Способ производства ферментного препарата
Изобретение относится к биотехнологии и касается технологии выделения ферментов из биологического сырья. Согласно изобретению в процессе экстрагирования ферментсодержащего сырья жидким экстрагентом давление в экстракционной смеси периодически сбрасывают до значения, обеспечивающего вскипание экстрагента, и повышают до исходного значения. После чего отделяют жидкую фазу и выделяют из нее целевой продукт известными методами. Изобретение позволяет сократить удельные энергозатраты за счет оптимизации условий разрушения клеточной структуры экстрагируемого сырья и увеличить выход целевого продукта за счет сокращения необратимых потерь.
Изобретение относится к технологии выделения ферментов из биологического сырья.
Известен способ производства ферментного препарата, предусматривающий экстрагирование ферментсодержащего сырья жидким экстрагентом, отделение жидкой фазы и выделение из нее целевого продукта (Грачева И.М., Технология ферментных препаратов - М.: Агропромиздат, 1987, с.85-86).
Недостатками этого способа являются высокая энергоемкость и длительность технологического цикла.
Известен способ экстракции биологического сырья, предусматривающий смешивание сырья с жидким экстрагентом, экстрагирование с периодическим сбросом давления и подводом теплоты для поддержания температуры экстракционной смеси на 5-15°С выше температуры кипения экстрагента и повышением давления до исходного значения, отделение жидкой фазы и выделение из нее целевого продукта (RU 2163827 С1, 10.03.2001).
Этот способ неприемлем для экстракционного выделения ферментов, которые инактивируются теплом по меньшей мере на теплоподводящей поверхности.
Известен способ экстракции растительного сырья, предусматривающий его смешивание со сжиженным газом, экстрагирование с периодическим сбросом давления до вскипания экстрагента, отделение жидкой фазы и выделение из нее целевого продукта (SU 464612, 27.06.1975).
Данный способ неприемлем для производства ферментов, поскольку они не экстрагируются сжиженными газами.
Наиболее близким к предлагаемому является способ производства ферментного препарата, предусматривающий экстрагирование ферментсодержащего сырья жидким экстрагентом при конденсации в экстракционной смеси паров экстрагента, отделение жидкой фазы и выделение из нее целевого продукта (RU 2133771 С1, 27.07.1999).
Этот способ позволяет сократить продолжительность технологического цикла и несколько снизить энергозатраты за счет оптимизации технологических операций выделения целевого продукта из экстракта.
Техническим результатом изобретения является повышение выхода целевого продукта и сокращение удельных энергозатрат.
Этот результат достигается тем, что в способе производства ферментного препарата, предусматривающем экстрагирование ферментсодержащего сырья жидким экстрагентом, отделение жидкой фазы и выделение из нее целевого продукта, согласно изобретению, в процессе экстрагирования давление в экстракционной смеси периодически сбрасывают до значения, обеспечивающего вскипание экстрагента, и повышают до исходного значения.
Способ реализуется следующим образом.
Ферментсодержащее биологическое сырье, например биомассу микроорганизмов или внутренние органы животных, экстрагируют жидким экстрагентом, например солевым раствором. В процессе экстрагирования давление в экстракционной смеси периодически сбрасывают до значения, обеспечивающего вскипание экстрагента без внешнего подвода теплоты, и повышают до исходного значения.
Образование, как в предлагаемом способе, или схлопывание, как в наиболее близком аналоге, каждого пузырька газовой фазы в экстракционной смеси сопровождается созданием ударной волны, разрушающей клеточную структуру экстрагируемого сырья и интенсифицирующей экстрагирование из него ферментов. Как известно, действие ударной волны ослабевает пропорционально квадрату расстояния от эпицентра, то есть в данном случае от места образования или схлопывания пузырька газовой фазы. При барботировании пара конденсация пузырьков осуществляется в результате теплообмена с жидкой фазой экстракционной смеси, поэтому происходит в жидкой фазе на некотором расстоянии от частиц экстрагируемого биологического сырья. При сбросе давления частицы твердой фазы в экстракционной смеси служат центрами парообразования, и большинство пузырьков образуется непосредственно на поверхности экстрагируемого биологического сырья. Из этого следует вывод, что удельные затраты энергии ударных волн на разрушение клеточной структуры экстрагируемого сырья в предлагаемом способе всегда будут ниже, чем в наиболее близком аналоге. Помимо того, эта разница будет тем больше, чем больше значение гидромодуля экстракционной смеси.
Следует отметить, что конденсация пара всегда сопровождается выделением теплоты, а образование пара поглощением теплоты. Поэтому при реализации наиболее близкого аналога экстракционная смесь будет разогреваться, а при реализации предлагаемого способа охлаждаться. Как известно, тепловое воздействие определенной интенсивности приводит к инактивации ферментов. Поэтому в процессе экстрагирования ферментов в наиболее близком аналоге происходит частичная инактивация экстрагируемых ферментов в местах мгновенного локального перегрева экстракционной смеси в момент конденсации пузырька пара, то есть их необратимая потеря, а в предлагаемом способе такая возможность исключена.
После завершения экстрагирования отделяют жидкую фазу и выделяют из нее ферменты известными методами, например фильтрацией и изоэлектрическим осаждением.
Пример 1.
По описанным выше технологиям предлагаемого способа и наиболее близкого аналога осуществляют экстрагирование амилазы и пектолитических ферментов из биомассы Aspergillus oryzae водой при начальной температуре экстракционной смеси 20°С и гидромодуле 1:10. Амилолитическая и пектолитическая активность опытного препарата на 24% и 15% выше, чем контрольного.
Пример 2.
По описанным выше технологиям предлагаемого способа и наиболее близкого аналога осуществляют экстрагирование пищеварительных ферментов из поджелудочной железы кур 0,0725 н серной кислотой при начальной температуре экстракционной смеси 25°С и нидромодуле 1:20. Химазная активность опытного препарата на 18% выше, чем контрольного.
Пример 3.
По описанным выше технологиям предлагаемого способа и наиболее близкого аналога осуществляют экстрагирование сычужных ферментов из сычугов телят 10%-ным раствором NaCl при начальной температуре экстракционной смеси 32°С и гидромодуле 1:4. Молокосвертывающая активность опытного препарата на 35% выше, чем контрольного.
Учитывая, что механическое разрушение любых объектов происходит при соблюдении условия
где Р - давление на поверхность,
[σ] - предел прочности;
при образовании пузырька газовой фазы в жидкое давление в эпицентре ударной волны равно
где σ - поверхностное натяжение на границе раздела фаз,
R0 - радиус пузырька;
давление во фронте ударной волны равно
где R - расстояние от эпицентра;
действие ударной волны в предлагаемом способе всегда будет соответствовать условию
а в наиболее близком аналоге всегда будет соответствовать условию
Следует вывод, что удельные энергозатраты на одинаковое разрушение структуры сырья, то есть на обеспечение одинаковой интенсивности массообмена, в наиболее близком аналоге будут всегда выше, чем в предлагаемом способе. При этом указанная разница будет тем больше, чем больше значение гидромодуля. Действительно, при равномерном распределении пузырьков по объему экстракционной смеси в наиболее близком аналоге при подстановке (2) и (3) в (1) по соотношению твердой и жидкой фаз легко рассчитывается в относительном виде количество пузырьков, действие ударной волны которых будет и не будет приводить к разрушению клеточной структуры экстрагируемого сырья. Соотношение этих величин полностью соответствует сокращению удельных энергозатрат на экстрагирование, которое может быть пересчитано в абсолютном виде по уравнению теплового баланса для любого процесса при любых технологических параметрах.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет сократить удельные энергозатраты за счет оптимизации условий разрушения клеточной структуры экстрагируемого сырья и увеличить выход целевого продукта за счет сокращения необратимых потерь.
Способ производства ферментного препарата, предусматривающий экстрагирование ферментсодержащего сырья жидким экстрагентом, отделение жидкой фазы и выделение из нее целевого продукта, отличающийся тем, что в процессе экстрагирования давление в экстракционной смеси периодически сбрасывают до значения, обеспечивающего вскипание экстрагента, и повышают до исходного значения.
