające i środki transportu muszą być okresowo myte i dezynfe- kowane, zgodnie z wymaganiami CIP. Zbiorniki buforowe plazmy i he- moglobiny wykonane są zwykle ze stali kwasoodpornej dopuszczonej do kontaktu z żywnością.
Suszenie plazmy krwi i hemoglobiny
Suszenie plazmy prowadzono się w suszarce BallTec firmy Ani- cet [1], w 55°C (w takich warunkach nie ulegają zmianie własności plazmy). Zatężanie i suszenie plazmy, oraz jej obróbka cieplna w wyż- szej temperaturze, powodują denaturację białka. Niemniej jednak, bardzo krótki kontakt roztworu plazmy z temperaturą sięgającą na- wet 200°C, w warunkach suszarki BallTec, pozwala na otrzymanie produktu pylistego o pożądanych własnościach. Suszenie hemoglobi- ny prowadzi się w odrębnej suszarce fluidyzacyjnej [12, 13].
Pakowanie suszonej plazmy krwi i hemoglobiny
Suszoną plazmę lub hemoglobinę (o temp. ~50°C) pakuje się do 25 kg wentylowych worków papierowych.
Parametry procesu Transport samochodowy:
temperatura przewożonej krwi: 3°C, pojemność pojemnika: 1m
• 3
Rozładunek krwi:
pompa niepowodująca pienienia, wydajność 20 m
• 3/h, temperatura
krwi 3oC
Przechowanie krwi w zbiornikach:
temperatura czynnika chłodzącego (glikolu) 0-3°C, krwi 2-3°C
•
objętość każdego ze zbiorników: 1m
• 3
Rys.1. Schemat ideowy produkcji 1 t plazmy na bazie krwi zwierzęcej (z chemicznym odbarwianiem i wstępnym zatężaniem
roztworu plazmy)
nauk a • technik a
Separacji krwi:wydajność separatora: 1 500 dm
• 3/h
temperatura krwi: 2-3°C
•
Przechowywanie roztworu plazmy:
objętość zbiorników buforowych 5m
• 3, temperatura mediów
w zbiornikach: 2-3°C
wydajność pompy plazmy 12 m
• 3/h, ciśnienie 1,5 bar, moc 1,1 kW
Przechowywanie roztworu hemoglobiny:
objętość zbiorników buforowych 5 m
• 3, temperatura mediów
w zbiornikach 3-5°C
wydajność pompy plazmy 12 m
• 3/h
Suszenie plazmy w suszarce BallTec
temperatura powietrza wlotowego: 80 – 98°C, wylotowego:
•
38 – 45°C
zdolność odparowania wody: 300 kg/h
•
gęstość właściwa wysuszonej plazmy: 0,6 – 0,65 kg/dm
• 3
przepływ sprężonego powietrza: 10 Nm
• 3/h, powierzchnia susze-
nia: 300 m2
Suszenie hemoglobiny w suszarce fluidalnej
temperatura powietrza wlotowego: 120°C, wylotowego: 40°C
•
zdolność odparowania wody: 100 kg/h
•
Bilans materiałowy
Bilanse materiałowe (tab. 2) sporządzono dla produkcji su- szonej plazmy (chemicznie odbarwionej, z wstępnym zatężaniem plazmy) i suszonej hemoglobiny. Masa przerabianej krwi wynosiła 2328 t/r (9,24 t/d; 0,578 t/h), przy czasie pracy instalacji 252 d/r (24 h/d, 604 h/r).
W węźle produkcji suszonej plazmy i hemoglobiny przewiduje się zużycie następujących mediów energetycznych: para (7 bar), energia elektryczna, woda zimna i ciepła. Para będzie używana do ogrzewa- nia powietrza suszącego plazmę i hemoglobinę krwi w suszarce. Jej zużycie oszacowano na 11,5 GJ/t plazmy pylistej. Ciepła woda będzie wykorzystywana do mycia instalacji. Założono, że jej zużycie wyniesie Tablica 2
Bilans masowy produkcji plazmy (z chemicznym odbarwianiem i zatężaniem)
Wyszczególnienie
Zawartość
procentowa, % Masa
Części
stałe Proteiny Woda kg/t t/h t/d t/rok I. PRZYGOTOWANIE SKŁADNIKÓW
Wchodzi 1. Cytrynian trójso-
dowy (antykoagu- lant)
20,00 0,00 80,00 699 0,019 0,462 116
2. Świeża krew 18,05 16,90 81,95 13 986 0,385 9,240 2 328 RAZEM 18,14 16,10 81,86 14 685 0,404 9,702 2 445
Wychodzi 1. Krew do przerób-
ki (do pozycji II) 18,14 16,10 81,86 14 685 0,404 9,702 2 445 II. ODWIROWANIE PLAZMY
Wchodzi 1. Krew do przerób-
ki (z pozycji I) 18,14 16,10 81,86 14 685 0,404 9,702 2 445 Wychodzi
1. Roztwór plazmy
(do poz. III) 9,00 7,65 91,00 9 692 0,267 6,403 1 614 2. Gęstwa krwinek 35,89 32,49 62,00 4 993 0,137 3,299 831 RAZEM 18,14 16,10 81,14 14 685 0,404 9,702 2 445
III. ODBARWIANIE PLAZMY Wchodzi 1. Roztwór plazmy
(z poz. II) 9,00 7,65 91,00 9 692 0,267 6,403 1 614 2. Kwas solny 2,5% 0,00 0,00 100,00 2 119 0,058 1,400 353 3. Woda utleniona
10% 0,00 0,00 100,00 194 0,005 0,128 32
4. Wodorotlenek
sodu 4 m 15,37 0,00 84,63 493 0,014 0,326 82
RAZEM 7,59 5,93 92,41 12 498 0,344 8,257 2 081
Wychodzi 1. Odbarwiony
roztwór plazmy (do poz. IV)
7,59 5,93 92,41 12 498 0,344 8,257 2 081
IV. ZATĘŻANIE PLAZMY Wchodzi 1. Odbarwiony
roztwór plazmy 7,59 5,93 92,41 12 498 0,344 8,257 2 081 Wychodzi
1. Koncentrat
plazmy (z poz. IV) 20,10 15,71 79,90 4 717 0,130 3,116 785
2. Opary 0,00 0,00 100,00 7 781 0,214 5,141 1 295
RAZEM 7,59 5,93 92,41 12 498 0,344 8,257 2 081
V. SUSZENIE ROZPYŁOWE PLAZMY Wchodzi
1. Zatężony roztwór
plazmy (z poz. IV) 20,10 15,71 79,90 4 717 0,130 3,116 785 Wychodzi
1. Plazma pylista 94,81 74,13 5,19 1 000 0,028 0,661 166
2. Opary 0,00 0,00 100,00 3 717 0,102 2,456 619
RAZEM 20,10 15,71 79,90 4 717 0,130 3,116 785
IV. SUSZENIE ROZPYŁOWE HEMOGLOBINY Wchodzi
1. Roztwór hemoglo-
biny (z poz. II) 35,89 32,49 62,00 4 993 0,137 3,299 831 Wychodzi
1. Hemoglobina
pylista 94,34 85,41 5,66 1 900 0,052 1,255 316
2. Opary 0,00 0,00 100,00 3 093 0,085 2,044 515
RAZEM 35,89 32,49 64,11 4 993 0,137 3,299 831
nauk a • technik a
2 m3/t krwi. Zimna woda będzie wykorzystywana do chłodzenia układu skraplającego opary po suszarce (w ilości 1 m3/t krwi). Zużycie dobowe ciepłej wody można oszacować na 20 m3. Zużycie energii elektrycznej oszacowano na 2078 kWh/t plazmy pylistej [1].
Wytyczne dla projektu technicznego i zagadnienia z zakresu ochrony środowiska
Aparaty i urządzenia, zainstalowane w węźle do wytwarzania suszo- nej plazmy i hemoglobiny, muszą być wykonane z materiałów dopusz- czonych do kontaktu z żywnością. Część aparatów i urządzeń powinna pracować w pomieszczeniu, gdzie temperatura nie może przekraczać 3°C. Są to: pompa zasilającą wirówkę, wirówka, zbiorniki buforowe pla- zmy i hemoglobiny z pompami, zbiornik magazynowy plazmy z pompą, zbiornik magazynowy hemoglobiny z pompą i magazyn produktów (su- szonej plazmy, hemoglobiny) [1]. Pozostałe urządzenia i aparaty węzła plazmy i hemoglobiny mogą pracować w temperaturze pokojowej.
Zbiorniki roztworów plazmy i hemoglobiny posiadają własne układy chłodzące. W procesie produkcyjnym plazmy, woda służy tylko do mycia zbiorników i schładzania skroplin po suszarce. Do operacji przetłaczania krwi muszą być stosowane tylko takie pompy, które nie będą spieniały przetłaczanego medium (np. membranowe, perystal- tyczne). Do transportu krwi nie wolno stosować pomp wirowych.
Wszystkie aparaty i urządzenia są przystosowane do możliwości mycia i odkażania, zgodnie z wymaganiami CIP.
Część urządzeń musi być ze sobą zblokowana i wyposażona w czujniki poziomu wypełnienia. Są to zbiorniki buforowe po wirówce (automatyczne uruchamianie i wyłączanie pomp w zależności od zada- nego poziomu cieczy), zbiorniki buforowe magazynowe plazmy i he- moglobiny (zatrzymują pracę separatora po uzyskaniu zadanego pozio- mu). Wszystkie popłuczyny i ścieki będą przekazywane bezpośrednio do kanalizacji, a następnie kierowane na oczyszczalnię.
Węzeł do produkcji plazmy nie będzie wytwarzał odpadów wy- magających składowania. Układy odpylające suszarki mają za zadanie oczyszczenie oparów z pyłów tak, aby emisja pyłów mieściła się w do- puszczalnych normach. Ma do tego służyć układ cyklonów i filtra wor- kowego suszarki, a także układ oczyszczania spalin po suszarce fluidal- nej hemoglobiny. Zawartość pylistej plazmy w powietrzu wylotowym po suszarce plazmy i hemoglobiny po suszarce fluidalnej będzie wynosiła 15-30 mg/m3. Instalacja nie będzie emitować szkodliwych gazów. Jedy- nym medium emitowanym do atmosfery będzie para wodna. W czasie pracy węzła plazmy, w ciągu doby powstanie 20-40 m3 ścieków po myciu zbiorników i chłodzeniu suszarek. Będą one kierowane do zakładowego węzła oczyszczania ścieków. Szacuje się, że w ściekach będzie się znaj- dować do 2-3 dm3 krwi na 1000 dm3 ścieków. Krew w ściekach pocho- dzić będzie z mycia aparatów i urządzeń układu plazmy.
Wstępna kalkulacja kosztów produkcji
Z zebranych danych [1] wynika, że łączny koszt realizacji instalacji wyniesie 3 739 mln PLN. W skład poszczególnych linii technologicz- nych wchodzą węzły: rozdziału krwi na plazmę i hemoglobinę, odbar- wiania plazmy, mikrofiltracji (wstępnego podtężania plazmy), suszenia plazmy i hemoglobiny.
W Instalacji Plazmy, na każdej zmianie będzie zatrudnionych 2 pra- cowników. Niezbędny czas pracy, to 264 dni/rok x 2 osób/zmianę x 8 h/zmiana = 12 672 roboczogodzin na rok, co daje ~8 osób zatrud- nionych na stanowiskach robotniczych, oraz 1 kierownika. Wskaźniki zużycia surowców i nośników energii podano (na podstawie danych [1]), w tablicach 3 i 4, przedstawiających kalkulacje kosztów produkcji plazmy i hemoglobiny. Przy wyliczeniach założono, że hemoglobina pylista jest produktem ubocznym i jej produkcję obciążono tylko kosz- tami suszenia (para), energii elektrycznej, analiz, ochrony środowiska i BHP, 50% kosztów amortyzacji i remontów instalacji, 50% kosztów robocizny. Wszystkie pozostałe koszty włączono w koszt produkcji plazmy pylistej.
Ceny rynkowe plazmy suszonej są bardzo zróżnicowane i kształtu- ją się, w przypadku stosowania jej jako dodatków do żywności, na po- ziomie od 7,5 do 60 PLN za kg. Ceny produktów paszowych (hemo- globiny paszowej) wynoszą na polskim rynku w granicach 11 PLN/kg [1]. Tak więc proponowana produkcja może być bardzo opłacalna.
Tablica 3 Wstępna kalkulacja kosztów produkcji plazmy (Wariant II) Zakładana wielkość produkcji t/rok 166 Zakładane nakłady inwestycyjne PLN 3 739 000
Stopa zwrotu % 10,0
Lp. Pozycja kalkulacyjna Jed-
nostka Zużycie Cena, PLN
Koszt, PLN/kg
1 Materiały bezpośrednie 5,75
Krew zwierzęca + antyko- agulant
t/t
15 882 350,00 5,56
Woda utleniona 100% 0,019 800,00 0,02
Kwas solny 36% 0,148 500,00 0,07
Wodorotlenek sodu cz 50% 0,120 800,00 0,10
2 Koszty zakupu 1,60
Krew zwierzęca + antyko- agulant
t/t
15 882 100,00 1,59
Woda utleniona 100% 0,019 50,00 0,00
Kwas solny 36% 0,148 50,00 0,01
Wodorotlenek sodu cz 50% 0,120 50,00 0,01
3 Razem koszty materiałów 7,35
4 Energia technologiczna 1,56
Para GJ/t 11,5 70,00 0,81
energia elektryczna kwh/t 2 078 0,30 0,62
woda przemysłowa m3/t 45 3,00 0,14
5 Płace bezpośrednie 0,72
6 Razem koszty bezpośrednie 9,63
7 Przeprowadzanie analiz chemicznych (odczynniki, sprzęt, płace) 0,12 8 Opłaty za przemysłowe korzystanie ze środowiska 0,12
9 Koszty zmienne linii 9,87
10 Utrzymanie maszyn i urządzeń w ruchu, w tym: 1,18
- remonty i konserwacje 0,06
- amortyzacja 1,13
11 Koszt pełny wytworzenia w Wytwórni 11,06
12 Utrzymanie i organizowanie zasobów ludzkich, w tym koszty BHP 0,12
13 Ogólna obsługa procesu produkcyjnego 0,14
- płace dozoru technicznego 0,14
14 Koszt pełny netto wytworzenia w Wytwórni 11,31
15 Pobrano do dalszego przerobu 11,31
16 Koszt wytworzenia wyrobu głównego (bez opakowań) 11,31 17 Opakowania bez-
pośrednie worki papierowe 25 kg
Szt./t 40 1,00 0,04
18 Koszt wytworzenia wyrobu głównego 11,35
19 Koszty ogólno
administracyjne % - 3 0,34
20 Fabryczny koszt wytworzenia 11,69
21 Koszt własny na 1 kg 11,69
nauk a • technik a
Tablica 4Wstępna kalkulacja kosztów produkcji hemoglobiny (Wariant II) Zakładana wielkość produkcji t/rok 316
Zakładane nakłady inwestycyjne PLN 3 239 000
Stopa zwrotu % 10,0
Lp. Pozycja kalkulacyjna Jednostka Zużycie Cena, PLN
Koszt, PLN/kg
1 Materiały bezpośrednie -
Krew zwierzęca + antyko- agulant
t/t - 350,00 -
2 Koszty zakupu -
Krew zwierzęca + antyko- agulant
t/t - 100,00 -
3 Razem koszty materiałów -
4 Energia technologiczna 0,44
gaz m3/t 0 1,00 -
para GJ/t 1,6 70,00 0,11
energia elektryczna kwh/t 1 092 0,30 0,33
woda przemysłowa m3/t 0 3,00 -
sprężone powietrze m3/t 0 0,06 -
5 Płace bezpośrednie 0,38
6 Razem koszty bezpośrednie 0,82
7 Przeprowadzanie analiz chemicznych (odczynniki, sprzęt, płace laborantek)
0,06
8 Opłaty za przemysłowe korzystanie ze środowiska 0,06
9 Koszty zmienne linii 0,95
10 Utrzymanie maszyn i urządzeń w ruchu, w tym: 0,54
- remonty i konserwacje 0,03
- amortyzacja 0,51
11 Koszt pełny wytworzenia w Wytwórni 1,49
12 Utrzymanie i organizowanie zasobów ludzkich, w tym koszty BHP
0,06
13 Ogólna obsługa procesu produkcyjnego 0,07
- płace dozoru technicznego 0,07
14 Koszt pełny netto wytworzenia w Wytwórni 1,62
15 Pobrano do dalszego przerobu 1,62
16 Koszt wytworzenia wyrobu głównego bez opakowań 1,62 17 Opakowania bezpośrednie
worki papierowe 25 kg
Szt/t 40 1,00 0,04
18 Koszt wytworzenia wyrobu głównego 1,66
19 Koszty ogólno administracyjne % - 3 0,05
20 Fabryczny koszt wytworzenia 1,71
21 Koszt własny 1 kg 1,71
Podsumowanie
Wyniki prób i testów, prowadzonych w skali laboratoryjnej i przemysłowej umożliwiły opracowanie koncepcji technologicznej produkcji plazmy i hemoglobiny z krwi zwierzęcej. Bilanse mate-
riałowe pozwoliły określić wskaźniki procesu produkcji suszonej plazmy i hemoglobiny. Sporządzone kalkulacje kosztów produkcji pozwalają stwierdzić opłacalność tych produkcji przy oszacowa- nych nakładach inwestycyjnych.
Literatura
Cholewa J., Bajcer T., Klamecki G., Klamecka A., Kowalski Z.:
1. Projekt
badawczo – rozwojowy. Modelowe rozwiązania gospodarki odpadami mię- snymi z wykorzystaniem czystszych technologii. Badania w skali ćwierć- technicznej i półtechnicznej otrzymywania suszonej plazmy i suszonych krwinek na bazie krwi zwierzęcej. Politechnika Krakowska 2007 (praca nie publikowana).
Ockerman H.W., Hansen C.L.:
2. Animal By-Product Processing & Utiliza-
tion. CRC Press LLC, 2000.
Olszewski A.:
3. Technologia przetwórstwa mięsa. WNT, Warszawa 2002.
Pezacki W.:
4. Przetwarzanie niejadalnych surowców rzeźnych. PWN, War- szawa 1987.
PN – 64/A – 85701:
5. Krew zwierząt rzeźnych i jej pochodne.
Konopka M., Kowalski Z., Cholewa J., Bajcer T.:
6. Baktofugacja i technika
membranowa używana do redukcji mikroflory w plaźmie krwi. Czasopismo Techniczne Politechniki Krakowskiej, z.1-Ch/2007, 59-66.
Dailloux S., Djelveh G., Peyron A., Oulion C.:
7. Rheological behaviour of
blood plasmas concentrated by ultrafiltration and by evaporation in relation to liquid-gel transition temperature. Journal of Food Engineering 2002, 55, 35-39.
Konopka M., Kowalski Z., Cholewa J.:
8. Decolorization of protein hydro-
lysates from deproteinase of bone waste with use of hydrogen peroxide.
Chemistry and Biochemistry in the Agricultural production, Environmental Protection, Human and Animal Health. Chemistry for Agriculture. Czech- Pol Trade, Jesenik, Czech Republic 2006, 7, 742-749.
Konopka M., Kowalski Z., Fela K., Klamecka A., Cholewa J.:
9. Otrzymywa-
nie plazmy metoda wirowania krwi – charakterystyka procesu. Czasopismo Techniczne Politechniki Krakowskiej, z.1-Ch/2007, 67-74.
Torres M.R., Marin F.R., Ramos A.J., Soriano E.:
10. Study of operating condi-
tions in concentration of chicken blood plasma proteins by ultrafiltration.
Journal of Food Engineering 2002, 54, 215-219.
Moure F., Rendueles M., Diaz M.:
11. Coupling process for plasma protein
fractionation using ethanol precipitation and ion exchange chromatogra- phy. Meat Science 2003, 64, 391-398.
Materiały informacyjne firmy Niro Inc.: http://www.niroinc.com.
12.
Materiały Informacyjne firmy APC Europe, 2006.
13.
Prof. dr hab. inż. Zygmunt KOWALSKI, profesor zwyczajny Politechni- ki Krakowskiej, w 1969 r. ukończył studia na Wydziale Matematyki, Fizyki i Chemii Uniwersytetu Jagiellońskiego. Jest kierownikiem Katedry Technologii Nieorganicznej i Biotechnologii Środowiska i dziekanem Wydziału Inżynierii i Technologii Chemicznej Politechniki Krakowskiej. Specjalność – technologia nieorganiczna i ochrona środowiska.
Mgr inż. Agnieszka MAKARA ukończyła studia na Wydziale Inżynierii i Technologii Chemicznej Politechniki Krakowskiej (2007). Jest doktorantką w Katedrze Technologii Nieorganicznej i Biotechnologii Środowiska tej uczel- ni. Specjalność – technologia chemiczna nieorganiczna.
Dr inż. Marcin BANACH ukończył studia na Wydziale Inżynierii i Tech- nologii Chemicznej Politechniki Krakowskiej (2006). Jest adiunktem na tej uczelni. Specjalność – technologia chemiczna nieorganiczna.
Blood plasma and hemoglobin production process
Zygmunt KOWALSKI, Agnieszka MAKARA, Marcin BANACH – Institute of Inorganic Chemistry and Technology, Cracow University of Technology, Cracow
Please cite as: CHEMIK 2011, 65, 5, 466-475
Introduction
Blood is a product extremely susceptible to external factors, which has a negative impact on its processing and application potentials. One of the most important operations affecting its quality is the collection method. Blood can be collected by inserting a tubular knife into the aorta of an animal subjected to general anesthesia. Blood is drained from the knife into a container. During blood collection process the tubular knife is provided with anticoagulant solution, typically sodium citrate. Then, the blood is cooled down and stored at 0-3°C. Hemolysis can be avoided by careful mechanical treatment during transportation and minimizing water addition [1÷4]. To confirm whether the blood is suitable for plasma production it is necessary to perform a blood centrifugation test using a lab centrifuge. The blood should be separated into layers, amber and slightly pink plasma and hemoglobin. The raw material is not suitable for further processing, if it does not divide into layers, or if the plasma layer is red.
When maintaining proper hygiene, the amount of bacteria in the collected blood should be <2000/ml of overall organism count and should be maintained at this level within a few days of storage at 2-3°C.
If hygienic standards are observed, blood can contain even > 2.5x105 bacteria per 1 ml. This level can rise abruptly during storage and transportation. Once the blood centrifugation is complete, about 20-25% bacteria remains in plasma, while the blood cell fraction contains 75-80%. Therefore, the blood plasma should contain a relatively low number of bacteria (Tab.1), i.e. approx. 1000 per 1 ml of plasma. [1, 3, 5]. Centrifuged plasma is frozen or dried.
In most cases, prior to drying plasma is concentrated by evaporation or membrane filtration [6, 7]. As a result of concentrated plasma spray drying process dried blood plasma containing 96.4% proteins and 2.5%
water is obtained. The erythrocyte fraction contains 38% dry matter after drying and can be dried without being concentrated. To avoid any changes in plasma color it is necessary to apply spray dryers separate for erythrocytes and plasma.
This paper presents a concept for plasma and hemoglobin production process using animal blood, and developed on the basis of trials and tests performed both on a lab and industrial scale [1,2].
Final blood supply from abattoirs [1] amounts to ~9.4 tons per day (2,300 tons per year).
Table 1 Characteristics of raw materials, semi-products and products
Raw materials,
semi-products, products Form/property Composition/requirements
Animal blood
- Blood density:
- bovine 1060 kg/dm3 - pig’s 1040 kg/m3 - Storage temperature 0-3oC
- Contains: solids 19-20%, liquids 80-81%
- Foreign bodies: free from clots and foreign bodies - Overall number of bacteria: not more than 1x104 /g - Number of E. Coli bacteria – absent
Trisodium citrate (mono- or dihydrate, anti-coagulant)
- Available in the following forms - Form: granular white powder - Density: 1.665 kg/dm3
- Organoleptic properties: salty taste, slightly sour, cooling, odorless - Hygroscopic, easily soluble in water (43% w/v)
- Temperatures: melting point 150°C, decomposition point 175°C
- pH 5% solution – 7.5-9.0
- Strong buffering properties within pH 2.5-6.5 - Composition: main ingredient 87.5-88.0%
- ash <0.05 % - humidity <0.5%
Pork blood plasma solution - Form: liquid with color ranging from yellow to light pink - Density: ~1.030 kg/dm3
- Odor: neutral
- Composition: solids 9%, humidity 91%
- Chemical composition [%]: protein ≥7.0; fat ≤0.3 fibrin ≤0.15; ash ≤7.0; Na ≤0.6; K ≤0.06; Ca ≤0.015 P ≤0.015; Cl ≤0.3; Fe ≤5ppm
Erythrocyte solution (hemo- globin)
- Form: liquid with color ranging from red to brown - Density: ~1.080 kg/dm3
- Odor: neutral
- Composition: solids ~ 38%, humidity ~62%
- Chemical composition [%]: protein ≥37.0; fat ≤1.0; fibrin ≤0.15; ash ≤7.0; Na ≤3.0; K ≤0.3; Ca ≤0.08; P ≤0.08;
Cl ≤1.5; Fe ≤25ppm.
Dried pork plasma
- Form: loose powder cream to light beige-colored - Density: 0.60 – 0.65 kg/dm3
- Odor: neutral - Solubility in water: 88%
- Chemical composition [%]: proteins ≥70.0; fat ≤2.0 humidity ≤10; fibrin ≤0.3; ash ≤14.0; Na ≤6.0 K ≤0.6; Ca ≤0.15; P≤0.15; Cl ≤3.0; Fe ≤50ppm
- Typical amino acid composition [%]: alanine 3.8 arginine 4.2; aspartic acid 7.1; cystine 2.5; glutamic acid 10.6; glycine 2.7; histidine 2.5;
isoleucine 2.6; leucine 7.0; lysine 6.1; methionine 0.6; phenyloalanine 4.1; proline 11.5; serine 4.2; threonine 4.3; tryptophan 1.2; tyrosine 3.3, valine 4.8
Dried hemoglobin (dried blood red cells)
- Form: loose, dark brown powder - Density: 0.60 – 0.65 kg/dm3 - Odor: neutral,
- Solubility in water: 80%
- Chemical composition [%]: proteins ≥90.0; humidity ≤10.0;
fat ≤2.0; fibrin ≤0.5; ash ≤3.0; Na ≤0,8; K≤0.25 Ca ≤0.02; P ≤0.09; Cl ≤1.4; Fe ≤2700 ppm.
- Typical amino acid composition [%]: alanine 7.6; arginine 4.0;
aspartic acid 11.4; cystine 0.6; glutamic acid 8.7; glycine 4.7; histidine 7.5; leucine 13.4
lysine 9.0; methionine 0.8; phenyloalanine 7.1;
serine 4.4 threonine 3.6; tryptophan 1.2; tyrosine 2.2; valine 9.2.
science • technique
Process schematic diagram
The production process method as well as devices and equipment selected for the production line depend on the range and the quality of products. For hemoglobin and plasma it is possible to obtain liquid and dried products. In the case of plasma it can be dried in the following ways:
Version I – producing dried plasma (chemically decolorized, with
•
no initial plasma concentration) and dried hemoglobin
Version II - producing dried plasma (chemically decolorized, with
•
initial plasma concentration) and dried hemoglobin.
Figure 1 presents a schematic diagram of production process according to Version II, where centrifuged plasma is decolorized, then concentrated and dried.
Blood normally used as food is supplied from abattoirs in food contact plastic containers with a volume of 1m3. The raw material that meets bacteriological requirements is treated with an appropriate amount of anticoagulant and transported in a refrigerated truck at 3-5°C. Containers are stored in a room at a temperature ranging also from 3 to 5°C. Blood from the container is sucked by a membrane pump and carried from the bottom to a disk-type centrifuge. The centrifuge rotating at 700 rpm separates blood into plasma and hemoglobin, then carries them to buffering containers with a volume of 0.5 m3, where they are pumped periodically to plasma and hemoglobin storage tanks (5 m3 each). Plasma from the storage tank is pumped to a reactor where in sequence appropriate amounts of the following substances are added: hydrochloric acid (2.5%), hydrogen peroxide (10%) and sodium hydroxide (4m) [8].
Under those conditions plasma decolorizes reaching the color of straw and is conveyed to the microfiltration system, where it is concentrated from 9 to approx. 20% dry matter content. The concentrated plasma and hemoglobin are alternatively delivered to a spray dryer with a pseudo fluidized bed created by using dextrose balls.
Physical/chemical foundations of the process Preparing and dosing a solution of sodium citrate
The sodium citrate solution (20%) can be prepared by dissolving citrate salt in warm water (40-60°C). At the moment of blood collection the citrate sodium solution must be added immediately to protect blood from any contact with air prior to anti-coagulant addition. The consumption of 20% sodium citrate is 50 dm3/1000 liter of blood.
Blood refrigeration, storage and transportation
Animal blood used for food purposes at the moment of collection has a temperature ranging from 36 to 40°C. It should be refrigerated
rapidly to 2-3°C and stored at 0-3°C, to provide its good quality within at least 3 days. Storage tank and pumping systems must be cleaned and disinfected periodically to meet the CIP requirements. Animal blood used for food purposes is transported in containers made of food contact plastic in refrigerated and thermally insulated trucks to keep the raw material temperature up to 3°C. Then, the containers are stored at warehouses with a temperature of up to 3°C.
Separating blood into plasma and hemoglobin
The most popular method for separating blood into plasma (amber-colored) and red hemoglobin (erythrocyte slurry) is centrifugation [1,9]. The density of blood cells (~1.080 kg/dm3) is higher by about 0.046-0.073 g/cm than the density of plasma (~1.030 kg/dm3). As a result of centrifugation we obtain on average 55-60% of slightly colored plasma (serum), whereas the remaining part contains erythrocyte slurry. Blood used for food purposes is subject to centrifugation at 3-5°C. It is extremely important to set an appropriate separator’s speed (rpm) while centrifuging blood.
Excessive centrifugal force results in hemolysis to blood cells being separated, while setting centrifugal force too low results in failure to separate blood into desired fractions.
During centrifugation some interference can occur that will make it impossible to separate plasma from erythrocyte slurry properly. The most serious problem here may be hemolysis caused by accidental post-abattoir blood contamination by water, blood contamination by animal saliva in abattoirs, the activity of enzymes or microorganisms, beginning of balancing diffusion processes [9÷11]. It is pointless to centrifuge hemolyzed blood as it results in producing colored plasma.
Blood plasma and hemoglobin separated in the centrifuge are stored in separate tanks at 0-3°C. It extends its life up to 3 days. Storage tanks, pumping system and means of transportation should be cleaned and disinfected periodically to meet the CIP requirements. Plasma and hemoglobin buffering tanks are usually made of acid-resistant steel intended for food contact.
Drying blood plasma and hemoglobin
Plasma was dried using BallTec dryer manufactured by Anicet [1]
at 55°C (under those conditions plasma properties do not change).
Concentrating and drying plasma as well as its heat treatment at higher temperatures result in protein denaturation. Nevertheless, the extremely short period of plasma solution exposure to temperatures reaching even 200°C, under the conditions of BallTec dryer, allows us to provide powdered product featuring desired properies. Hemoglobin is dried in a separate fluidized spray dryer [12, 13].
Packaging dried plasma and hemoglobin
Dried plasma and hemoglobin (at ~50°C) are packaged in 25 kg paper valve bags.
Process Parameters Road transportation:
Temperature of blood carried: 3°C, container volume: 1m
• 3
Blood unloading:
Anti-foam pump, capacity 20 m
• 3/h, blood temperature 3oC
Blood storage in containers:
coolant temperature (glycol) 0-3°C, blood temperature 2-3°C
•
volume per container: 1m
• 3.
Blood separation:
separator’s capacity: 1,500 dm
• 3/h
blood temperature: 2-3°C.
•
Plasma solution storage:
volume of buffering tanks 5m
• 3, temperature of media in tanks: 2-3°C
plasma pump capacity 12 m
• 3/h, pressure 1.5 bar, power 1.1 kW.
Fig. 1. Schematic diagram for producing 1 ton of plasma from animal blood (with chemical decolorization and initial concentration
of plasma solution)
science • technique
Hemoglobin solution storage:
volume of buffering tan ks 5 m
• 3, temperature of media in
tanks 3-5°C
plasma pump capacity 12 m
• 3/h.
Drying plasma in BallTec spray dryer
inlet air temperature: 80 - 98°C, outlet air temperature: 38 - 45°C
•
water evaporation capacity: 300 kg/h
•
dried plasma density: 0.60 – 0.65 kg/dm
• 3
compressed air flow: 10 Nm
• 3/h; drying surface: 300 m2.
Drying hemoglobin in a fuidized spray dryer
inlet air temperature: 120°C, outlet air temperature: 40°C
•
water evaporation capacity: 100 kg/h.
•
Material balance
Material balances (Tab. 2) have been prepared for dried plasma production (chemically decolorized, initially concentrated plasma) and dried hemoglobin. The weight of blood processed was 2,328 tons per year (9,24 t/day; 0.578 t/h) at a plant operation time of 252 days/year (24 h/d, 604 h/year).
The dried plasma and hemoglobin production line is expected to consume the following energy media: steam (7 bar), electric power, cold and hot water. Steam will be used to heat the air to dry plasma and hemoglobin in a dryer. The steam consumption has been estimated at 11.5 GJ/t of plasma powder. Hot water will be used to clean the plant. It has been assumed that its consumption will reach 2 m3/t of blood. Cold water will be used to cool the vapor condensing system in the dryer (at the amount of 1 m3/t) of blood. The daily water consumption can be estimated at 20 m3. Electric power consumption has been estimated at 2 078 kWh/t plasma powder [1].
Table 2 Mass balance for plasma production
(chemical decolorization and concentration)
Listing
Composition, % Weight
Solids Pro-
teins Water kg/t t/h t/d t/year
I. PREPARING INGREDIENTS Comes in
1. Trisodium citrate
(anticoagulant) 20.00 0.00 80.00 699 0.019 0.462 116 2. Fresh blood 18.05 16.90 81.95 13 986 0.385 9.240 2 328
TOTAL 18.14 16.10 81.86 14 685 0.404 9.702 2 445 Goes out
1. Blood to be pro-
cessed (to position II) 18.14 16.10 81.86 14 685 0.404 9.702 2 445 II. PLASMA CENTRIFUGATION
Comes in 1. Blood to be pro-
cessed (from position I) 18.14 16.10 81.86 14 685 0.404 9.702 2 445
Goes out 1. Plasma solution (to
position III) 9.00 7.65 91.00 9 692 0.267 6.403 1 614
2. Erythrocyte slurry 35.89 32.49 62.00 4 993 0.137 3.299 831 TOTAL 18.14 16.10 81.14 14 685 0.404 9.702 2 445
III. PLASMA DECOLORIZATION Comes in
1. Plasma solution
(from position II) 9.00 7.65 91.00 9 692 0.267 6.403 1 614 2. Hydrochloric acid
2.5% 0.00 0.00 100.00 2 119 0.058 1.400 353
3. Hydrogen peroxide
10% 0.00 0.00 100.00 194 0.005 0.128 32 4. Sodium hydroxide
4 m 15.37 0.00 84.63 493 0.014 0.326 82
CAPITALS 7.59 5.93 92.41 12 498 0.344 8.257 2 081 Goes out
1. Decolorized plasma
solution (to position IV) 7.59 5.93 92.41 12 498 0.344 8.257 2 081 IV. PLASMA CONCENTRATION
Comes in 1. Decolorized plasma
solution 7.59 5.93 92.41 12 498 0.344 8.257 2 081
Goes out 1. Plasma concentrate
(from position IV) 20.10 15.71 79.90 4 717 0.130 3.116 785
2. Vapors 0.00 0.00 100.00 7 781 0.214 5.141 1 295
TOTAL 7.59 5.93 92.41 12 498 0.344 8.257 2 081
V. SPRAY DRYING OF PLASMA
Comes in 1. Concentrated plasma
solution (from pos. IV) 20.10 15.71 79.90 4 717 0.130 3.116 785
Goes out
1. Plasma dust 94.81 74.13 5.19 1 000 0.028 0.661 166
2. Vapors 0.00 0.00 100.00 3 717 0.102 2.456 619
TOTAL 20.10 15.71 79.90 4 717 0.130 3.116 785
IV. SPRAY DRYING OF HEMOGLOBIN Comes in
1. Hemoglobin solution
(from position II) 35.89 32.49 62.00 4 993 0.137 3.299 831 Goes out
1. Hemoglobin dust 94.34 85.41 5.66 1 900 0.052 1.255 316
2. Vapors 0.00 0.00 100.00 3 093 0.085 2.044 515
TOTAL 35.89 32.49 64.11 4 993 0.137 3.299 831
science • technique
Guidelines for technical design and environmental protection problems
Equipment and devices installed within the plasma and hemoglobin production line must be made of food contact materials. Part of the equipment should operate in rooms at a temperature not exceeding 3°C. They include: centrifuge supply pump, centrifuge, plasma and hemoglobin buffering tanks including their pumps, hemoglobin storage tank including its pump, storage tank including its pump and product warehouse (dried plasma, hemoglobin) [1]. Remaining devices and equipment installed within the production line can operate at room temperature.
Plasma and hemoglobin solution tanks are equipped with independent cooling systems. In the plasma production process, water is used to clean tanks and cooling condensate remained after drying. Blood can be carried only by anti-foam pumps (e.g. membrane, peristaltic pumps). Blood must not be transported by impeller pumps.
All devices and equipment must allow for cleaning and disinfecting to meet CIP system requirements.
Some equipment must be interlocked and fitted with level sensors/probes. They include: buffering tanks after the centrifuge (automatic starting up/shutting down pumps depending on the liquid level), plasma and hemoglobin buffering storage tanks (they stop the separator’s operation once a pre-set level is reached). All rinse water and wastewater will be delivered directly to a sewage system, and then to a sewage treatment plant.
The plasma production line will not generate any solid waste.
Dryer dust extraction systems are used to remove dust from vapors to maintain dust emission within valid standards. It will be provided by a cyclone dust collectors and bag filters installed within the dryer as well as exhaust gas collection system fitted in the hemoglobin fluidized spray dryer. The content of plasma powder in the outlet air going out of plasma and hemoglobin fluidized spray dryer will be 15-30 mg/m3. The plant will not emit any harmful gases. The only medium emitted to the environment will be water vapor. During the plasma production line operation 20-40 m3 wastewater per day will be generated after cleaning and cooling tanks. This wastewater will be delivered to a local „in-house” sewage treatment plant.
It is estimated that the wastewater will contain up to 2-3 dm3 blood per 1000 dm3 of sewage. The blood will come from cleaning plasma and system equipment.
Initial production cost calculations
The data [1] show that overall plant costs will amount to 3,739 million PLN. Particular process lines include: plasma and hemoglobin separation section, plasma decolorization section, microfiltration section (initial plasma concentration), plasma and hemoglobin drying section.
The Plasma Production Line will need 2 employees per shift. The necessary operation time will be 264 days/year x 2 employees/shift x 8 h/shift = 12 672 man-hours per year, which means that ~8 persons in blue collar positions and 1 manager should be employed. The raw material and energy consumptions values have been provided (based upon data [1]) in Tables 3 and 4, to present the cost estimates for plasma and hemoglobin production. The calculations assume that hemoglobin powder is a by-product and its production was charged only with costs of drying (steam), electric power, analyses, environmental protection, work safety, 50% plant amortization and repair costs, 50% of labor costs. All remaining costs have been included in the plasma powder production costs.
The market prices of dried plasma vary considerably and, in the case of adding it to food products, range from 7.5 to 60 PLN per 1 kg.
The price of hemoglobin used as feed amount to approx. 11 PLN/kg [1]
on the Polish market. Considering the above-mentioned the production can be very profitable.
Table 3 Initial cost estimate for plasma production (Version II) Production volume assumed t/year 166 Investment outlays assumed PLN 3,739,000
Rate of return % 10.0
No. Calculation item Unit
Con- sump-
tion
Price PLN
Cost PLN/kg
1 Direct materials 5.75
Animal blood + anti-coagulant
t/t
15 882 350.00 5.56
Hydrogen peroxide 100% 0.019 800.00 0.02
Hydrochloric acid 36% 0.148 500.00 0.07
Sodium hydroxide 50% 0.120 800.00 0.10
2 Purchase costs 1,60
Animal blood + anti-coagulant
t/t
15 882 100.00 1.59
Hydrogen peroxide 100% 0.019 50.00 0.00
Hydrochloric acid36% 0.148 50.00 0.01
Sodium hydroxide 50% 0.120 50.00 0.01
3 Overall material costs 7.35
4 Process energy 1.56
Steam GJ/t 11.5 70.00 0.81
Electric power kWh/t 2 078 0.30 0.62
Industrial water m3/t 45 3.00 0.14
5 Direct pays 0.72
6 Overall indirect costs 9.63
7 Performing chemical analyses (reagents, equipment, pays) 0.12 8 Industrial fees for using the environment 0.12
9 Variable line costs 9.87
10 Machinery and equipment maintenance costs, including: 1.18
- repairs and maintenance 0.06
- amortization 1.13
11 Full costs of production in the plant 11.06
12 Upkeep and human resources management costs, including work
safety expenses 0.12
13 General production process management 0.14
- technical supervisors pays 0.14
14 Full net manufacturing costs for the plant 11.31
15 Collected for further processing 11.31
16 Main product production cost (without packaging) 11.31 17 Direct packaging paper bags 25 kg pieces/ton 40 1.00 0.04
18 Main product production cost 11.35
19 General/administration costs % - 3 0.34
20 Factory production cost 11.69
21 Own costs per 1 kg 11.69
