Кемерово, Кемеровская область, Россия
Цель исследования – изучение влияния условий эксплуатации ульрафильтрационных мембран на концентрационные характеристики растворов желатина. Задачи исследования – дать характеристику используемой ультрафильтрационной установке; установить рабочие параметры для проведения ультрафильтрации желатиновых бульонов; исследовать влияние процесса ультрафильтрации на физико-химические показатели желатинового бульона и продуктов его фильтрации. Экспериментальные исследования проводились на базе НИИ Биотехнологии Кемеровского государственного университета (г. Кемерово). Объектом исследования являлся желатиновый бульон. В экспериментальных исследованиях использовали лабораторную ультрафильтрационную установку МФУ-Р-45-300 (Россия). Установка оснащена тремя фильтрационными аппаратами, укомплектованными полимерными фильтрационными рулонными элементами ультрафильтрации с размерами пор от 5 до 100 кДа, что позволяет получить белковый концентрат с высокой молекулярной массой. Контролируемое давление находилось в пределах 3,0 Бар, с перепадом в напорном и возвратном коллекторе не более 0,2–0,5 кгс/см2. Содержание белка определяли на анализаторе общего азота (белка) RAPID N ELEMENTAR, работающего по методу Дюма – сжигание пробы с регистрацией общего азота на детекторе теплопроводности. Определение содержания сухих веществ производили на рефрактометре ИРФ-454Б2М. Пробу предварительно разбавляли водой. Результат умножали на коэффициент разведения. Концентрацию ионов водорода (величину рН) определяли экспресс-методом с помощью рН-метра модели Testo 206-pH2. Определяли физико-химические показатели желатинового бульона и полученных в ходе фильтрации продуктов (пермеат и ретентат). Ультрафильтрация желатинового бульона полимерными мембранами позволила сконцентрировать раствор по отношению к белкам контрольного образца (исходного желатинового бульона) на 61,97 %, по отношению к сухим веществам – на 62,88 %. Полученные результаты свидетельствуют об эффективности применения баромембранных технологий, в том числе ультрафильтрационных методов, в технологических процессах при производстве желатина. Ультрафильтрационные установки предлагается использовать на этапе концентрирования желатиновых бульонов с целью ресурсо- и энергосбережения.
баромембранные технологии, ультрафильтрация, желатин, концентрирование, белок.
Введение. В современной науке и практике все чаще используются мембранные процессы. Данная технология способна решать любые задачи по фильтрации, концентрированию и очистке пищевых компонентов. Один из видов мембранных процессов – баромембранная технология, которая используется в разных отраслях, таких как: пищевая, химическая и биотехнологическая промышленность. Одним из перспективных направлений пищевой и биотехнологической отрасли является производство желатина разных марок и категорий. За последнее время в России увеличилось использование мембранных технологий, поэтому рынок мембран плотно закрепился и проходит стадию формирования [1].
Желатин – это водорастворимый белок, имеющий молекулярную массу от 20 до 250 кДа. Желатин получают из кожи и костей животных. Его широко применяют в производстве пищевых продуктов и фармацевтическом производстве. В пищевой промышленности желатин является одним из водорастворимых полимеров, который можно использовать для улучшения стабильности и консистенции пищевых продуктов [2]. Желатин состоит из уникальной последовательности аминокислот. На рисунке 1 представлена химическая структура желатина, которая содержит повторяющиеся последовательности триплетов глицин – X – Y, где X и Y часто представляют собой аминокислоты пролина и гидроксипролина [3].
Рис. 1. Химическая структура желатина
Технология производства желатина достаточно сложная и продолжительная по времени. Основные стадии производства могут продолжаться от 15 ч до 12 недель. При этом самым энергозатратным является процесс концентрирования желатиновых бульонов, обычно их концентрируют до содержания сухих веществ от 12 до 35 %. На рисунке 2 представлена классическая схема производства желатина [4, 5].
|
Обезжиренная кость |
|
Дробление на кусочки |
|
Обрезки шкуры крупнорогатого скота волосогонного золения |
|
Свиные шкуры |
|
Деминерализация 4–7 %-й HCl, 7–10 дней |
|
Золение оссеина |
|
Золение |
|
Промывка водой |
|
Кислотная обработка |
|
Промывка водой от избытка кислоты |
|
Промывка водой 15–30 ч |
|
Нейтрализация |
|
Экстракция желатина |
|
Консервирование бульонов |
|
Фильтрация |
|
Концентрирование до содержания сухих веществ 12–35 % |
|
Застудневание |
|
Сушка при t 30–60 °С |
|
Дробление |
Рис. 2. Классическая схема производства желатина из костного сырья
После стадии экстракции экстрагированные разбавленные растворы желатина концентрируют и фильтруют. Традиционный метод концентрирования – испарение желатиновых бульонов в три стадии: предварительное концентрирование, основное концентрирование и завершающая стадия для высокой концентрации. Традиционный метод имеет некоторые недостатки, такие как потребление большого количества энергии, выброс углеводородов в атмосферу [6].
При производстве желатина требуются большие тепловые энергозатраты, так как технология производства связана с отделением влаги, поэтому возникла потребность в изучении повышения эффективности производства желатина методом баромембранных технологий [7, 8].
С целью ресурсосбережения предлагается использовать ультрафильтрацию на этапе концентрирования желатиновых бульонов. Ультрафильтрационные установки имеют ряд преимуществ для производства пищевых продуктов, одно из основных – снижение количества вакуум-выпарных аппаратов за счет применения ультрафильтрационных установок, которые в свою очередь удаляют большую часть свободной влаги из желатинового бульона. При всех плюсах имеется и недостаток – высокая стоимость промышленного оборудования для реализации баромембранных технологий на производстве.
Цель исследования: изучение влияния условий эксплуатации ульрафильтрационных мембран на концентрационные характеристики растворов желатина.
Задачи исследования: дать характеристику используемой ультрафильтрационной установке; установить рабочие параметры для проведения ультрафильтрации желатиновых бульонов; исследовать влияние процесса ультрафильтрации на физико-химические показатели желатинового бульона и продуктов его фильтрации.
Объекты и методы исследования. Объектом исследования являлся желатиновый бульон. В экспериментальных исследованиях использовали лабораторную ультрафильтрационную установку МФУ-Р-45-300 (Россия). В качестве фильтрующих элементов использовали полимерные ультрафильтрующие элементы ЭРУ (Россия) в количестве 3 штук. Контролируемое давление находилось в пределах 3,0 Бар, с перепадом в напорном и возвратном коллекторе не более 0,2–0,5 кгс/см2. Содержание белка определяли на анализаторе общего азота (белка) RAPID N ELEMENTAR, работающего по методу Дюма – сжигание пробы с регистрацией общего азота на детекторе теплопроводности. Определение содержания сухих веществ производили на рефрактометре ИРФ-454Б2М. Пробу предварительно разбавляли водой. Результат умножали на коэффициент разведения. Концентрацию ионов водорода (величину рН) определяли экспресс-методом с помощью рН-метра модели Testo 206-pH2.
Экспериментальные исследования проводились на базе НИИ биотехнологии Кемеровского государственного университета. Работа выполнена в рамках гранта Президента РФ по государственной поддержке ведущих научных школ (НШ-2694.2020.4).
Результаты исследования. С целью исследования баромембранных технологий в процессе производства желатина использовали ультрафильтрационную установку МФУ-Р-45-300. Данная мембранная фильтрационная система МФУ-Р предназначена для фильтрации различных растворов. Она позволяет получать концентраты или фильтраты растворов, отделяя молекулы различных размеров в зависимости от установленных мембран. Внешний вид ультрафильтрационной установки МФУ-Р-45-300 представлен на рисунке 3.
Рис. 3. Ультрафильтрационная установка МФУ-Р-45-300
Установка оснащена тремя фильтрационными аппаратами, укомплектованными полимерными фильтрационными рулонными элементами ультрафильтрации с размерами пор от 5 до 100 кДа, что позволяет получить белковый концентрат с высокой молекулярной массой. Также установка имеет теплообменник, позволяющий регулировать температуру фильтруемой жидкости. Конструкция позволяет при необходимости производить процесс фильтрации в непрерывном режиме, получая необходимый объем фильтрата или степень концентрации раствора. Технические характеристики ультрафильтрационной установки МФУ-Р-45-300 представлены в таблице.
Технические характеристики ультрафильтрационной установки МФУ-Р-45-300
|
Параметр |
Данные |
|
Количество аппаратов разделения, одновременно монтируемых на установке, шт. |
1–3 |
|
Тип аппарата |
АРС-0.25 |
|
Количество фильтрационных элементов, шт. |
3 |
|
Номинальный порог задержания в нанофильтрационном элементе, Да |
400 |
|
Рабочее давление, Мпа, не более |
0,6 |
|
Температура рабочей среды, оС, не более |
50 |
|
pH рабочей среды |
2–11 |
|
Минимальный удерживаемый объем установки, л |
3,0–3,5 |
|
Напряжение питания, В |
220 |
|
Частота тока, Гц |
50 |
|
Установочная мощность, кВт |
1,3 |
|
Масса, кг |
55 |
|
Габаритные размеры, см |
|
|
Длина |
982 |
|
Ширина |
420 |
|
Высота |
1261 |
Для фильтрации использовали полимерные УФ-мембраны ЭРУ, которые обеспечивают разделение исходного продукта на ретентат (концентрат) и пермеат (фильтрат). В своем составе ретентат имеет белки и незначительное количество минеральных веществ, которые переходят в него в процессе фильтрации исходного раствора. При этом пермеат в своем составе имеет отфильтрованные соли и минералы [9]. УФ-мембраны представлены на рисунке 4.
|
|
|
Рис. 4. Полимерные УФ-мембраны ЭРУ
Принципиальная схема экспериментальной установки УФ для концентрирования раствора желатина представлена на рисунке 5.
Рис. 5. Принципиальная схема экспериментальной установки УФ
для концентрирования раствора желатина:
1 – вход фильтруемой жидкости; 2 – выход фильтрата; 3 – слив концентрата; 4 – выход промывной воды; Е1 – приемная емкость; АР – фильтрационный аппарат; Н1 – циркуляционный насос; М – манометр; Т1 – термометр; Т01 – теплообменник
С целью исследования влияния баромембранных технологий на процесс производства желатина в приемную емкость Е1 помещали полученный экстракционным методом желатиновый бульон в количестве 10 л. Контролируемое давление находилось в пределах 3,0 Бар, с перепадом в напорном и возвратном коллекторе не более 0,2–0,5 кгс/см2.
Для изучения эффективности применения ультрафильтрационного метода концентрирования желатиновых бульонов определяли физико-химические показатели желатинового бульона и полученных в ходе фильтрации продуктов (пермеат и ретентат). Результаты представлены на рисунке 6.
По результатам полученных данных можно сделать вывод, что использование ультрафильтрации полимерными мембранами при давлении в пределах 3,0 Бар в процессе концентрирования желатиновых бульонов дало возможность сконцентрировать раствор по отношению к белкам контрольного образца (исходного желатинового бульона) на 61,97 %, по отношению к сухим веществам – на 62,88 %. Полученные результаты свидетельствуют об эффективности применения баромембранных технологий, в том числе ультрафильтрационных методов, в технологических процессах производства желатина. Также можно предположить, что использование рассмотренных методов способствует получению более качественного, высокомолекулярного белка – желатина, который востребован в пищевой и биомедицинской промышленностях.
Выводы. Таким образом, при использовании баромембранных технологий в процессе производства желатина, а именно в процессе концентрирования на ультрафильтрационной установке МФУ-Р-45-300, оснащенной полимерными фильтрационными рулонными элементами ультрафильтрации с размерами пор от 5 до 100 кДа, при рабочем давление в пределах 3,0 Бар, с перепадом в напорном и возвратном коллекторе не более 0,2–0,5 кгс/см2, удалось сконцентрировать желатиновый раствор по отношению к белкам контрольного образца (исходного желатинового бульона) на 61,97 %, по отношению к сухим веществам – на 62,88 % соответственно. Полученные показатели свидетельствуют о высокой эффективности использования данных технологий в процессе концентрирования желатиновых бульонов.
1. Челноков В.В., Михайлов А.В., Заболотная Е. Всемирный рынок мембранных технологий // Успехи в химии и химической технологии. 2020. № 3. С. 59–61.
2. Козлова О.В., Ворошилин Р.А. Анализ возможности ферментного воздействия на процесс обезжиривания костного сырья в производстве желатина // Актуальные вопросы науки и техники: проблемы, прогнозы, перспективы: сб. тез. нац. конф. Кемерово, 2019. С. 30.
3. Wang Y., Shi B. Concentration of gelatin solution with polyethersulfone ultrafiltration membranes // Food and Bioproducts Processing. Vol. 89, Issue 3, 2011, PP. 163–169.
4. Джафаров А.Ф. Производство желатина. М.: Агропромиздат, 1990. 287 с.
5. Просеков А.Ю., Ворошилин Р.А. Производство желатина – состояние и перспективы рынка, альтернативные источники, технологии производства // Все о мясе. 2020. № 5S. С. 265.
6. Simon A. et al. Concentration and desalination of fish gelatin by ultrafiltration and continuous diafiltration processes // Desalination. 2002. № 144. PP. 313–318.
7. Производство желатина. Современные технологии производства желатина Gelita и его производных. URL: https://hay-farm.ru (дата обращения: 05.12.2020).
8. Sulaiman M., Soottawat B., Thummanoon P. et al. Characteristics and Gel Properties of Gelatin from Goat Skin as Influenced by Alkaline-pretreatment Conditions // Asian-Austral¬asian Journal of Animal Sciences (AJAS). 2016. Vol. 29 (6). PP. 845–854.
9. Евдокимов И.А., Володин Д.Н., Головкина М.В. и др. Обработка молочного сырья мембранными методами // Молочная промышленность. 2012. № 2. С. 34–37.
