CC BY
33
УДК 621.357:628.3:661.185.1
В. А. Бродский*, П. Н. Кисиленко, В. А. Колесников, М.Г. Гордиенко
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125047, Москва, Миусская пл., д. 9 * e-mail: vladimir_brodsky@mail.ru
ЭЛЕКТРОФЛОТАЦИОННОЕ ИЗВЛЕЧЕНИЕ СУСПЕНЗИЙ БЕЛКОВ ИЗ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ
В результате работы были определены основные закономерности электрофлотационного извлечения белка на примере глобулина из водных растворов. Установлено влияние рН, электрокинетического потенциала дисперсной фазы, концентрации белка, продолжительности обработки и токовой нагрузки на эффективность электрофлотационного процесса. Установлено, что величина рН оказывает существенное влияние на состояние белковой молекулы, что в свою очередь определяет эффективность электрофлотационного извлечения. Определено, что при рН=4,5 и плотности тока is =100 А/м2 (по сечению аппарата) степень извлечения достигает 63% для растворов с концентрацией белка 50 мг/дм3 и 53% для концентрации 1000 мг/дм3.
Ключевые слова: белок, суспензия, глобулин, электрофлотация, степень извлечения, химическое потребление кислорода, электрокинетический потенциал, биотехнология, водоочистка.
Выделение и очистка продуктов ферментации -самостоятельный раздел биотехнологии. Как и аппаратурное оформление биотехнологических процессов, выделение и очистка носят инженерный, а не биологический характер. Необходимо отметить, что по сложности технологии и затратам труда, энергии и материалов этот заключительный этап производственного цикла является одним из наиболее ёмких [1, 2]. При этом, в технологии кормовой бактериальной биомассы, одним из узких мест является стадия концентрирования и выделения целевых продуктов, затраты на которую достигают 30% стоимости всего процесса.
На кафедре биотехнологии РХТУ им. Д.И. Менделеева была разработана инновационная технология получения из производственного шрота методом экстракции изолята белка подсолнечника и растительной углеводно-белковой кормовой добавки (РУБК). Технология предполагает на определенном этапе отделение дисперсного белка от технологического раствора. В то же время на кафедре технологии неорганических веществ и электрохимических процессов, впервые проведены исследования по электрофлотационному
извлечению суспензий белка из водных растворов на примере глобулина. В связи с этим целесообразно провести углублённое изучение
электрофлотационного поведения белка и подобрать оптимальные условия проведения процесса с целью разработки технических решений по извлечению белка из водных растворов.
Для количественной оценки эффективности извлечения белка из водного раствора рассчитывалась степень извлечения а^к по формуле:
Сисх - Со
а
ХПК
С..
■X100%
(1)
где Си,
и
Сп.
содержание белка в растворе до
исх
и после электрофлотационной обработки соответственно, мгО/л (ХПК). Концентрация белка
определялась стандартным бихроматным
арбитражным методом анализа на ХПК (Ускоренное определение ХПК по Лейте).
Первый этап исследований посвящён изучению влияния концентрации белка и плотности тока на эффективность электрофлотационного процесса. Изучено влияние токовой нагрузки на эффективность электрофлотационного извлечения белка (рис. 1). Показано, что при увеличении плотности тока степень извлечения растёт, проходит через максимум при 100 А/м2, а затем уменьшается, т.к. белок образует флотокомплексы рыхлой структуры, легко разрушающиеся при сильной турбулентности потока. На рисунке 2 представлены результаты исследования электрофлотационной активности белка в растворах с концентрациями 50 и1000 мг/дм3 соответственно при различных рН среды. При увеличении концентрации белка до 2000 мг/дм3 и выше, степень извлечения резко падает до уровня 30-35 % (при рН = 4,5-5,5).
Второй этап исследований посвящён изучению влияния рН среды на электрофлотационное извлечение белка. Изучена эффективность электрофлотационного извлечения белка от рН среды и продолжительности процесса электрофлотационной обработки для растворов с концентрациями белка 50 и 1000 мг/дм3. Полученные данные представлены на рис. 3 (а, б). Степень извлечения белка электрофлотацией сильно зависит от рН, зависимость имеет четко выраженный максимум. Так, при рН= 4,5-5,5 эффективность электрофлотации выше в 6-8 раз, чем при рН=3,5 и рН=6,5. Область рН, отвечающая наибольшему извлечению белка, соответствует области максимального оптического поглощения (наибольшей мутности) раствора белка. В этой области рН ^-потенциал частиц имеет небольшой отрицательный заряд (- (10-15) мВ), что благоприятно для электрофлотационного извлечения дисперсной фазы.
65%
£ 60%
55%
I-
и
50%
45%
40%
-| Область построения \
200 250
0 50 100 150
Плотность тока, ¿б, АУм2
Рис. 1. Влияние токовой нагрузки на степень извлечения при различных концентрациях белка, мг/дм3: 1 - 100, 2 - 200, 3 - 300, 4 - 500, 5 - 1000. Время электрофлотации 40 мин, рН = 4,5.
400 600 С. мг/л
1000
Рис. 2. Влияние концентрации дисперсной фазы на степень ее извлечения при различных значениях рН
среды: 1 - 3,5, 2 - 4,5, 3 - 5,5, 4 - 6,5. Время электрофлотации 40 мин, плотность тока ^ =100 А/м2
Показано, что с ростом концентрации белка (с 50 мг/дм3 до 1000 мг/дм3), степень его электрофлотационного извлечения незначительно снижается. Влияние продолжительности обработки существенно для концентраций белка более 100 мг/дм3. Так, для раствора с концентрацией белка 50 мг/дм3 продолжительность процесса обработки почти не оказывает влияние на эффективность извлечения рН, а достигает 57 - 63% в интервале рН 4,5-5,5, продолжительность обработки - 20-40 минут. Для раствора с концентрацией белка 1000 мг/дм3 максимальная степень извлечения а, в выбранном диапазоне рН, не превышает 55% через 40 мин после начала электрофлотационной обработки раствора. Снижение продолжительности обработки приводит к снижению эффективности электрофлотации, через 20 минут после начала процесса а не превышает 40%.
(Я те
и £ а
щ
с
щ
О
о4 ев" сс:
I И)
£
Ц
со го 3 Л К к и и н О
Рис. 3. Зависимость эффективности электрофлотационного извлечения белка от рН раствора, концентрация белка 50 мг/дм3 (а) и 1000 мг/дм3 (б): 1 - 40 мин, 2 - 30 мин, 3 - 20 мин. Плотность тока is =100 А/м2
Третий этап исследований посвящён изучению кинетики процесса электрофлотационного извлечения белка из водных растворов. Исследовано влияние концентрации белка в водных растворах и продолжительности электрофлотационной
обработки на степень его извлечения. Полученные данные представлены в табл. 1.
Показано, что для малых концентраций белка время обработки может составлять 20 мин, тогда как для больших концентраций даже вдвое большего времени может быть недостаточно для выхода процесса на стационарный режим. При концентрациях белка более 1000 мг/дм3 электрофлотация, как метод извлечения дисперсной фазы, малоэффективна, вследствие активной коагуляции частиц дисперсной фазы.
Для решения экологических задач изучено влияние флотореагентов на эффективность электрофлотационного извлечения белка из водных растворов. Были опробованы следующие флотореагенты: коагулянты Fe(Ш), Са(11), М§(П), АКФК и флокулянт ПАА. Установлено, что наилучшим флотореагентом, способствующим максимально полному и эффективному извлечению белка из водных растворов является коагулянт АКФК. Применение электрофлотации с введением в растворы, содержащие суспензии белка, АКФК позволяет извлечь до 90-95% дисперсного белка.
а
б
Таблица 1. Зависимость степени извлечения белка от его концентрации и продолжительности электрофлотационной
обработки раствора, рН =4,5, плотность тока ^ =100 А/м2
С, мг/дм Степень извлечения a, %
т 5 мин т 10 мин т 20 т 30 мин т 40 мин
50 30 50 57 59 60
100 25 46 55 58 59
200 20 38 50 55 57
300 15 30 45 51 55
500 14 28 43 49 54
1000 11 21 40 48 53
По результатам экспериментальных
исследований процесса электрофлотационного извлечения суспензий белкосодержащих веществ из водных растворов можно сделать следующие выводы:
1. Величина рН оказывает существенное влияние на состояние белковой молекулы, что в свою очередь определяет эффективность
электрофлотационного извлечения. Определено, что при рН=4,5 и плотности тока is =100 А/м2 степень извлечения достигает 63% для растворов с концентрацией белка 50 мг/дм3 и 53% для концентрации 1000 мг/дм3.
2. Определено влияние токовой нагрузки на эффективность электрофлотации. Зависимость степени извлечения белка от токовой нагрузки имеет максимум при плотности тока 100 А/м2.
3. Выявлено, что обработка раствора, содержащего суспензию белка коагулянтом-флокулянтом АКФК, повышению эффективности электрофлотационного процесса извлечения белка, степень извлечения достигает 95%.
Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках базовой части государственного задания на оказание услуг (выполнения работ), проект № 1294 от 01.01.2014 г.
Бродский Владимир Александрович, к.х.н., старший научный сотрудник кафедры Технологии неорганических веществ и электрохимических процессов РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва.
Кисиленко Павел Николаевич, к.т.н., главный специалист, Технопарка «Экохимбизнес 2000+» РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва.
Колесников Владимир Александрович, д.т.н., профессор, заведующий кафедрой Технологии неорганических веществ и электрохимических процессов РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва.
Гордиенко Мария Геннадьевна, к.т.н., доцент кафедры Кибернетики химико-технологических процессов РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва.
Литература
1. Бортников И.И., Босенко А.М. Машины и аппараты микробиологических производств [Текст] / Минск: Вышэйшая школа, 1982. - 400 с.
2. Тимофеева С.С. Сточные воды предприятий молочной промышленности и современные методы их обезвреживания / Химия и технология воды, 1992, т.14, №8 - с.610-618.
Brodskiy Vladimir Aleksandrovich*, Kisilenko Pavel Nikolaevich, Kolesnikov Vladimir Aleksandrovich, Gordienko Mariya Gennadievna
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia. * e-mail: vladimir_brodsky@mail.ru
ELECTROFLOTATION EXTRACTION OF PROTEIN SUSPENSIONS FROM AQUEOUS SOLUTIONS
Abstract
As a result of work the main regularities of flotation extraction of protein from aqueous solutions were analyzed. The influence of pH, electrokinetic potential of the dispersed phase, the composition of the solution, processing mode, the load current on the efficiency of the electro-flotation process were installed. It is established that the pH has a significant impact on the state of the protein molecule, which in turn determines the efficiency of flotation extraction. It is determined that the degree of extraction reaches 60% for solutions with a protein concentration of 100 mg/dm3 and 53% for the concentration of 1000 mg/dm3 at pH=4.5 and with density of current is =100 A/m2 (the cross section of the apparatus). Key words: protein, suspension, globulin, electroflotation, the degree of extraction, chemical demand of oxygen, zeta potential, biotechnology, water treatment.
