Технология производства биосорбента на основе осадочных пивных дрожжей

Установленный ранее факт, что наивысшую  сорбционную способность по отношению  к ионам железа (III) демонстрирует  производное №2, был подтвержден после получения новых порций производных биосорбента «ОД-2» (табл. 5). Обработку раствора сульфата железа концентрацией 1 г/л вели при комнатной температуре в течение 1 ч.

 

Таблица 5

Частично удаленные компоненты (номер производного)	Навеска препарата, мг	Объем обрабатываемого раствора Fe2(SO4)3∙9H2O, мл	Сорбционная способность, мг Fe3+/г
Полисахаридные (№1) Белковые (№2) Липидные (№3) Без обработки («ОД-2»)	100 100 100 100	20 20 20 20	19,6 27,3 14,1 12,1

 

Дальнейшие исследования проводили  с использованием производного №2, связывающего наибольшее количество ионов железа по сравнению с другими разновидностями дрожжевого биосорбента.

На основании имеющихся экспериментальных  данных можно было предположить, что  существенное влияние на сорбционную  способность того или иного препарата  оказывает объем обрабатываемого  раствора. Для установления степени  влияния упомянутого фактора  на количество ионов железа (III), связанных  производным №2, был реализован эксперимент, в рамках которого анализировали четыре варианта, каждый из которых представлял собой различные объемы раствора соли Fe₂(SO₄)₃∙9H₂O определенной концентрации (табл. 6) с добавлением 50 мг производного №2.

 

Таблица 6

Объем обрабатываемого раствора Fe2(SO4)3∙9H2O, мл	Количество связанных Fe3+, мг	Сорбционная способность, мг Fe3+/г
10 15 20 30	2,93 2,52 1,82 0,36	58,62 51,82 36,43 7,25

 

Все варианты выдерживали при комнатной  температуре 60 мин, периодически перемешивая. После центрифугирования образцов в течение 20 мин при 4000 мин^-1 надосадочную жидкость декантировали и в ней определяли содержание ионов железа (III) по методу с салициловой кислотой.Количество связанных Fe³⁺ (здесь и далее) определяли как разность их содержания в контрольном (необработанный раствор Fe₂(SO₄)₃∙9H₂O) и опытном (раствор Fe₂(SO₄)₃∙9H₂O, обработанный сорбирующим препаратом) вариантах. Результаты, полученные в ходе определения, приведены в табл. 6.

Полученные экспериментальные  данные подтверждают, что, как и в  случае исходного препарата «ОД-2», трехкратное увеличение объема обрабатываемого раствора при сохранении прочих параметров (навеска препарата, количество связываемых ионов, продолжительность и температура обработки, периодичность и интенсивность перемешивания и т. д.) приводило к существенному, более чем восьмикратному, снижению количества удержанных биосорбентом ионов железа (III). Можно сделать вывод, что эффективность применения производного препарата «ОД-2» №2 тем выше, чем меньше объем обрабатываемой жидкости.

В значительной мере экономичность  и, следовательно, привлекательность  применения сорбирующих препаратов для обработки (деметаллизации) жидких технологических сред могут быть обусловлены продолжительностью этого процесса, особенно если для его осуществления требуется вводить дополнительную производственную стадию. Известно, что значительная часть максимально возможного количества ионов связывается в первые минуты обработки, однако значительное увеличение ее продолжительности может вызывать как дополнительную сорбцию, так и десорбцию связываемых ионов, повышая или понижая их количество. Для установления зависимости сорбционной способности производного препарата «ОД-2» №2 по отношению к ионам железа (III) от продолжительности обработки был проведен следующий эксперимент.

Готовили два варианта. Первый вариант  – 50 мл раствора Fe₂(SO₄)₃∙9H₂O концентрацией 1 мг/мл с добавлением 125 мг производного №2, второй – 50 мл раствора той же соли концентрацией 1 мг/мл (контроль).

Из этих вариантов после тщательного  перемешивания отбирали пробы через 5, 30, 60, 90 и 120 мин. Объем каждой пробы  составлял 5 мл. После центрифугирования  в течение 15 мин при 4000 мин^-1 декантировали надосадочную жидкость и в ней определяли содержание ионов железа (III) по методу с салициловой кислотой. Результаты представлены в табл. 7.

 

Таблица 7

Продолжительность обработки, мин	Количество связанных ионов  Fe3+, мг	Сорбционная способность, мг Fe3+/г
5 30 60 90 120	1,83 3,40 3,67 3,80 3,94	14,64 27,20 29,36 30,40 31,52

 

Большая часть ионов железа (III) в условиях эксперимента связывается  за время обработки, не превышающее 30 мин (через 5 мин связано примерно 50% от удаленных через 120 мин), однако увеличение продолжительности обработки приводит к постепенному возрастанию сорбционной способности производного №2, причем выхода на плато за время эксперимента (2 ч) достичь не удалось. Это позволяет предположить, что дальнейшее увеличение продолжительности обработки приведет к некоторому увеличению количества связанных ионов, присутствие которых в обрабатываемой среде нежелательно. Если в том или ином производстве продолжительная обработка допустима с экономической и технологической точек зрения, оптимальное время может быть установлено в серии дополнительных экспериментов.

Еще одним значимым фактором, определяющим результаты и эффективность применения биосорбента, является температура обработки раствора (жидкой технологической среды). Вероятнее всего, в реальных производственных условиях невозможно или затруднительно поддержание температуры, оптимальной для протекания процессов адсорбции ионов (компонентов) среды. Тем важнее заранее представлять, насколько меньше будет сорбционная способность препарата по сравнению с демонстрируемой при оптимальной температуре. Это, очевидно, позволит изменить (увеличить) дозировку биосорбента. Для выяснения поставленного вопроса объемы раствора Fe₂(SO₄)₃∙9H₂O (концентрацией 1 мг/мл), равные 20 мл, выдерживали в течение 30 мин при 20, 40, 50 и 60°С. После получасовой выдержки в опытные варианты добавили по 50 мг производного №2, остальные, без добавления биосорбента, четыре варианта использовали в качестве контрольных. Опытные и контрольные варианты попарно термостатировали при соответствующих температурах в течение 1 ч, периодически перемешивая. Затем все варианты подвергали центрифугированию в течение 20 мин при 4000 мин^-1. После этого декантировали надосадочную жидкость и в ней определяли содержание ионов железа (III) по методу с салициловой кислотой. Результаты, полученные в ходе эксперимента, приведены в табл. 8.

 

Таблица 8

Температура обработки, °С	Количество связанных ионов  Fe3+, мг	Сорбционная способность, мг Fe3+/г
20 40 50 60	1,52 1,36 1,32 0,97	30,4 27,2 26,4 19,4

 

Увеличение температуры обрабатываемого  раствора с 20 до 60°С приводит к снижению количества связанных ионов железа (III) (и, как следствие, сорбционной способности производного препарата «ОД-2» №2) примерно в 1,5 раза.

Выше были рассмотрены факторы, влияющие на сорбционную способность  производного препарата «ОД-2» №2, а также установлены их значения, при которых эта характеристика биосорбента оптимальна или близка к таковой.

Не менее важным условием эффективности, а в отдельных случаях и  допустимости применения сорбирующего препарата служит гарантия того, что  в результате десорбции не произойдет несанкционированного перехода компонентов, удержанных частицами препарата  в ту же или новую порцию обрабатываемой среды (последнее важно при многократном использовании сорбирующего препарата). Иными словами, важно знать не просто количество удержанных ионов (например, Fe³⁺), но и количество прочно связанных частицами сорбирующего препарата. Поставленный вопрос выясняли следующим образом.

В предыдущем эксперименте после центрифугированя собирали осадок производного №2, использованного для обработки раствора сульфата железа (III) при 20°С. Осадок хранили в течение ночи в холодильнике. На следующий день в стакан вносили 10 мл воды, тщательно перемешивали содержимое и выдерживали 30 мин для достижения комнатной температуры. Затем выдерживали еще 1 ч при комнатной температуре и периодическом перемешивании. Суспензию центрифугировали в течение 20 мин при 4000 мин-¹. Декантировали надосадочную жидкость и в ней определяли содержание ионов железа (III) по методу с салициловой кислотой.

После удаления надосадочной жидкости в центрифужный стакан с осадком добавляли 10мл 10%-ного раствора этанола. Содержимое стаканчика перемешивали и выдерживали 1 ч при комнатной температуре и затем центрифугировали в течение 20 мин при 4000 мин(-1). Декантировали надосадочную жидкость и в ней определяли содержание ионов железа (III) по методу с салициловой кислотой. В качестве контроля использовали 10%-ный раствор этанола. Результаты, полученные в ходе определения, приведены в табл. 9.

 

Таблица 9

Количество Fe3+, связанного при обработке раствора Fe2(SO4)3∙9H2O , мг (%) Количество Fe3+, десорбированной водой, мг Количество Fe3+, десорбированного 10%-ным водным раствором этанола, мг Количество прочно связанных Fe3+, мг

1,520 (100%)   0,045 (2,96%) 0 (0%)   1,475 (97,04%)

 

В результате часовой выдержки при 20°С с водопроводной водой десорбции с частиц производного №2 подвергалось незначительное количество ранее связанных ионов железа (III), а 10%-ный раствор этанола вообще не элюировал (в условиях эксперимента) детектируемого количества Fe³⁺. Таким образом, количество прочно связанных ионов железа (III) составило 97% от всех выведенных из обрабатываемого раствора. По нашему мнению, такую ситуацию, если она окажется типичной для всех или большинства удаляемых соединений, следует признать вполне удовлетворительной с технологической точки зрения, хотя она может вызвать затруднения при экологически безопасной утилизации отработавшего биосорбента, особенно если связанный компонент имеет высокую токсичность.

Суммируя приведенные данные, можно  заключить, что для снижения в  обрабатываемой среде концентрации ионов железа (III) более целесообразно применять не порошкообразный биосорбент «ОД-2», а его производное №2, полученное путем частичного удаления компонентов некрахмальной и белковой природы, так как эта разновидность препарата обладает более высокой сорбционной способностью и прочнее удерживает адсорбированные ионы.

 

2.3. Применение биосорбента «ОД-2» в пивоварении

Выше описывалось  разработка технологии получения биосорбента «ОД-2» на основе осадочных пивных дрожжей, повторное использование которых на стадии главного брожения не предполагается. Проведенные исследования показали, что препарат «ОД-2» обладает многофункциональной сорбционной способностью и способен связывать содержащиеся в растворах соединения различной химической природы: тяжелые металлы и их ионы, пестициды, жирные кислоты, радионуклиды. Это позволяет предположить возможность широкого использования биосорбента в пищевых производствах и других отраслях промышленности с целью интенсификации технологических процессов удаления из жидких сред нежелательных и опасных компонентов, концентрирования и выделения ценных соединений.

В серии экспериментов и при  промышленных испытаниях было доказано эффективность применения биосорбента «ОД-2» на стадии главного брожения пивоваренного производства: внесение препарата перед началом сбраживания позволяет существенно (до 30%) повысить содержание этанола в молодом пиве или сократить продолжительность стадии главного брожения на 24- 36 часов, обеспечив при этом концентрацию этилового спирта, равную таковой в контрольном (без добавления биосорбента) варианте. Наибольший эффект от использования препарата «ОД-2» наблюдается, когда протекание брожения затруднено влиянием негативных факторов. Экспериментально установлена целесообразность применения биосорбента при сбраживании мелассного сусла в спиртовом производстве.

Новые экспериментальные данные позволяют  предложить новые возможности использования  «ОД-2».

В бродильных производствах накопление биомассы производственных дрожжей  является стадией, во многом определяющей как технологические, так и экономические  результаты производства. Развитие дрожжевой  популяции в свою очередь зависит  от целого ряда факторов. Одним из значительно  влияющих на рост и состояние клеток фактором является состав питательной  среды, концентрация в ней активаторов и особенно ингибиторов.

Наиболее целесообразно приготовление  питательных сред оптимального состава, однако в реальной производственной практике это не всегда возможно из-за низкокачественного сырья или ухудшения  экологической ситуации, что приводит к увеличению в жидкой фазе нежелательных  или токсичных соединений. В этом случае необходимо подвергать жидкую среду специальной обработке  с целью очистки (например, на стадии водоподготовки в пивоварении).

Метод такой очистки должен удовлетворять  ряду требований: эффективно снижать  содержание целевых соединений; не удалять компоненты, играющие положительную  роль; обеспечивать технологичное удаление очищающих реагентов (если они применяются); быть достаточно экономичным. Большинство  существующих методов не соответствуют  всем перечисленным позициям, будучи, как правило, излишне затратными. С нашей точки зрения, перспективной  альтернативой может быть обработка  поликомпонентных растворов биосорбентом «ОД-2».