Технология производства биосорбента на основе осадочных пивных дрожжей

Для повышения сорбционной емкости в предлагаемом способе получения биосорбента, предусматривающем иммобилизацию белка на целлюлозе, с последующей модификацией поверхности и стабилизацией биосорбента, в качестве белка используют β-казеин, который наносят на обводненную микрокристаллическую целлюлозу при температуре 30-50°С в соотношении 1:5:7 в виде 5-15% раствора гидроксида натрия.

Перед проведением иммобилизации  целлюлозу смачивают водой в  соотношении 1:1:5. В качестве газообразователя используют соли аммония и угольной кислоты в количестве 1-3% по массе к микрокристаллической целлюлозе. При этом процесс ведут при перемешивании в течение 5-10 мин и температуре 20-25°С с последующей сушкой под вакуумом.

Стабилизацию проводят ацетоном или этиловым спиртом, подкисленным соляной кислотой до рН 4,6 в течение 2-5 минут с последующей досушкой на воздухе.

Способ получения биосорбента заключается в следующем.

Для получения β-казеина в обезжиренное молоко в качестве высокомолекулярного осадителя (флокулянта) вносят 1-2% раствор метилцеллюлозы в воде. Предварительно метилцеллюлозу вносят в теплую воду с температурой 50-60°С до получения 1-2% раствора. Смесь выдерживают 1 час. Температурный режим обусловлен следующими ограничениями. При температуре ниже 50°С и выше 60°С процесс коагуляции идет дольше.

Полученный коллоидный гель метилцеллюлозы вносят в обезжиренное молоко в соотношении 1:2 по массе и термостатируют при 10-15°С в течение 8-10 часов. При внесении раствора метилцеллюлозы в меньшем количестве не происходит полного осаждения казеина, при увеличении же массовой доли раствора метилцеллюлозы выход казеина остается неизменным, а расход компонентов увеличивается. Расслоение белка и полисахарида при температуре ниже 10°С проходит частично. Выше 15°С разделение не происходит.

Данный способ концентрирования казеина основан на двух физико-химических явлениях: ограниченной термодинамической  совместимости белков и полисахаридов  в воде, а также более высоком  осмотическом давлении раствора полисахарида по сравнению с осмотическим давлением  раствора белка. Смешивание растворов  белка и полисахарида в определенных концентрациях приводит к образованию  двухфазной системы: нижняя фаза - концентрат казеина, верхняя – это полисахаридная фаза. Через межфазную поверхность происходит перенос воды из раствора белка в раствор полисахарида до установления фазового равновесия, что обусловливает концентрирование казеина.

Нижний слой, содержащий казеин, отделяют на делительной воронке.

Выделенный β-казеин растворяют в 5-15% растворе гидроксида натрия в отношении 1:5:7. Согласно физико-химическим свойствам β-казеин является кислотным белком. Поэтому он будет растворяться в щелочах с небольшой концентрацией без денатурации. При концентрации гидроксида натрия ниже 5% β-казеин плохо растворяется, выше 15% – может наступить необратимая денатурация белка. 1 часть β-казеина растворяют не более чем в 7 частях раствора гидроксида натрия, потому что повышенный объем жидкости увеличивает процесс сушки.

Целлюлозу смачивают водой  при отношении 1:1:5. Повышенный объем жидкости также увеличивает процесс сушки. Растворение и смачивание компонентов необходимо для улучшения перемешивания.

В качестве газообразователя используют соли аммония и угольной кислоты в количестве 1-3% по массе к микрокристаллической целлюлозе. Гидрокарбонат аммония при температуре легко разлагается на углекислый газ и воду, самопроизвольно удаляющиеся из смеси и не загрязняющие конечный продукт контаминантами. Массовая доля газообразователя ниже 1% недостаточна для модификации поверхности биофильтра. Увеличение же массовой доли свыше 3% не влияет на сорбционные свойства биофильтра, но увеличивает себестоимость и время сушки.

На рис. 1 изображена схема промышленного получения биосорбентов.

 

Рис. 1 Схема промышленного получения биосорбентов

 

Раствор β-казеина и смоченную микрокристаллическую целлюлозу вносят (схема) в химический реактор (1), где происходит непрерывное перемешивание продукта. Через 30 минут в тот же реактор вносят газообразователь.

Перемешивание продолжают 15 минут. Влажную смесь с помощью  объемного насоса (2) переносят в распылительную сушилку (3). Калорифер (6) поддерживает температуру не выше 50°С. При распылительной сушке гидрокарбонат аммония разлагается на компоненты, увеличивающие сорбционную поверхность биофильтра.

Сухой порошок с помощью  циклона (7) и элеватора (9) помещают во второй химический реактор (10), обрабатывают в течение 2-5 минут ацетоном или этиловым спиртом, подкисленным соляной кислотой до рН 4,6 в соотношении биосорбент: стабилизатор 10:1:2. Использование ацетона, этилового спирта и соляной кислоты обусловлено разрешенным их применением в пищевой промышленности. Ацетон и спирт полностью легко удаляются из системы при дальнейшей сушке. Соляная кислота нейтрализует гидроксид натрия, образующаяся при этом соль хлорида натрия тоже применяется в пищевой промышленности и одновременно является консервантом. Выбранный рН 4,6 обусловлен изоэлектрической точкой осаждения β-казеина. Массовая доля вносимого стабилизатора свыше 2% не увеличивает стойкости продукта, а загрязняет его излишком соли. При обработке ниже 1% не происходит полного осаждения β-казеина и нейтрализации щелочи.

Окончательную сушку модифицированного  и стабилизированного продукта проводят в вибрационной сушилке (11).

Готовый продукт представляет собой белый с кремовым оттенком порошок без запаха, со специфическим  вкусом. Исследования сорбционной емкости  биосорбента без модификации неорганическим газообразователем и с модификацией проводили на результатах анализа сорбируемого количества иодид-иона. Результаты представлены в табл. 7, 8, 9.

Таблица 7

Показатели сорбционной  емкости биофильтра с массовой долей  β-казеина 1%

Содержание иодид-ионов, моль/л			Сорбционная емкость S, ммоль/г
До адсорбции Сисх, моль/л	После адсорбции Сравн,, моль/л
	немодифицированный	модифицированный	немодифицированный, Sнемод	модифицированный, Sмод
0,0100	0,0084	0,0040	0,0080	0,0300
0,0200	0,0154	0,0070	0,0230	0,0650
0,0500	0,0483	0,0260	0,0450	0,1200
0,1000	0,0812	0,0460	0,0940	0,2700
0,2000	0,1545	0,0880	0,2280	0,5600

 

Таблица 8

Показатели сорбционной  емкости биофильтра с массовой долей  β-казеина 5%

Содержание иодид-ионов, моль/л			Сорбционная емкость S, ммоль/г
До адсорбции Сисх, моль/л	После адсорбции Сравн, моль/л
	немодифицированный	модифицированный	немодифицированный, Sнемод	модифицированный, Sмод
0,0100	0,0890	0,0050	0,0055	0,0250
0,0200	0,0160	0,0110	0,0200	0,0450
0,0500	0,0425	0,0306	0,0375	0,0970
0,1000	0,0862	0,0630	0,0690	0,1870
0,2000	0,1690	0,1220	0,1570	0,3900

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 9

Показатели сорбционной  емкости биофильтра с массовой долей  β-казеина 10%

Содержание иодид-ионов, моль/л			Сорбционная емкость S, ммоль/г
До адсорбции Сисх, моль/л	После адсорбции Сравн, моль/л
	немодифицированный	модифицированный	немодифицированный, S немод	модифицированный, Sмод
0,0100	0,0094	0,0060	0,0030	0,0200
0,0200	0,0165	0,0140	0,0175	0,0300
0,0500	0,0440	0,0350	0,0300	0,0750
0,1000	0,0910	0,0790	0,0450	0,1050
0,2000	0,1830	0,1550	0,0850	0,2250

 

Способ получения биосорбента, включающий иммобилизацию белка на целлюлозном носителе, отличающийся тем, что в качестве белка используют β-казеин, в качестве носителя используют микрокристаллическую целлюлозу, модификацию осуществляют при 30-50°С в щелочной среде с последующим вспениванием суспензии путем введения в нее газообразователя, сушкой, стабилизацией путем обработки подкисленным раствором ацетона или этилового спирта и повторной сушкой на воздухе.

Способ в котором в качестве органического носителя используют микрокристаллическую целлюлозу, на которую при температуре 30-50°С иммобилизуют β-казеин с последующей модификацией неорганическими газообразователями и стабилизацией.

Способ, отличающийся тем, что  β-казеин выделяют из обезжиренного молока флокуляцией с использованием в качестве флокулянта раствора метилцеллюлозы 1-2% по массе, при соотношении обезжиренное молоко: раствор метилцеллюлозы 2:1, при температуре 10-12°С.

Способ, отличающийся тем, что  иммобилизацию осуществляют смешением  компонентов, предварительно β-казеин растворяют в 5-15%-ном растворе гидроксида натрия в отношении 1:5:7, а целлюлозу смачивают водой при соотношении 1:1:5.

Способ, отличающийся тем, что в качестве газообразователя используют соли аммония и угольной кислоты в количестве 1-3% по массе к микрокристаллической целлюлозе.

Способ, отличающийся тем, что  используемые в качестве стабилизаторов ацетон или этиловый спирт подкисляют соляной кислотой до рН 4,6.

 

 

 

 

2. Расчет печи для сжигания пивной дробины

Количество необходимого топлива для сжигания промышленных отходов определяется расчетом. Задаваясь  тепловой нагрузкой печи, находят  его объем и размеры. Общая  формула для расхода топлива  в печах сжигания, которые не могут  гореть самостоятельно, имеет следующий  вид:

 

 

 

Где – удельный расход топлива, кг/кг отходов;

 – коэффициент учитывающий неучтенные потери (применяется 1,1);

 – объем  газов, образующихся от сжигания  отходов и уходящих из печи, м³/кг отходов;

 – теплоемкость уходящих из печи газов, кДж/(м³∙°С);

 – температура  уходящих газов из печи, °С;

 – энтальпия паров  воды при , кДж/кг;

 – влажность отходов, %;

 – количество  золы в 1 кг отходов, кг;

 – теплоемкость  золы, кДж/(кг∙°С);

 – температура  золы, °С;

 – удельная  теплота плавления золы, кДж/кг;

 – низшая  теплотворная способность отходов,  кДж/кг;

 – коэффициент избытка  воздуха (=1,2);

 – теоретически  необходимое количество воздуха  для сжигания 1 кг отходов, м³/кг;

 – теплоемкость  воздуха, кДж/(м³∙°С);

 – температура  воздуха, °С;

 – низшая  теплотворная способность топлива,  кДж/кг.

 

 

 

 

 

Где – удельный объем камеры для сжигания, м³;

– теоретическая  температура горения отходов, °С;

 – безразмерная  величина, характеризующая отношение  ;

 – объемный  коэффициент теплообмена, кВт/(м³∙°С).

 

Объемный коэффициент  теплообмена рассчитывается по формуле:

 

 

 

Где – количество отходов, кг;

 – объем  камеры, м³;

 – степень черноты газа в печи.

 

 

 

Где – средняя температура печи, °С;

 – среднее  арифметическое значение средней  температуры газа, °С.

 

Значение  определяют в зависимости от влажности при . Так как влажность пивной дробины составляет 58%, следовательно значение .

Ширина печи при одной  форсунке должна быть 2,5-3,0 м; высоту печи (в м) определяют из уравнения: