Введение к работе
Актуальность работы. Производство ферментных препаратов занимает приоритетные позиции в развитии микробиологической промышленности. Растет объем и ассортимент производимых на мировом рынке фермеїггньїх препаратов. В настоящее время согласно принятой классификации и номенклатуре ндеитифицировано около двух тысяч ферментов.
Наибольший удельный вес среди них имеют протеолитические ферменты, обладающие способностью гидролизовать белки, что особо актуально в связи с создавшимся дефицитом пищевого и кормового белка. Протеолитические фермеїггьі нашли широкое применение в различных отраслях промышлешюсти, сельском хозяйстве и медицине.
Развитие ферментной промышленности связано с решением основных вопросов эффективности производства. Наряду с важностью задач получения высокопродуктивных штаммов микроорганизмов, разработкой устройств и способов биосинтеза и выделения фермеїггов, не менее существенным яа\яется решение проблем их концентрирования и сушки.
Получаемая после культивирования микроорганизмов культуральная жидкость, содержит ферменты с низкой концеїгграцией, минеральные вещества, соли и балластные вещества. Поэтому последующие этапы концеїприрование и сушка должны учіпьівать такие свойства протеолитических фермеїггов, как чувствительность к изменению ионной силы и рН, к увеличению коїшентрации минеральных веществ и солей, а также к воздействию экстремальных температур.
Всем этим требованиям наиболее полно удовлетворяют такие способы обезвоживания как ультрафильтрация и сублимационная сушка.
Ультрафильтрационное концентрирование протекает без фазовых превращений, без подвода тепла, что позволяет уберечь ферменты от тепловой инактивации. Однако этот способ концентрирования обладает существенным недостатком - возникновением явления концентрационной поляризации. Поэтому основным направлением совершенствования аппаратов для ультрафильтрации является создание конструкций, позволяющих избежать повышения концентрации растворенного вещества у поверхности мембраны.
Сублимационная сушка является самым качественным способом окончательного обезвоживания ферментных препаратов с точки зрения сохранения и стабилизации их активности, обусловленным отсутствием действия высоких температур нагрева.
Поэтому сублимационное высушивание стало неотъемлемым этапом технологии производства ферментных препаратов. Несмотря на высокое качество продуктов получаемых методом сублимации, резервы этого способа обезвоживания используются далеко не полностью из за ряда недостатков, основными из которых являются: большая длительность и энергоемкость процесса.
Отсюда следует, что основными направлениями повышения экономической эффективности сублимационного обезвоживания являются: предварительная подготовка культуральной жидкости, то есть освобождение от балластных веществ и части влаги и совершенствование способов и оборудования сублимационной сушки путем перехода от периодического ведения процесса к непрерывному с использованием испарительного замораживания.
Цель работы. Целью диссертационной работы является повышение эффективности двухстадийного обезвоживания с использованием ультрафильтрации и сублимационной сушки путем определєшія рациональных режимов обсзвоживаїшя и разработки
высокоэффективных установок для ультрафильтрации и сублимациошюй сушки.
В соответствии с поставленной целью предусматривалось решить следующие задачи: изучить характеристики и свойства ядерных ультрафильтрациоимх мембран; изучить влияние различных факторов на процесс ультрафильтрационного концентрирования ферментного препарата из культуры Penicillium wortmanii BKMF 2091; исследовать изменения минерального состава и физико-химических свойств ферментного препарата в процессе ультра- и диафильтрации; разработать конструкции установок для ультрафильтрации; исследовать процесс ультрафильтрации в аппарате с вращающимся элементом; исследовать процесс сушки с деструкцией высохшего слоя и с использованием самозамораживания; разработать оборудование для обеспечения сублимациошюй сушки; исследовать способ обезвоживания ферментного препарата с использованием ультрафильтрации и сублимационной сушки в одном цикле; разработать математическую модель двухсгадийного обезвоживания.
Научная новизна. Впервые исследовано изменение минерального состава ферментного препарата из культуры Penicillium wortmanii BKMF 2091, его физико-химических и теплофизических свойств в процессе ультра- диафильтрации. Выявлены закономерности влияния различных факторов на процесс ультрафильтрации и определены различные режимы ведения процесса.
В результате экспериментальных исследований получены кинетические закономерности сублимационной сушки с деструкцией высохшего слоя фермента и одновременным испарительным замораживанием, а также для сушки ультра- диафильтрации концентратов с различным содержанием сухих веществ.
Разработаны высокоэффективные оригинальные способы и установки для ультрафильтрации и сублимациошюй сушки; предложен
способ автоматического регулирования процесса двухстадийного обезвоживания, новизна которых защищена в 4 авторских свидетельствах, 11 патентах и 5 положительных решениях Комитета Российской Федерации по патентам и товарным знакам.
Разработана математическая модель процесса обезвоживания с использованием ультрафильтрации и сублимационной сушки, позволяющая рассчитать основные технологические показатели процесса.
Практическая цениость.Разработанные рациональные режимы обезвоживания с использованием ультрафильтрационного разделения и сублимационной сушки позволяют обеспечить высокую интенсивность процесса, снизить до минимума энергозатраты при обеспечении высоких качественных показателей ферментного препарата.
Разработанный мембранный аппарат для ультрафильтрации с вращающимся фильтрующим элементом и внедренный на мясокомбинате "Воронежский", позволяет снизить концентрационную поляризацию до минимума, ограничив при этом инактивацию фермента тонким примембранным слоем. Принятие в эксплуатацию в Воронежском технологическом институте способа и установки сублимационной сушилки позволяет повысить ее эффективность и снизить энергозатраты за счет использования деструкции высохшего слоя ферментного препарата и испарительного его замораживания. Общий экономический эффект от внедрения новых высокоэффективных установок для двухстадийного обезвоживания ферментных препаратов на предприятиях отрасли составил 6.5 млн руб. в ценах 1993 г.
Разработки автора демонстрировались во Всероссийском Выставочном Центре (две медали лауреата и диплом почета ВВЦ) п Политехническом музее г.Москвы (сертификат музея). Автор за разработки награжден дипломом лауреата премии администрации 4
Воронежской области для молодых ученых за 1993г., свидетельством .конкурса "Молодые дарования" 1992г., а также присуждена государственная научная стипендия їй основании Указа Президента Российской Федерации от 16 сентября 1993 года.
Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на отчетных научных конференциях Воронежского технологического института с 1989 по 1994 гг, на Всесоюзных межреспубликанских конференциях и семинарах (Казань -1989, Пущино -1990, Москва -1990, Одесса -1991, Ленинград -1991, Алушта -1991. Москва -1991, Киев -1991, Кемерово - 1991, Краснодар - 1992, Пенза - 1993, Краснодар -1993).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 47 работ, в
том числе получено 4 авторских свидетельства, 11 патентов и: 5
положительных решений Роспатента.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения,
четырех глав, основных выводов, списка литературы и приложений.
Работа изложена на 193 страницах машинописного текста, содержит
44 рисунка и 8 таблиц. Список литературы включает 168
наименований, в том числе 23 иностранных. Приложения к диссертации представлены на 24 страницах.