Адсорбция белков и жиров из сточных вод пищевых предприятий на природных сорбентах Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

2. Христюк В.Т., Каиров И.К., Дунец Р.В. Влияние pH среды на удаление ВМС виноматериалов углеродсодержащими сорбентами / / Прогрессивные пищевые технологии

— третьему тысячелетию: Тез. докл. междунар. науч. конф'. (19-22 сентября)/КубГТУ. — Краснодар, 2000. — С. 342-344.

3. Сборник технологических инструкций, правил и нормативных материалов по винодельческой промышленности, б-е изд. перераб. и доп. / Под ред. Г.Г. Валуйко. — М.: Агропромиздат, 1985.

Кафедра технологии виноделия

Поступила 29.10.2000 г

; 8.515:541.183

АДСОРБЦИЯ БЕЛКОВ И ЖИРОВ ИЗ СТОЧНЫХ ВОД ПИЩЕВЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ НА ПРИРОДНЫХ СОРБЕНТАХ

H.П. ШАПКИН, Н.Н. ЖАМСКАЯ, А.С. СКОБУН,

И.В. ШЕВЕЛЕВА, А.Г. БОРОВИК, В.А. ШАПКИНА

Дальневосточный государственный университет Дальневосточный государственный технический рыбохозяйственный университет Дальневосточная морская академия .

Институт химии ДВО РАН

В последнее время возрос интерес к сорбции белков и липидов на природных и искусственных цеолитах [1, 2]. Выросло применение природных цеолитов при очистке сточных вод пищевых предприятий [3, 4]. Однако использование цеолитсодержащих пород для этих целей во многом сдерживается значительно меньшей, по сравнению с глинистыми минералами, сорбционной емкостью. Выполненные ранее исследования по сорбции белков цеолитами имеют противоречивый характер [1-3]. Это связано, на наш взгляд, с уделением недостаточного внимания изучению влияния вторичной пористой структуры цеолитсодержащих пород на сорбцию белка.

В качестве объектов исследования выбраны синтетические цеолиты, микрокристаллические образцы синтетических цеолитов и природные цеолиты Чугуевского месторождения. Минеральный состав природного цеолита: 5Ю2 — 69,01; АШ3 — 12,64; СаО — 2,16; Ыа20 — 1,10; К20 — 3,17; Ре203 —

I,29; Мц0 — 0,47, МпО — 0,01; ТЮ2 — 0,07; Н20

— 9,62; содержание клиноптилолита — 46,5%.

Исследована адсорбция белка и жира из модельных растворов и сточных вод рыбоперерабатывающего комбината. Зависимость сорбции белкового сывороточного альбумина БСА от pH раствора на синтетических цеолитах без связующего (I) СаА (а), 1ЧтаХ (б) и со связующим (II) СаА (б), 1\'аХ (г) представлена на рис.. 1.

Полученные графики показывают, что исследуемые образцы микрокристаллических цеолитов имеют резко экстремальную зависимость сорбции от pH раствора (изменение величины сорбции от максимума до минимума происходит в интервале от 2 до 3,5 pH). Причем максимум сорбции по сравнению с традиционными сорбентам?! (такими как силикагель, макропористые стекла) смещен в кислую область по сравнению с pH БСА. Наиболее вероятным объяснением этим данным может служить то, что среди распространенных сорбентов цеолиты имеют структуры с наибольшей кристалличностью поверхности [4]. Это позволяет осуществляться перезарядке поверхности в узком интервале pH и, как следствие, сильно изменять сорбцию заряженных белковых глобул. Следует отме-

тить, что конкретная кристаллическая структура цеолитов (СаА и ЫаХ), а также природа обменного иона (Са и Ыа) не имеют существенного значения для сорбции белка. Рассматривая сорбцию белка на тех же гранулированных цеолитах со связующим (рис. 1, II), можно видеть, что имеются

pH

Рис. 1

pH

существенные различия в характере сорбции. Так, если на гранулированном цеолите СаА сорбционное поведение БСА близко к микрокристаллическому цеолиту, то для гранулированного ЫаХ наблюдается значительная сорбция в щелочной области. Здесь следует отметить, что связующее в образце СаА представляет собой чистый каолин, в то время как в образце ЫаХ связующее содержит значительную примесь железа и других переходных элементов.

‘ • ___ Таблица 1

Условия! десорбции Десорбция БСА с поверхности цеолитов, %

СаА Чугуевский цеолит

Кислотная {pH 2,4) 31,4 17.6 4,79

Щелочная (pH 9,0) 73,2 73,2 67,0

Раствор ДДС (pH 7,0) 72,7 67,7 100,0 '

Была изучена обратимость сорбции (десорбция) белка с поверхности цеолитов при различных условиях (табл. 1). Согласно полученным данным, при кислотной обработке поверхности десорбция уменьшается с увеличением содержания примесей в цеолите, которые удерживают часть белка. В присутствии щелочи десорбция практически В[е

меняе прису во), в На и ско тенде а,

— с скоро 3-

с;

нами' чиста дить в раб Да: режи казыЕ врем* мин) начиї (рис.

а, мг/г 40-35-30-25-20-15-10-5-

Фс тельс адсор на вк резул ку не

Пр

струи его в;

орматив-ости. 6-е - М.:

141.18:3

X

уктура

:енного

ачения

белка

вязую-

иеются

pH

и. Так, ібцион-ілличе-[аХ н;а-й обл;а-ІЩЄЄ в )ЛИН, в іержит ;реход-

! блица 1

рбция) ых устным, УрбЦИ’Я ІМЄСЄЙ

гска, В ки не

меняется. Наибольшая обратимость наблюдается в присутствии ДДС (поверхностно-активное вещество), вытесняющего БСА с поверхности цеолита.

На сорбцию БСА влияет размер зерна цеолита и скорость потока. Наиболее ярко выражена эта тенденция для Чугуевского цеолита (рис. 2: /, 3

а, мг/г

Ср. мг/мл

С0 мг/л

Рис. 2

Рис. 3 '

Формы полученных изотерм адсорбции свидетельствуют, что 30 мин недостаточно для полной адсорбции, а само осаждение белков происходит на внешней поверхности исследуемых цеолитов.В результате адсорбционная емкость цеолита по белку невелика (порядка 40 мг/г).

Процесс десорбции, по-видимому, обусловлен структурной перестройкой белка со временем при его высоких концентрациях.

— фракции 0,1<й<0,2; 2 — 0,3<с/<0,5 при скорости пропускания раствора, см/с: 1,2 — 0,5; 3 — 1,0).

С уменьшением размера частиц возрастает динамическая емкость. Этот эффект может иметь как чисто кинетический характер [6], так и происходить за счет поверхностного эффекта, описанного в работе [7].

Данные сорбции рыбного белка в статическом режиме (модель сточных вод рыбокомбината) показывают, что с увеличением концентрации и времени контакта (кривая 1 — 30 мин, 2 — 60 мин) белка с Чугуевским цеолитом (0,1<й?<0,3) начинает идти одновременно процесс десорбции (рис. 3).

а, мг/г

Графики зависимости величины равновесной концентрации от концентрации исходного раствора (рис. 4, кривые: 1 — 2,2; 2 — 1,35; 3 — 1,1 мг/мл) во времени г (время истечения 1 мл раствора через слой сорбента), а также данные табл. 2 позволяют сделать вывод, что величина и характер сорбции рыбного белка определяются концентрацией раствора при всех равных условиях.

Таблица 2

С0 мг/мл Динамика адсорбции рыбного белка Степень

т, ч а, мг/г очистки, %

2,20

1,35

1,10

0,7 0,27

2,2 0,18

2,6 0,17 71

3,5 0,19

4,4 0,19

1,5 0,12

1,9 0,11 •' і С

2,4 0,11

2,9 0,13 83,7

3,2 0,13

3,7 0,14

4,4 0,12

0,3 0,12

1,3 0,14 .

1.7 0,14 100

2,2 0,14

2,7 0,11

3,3 0,08

Определена адсорбционная способность цеолита по отношению к белку в зависимости от разной исходной концентрации сточных вод: чем меньше исходная концентрация белка в воде, тем больше удерживающая способность цеолита. Увеличение концентрации белка ведет к уменьшению удерживающего объема, небольшие величины которого

ИЗВЕСТ

свидетельствуют о том, что адсорбция происходит во вторичной пористой структуре цеолита. Резкий скачок значений равновесной концентрации с течением времени свидетельствует о заполнении вторичной пористости, при котором сначала падает удерживающая способность адсорбента, а затем сорбция с увеличением времени растет.

Предельная концентрация рыбного белка для Чугуевского цеолита близка 0,9 мг/мл, выше этого значения наблюдается проскок в первоначальный момент. При большей концентрации белка, по-видимому, сорбция протекает во вторичной: пористой структуре цеолита.

Параллельно была изучена адсорбция белка при одинаковой исходной концентрации (С0 = 2,25 мг/мл) в зависимости от массы сорбента (табл. 3). Полученные результаты показывают, что существует предельная величина адсорбции белка в зависимости от массы цеолита — 4,9 мг/г, ниже которой эффективность сорбции белка в динамических условиях резко снижается.

Таблица 3

Таблица 4

Масса сорбента, г Q, мг/мл т, ч а, мг/г Степень очистки, %

7 0,10 4,5 3,07 96,0

6 0,28 3,2 3,28 87,6

' 5 0,28 1,3 3,94 87,6

4 0.28 5,0 4,90 87,6

2 1,25 0,7 5.00 44,4

d зерна сорбента, мм С0 мг/МЛ Ср, мг/мл а, мг/г

0,020 0,010 0,20

0,052 0,025 0,54

1,0 0,106 0,065 0,84

0,218 0,080 0,76

0,300 0,065 4,70

0,354 0,115 4,70

0,400 0,120 5,60

0,206 0,095 2,22

0,25 0,304 0,150 3,08

0,416 0,260 3,08

0,512 0,180 6,64

При исследовании сорбции липидов (рыбьего жира) на Чугуевском цеолите показано (табл. 4), что при малых концентрациях липидоз в растворе сорбция достаточно слабо увеличивается с ростом концентрации эмульсии. Однако при концентрациях свыше 0,2 мг/ мл наблюдается значительный рост сорбции жира.

Такой характер процесса можно объяснить образованием мономолекулярной гидрофобной пленки при малых концентрациях эмульсии жира, что соответствует слабому изменению сорбции с увеличением концентрации эмульсии.

При дальнейшем росте последней увеличивается средний размер микрокапель жира, что приводит к объемному заполнению вторичной пористости жиром с последующим увеличением его гидрофобного слоя, целиком покрывающего частицы сорбента.

Наблюдаемая зависимость сорбции от d зерна сорбента (табл. 4) не выходит за рамки обычных представлений: с увеличением поверхности сорбция жира возрастает.

ВЫВОД

1. Соотношение величин сорбции белка в статичных (40 мг/г) и динамических условиях (12,8 мг/г) для фракции ~0,1 <£?<0,2 мм равняется 3>, 1. При увеличении d зерна (0,3<rf<0,5 мм) данное соотношение увеличивается до 4,4. Это свидетельствует о том, что адсорбция протекает только на поверхности цеолита и найденное соотношение оптимально. ,

2. Зависимость величины сорбции жира на цеолите пропорциональна его концентрации в растворе.

ЛИТЕРАТУРА

1. Pumehshchikov А.Е., Zhidomirov G.M. // Event. F.ur. Chim. Eng. — 3udapest, 1989'. — P. 92-97.

2. Церетели B.C. / / Материалы Всесоюз. науч. конф. по добыче, переработке и применению природ, цеолитов. — Тбилиси, 1989. — С. 257-259.

3. Борисенко Г.И. Природа цеолита. — Новосибирск, 1990.

— С.. 43-46.

4. Samanta A., Chattoro J.D.K. // J. Colloid and Int. Sci.

— 1987. — 116. — № 1. — P. 113-156.

5. Norde W., Luklma J. /,/ J, Colloid, and Jnt. Sci, — 1979.

— 71. - P. 350.

6. Катушкина H.B., Белаш О.И., Лебедев Ю.Я., Борисова Н.В., Коликов В.М. // Коллоидный журн. — 1990.

— 52. — № 5. — С. 978-981.

7. Гуменюк В.А., Гунько В.М., Богомолов В.И., Бахай

3.А., Чуйко А.А. / / Журн. физ. хим. — 1991. — 65, — № 7. — С. 1851-1856.

8. Лурье Ю.Ю. Унифицированные методы анализа воды. — М.: Химия, 1971. — 37о с.

Кафедра неорганической химии

Поступила 20.05.2000 г.

А.С. ЗЇ Л.в. п: Г.В. CI

Кубансн

Московй

приклад,

Хле в Росс дуктаи около ганизи тами минов

Хле разнос личны компо и лече ТребОЕ печені парам'

ЛИТЄЛІ

испол: растич внесе1 обрап прост! употр( няемь щие г Как и

ЛИСТЫ

ся с Такой распр< к пере нолоп на ра( дукто! на уч Од! емкое прият обору, зана с ными эмулы логич позит эконо Ода опред