Способ очистки и концентрирования кукурузного экстракта
Владельцы патента RU 2521511:
Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт крахмалопродуктов Российской академии сельскохозяйственных наук (RU)
Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт пищевой биотехнологии Российской академии сельскохозяйственных наук (RU)
Изобретение относится к кукурузокрахмальному производству, а именно к способам переработки кукурузного экстракта, образующегося при переработке кукурузы на крахмал на стадии ее замачивания, являющегося побочным продуктом крахмалопаточного производства. Способ очистки и концентрирования кукурузного экстракта предусматривает стадии тонкой очистки, стерилизации, предварительного концентрирования и доконцентрирования. Очистку экстракта проводят на микрофильтрационных мембранах с диаметром пор 0,2 и 0,45 мкм или крупнопористых ультрафильтрационных мембранах с рейтингом по молекулярной массе 150-170 кДа. Глубокое концентрирование до концентрации 25-30% СВ осуществляют на высокоселективных обратноосмотических мембранах с селективностью 99,5-99,8% при давлении до 100 МПа. Окончательное концентрирование до содержания 55-65% СВ осуществляют на вакуум-выпарной установке. Предлагаемый способ очистки и концентрирования кукурузного экстракта обладает высокой степенью химической и микробиологической чистоты и низкими затратами на его производство. 2 табл., 1 ил.
Изобретение относится к кукурузокрахмальному производству, а именно к способам переработки кукурузного экстракта, образующегося при переработке кукурузы на крахмал на стадии ее замачивания, являющегося побочным продуктом крахмалопаточного производства.
Общее суммарное содержание растворенных и взвешенных сухих веществ (СВ) в исходном экстракте в зависимости от метода замачивания (стационарного или диффузионного), качества кукурузы и экстрагента составляет 5-12%.
Наиболее ценными веществами экстракта являются находящиеся в растворенном состоянии углеводы, белки, полипептиды, аминокислоты, витамины, стимуляторы роста, микроэлементы и другие биологически активные вещества. Экстракт используется в составе питательных сред при производстве антибиотиков, незаменимых аминокислот, витаминов, ферментов, органических кислот, дрожжей и др. продуктов микробиосинтеза; при производстве пищевых добавок и медицинских препаратов, кормов, органических удобрений и других продуктов.
В связи с низкой хранимоспособностью нативного экстракта и большим объемом его концентрируют различными способами.
Известен метод выделения и концентрирования белковой массы из экстракта химической коагуляцией в две ступени. Патент РФ №2422039. На первом этапе pH экстракта с 4,2-4,4 доводят щелочным реагентом (смесью гидроксида кальция и гидроксида натрия) до pH 6 и выделяют скоагулированную белковую массу декантацией, на втором значение pH доводят до 8 и также выделяют скоагулированную белковую массу с помощью декантации.
Недостатком этого способа является относительно небольшая степень концентрирования экстракта по объему (всего в 3,125 раза), которая при рекомендуемых параметрах коагуляции составляет всего 31,8% по массе. Кроме того, белок за счет химической коагуляции является денатурированным и, следовательно, обладает пониженной усвояемостью.
Известен способ сгущения экстракта с помощью выпаривания (Романенко В.Н., Филиппова Н.И. Комплексное использование сырья в крахмалопаточном производстве. - М.: Агропромиздат, 1985, 138-139 с.) до максимальной концентрации 45-48%.
В настоящее время для этих целей используют процесс вакуум-выпаривания, который имеет ряд существенных недостатков: накипе- и нагарообразование, загорание поверхностей нагрева, интенсивное пенообразование, коррозионный износ и высокие энергозатраты (порядка 500 МДж/м3).
Кроме того, выпарка не обеспечивает химической и микробиологической чистоты экстракта, необходимой для производства пищевых добавок и медицинских препаратов, а также для использования при микробиосинтезе.
Технический результат заключается в концентрировании кукурузного экстракта, сокращении его объема, поступающего на выпаривание, и соответственно снижении энергозатрат.
Технический результат достигается тем, что очистка и концентрирование кукурузного экстракта предусматривает тонкую очистку и стерилизацию, предварительное концентрирование и доконцентрирование, причем очистку экстракта проводят на микрофильтрационных мембранах с диаметром пор 0,2 и 0,45 мкм или крупнопористых ультрафильтрационных мембранах с рейтингом по молекулярной массе 150-170 кДа, а глубокое концентрирование до концентрации 25-30% СВ осуществляют на высокоселективных обратноосмотических мембранах с селективностью 99,5-99,8% при давлении до 100 МПа, а окончательное концентрирование до содержания 55-65% СВ осуществляют на вакуум-выпарной установке.
Изобретение поясняется блок-схемой на фиг.1, где:
1 - микрофильтрационная или ультрафильтрационная установка;
2 - обратноосмотическая установка;
3 - вакуум-выпарная установка.
Способ осуществляют следующим образом. Исходный экстракт подают в мембранную установку 1, где из него удаляются и переходят в ультраконцентрат (УФ-концентрат) содержащиеся в нем остатки крахмала, зерна и другие взвешенные вещества, коллоиды и микроорганизмы.
УФ-концентрат смешивается с мезгой и используется в составе жидких или сухих кормов.
Прозрачный, не содержащий взвесей ультрапермеат (фильтрат, прошедший через мембрану) подают в мембранную обратноосмотическую установку 2, где он концентрируется от 5-9% СВ до 25-30% СВ. ОО-концентрат далее доконцентрируется на вакуум-выпарной установке 3 до концентрации 55-65% СВ с получением продукта - экстраконцентрата экстракта. ОО-пермеат с концентрацией не более 0,3-0,5 СВ возвращается на стадию замачивания кукурузы.
В мембранной установке 1 используют мембраны с низкой селективностью (задерживающей способностью) по растворенным белкам и другим сухим веществ (СВ), находящимся в растворенном состоянии при 100%-ном задержании всех взвешенных веществ и коллоидов.
Как показали приведенные в таблице 1 результаты опытов, для этой стадии могут использоваться микрофильтрационные (МФ) мембраны с диаметром пор от 0,45 до 0,2 мкм и крупнопористые ультрафильтрационные (УФ) мембраны с паспортной задерживающей способностью по молекулярной массе (рейтингом) от 150 до 170 кДа.
| Таблицa №1 | |||||
| Наименование образцов | Концентрация СВ по рефрактометру, % | Селективность мембран по СВ, % | Доля белка, % на а.с.в. |
Селективность мембран по белку, % | Рейтинг мембран по MM, кДа |
| Исходный экстракт | 12 (C1) | - | 32,5 | - | - |
| (С3) | |||||
| МФ-пермеат | 11,3 (С2) | 5,8 | 31,8 | 2,2 | - |
| Керамическая мембрана с Ø пор 0,45 мкм | (С4) | ||||
| МФ-пермеат | 11,2 (С2) | 6,7 | 31,6 | 2,8 | - |
| Керамическая мембрана с Ø пор 0,2 мкм | (С4) | ||||
| УФ-пермеат | 11 (С2) | 8,3 | 31 | 3,4 | 150 |
| УФ-мембрана из полисульфенамида УПМ-200 | (С4) | ||||
| УФ-пермеат | 10,9 (С2) | 9,2 | 31,2 | 4,0 | 110 |
| УФ-мембрана УПМ-100 | (С4) | ||||
| УФ-пермеат | 10,4 (С2) | 13,3 | 31,1 | 4,3 | 64,5 |
| УФ-мембрана УПМ-50М | (С4) | ||||
| УФ-пермеат | 10,2 (С2) | 15 | 30,5 | 6,2 | 17 |
| УФ-мембрана УПМ-20 | (С4) | ||||
| УФ-пермеат | 9,6 (С2) | 20 | 30,2 | 7,1 | 12,7 |
| УФ-мембранаУПМ-10 | (С4) | ||||
| МФ-пермеат | 11,2 (С2) | 6,7 | 31,6 | 2,8 | - |
| Металлокерамическая мембрана с Ø пор 0,2 мкм | (С4) | ||||
| Примечание: Результаты получены при скорости потока над мембранами 5 м/с, температуре 50°С. Концентрация СВ и белка определялась в общем пермеате при степени концентрирования по объему 12 раз | |||||
| Селективность мембран по СВ рассчитывали по формуле [(C1-C2)/C1]·100%, а селективность по белкам - по формуле [(С3-C4)/C3]·100%. | |||||
| Коллоидный индекс SDI (15 мин) во всех пермеатах был меньше 4,5. |
В мембранной установке 2 используют мембраны, позволяющие осуществлять максимальное концентрирование кукурузного экстракта по объему с получением концентрата с максимально высокой концентрацией СВ при минимальной концентрации СВ и белка в обратноосмотическом пермеате (ОО-пермеате).
Проведенные и представленные в табл.2 результаты исследований по селективности нанофильтрационных и обратноосмотических мембран по сухим веществам (СВ) и белку показали, что они могут использоваться для концентрирования УФ-пермеата, предварительно очищенного на МФ- и УФ-мембранах.
| Таблица 2 | ||||
| Основные обобщенные показатели пермеатов, полученных при концентрировании (предварительно осветленного на МФ- и УФ-мембранах) кукурузного экстракта на нанофильтрационных (НФ) и обратноосмотических (ОО) мембранах | ||||
| Наименова- Ние образцов |
Концентрация СВ по рефрактометру, % | Селективность мембран по СВ, % | Доля белка, % на а.с.в. | Селективность мембран по белку, % |
| Исходный осветленный экстракт | 12 (С1) | - | 32,5 | - |
| (С3) | ||||
| НФ-пермеат | 15 (С2) | 87,5 | 2,9 (С4) | 91 |
| НФ-мембрана ОПМН-П | ||||
| ОО-пермеат | 0,8 (С2) | 93,3 | 1,5 (С4) | 95,4 |
| ОО-мембрана XLE | ||||
| ОО-пермеат | 0,4 (С2) | 96,7 | 0,55 | 98,3 |
| ОО-мембрана SWS | (С4) | |||
| Примечание: 1. Паспортная селективность: мембран ОПМН-П - 55% по 0,15% NaCl; мембран XLE - 98%; мембран SWS - 99,8%; | ||||
| Селективность мембран по СВ рассчитывали по формуле [(С1-C2)/C1]·100%, а селективность по белкам - по формуле [(С3-С4)/С3]·100%. |
Высокая степень концентрирования по сухим веществам достигается на обратноосмотических мембранах с высокой селективностью - 99,8% и составляет 25-30%.
Для получения ОО-концентрата с концентрацией до 20% СВ используются мембраны с селективностью по NaCl - 98%, а для получения ОО-концентрата с концентрацией СВ 15% используются нанофильтрационные мембраны.
Более глубокая степень концентрирования (до 65%) достигается за счет дополнительного упаривания обратноосмотического концентрата на вакуум - выпарной установке.
Способ очистки и концентрирования кукурузного экстракта, предусматривающий стадии тонкой очистки и стерилизации, предварительного концентрирования и доконцентрирования, причем очистку экстракта проводят на микрофильтрационных мембранах с диаметром пор 0,2 и 0,45 мкм или крупнопористых ультрафильтрационных мембранах с рейтингом по молекулярной массе 150-170 кДа, а глубокое концентрирование до концентрации 25-30% СВ осуществляют на высокоселективных обратноосмотических мембранах с селективностью 99,5-99,8% при давлении до 100 МПа, а окончательное концентрирование до содержания 55-65% СВ осуществляют на вакуум-выпарной установке.
