CC BY
73
Выделение микробиологических и растительных протеинов
с помощью центрифуги Flottweg Sedicanter®
А. А. Хрулев, М. М. Аксенов, Н. А. Бесчетникова
ООО «Флоттвег Москау»
В данной статье представлена техническая разработка - центрифуга Flottweg Sedicanter® для разделения дрожжевых суспензий, ферментационных бульонов с целью последующего выделения протеинов из дрожжевых ферментатов и экстрактов растительных протеинов. Также представлено краткое сравнение с другими системами, применяемыми в настоящее время.
Sedicanter® находит все большее применение в биотехнологии там, где присутствуют процессы биосинтеза и ферментации. На заключительном этапе процесса возникает потребность в отделении продуцента от ферментационного бульона. Это происходит в зависимости от того, что является целевым продуктом -выделяемые микроорганизмом продукты жизнедеятельности (находящиеся в жидкой фазе) или непосредственно сама биомасса (если ценный компонент содержится внутри клетки).
Использование Sedicanter® позволяет существенно упростить последующие этапы производства: фильтрацию, очистку, рафинацию и другие. Данная центрифуга позволяет сделать основной биотехнологический процесс непрерывным, например, проводить его в ферментационной батарее, в которой находится продуцент, лишь подавая туда субстрат в необходимом количестве.
Особенностью данной центрифуги нового типа является эффективная переработка трудноосаждаемых продуктов. Например, избыточных пивных дрожжей и белковых суспензий типа соевых, гороховых и люпиновых изолятов. Обычные декантеры и другие центрифуги при переработке таких продуктов часто показывают неудовлетворительные результаты
разделения и низкую производительность.
БесПсаг^ег® - это горизонтальная осадительная шнековая двухконус-ная центрифуга. Характерной особенностью данной модели центрифуг является наличие барабана со сплошной стенкой, создающего при вращении центробежное поле, и шнека-транспортера внутри барабана. Шнек вращается с несколько различным числом оборотов относительно барабана, тем самым влияя на транспор-
тировку осажденной твердой фазы - кека. Ротор центрифуги состоит из барабана, шнека и планетарного редуктора, который создает дифференциал числа оборотов. В отличие от обычной декантерной центрифуги Sedicanter® рассчитан на разделение суспензий, содержащих мелкодисперсную, мягкую взвешенную фракцию. Для тонкодисперсной фазы требуется гораздо более длительный процесс осаждения, а также поток с малой турбулентностью и мощное центробежное поле. Обезвоживание осадка происходит посредством механической компрессии. При конструировании Sedicanter® инженеры Flottweg целенаправленно учитывали это требование. Барабан состоит из большого конуса, образующего зону очистки, и малого конуса через который выгружается отсепариро-ванный осадок. Суспензия подается в конец большого конуса. Таким образом, получается, что вся длина конуса служит в качестве сепараци-онного конвейера. Жидкость и твердая фаза проходят зону сепарации в одном направлении (по принципу прямотока). Тем самым можно избежать турбулентности и обратного смешивания. Кожух барабана сконструирован таким образом, что уровень жидкости близко прилегает к оси вращения. Это позволяет уве-
Рис. 2. Схема возврата восстановленного пива в основной процесс
ENGINEERING AND TECHNOLOGY
к
а б
Рис. 3 Эффективность сепарации а - избыточные дрожжи перед подачей на центрифугу БесИсаМег®; б - извлеченное пиво на выходе из центрифуги ЗесИсаГег®
Сравнительный анализ метода Cross Flow Filtration и Sedicanter®
Параметры Cross Flow Filtration Flottweg Sedicanter®
Производительность, гл/ч 20-25 20-25
Содержание сухих веществ на входе, %мас. 8-12 8-16
Содержание сухих веществ в дрожжевом пироге, %мас. 20-22 26-28
Содержание сухих веществ (дрожжей) в пиве, об.% 0 0,1-0,3
Выход продукции, % ок. 50 ок. 60
Поглощение кислорода, ррт <0,05 <0,05
Установленная электрическая мощность, кВт ок. 60 ок. 30
Мойка (С1Р) 3-4 ч (каждые 24 часа) 1 ч (каждые 48 ч)
Квалификация обслуживающего персонала Высокая Обычная
Расходы на техобслуживание Высокие (мембраны) Средние (2% от инвестиций)
Температура продукта, °С 10...15 3...5
Необходимость в охлаждении продукта Да, значительная Нет
Общие эксплуатационные расходы Очень высокие Низкие
Необходимость в разбавлении продукта Да Нет
личить объем очищенного продукта. Высокооборотный ротор достигает центробежное ускорение максимум 10000 д. (рис. 1)
Возможности Sedicanter® в пивоваренном производстве
Рассмотрим пример использования БесПсаг^ег® в пивоваренном производстве, как наиболее широко распространенный по всему миру.
БесПса^ег® обеспечивает высокоэффективную переработку пивных дрожжей: при мощности привода в 30 кВт можно перерабатывать до 25 гл/ч пивных дрожжей. При этом получают хорошо обезвоженные дрожжи пищевого качества (содержание сухих веществ до 28% масс.).
Дрожжи богаты белком и витаминами, поэтому для повышения общей рентабельности пивоваренного производства наилучшим решением
является дальнейшая сушка и продажа сухих дрожжей для фармацевтической, пищевой и комбикормовой промышленностей.
В то же время регенерированное пиво почти не содержит дрожжей (0,1 - 0,3 об. %) и является ценным продуктом (поглощение кислорода < 0,05 мг/л). Однако направлять это пиво сразу на розлив нельзя.
Возврат такого пива может быть осуществлен на технологических этапах производства, приведенных на рис. 2. Применение 5есПсаг1ег® позволяет увеличить годовой объем производства пива на 2 - 3%.
БесПса^ег® очень универсален, так как способен работать с различными концентрациями взвешенных веществ в подаче. Он легко может быть адаптирован и настроен для работы в диапазоне 6 - 16% масс в подаче.
Одним из значительных преимуществ внедрения Sedicanter® является и отсутствие необходимости разбавления водой исходной дрожжевой суспензии. При этом эффективность сепарации не снижается при меняющихся параметрах суспензии в подаче. (рис. 3, 4)
Известные системы, используемые для выделения пивных дрожжей и протеинов, это мембранные системы типа Cross Flow Filtration. Они дают выход продукции 35 - 65 %, но весьма различаются по эффективности, технологическому процессу, эксплуатационным расходам и затратам на обслуживание.
Метод Cross Flow Filtration или Sedicanter®?
С начала 80-х гг прошлого века были произведены значительные работы по разработке и применению метода Cross Flow Filtration для регенерации пива из дрожжевого осадка. На практике Cross Flow Filtration показал значительные преимущества перед традиционными методами типа фильтр-прессов, декантеров и тарельчатых центрифуг. Применение этого метода в дальнейшем на пивоваренных заводах постоянно расширялось. Очень интересную технологическую и экономичную альтернативу методу Cross Flow Filtration, как показывают сравнительные характеристики, представляет центрифуга Sedicanter® от Flottweg (таблица).
Из таблицы видно, что мембранная фильтрация наряду со значительно более высокими инвестиционными расходами обнаруживает и более высокие эксплуатационные затраты. Высокая мощность насоса (60 кВт)
Рис. 5. Технологический процесс Flottweg: сепарация водорослей
требует значительной охлаждающей мощности для поддержания постоянной оптимальной температуры фильтрации 10...15 °С (более низкая температура процесса негативно сказывалась бы на продукте).
Sedicanter® можно использовать при температуре 3.5 °С, и ему достаточно установленной мощности в 30 кВт, которая лишь незначительно преобразуется в тепловую энергию. Поэтому трудоемкое охлаждение пива не требуется. Более высокая концентрация дрожжей в Sedicanter® (до 28% мас. в дрожжевом пироге) по сравнению с мембранной системой (20 - 22 % мас.), приводит к значительно большему выходу продукции и увеличивает рентабельность дрожжей.
Керамические мембраны очень хрупкие и могут быть легко повреждены при колебаниях температуры более чем на 1 °С /мин. или при механических ударах. В противовес этому расходы на техобслуживание Sedicanter® незначительны и составляют только 2% от инвестиционной суммы.
Автоматический CIP центрифуги очень прост и без проблем может быть интегрирован в обычный цикл мойки на пивоваренном заводе. Мойка производится каждые 48 ч и не требует специальных моющих средств. Продолжительность мойки -1 ч, а при методе Cross Flow Filtration обычно требуется до 4 ч. Для мойки мембранной установки требуются большое количество соответственно подготовленной технологической воды и специальные поставляемые производителем моющие средства.
Возможности Sedicanter® для обезвоживания растительных протеинов и сбора урожая водорослей
Кроме примера использования центрифуги Sedicanter® на сепарации
«дрожжевого пирога» следует выделить обезвоживание растительных протеинов на основе гороха, сои и люпина, а также различные экстракты и ферментаты.
Широкое применение Sedicanter® находит в производстве соевого молока для выделения тонкодисперсной окары.
Весьма новое и динамично развивающееся применение Sedican-ter® - выделение микроводорослей пищевого назначения. Например, небезызвестный протеиновый концентрат Спирулина - концентрат на основе Спиреллы и Хлореллы (вид протеиновых микроводорослей) -эффективно выделяется с помощью Sedicanter® (рис. 5).
В настоящее время микроводоросли в большей степени используются в качестве сырья для производства косметической, пищевой и биотопливной продукции. Перед сбором урожая микроводоросли выращиваются в специализированных бассейнах или фотобиореакторах. Сбор урожая осуществляется путем отделения микроводорослей от субстрата для выращивания. Технология сбора урожая таких водорослей включает отстой или флотацию, центрифугирование и фильтрацию. В любом случае метод сбора урожая является решающим относительно эффективности всего процесса с точки зрения капиталовложений и производственных расходов.
Технологический процесс сбора урожая от компании Flottweg - это двухстадийный процесс, состоящий из предварительного концентрирования посредством статического отстойника или флотации и сбора урожая с помощью Sedicanter® с целью обезвоживания концентрата. В сравнении с одностадийным процессом лишь малая часть суспензии микроводорослей отделяется путем центрифугирования, существенно сокращая расход энергии. В отличие
от предварительного концентратора, обеспечивающего фазу чистой воды, Sedicanter® обезвоживает концентрат микроводорослей до содержания сухих веществ 22 - 25% до получения сплошной массы (осадка) (рис. 6).
Вывод
Благодаря конструктивным особенностям центрифуга Sedicanter® позволяет достичь высокой эффективности извлечения белковых компонентов. Высокая концентрация обеспечивает снижение затрат на последующую обработку (например, сушку). Непрерывный режим работы, стабильные результаты сепарации и низкие эксплуатационные расходы позволяют существенно повысить рентабельность производства.
Сравнительный анализ показал, что на сегодняшний день центрифуга данного типа является наиболее выгодным решением для сепарации тонкодисперсных трудноосаждаемых суспензий.
ЛИТЕРАТУРА
1. Колезан, Ф. Регенерация пива из дрожжевого осадка с помощью седикантера Флоттвег / Ф. Колезан, Ст. Патерсон // Пиво и напитки. - 2006. -№ 4. - С. 44
2. Хрулев, А.А. Седикантер Флоттвег для глубокой очистки фугата спиртовой барды/ А.А. Хрулев// Производство спирта и ликероводочных изделий. -2008. - № 2. - С. 20.
3. Сепарация барды - успешное решение Флоттвег/Хрулев А. А. // Производство спирта иликероводочных изделий. -2013. - № 2. - с. 20.
4. Кунце, В. Технология солода и пива/ В. Кунце. - С-Пб.: 2003. -С. 772.
5. Barry, G. Swanson, Pea and Lentil protein extraction and functionality // Journal of the American Oil Chemists' Society. - 1990. - № 5.
