Технология производства биосорбента на основе осадочных пивных дрожжей

 

 

 

По объему камеры горения  определяют длину печи l=30м и диаметр D_n из соотношения:

 

 

 

 

Диаметр выходного отверстия  для отходящих газов (d_вых) равно 0,4.

Площадь сечения печи F_n может быть определена по допустимой скорости отходящих газов:

 

 

 

где – площадь сечения печи, м²;

 – скорость движения отходящих газов, м/с (может быть принята равной 0,6-1,0 м/с).

 Диаметр печи D_n определяют по формуле:

 

 

 

 

 

2.1. Способ получения  иммобилизованного биосорбента «ОД-2»

Технология получения биосорбента на основе осадочных пивных дрожжей и способы его применения в пищевой промышленности были описаны в работах, опубликованных ранее. Использование биосорбента «ОД-2» позволяет снизить концентрацию нежелательных компонентов жидких технологических сред, ускорить развитие дрожжевой популяции, интенсифицировать спиртовое брожение, повысить степень утилизации сбраживаемых сахаров. При этом обрабатываемая среда не загрязняется инородными соединениями, а частицы отработавшего сорбирующего препарата могут быть отделены от конечного продукта в ходе стандартного технологического процесса, например, при фильтровании готового пива. Однако в том же пивоваренном производстве определенное количество порошкообразного биосорбента остается в биомассе семенных дрожжей и поступает вместе с ними на следующий цикл спиртового брожения.

Несмотря на то, что в экспериментах доказано отсутствие негативного влияния на протекание и результаты стадий главного брожения постепенно увеличивающегося количества препарата «ОД-2». В сбраживаемых средах на протяжении 9 циклов главного брожения при использовании семенных дрожжей, это может вызвать возражение технологов и сделать регулярное применение биосорбента менее привлекательным. Кроме того, использование порошкообразного препарата «ОД-2» предполагает ведение технологического процесса в периодическом режиме, тогда как в последнее время все большее количество предприятий переходит на частично или полностью непрерывные режимы.

Для устранения указанных недостатков целесообразно разработать способ получения и применения иммобилизованного сорбирующего препарата «ОД-2».

На первом этапе необходимо было выбрать достаточно простой, экономичный и эффективный способ иммобилизации частиц порошкообразного биосорбента «ОД-2». Частницы иммобилизованного препарата должны обладать удовлетворительной механической и биологической прочностью, заданным размером, а сорбционную способность препарата необходимо сохранить на уровне, максимально близком к исходному. Последние условие, очевидно, делает нецелесообразным иммобилизацию частиц биосорбента на нерастворимом носителе, так как даже при достаточной длине спейсера (сшивающего агента) могут возникать определенные пространственные затруднения при взаимодействии областей связывания биосорбента и молекул удаляемого из среды вещества. В ряде случаев можно предположить также возможное негативное влияние поверхностного заряда и свойств частиц носителя на эффективность образования комплекса биосорбент – удаляемое соединение. В силу выше изложенного было решено разработать способ иммобилизации, основанный на поперечной ковалентной сшивке частиц порошкообразного препарата «ОД-2».

Был рассмотрен ряд методов поперечной сшивки целых микробных клеток и клеточных органелл. Наилучшие результаты были получены при реализации метода, заключавшегося в том, что к 5%-ному раствору мочевины добавляли 40%-ный раствор формалина н после тщательного перемешивания вносили в полученную смесь препарат «ОД-2». Далее смесь наносили на керамическую подложку и высушивали в течение трех суток при температуре 50°С. После высушивания полученный иммобилизованный препарат отделяли от керамической подложки и измельчали. Очевидно, что как на механические свойства иммобилизованного препарата, так и на его сорбционную способность существенное влияние могут оказать дозировки как сшивающего агента (формальдегида), так и иммобилизуемого объекта (препарат «ОД-2»).

С целью рассмотрения этого влияния  был проведен эксперимент, в рамках которого вышеописанный способ иммобилизации  реализовывался при различных дозировках основных компонентов (таб. 1).

Таблица 1

Вариант	40%-ный раствор формальдегида, мл	5%-ный раствор мочевины, мл	Количество порошкового препарата  «ОД-2», г
1-й 2-й 3-й 4-й	25 50 25 50	100 100 100 100	1 1 10 10

 

На следующем этапе по методу салициловой кислоты определяют сорбционную способность иммобилизованного  препарата «ОД-2», полученного приведенным  выше способом, по отношению к ионам  железа.

Навеску иммобилизованного препарата  «ОД-2», равную 5,225 г, поместили в 50 мл раствора ионов железа концентрацией 0,179 мг/мл. Для сопоставления использовали вариант, в котором обработку  аналогичного объема раствора ионов  железа той же концентрации вели 0,5 г порошкообразного биосорбента «ОД-2». Кроме того, к 50 мл раствора ионов железа, потенциально связываемых сшивающими компонентами иммобилизованного препарата.

Количество ионов железа, связанных  в том или ином опыте разновидностью препарата «ОД-2», определяли как разность количества этих ионов в известном объеме исходного раствора соли и раствора после обработки определенным препаратам. Результаты эксперимента представлены в табл. 2.

 

 

 

 

 

 

Таблица 2

Вариант	Концентрация Fe3+, мг/мл	Количество связанных Fe3+, мг	Сорбционная способность, мг Fe3+/г препарата
1-й 0,5 г порошкообразного препарата  «ОД-2» 2-й 5,225 г иммобилизованного препарата  «ОД-2» 3-й 3,2 г «холостого» препарата  (формалин+мочевина)	0,064     0,112     0,107	2,550     0,150     0,400	5,100     0,029     0,125

 

Полученный вышеописанным способом иммобилизованный препарат «ОД-2» фактически не обладал сорбционной способностью связывать ионы железа  (III) в водных растворах, что может быть обусловлено непригодностью используемого способа иммобилизации или слишком низким соотношением иммобилизованный препарат «ОД-2» : сшивающие агенты.

Для изучения влияния «степени нагрузки» (количество иммобилизуемого объекта, содержащегося в определенной массе иммобилизованного препарата) иммобилизованного препарата на его сорбционную способность по отношению к ионам железа (III) был проведен следующий эксперимент.

Используемый выше способ иммобилизации  реализовывали для трех вариантов, отличавшихся количеством иммобилизуемого  биосорбента «ОД-2».

Для этого получили три варианта иммобилизованного препарата:

1. к 20 мл 5%-ого раствора мочевины добавили 5 мл раствора формальдегида, смесь тщательно перемешивали и внесли в нее 1 г порошкообразного сорбирующего препарата «ОД-2» (вариант 1-й);
2. к 20 мл 5%-ого раствора мочевины добавили 5 мл раствора формальдегида, смесь тщательно перемешали и внесли 2 г порошкообразного сорбирующего препарата «ОД-2» (вариант 2-й);
3. к 20 мл 5%-ого раствора мочевины добавили 5 мл раствора формальдегида, смесь тщательно перемешали и внесли в нее 5 г порошкообразного сорбирующего препарата «ОД-2» (вариант 3-й).

Полученные смеси помещали на керамические подложки и высушивали в течение 3 суток при температуре 50°С. Затем высушенный препарат отделяли от подложки, измельчали и взвешивали. Таким образом, полученные варианты содержали в 5, 10 и 25 раз больше биосорбента на единицу массы иммобилизованного препарата, чем исходный вариант.

Определение сорбционной способности полученных иммобилизованных препаратов по отношению к растворам ионов железа (III) осуществляли как в предыдущем случае. В качестве контрольных использовали варианты с обработкой содержащих ионы железа растворов навесками порошкообразного биосорбента, соответствующими содержанию биосорбента «ОД-2» в иммобилизованном препарате. Результаты эксперимента представлены в табл.3.

Таблица 3

Вариант	Концентрация ионов Fe3+, мг/мл	Количество связанных ионов  Fe3+, мг	Сорбционная способность мг Fe3+/г препарата
1-й  1,25 г иммобилизованного препарата 2-й  1,69 г иммобилизованного препарата 3-й  3,12 г иммобилизованного препарата контроль 1 0,25 г биосорбента «ОД-2» контроль 2 1,0 г биосорбента «ОД-2» контроль 3 1,5 г биосорбента «ОД-2»	0,096     0,080     0,020     0,054   0,002   0,002	0,222     1,000     4,000     2,440   4,900   4,900	0,178     0,592     1,282     4,880   4,900   1,960

 

В целом полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что, как и ожидалось, повышение «степени нагрузки» иммобилизованного препарата приводит к существенному росту сорбционной способности по отношению к ионам железа (III), пропорциональному увеличению «степени нагрузки». Следует отметить, что уже 1 г порошкообразного биосорбента в условиях эксперимента достаточно для связывания практически всех ионов железа, присутствовавших в обрабатываемом растворе. Поэтому корректное сопоставление сорбционной способности иммобилизованного и порошкообразного биосорбентов «ОД-2» можно провести только для варианта и контроля №1. В этом случае иммобилизация рассматриваемым способом приводит к существенному, примерно 27-кратному снижению сорбционной способности препарата. Это обусловлено в первую очередь резким уменьшением удельной поверхности частиц препарата.

Для устранения указанного недостатка был разработан лабораторный гранулятор, позволяющий получать гранулы иммобилизованного препарата «ОД-2» заданного и постоянного размера, имеющие цилиндрическую форму высотой 3-4 мм и диаметром 2 мм. Состав гранулированного иммобилизованного препарата «ОД-2» соответствовал варианту 3-му из предыдущего эксперимента, т.е. к 20 мл 5%-ного раствора мочевины добавили 5 мл раствора формальдегида. смесь тщательно перемешали и внесли в нее 5 г порошкообразного сорбирующего препарата «ОД-2».

Изучение механической прочности  показала, что полученный иммобилизованный препарат обладает удовлетворительной устойчивостью в водной фазе. Затем была определена сорбционная способность гранулированного препарата «ОД-2» по отношению к ионам железа (III) (вариант 1-й). Для сравнения аналогичный показатель измеряли для измельченного пластинчатого иммобилизованного препарата (вариант 3-й предыдущего эксперимента) и исходного порошкообразного биосорбенга «ОД-2» – вариант 2-й и вариант 3-й, соответственно. Навеска порошкообразного препарата «OД-2», использованная в эксперименте, была выбрана таким образом, чтобы его количество было одинаковым во всех трех препаратах. Сорбционную способность препаратов по отношению к ионам железа (III) определяли обычным, указанным выше способом. Результаты эксперимента представлены в табл. 4.

Таблица 4

Вариант	Концентрация ионов Fe3+, мг/мл	Количество связанных ионов  Fe3+, мг	Сорбционная способность, мг Fe3+/г препарата
1-й 2-й 3-й	0,113 0,116 0,059	0,760 0,680 2,100	1,52 1,36 5,25

 

Как и ожидалось, уменьшение геометрических частиц иммобилизованного препарата «ОД-2» приводит к возрастанию его сорбционной способности. Результаты демонстрируют примерно трехкратное снижение сорбционной способности иммобилизованного препарата «OД-2» по сравнению с порошкообразным. Такое падение необходимо признать значительным, но, в результате предложенного метода иммобилизации сохраняется удовлетворительная сорбционная способность гранулированного препарата. Кроме того, эта важная технологическая характеристика иммобилизованного биосорбента может быть улучшена за счет оптимизации параметров его получения, например уменьшения размера частиц или повышения «степени нагрузки» препарата.

 

2.2. Сорбционная способность  производных биосорбента «ОД-2»

Экспериментально и в полупромышленном масштабе было доказано, биосорбент «ОД-2», полученный на основе клеточных стенок осадочных пивных дрожжей, эффективно связывает нежелательные компоненты жидких технологических сред и растворов: ионы металлов, в том числе тяжелых, жирные кислоты и т. д. Изучение его свойств показало, что частичное удаление компонентов сорбирующего препарата (некрахмальных, белковых, липидных) обусловливает изменение сорбционной способности производных препарата по отношению к индивидуальным компонентам водных растворов (на примере ионов железа (III)). Предложенный способ обработки приводил к получению трех различных производных исходного биосорбента «ОД-2»: с частично удаленными компонентами некрахмальной природы (№1); с частично удаленными компонентами некрахмальной и белковой природы (№2): с частично удаленными компонентами некрахмальной, белковой и липидной природы (№3).