Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОРОШКООБРАЗНЫХ ФЕРМЕНТНЫХ ПРЕПАРАТОВ

Изобретение относится к технологии получения порошкообразных ферментных препаратов и может быть использовано в микробиологической, медицинской, фармацевтической и пищевой промышленности.

Известны способы получения ферментных препаратов [Пат. 2126448 РФ, МПК⁶ С12 N 9/00, С12 N 9/98, Способ производства ферментных препаратов /Егоров А. Д., Квасенков О. И., Андреев В. Г., Юрьев Д. Н., Ратников А. Ю., Байсултанова Е. П., Мазуркевич В. И.; ООО «Рютар». - №97102283/13; Заявлено 17.02.1997; Опубл. 20.02.1999; Пат. 2133771 РФ, МПК⁶ С12 N 9/00, Способ получения ферментного препарата /Квасенков О. И., Юрьев Д. Н., Егоров А. Д., Ратников А. Ю., Андреев В. Г.; ООО «Рютар». - №97102284/13; Заявлено 17.02.1997; Опубл. 27.07.1999], в соответствии с которыми полученную при культивировании биомассу очищают микрофильтрацией, концентрируют жидкую фазу и осаждают ферменты, высушивая их путем промывки осадка жидкой двуокисью углерода или смесью жидких двуокиси углерода и ацетилена.

Недостатком известных способов является использование при сушке жидких двуокиси углерода и ацетилена, загрязняющих конечный продукт и снижающих экологическую безопасность производства. Кроме того, эти способы нельзя признать энергоэффективными, так как они не позволяют снизить энергозатраты.

Известен способ получения трипсина [А. С. 1628526 СССР, МПК⁵ C12 N 9/76, Способ получения трипсина /Ночевный В. Т., Осидзе Д. Ф., Гуславский А. И., Башашкина Н. А., Почтаренко А. Г., Диварова Г. В., Чернецкий Ю. П., Школьников Е. Э., Качалов В. Н.; Всесоюзн. гос. науч.-исслед. контрольный институт ветеринарных препаратов Госагропрома СССР, Всесоюзн. науч.-исслед. и технол. институт биол. пром-и Госагропрома СССР. - №4602934/14; Заявлено 29.07.1988; Опубл. 30.06.1994], предусматривающий экстракцию фермента из тканей поджелудочных желез животных, отделение экстракта в поле центробежных сил, очистку трипсинсодержащей жидкости и распылительное высушивание трипсина при температуре теплоносителя 130-140^оС на входе и 60-75^оС на выходе.

Недостатком способа является высокая температура при распылительном высушивании, негативно отражающаяся на жизнеспособности ферментов, снижающая качество получаемого порошка и приводящая к повышению энергозатрат. Кроме того, не реализованы основные принципы энергосбережения, в частности организация замкнутых циклов по энергетическим и материальным потокам с применением теплонасосных технологий, обеспечивающих утилизацию и рекуперацию вторичных ресурсов, что не создает условий для снижения удельных энергозатрат и себестоимости порошкообразных ферментных препаратов.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому является способ производства биомассы аэробных микроорганизмов [Пат. РФ 2322488 С2, С 12 N 1/00, С 12 М 1/00, Опубл. 20.04.2008. Бюл. №11, ч. III], предусматривающий насыщение культуральной жидкости аэрирующим агентом, в качестве которого используют воздух, с отводом отработанного воздуха и культуральной жидкости с накопленной биомассой.

Недостатки:

- отсутствие стадии высушивания ферментного препарата не позволяет получить порошкообразный целевой продукт однородного гранулометрического состава;

- отсутствие подготовки теплоносителей в замкнутом цикле, из-за чего процесс получения ферментов нельзя считать энергетически эффективным.

Технической задачей изобретения является получение порошкообразных ферментных препаратов и повышение энергетической эффективности посредством утилизации вторичной теплоты.

Для решения технической задачи изобретения предложен способ получения порошкообразных ферментных препаратов, предусматривающий глубинное культивирование микроорганизмов ферментных препаратов с непрерывной аэрацией стерильным воздухом и механическим перемешиванием при температуре культивирования 30…32^оС по всему объему ферментатора с обогревающей рубашкой, отличающийся тем, что полученную в двух ферментаторах культуральную жидкость под давлением попеременно подают на фильтрование в два установленных параллельно фильтра с противоточной водной регенерацией фильтрующего элемента, которые попеременно работают в режиме разделения с отводом осадка и регенерации; фильтрат культуральной жидкости c влажностью 92…95% подают в распылительную сушилку, после которой получают порошок ферментного препарата с влажностью 5…7% с использованием парокомпрессионного теплового насоса, включающего компрессор, конденсатор, терморегулирующий вентиль и испаритель, работающие по замкнутому термодинамическому циклу; при этом осуществляют подогрев сушильного агента, в качестве которого используют воздух, до температуры 70…75^оС в конденсаторе теплового насоса, одну часть которого направляют в распылительную сушилку, а другую используют в качестве теплоносителя для подогрева воды за счет рекуперативного теплообмена до температуры 40…45^оС, подаваемой в обогревающую рубашку ферментатора; при этом отработанный сушильный агент с температурой 30…35^оС и влагосодержанием 0,025…0,030 кг/кг охлаждают в испарителе до температуры 5…7^оС и влагосодержания 0,003…0,005 кг/кг и вместе с отработанным теплоносителем после рекуперативного теплообмена в режиме замкнутого цикла вновь подают в конденсатор; а образовавшийся в испарителе конденсат в количестве испарившейся из продукта влаги отводят из испарителя в сборник конденсата с последующей подачей под давлением в фильтр, работающий в режиме регенерации, для восстановления пропускной способности фильтрующего элемента.

Технический результат изобретения заключается в получении порошкообразного целевого продукта с однородным гранулометрическим составом и повышении энергетической эффективности посредством утилизации вторичной теплоты.

На фиг. 1 представлена схема, реализующая предлагаемый способ получения порошкообразных ферментных препаратов.

Схема содержит ферментаторы 1 с обогревающей рубашкой 2; сборник урожая 3; фильтры 4 и 5; сборник жидкой фазы ферментного препарата 6; распылительную сушилку 7; компрессор холодильной машины 8; конденсатор 9; терморегулирующий вентиль 10; испаритель 11; сборник конденсата 12; рекуперативный теплообменник 13; насосы 14, 17, 18, 19; вентиляторы 15, 16; линии материальных потоков: 0.0 - вывод осадка; 0.1 - высушенный ферментный препарат; 1.0 - отработанная вода; 1.5 - теплая вода; 1.8 - конденсат; 3.0 - отработанный воздух; 3.2 - холодный воздух; 3.4 - горячий воздух; 3.9 - стерильный воздух; 9.0 - рециркуляция хладагента; 9.4 - культуральная жидкость; 9.7 - питательная среда; 9.8 - инокулят; 9.9 - фильтрат культуральной жидкости.

Способ получения порошкообразных ферментных препаратов осуществляется следующим образом.

В ферментаторах 1 с обогревающими рубашками 2 методом аэробной глубинной ферментации осуществляют получение культуральной жидкости при температуре 30…32^оС при создании оптимальных условий культивирования за счет интенсивного массо- и энергообмена между клетками микроорганизмов питательной среды и посевного материала (инокулята), подаваемых по линиям 9.7 и 9.8. При этом осуществляют аэрацию питательной среды потоком стерильного воздуха, подаваемого в ферментатор по линии 3.9, и ее непрерывное механическое перемешивание по всему объему ферментатора.

Использование нескольких ферментаторов позволяет обеспечить непрерывность работы распылительной сушилки, так как время культивирования значительно больше, чем время сушки.

Полученную в ферментаторе культуральную жидкость подают в сборник урожая 3, а после накопления достаточного объема насосом 19 перекачивают в фильтры 4 и 5 для отделения твердой фазы, которую выводят по линии 0.0, а фильтрат культуральной жидкости c влажностью 92…95% по линии 9.9 подают в сборник жидкой фазы ферментного препарата 6. Фильтрат культуральной жидкости насосом 18 направляют в распылительную сушилку 7.

Культуральная жидкость с помощью форсунок распыляется в сушильной камере, где контактирует с горячим воздухом с температурой 70…75^оС, подаваемым по линии 3.4. Таким образом, достигается значительное увеличение поверхности испарения. За счет интенсивного массо- и теплообмена между высушиваемым продуктом и сушильным агентом диспергированные частицы ферментного препарата теряют влагу в течение короткого промежутка времени. Конечный продукт, порошкообразный ферментный препарат, имеет влажность 5…7%.

Нагрев воздуха, подаваемого в распылительную сушилку 7 в качестве сушильного агента, происходит с применением парокомпрессионной холодильной машины.

Парокомпрессионная холодильная машина, включающая конденсатор 9, испаритель 11, компрессор 8, терморегулирующий вентиль 10 и рекуперативный теплообменник 13, работает в режиме теплового насоса по следующему термодинамическому циклу.

Хладагент всасывается компрессором 8, сжимается до давления конденсации и по замкнутому контуру 9.0 направляется в конденсатор 9. Затем хладагент дросселируется до заданного давления, соответствующего его температуре кипения, посредством терморегулирующего вентиля 10. С этим давлением хладагент поступает в испаритель 11 и испаряется с выделением холода. Пары хладагента по контуру 9.0 направляются в компрессор 8, сжимаются до давления конденсации, и термодинамический цикл повторяется.

Отработанный воздух из распылительной сушилки 7 с температурой 30…35^оС и влагосодержанием 0,025…0,030 кг/кг по линии 3.0 поступает в испаритель 11, где из него удаляется влага, отводимая по линии 1.8 в сборник конденсата 12. Полученный таким образом конденсат с помощью насоса 17 подается на фильтры 4 и 5, где используется для их промывания от осадка.

Осушенный и охлажденный воздух с температурой 5…7^оС и влагосодержанием 0,003…0,005 кг/кг по линии 3.2 вместе с отработанным воздухом из рекуперативного теплообменника 13 подается в конденсатор 9. Воздух, нагретый в конденсаторе до температуры 70…75^оС, разделяется на два потока, один из которых по линии 3.4 подается вентилятором 15 в рекуперативный теплообменник 13, а другой - вентилятором 16 в распылительную сушилку 7.

В рекуперативном теплообменнике 13 происходит теплообмен между нагретым воздухом и отработанной водой, отводимой из ферментаторов, за счет которого вода нагревается до температуры 40…45^оС. После этого нагретая вода вновь подается в обогревающие рубашки ферментаторов насосом 14, где используется для стабилизации температурного режима процесса культивирования.

Примеры реализации способа

Процесс ферментации осуществлялся в ферментаторе аэробной глубинной ферментации с комбинированным подводом энергии: к газовой фазе для аэрации стерильным воздухом с помощью барботера и к жидкой фазе перемешиванием с помощью механической мешалки, который заключался в дозированной подаче потоков питательной среды, инокулята (посевного материала), стерильного воздуха, горячей воды в обогревающую рубашку для обеспечения высокой интенсивности массо- и энергообмена микробных клеток инокулята с питательной средой за счет стабилизации параметров процесса на уровне, требуемом для оптимального развития продуцента и образования целевого продукта. Из ферментатора отводили отработанный воздух, отработанную воду и культуральную жидкость в виде смеси, содержащей клетки, внеклеточные метаболиты и биомассу с остаточной концентрацией целевого продукта.

Для выделения целевого продукта из культуральной жидкости ее подвергали фильтрации с удалением осадка биомассы и подачей фильтрата в распылительную сушилку SD-1000 [EYELA, Япония] со следующими техническими характеристиками:

Пример 1

В качестве объекта производства использован ферментный препарат инулиназы, полученный глубинным способом с использованием продуцента микромицета Aspergillus awamori 2250 [Шевцов А.А., Тертычная И.В., Тертычная Т.Н. //Состояние, проблемы и перспективы производства и переработки сельскохозяйственной продукции: Материалы междунар. науч.-практ. конф., посвященной 10-летию факультета пищевых технологий, 29-30 марта 2011 г. - г. Уфа, 2011. - С. 355-357].

Максимальный выход целевого продукта по активности достигался при следующем режиме культивирования:

В двух ферментаторах, снабженных обогревающими рубашками, методом аэробной глубинной ферментации осуществляют подготовку культуральной жидкости при температуре 31±0,5^оС. При этом создаются оптимальные условия культивирования за счет интенсивного массо- и энергообмена между клетками микроорганизмов питательной среды и посевного материала. Кроме того, осуществляют непрерывное механическое перемешивание питательной среды по всему объему ферментатора и ее аэрацию потоком стерильного воздуха, подаваемого в ферментатор.

Культуральную жидкость, полученную в ферментаторе, подают в сборник урожая, а после накопления достаточного объема насосом перекачивают в два фильтра для отделения твердой фазы, которую затем выводят из системы. Фильтрат культуральной жидкости c влажностью 93±0,5% подают в сборник жидкой фазы ферментного препарата и насосом направляют в распылительную сушилку.

Культуральная жидкость с помощью форсунок распыляется в сушильной камере, где контактирует с горячим воздухом с температурой 71±0,5^оС. Конечный продукт, порошкообразный ферментный препарат, имеет влажность 6±0,5%.

Нагрев воздуха, подаваемого в распылительную сушилку, происходит с применением парокомпрессионной холодильной машины, работающей в режиме теплового насоса по следующему термодинамическому циклу.

Хладагент всасывается компрессором, сжимается до давления конденсации и по замкнутому контуру направляется в конденсатор, после чего дросселируется до заданного давления, соответствующего его температуре кипения, посредством терморегулирующего вентиля. С этим давлением хладагент поступает в испаритель и испаряется с выделением холода. Пары хладагента направляются в компрессор, сжимаются до давления конденсации, и термодинамический цикл повторяется.

Отработанный воздух из распылительной сушилки с температурой 31±0,5^оС и влагосодержанием 0,025 кг/кг поступает в испаритель, где из него удаляется влага, отводимая в сборник конденсата. Полученный таким образом конденсат с помощью насоса подается на фильтры, где используется для их промывания от осадка.

Осушенный и охлажденный воздух с температурой 6±0,5^оС и влагосодержанием 0,003 кг/кг вместе с отработанным воздухом из рекуперативного теплообменника подается в конденсатор. Воздух, нагретый в конденсаторе до температуры 71±0,5^оС, разделяется на два потока, один из которых подается вентилятором в рекуперативный теплообменник, а другой - в распылительную сушилку.

Многократное использование сушильного агента в контуре его рециркуляции позволяет обеспечить экономию энергетических затрат и снизить их по сравнению с прототипом на 5-7%.

В рекуперативном теплообменнике происходит теплообмен между нагретым воздухом и отработанной водой, отводимой из ферментаторов, за счет которого вода нагревается до температуры 41±0,5^оС. После этого нагретая вода вновь подается в обогревающие рубашки ферментаторов, где используется для стабилизации температурного режима процесса культивирования.

Пример 2

Способ аналогичен примеру 1, но аэробное глубинное культивирование проводили микромицета Trichoderma harzianum F114 продуцента фермента β-маннаназы, который гидролизует маннаны растительного углеводсодержащего сырья до маннозы.

Максимальный выход целевого продукта по активности достигался при следующем режиме культивирования:

Способ осуществляют при следующих параметрах:

Как видно из примеров, предлагаемый способ получения порошкообразных ферментных препаратов имеет следующие преимущества по сравнению с прототипом:

- позволяет получить порошкообразный целевой продукт с однородным гранулометрическим составом;

- дает возможность повысить энергетическую эффективность процесса с помощью рекуперативных теплообменников и снизить удельные энергозатраты на 5…7%, а следовательно, и себестоимость целевого продукта;

- позволяет осуществить подключение парокомпрессионного теплового насоса в энергетическую схему производства и организовать замкнутые рециклы по материальным и энергетическим потокам;

- дает возможность обеспечить экологическую безопасность за счет предотвращения выброса теплоносителя в окружающую среду.