CC BY
174
enzymes was varied and duration of incubation of mixture of starch slurry with 35% DS content with enzymes in ternostated capacity with constant mixing at temperature of 50 oC and optimal for each enzyme pH of slurry.
Action of enzymes was characterized by content of soluble dry substances, including carbohydrates in substrate and studying of starch grain shape by light electronic microscope DMLV by Leica.
As experiments showed, the dynamics of soluble dS and carbohydrates accumulation in process of enzymatic hydrolysis of native corn starch is similar. Therefore, both parameters could be used to control the degree of hydrolysis. The studies of bioconversion of native starch using amylolitic enzymes showed, that bacterial alpha-amylase from Bac.subtilis (bAn 480L by Novozymes) at sufficiently high temperature for this enzyme (500C) does not dissolve whole grains of starch, but can affect on damaged grains; malt beta-amylase in composition with fungal alpha-amylase (Spezyme DBA by Genencor) has a significant effect on native starch at large dosages (2,0% to DS and higher); glucoamylase (producer - Asp.niger) in composition with fungal amylase (producer - Asp.oryzae) hydrolyzes native corn starch with the most activity at economically efficient dosages (from 0,1 to 0,5% to DS of starch).
Key words: amylolytic enzymes, native starch, level of hydrolysis, soluble dry substances, carbohydrate content.
УДК 664.162:557.15
ОСОБЕННОСТИ ФЕРМЕНТАТИВНОГО РАЗЖИЖЕНИЯ КРАХМАЛА
В.В. AHAHC^X, кандидат технических наук, зав. лабораторией
Л.Д. ШЛЕИHA, ведущий научный сотрудник Л.Ю. ВОРОHОВA, младший научный сотрудник ВНИИ крахмалопродуктов Россельхозакадемии E-mail: [email protected]
Резюме. В работе представлены результаты изучения ферментативного гидролиза крахмала при оптимизации условий работы трубчатого выдерживателя непрерывного осахарива-теля крахмала (НОК). Изданная во ВНИИК пилотная установка позволила провести испытания НОК с выдерживателями диаметром (Ду) 15, 25 и 56 мм. Концентрация крахмальной суспензии, направляемой на разжижение в разварникпри непрерывном смешивании с потоком водяного пара, составляла 35 %, температура разваривания - 1101°C, температура разжижения - 95 °C. Оценивали глюкозный эквивалент(ГЭ) и вязкость полученных гидролизатов. По результатам испытаний НОКпо-строены графические зависимости изменения ГЭ и вязкости гидролизатов от дозировки a-амилазы (от 0,2до 0,6 едЛ^г), диаметра трубопровода выдерживателя и продолжительности разжижения (от 5 до 120 мин). Aнализ полученных результатов показывает, что ГЭ гидролизата увеличивается с повышением дозировки ферментного препарата и продолжительности разжижения. Кроме того, он возрастает с увеличением скорости движения продукта в выдерживателе, то есть с уменьшением диаметра трубопровода. Так, в выдерживателе с Ду 25 при дозировке а-амилазы 0,2 едЛ^гзначения ГЭ в 1,2раза больше, чем при дозировке а-амилазы 0,6 едЛ^г в выдерживателе Ду 56. Изменение значений вязкости носит противоположный характер: чем меньше диаметр трубопровода выдерживателя, тем меньше вязкость гидролизата. При разваривании крахмала в выдерживателях разного диаметра основные изменения качественных характеристик гидролизата наблюдались при температуре 110 °C в течение первых 5 мин. Дальнейшее разжижение при температуре 95 °C в течение 120 мин имело примерно одинаковый затухающий характер. Подтверждено предположение о том, что с уменьшением диаметра трубопровода и увеличением скорости движения продукта в выдерживателе можно значительно снизить расход ферментного препарата на разжижение крахмала. Результаты испытаний учтены при подборе и расчёте конструктивных и технологических параметров и изготовлении промышленной установки НОК.
Ключевые слова: крахмал, разварник, клейстер, ферментативное разжижение, выдерживатель, диаметр трубопровода.
Ферментативный гидролиз крахмала в процессе получения сахаристых веществ проводится в две стадии - ферментативное разжижение и ферментативное осахаривание разжиженного крахмала.
Разжижение крахмала можно также условно разбить на два этапа: клейстеризация и разжижение. Температурная клейстеризация почти всегда совмещена с частичным разжижением, когда под действием катализатора длинные цепочки молекул, образующие высоковязкий клейстер, разрываются на более короткие [1]. При этом вязкость клейстера снижается в несколько раз - крахмал разжижается. Процесс разжижения оказывает большое влияние на качество конечного продукта. Неполностью клейстеризованный крахмал при разжижении снижает выход продукта и ухудшает фильтрационную способность гидролизата.
Течение ферментативной реакции зависит от многих факторов - температуры, рН среды, наличия ингибиторов и активаторов, концентрации фермента и крахмальной суспензии, интенсивности межмоле-кулярного взаимодействия. Реакционная способность при увеличении температуры растет, но после превышения ее оптимальной величины происходит необратимая денатурация ферментов.
Разваривание крахмала с использованием ферментного препарата термостабильной а-амилазы проводится при температуре не более 107...110 оС. При разжижении крахмала в начале разваривания, во время контакта его суспензии с потоком водяного пара, вязкость продукта резко возрастает, а взаимодействие с ферментным препаратом ухудшается, в связи с чем необходимо увеличивать дозировку а-амилазы.
Технологическая схема установки непрерывного осахаривания крахмала на участке его ферментативного разжижения включает последовательно соединенные трубопроводами отдельные агрегаты: сборники для подготовки крахмальной суспензии, узел разваривания, выдерживатель, регулятор давления, испаритель и реакторы разжижения.
Основной элемент разжижающей установки - разварник. В нем происходит непрерывное смешивание крахмальной суспензии с водяным паром. При этом крахмал переходит в растворимое состояние - клейсте-ризуется и в таком виде подается в выдерживатель.
Выдерживатель предназначен для окончательного перехода мелких зерен крахмала в клейстеризован-ное состояние с последующим началом стадии разжижения. При этом вязкость продукта снижается, что
существенно повышает скорость химических реакций, протекающих в полисахаридных цепочках.
Конструкция выдерживателя может иметь вид простого резервуара или трубопровода.
Выдерживатель в виде резервуара должен быть снабжен перемешивающим устройством, что усложняет его изготовление, а также не обеспечивает равномерную термообработку всех молекул крахмала в течение заданного времени. Поскольку при перемешивании некоторые необработанные частицы крахмала могут быстро попадать к выгрузному отверстию. Кроме того, резервуар должен быть герметичным, так как в нем создается небольшое избыточное давление. Отсюда следует, что использование такой конструкции не целесообразно.
Длина выдерживателя в виде трубопровода может варьировать в зависимости от диаметра, при этом скорость движения продукта с уменьшением последнего увеличивается.
Для обеспечения производительности экспериментальной установки 0,1 м3/ч объем выдерживателя должен составлять 8,3 л. В случае использования трубопровода диаметром 63 х 3,5 мм (Ду 56) его длина будет равна 3,37 м, а скорость движения продукта составит 0,011 м/с; при трубопроводе 32 х 3,5 мм (Ду 25) длина выдерживателя достигнет 17 м, а скорость - 0,067 м/с.
У каждого из выбранных диаметров есть свои положительные и отрицательные стороны. Так, при изготовлении выдерживателя из трубы большего диаметра требуется меньший перепад давления для преодоления сопротивления движению. Кроме того, он будет короче, масса и стоимость меньше. Однако при этом скорость движения продукта будет низкой, а расстояние между сопротивляющимися слоями движущегося потока большое. Это сокращает контакт молекул крахмала с катализатором и требует увеличения дозировки последнего. Поскольку клейстеризованный крахмал обладает высокой вязкостью, то для его перемещения по трубопроводу нужно создавать высокое давление на входе в выдерживатель. Для уменьшения вязкости продукта также требуется увеличить дозировку катализатора.
Таким образом, можно предположить, что эффективность процесса и скорость движения продукта повышаются с уменьшением диаметра трубопровода. Необходимо экспериментально проверить эту гипотезу, а также определить изменение дозировки ферментного препарата а-амилазы при использовании выдержива-телей с разными диаметрами трубопровода.
Цель наших исследований - определение влияния скорости движения продукта в выдерживателе разжижающей установки на дозировку ферментного препарата а-амилазы.
Условия, материалы и методы. Для проверки предположения о влиянии скорости потока на дозировку ферментного препарата была создана экспериментальная установка, в которой можно менять скорость движения продукта путем подбора выдерживателей с разными диаметрами трубопроводов и изготовлены выдерживатели диаметром 15, 25 и 56 мм.
Основные параметры, с помощью которых опытным путём оценивали процесс ферментативного разжижения - величина глюкозного эквивалента (%) и вязкость (Па•с)полученных гидролизатов.
Концентрация крахмальной суспензии, направляемой на разжижение, составляла 35 %, температура разваривания - 110 оС, температура разжижения - 95 оС.
Основными факторами, влияющими на фермента-
тивное разжижение кукурузного крахмала, выбраны доза фермента (от 0,2 до 0,6 ед. АС/г) и продолжительность процесса (от 5 до 120 мин).
Результаты и обсуждение. В соответствие с законом Хагена-Пуазёйля [2], расход вязкой несжимаемой жидкости при установившемся ее течении в цилиндрической трубе круглого сечения пропорционален перепаду давления на единицу длины трубы и радиусу трубы в четвертой степени:
Я-ЯЧР.-Ра) 8-г| ■/
, м3/с,
где q - расход жидкости в трубопроводе, м3/с; И -радиус трубопровода, м; (Р1 - Р) - разность давлений на входе и на выходе из трубы, Па; п - вязкость жидкости, Па • с; L - длина трубы, м.
Проведем расчеты по определению перепада давления в выдерживателе, необходимого для преодоления сопротивления движению слоёв жидкости в зависимости от диаметра трубопроводов. Вязкость продукта по мере продвижения снижается от нескольких тысяч до единиц Па • с. Для упрощения расчетов примем, что в выдерживателе она постоянна и её среднее значение составляет 0,3 Пас.
Перепад давления (Р1 - Р2) определяем из уравнения Пуазёйля:
(Р1-Р2)=ДР:
в-дт| •/ тс-Я4 '
Анализ зависимости изменения перепада давления ДР от диаметра трубопровода выдерживателя, обеспечивающего производительность установки для разжижения по расходу крахмальной суспензии 0,1 м3/ч, показывает, что для преодоления сопротивления движению слоев жидкости ДР нужно увеличивать по мере уменьшения Ду. Так, при диаметре трубопровода выдерживателя менее 15 мм требуется ДР более 0,3 МПа, а при Ду более 25 - менее 0,015 МПа (рис. 1). Однако с учетом требуемого давления на преодоление сопротивления вязкости продукта в разварнике общий напор должен превышать давление 0,5 МПа.
Максимальная скорость в трубе при ламинарном течении жидкости наблюдается по оси трубы, а у стенок она равна нулю. Чем выше вязкость продукта, тем больше толщина неподвижного слоя у стенок трубы.
Течение Пуазёйля характеризуется параболическим распределением скорости по радиусу трубы. В любом ее поперечном сечении средняя скорость вдвое меньше максимальной скорости в этом сечении.
Рис.1. Зависимость изменения перепада давления от диаметра трубопровода выдерживателя
При установившемся течении несжимаемой жидкости с постоянной вязкостью в трубе круглого сечения, под действием постоянной разности давлений, распределение скорости по сечению трубы в зависимости от расстояния до её оси можно определить по формуле: р2)
_(р.
4 г| •/.
м/с,
где ин - скорость жидкости вдоль трубопровода, м/с; г - расстояние от оси трубопровода, м.
Анализ расчётных эпюр скоростей движения разжиженного крахмала в выдерживателях, имеющих Ду 15, 25 и 56 при производительности по крахмальной суспензии 0,1 м3/ч и длительности пребывания продукта в выдерживателе 5 мин. показывает, что при Ду 15 путь, пройденный продуктом, почти в 13,9 раз больше, чем в трубопроводе Ду 56, при этом объем, отображаемый
Рис. 2. Эпюры скорости движения разжиженного крахмала в выдерживателе
эпюрой, одинаков (рис. 2). Также следует отметить, что толщина слоев продукта, сопротивляющихся движению, в трубопроводе Ду 56 намного больше, чем в трубопроводе Ду 15. Скорость движения продукта в трубопроводе Ду 15 выше, толщина слоев меньше, и катализатор (в нашем случае а-амилаза) входит в контакт с большим числом молекул крахмала, чем в трубопроводе большего диаметра. В связи с этим расход фермента также должен быть меньше.
Определим условную толщину сопротивляющихся слоев при движении разваренного крахмала в трубопроводах Ду 15, 25 и 56.
Основной закон вязкого течения жидкости представлен И. Ньютоном в виде формулы:
г=л " "
А72-/71 ’
где F - тангенциальная (касательная) сила, вызывающая сдвиг одного слоя жидкости относительно другого; 5 - площадь слоя, по которому происходит сдвиг, м2; и2 - скорость течения жидкости по оси трубопровода, м/с; и1 - скорость течения жидкости на некотором расстоянии от оси трубопровода, м/с; Ь2 - расстояние от стенки трубопровода до оси движущейся жидкости, м; 1п1 - расстояние от стенки трубопровода до нижележащего от оси слоя движущейся жидкости, м.
Отношение ^/Э) - это давление в трубопроводе, создающее движущую силу (АР). Обозначив (Ь2-Ь)=АЬ
Рис. 3. Изменение глюкозного эквивалента в гидролизате в зависимости от дозировки а-амилазы и диаметра выдер-живателя: о — дозировка 0,2 ед.АС/г; Ду15 мм; 0 —
дозировка 0,6 ед.АС/г; Ду15 мм; а — дозировка 0,4 ед. АС/г; Ду25 мм; ■ — дозировка 0,4 ед.АС/г; Ду56 мм; • — дозировка 0,4 ед.АС/г; Ду15 мм; а — дозировка 0,2 ед.АС/г; Ду25 мм; А — дозировка 0,6 ед.АС/г; Ду25 мм; □ — дозировка 0,6 ед.АС/г; Ду56 мм.
и видоизменив уравнение вязкого течения жидкости, можно записать:
/п(ц2-ц)
АР ’ ,
где АЬ - толщина сопротивляющегося слоя, м; п = 0,3 - средняя вязкость разваренного крахмала в вы-держивателе, Пас; и1 - средняя скорость движения продукта в трубопроводе, м/с.
Для выдерживателя Ду 15 толщина сопротивляющегося слоя при и2 = 0,269 м/с; и1 =0,1345 м/с; АР = 271249,8 Па равна
А/?
Ып =
ци 0,3- (0,269-0,1345)
= 0,000000148 м,
АР 271249,8
или 0,000148 мм, или 0,148 мкм.
Для выдерживателя Ду 25 (и2 = 0,097 м/с; и1 = 0,0485 м/с; АР = 12659,3Па): АЬ = 1,149 мкм.
Для выдерживателя Ду 56 (и2 = 0,0193 м/с; и1 =0,0,00965 м/с; АР = 100 Па): АЬ = 28,95 мкм.
Анализ полученных результатов показывает, что толщина сопротивляющегося слоя увеличивается в трубопроводах большего диаметра. В трубе Ду 15 она в 195 раз меньше, чем в трубопроводе Ду 56 (при одинаковом расходе разваренного крахмала).
Для оценки процесса ферментативного разжижения определим количество сопротивляющихся условных слоев продукта в выбранных трубопроводах в промежутке от оси трубопровода (где скорость максимальна) до условного слоя, ограниченного средней скоростью.
Для трубопровода Ду 15 максимальная скорость движения продукта в выдерживателе составляет
0,269 м/с, средняя скорость - 0,1345 м/с. Условный диаметр эпюры при средней скорости равен 10 мм. Таким образом, количество условных сопротивляющихся слоев на радиусе (10/2), образованном эпюрой средней скорости движения продукта, составит:
п =---- ---= 33783,8.
0,000148
По аналогичному расчёту для трубопровода Ду 25 условный диаметр эпюры при средней скорости равен 18 мм, количество условных слоев на радиусе эпюры средней скорости п = 7832,9, а для трубопровода Ду 56 величины этого показателя равны 40 мм и п = 690,8.
^едовательно, количество сопротивляющихся слоев при выдерживании движущейся массы разваренного крахмала больше в трубопроводе меньшего диаметра. Так, в трубопроводе диаметром 15 мм разваренная масса движется цилиндрическими слоями, толщина которых менее 0,15 мкм, а их число превышает 33 тыс. Если же трубопровод имеет диаметр 56 мм, то толщина цилиндрических слоев менее 29 мкм, а количество их около 690.
Aнализ экспериментальных результатов изучения процесса ферментативного разжижения с использованием выдерживателей с различным диаметром трубопровода показывает, что в процессе разжижения величины глюкозного эквивалента (ГЭ) гидролизата растут с повышением дозировки ферментного препарата и продолжительности разжижения (рис. 3). Кроме того, ГЭ возрастает с увеличением скорости движения продукта в выдерживателе, то есть с уменьшением диаметра трубопровода. Так, в выдерживателе с Ду 25 и при дозировке a-амилазы 0,2 ед^^г значения ГЭ в 1,2 раза больше, чем при дозировке a-амилазы 0,6 ед^^г в выдерживателе Ду 56.
Изменение вязкости (рис. 4) носит противоположный характер: чем меньше диаметр трубопровода выдерживателя, тем ниже вязкость гидролизата.
Полученные результаты влияния дозировки a-амилазы и конструктивных параметров выдержива-теля на скорость разжижения крахмала подтверждают выдвинутое предположение в том, что с увеличением скорости движения продукта в выдерживателе возрастает интенсивность межмолекулярного взаимодействия крахмала и катализатора, быстрее расщепляются внутримолекулярные связи крахмала, что ускоряет процесс и приводит к снижению расхода ферментного препарата.
При разваривании крахмала во всех выдержива-телях разного диаметра основные изменения качественных характеристик гидролизата наблюдались при температуре 110 °C в течение первых 5 мин.
Дальнейшее разжижение при температуре 95 ^ в течение 120 мин. имело примерно одинаковый затухающий характер с начальной точкой, полученной после разваривания.
Разжижение крахмала в выдерживателе Ду 56 с дозировкой a-амилазы 0,2 ед^^г провести не удалось
Литература.
1. ГулюкН.Г., ЖушманА.И., Ладур Т.А., Штыркова Е.А. Крахмал и крахмалопродукты. - М.: Агропромиздат, 1985.-240 с.
2. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. - М.: ГХИ, 1961. - 831 с.
FEATURES OF ENZYMATIC STARCH LIQUEFACTION V.V. Ananskih, L.D. Shleina, L.Y. Voronova
Summary. The results o study of enzymatic hydrolysis at optimization of working parameter of tubular holder of non-stop starch saccharifier (CSS) were presented. Pilot installation made in All-Russia Researh Institute for Starch Products allowed to carry out the expreriments of CSS with holder of diameter 15, 25 and 56 mm.
Concentration of starch slurry feeding to liquefaction in jet cooker at continuous mixing with vapor was 35%, temperature of cooking 110 оО, liquefaction temperature 95 оО. Dextrose equivalent (DE) and viscosity of hydrolysates were estimated. By results of CSS testing the graphical dependencies of DE change and viscosity of hydrolysates from dosage of a-amylase (from 0,2 to 0,6 pt AS/g), diameter of water pipeline of holder and duration of liquefaction (from 5 to 120 min) were made. Analysis of obtained data shows, that DE of hydrolysate is increasing with increase of dosage of enzyme and duration of liquefaction. Moreover, DE is increased with increase of velocity of product feed in holder, i.e. with decrease of diameter of pipeline. As in keeper with diameter of pipeline 25 and dosage of a-amylase 0,2 pt. AS/g the values of DE are 1,2 times more than at dosage of a-amylase 0,6 pt.AS/g in holder with diameter of 56. The values of viscosity have contrary character: less diameter of pipeline of holder, the viscosity of hydrolysate is lower. Carrying out the cooking of starch in holders of different diameter, the main changes in quility parameters were observed at temperature of 110 оО during first 5 minutes. The further liquefaction at temperature of 95 оО during 120 minutes has the same fading character. It was proved that with decrease of diameter of pipeline and increase of velocity of products feed in keeper the consumption of enzyme for starch liquefaction could be decreased. The results of experiments are considered during selection and calculation of constructive and technological parameters and construction of industrial installation of CSS.
Key words: starch, jet cooker, paste, enzymatic liquefaction, holder, diameter of pipeline.
95
90
85
80
75
70
65
60
О
£ 50
I 45
35
30
25
20
15
10
5
0
Рис. 4. Изменение вязкости гидролизата в зависимости от дозировки a-амилазы и диаметра выдерживателя: -
дозировка 0,2 едЛО/г; Ду 15 мм; —- дозировка 0,2 едДО/г; Ду 25 мм; — - дозировка 0,4 едЛО/г; Ду 56 мм; — - дозировка 0,4 едДО/г; Ду 15 мм; d - дозировка 0,4 едДО/г; Ду 25 мм; — - дозировка 0,6 едЛО/г; Ду 56 мм; • - дозировка 0,6 едДО/г; Ду 15 мм; * - дозировка 0,6 едДО/г; Ду 25 мм.
из-за высокой вязкости гидролизата и невозможности его транспортирования в трубопроводе.
Выводы. На основании проведенных исследований мы установили, что расход дорогого ферментного препарата на разжижение можно значительно снизить при оптимальной скорости движения гидролизата в выдер-живателе, то есть в случае использования правильно рассчитанного и подобранного размера трубопровода выдерживателя для заданной производительности непрерывного осахаривателя крахмала. При изменении диаметра выдерживателя с 56 до 15 мм и создании напора на входе более 0,5 МПа скорость потока на экспериментальной установке повышается с 0,019 до 0,269 м/с, что обеспечивает снижение расхода ферментного препарата a-амилазы с 0,6 до 0,2 едЛ^г.
Продолжительность разжижения, мин
