Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Аналитический обзор 10
1.1. Способы разделения водных гетерогенных систем 10
1.2. Классификация процессов поверхностного разделения. Флотция 14
1.3. Влияние основных физико-химических параметров газо-жидкостной системы на эффективность процесса 18
1.4. Аппаратурное оформление промышленных флотационных процессов 22
1.5. Области промышленного применения пенной флотации. 28
Глава 2. Постановка задачи, изучаемые объекты, и методы исследования 32
2.1. Структурная схема исследований 32
2.2. Характеристика объектов разделения 33
2.2.1. Смывные воды молокоперерабатывающих предприятий 33
2.2.2. Молочная сыворотка 37
2.2.3. Катионный полиэлектролит ВПК- 402 43
2.3. Методика проведения эксперимента и факторы, влияющие на результат поверхностного разделения 45
2.4. Описание экспериментальной установки 47
2.5. Методы исследования 49
Глава 3. Исследование процесса флотационного разделения белоксодержащих жидких систем 51
3.1 Предварительная подготовка объектов исследования для флотационного разделения 51
3.2. Исследование закономерностей электрофлотационного разделения водных белоксодержащих систем 62
3.3. Математическое описание процесса флотации 77
Глава 4. Характеристика физико-химических и технологических свойств пенного продукта 85
4.1. Основные физико-химические свойства пены и пенного продукта, полученных методом электрофлотации 85
4.2. Исследование аминокислотного состава пенного концентрата ..90
4.3. Токсикометрическая оценка пенного концентрата, включающего комплекс белок - катионный полиэлектролит 94
Глава 5. Практические рекомендации по электрофлотационному выделению белков молока и молочной сыворотки 97
5.1. Разработка проектов технологических регламентов выделения белков из водных гетерогенных систем методом электрофлотации.. 97
5.2. Конструктивное оформление процесса электрофлотации 100
5.3. Рекомендации по практическому внедрению полученных результатов 103
5.4. Расчет срока окупаемости реализуемого проекта 105
5.5. Применение пенного концентрата подсырной сыворотки в качестве кормовой добавки для животных ПО
5.6. Исследование коагуляционной активности белкового концентрата, полученного методом электрофлотации, в отношении латексов 115
Выводы 117
Литература 119
Приложения 130
- Классификация процессов поверхностного разделения. Флотция
- Характеристика объектов разделения
- Исследование закономерностей электрофлотационного разделения водных белоксодержащих систем
- Исследование аминокислотного состава пенного концентрата
Введение к работе
Сбросы пищевых производств загрязняют окружающую среду, поскольку при переработке пищевого сырья участвуют вода и воздух. Пищепе-рерабатывающие предприятия ухудшают экологическую обстановку, несмотря на то, что они непосредственно не производят и не используют токсичные вещества.
Во многих странах мира уделяется серьезное внимание проблеме очистки сточных вод молочного производства в связи с высокой концентрацией содержащихся в них органических веществ. Сточные воды молокоперераба-тывающих предприятий представляют собой многокомпонентную дисперсную систему, содержащую белки, жиры, углеводы. Белки молока и молочной сыворотки являются наиболее универсальным и ценным источником аминокислот. Однако, попадая в сточные воды молокоперерабатывающих предприятий, белки делают их опасными для окружающей среды вследствие потребления значительных количеств кислорода при окислении. Наиболее концентрированной частью сточных вод молочного производства являются смывные воды, образующиеся при первом ополаскивании оборудования и содержащие остатки молочной продукции.
Первичная механическая очистка сточных вод предприятий молочной промышленности включает отстаивание, фильтрование, центрифугирование, вторичная - биологическая очистка, основана на использовании закономерностей биохимического и физиологического самоочищения водоемов. Традиционно применяемые методы извлечения белков дороги, мало эффективны, не обеспечивают соблюдения требуемых стандартов по качеству воды и занимают значительные производственные площади.
Повышение эффективности разделения суспензий возможно физико-химическими методами- электрофлотацией, коагуляцией, флокуляцией. Разработка научных основ очистки сточных вод пищевых предприятий- акту-
5 альная задача, позволяющая решать вопросы охраны окружающей среды и утилизации содержащихся в воде ценных продуктов.
Актуальность проблем промышленной экологии, связанных с организацией высокоэффективной очистки промышленных стоков от биоорганических высокомолекулярных соединений подтверждена заключением Главного управления природных ресурсов и охраны окружающей среды МПР России по Воронежской области (Приложение 1)
По данным Международной молочной федерации до 50 % мирового объема молочной сыворотки направляется в канализацию. Известно, что для окисления 1 л сыворотки необходимо 50 г кислорода, что более чем в 10 раз превышает этот показатель для бытовых сточных вод.
Вместе с тем, в настоящее время становятся все более актуальными вопросы снабжения населения белковыми продуктами питания. При остром дефиците животного белка в питании человека на Земле имеются значительные запасы белкового сырья, которое используется нерационально. К таким источникам запасов относятся вторичные сырьевые ресурсы молочной промышленности. Особая роль в решении указанных вопросов отводится молочной сыворотке, содержащей около 200 ценных компонентов молока.
Высокая биологическая и пищевая ценность белков молочной сыворотки обуславливает целесообразность их выделения и использования в виде пищевых продуктов для непосредственного употребления или в качестве полуфабрикатов с целью обогащения различных продуктов питания и кормов для сельскохозяйственных животных.
Несмотря на большое разнообразие способов выделения белковых компонентов из молочной сыворотки эта проблема остается актуальной и требует разработки новых, более эффективных и менее энергоемких методов.
Теоретические и практические аспекты флотационного разделения белковых систем исследовались в работах А.И. Русанова, В.Г. Левича, В.Н. Измайловой, Б.М. Матова, Г.Л. Генцлера. Однако подробное исследование
таких процессов в отношении белков молока и молочной сыворотки не проводилось.
Цель диссертационной работы: разработка научно обоснованных путей повышения эффективности процесса извлечения белковых веществ из водных гетерогенных систем, в том числе, из промышленных стоков молочного производства и из сыворотки электрофлотацией с применением коагуляции и флокуляции.
Научная новизна:
установлены кинетические закономерности процесса электрофлотационного выделения белков молочного происхождения из водных растворов;
интерпретирован механизм процесса массоотдачи в системе межфазная поверхность - жидкая фаза при электрофлотационной обработке водных систем, содержащих белок и белок - полиэлектролитный комплекс;
изучены закономерности процесса электрофлотации белоксодержа-щих растворов, позволяющие направленно регулировать аминокислотный состав пенного продукта;
разработана математическая модель нестационарного процесса флотационного выделения белков из водных растворов.
Практическая значимость работы. Разработан способ и определены рабочие параметры извлечения казеина и сывороточных белков из водных гетерогенных систем методом электрофлотационной обработки раствора, подтвержденный положительным решением о выдаче патента РФ. Разработаны практические рекомендации по повышению эффективности процесса очистки сточных вод от белковых загрязнений путем их дестабилизации введением полиэлектролита в раствор перед электрофлотацией. Конкретизированы условия проведения электрофлотации для получения пенного белкового продукта, обогащенного отдельными аминокислотами. На основе токсикомет-рической оценки установлена возможность применения полученного белково-
7 го продукта в кормовых целях. Разработана конструкция электрофлотационного аппарата для выделения белков из сыворотки.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на научных конференциях в Воронежской государственной академии (с 2001 по 2004 г.г.), Международной конференции "Инженерная защита окружающей среды" (Москва, 2002 г.), Международном форуме "Аналитика и аналитики" (Воронеж, 2003 г.), Всероссийской науч.-практич. конф. "Проблемы и перспективы обеспечения продовольственной безопасности регионов России" (Уфа, 2003 г.), VII Всероссийской науч.-технич. конф. "Повышение эффективности средств обработки информации на базе математического моделирования" (Тамбов, 2004 г.).
По материалам диссертации опубликовано 14 печатных работ, в том числе получено положительное решение о выдаче патента РФ.
На защиту выносятся:
новый способ извлечения белковых веществ из водных гетерогенных систем путем электрофлотационной обработки раствора, что подтверждает рабочую гипотезу;
научно обоснованные параметры предварительной дестабилизации белковых компонентов гетерогенных систем катионным полиэлектролитом с целью повышения эффективности процесса электрофлотации;
полученные закономерности влияния температуры и плотности тока на условия массоотдачи в газо-жидкостной системе при электрофлотационном выделении белков;
теоретически обоснованные и экспериментально доказанные значения параметров направленного регулирования аминокислотного состава пенного продукта изменением плотности тока в процессе электрофлотации;
анализ условий, определяющих скорость и равновесное распределение белков между раствором и поверхностным слоем;
математическая модель нестационарного процесса флотационного выделения белков из водных растворов;
новая конструкция электрофлотатора для выделения белков из молочной сыворотки;
предложения по практическому внедрению процесса электрофлотации в молокоперерабатывающее производство.
В первой главе проведен аналитический обзор информационных источников в области процессов разделения водных гетерогенных систем. Подробно рассмотрены теоретические положения и практические аспекты реализации процессов поверхностного разделения. Приведены сведения о современном состоянии аппаратурного оформления флотационных процессов. Выполненный анализ позволил сформулировать вывод о том, что проблема извлечения белковых компонентов из водных гетерогенных систем методом флотационного сепарирования требует теоретического обоснования и проведения экспериментальных исследований. Применение электрофлотации наиболее целесообразно, с точки зрения возможности направленного регулирования размеров газовых пузырьков и формирования условий массоотдачи в газо-жидкостной системе.
Во второй главе приведена структурная схема исследований, дана характеристика объектов разделения, описана лабораторная экспериментальная установка, приведена методика выполнения эксперимента и методы исследований.
В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований процесса электрофлотационного разделения водных белоксодержа-щих систем и проведено их обсуждение. На основе полученных результатов разработана и проверена на адекватность математическая модель нестационарного процесса флотационного выделения белков из водных растворов
В четвертой главе приведена характеристика основных физико-химических свойств пены и пенного продукта, полученных методом электрофлотации.
В пятой главе на основе проведенных исследований представлены рекомендуемые технологические регламенты физико-химической очистки промышленных сточных вод от белковых загрязнений и процесса выделения сывороточных белков из сыворотки. Разработана конструкция электрофлотационного аппарата для выделения белковых компонентов из водных гетерогенных систем. Даны рекомендации по практическому внедрению полученных результатов на предприятиях молочной промышленности. Исследована эффективность применения пенного концентрата подсырной сыворотки в качестве кормовой добавки для животных.
Работа выполнялась в соответствии с тематическим планом по заданию Министерства образования Российской Федерации по теме: "Исследование закономерностей и влияния содержания токсикантов в объектах производственной деятельности на окружающую среду", № гос. per. 01.200.1.186.4.
Классификация процессов поверхностного разделения. Флотция
Процессы поверхностного разделения растворенных веществ и частиц коллоидной степени дисперсности классифицируют по различным признакам: - по выделяемым объектам (ионы электролитов, ПАВ, органические вещества с большой молекулярной массой, коллоидные частицы, микроорганизмы); - по типу частиц, в состав которых концентрируется коллигенд; - по агрегатному состоянию фазы, в которой собираются флотируемые частицы; - по виду взаимодействия собирателя с извлекаемым веществом. Методы поверхностного разделения называют по-разному: в случае извлечения ПАВ- адсорбционной флотацией [27], пенной флотацией, пенным фракционированием, пенной сепарацией или адсорбционным концентрированием [28], а в случае извлечения ионов - ионной флотацией [27], пенной флотацией гидрофобных осадков. Среди этих процессов наиболее известным является пенная флотация.
Различают также масляную и пленочную флотацию. В процессе масляной флотации вместо пены используют эмульсию, и частицы всплывают с капельками масла. При пленочной флотации измельченные частицы высыпаются на непрерывно движущуюся поверхность воды. Хорошо смачиваемые частицы тонут, тогда как плохо смачиваемые остаются на поверхности раздела вода - воздух, и далее снимаются с движущейся поверхности при помощи специальных устройств [29].
Одним из вариантов флотационного способа разделения жидких неоднородных систем является ионная флотация. Для осуществления данного метода применяют собиратели, увеличивающие способность частиц концентрироваться на поверхности раздела фаз. Чаще всего собирателями являются дифильные соединения. Механизм действия таких соединений различен и зависит от вида извлекаемых частиц (ион, белок, коллоидная частица). Собиратель электростатически притягивает ионы к поверхности пузырька или связывает их в координационное или любое другое поверхностно - активное соединение [30].
Как отмечено в работе [1], на эффективность ионной флотации влияет вид собирателя и его концентрация. При превышении концентрации собирателя некоторой критической величины коллоидные электролиты или ионы поверхностно-активного вещества образовывают в водных растворах мицеллы. В результате этого адсорбция на поверхности раздела вода-воздух резко уменьшается или совсем отсутствует. Поверхность мицеллы в растворе притягивает противоположно заряженные ионы. Это явление носит название со-любилизация. Оно препятствует процессу ионной флотации, поскольку ионы, адсорбированные на поверхности мицелл, не могут быть извлечены из раствора. В связи с этим, при осуществлении ионной флотации, необходимо исключать возможность образования мицелл. Это достигается путем растворения поверхностно-активных веществ в растворителе, обладающим слабой тенденцией к мицеллообразованию.
Считается [1, 30], что для ионной флотации лучше использовать свежеприготовленные растворы собирателя и извлекаемого вещества. Это связано с тем, что поверхностно- активные вещества являются термодинамически метастабильными системами, изменяющими со временем свои свойства.
На выбор собирателя, его концентрацию и на структуру пены оказывают влияние температура раствора и значение рН.
Эффективность ионной флотации в значительной степени зависит от размера газовых пузырьков и от их концентрации. Высокая дисперсность пузырьков позволяет обеспечить наибольшую площадь поверхности раздела газ- жидкость при одинаковом расходе газа.
Однако, анализ научно-технической литературы показывает, что наиболее широкое распространение получили методы пенной флотации. Эти методы различаются механизмом образования пузырьков газа. В связи с этим различают: механическое диспергирование воздуха в потоке жидкости (им-пеллерная, пневматическая флотация); растворение газов в жидкости под давлением (напорная, вакуумная, эрлифтная); образование пузырьков газа в результате электролиза воды (электрофлотация) [1,31].
Способ импеллерной флотации заключается в интенсивном перемешивании разделяемой смеси вращающимися импеллерами. Образующиеся кру 17 говые потоки смеси обеспечивают как засасывание атмосферного воздуха, так и образование пузырьков путем дробления струи воздуха.
Пневматический способ аэрации заключается в подаче воздуха в машину под давлением через пористые перегородки или через патрубки.
Основным преимуществом этого типа машин является возможность подачи воздуха в любом количестве при сравнительно небольшом расходе электроэнергии [30]. Однако эти машины имеют существенный недостаток, отрицательно сказывающийся на процессе флотации. Поступающий из пневматической машины воздух недостаточно диспергируется, в результате чего образуются пузырьки повышенной крупности.
Процесс электрофлотации основан на всплытии частиц дисперсной фазы за счет пузырьков газа: водорода и кислорода. В очищаемой воде или моющем растворе при определенных условиях выделяется множество мельчайших пузырьков газа, которые при всплытии сталкиваются с частицами загрязнений и за счет действия молекулярных и электростатических сил, способствующих слиянию частиц загрязнений с газовыми пузырьками, транспортируются на поверхность раствора. Присутствующие в воде ПАВ способствуют слипанию газовых пузырьков с частицами загрязнений и образованию на поверхности раствора пенного слоя. Сюда же выносятся отдельные компоненты моющих средств, физически адсорбирующиеся на частицах загрязнений и образующие нерастворимые комплексы с загрязнителями или солями воды. Большое влияние на степень извлечения загрязнений имеет размер газовых пузырьков. Слишком большие пузырьки быстро всплывают на поверхность и вызывают турбулизацию жидкости. Если при вакуумной флотации размеры воздушных пузырьков составляют 0,2-0,5 мм, то при электрофлотационной обработке образуются газовые пузырьки размером 20-80 мкм. Электрофлотационный способ имеет ряд преимуществ по сравнению с другими способами флотации: простота изготовления аппаратов и несложность его обслуживания; возможность регулирования степени очистки жидкости в зависимости от фазово-дисперсного состояния путем изменения только одного параметра (плотности тока) в технологическом процессе; высокая степень дисперсности газовых пузырьков, обеспечивающая эффективность прилипания к ним нерастворимых примесей; отсутствие вращающихся частей в рабочей зоне аппаратов, гарантирующее надежность их работы и исключающее перемешивание обрабатываемой жидкости и измельчение содержащихся в ней взвешенных частиц; дополнительная минерализация растворимых органических загрязнений с одновременным обеззараживанием сточных вод за счет образующихся на аноде продуктов электролиза - атомарного кислорода и активного хлора. Электрофлотация позволяет удалять из воды примеси, находящиеся в эмульгированном и суспендированном виде, взвешенные вещества и коллоидные частицы.
Характеристика объектов разделения
Сложность химического строения органических компонентов молока (липидов, протеинов, углеводов, органических кислот) обуславливает высокие значения химического (ХПК) и биологического (БПК) потребления кислорода при их окислении. Значения этих параметров для различных видов молочного сырья приведены в таблице 2.1 [3].
Основную часть потерь составляют остаточные количества молочного сырья и готовых продуктов, вымываемые водой с технологического оборудования при первом споласкивании. Эта водномолочная смесь (первые промывные воды) практически не утилизируется или используется ограниченно и нерационально. Сбор и утилизация водномолочных смесей экономически целесообразны, так как в результате их переработки возможно получение пищевого или кормового продукта и снижение затрат на очистку сточных вод. Значительные количества данного вторичного молочного сырья также обуславливают целесообразность их переработки.
Необходимо собирать водномолочную смесь при ополаскивании автомобильных и железнодорожных цистерн, резервуаров для хранения молока, кисломолочных напитков, сливок, сметаны, пастеризаторов, трубопроводов, охладителей, а также при ополаскивании оборудования цехов сгущения, сушки и других специфических цехов. Для организации сбора первых смывных вод могут использоваться как стандартные трубопроводы, емкости, насосы, так и нестандартное оборудование, включающее передвижные тележки, лотки, бачки, поддоны. Количество, состав и физико - химические свойства вторичного молочного сырья, получаемого при ополаскивании оборудования, могут изменяться в широких пределах и зависят от вида удаляемых продуктов, типа оборудования и режима ополаскивания.
Биологическая ценность сыворотки обусловлена содержанием в ней белковых азотистых соединений, углеводов, липидов, минеральных солей, витаминов, органических кислот, ферментов, иммунных тел, микроэлементов. В 100 мл сыворотки в среднем содержится 0,135 мг азота, около 65 % которого входит в состав белковых азотистых соединений и около 35 % - в состав небелковых. Содержание белковых азотистых соединений колеблется от 0,5-0,8 % и зависит от способа коагуляции белков молока, применяемого при получении основного продукта [51, 52].
Протеозо-пептонная фракция характеризуется как смесь теплостойких фосфогликопротеидов, нерастворимых в 12-процентном растворе трихлорук-сусной кислоты.
Сывороточные белки являются носителями иммунных и антисептических свойств молока. Препараты на основе сывороточных белков способны стабилизировать дисперсные системы, такие как гели и пену. В литературе отмечаются их хорошие гидрофильные (растворимость, влагоемкость, водо-поглотительная способность) и липофильные свойства (способность к образованию эмульсий, к связыванию и стабилизации жира).
Функциональные свойства сывороточных белков зависят от реактивности таких аминокислотных остатков, как цистеин [26], чувствительных к термической обработке. Активирование сульфгидрильных групп компактной структуры сывороточных белков происходит в результате ее термического расщепления. Основными функциональными свойствами сывороточных белков являются: вязкость, гидрофильность, растворимость, способность к эмульгированию жиров, к пенообразованию, гелеобразованию [63, 65, 66].
Первичную структуру белковой частицы составляют полипептидные цепи из аминокислотных остатков, соединенных пептидными связями RCO -NHRj. Белковые звенья, полипептидные цепи, содержат гидрофобные (неполярные углеводородные) и гидрофильные (полярные карбоксильные, амин-ные и др.) группы, которые распределяются равномерно по одну и другую сторону от цепи главных валентностей.
При этом гидрофобные цепи взаимодействуют друг с другом, а гидрофильные- с растворителем. Необходимость исключения соприкосновения гидрофобных цепей с растворителем обеспечивает образование центра или ядра частицы. Спираль будет сжиматься и достигать минимальной поверхно 43 стной энергии. Свернувшаяся спираль образует более или менее компактную глобулу, в которой находятся гидрофобные, а на поверхности гидрофильные группы. Образовавшаяся глобула является третичной структурой белковой частицы с возникновением дисульфидных -S-S и солевых связей между боковыми звеньями полипептидных цепей. Именно третичная структура обусловливает плотность упаковки белковой глобулы. Возможно возникновение четвертичной структуры белка в результате комплексообразования белковых глобул. Размеры глобул основных белков молочной сыворотки (альбумины и глобулины) составляют 50-150 А0 [67-71].
Исследование закономерностей электрофлотационного разделения водных белоксодержащих систем
В правой части которых содержатся частные производные от поверхностного натяжения по молярной доле к -го компонента в растворе, значение этой производной характеризует поверхностную активность к -го компонента в растворе. Молярные величины g"A свободной энергии Гиббса в растворе зависят от давления, температуры и концентрации раствора, включая концентрационную зависимость коэффициентов активности компонентов.
Таким образом, к первой группе факторов, влияющих на результат поверхностного разделения, определяющих равновесное распределение компонентов между раствором и поверхностным слоем следует отнести: поверхностную активность компонента; температуру; концентрацию раствора; концентрационную зависимость коэффициентов активности [88, 89].
Как нам известно, на практике, процессы ведут не при равновесных, а при стационарных условиях. При этом, как правило, отбирается не только что образовавшаяся пена, а пенный продукт, в который она превращается в результате осушения (дренажа), орошения и разрушения. Таким образом на результат поверхностного разделения влияют факторы, определяющие скорость процесса распределения компонентов между раствором и поверхностным слоем в стационарных условиях: - размер пузырьков монодисперсной газовой эмульсии или распределение пузырьков по размерам; - степень наполненности жидкости пузырьками; - высота столба раствора и пены; - величина возврата.
Выделение белковых компонентов из водных гетерогенных систем методом электрофлотации основывается на закономерностях адсорбции и свойствах устойчивой пены. Концентрирование белков в пене происходит вследствие их адсорбции на пузырьках газа, пронизывающего раствор и последующего отделения пены от раствора.
Определение параметров и закономерностей электрофлотационной обработки сточных вод молочного производства
Обработанные полиэлектролитом смывные воды подвергали электро-флотированию при плотностях тока 50-200 А/м и температуре 30-40 С. Продолжительность процесса составила 900 сек. Процесс контролировали по изменению концентрации белка в обрабатываемом растворе (рис. 3.6).
Установлено, что процесс распределения белка между фазами завершается в течение 100-400 с в зависимости от плотности тока (рис. 3.6). При дальнейшем осуществлении процесса состав раствора не изменялся, что свидетельствует о приближении системы к состоянию фазового равновесия.
Подсырную сыворотку при рН 4,3-4,6, что соответствует изоэлектриче-ской точке, направляли в электрофлотационную камеру, куда добавляли 9 %-ный раствор полиэлектролита ВПК-402. После завершения процесса коагуляции сывороточных белков при воздействии ВПК-402, сыворотку подвергали электрофлотации под действием постоянного тока. В процессе электролиза на электродах происходило выделение мельчайших пузырьков газа, которые поднимаясь вверх, пронизывали весь объем обрабатываемой сыворотки. Белковые компоненты при взаимодействии с поверхностью газовых пузырьков флотировались на поверхность и собирались в верхней части сосуда в виде пены. Содержание общего белка в исходной сыворотке и пенном концентрате определяли колориметрическим методом (ГОСТ 25179-90). По полученным данным рассчитывали степень выделения белков Е, %.
При электрофлотации сыворотки установлено, что максимальная эффек-тивность процесса (90 %) достигается при плотностях тока от 60 до 120 А/м . При плотности тока меньше 60 А/м2 степень выделения ниже из-за недостаточной аэрации белковой дисперсии. При увеличении плотности тока более 120 А/м условия электрофлотации ухудшаются в результате интенсивного образования газовых пузырьков, сопровождающегося увеличением хаотичности их движения, коалесценцией и частичной десорбцией белковых частиц с поверхности пузырьков [90].
Снижение эффекта при понижении температуры, обусловлено гидратацией сывороточных белков и повышением их агрегативной устойчивости, что как известно, снижает эффективность поверхностного разделения.
При повышении температуры понижается устойчивость пены, что сопровождается дефлегмацией части жидкой фазы пены в раствор, в результате чего эффективность выделения белков понижается. Обусловлено это тем, что повышение температуры приводит к более равномерному распределению вещества в пространстве и, следовательно, к уменьшению адсорбции и разницы в составах объемной фазы и поверхностного слоя. Электрофлотационное выделение белков сыворотки в нативном состоянии и факторы, влияющие на процесс
Выделение белковых компонентов с помощью реагентов и при температурах свыше 40 С способствует потере ряда ценных свойств вследствие, например, денатурации, что приводит к их нерастворимости в воде и затрудняет введение выделенных белков в продукты питания. Этот факт определяет интерес к получению белков в нативном состоянии [91, 92].
На следующем этапе с целью выделения белков из подсырной сыворотки в нативном состоянии с сохранением их ценных функциональных свойств нами были проведены экспериментальные исследования, направленные на определение оптимальных параметров процесса электрофлотации [93].
Подсырную сыворотку при рН 4,3-4,6, что соответствует изоэлектриче-ской точке белка, направляли в электрофлотационную камеру. Процесс выделения сывороточных белков проводили без реагентной обработки под дей-ствием постоянного тока плотностью от 50 до 200 А/м в интервале температур 20- 40 С. В данном интервале исключена вероятность конформационных изменений, ведущих к потере биологической ценности белка. Продолжительность процесса составила 20 мин.
Исследование аминокислотного состава пенного концентрата
Учитывая гетерогенность белковой фракции исследуемых систем, а также существенные различия поверхностной активности, термоустойчивости, изоэлектрической точки белковых компонентов нами была выдвинута гипотеза возможности фракционирования белковой фракции и выделения индивидуальных белковых компонентов при обеспечении соответствующих условий процесса флотации. Полученный при различных условиях электрофлотационного разделения пенный концентрат собирали механическим способом. На рисунках 4.5- 4.7 представлены графические зависимости процентного содержания С, % отдельных аминокислот сывороточных белков от плотности тока і, А/м при температуре 40 С. На рисунках можно выделить четкие экстремумы количества аминокислот в растворе при различных плотностях тока. Так например концентрат, максимально обогащенный аспараги-новой кислотой, серином, валином, тирозином получен при плотности тока 100 А/м При плотности тока 50 А/м пенный продукт обогащается треони-ном и пролином, а при 150 А/м в продукте максимальное содержание глицина, цистина, аланина, гистидина.
На базе ООО "Ветеринарный диагностический центр" были проведены исследования полученного методом электрофлотации пенного концентрата подсырной сыворотки, включающего комплекс белка с катионным полиэлектролитом, на культурах инфузорий, белых мышах и кроликах.
Токсикометрическая оценка исследуемого пенного продукта показала, что белковый концентрат подсырной сыворотки не оказывает токсикогенно-го действия на организм одноклеточных.
Исследование токсического действия белкового концентрата на организм животных оценивали на белых лабораторных мышах (п= 22). Препарат скармливали в чистом виде в течение 12 дней. Фиксировали общее состояние, груминг и потерю массы тела. Данными исследований установлено отсутствие отрицательного влияния препарата на организм белых мышей. При визуальной оценке состояния конъюнктивы, роговицы и век глаз кроликов установлено, что белковый концентрат вызывает слабое раздраже ниє конъюнктивы спустя 2- 3 часа после закапывания, которое проходило уже к 4- му часу.
Результаты исследований процесса коагуляции белков молока и молочной сыворотки полиэлектролитом, а так же влияния параметров газожидкостной системы на процесс электрофлотации стали основой для разработки проектов технологических регламентов физико-химической очистки промышленных сточных вод от белковых загрязнений и процесса выделения сывороточных белков из сыворотки .
Технологический регламент физико-химической очистки промышленных сточных вод от белковых загрязнений Согласно проекту регламента, представленного на рис. 5.1., на первом этапе готовится 5 %- ный раствор реагента, который добавляется в промышленные стоки молочного производства с содержанием белка 0,2-0,5 % в количестве 3,2 мае. % при температуре 30-40 С. После предварительной дестабилизации белковых компонентов в течение 120 сек смывные воды направляются в электрофлотационный аппарат, где подвергаются обработке при плотности тока 60-120 А/м2 в течение 180-300 секунд. В процессе электрофлотации происходит осветление сыворотки с содержанием белка 0,2-0,5 % и переход белковых компонентов смывных вод в пенный продукт. В результате получаем очищенную жидкость с содержанием белка 0,08-0,1 % и комплекс белок - катионный полиэлектролит, который может быть использован в качестве кормовой добавки.
Технологический регламент процесса выделения сывороточных белков из сыворотки. Представленный на рис. 5.2. проект технологического регламента выделения сывороточных белков позволяет получить не только комплекс белок-катионный полиэлектролит, но и выделить белки в нативном состоянии без предварительной обработки реагентом. Кроме того, при регулировании плотности тока белковый концентрат может быть обогащен отдельными аминокислотами.
Разработанные нами проекты технологических регламентов позволяют рационально решить проблемы экологического влияния предприятий на окружающую среду и получить дополнительный источник белков.
На базе ОАО "Павловскмолоко" была проведена опытно - промышленная проверка результатов выработки белкового концентрата из смывных вод, полученного на основе процесса коагуляции белков смывных вод катионным полиэлектролитом ВПК - 402 согласно технологического регламента, представленного на рис. 5.1.
Испытания проводились в соответствии с планом научных работ Минобразования РФ "Исследование закономерностей и влияния содержания токсикантов в объектах производственной деятельности на окружающую среду", № гос. per. 01.200.1.186.4, код темы по ГРНТИ 87.15.07.
Разрабатываемый способ осуществляли следующим образом. На первом этапе готовили водный раствор ВПК- 402 с концентрацией 5 %. Затем вводили раствор реагента в количестве 3,2 мас. % в смывные воды. Процесс проводили при температуре 30-40 С. После завершения коагуляции для отделения белкового концентрата обработанную жидкость центрифугировали (т= 300 сек., п= 3000 об/мин.).
