CC BY
84
УДК 66.047.596
А. В. Трищенкова, М. Г. Гордиенко*, К. А. Тимошенко, О. В. Шмыкова
Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева, Москва, Россия
125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20, корп. 1
*сЬешсош@шис1х.ги
ИССЛЕДОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ СТАДИИ СУШКИ ПРИ ПОЛУЧЕНИИ СУХИХ ЭКСТРАКТОВ ИЗ БАКТЕРИАЛЬНОЙ БИОМАССЫ
В данной работе были проведены исследования конечной стадии получения кормовой добавки -распылительной сушки белкового экстракта. Оценено влияние условий проведения процесса на качественные характеристики продукта. Проведена свертка критериев и определены оптимальные условия ведения процесса.
Ключевые слова: распылительная сушка, переработка бактериальной биомассы, регрессионный анализ.
В последние годы растет интерес к производству кормового белка, в том числе и к биотехнологическим методам. Однако в сложившейся экономической ситуации такое производство может быть нерентабельным. Повысить рентабельность производства кормового белка возможно путем переработки отходов получения препаратов нуклеиновых кислот (дорогостоящая продукция) на основе биомассы бактериальных клеток. Одним из перспективных продуцентов нуклеиновых кислот и кормового белка является биомасса бактерий МеЛу1ососсш capsulatus, поскольку данные бактерии способны использовать в качестве единственного источника углерода метан в составе природного газа, запасы которого в РФ значительны.
В данной работе были проведены исследования конечной стадии получения кормовой добавки -распылительной сушки белкового экстракта. Оценено влияние условий проведения процесса на качественные характеристики продукта. На рисунке 1 представлена технологическая схема комплексного производства и переработки бактериальной массы, как источника нуклеиновых кислот, белков, сахаров и т. д. Бактериальная биомасса, полученная на метане, представляет собой продукт с высоким содержанием витаминов и белка, в который входят все незаменимые аминокислоты. Культивирование бактериальной биомассы (стадия 1), проводилось на кафедре биотехнологии РХТУ им. Д.И. Менделеева в соответствии с методикой [2]. По составу аминокислот и витаминов биомассу метанотрофов можно сравнить с дрожжами, рыбной и соевой мукой, сухим молоком. В то же время, метанотрофы превосходят дрожжи по содержанию рибофлавина, холина и витаминов В6
и В12.
Основу технологического процесса переработки биомассы составляет экстракция полинуклеотидов горячими водно-солевыми или
водно-щелочными растворами. Нуклеиновые компоненты в клетке существуют в виде белково-нуклеинового комплекса (БНК).
Рис. 1. Технологическая схема производства и переработки бактериальной биомассы
При обработке клеток солевым экстрагентом происходит связывание белков в комплекс с фосфат-ионом, в результате чего в раствор выделяются нуклеиновые кислоты в свободном виде:
[РНК-белок]+НРО4 2-^[белок-ЫР042-]+РНК
Из полученного экстракта компоненты нуклеиновых кислот выделяют путем осаждения последних в изоэлектрической точке (ИЭТ) с последующим отделением на центрифуге от сопутствующих примесей белковой, липидной и углеводной природы (стадия 2). Надосадок, полученный на этой стадии, представляет собой денуклинизированную биомассу (ДНБМ), содержащую белок, РНК и ДНК, а также полисахара (стадия 3). Для данного экстракта была проведена распылительная сушка (стадия 4).
Для получения продуктов белковой природы используют экстракцию белковых веществ под
действием минеральных реагентов (кислот, щелочей) либо ферментных препаратов. В целях упрощения технологической схемы, а именно сокращения стадий очистки белковых гидролизатов от примесей углеводной и липидной природы, целесообразно выделять из экстракта белковых веществ полупродукт - изолированную белковую фракцию осаждением ее в ИЭТ (стадия 5) [3]. Полупродукт был отделен центрифугированием и подвергнут лиофильной сушке в течение 8 часов (стадия 6). Надосадок, в свою очередь, был высушен на распылительной сушилке (стадия 7).
Распылительную сушку проводили на установке Mini Spray Dryer B-209, Buchi. К основным достоинствам распылительной сушки с прямотоком вещества можно отнести и тот факт, что этот способ позволяет производить сушку при высоких температурах и без перегрева материала [1]. Лиофильную сушку предварительно замороженного белкового экстракта проводили на установке Scanlaf CoolSafe 55-9.
В таблице 1 приведен план полного факторного эксперимента для распылительной сушки экстрактов (рис.1, стадии 4 и 7).
Таблица 1
полисахаров определялась по методу Дюбуа [3].
Таблица 2
№ х1 х2 х3
1 200 (+1) 34 (+1) 15,1 (+1)
2 160 (-1) 34 (+1) 15,1 (+1)
3 200 (+1) 28 (-1) 15,1 (+1)
4 160 (-1) 28 (-1) 15,1 (+1)
5 200 (+1) 34 (+1) 15,1 (+1)
6 160 (-1) 34 (+1) 15,1 (+1)
7 200 (+1) 28 (-1) 15,1 (+1)
8 160 (-1) 28 (-1) 15,1 (+1)
Здесь х1, х2, х3 - независимые переменные, представляющие собой температуру сушильного агента (воздуха) на входе в камеру (°С), расход сушильного агента (м3/ч) и скорость подачи суспензии на сушку (г/мин) соответственно.
Был проведен анализ полученных продуктов, результаты которого, а также их массовый выход представлен для стадии 4 в таблице 2, а для стадии 7 - в таблице 3. В качестве откликов рассматривались m - массовый выход продукта (г), ю - остаточное влагосодержание продукта (%), Снк - концентрация нуклеиновых кислот в продукте (мг/мл), СГЛ - концентрация глюкозы в продукте (г/л). Масса сухого продукта определялась путем взвешивания емкости для сбора продукта после завершения процесса. Остаточное влагосодержание определялось термогравиметрически на приборе AXIS ADGS100.
Концентрация нуклеиновых кислот была определена по методу Спирина [3]. Концентрация
№ m ю Снк Сгл
1 25,1 3,14 43,26 0,26
2 2,2 3,99 90,42 0,14
3 3,1 10,52 119,48 0,01
4 11,5 3,8 49,28 0,12
5 16,4 4,34 60,72 0,14
6 2,8 4,16 80,66 0,48
7 3 11,11 95,63 0,65
8 14,3 2,2 73,78 0,17
Таблица 3
№ m ю Снк Сгл
1 5,1 14,99 290,35 0,20
2 6,2 7,99 101,26 0,26
3 7,1 10,71 114,73 0,24
4 2,1 15,78 114,93 0,35
5 3,2 13,04 339,14 0,30
6 6,8 12,76 109,94 0,23
7 8,1 7,89 124,47 0,25
8 5,4 15,01 136,39 0,24
По полученным результатам был проведен регрессионный анализ, методика которого приведена в [4].
Было определено, что на остаточное влагосодержание продукта факторы влияют незначительно. Также было установлено, что варьируемые факторы оказывают незначительное влияние на содержание глюкозы в продуктах, полученных на стадии 7, где было проведено осаждение глобулярного белка.
Для стадии 4 были получены следующие регрессионные зависимости:
У1 = 3,91 + 0,73х1 + 1Д4х12 (1)
уз = 76,65 + 3,12х1 - 7,89х2 - 19,89х12 + +2,64х13 -9,45х123 (2)
У1 = 0,25 - 0,11х3 + 0,13х123 (3)
Уравнения (1) - (3) описывают зависимость от массы, концентрации нуклеиновых кислот и концентрации глюкозы, соответственно.
Для стадии 7 были получены следующие регрессионные зависимости:
у4 = 5,50 + 1,55х23 (4)
у6 = 166,4 + 50,77х1 + 43,77х2 - 11,08х3 + +53,8х12 - З,55х13 - З,28х23 - 9,6,48х123 (5) Уравнения (4) - (5) описывают зависимость от массы и концентрации нуклеиновых кислот, соответственно. На рисунке 2 приведены поверхности откликов, построенных по регрессионным зависимостям (1) и (2).
Рис. 2. Поверхности отклика, построенные по уравнениям (1) и (2)
и расход сушильного агента 200 0С и 34 м3/ч, соответственно, расход жидкости 10,2 г/мин; стадия 7 - температура и расход сушильного агента 160 0С и 28 м3/ч, соответственно, расход жидкости 10,2 г/мин.
Из рисунка 2 можно заметить, что координаты локальных максимумов не совпадают. Для определения координат глобального оптимума для обоих случаев был применен метод утопической точки [5]. Были рекомендованы следующие условия ведения процесса: стадия 4 - температура
Трищенкова Анастасия Владимировна, студентка факультета информационных технологий и управления РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Гордиенко Мария Геннадьевна, к.т.н., доцент кафедры информационных технологий и управления РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Тимошенко Ксения Андреевна, аспирант кафедры биотехнологий РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Шмыкова Ольга Владимировна, студентка факультета биотехнологии и промышленной экологии РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Литература
1. Дытнерский Ю. И. Процессы и аппараты химической технологии: Учебник для вузов. Изд. 2-е. В 2-ух кн. Часть 2. Массообменные процессы и аппараты. М.: Химия, 1995.-368с.:ил.
2. Шакир И. В., Красноштанова А. А., Бабусенко Е. С., Парфенова Е. В., Суясов Н. А., Смирнова В. Д. Книга по общей биотехнологии. Лабораторный практикум: Учеб. пособие. М.:РХТУ им.Менделеева, 2008.-120с.
3. Сиянова Н. С., Невзорова Т. А., Неуструева С. Н. Методические руководства для практикума по биохимии: Учебно-методическое руководство. Казань: КГУ, 2008.-46с.
4. Ахназарова С. Л., Кафаров В. В. Оптимизация эксперимента в химии и химической технологии: Учеб. пособие для химико-технологических вузов.- М.: Высш. Школа, 1978.-319 с.
Trishchenkova Anastasiya Vladimirovna, GordienkoMariya Cennad'evna*, Timoshenko Kseniya Vladimirovna, Shmykova Ol 'ga Vladimirovna
D.I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia. * chemcom@muctr.ru
RESEARCHANDOPTIMIZATIONOF DRYING NONLIQUID EXTRACTS PRODUCED BY BACTERIAL BIOMASS
Abstract
Researches concerned the spray drying process of extracts as the final stage of getting supplementary feed were investigated. Influence of the process conditions on the quality characteristics of the product was valued. The regression analysis was carried out and the optimal drying conditions were found.
Key words: spray drying process, bacterial biomass treatment, regression analysis.
