Разработка электрофлотационной технологии концентрирования биосуспензий из технологических растворов и сточных вод

Биоиндустрия — новейшая, одна из наиболее наукоемких отраслей промышленности, возникшая во второй половине XX в. Она быстро выдвинулась на передовые рубежи научно-технического прогресса. Сущность биотехнологии состоит в широком использовании живых организмов, биологических продуктов и биотехнологических систем в производственной сфере. Биотехнология помогает расщепить продукты на отдельные компоненты — углеводы, жиры, белки и перерабатывать их в новые вещества. Эффективность биотехнологических методов чрезвычайно велика. Например: в среднем в сутки корова дает 0,5 кг белка, а соответствующее ей по весу количество дрожжей в микробиологическом производстве позволяет получить 50 т белка.

Выделение и очистка продуктов ферментации — самостоятельный раздел биотехнологии. Как и аппаратурное оформление биотехнологических процессов, выделение и очистка носят инженерный, а не биологический характер. Необходимо отметить, что по сложности технологии и затратам труда, энергии и материалов этот заключительный этап производственного цикла иногда более емок, чем получение культуральной жидкости [1]. Одним из узких мест в технологии кормовой бактериальной биомассы является стадия концентрирования и выделения целевых продуктов, затраты на которой достигают 30% стоимости всего процесса.

Охрана окружающей среды — одна из важнейших проблем современного мира. В свете постоянного ухудшения общей экологической ситуации большое значение придается очистке сточных вод промышленных предприятий.

Пищевая промышленность является одной из наиболее крупных потребителей пресной воды, а сточные воды ее предприятий представляют собой сложные системы, часто обладающих агрегативной и седиментационной устойчивостью. Наличие устойчивых коллоидных систем и обусловливает сложность обезвреживания данной категории промышленных сточных вод [2].

На кафедре биотехнологии РХТУ им. Менделеева была разработана технология получения белка из биомассы кормовых дрожжей, предполагающей на определенном этапе отделение дисперсного белка (глобулина) от технологического раствора (гидролизата).

На кафедре электрохимии, совместно с кафедрой биотехнологии1, впервые проведены исследования по электрофлотационному извлечению глобулина с применением электрохимической коррекции рН, снижающей засоление технологического раствора и количество образующихся твердых отходов. Данная работа проводилась в рамках гранта «Химия и химические продукты», раздел «Биотехнология». Преследовалась двоякая цель: первая — изучение закономерностей электрофлотационного извлечения глобулина как целевого продукта из технологического раствора. К числу требований к предмету разработки относились требования об исключении вторичного загрязнения раствора и извлекаемого вещества. И вторая цель — определение условий для максимального извлечения дисперсного белка, находящегося в сточных водах, для решения экологических задач.

Автор благодарит профессора, д.х.н. Крылова Игоря Алексеевича и доцента, к.х.н. Красноштанову Аллу Альбертовну за оказанную помощь при выполнении работы и обсуждении полученных результатов.

2. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

2.1. Общие проблемы биотехнологии в области концентрирования биосуспензий из технологических растворов.

По своим возможностям биотехнология представляет собой экологически чистый и практически неисчерпаемый высокоэкономичный источник разнообразной продукции, который будет вытеснять несовершенные, ограниченные ресурсами и экологически вредные современные химические технологии.

Во время Первой мировой войны в Германии получали белки одноклеточных организмов (БОО) — выращивали специальные дрожжи, которые добавляли в супы и колбасу. Таким образом удавалось компенсировать около 60% довоенного импорта пищевых продуктов.

В 60-х гг ряд нефтяных и химических компаний начали исследование и разработки по созданию новых процессов получения БОО, предназначенных для добавления в пищу людям и животным.

Одно из крупномасштабных направлений биотехнологии — микробиологическое производство белка одноклеточных. Все используемые в производстве кормовых дрожжей субстраты можно разделить на:

• отходы переработки растительного сырья, которые нуждаются в предварительном гидролизе, т.к. содержат много целлюлозы;

•продукты переработки нефти;

• отходы животноводства;

• отходы переработки плодов и овощей.

Производство кормовых дрожжей из углеводородов нефти имеет значительный удельный вес в объеме производимых в нашей стране кормовых дрожжей. Однако нефть относится к невозобновляемым ресурсам, поэтому не может быть основным сырьем для микробиологического синтеза на дальнюю перспективу. Наряду с углеводородами для синтеза белка перспективны метан, водород и низкомолекулярные спирты (метанол, этанол). Белок дрожжей содержит все жизненно необходимые аминокислоты и усваивается лучше, чем белок концентрированных кормов растительного происхождения. По своей биологической ценности он приближается к белку рыбной муки, выгодно отличаясь от нее тем, что не придает мясу специфического запаха и более охотно поедается животными. Кормовые дрожжи содержат в 5 раз больше сырого белка, чем ячмень или овес. Их ценность обусловлена и наличием витаминов группы В, ферментов и гормонов.

Опыт передовых животноводческих хозяйств показывает, что использование кормового белка повышает надои молока, увеличивает привесы скота, ускоряет развитие пушных зверей, улучшает качество мяса, молока, повышает сортность меха.

Наибольший эффект достигается при скармливании дрожжей молодым животным, у которых повышается жизнеспособность, ускоряется рост и улучшается развитие костной ткани. При выпаивании телят 1 т дрожжей заменяет до 8,4 т цельного молока.

Производство белков одноклеточных имеет многие преимущества перед производством белка в животноводстве и растениеводстве. 500 кг дрожжей дают за сутки 80 кг белков, а у быка того же веса суточный привес составляет в лучшем случае 500 г белка.

Особый интерес в качестве субстрата для культивирования дрожжей представляют углеводы растительного происхождения, т. е. смеси моносахаридов, образующиеся в результате деполимеризации природных полисахаридов — целлюлозы, гемицеллюлоз, крахмала и т. п. Растительное сырье — возобновляемое. Кроме того, несмотря на доказанную безвредность всех используемых сегодня типов белка одноклеточных, именно дрожжи, культивируемые на углеводах растительного происхождения, вызывают наименьшее возражение потребителей в силу многовековой привычки людей к использованию растительных источников пищевых продуктов и лекарственных средств. В России существует развитая промышленность кормовых гидролизных дрожжей.

При создании экологически чистых технологий для отраслей АПК, перерабатывающих растительное сырье, ориентируются прежде всего на малоотходное производство и комплексную переработку растительного сырья. Существует много вариантов подхода к решению этой проблемы. Обогащение малоценных углеводсодержащих отходов (соломы, свекловичного жома, виноградных выжимок и пр.) микробным белком — один из возможных путей снижения дефицита кормового белка в рационах сельскохозяйственных животных.

Другой вариант решения проблемы — выращивание сельскохозяйственных культур для последующей переработки их методами биотехнологии в углеводно-белковые продукты кормового назначения.

Достижение передовых позиций в биотехнологии — одна из важных задач в экономической политике промышленных государств, поэтому программам по новым направлениям в биотехнологии правительства развитых стран оказывают ощутимую финансовую поддержку.

Интенсивное развитие биотехнологии в России позволило создать крупнотоннажное производство кормового белка путем культивирования дрожжей и бактерий на различных субстратах. В современных условиях производство подобного рода продукции сопряжено со значительными затратами материальных и энергетические ресурсов. Поэтому повышение рентабельности предприятий этой отрасли за счет организации дополнительных производств, основанных на комплексной переработке микробного сырья в условиях этих же предприятий, является актуальной проблемой.

Отличительной особенностью заводов по производству кормового белка является то, что технологические процессы биосинтеза и последующего выделения микробной биомассы связаны с переработкой больших объемов водных суспензий. [3].

Среди различных подходов к разработке технологий комплексной переработки биомассы промышленных микроорганизмов можно выбрать способ, основанный на предварительной денуклеинизации микробных клеток с последующим выделением продуктов полирибонуклеотидной природы дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) и рибонуклеиновой кислоты (РНК), а образующаяся при этом денуклеинизированная биомасса (ДНБМ) использовать в качестве сырья для получения очищенных белковых препаратов, способных найти применение в технических целях (например, для приготовления питательных сред, для использования в кормовых целях сельского хозяйства, а также используется в качестве комплексообразователя для получения драгоценных и полудрагоценных металлов). [3].

Однако при получении кормовой биомассы целевым продуктом является дисперсная фаза, а не культуральная жидкость, в связи с чем возникают вопросы медицинской проверки возможности использования известных синтетических флокулянтов [4] в случае выделения их вместе с готовым продуктом. Поэтому желательно минимизировать количество веществ, добавляемых в технологические растворы для улучшения выделения дисперсной фазы.

2.2. Общие вопросы и проблемы очистки сточных вод от белоксодер-жащих веществ.

Известно, что ряд веществ, находящихся в сточных водах, такие как белки, являются токсинами для окружающей среды и, следовательно, должны быть удалены. Поскольку сточные воды предприятий часто представляют собой дисперсные системы из эмульгированных органических веществ, обладающих агрегативной и седиментационной устойчивостью, то для их очистки необходимо создать условия, нарушающие устойчивость этих систем. Как правило, применение одного из способов разрушения дисперсной системы бывает недостаточно, поэтому на практике целесообразно применять комбинированные способы очистки.

Белки под действием микроорганизмов подвергаются распаду, конечным продуктом которого является аммиак. Поэтому присутствие его в природных водах может свидетельствовать о загрязнении воды сточными водами [5].

Ниже приведены данные по содержанию белков, молочного жира и других компонентов в сточных водах Уфимского гормолзавода (табл.2.1) [2,6].

Табл. 2.1 Состав сточных вод молокоперерабатывающего завода.

Показатель Величина.

ХПК, мг/л 2209.

БПК5, мг/л 1112.

Растворенный кислород, мг/л 5,6.

Хлорид-ионы, мг/л 121,8.

Взвешенные вещества, мг/л 278.

Жиры, мг/л 60.

Белок, % 0,024.

Лактоза, % 0,16.

РН 7,2.

Щелочность, мг-экв/л 2,65.

Характеристики сточных вод предприятий пищевой промышленности различаются в зависимости от профиля производства (табл. 2.2).

Табл. 2.2. Состав и концентрация загрязнений в сточных водах, сбрасываемых в водоемы предприятиями пищевой промышленности (при 288К и рН =7) [2].

Показатель, г/м3 Сточные воды.

Молочно-консервных комбинатов Городских молочных заводов Масложирзаво-дов.

Взвешенные вещества 350 350 600.

S04z" - 25.

Р^общ 0,5 0,5.

БПКполн 1000 1200 2400.

ХПК 1200 1400 3000.

Общее количество белков (казеина, альбумина, глобулина) в молоке колеблется от 2 до 5, сыворотке — от 0,75 до 0,98, в сточных водах — от 0,01 до 0,05%. Содержание аминокислот в белках молока представлено в табл.2.3.

Табл. 2.3 Средний аминокислотный состав белков молока [2].

Аминокислота Содержание,% в казеине в альбумине в глобулине.

1 2 3 4.

Тирозин 6,3 5,4 3,8.

Алании 3,1 2,4 1,4.

Аргинин 4,1 1,2 2,9.

Аспарагиновая 7Д 18,7 11,4.

Валин 7,2 4,7 5,8.

Гликокол 2,02 3,2 1,4.

Глютаминовая 22,4 12,9 19,5.

1 2 3 4.

Гистидин 3,1 2,9 1,6.

Изолейцин 6Д 6,8 8,4.

Лейцин 9,2 11,5 15,6.

Лизин 8,2 11,5 11,4.

Пролин 10,6 1,5 4Д.

Серин 6,3 4,8 5,0.

Триптофан 1,7 7,0 1,9.

Треонин 4,9 5,5 5,8.

Фенилаланин 5,0 4,5 3,5.

Цистеин 0,4 6,4 2,9.

Метионин 2,8 1,0 3,2.

Молочный жир находится в сточных водах в эмульгированном состоянии в виде капелек — жировых шариков диаметром 0,4−10 мкм, температура застывания -291−295 К, плавления 300−307 К. Он относится к классу триглицеридов, образованных взаимодействием глицерина с жирными кислотами (насыщенными или ненасыщенными). Качественный и количественный составы кислот в молочном жире приведены в табл. 2.4.

Табл. 2.4. Состав молочного жира [2].

Насыщенная жирная кислота Среднее содержание, % Ненасыщенная жирная кислота Среднее содержание, %.

1 2 3 4.

Масляная 3,3 Деценовая 0,2.

Капроновая 1,8 Додеценовая 0,3.

Каприловая 1,1 Тетрадеценовая 1,0.

Каприновая 2,0 Гексадеценовая 2,4.

Лауриновая 3,5 Окиновая 32,2.

1 2 3 4.

Миристиновая 10,9 Олеадеценовая 2,5.

Пальмитиновая 24,4 Акрахидиновая 0,9.

Стеариновая 9,8 Линолевая 3,6.

Диоксистеариновая 0,2 Линоленовая 0,1.

Арахиновая 0,6.

Молочный сахар (лактоза) содержится в молоке в а-, |3-формах.

В сточные воды попадает также остаточная микрофлора пастеризованного молока и сыворотки [7], среди них мол очно-кислые бактерии, молочная плесень, пленчатые дрожжи и бактерии группы кишечной палочки.

8. ВЫВОДЫ.

1. Изучены основные закономерности электрофлотационного извлечения белка из модельных растворов. Установлено влияние рН, электрокинетического заряда дисперсной фазы, состава раствора, режима обработки, токовой нагрузки на эффективность процесса электрофлотации.

2. Установлено, что величина рН оказывает существенное влияние на состояние белковой молекулы, что в свою очередь определяет эффективность электрофлотационного извлечения. Определено, что при рН=4,5 и плотности тока is =100 А/м (по сечению аппарата) степень извлечения достигает Л.

60% для растворов с концентрацией белка 100 мг/дм и 53% для концентрации 1000 мг/дм3.

3. Определено влияние токовой нагрузки на эффективность электрофлотации. Зависимость степени извлечения глобулина от токовой нагрузки имеет максимум при плотности тока 100 А/м (по сечению аппарата).

4. Выявлено, что обработка раствора коагулянтами и флокулянтами способствует более эффективному электрофлотационному процессу извлечения белка, повышая ее на 10−30%. Наилучшим оказался коагулянт АКФК, при применении которого степень извлечения глобулина достигла 92%.

5. При использовании флотореагентов Ca (II), Mg (II) и Fe (III) (в концентрации о.

10 мг/дм) извлекаемый глобулин сохраняет свои кормовые качества.

6. Установлены некоторые различия процесса электрофлотационного извлечения глобулина из технологического раствора (гидролизата) по сравнению с модельным раствором. Так, максимум оптической плотности гидролизата приходится на рН=7,0, модельного раствора — на рН=4,5−5,5,.

7. Степень извлечения глобулина из гидролизата электрофлотацией максимальна при рН=7,0 и составляет 17−18% (что составляет 70−72% всего глобулина, содержащегося в гидролизате). При добавлении АКФК степень извлечения глобулина увеличивалась до 23% (90−95% всего глобулина, содержащегося в гидролизате).

8. Разработаны теоретические основы технологии извлечения белка из гидролизата в цикле микробиологического производства с безреагентной коррекцией рН и регенерацией минеральной кислоты.

9. Установлена высокая эффективность электрофлотации при очистке сточных вод от белков, жиров и др. органических веществ. Например, при очистке сточных вод мясоперерабатывающего предприятия снижается содержание органических веществ ниже ПДК (с ХПК = 1000−4000 мгО/дм3 до 270−290 мгО/дм), степень очистки 90−95%.

10. Определено, что применение коагулянта АКФК при электрофлотационной очистке сточных вод от белков и жиров увеличивает степень очистки в 1,41,5 раза при одновременном уменьшении времени обработки в 4−5 раз.

11. Флотошлам, образующийся при очистке сточных вод предприятий пищевой промышленности, может использоваться в качестве сырья для производства технических моющих средств.