CC BY
82
3. Мелешкина, Е.П. Связь числа падения со свойствами углеводно-амилазного комплекса муки / Е.П. Ме-лешкина // Хлебопродукты. - 2005. - №9. - С. 28-31.
--------♦----------
УДК 639.087.7.085.15 В.В. Аксёнов
СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД К ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССОВ БИОКОНВЕРСИИ НАТИВНЫХ КРАХМАЛОВ И КРАХМАЛОСОДЕРЖАЩЕГО СЫРЬЯ СООБЩЕНИЕ I. ПРОВЕДЕНИЕ БИОКОНВЕРСИИ НАТИВНЫХ КРАХМАЛОВ В УСЛОВИЯХ ГАЗОВИХРЕВОГО ПЕРЕМЕШИВАНИЯ
В статье приводятся результаты использования газовихревых ферментеров для гидролиза кукурузного и ржаного крахмала.
Анализ полученных экспериментальных данных показывает, что для получения разных видов паток можно использовать одну технологическую схему, варьируя продолжительность процесса и вид фермента.
Технологии гидролиза нативных крахмалов с целью их интенсификации пошли в своем развитии по пути варьирования и модификации катализаторов и прошли путь от минеральных кислот до ферментных препаратов [1-7]. В то же время уделяется недостаточно внимания вопросам возможности интенсификации процессов гидролиза нативных крахмалов путем воздействия на них электрофизическими, гидродинамическими и другими видами воздействий, которые в последнее время получили распространение и успешно применяются в различных химических технологиях [8].
В общем интенсификация биохимических процессов является многоплановой научно-технической задачей, решать ее необходимо на комплексной основе. Использование различных физических воздействий позволяет в значительной степени ускорять биохимические реакции и получать результаты, не достижимые при применении традиционных технологий.
Интенсификация производственных процессов с помощью физических и биохимических воздействий направлена на повышение их экономической эффективности в результате целенаправленного влияния на производительность оборудования, сокращение трудовых, материальных и энергетических затрат, улучшение показателей качества продукции.
Физические воздействия: механические, гидродинамические, акустические, электромагнитные и другие, с точки зрения термодинамики являются энергетическими, приводящими к изменению свойств и состояния систем. В связи с этим вопросы, решаемые в процессе интенсификации, можно рассматривать как аналоги задач оптимального управления.
Типичными целевыми функциями интенсификации биохимических процессов при физических и биохимических воздействиях являются:
сокращение продолжительности лимитирующих стадий процесса; сокращение энергозатрат;
увеличение производительности и КПД технических средств; улучшение качества продукции;
получение продукции с составом и свойствами, не достижимыми при использовании традиционных технологий;
уменьшение габаритов аппаратов и их числа, расхода материалов на их изготовление;
экономия сырья и реагентов;
исключение отдельных технологических операций;
возможность проведения принципиально новых процессов;
улучшение экономических и эргономических характеристик оборудования;
ведение непрерывных процессов.
В технологических аппаратах производятся преобразования физико-химических свойств веществ входных потоков в требуемые свойства веществ выходных потоков. Эти преобразования представляют со-
бой технологические операции, состоящие из ряда процессов, осуществляемых при определенных воздействиях.
Основные физические воздействия, применяемые в биохимических процессах, можно подразделить на следующие: механические - М; механохимические - МХ; тепловые - Т; гидродинамические - Г; акустические - А; электромагнитные - ЭМ.
Химические и биохимические процессы представляются наиболее трудными для интенсификации, поскольку протекают на атомно-молекулярном уровне. Однако помимо интегральных эффектов, связанных с увеличением констант скорости реакции при нагреве и общей интенсификации, обусловленной ускорением транспорта реагирующих веществ для гетерогенных реакций, возможно влияние энергетических воздействий на элементарные акты реакций и обеспечение межмолекулярной и внутримолекулярной селективности возбуждения в результате физических воздействий.
В общем случае при выборе вида физического воздействия с целью интенсификации технологического процесса в первом приближении можно руководствоваться следующим правилом: по мере перехода от процессов на макроскопических уровнях к процессам на микроскопических уровнях необходимое физическое воздействие должно быть тех же уровней.
Таким образом, для механических процессов и физическое воздействие должно иметь механическую природу, а для химических и биохимических процессов - в виде отдельных квантов.
Рис. 1. Сравнительная диаграмма степени интенсификации технологических процессов при акустическом (А) и электромагнитном (ЭМ) воздействиях [8]
Таким образом при переходе от механических и гидродинамических процессов к химическим и биохимическим степень интенсификации возрастает при использовании электромагнитных видов воздействия и, наоборот, снижается при применении акустического вида воздействия (рис. 1).
Биохимический вид воздействия в основном будет работать на микроскопических уровнях. Однако многие технологические процессы одновременно протекают на обоих уровнях, в связи с этим интенсифицирующее физическое воздействие в этих случаях должно быть двухуровневым или комбинированным.
В связи с вышесказанным, с нашей точки зрения, целесообразно вводить в классические технологии, основанные, главным образом, на механических и тепловых видах воздействия, другие виды воздействия, такие, как гидродинамические, акустические или электромагнитные, что позволит интенсифицировать многие технологии.
Основными недостатками применяемых в настоящее время ферментеров являются:
- неидеальные по всему объему ферментера условия перемешивания реакционной среды;
- неэффективный массо- и энергоперенос по всему объему ферментера;
- существенные различия массо- и энергообменных характеристик по зонам аппарата;
- тепловая и диффузионная неравномерность в объеме аппарата;
- образование застойных зон;
- неравномерное распределение по объему аппаратов вводимой механической и тепловой энергии;
- пониженные качественные характеристики целевого продукта;
- низкая удельная производительность по целевому продукту;
- значительные энергозатраты.
В применяемых промышленных технологических схемах гидролиза нативных крахмалов наблюдается большое разнообразие ферментеров, различающихся как конструктивно, так и по принципу работы [1-3,5]. Проведенные нами исследования по сравнительной оценке различных способов перемешивания на эффективность ферментативного гидролиза различных типов крахмалов показали, что в особо вязких средах при фазовых переходах наиболее целесообразно использование ферментеров с применением газовихревого способа перемешивания [9-11].
В газовихревых ферментерах (ГВР) применяется принципиально новый способ перемешивания реакционных сред, защищенный патентом [12]. Использование аппаратов с газовихревым способом перемешивания для биоконверсии крахмалосодержащего сырья нами было предложено впервые [9-11]. В связи с этим необходимо было изучить гидромеханические и технологические особенности использования ферментеров, работающих на этом способе перемешивания в технологических процессах ферментативного гидролиза различных видов нативных крахмалов.
В ГВР перемешивание крахмальной суспензии осуществляется путем создания в ней квазистацио-нарного вращательного движения, генерируемого закрученным потоком газа. Закрученный поток газа типа «торнадо» генерируется вентиляторным колесом над поверхностью среды (рис. 2,б).
а) б)
Рис. 2. Движение реакционных потоков: а) при механическом перемешивании; б) при газовихревом перемешивании
Благодаря такой закрутке воздуха за счет трения на границе раздела фаз и разницы давления между периферией и центром газового вихря происходит движение реакционной массы в виде вихревого кольца, вращающегося относительно оси емкости с одновременным нисходящим движением жидкости на периферии емкости и восходящим в приосевой зоне (рис. 2,б).
Таким образом, вихревое перемешивание суспензии представляет собой квазистанционарный процесс, обеспечивающий перемешивание без застойных зон.
Для сравнительной оценки эффективности используемых в промышленности ферментеров целесообразно рассмотреть наиболее распространенные в биотехнологической промышленности перемешивающие устройства и аппараты.
При проведении биохимических процессов широко применяются два основных способа перемешивания:
1) перемешивание механическим устройством, помещенным в жидкую реакционную среду;
2) перемешивание, осуществляемое за счет продувки газа через жидкую реакционную среду - эр-лифтное перемешивание.
Классическими ферментерами, широко применяемыми в химической и микробиологической промышленностях, являются вертикальные аппараты с многоярусной или якорной мешалкой.
К недостаткам реакторов с механическим перемешиванием относятся:
невысокая скорость перемешивания;
низкая массообменная скорость; высокие энергозатраты; образование застойных зон;
создание в местах соприкосновения мешалки и среды больших механических напряжений, что приводит к локальным температурным перегревам и денатурации ферментов;
заполнение ферментера для эффективной работы механических мешалок должно быть не менее 50% от его общего объема.
Ферментеры горизонтального ти^а имеют те же недостатки, что и вертикальные, за исключением первой позиции. Однако в этом случае появляется проблема синхронизации работы всех мешалок и увеличивается вероятность их поломок.
Основными недостатками механического перемешивания являются:
неравномерный массообмен, образование застойных зон, вследствие чего ферменты подводятся к исходным соединениям неравномерно, также неравномерно происходит отвод из реакционной зоны продуктов реакции, что уменьшает скорость и эффективность биоконверсии крахмалосодержащего сырья;
образованные на поверхности мешалок вследствие взаимодействия с реакционной массой микрозон локальных перегревов, приводящие к дезактивации ферментов вследствие их температурной денатурации; высокое энергопотребление;
небольшая надежность и низкая эффективность при работе с особо вязкими средами.
Недостатками эрлифтных биореакторов являются:
невозможность работы с особо вязкими средами или со средами, вязкость которых меняется в ходе процесса;
низкая интенсивность при перемешивании вязких и высококонцентрированных сред; обильное пенообразование, приводящее к дезактивации ферментов и их частичному выбросу и не позволяющее использовать весь объем ферментера;
удорожание процессов биоконверсии из-за необходимости тщательной и сложной очистки барботи-рующих газов.
Основные преимущества ГВР по сравнению с классическими ферментерами с применением механического или эрлифтного способов перемешивания следующие:
высокая скорость массообмена (К =6000-8000 час-1), которая превышает классические в 4-8 раз; низкие удельные энергозатраты, которые составляют 0,3 Вт на 1л, что в 10-12 раз меньше, чем у ферментеров с механическими способами перемешивания;
возможность эффективного перемешивания особо вязких жидкостей или сред с меняющейся в ходе процесса вязкостью;
устойчивая работа без изменения характеристик при уровне заполнения ферментера от 15 до 90% общего объема.
В связи с тем, что для ферментативного гидролиза крахмалов ГВР был применен нами впервые, представлялось целесообразным проведение в этом аппарате биоконверсии кукурузного крахмала как наиболее распространенного сырья для получения сахаристых крахмалопродуктов, а также ржаного крахмала, полученного из местного сырья, и сравнение эффективности биоконверсии крахмалов, проведенной в ГВР, с ферментерами, обычно применяемыми в крахмалопаточной промышленности.
Опыты с кукурузным и ржаным крахмалами 1-12 (табл.) проведены в дистиллированной воде с корректировкой рН, осуществленной концентрированной соляной кислотой.
Известно, что на первых двух стадиях: желатинизации и разжижения в присутствии а-амилазного препарата гидролиз нативных крахмалов идет до образования декстринов [1, 2]. Показано, что образование глюкозы и мальтозы в этих случаях незначительное (см. табл., опыт 1). Внесение глюкоамилазного препарата (через 3 ч после начала процесса) ускоряет реакцию осахаривания и через три часа после внесения глю-каваморина содержание глюкозы значительно возрастает как в случае кукурузного, так и ржаного крахмала (см. табл., опыт 2).
Известно, что при использовании кукурузного крахмала в ферментерах с использованием классических способов перемешивания для получения высокоосахаренной патоки с глюкозным эквивалентом (ГЭ) = 63-67% и содержанием глюкозы - 40-43%, а мальтозы 33-37% требуется 70-76 ч [1, 2].
В случае использования ГВР такое содержание глюкозы достигается за 8 ч для кукурузного крахмала (табл., опыт 3) и за 6 ч - для ржаного крахмала (см. табл., опыт 2).
Ферментативный гидролиз нативных крахмалов в ГВР (содержание крахмала 30%, температура желатинизации 95оС, рН=4,5-5,5)
№ п/п Продолжительность процесса, ч Тип крахмала
р у к ку узный ржаной
Глюкоза Мальтоза Глюкоза Мальтоза
1 3 Следы 4 -
2 6 31 - 48 -
3 9 42 10 59 -
4 12 55 6 71 -
5 15 66 2 83 -
6 20 74 - 90 -
7 25 85 - 96 -
8 30 94 - 99 -
9 40 98 - 98 -
10 50 97 - 96 -
11 60 94 - 94 -
12 72 93 - 92 -
Максимальное содержание глюкозы и, следовательно, наибольшего процента биоконверсии кукурузного крахмала достигается за 40 ч (см. табл., опыт 9), а для ржаного крахмала - за 30 ч (см. табл., опыт 8). Дальнейшее проведение процесса нецелесообразно, так как приводит к некоторому понижению содержания глюкозы (см. табл., опыт 10-12).
Вероятно, это происходит вследствие протекания реакции обратной гидролизу - ретроградации крахмала. Г идролиз ретроградированного крахмала протекает более трудно и в более жестких условиях, а по некоторым данным вообще невозможен [1, 2].
Содержание глюкозы может также понижаться за счет протекания побочных химических превращений глюкозы: термической деструкции, реакции с примесными белками, поэтому продолжительность процесса и температурная однородность в ферментере играет важную роль.
Таким образом, на основании полученных экспериментальных данных можно сделать следующие выводы:
использование ГВР в процессах биоконверсии нативных видов крахмалов приводит к повышению эффективности процесса ферментативного гидролиза в целом;
время биоконверсии кукурузного и ржаного крахмалов при получении глюкозных паток по сравнению с используемыми в промышленности ферментерами уменьшается в 2-4 раза;
температуру желатинизации крахмалов в ГВР можно понизить до 95оС против 140оС в промышленных аналогах [1,2] без снижения общего процента биоконверсии крахмалов.
В настоящее время при производстве различных видов паток: низкоосахаренных, среднеосахарен-ных, высокоосахаренных, используют разные технологические схемы с большим набором оборудования. Анализ полученных экспериментальных данных показывает, что для получения разных видов паток можно использовать одну технологическую схему, варьируя продолжительность процесса и вид фермента. Для низкоосахаренной патоки длительность биоконверсии в ГВР составляет 3-4 ч; для среднеосахаренной -4-4,5 ч; для высокоосахаренной - 4-6 ч.
Получая в результате направленного гидролиза крахмалов глюкозу, имеем готовый препарат для выделения пищевой глюкозы, или подходящий субстрат для проведения процесса изомеризации глюкозы во фруктозу, с выходом на глюкозно-фруктозные сиропы, так широко используемые в настоящее время в мире [12].
Литература
1. Технология крахмала и крахмалопродуктов / Н.Н. Трегубов [и др.]. - М.: Легкая и пищевая пром-сть, 1981. - 472 с.
2. Крахмал и крахмалопродукты / под ред. Н.Г. Гулюка. - М.: Агропромиздат, 1985. - 279 с.
3. Грачева, И.М. Технология ферментых препаратов / И.М. Грачева, А.Ю. Кривова. - М.: Элевар, 2000. -512.
4. Клесов, А.А. Ферментативный катализ. Ч.2. Ферментативная деградация полимеров / А.А. Клесов. - М.: Изд-во МГУ, 1984. - 216 с.
5. Ладур, Т.А. Научные основы и практическое применение биоконверсии при производстве сахаристых продуктов из крахмала: автореф. дис. ... д-ра техн. наук / Т.А. Ладур. - М., 1992. - 61 с.
6. Ладур, Т.А. Ферментативный гидролиз крахмала - важнейший резерв повышения эффективности производства крахмалопродуктов / Т.А. Ладур, З.М. Бородина, Р.М. Карпенко // Сахарная пром-сть. - 1983. -№9. - С. 37-39.
7. Андреев, Н.Р. Прогнозные оценки развития крахмалопаточного производства / Н.Р. Андреев, Н.Д. Лукин, Л.М. Медведева // Пищевая пром-сть. - 1999. - №12. - С.34-35.
8. Кардышев, Г.А. Физические методы интенсификации процессов химической технологии / Г.А. Кардышев.
- М.: Химия, 1990. - 208с.
9. Аксенов, В.В. Комплексная переработка растительного крахмалосодержащего сырья в России / В.В. Аксенов // Вестн. КрасГАУ. - 2007. - №4. - С. 213-218
10. Использование газо-вихревого реактора для ферментативной переработки растительного крахмалосодержащего сырья на сахаристые крахмалопродукты / В.В. Аксенов [и др.] // Пища. Экология. Качество: тр. IV Междунар. науч.-практ. конф. - Новосибирск, 2004. - С. 11-13.
11. Аксенов, В.В. Перспективы переработки местного крахмалосодержащего сырья на сахаристые крахмалопродукты / В.В. Аксенов // Пища. Экология. Качество: тр. III Междунар. науч.-практ. конф. - Новосибирск, 2003. - С. 460-464.
12. Патент РФ №2283349. Рамазанов ЮЛ, Кислых В.И., Косюк И.П.
13. Нахапетян, Л.А. Получение глюкозно-фруктозных сиропов из крахмалосодержащего сырья / Л.А. Наха-петян, И.И. Меняйлова // Биотехнология. - 1988. - Т.4. - №5. - С. 564-574.
--------♦-----------
УДК 561.284.579.61 Н.А. Величко, З.Н. Берикашвили
АКТИВНОСТИ ОКИСЛИТЕЛЬНЫХ И ЦЕЛЛЮЛОЛИТИЧЕСКИХ ФЕРМЕНТОВ ГРИБА OSTREATUS (Р.Г) Китт.
В статье определены активности ферментов целлюлолитического комплекса и полифенолоксидазы гриба Ostreatus ^г) Kumm., выращенного на после-экстракционном остатке древесной зелени сосны. Установлено, что культура гриба Ostreatus ^г) Kumm., несмотря на хороший рост и потребление субстрата, обнаружила низкую активность целлюлолитических ферментов.
Грибы поражают лигноцеллюлозные комплексы древесины с помощью выделяемых ими ферментов. Деятельность окислительных и протеолитических ферментов, сопровождающих образование биомассы гриба, зависит от условий культивирования, стадии развития гриба, времени суток, влажности, условий питания. Каталитическая активность фермента, т.е. быстрота превращения субстрата единицей фермента для разных ферментов, не одинакова и зависит от температуры, pH среды, концентрации субстрата, его химического строения и свойств [1].
Фенолоксидазы катализируют в присутствии молекулярного кислорода окисление не только полифенолов и их производных, но и ряда монофенолов с образованием соответствующих хинонов. Полифенолок-сидаза содержится в грибах и представляет собой белок, содержащий медь (0,2-0,3 %). Молекулярная масса ее у грибов 34500. Полифенолоксидаза катализирует два процесса: активирование молекулярного кислорода (окислительная функция) и введение гидроксильной группы в молекулу фенольного соединения (гидро-ксилирующая функция). Разделить эти активности не удается и предполагается, что молекула фермента имеет различные активные центры [2-3].
Расщепление целлюлозы микроорганизмами осуществляется при действии комплекса, включающего несколько ферментов - 1, 4, р-Д, глюканогидролазу, экзо-1, 4 В-глюкан-4 глюкогидролазу, 1, 4, вД-глюканцеллобиогидролазу и в-глюкозидазу.
