Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Обзор литературы 10
1.1 Характеристика отходов мясоперерабатывающей промышленности 10
1.2. Способы переработки костных отходов 11
1.3. Технология производства костной муки. 13
1.4. Физико-химические характеристики бульона - отхода производства костной муки 19
1.5. Методы очистки сточных вод мясоперерабатывающих предприятий 20
1.6. Получение белковых изолятов и гидролизатов из отходов мясоперерабатывающей промышленности 27
1.7. Способы получения белковых гидролизатов 31
1.8. Технологические приемы очистки белковых продуктов 35
1.9. Технологические приемы получения гидролизатов на основе коллагенсодержащего сырья 37
ГЛАВА II. Материалы и методы исследования 40
2.1. Объекты исследования 40
2.2. Реагенты 41
2.3. Методы анализа
2.3.1. Определение влажности образца 41
2.3.2. Количественное определение азотсодержащих веществ в растворах 41
2.3.3. Определение содержания белковых веществ в растворах 42
2.3.4. Количественное определение углеводов в растворах 42
2.3.5. Определение содержания золы 42
2.3.6. Определение содержания аминного азота 43
2.3.7. Определение содержания оксипролина 43
2.3.8. Определение активности ферментов (ПА) по модифицированному методу Ансона с казеинатом натрия. 43
2.3.9. Определение массовой концентрации общего железа с роданидом.
2.3.10. Методика определения концентрации фосфат-иона в водном растворе методом Фиске-Суббароу. 44
2.3.11. Методика определения химического потребления кислорода (ХПК) 44
2.3.12. Метод определения токсичности с применением тест-культуры инфузорий Tetrachimena pyriformis
2.3.13. Определение индекса растворимости азота (NSI) 45
2.3.14. Определение содержания натрия, калия, магния, марганца, меди, кальция, железа и цинка. 46
2.3.15. Определение содержания жира 46
2.4. Методы исследования 46
2.4.1. Методика проведения коагуляции в лабораторных условиях. 46
2.4.2. Определение молекулярной массы пептидов методом гель-электрофореза в полиакриловом геле 47
2.4.3. Методика проведения процесса ультрафильтрации на ячейках с промышленными ультрафильтрами 47
2.4.4. Очистка белкового гидролизата ионным обменом на катионите 48
2.4.5. Культивирование микроорганизмов 49
2.4.6. Экстракция органическими растворителями 50
2.4.7. Тонкослойная хроматография 51
2.5. Схема достижения цели диссертационной работы 51
ГЛАВА III. Результаты и обсуждение 52
3.1. Физико-химический состав бульона. 52
3.2. Коагуляция бульона 53
3.3. Кислотный гидролиз шлама
3.3.1. Определение эффективных условий кислотного гидролиза шлама 65
3.3.2. Определение способа очистки кислотного гидролизата шлама 69
3.4. Комплексная переработка бульона 71
3.4.1. Исследование процесса предобработки сырья 71
3.4.2 Анализ состава липидных фракций 76
3.5. Разработка условий получения ферментативного гидролизата из белкового полупродукта 78
3.6. Переработка бульона без предварительного обезжиривания 89
3.7. Разработка способа очистки ферментативных белковых гидролизатов от высокомолекулярной фракции белка и взвешенных примесей . 91
3.8. Получение сухой формы белкового гидролизата. 93
3.9. Использование жировой фракции отхода, образующегося в производстве костной муки для получения кормовой биомассы 95
3.10. Культивирование дрожжей на гидролизатах, полученных в работе 101
3.11. Расчет экологического ущерба 106
3.12. Эколого-экономическая оценка предлагаемых способов переработки бульона 109
Выводы 111
Список литературы 113
- Физико-химические характеристики бульона - отхода производства костной муки
- Определение содержания белковых веществ в растворах
- Определение молекулярной массы пептидов методом гель-электрофореза в полиакриловом геле
- Разработка способа очистки ферментативных белковых гидролизатов от высокомолекулярной фракции белка и взвешенных примесей
Введение к работе
Актуальность темы исследования. В соответствии с комплексной программой развития биотехнологии в Российской Федерации на период до 2020 года одним из приоритетных направлений является переработка малоценных отходов в белковые продукты и компоненты с высокой добавленной стоимостью, а также производство кормового белка и разработка новых научно-технических подходов, направленных на совершенствование технологии его производства и применения. Кроме того, разработка новых белковых продуктов позволит снизить долю импортируемых товаров данной отрасли.
Примером малоценных отходов являются отходы пищевой
промышленности. Сырье, используемое в данной отрасли, имеет растительное или животное происхождение и, как правило, является многокомпонентным. В настоящее время его обычно перерабатывают с целью извлечения какого-либо одного компонента. При этом степень полезного использования сырья не превышает 15-30%, а оставшаяся часть является отходом производства. Такие отходы можно рассматривать как вторичное сырье вследствие высокого содержания витаминов, клетчатки, белка, микроэлементов и т.п. Однако содержание сухих веществ во вторичных сырьевых ресурсах пищевой промышленности не превышает 5-10%, они очень нестойкие при хранении, в ходе которого быстро теряют ценные компоненты, что затрудняет их дальнейшее использование и приводит к загрязнению окружающей среды.
В качестве малоценного вторичного сырья могут рассматриваться белоксодержащие отходы мясоперерабатывающей промышленности, в частности, кости убойных животных, которые в настоящее время перерабатываются, как правило, в костную муку. Традиционная схема ее производства включает стадии: измельчения сырья, обработки паром или горячей водой, сепарации, сушки. На стадии сепарации происходит отделение жировой фракции с образованием липидно-белкового бульона, являющегося основным отходом производства. На предприятии средней мощности, выпускающем 40 т костной муки в сутки, образуется около 40 т бульона, содержащего 47-69 % белка и 12-43 % жира в пересчете на сухое вещество.
Наличие большого количества органических веществ затрудняет прямую утилизацию бульона и не позволяет подвергать его непосредственно
биологической очистке. Существующие технологии предполагают
концентрирование бульона упариванием с последующей сушкой. Однако для
предприятий относительно небольшой мощности его переработка
экономически не рентабельна. Вследствие высокого содержания белковых и липидных веществ, бульон можно рассматривать в качестве сырья для получения ценных продуктов.
Степень разработанности темы исследования. Введение в
производство вторичного сырья перерабатывающей промышленности
позволяет не только решить экологические задачи, но и расширить ассортимент продуктов питания и кормов для сельскохозяйственных животных [Бабич О.О., 2011]. Улучшение качества кормов за счет сбалансированности его по белковому, витаминному и минеральному составу положительно сказывается на повышении продуктивности сельскохозяйственных животных [Чумак О. П., 2012].
Поэтому актуальной является задача поиска путей комплексной переработки бульона в конкурентоспособную продукцию.
Цель и задачи исследований. Целью настоящей работы является разработка технологии получения гидролизатов и кормовой биомассы из отхода производства костной муки (бульона).
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
определить эффективные режимы коагуляции бульона;
разработать эффективные условия получения кислотного гидролизата из скоа-гулированного шлама и режимы его очистки;
- научно обосновать и разработать схему разделения бульона на липидную и
белковую фракции;
- определить эффективные условия получения белкового ферментативного гидролизата бульона и режимы его очистки;
оценить эффективность применения полученных белковых гидролизатов и липидной фракции в качестве компонентов питательной среды для культивирования дрожжей;
провести технико-экономическую и эколого-экономическую оценку эффективности разработанной технологии.
Научная новизна. Разработана технология получения гидролизатов и кормовой биомассы из отхода производства костной муки (бульона). Предло-
жено проводить коагуляцию бульона при температуре 85 С с использованием в качестве коагулянтов соединений железа (сульфата железа (III), хлорида железа (III), полиоксисульфата железа) в сочетании с низкоанионным флокулянтом. Определены условия фракционирования бульона на липидную и белковую фракции, а именно центрифугирование при рН 8,0. Разработаны условия последовательной обработки белковой фракции бульона ферментными препаратами панкреатином и Protex 40 E, с получением белкового гидролизата, содержащего 68,2 % низкомолекулярной фракции белка и 31 % удельного аминного азота. Показана возможность культивирования дрожжей Yarrowia lipolytica на липид-ной фракции бульона. Доказана возможность замены дрожжевого экстракта на белковый гидролизат бульона в средах для культивирования дрожжей р. Saccharomyces cerevisiae.
Теоретическая и практическая значимость. Научно обоснованы, экспериментально подтверждены и разработаны режимы коагуляции отхода производства костной муки методом коагуляции. Разработаны основы технологии переработки бульона с получением белковых гидролизатов (кислотного и ферментативного) и липидной фракции. Показана эффективность применения белковых гидролизатов в качестве компонентов питательной среды для культивирования дрожжей.
На основании полученных экспериментальных данных разработан
лабораторный регламент на получение гидролизата белка из отхода
производства костной муки. Проведена ориентировочная технико-
экономическая оценка эффективности реализации предлагаемой технологии при расчетной мощности производства 13320 тонн/год по бульону, что соответствует 40 т в сутки при эффективном времени работы предприятия 330 дней/год.
Методология и методы исследования.
Избранная методология соответствует общепринятой схеме
биотехнологического выделения ценных веществ из объектов животного происхождения.
В работе в качестве такого объекта использовались образцы бульона,
образующегося при производстве костной муки после отделения жира, любезно
предоставленные перерабатывающим предприятием ООО «Костные
полуфабрикаты», г. Лобня Московской области.
Расчеты и построение технологических графиков осуществлялись с
помощью пакета MICROSOFT EXCEL 2010, построение технологических и аппаратурных схем - с помощью программы Microsoft Office 2010.
Подробное описание методов, связанных с пробоподготовкой материала и анализом компонентов приводится в соответствующих разделах работы.
Положения, выносимые на защиту.
1. Технология получения кислотного гидролизата белка, включающая в
себя:
коагуляцию в присутствии железосодержащего коагулянта и низкоактивного катионного флокулянта при предварительной подтитровке оксидом кальция
эффективные режимы кислотного гидролиза скоагулированного шлама
эффективные режимы процесса очистки кислотного гидролизата белка
2. Технология получения ферментативного гидролизата белка и кормовой
биомассы с предварительным обезжириванием бульона и без него,
включающая в себя:
- эффективные режимы разделения бульона на липидную и белковую
фракции
эффективные режимы ферментативного гидролиза и последующей очистки белковой фракции
эффективные режимы получения кормовой биомассы дрожжей Y. lipolytica на липидных фракциях бульона
3. Теоретическое и экспериментальное обоснование использования отхода
производства костной муки для получения гидролизатов белка.
4. Экономическая эффективности внедрения технологии получения гид-
ролизатов и кормовой биомассы из отхода производства костной муки.
Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность выводов основывается на значительном объеме полученных соискателем экспериментальных данных. Для оптимизации технологических этапов получения препаратов использовался метод математического планирования Гаусса-Зейделя. Обработка результатов экспериментов (с числом повторов 3) проводилась статистическим методом определения грубых ошибок («промахов»)[Грачев Ю.П., 1979].
Основные положения и результаты работы доложены на Международных конференциях молодых ученых «Успехи в химии и химической технологии»
(Москва, 2012, 2013); VII и VIII Московском Международном конгрессе «Биотехнология: состояние и перспективы развития» (Москва, 2013, 2014); международной научно-практической конференции «Наука в современном информационном обществе» (Москва, 2013);
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК, и 5 материалов научных конференций.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, включающей описание объектов и методов исследования, изложения результатов и их обсуждения, выводов, списка цитируемой литературы, включающего 132 наименований, в том числе 41 иностранных авторов, 2 приложения. Основной текст работы изложен на 125 страницах машинописного текста, включает 41 таблицу, 27 рисунков.
Физико-химические характеристики бульона - отхода производства костной муки
Бульон относится к категории высококонцентрированных отходов, его качественный и количественный состав нестабилен. Согласно литературным данным, бульон, содержит 16-18 % сухих веществ, из которых до 80 % - вещества белковой природы, и около 3 % - липиды [83].
Бульон характеризуется высокими показателями биологического потребления кислорода (БПК), химического потребления кислорода (ХПК), содержания взвешенных веществ, жиров и др. К составу сточных вод, которые могут быть сброшены в канализацию, предъявляются жесткие требования.
В России существует метод санитарно-гигиенического нормирования допустимого уровня загрязнения воды и воздуха, основанный на установлении предельно допустимых концентраций (ПДК). Нормативы ПДК загрязняющих веществ устанавливаются Министерством здравоохранения РФ. Они приведены в «Санитарных нормах проектирования промышленных предприятий» и в регулярно дополняемых и издаваемых Минздравом РФ списках ПДК [38].
Нормативные показатели, которые должны быть достигнуты в сточных водах перед сбросом в канализацию, приведены в таблице 1.1.
Однако для каждого предприятия нормативы ПДК и предельно допустимого сброса (ПДС) для сточных вод устанавливаются индивидуально.
Таким образом, перед сбросом в канализацию отходы производства мясной промышленности, такие как выварочный бульон, должны подвергаться очистке. Рассмотрим известные методы очистки сточных вод мясоперерабатывающих предприятий. Таблица 1.1 - Состав сточных вод мясоперерабатывающего производства и нормы предельно допустимых концентраций (ПДК) по основным показателям.
Сточные воды мясоперерабатывающих предприятий содержат преимущественно органические вещества (до 90 %), находящиеся в дисперсном состоянии, а также значительное количество минеральных веществ. Сброс в канализацию таких вод без предварительной очистки невозможен [75]. В соответствии с существующими нормами сточные воды мясокомбинатов должны быть подвергнуты локальной очистке от взвешенных веществ и жиропо-добных соединений [35].
На конкретном промышленном предприятии метод очистки сточных вод подбирается индивидуально в зависимости от необходимой степени очистки и состава стока. Данные методы различаются по сложности аппаратурного оформления, энергетическим затратам и т.д. Все используемые методы разделяют на механические, физико-химические, и биохимические.
Механические методы используются преимущественно для удаления нерастворимых минеральных примесей. Они включают отстаивание, фильтрацию, центробежную фильтрацию [16].
Традиционно основным методом удаления органических веществ и бактериальных загрязнений из промышленных и городских сточных вод является биологическая очистка. Процесс биологической очистки основан на деградации органических компонентов сточных вод микроорганизмами. С технической точки зрения разработано множество различных по конструкции очистных станций и сооружений, которые можно разделить на два вида: - очистка сточных вод в естественных условиях; - очистка сточных вод в условиях, созданных искусственно. К первой группе относятся поля фильтрации и поля орошения. Это специально подготовленные земельные участки, очистка в которых происходит за счет фильтрации через почвенные поры. При этом поля фильтрации используются только для очистки сточных вод, а поля орошения одновременно используются для агротехнических целей. Биологические пруды так же относят в эту группу. Это водоемы, в которых очистка происходит за счет процессов, аналогичных самоочищению водоемов.
Ко второй группе относят различного вида биофильтры и аэротенки. Биофильтры — это искусственные сооружения, заполненные загрузочным материалом, на поверхность которого нанесена биологическая пленка. Аэротенки представляют собой резервуары, в которых очистка происходит за счет смешивания вод с активным илом. Обработка осадков, образующихся в процессе очистки, заключается в снижении их влажности и уменьшении объема.
Сточные воды, содержащие значительные количества органических веществ, обычно очищают в два этапа: вначале на сооружениях первичной (механической, физико-химической, электрохимической) очистки, затем вторичной (биологической) очистки.
В настоящее время широкое распространение для удаления из сточных вод тонкодисперсных, минеральных, неорганических и органических примесей получили физико-химические методы очистки. Физико-химическая очистка включает такие методы как: коагуляция, флокуляция, флотация, сорбция (адсорбция и абсорбция), экстракция, ионный обмен, диализ, мембранные процессы. Использование физико-химических методов имеет ряд преимуществ, а именно: - более высокая степень очистки, возможность удаления из сточных вод вредных, биохимически неокисляемых примесей; - оборудование физико-химической очистки занимает меньшие площади по сравнению с оборудованием для механической очистки; - меньшая чувствительность к изменениям нагрузок в сравнении с методами биологической очистки; - возможность организации автоматического контроля процесса вследствие отсутствия влияния живых микроорганизмов; - большая степень изученности механизмов физико-химической очистки, что облегчает моделирование, математическое описание и оптимизацию, а также упрощает расчет аппаратуры [87]. Для очистки сточных вод на современных мясокомбинатах и промышленных предприятиях используют локальные очистные сооружения (ЛОС), включающие грубую механическую очистку с жироуловителями и физико-химическую, как правило, напорную флотацию с предварительной реагентной обработкой [17]. Чаще всего в качестве предварительной реагентной обработки применяют метод коагуляции.
Определение содержания белковых веществ в растворах
Коагуляцию проводили в лабораторных условиях на модельном флотаторе в мерных стаканах объемом 1 дм3. В качестве контроля использовали бульон без добавления реагентов. Коагулянт приливали небольшими порциями до достижения порога коагуляции, который определяли визуально.
Растворы перемешивали в течение 5 мин барботированием сжатого воздуха, после чего отстаивали в течение 30 мин. В процессе отстаивания визуально фиксировали время начала образования хлопьев, их размер, наличие взвеси в осветленной жидкости после отстаивания, прозрачность раствора. Далее проводили анализ каждой фазы (скоагулированной массы и очищенного стока).
Определение молекулярной массы пептидов методом гель электрофореза в полиакриловом геле
Принцип метода состоит в том, что заряженные молекулы белков перемещаются под влиянием электрического поля внутри геля, образованного сополи-меризацией акриламида и метилен-бис-акриламида.
Используется гель из двух частей: одна часть – крупнопористый гель (концентрирующий гель), где разделяемые белки концентрируются вследствие различной электрофоретической подвижности ионов белка и ионов буфера, и образуют полосу. Вторая часть – мелкопористый (разделяющий гель), в котором идет разделение белков по молекулярной массе. Концентрация акриламида в крупнопористом геле обычно равна 25 %, а в мелкопористом – от 530 %.
Электрофорез продолжается 22,5 ч и заканчивается, когда полоска индикатора доходит почти до конца пластины (12 см до края). Гели извлекали и фиксировали белки с использованием 5 % ТХУ. После этого гели окрашивали 0,1 % раствором амидового черного, смывали краситель 5 % раствором уксусной кислоты [111].
Процесс концентрирования проводили на лабораторных ячейках разных объёмов: 100, 250, 500, 1000 см3. Конструкция ячейки приведена на рисунке 2.1.
Для проведения экспериментов на данной ячейке необходимо дополнительное оборудование. Лабораторная установка приведена на рисунке 2.2. 4 4 7
В мембранную ячейку 1 на фторопластовую подложку 7 помещали мембрану 8 и уплотняли резиновым кольцом 6. После этого, отрегулировав положение магнитной мешалки 4, концентрируемый раствор заливали в ячейку через штуцер 10. Компрессором 3 и вентилем 5 создавали давление в ячейке не более 0,2 МПа. Пермеат, проходящий через мембрану, по каналу 6 поступает в отдельную ёмкость.
Очистка белкового гидролизата ионным обменом на катионите Подготовка ионообменной смолы к работе. В данной работе использовали катиониты и аниониты. Перед началом опыта смолу многократно промывали дистиллированной водой от посторонних примесей. После промывки переводили в требуемую ионную форму (Н+ или OH"), применяя для этого раствор 1-2 %-ной соляной кислоты или 1-2 % гидроксида натрия. Сорбцию проводили в статических условиях при комнатной температуре в течение 1 часа при постоянном перемешивании. Соотношение смолы и объема экстракта рассчитывали исходя из емкости смолы. Изменение концентрации белка отслеживали с помощью колориметрического метода Лоури. В соот 49 ветствии с получаемыми данными делали вывод о полноте протекания процесса сорбции белков при данных объемных соотношениях смолы и экстракта.
Десорбцию проводили с помощью последовательного использования следующих реагентов: Лабораторные эксперименты по культивированию дрожжей проводились в периодических условиях в колбах Эрленмейера (объем колб - 250 см3, объем среды - 100 см3) на термостатируемой качалке с числом оборотов 220 об/мин при температуре 30С, при начальном значении рН среды 6,5. Объем посевного материала составлял 10 % от объема среды. За ходом процесса в колбах следили по изменению накопления биомассы путем подсчета клеток в камере Горяева.
Культивирование в биореакторе На заключительном этапе исследований проводилось культивирование дрожжей в биореакторе в подобранных в ходе предыдущих экспериментов условиях. Процессы культивирования в биореакторе с контролем основных физико-химических параметров проводили в периодических условиях без подпитки субстратом.
Непосредственно в качестве биореактора использовался лабораторный ферментер "Фермус–3" (изготовитель НИЦ "Биоавтоматика", г. Н. Новгород). Геометрический объем ферментера – 4,5 дм3; рабочий объем – 1,5-2,5 дм3. Ферментер оборудован механическим магнитным приводом с мешалкой, с числом оборотов от 50 до 1200 об/мин. Обвязка ферментера и датчики контроля позволяют фиксировать течение процесса по показаниям таких параметров как pH, To, pO2 (парциальное давление, концентрация растворенного кислорода), Eh (окислительно-восстановительный потенциал). Объем подаваемого воздуха – до 5 л/мин – устанавливается с помощью вентиля на ротаметре вручную.
При закислении среды в ходе ферментации подтитровку проводили 2 н раствором NaOH или 2 н раствором NH4OH. При необходимости, в случае образования значительного количества пены, в среду по ходу эксперимента вносили пено-гаситель (в количестве 2-10 капель за 1 раз).
Экстракцию проводили в делительной воронке с использованием в качестве растворителей этанола, хлороформа, бензина, гексана, петролейного эфира или этилацетата.
В делительную воронку сначала наливали раствор, из которого необходимо выделить целевой компонент, а затем более легкий растворитель. После этого вещество, которое находилось в основном растворе, переходит в растворитель, так как оно в нем растворяется лучше. Далее делительную воронку помещали на штатив до установления устойчивой границы фаз между слоями. После этого нижний, более тяжелый слой сливали, оставляя растворитель, в котором присутствует выделенное вещество. 2.4.7. Тонкослойная хроматография Метод заключается в разделении на тонком слое сорбента смеси веществ в потоке растворителя, основанном на различной скорости перемещения компонентов смеси [24].
Определение молекулярной массы пептидов методом гель-электрофореза в полиакриловом геле
Следует отметить, что при использовании коагулянтов POLYPACS-WHITE и АкваАурат-30 эффект коагуляции отсутствовал, а при использовании FeSO47H2O, Al2(SO4)318H2O, POLYPACS-F скоагулированные частицы не образовывали плотной массы, и в процессе отстаивания наблюдалось их обратимое растворение. Хлорид алюминия оказывал коагулирующий эффект только при температуре 65оС.
Анализ полученных данных (таблица 3.4-3.7) позволяет сделать вывод о том, что степень коагуляции белковых и жировых компонентов при использовании сульфата железа (III), хлорида железа(III) и POLYPACS – PFS увеличилась на 11% при температуре 65оС и на 21 % при температуре 85оС по сравнению с показателями, полученными при комнатной температуре. Содержание сухих веществ в шламе при повышении температуры с 25оС до 85оС в среднем возрастает с 15 до 28%, что позволяет снизить его объемы в два раза. Коагулянты на основе солей алюминия не оказывают необходимого эффекта при повышенных температурах, что согласуется с литературными данными.
Таким образом, из рассмотренных коагулирующих агентов целесообразно выбрать коагулянты на основе солей железа, которые оказались эффективны для коагуляции бульона при повышенных температурах, а именно: Fe2(SO4)39H2O, FeCl3, POLYPACS – PFS. Они и были выбраны для дальнейших исследований.
Следует отметить, что повышение температуры значительно повышает эффективность коагуляции. Это может быть связано с вязкостью исходного стока из-за присутствия в нем значительного количества желирующих веществ (продуктов частичного гидролиза коллагена - желатина). При повышении температуры желатин переходит в растворимую форму, уменьшая исходную вязкость и ускоряя процесс уплотнения скоагулированных частиц. Температура 85оС более предпочтительна с точки зрения организации технологического процесса, поскольку в этом случае снижаются время и затраты на подготовку бульона к коагуляции. Эффективность очистки по всем исследованным показателям при этой температуре самая высокая.
Однако физико-химические характеристики очищенных в вышеуказанных условиях сточных вод не соответствуют нормативам ПДК сброса, установленным для данного предприятия, что может быть связанно с неоптимальными условиями проведения процесса коагуляции.
Как отмечалось ранее, рН очищаемого бульона, так же, как и температура оказывает значительное влияние на эффективность коагуляции. Кроме того, коагулянты на основе солей железа, как правило, эффективнее при щелочных значениях рН в интервале от 8 до 11 из-за образования нерастворимых гидроксидов железа, которые и оказывают коагулирующий эффект. С целью увеличения эффективности коагуляции бульона, проводили коагуляцию в интервале рН среды от 5,0 до 11,0 с шагом 1,0 путем предварительного подщелачивания исходного стока 10 н гидроксидом натрия. При этом, при использовании коагулянтов Fe2(SO4)39H2O, FeCl3 максимальный эффект коагуляции наблюдался в интервале рН 7-11, а при использовании POLYPACS-PFS – в интервале 6-11. Полученные значения показателей очищенного стока и шлама представлены в таблицах 3.8. -3.9.
Проведенные эксперименты показали, что изменение рН бульона в пределах 7,0 – 11,0 при использовании сульфата и хлорида железа (III) не оказывает влияния на расход коагулянта. При использовании POLYPACS-РFS расход коагу лянта незначительно уменьшается с увеличением кислотности среды во всем диапазоне варьирования рН. Степень коагуляции высокомолекулярных органических соединений и органического фосфора во всех случаях возрастает при увеличении кислотности среды и максимальна при рН 10,0. Защелачивание бульона до 11,0 не дает положительного эффекта и требует значительного расхода щелочи, поэтому коагуляция при рН стока 10,0 является оптимальной. В данных условиях степень очистки от белковых соединений и жироподобных веществ соответственно составляет: 89,5 % и 93,8 % для сульфата железа(III), 90,7% и 92,6% для хлорида железа (III), 90,9% и 94,5% для POLYPACS-РFS PFS. ХПК очищенных стоков при этом составляет 4000-6000 мгО/дм3.
Таким образом, можно сделать вывод, что наиболее эффективно при использовании всех трех выбранных коагулянтов на основе железа является предварительная подтитровка стока до рН 10,0. При такой обработке для всех рассмотренных коагулянтов заметно возрастает степень коагуляции органических соединений, соответственно уменьшается ХПК сточной воды и возрастает содержание белковых и жировых компонентов в шламе. Однако, для достижения таких значений рН требуется значительный расход щелочи, кроме того, высокая концентрация катионов натрия в конечном стоке нежелательна. Известно, что для первона 61 чальной корректировки уровня pH и химического осаждения широко применяется известкование. Кроме того, образующийся гидроксид кальция мало растворим в воде и служит вспомогательным коагулянтом при проведении процесса.
Для оценки возможности использования извести (CaO) для предварительной подтитровки бульона проводили коагуляцию выбранными коагулянтами при рН стока 10,0. При этом для подтитровки использовали 5 %-ный раствор извести. Коагуляцию проводили по методике, описанной ранее.
В результате проведенных экспериментов было установлено, что при известковании стока эффективность коагуляции по всем показателям возросла. Очищенный с применением извести сток по сравнению со стоком, полученным при защелачивании гидроксидом натрия, содержал на 30-50 % меньше белковых веществ, на 12-40% меньше жиров, ХПК сточной воды снизилось с 6000 до 1900 при использовании сульфата железа(III), с 4300 до 2100 при использовании хлорида железа(III), и с 3700 до 2200 при использовании POLYPACS – PFS.
Разработка способа очистки ферментативных белковых гидролизатов от высокомолекулярной фракции белка и взвешенных примесей
Из представленных данных видно, что наиболее эффективными условиями для панкреатина являются: pH=9, t=50C; для Protex 40E – pH=8,5; t=60С.
Однако проведенные исследования показали, что даже при оптимальных условиях степень гидролиза белка не превышает 67%. Поэтому необходимо было рассмотреть способы повышения эффективности гидролиза. Примерами таких способов являются дробное последовательное внесение ферментных препаратов и единовременное добавление ферментных препаратов. Результаты соответствующих экспериментов представлены на рисунках 3.17, 3.18. Рисунок 3.17. Динамика степени гидролиза белка при последовательном добавлении ферментных препаратов панкреатина и Protex 40E.
Рисунок 3.18. Динамика степени гидролиза белка при единовременном добавлении ферментных препаратов панкреатина и Protex 40E.
Из полученных данных следует, что последовательное добавление ферментных препаратов повышает степень гидролиза белка в полупродукте до 81%, в то время как единовременное добавление ферментных препаратов не приводит к ее увеличению. 3.6. Переработка бульона без предварительного обезжиривания
Согласно ранее разработанной технологии исходный бульон перед проведением ферментативного гидролиза необходимо обезжиривать путем центрифугирования при pH 8. С целью упрощения технологической схемы процесса были проведены эксперименты по получению ферментативного гидролизата бульона без предварительного обезжиривания в вышеприведенных условиях. Динамика накопления низкомолекулярной фракции белка при проведении гидролиза с предварительным обезжириванием бульона и без него представлена на рисунке 3.19, а состав полученных гидролизатов приведен в таблице 3.24.
Приведенные данные показывают, что динамика гидролиза в обоих случаях практически одинаковы. Полученные гидролизаты отличаются содержанием жира. За счет более высокого содержания жира относительное содержание белка в гидролизате без предварительного обезжиривания значительно меньше.
Биологическая оценка качества и безопасности продовольственного сырья, продуктов питания, кормов, а также различных объектов окружающей среды является одним из важнейших методов биотестирования, так как позволяет выявить влияние изучаемых объектов на живой организм и определить возможные неблагоприятные последствия их использования. Поэтому для этих целей применяют простейшие - инфузории Tetrachimena pyriformis, имеющие сходство с высшими животными по ряду основных параметров обмена веществ, что дает возможность осуществлять межвидовую экстраполяцию результатов анализа. Преимуществом использования данного тест-организма является быстрота анализа, его относительная простота и дешевизна, высокая чувствительность к токсическим факторам и наглядность проявления биологического эффекта. В связи с этим метод определения токсичности с использованием инфузорий Tetrachimena pyriformis используют, если продукт предполагают добавлять в корма для проверки его безопасности и предотвращения негативного влияния на организм животных. Таким образом, для оценки доброкачественности гидролизаты были исследованы на острую токсичность с применением культуры Tetrachimena pyriformis. Полученные данные показали, что оба гидролизата - полученный с предварительным обезжириванием и без него обладали токсичностью. Её наличие, возможно, обусловлено присутствием недогидролизованной высокомолекулярной фракции белка, которая, как правило, сорбирует различные примеси, в том числе и токсичные. Кроме того, гидролизат отличается значительным содержанием взвешенных примесей, которые также могут быть токсичными. В связи с этим необходимо было провести очистку гидролизата от высокомолекулярной фракции белка и взвешенных примесей.
Из литературных данных известно, что очистку белковых гидролизатов от примесей проводят методом ультрафильтрации или ионным обменом на катиони-тах. В ходе работы была оценена эффективность использования обоих вышеуказанных методов. Поскольку гидролизаты отличались по составу, метод очистки для каждого из них подбирался индивидуально. Первоначально проводили исследование процесса очистки предварительно обезжиренного гидролизата методом ультрафильтрации или ионного обмена.
Очистку гидролизата методом ионного обмена проводили на катионитах C-150 MBH, C-106, NRW-100, в качестве элюентов использовали 0,1н HCl и 5% NH4OH. Согласно литературным данным с целью увеличения срока службы ионитов на ионообменную очистку необходимо направлять прозрачные растворы, в качестве объекта исследования был выбран гидролизат из обезжиренного бульона, отличающийся меньшей мутностью. Эксперименты проводили при объемном соотношении катионит:раствор 1:2. Результаты представлены в таблице 3.25. Из данных следует, что все исследованные катиониты обеспечивают степень сорбции белковых веществ не выше 50 %, тогда как независимо от типа элюента десорбция белковых веществ происходила практически полностью.