автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Разработка процесса мембранной очистки ферментных растворов

~ у. 1 V "?

• ^ I --< О

------------министерство науки, е11сшей школп

и технической политпкГГроссипскои федерации_

московский ордена трудового красного знамени институт прикладной биотехнологии

На правах рукописи

АРТЮХОВ, Игорь Львопич

УДК 66:577.15:577.352

РАЗРАБОТКА ПРОЦЕССА МЕМБРАННОЙ ОЧИСТКИ ФЕРМЕНТНЫХ РАСТВОРОВ

Специальность: Оо.18.12. — процессы, машины п агрегаты пищевой г, ром и ш л е нности

Л г. г о р е ф е р а т

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

москва 1992

Работа выполнена ва кафедре "Технологическое оборудовала цроцесоов отраоли* Мооковокого ордена Трудового Краевого Знамени института прикладной биотехнология.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор ЩЕРБИНА Б.В.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор МИЗЕЕЕЦКИЙ H.H..

кандидат технических наук, старший научный сотрудник ФЕТИСОВ Е.А. .

Ведущая органиаация - Тихоокеанский научно-исследовательский инотитут рыбного хозяйства и океанографии /г .Владивосток/

Защита состоится " 1$ " $(t*<.fdp% 199£ г, на заседании специализированного Совета К 063.46.01 при Московском ордена Трудового Красного Эиамени институте прикладной биотехнолоиш по адреоу: 109618, г. Москва, ул. Талалихина, 33.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан "76" cjet<a.Jf№ 1992 г.

Учений секретарь • специализированного Совета кавдидат технических наук,

доцент А.Г. ЗАШЛА

----------------------------------------------------------------РАБОТЫ

Актуальность теш. Применение ферментных препар^тсв п я»»«.-логки переработки биологического сырых предопределили го. роки о исследования, нанрс"?лоннне на их получение.

Одним из источников, богатых ферментами являются внутренности морсих рыб, который в осно2ксм перерабатываются на кормозую муку.

В настоящее время из внутренностей рыб получают жидкие ферментные растворы, путем центробежного разделения гош>гвкизЕрогаппи:£ внутренностей. Однако, использование неочищенных ферментных растворов затруднительно из-за высокой загрязненном-;, взвесями, мякраТию~ рой и невысокой активности ферментов.

Современные методы очистки предполагают использование сложных биохимических приемов к дорогостоющей аппаратуры.

Перспективными способами очистки ферментных растворо*, позволяющими сохранить натившо свойства ферментов, получить высокоактивный яре пара"', являются мембранные методы и, в частности, улътрэ-_ фильтрация.

Ультра-фильтрация, как правило, позволяет разделять биояоглчес-кде жидкости с наямепднш энергетическими и материальными затратами.

Основным преимуществом ультрафильтрации применительно к разделе» ига растворов ферментов рыбного лрояехоедения является возможиоегь поддержания заданных режимов процесса /температура, давление, рН, минимальные сдвиговые напряже ля а т.д./, позволяющих при удовлет • верительной проивводятзйьпоста оотпп ить биологическую актавностх ферментов.

Данная забота вшилнана в соответствии с календарным нианоа каучно-асследоваг "¡льской хоздох сворной работы /й 962 от 01.Л.89 г./ по теме "Разработка процесса очистки р_бных экстрактов для впработ»

ки ферментных препаратов" совместно с Тихоокеанским научно-исследовательским институтом рыбного хозяйства л океанографии и договор»! о содружестве /й С-0012 от 30.03.90 г./ на проведение совместных работ по мембранной очистке рыбных экстрактов с ВИИРО.

Цель и задачи исслодований. Целью работы является разработка процесса мембранного разделения растворов протеолитических ферментов рыбного происхсвдения.

Для достижения поставленной цели решалась следующие задачи:

- изучить физико-химические характеристики ферментных растворов рчх объектов ультрафильтращш}

- разработать требования к мембранам для разделения ферментных растворов;

- разработать модельные представления ультрафильтрационного процесса обработки ферментных растворов.

Научная новизна. Разработан процесс ;льтрафильтрационного концентрирования ферментных растворов, получаемых из внутренностей морских рыб; с учетом стабилизации активности целевого продукта.

Разработано гипотетическое представление о механизме взаимодействия высокомолекулярных гомпонен'тов ферментных растворов рыбного происхождения с мембраной, на основе которого сформулированы . требования, предъявляемые к мембранным перегородкам.

Разработана математическая модель улырафильтрационного процесса обработки ферментных раотворов рыбного происхождения, связывавшая основные показатели: биологическую активность ферментного препарата ц скорость улътрш£*ш>трационного процесса.

Практическая ценность работц. Создана опытно-промышленная улътрвфильтрацпонная установка на основе полых модифицированных волокон, которая прошла успешные испытания на рыбокомбинате "Владивостокский".

Сформулированы основные принципы расчета ультрафильтрационного

процесса при концентрировании ферментных растворов рыбного происхождения.

Разработан проект дополнений к ТУ 15-01-956-83 по производству очищенного препарата протеолитических ферментов из внутренностей скумбрии, ставриды, сельди иваси, лососей дальневосточных, сельди тихоокеанской, сайры в котором предусмоарвны технические предложения ло аппаратурному обеспечению процесса мембранного разделения ферментных растворов.

Разработана технологическая инструкция на процесс производства концентрированного препарата протволятических ферментов.

Технология иопнтана в условия* опнтно-эксперамвнтаньного участка flíHPO.

Апробапия таботц. Основные результаты исследований доложены и обсуждены на Всесоюзном научно-практическом семинаре "Пврспе* тивные направления использования мембранной технологии в о-чраслях пищевой промшшонности" /Руза, 1980 г./; Всесоюзном семинаре "Теория и практика регулирования качества соленой и копченой рыбной продукции" /Владивосток, 1989 г./; Всесоюзной научно-технической конференция "Интенсификация технологических процессов в рыбной шэошпленности" /Владивосток, 1989 г./; Всесоюзной конференции "Рациональное леполь-: зование биоресурсов тихого океана" /Владивосток, 1991 г./

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четы- , рех глав, основных результатов, описка литературы в приложений. Ос но- . вное co^jpxaiffie работы изложено на{57 страницах машинописного текста, содержит 29 рисунков и Ü таблиц. Список использованной литературы включает (б? наименования,

СОДЕРЯШГЕ деСЕРТАЦЙОШСН РАБОШ

По введении обсуадена актуально'-ть проблемы, показана научная и практическая значимость ее решения.

Ii первой главе содеркптся анализ современных способов и устройств, предназначенных для мембранного разделения ферментных и белковых растворов.

Показана целесообразность применении мембранных методов для выделения прстеоликпеских фар'лентов из растворов, получаемых п^тш центрифугирования внутренностей рыб. Сформулирована цель и щачи исследования.

Рассмотрены основополагающие работы по разделению белково--фертентнш; растворов мембранными методами Т.О. Хаханова, Ю.И. Днтнерского, Р.Д. Сойфера, ß.M. 1уцалш, Е.А. Фетисова, H.A. Ыарголина, H.H. Липе "таза, В.В. Алексеева, А.П. Чагаровского, A.Ii. Черкасова и др.

Кроме того, использованы работы по физико-химическим свойствам рыбных гомогенатов, являющихся исходным материалом для получения ферментных растворов F.H, Шкова, И.П. Леванидова, В.Г. Просел-кова, ТЛ. Слуцкой и т.д.

Иэучёнию процесса мембранного разделения биологически активных веществ посвящено большое количество работ. Однако при проведении ультрафильтрации ферментных растворов рыбного происхождения основным параметром, характеризующим течение процесса, становится про-теолитическая активность целевого препарата и степень его очистки» Поэтому при изучении реальных процессов разделения и концентрирования ферментных растворов, полученных из внутренностей рыб большое значение уделено проведению экспериментальных исследований для нахождение эмпирических расчетных зависимостей между скоростью ультра-фияьтрации -л активностью целевого препарата.

Во второй удаве исследуются овойства ферментных растворов, как объектов ультрафильтрацяи.

. Проведенные исследования показали, что в фэрментных растворах, полученных путем измельчения внутренностей рыб и после,пущего

дажрЕюугкраванвя, тссоьая доля сухих вевьога состаягл.-^ г + 24,1) %', массовая доля бейка (1,2 -ъ 1,6) %\ плоттстъ (1016 * 1040) кг/м3; протзолятическая активность: кислю аротам^.зн (рН 3,0) от 0,6 до 3,0 ед/г; нейтральные прогеяяагм (рН г;,с) от 2,0 до 7,0 ед/г; щелочи» протеина зи (рН Я,0) от 3,С до 11,0 ед/г.

Изучено деотруктирувирв действие иа йермзшина комппопгц рцбнуг раотаиров одвиянодх напряжений Измерения проводили ча приборе "Реотест-2". Зависимость наяряяешя сдвиг-а от храдиента скорости представлены на рис. I. Из графиков видно, что раствори ферментов, полученные из внутренностей рыб откосятся к ньютоновским яодкоотям. гя В . Па

Рис. I. Зависимость напряжения сдвага 0 от градигта скорости для фврмзппш ресгьорав. Т = 293 К. - массовая доля сухих вещесст: I- 8,5 %х 2 - 14.9 3 - 15,2 4 -18,8 %% 5 - 21,6 1л 6 - 24,1 %.

О 200 600 1000 1400 Т. о"1 Обработка экспертентаггмщ- даяних позволила получить сшость макч/ напряжением сдвига я градаертш скорости от матовой доли сухих ввщэотв в ферментк расгво; гх, которая щш^ш-лена вираяонием вида:

О - 1,8-10< ~г >48. ( Т - 273) ~Т ДГ> { I)

где: 0 - ,2апряженвэ сдвига, Па} 0 - массовая доля сухих

веивств, %\ 1 - текпоратура, К; У - грант ш? скорости, с""*.

Х.еннгш еа^сймсоть спрат эдлива для ферментных растворов о кассовой долей сух&к веществ о? 8,5 до 24,1 % в диапазоне температур от газ ло лз к.

Л'.иоство, что прл определенных значениях сдвиговых напряжений срдаскодит кнагтивэщш наиболее лабильных биологических структур.

из полученных экспериментальных данных найдена зависимость, > »воляющая вобрать наиболее благоприятные режимы обработки ферментных растворов с: различным содеркашем сухих веществ:

(2)

где: Г - время воздействия сдвигового напряжения, с;

10 - коэффициент, характеризующий условия проведения процесса ультрафильтрацяи ферментных растворов.

Иг зависимости (2 ) следует, что о увеличением градиента скорости сокращается время "мягкой" обработки ферментных растворов. Напряжение сдвига зависит "т градиента скорости, и это в свою очередь влияет на выбор параметров процесса ультрафильтрации ферментных растворов

Была неучена зависимость мэаду скоростью циркуляции в примемб-ранной зоне ультрарлътрацш злого аппарата /момбрака ШУ-5ША/ и с тепенью очной ¿и ферментов, 'которая в данпш случае -являлась показателем инактквирущег-э действия градиента скорости на активность ферментов. Пра этом, чтобы сниэьхь влияние других факторов, значения температуры, давления и массовое содержание сухих веществ под-двркгвалзе_ постоянными. Как видно из полученных экспериментальных данных /рис. 2./, при увеличения скорост.: циркуляции активность . Ферментов, то есть показатель степени очистки, падает. Таким обра-вмд, влияние скорости циркуляции на активность ферментов очевидно. Обработка аксперикентагмшх данных позволила получить зависимость степени очистка^} от градиента скорости :

____________________________________

где: ^ - коэффициент,характер:'зущяй сопротиьлшш кпшгшвар?.»

щему воздействию потока; ( для ламинарного рышма течения "¡[ ~ ¿р ) , С"1 ; СКОрОСТЬ ЕЯркулЛ1'Я.. *

волокна, м/с; с1 - эквивалентный диаметр дол ого волокна, м.

ю

о.ь 0,6 ы 0,2

1 •■■

1

-..... — 1 /У

Рио. 2. йзмонавиа степени очистли ферментов от градиент-та" скорости в процессе ул*-.?рафильтрадии. >293 К; Р = 0,10 Ша; 0 = 9,2 рН = 6,8.

1 - у = 941 с*1:2- £«¿705 с"1

з _ V =Г ЯА9П •

8470 с"

-г

О 36

Ц № М ЧЧ >£

4 - Т - Ю352 с'

5 - V = 150&« с"

-1

В ряде работ рассматриваются способы по уввл;п зшш времени аффективной работы ультрафильтрационных аппаратов за счет повншепи 1 скорости потока раствора над мембраной. Из этлх работ следует, что с повышением скорости циркуляции уменьшается толщина слоя поьыдан-ной концентрации у поверхности мембраны, который образуется вследс-твио концентрационной поляризации, что отрицательно ^казыва'тск на скорости фильтраций мембран. Однако повышение скорости ¡лотам раоа<-вора над мембраной способствует увеличению сдвиговых напряжений, а это, уз к извеотно, приводит к потери активности ферментов.

Таким образом, исходя из ¡экспврамвнталикн данных, при прочих одинаковшс условиях разделения фермоптних растворяя яеобходи«о либо увеличивать внутренний диаметр волокна, что не всегда цолисо--образно /исходя из требовании хошактносм/, л:кК> умвымь скорость циркуляции потока в аппарате.

В трпй-^ хукиа прсвелени результаты исследований процесса улъ'хуг^иирагзи Фермонтных раотьоров, определен тип и параметра ыембрани.

Так как основной палью работы было получение фердантного препарата о высокой активностью, то исследовалась допустимая степень счеом-и ферментных прзпаратса-подуфабрикатов от балласт-тис веществ. Результаты экспериментальной проверки свидетельствуют /рлс. 3./, что полное удаление балластных веществ нецелесообразно, т.к. в шрздеяэшшх конпонградаях они выполняют функция стабилизаторов активности ферментов. Из графиков видно, что в процессе р1ътра?;41лътрашц происходит увеличение массовой доли сухих вегдасет. Однако, по достижению определенной величины, содержание »..¿адовой доли сухих веществ в кондак-грате начинает пядать, при адом снижется и активность ферментов. Предположительно, что увеличение кондапграциа фермента и белка способствует протеканию ферментативных реакций. Так как продукты ферментативной реакции в белластнш вещества переходя® в фильтрат, то и наблюдается онишние массовой доли сухих веществ в концентрате. Вместе о балластными вещества!® в фильтрат невидимому переходят в стабилизирующие агенты, поэтому очвденннй ферме®: чувствителен кнагре-вошю, что подаверадаетоя полученными экспериментальными данными.

Установлено, что ультрафшгьтрашонную очиотку ферментных раоТБСров волосообразно осуществлять до содерааяия массовой доли сухих веидаств не далее 6,4 Дальней®« уменьввние масс свой доли сухих вещэсга в фермоигном растворе не способствует увеличению активности ферментов, а приводе к ее резкому снижению /рис.З/.

Термолабяльиость ферментных раотворов рыбного происхождения определяет технологическую последовательность опарашй очист- I ки и глубину их осуществления. На основании этих исследований

установлено,-что процесс ульгреА;лътрадаи ферментных растворов рыбного происхождения необходимо проводить после хорошей предварительной очистки. Необходимость предварительной очестки заялюча-ется в том, чтобы вывести иэ ферментных растворов кругогуе белковые частила, разнообразные взвеси и микрофлору. Для устранена» этих факторов наиболее подходят аппараты тонной фильтрации. Кама бнло разработано устройство, основанное на совместном аопояьвгг ят дантробеяного поля я фильтрационного а!феята. При этом из раствора удаляем я около 6,4 % оухих вепестз.

Очистку растворов от микрофлоры и балластных белков ооущэоет-ллли о использованием микрофяльтрадаонной мембраны типа UUIlpor /размер оор 0,22 та/. С цель» снижения вязности фермэнтного раствора к нему добавляли дштвддироваиную воду, в количества | соответствующем количеству отводимого фильтрата. Использование микрофильграцйи позволяет снизить содержание кшкроЗлори ва 99,2 % и балластного бежа на 36,4 %. При втш удельная активность фершнтов увеличивается в 2,8 раза.

Следующим этапом исследований бия подбор ультрафияьтрадаошшй мембраны для осуществления процесса регулирования оодеряания сухих веществ. Для этого исследовались отечественные мембрана, включая ацетат-целлюлозные /типа УКМ/, фенилоновые /типг ВПУ/, Еолисульфонвмадные /типа УЩ/. Результаты ультрафильтравдонного разделения, иродотавленные ва рт. 4, свидетельствуют о sou, что мембраны типа БПУ-Шй имеют ваябольиу» производительность при прочих равных условиях. Полученные результаты подтверждены литературными данныаи и свидетельствуют о хсы, что фвркевтнае растворы эффективнее коядеотгрируигся о использованием аппаратов разделительных ультрафильтрадаонннх на полых волокнах 1ипа АР.

21 Рис. 3. Динамика степени / \

счистки Ферментов (д^) и содержания , , \ ' сухих веществ (С) в цродасое ультраФильтрации., Р = 0,1 Ша, = 0,5

---шзсовая доля.

сухих веществ (С}, %;

активность

180 252 Г-Ю"2, о

-относительная

протеолиткческая

То'

температура обработки Т = 2ВЗ К! х -1 в 293 К;

Д - Т = 303 К; о - Т = 313 К.

9 В 7 6 5 4 3 2 I

Л'ХО6, ^/к2-«? с, %

21 18 15 12

9 >

3

Рис. 4. Кинетика ультрайильт-

J - скорость ультрафильтрации, о;

С - массовая №>2Я сухих веществ, %,

Р с 0,10 Ша; . V/« 0,5 м/о; Т а 28В К; РН в 6,2. оелектйвнооть по ментам/м.м, 25С_. , % не менее с 98? 96,8; "е.95,4: 96,2; ~ 95,6.

I , 1'-УАМ-1Ш:

О 18

51

90

106 Г-10

-2

г - вго-_.

3'- УПМ-50: 4 ,- ВПУ—10&ХА; 5' - ВИУ-5СШ..

----------Веджо, это можно объяснить тем, что э полегл волокне за счет

специфических уоловий гюфодигамкчеокого потока лучшие осувлствл.«-ется очистка филмрушвй поверхности.

Дальнейшие исследования по концентрированию фертгшш растворов и очистк». их от балластшх веществ а использованием пояавояо-хошш шмЗрап типа ВПУ-50ПА показали, что проницаемость ьшбрлч существенно падает в процессе эксплуатация, особенно в начальный период работы, когда влияние кондентрашонной поляризации минимально. Специально проведенными вксперимеитама было установлено, что падение производительности ультрафильтрадаояного аппарата связано о взаяыодейотвием белковых частиц о поверхностью мембраны. Так, при проведении процесса отерилизующзй микрофильтрадаи /размер по» 0,22 ит/, феркентянх растворов по ¡.эзультатам опытов бняи построена ■графики /рис. 5./, которые свидетельствуют, что продаос микрофильтрации протекает по закону полного закупоривания пор. Здесь нызлюдаетоя существенное влияние поверхностных взаимодействий на кинетику процесса.

При использования ультрафильтрациопной мембраны с задерквгак-способностью 25 таг. Да по белковым кослпокэптам, при прочих одинаковых, условиях процесса не наблюдается резкого снижения проницаемости.

В связи о тем, что ферментные раствора рыбного происхождения яооле предварительной очистки содержат в себе балластные вещества, бшш предприняты попытки удаления их о использованием ступенчатой ультрафияьтрадая. на мембранах с равной оадеранваюврй способность» по молекулярным массам.

Так как ферментная фракция представляет собой вещества о молекулярной массой от 25 тью. до 35 тыс. Да, то использовалась мембрана типа ВПУ-100 ПА с номинальной эадеркиваодзй оцособностью 100 тыс. Да. Предполагалось задержать балластные белки на мемЗрвно.

Однако, нри использовании мембраны о заведомо большими порами в фильтрат перешло на более 6,2 % фермента. При этом, как и в случае о шфофилътрационной мембраной происходит снижение проницаемости.

Чтобы установить механизм, по которому происходит блокирована мембраны белковыми веществами нами были проведены опыты о иояояьзовакием модельных ферментных и белковых растворов.

Б качестве модельшх были приметаны сяедушдае раствора: (а) - 0,05 % раотвор пепсина о 6 % №££ при рН 6,5 /молекулярная масса пепсина 32 тыс. Да/; (б) - 0,05 % раствор трипсина о 6 % при рН 6,5 /молекулярная масса трипсина 23,8 тио. Да/}

(в) - 0,05 % раствор миоальбумина о 6 % А'йЗС при рН В,5 /молекулярная масоа миоальбумина 150 гас. Да/.

Разделение проводили на ультрафильтрадаонной мембране' типа ВПУ-10С0А. С далью уменьшения влияния сдвиговых напряжений и температурных факторов на активность ферментов, процесс ультрафильтрация проводили при установленных условиях: Р = 0,10 МПа, у/г: 0,5 Т а 283 К»

В табл. I» представлен» даяние ультрайилмрационного разделения модельных растворов оодеравдих белки о разной молекулярной шооой. При сравнении количества белка, осевшего на мембране установлено, что значительное блокирование пор мембраны происходит при ультрафильтрации растворов белков о мзньшей молекулярной иаооой. Иооладовашя показали, что при уяьтрафильтращш модельных растворов (а) * (б) происходит незначительное концэщафование фермента. При этом оледуе? отметить, что мембрана ВПУ-100Ш. црактичеоки не селективна для дайнах ферментов. Однако предполагаемого парохода фериеета в фильтрат, ори кратности концентрирования 0 = 4 не происходит. Очевидно, иго связано о взаимодействием фер-

мента с поверхностью мембраны. Вследствие этого взаимодействия уменьшается номинальны?! размер пор, что подтверждается падением проницаемости мембраны и увеличением селективности по разделяемому белку /ферменту/. Падение проницаемости тем заметнее, чем больше осакдаетоя белка на мэмбрапе. Установлено, что чем маныго молекулярная масса разделяемых белковых компонентов по сравнению с номинальным размером пор ые^раны, тем сильнее происходит их взаимодействие о мембраной.

Таблгда I

Ультрафильтрация модельных белковых растворов через мембрану ВПУ-1СХШ. Р о 0,10 Ша, м/ « 0,5 и/о,

7 ' v т. б;,б.-777;;;.,:;; „ "г." "'77 "

Т-!-

Распределение белка в [Потери ¡Скорость

процэосе ультра&ильтрации, %)белка !фяяьтра-

----:---!на 1щи

Кокдантрат t Фильтрат Шембра-! е

-!по, "

{краткость Раствор !контан-

!ТрИРО-

!ванвя !

! Ф

!

:Теоре-1Факти-1Теоре-!Факти-тичео-!ческй" !тичео-!чеоки m i |ки !_

¡10 - J

с

(а)-раот- 1,3 75 57,8 25 11,7 0*5 вор пепсина

Жм. = , 2 50 73,4 50 22,3. 4,3

32 тда.Да/

4".-----25---60;6'-—75"' 33,-5- --5,9 ;

(.6) - раствор тишина /ш.и. =, 23,8rao.W

1,3 2

4 4

75 50 23 -

72,6 25 46,8 50

as ,6— 75

20,2 38,7 53 ;4-

7,2 14,5

18

(в)-раст- 1,3 130

вор миоаль-

бумина /М.м. 2 200 150 тао.Да/

....."4..... ;400-

И г Í t ■ • ■ ' '"Н •» "

129,6 0 0,02 0,38 197,2 0 0,08 2,7 ~394;9_7 7р 0,12.-. ;,\4;,-9.7

.31

Эдесь мояно прсслздить аналогк» о {трофильтрациояной мембраной при разделении реальных Ферментных растворов, получаемых из внутренностей рыб, которая значительно блокируется белковыми компонентами по сравнению о ультргфильтрадаоняой мембраной.

Таким образом,мокно сделать вывод, который подтверждается , литературными данными, о той, что белковые частиш хуже адаорби-. руются в порах о диаметром 200 в да нее I , Тем более, что основными белковыми компонентами ферментного раствора рыбного происхождения являются белки о молекулярной массой от 18 тнс . до 150 тыс. Да в размерами макромолекул от 22 до 74

Так как отечественные ультрефильтрационные мембраны, предназначенные для разделения коллоидных растворов в химической промышленности, мало эффективны и бистро загрязняются ¡при работе на белковых растворах, особенно таких, как ферментные растворы рыбного происхождения, то его предопределило дальнейший ход работы. В . этой связи бала проведена работа по. ооздавшо мембрана с пониженной адсорбцией белковых веществ на ее поверхности.

Для этого, о учетом опепефичеоких овойота ферментных растворов рыбного происхождения разработаны требования к мембране. Основным требованием, предъявляемым к мембране было увеличение проницаемости, эа счет повышения гвдрсфильности поверхностного слоя мембраны, а также снижение адсорбции белковых вепззств на мембране, путем увеличения сродства -¿евду полимером мембраны и разделяемыми компонентами ферментного раствора.

Работа проводилась бовместяо о НПО "Химволокно", г. Мытищи, Московской области. В качестве походной мембраны для модификации использовали полые -волокна типа ВПУ-бОШ и-ВПУ-ЗОША.

Модификацию мембран осуществляли методами аминирования и сульфирования поверхности.

М

— ^Результата ультрафильтрационного разделения $ермеитннх растворов рыбного продахождения на гюдаТядарованннх мембранах пр? "отелены в (табл. 2 ) .

Таблица 2

Ультрайчальтрапия ферментных растворов на модифицированных мембранах (Рвх/внх = 0,10/0,08 Ша , = С,5 к/в. 'Г 2<У> н).

]

I Массовая ! » ! ! доля белка I

ц.п.! Мембрана ] на поверхности |

I

I

Скорость фильтрации

| мембрана 0Й , %

IЛ • ю6, «?/*&>! С ,Л/А

I. ВПУ-5ША {исходная) 1,24 3,2 • П,5

2. БПУ-50ПА (аминированная) о.ег 3,5 12,6

3. ВПУ-5СИАМ (сульфированная) 0,63 4,9 17,е

4. ВП7-100ПА (исходная) 1,95 2,7 . 9,7

5. ВПУ-100ШШ {ешкгрсс&ниая) 1,07 3,3 И,6

6. ВПУ-ЕСШАм (сульфированная) 0,66 5,в 20,2

Анализируя получений експершентйлышЯ материал могло установить, что наибольший эффект ваблвдаагоя при оульфирсшании мембран. при атом,проянцаемооть юмбран увеличивается в 1,5 + 2 раза.

Народу о увелкчэниёы проницаемости, положительным моментом кодификации мозага считать тот факт, что степень закрепления белков их компонентов на поверхности модифицированной мембрана значительно слабее, чем это происходит на обачннх мембранах /рве. 6/. Из графиков видно, что ари регегорашй-моди£ицйрс®анной

7 в 5 4 3 2 I

Л-ю6, о

-I'

н

\

/- —1

N

Ч1

V 2

Ч к

100 90

во

70

Ряс» 5. <Мект взаимодействия рыбных белков о мембраной. Р = 0,10 МПа; Т = 293 0,5 н/о.

1 , х'- скорооть «чшьтраши J в селективность V мембраны ВПУ - 50ПА.

2 , й'- скорооть фильтрации »7 и селективность "Р мембраны М ¡Шрог

/\Jf22 ИКЬу «

О 18

64

90

126 Г10 ,о

а-ю6, ^-о

Рко. 6. Динамика очистки мембран моющими средствами. Р =0,15 Ша; и/ а 0,9 и/о} т . з!з К.

О - мембрана ВПУ-5Ш4; О - мембрана ВПУ-бШАм.

Г-Ю~2,о

1.1- ультрафильтрацвя диствллироваиной воды;

2.2- ультрафильтрах®! ферментного раствора»

.3,3- ре генерация шмбравд дотшиираваниой водой; /

4,4- ультрафвльтрация дистиллированной воды, после

регенерагия меиЗравд моющим средством; 5,6- повторная ультрафильтрацяя ферментного раствора.

мембраны водой, первоначальная лрокздреиостъ восстанив.щЕзэотсл гг> 66,7 %. В случае не модаТгяцироватю" мзмбраин,обработка ропоЛ позволяет восстановить исходную прокпзаемосхь на 26,4 Л. Ралчетр показывают, что о теперь закрепления белка на обычной м'ийр^пе. н 2,2 раза сильнее,-чем на модифицированной. Ыода^ицировапная: мембрана легче поддается регенерации, что сократаст вреыя мг^и.

Таким образом, применение моди^ппированняг мембран позволило ускорить процэсс коппектрирования и очистки ферментных растворов рыбного происхождения в 1,5 раза.

В четвертой гдвве проведен теоретический анализ процеоса ультра^шштрвцш Ферментных растворов рыбного проясхождепя в определены рациональные решма работы.

Исходя из литературная -аштх в области исследования баромеч-бранпых процессов разделения белковых растворов, к которш относятся и ферментные раствори рыбного происхождения, и результатов собственных исследований, на проницаемость я селективность мембран оказывают сутцгсГвокное влияние: рабочее давление, скоросаь циркуляции разделяемого расхвсра з надм&лбранной зоне ашарвта, температура раствора и содержание сухих веществ.

Характерной особенностью процесса ультрафильтрашс ^ормент-ннх растворов равного проиеховдения является сохранение активности фгрмеягов в готовом продукте /концентрате/, при условии обеспечения удовлетворительной производительности ультрафильтрацпонйого аппарата.

Таким образом,предзтезлжтся целесообразным Еибор в качество основа« характеристик прошеоа.во-тарвнх, активности йермоятиого котузптрата, а зо-вторых?проштцаег,5ости мембраш /скорости ульгра-фияьтрацид/'. По этому, бда.о проведано ряд предварительных екепери-ментов по изучении влияния давления, скорости циркуляции, теше-

ратда и содержания сухих веществ на кинетику проницаемости ыеиЗ-рак и ферментной активности получаемых концентрате®, а также ¡теоретические исстадования, направленные на построение математической модели процэооа ультрафилырашя ферментных раотворов рыбного происхождения»

Из предварительных экспериментов следует, что увеличение скорости циркуляции ферментных растворов в канале.ультрафильтраца-онного аппарата вызывает увеличение сдвиговых деформаций /рио. 2/ и как следствие,частично инактивзрует фермент.

Poos доли сухих ведает» в концентрате в процэссе ультрефяльтра-даи ферментных раотворов увеличивает активность /рио. 3./.

Для описания суммарного влияния скорости цяркуляпяи W а массовой доля оухих вещеотв С на активность А можно применить метод произведения функций, согласно которому.

JI =ilt(w) (4)

где: j ~ степень очистки /относительная удельная

^ 0 активность/, уо.ед-ая. j А0 - исходная активность, ед/г j А - текутая активность, ед/г { 0 - массовая доля сухих ебщвств, %; w - скорость циркуляции, и/Of Т - время, о.

Первый сомножитель может быть описан математической зависимостью адда Г .

где: J - коэффициент,характеризующий сопротивление внатдаширую-щему воздействию потока? ^ = - скорость сдаига в канале ульт^«фильтредионного аппарата, о"'j d - эквивалентный диаметр полого волокна, м.

Для изучения активности ферментов в процессе ультрафильтраци-ошюго концентрирования растворов были проведены экспериментальные

исследования, результат« которых представ левы ачоаки на рио, 7, Исследования проводились при минимальной скорости ноюуа в ультрафильтрациоютом аппарате = 0,5 14/0 /, чтобы снизить

л

инактизирущее дзйотв"в сдвиговых напряжений.

Обработка экодаршзнтальшх данных на ЗШ позволю», предложить математическую зависимость для описания изменения яктквтгос-ти А от массовой доли сухих веществ:

XI 2<0> = ^ =с-0)(с,т) °о) (6)

где: С - масоовая, доля сухих вещзетв, Ш (С,Т) - поправка, учитававдая аномальное влияние массовой доля сухих вопрс-ч С н • температуры Т на активность А ферментов.

В результате для ошюапя зависимости А от С и Т предлокзпа полуэдаирпческая формула вида:

^ Iе » ,й С^* + V -9

где: а1т)«д+УТ ед./г; 0(Т)-Л'.е { ) = 6,079-10

«Г = 9,998 ; £ = - ЗДЭ-Ю""0 еД«/г-К ; X = 15,37;

■0= 1,43-10 3 с"2; £ = - 5,48 с"^, - эмпирические коэффициенты.

Как видно из уравнения (7) в него входит неизвестная функция 0(Г) , описав шоп-дя рост массовой доли сухнх ввпротв в процесса ' ультрайильтрациокной обработки фармэнтних раотворав. Полагая, что лимитирующее влияние на ультрафшштрацяоннн? протзгео окаэшчает явлвнш кожюнтрадаопной поляризации, можно воспользоваться уравнением Мкхаэлса-Блаата, для связи скорости улмре$ильтрацш J с мяооорой долей сухих вепвота:,

о№~ С,

т;к.б1~-Д . (а)

° С -С.,

ф

где: К - косхТфацяент массопередачи, ; С*~ мезсовая доля

сухих веществ на хранинв раздела "раствор - мембрана", %} Сф - массовая доля оухкх веществ в уяьтра$1ш>трате,%; О - текущая массовая доля сухих веществ,

Изменение массовой доли сухих ведоств в процессе улмра-фильтрашш можно виразигь да^еренцаяьнда уравнением вида:

(¡С Р (с -с«)2 р С»-Сд , .

где: поверхность мембраны, иг ; ^- тачальный объем раствора, м^; С0 - массовая доля сухих веществ в иоходном растворе,

В ряде работ теоретически и вксперяментально показано, что коэффициент массопередачи через мембрану К зависит от скорости циркуляции V/ и температуры Т и не зависит от содержания массовой доли оухих веществ О в растворе. В этом случав уравнение масоопередачи примет вид:

т , . п

где: в 3,81-Ю-7 ^/м2 с - коэффициент маооопереноса при Т в-Тх , К; W 1 , и/о; Л1 ? 0,093; Л = 0,683| Т - температура, К ; \л/ - скорость циркуляции, м/с.

Константы ^ ,1Т1 , И определена методом последовательного исключения переменных.

Согласно гипотезе Шрсона и Дданетти,значение С равно осмотически равнск,ту для дав пения, равного рабочему, т.е. в этом случав следует воспользоваться модифицированным законом Ванг-Гой£а. ' .

Из "анализа вкопершэнтальнах вависимостей Л от (^С /рас. 6/

го

60 50 40 30 23 10 о

А , ед./г

Т=283 К Т=293 К

'Рве, 7. Завлслмоегь актвт..-«©?«

фергжк^ют t>3crn«"vo« oí МАССОВОЙ ДОЛИ сухих веществ о и те^юрртурь

Т=303 к Т'^ЗТЗ к

20 С, %

Р = 0,10 Ша; рH = W= 0,5 м/с.

9 8 7 6 5 4 3 2 I О

J.io5, »V|&c

2,1 2,3

2,7 3,1

3,5

Peo. 0. Зависимость скорое*.; улътра^илътраиии

ОТ ffâOCOBO'i цолй сухих вопюств С з Аормеитных раствора;*., даЬ^анал г и скорости циркуляции потока п волокне w . Т ^ 293 К.

I -Р = О.Тл щта, w = ь,4 м/с.

2 - Р = 0,10 Ша,

0,1 м/с.

3 - Р = OJO MUR,

0,4 м/с.

4 - Р = 0,16 Ша,'

0,4 м/с.

5 - Р = 6,16 ffiîa,

W = 0,9 м/с»

6 ~Р в 0,Х6 Ша,

>«=Х,Зй/о.

ZL

получена формула для ^.аочета о при удыра^илирации Фермэнтпшс ростаорта:

0*яи£&Р {п)

T-ÍP + 7,5*IÖv где: Р - рабочее давление, Па.

Принимая во вкшание внтеиаложенное, математическая модель рроцэсса ультрефильтрадаи ферментных растворов может бить прадотввлвна в виде системы уравнений} (9);(8)} (7)» (И) ; (10) при начальных условиях С |0)= С0 *4(0)«= А0 •

Величины F , Оф , anf 6in В У целесообразно рассматривать в раыках данной попели как константа. Задаваясь значениями Р, Т , w исто, решав ди^еренцальное уравнение (9) я подставив его решение в (в) и (?) , получить аналитические зависимости, описывающие кинетику процесса ультрафильтра, щи фермеотних растворов по осковнда его характеристикам - сг.орооти улътрефяльтрации и активности А.

Зависимости (7) - (II) положены в оонову методики расчета рашональнах ре&имов процесоа ультргфильтращш ферментных раотво-ров, реализованной в виде алгоритма и npoipawMa для SBH.

Результаты раочета по данной методике, проведенной для начальных условий: площадь мембранной уотановки /Г>= I и2» массовая доля оухих веавств в исходной растворе С0 = 9,6 исходная активность ферментов А = 7,4 ед./г, позволяет рекомендовать в качестве рационального следующие режима процесса? рабочее давление Р = 0,15 Ша; скорость циркуляции w = 0,7 у/о и температура раствора Т в 293 К, при этом активность долевого препарата А я 42,9 ед./г .

Для проверки едекватнооти предлояеяной модели реальному процессу бал проведен полный факторный эксперимент, результаты 'toro-poro хорошо согласуются с результатами раочета по аналитической

модели /расхождение по показателю активности А составляет не более 15 % /.

Блок-схема и программа расчета ультрейшатрациодаого провзосп очистки и концентрирования йяршнтннх растворов представлены в диссертационной раб гее.

ВЫВОДЫ

1. Определены физико-химические свойства (Г-ерментннх растворов, полученных из внутренностей морских рыб /содержа!юе сухих веществ, вязкооть, плотность, водородннй показатель, содержание белка и активность ферментов/,регламентирующие ультрафилътрашояннй нропрсо»

2. Выявлены основные факторы, влиявшие на процесс 'ультре?чиьт~ рация ферментных растворов рыбного происхождения.

3. Сформулирована гипотеза о природе поверхностных взаимодействий в сготеьга: раствор ферментов - ультра^ильтрационная мембрана.

4. На основе изучения поверхностных вьшдодгЗствий ^ермейгио-го раствора о разделяющей перегородкой, разработаны требования h мембране, на основании которых разработана модифицированная мембран.

5. Построена математическая модель ультрафильтрадионного про- ' цесса разделения ферментных растворов рыбного происховдения, которая позволяет связать скорость ультрайильтрьцил с активностью целевого продукта.

6. Результаты анализа математической модели пропеоса бшш использовала при планирований полного Факторного гг.спершонта, в результате которого получена рабочая модель в (¡ар,к рехрессяошш. уравнений, адекватно опиеявагатя реальный процзсс и пойволяогоя осукрстяить обоснованный выбор рационального рвжша ультрафильтрации фермеигчвх растворов рыбного происхождения.

7. Исследовались различные вида ультрв^апьтрзпяоияях аппаратов

и било установлено, что для разделения растворов форшитов рыбного проиохоздешя наиболее подходят аппараты на основе полых волокон.

8. Создана опытно-промышленная ультра>ильтрационная установка, укомплектован, ая модайияфованными полами волокнами типа ВПУ-БСШы, которая прошла успешные испытания на р/к "Владивостокский".

9. Разработан проект дополнений к ТУ 15-01-956-88 на прмеоо производства очищенного препарата протеолоти^еоких Ферментов, а тшал тохлологячеокая внотрукпия на процесс производства концентрированного препарата протеолитических ферментов.

Придагзниэ мембранного метода очистки в концентрирования, позволило увеличить активнееть ферментов по отношению к иоходной в 8,5 4-14,0 раз. При от ом, использование очищенного ферментного препарата, ускорило процеоо оозревашл при посоле рыб на 48 + 52

До теме диооортадии опубликованы работы?

1. Щербина Б.В., ПвембнекаяВ.Н., *риохов ИЛ. Явление концентрационной поляризации при ул^.трафильтрации растворов, содераащах бзлки животного црояоховдения. - В об,: Перспективные направления иопользованяч мембранной технологии в отраолях пищевой промытаен-

шотв, Тез.докл Воеооюзного семинара - Рузе, 1988. 0. 17-18.

2. Щэрбяна Б.В., Артюхов ИЛ., Слуцкая Т.Н., Вийяр Т.Н. Доследование процесса шмбранного получения протеолитических ферментов аз "нутрвгностей рыб. - В сб.: Теория и практика регулирования качества соленой и копченой рыбной продукции. Тез.докл. Воеооюзного семинара - Владивосток, 1989. С, 79-8". ДШ.

3. "Ьрбина Б.В,, Артвхов ИЛ., Слуцкая Т.Н. Применение мзмбран-ннх штодов дл*, рационального использования внутренностей рыб. Тез.докл. Всесоюзной научно-технич^окой конференция. - В сб.: Интен-ои?1кация т&снологвдеских процессов .в рыбной чромыпг знности --Владивосток, 1989. С. 80-81.

4. Артажэв ИЛ., Блыпская О.В. Влияние улмра^льтрацаонгюго прогрооа на протеолигячеояу» активность рыбных фврмэятов. - В сб.: Рациональное использование биореоуроов тихого океана. Тез.докл. Всесоюзной конференция - Владивосток, 1991. С. 219-221.

Формат 60x84 1/16. Бум.тип. Д 3. Печать офсетная. ПОТ.Л. 1.5. Уч.-иая.л. 1.00. Тираж 100 экз. Зэодз 677, Кортол и тог рэ (¿ж я Омского СХИ им. О.М.Кирова, Омск-6, Сибаковскзя, 4