АДСОРБЦИОННЫЕ ЯВЛЕНИЯ В РАСТВОРАХ НА ГРАНИЦЕ «ВОДНЫЙ РАСТВОР БЕЛКОВ — ВОЗДУХ» И ЭЛЕКТРОФЛОТАЦИЯ МОЛОЧНОЙ СЫВОРОТКИ

Многие технологические процессы предусматривают выделение из водной среды каких-либо веществ, существующих там обычно в смеси с растворами других веществ. Одним из методов такого выделения является электрофлотация. В ходе флотации через раствор или суспензию пропускается большое количество пузырьков газа, которые, всплывая, захватывают взвешенные частицы или крупные молекулы. Всплывая, пузырьки образуют пену с повышенной концентрацией веществ, которые необходимо выделить из раствора.

Тема 6

Адсорбция как основа электрофлотации

Электрофлотация как перспективный метод разделения частиц в водных растворах

Воздушные пузырьки, необходимые для флотации, можно получать механическим импеллерным способом, пневматическим, вакуумным и эжекторным способами, а также используя выделение газа на электродах в процессе электрофлотации.

Недостатками механических флотационных машин являются сложность конструкции, наличие вращающихся и быстро изнашивающихся частей, пневматических — плохое диспергирование воздуха, вакуумных — малая степень насыщенности раствора газом, эжекторных — большой расход электроэнергии.

Кроме того, ни один из вышеперечисленных способов не позволяет получить пузырьки малого размера — 20—30 мкм, что необходимо для образования большой суммарной поверхности газовых пузырьков.

Более перспективен электролитический способ получения газовых пузырьков.

В результате электролиза на катоде выделяется водород, а на аноде — кислород. Выделяющиеся на поверхности электрода пузырьки газа растут в размерах, а затем, по достижении некоторой критической величины, отрываются от электрода и всплывают.

В пищевой промышленности электрофлотация использовалась для осветления виноградного сока, так как всплывающие пузырьки захватывают взвешенные в соке дисперсные частицы. Кроме того, электрофлотацию применяли для извлечения жира из сточных вод мясокомбинатов, выделения кормовых дрожжей из культуральной жидкости, извлечения частиц глютена в кукурузно-паточном производстве.

Методом гель-электрофореза изучалась жидкость, получаемая при осаждении пены, которая образовывалась в ходе электрофлотации модельной смеси белковых растворов[1]. В качестве модельных белков использовались протеины с различными величинами изоэлектрических точек. Выяснилось, что при pH раствора, равной изоэлектрической точке какого-либо белка в смеси, пенный концентрат обогащался именно этим белком. Предлагалось использовать электрофлотацию для фракционирования белковых смесей. Однако выяснилось, что такое фракционирование эффективно только при определенных концентрациях солей в растворах.

Осуществлялись также попытки применения электрофлотации для решения проблемы выделения белков из молочной сыворотки.

В подавляющем большинстве случае белки из молочной сыворотки извлекаются методом ультрафильтрации, однако высокая стоимость ультрафильтрационных установок, необходимость замены мембран, проблемы с утилизацией фильтрата заставляют искать новые пути обработки молочной сыворотки. Особенно неудобной для ультрафильтрации является творожная сыворотка, так как величина ее водородного показателя (5,0) практически совпадает с изоэлектрической точкой (5,1) Р-лактоглобулина — основного белка молочной сыворотки и близка к изоэлектрической точке о'-лактоальбумина (4,5). Из-за этого ультрафильтрационные мембраны быстро забиваются белком, что затрудняет процесс ультрафильтрации.

Разработан способ и определены рабочие параметры извлечения казеина и сывороточных белков из водных гетерогенных систем методом электрофлотационной обработки раствора. Процесс осуществлялся на установке, содержащей два электрода в нижней части емкости с сывороткой или раствором молочных белков. Катод в воде сетки располагался над графитовым анодом. Всплывающие пузырьки газа проходили через слой раствора, образуя пену над этим слоем. Основной объем исследований проводили, используя в качестве коагулянта полиэлектролит ВПК-402.

Образовавшиеся в ходе коагуляции частицы сывороточных белков выносились всплывающими пузырьками газа в пену. Определены температура раствора и молекулярная масса полиэлектролита, при которых эффективность коагуляции максимальна[2]. С целью изучения возможности выделения сывороточных белков в нативном состоянии проводили также и электрофлотацию подсырной сыворотки без предварительной обработки реагентом. Степень извлечения сывороточных белков составила 45—50 %. Наибольшая скорость процесса выделения протеинов отмечена при плотности тока 150 А/м2. Равновесное распределение белка между поверхностным слоем и раствором характеризуется расположением кривых зависимости концентрации от времени в интервале 600—1200 с. Установлено, что гидродинамические условия флотирования пузырьков водорода, которые оценивали по критериям Рейнольдса и Лещенко при плотности тока в интервале 50—200 А/м2 практически остаются постоянными. Отсюда делается вывод, что формирование межфазных адсорбционных слоев и изменение локальной концентрации белка происходят в процессе генерации газовых пузырьков. При плотности тока от 50 до 200 А/м2 диаметр газовых пузырьков практически не изменялся и составлял около 120 мкм.

На основании уравнений материального баланса для белка, находящегося на поверхности газовых пузырьков и в растворе, составлена система дифференциальных уравнений с граничными условиями:

где с2(г, т), с2(х, т) — концентрации белка на высоте г в момент времени т на несущей газовой фазе и в растворе соответственно; V — усредненная скорость газовых пузырьков; и К2 кинетические коэффициенты, характеризующие скорость «прилипания» белка к поверхности пузырьков в данном объеме и скорость переноса белка из раствора к поверхности пузырьков; ср предельная концентрация газа на пузырьках в элементарном объеме; с0 — начальная концентрация белка в растворе.

Решение данной системы уравнений численными методами позволило получить кривую зависимости концентрации белка в растворе от времени, удовлетворительно совпадающую с экспериментальной.

Недостатком описанного способа электрофлотации является то, что пространство между анодом и катодом заполняется сывороткой. Так как в ней содержится достаточно большое количество солей хлора, происходит их электролиз с выделением активного хлора. Активным хлором называют сильный окислитель, который образуется при разрядке ионов хлора на аноде и существует в разных формах: в виде растворенного молекулярного хлора, продуктов его гидролиза, хлорноватистой кислоты и гипохлоритов. В результате выделения активного хлора на аноде возможно накопление во флотированной сыворотке и пене токсических продуктов реакции хлора с органическими веществами, находящимися в сыворотке. Кроме того, реакции электрохимического окисления на аноде также могут приводить к образованию хлорорганических соединений, многиеиз которых обладают повышенной токсичностью. Поэтому применение аппаратов с анодом, изолированным от сыворотки мембраной, видится наиболее целесообразным.

Так как и физические процессы в таких аппаратах, и область использования получаемых продуктов отличаются от соответствующих обычной электрофлотации, такой способ извлечения белка из протеинсодержащих растворов можно назвать мембранной электрофлотацией.

Для исследования мембранной электрофлотации и объяснения полученных закономерностей необходимо представлять основные физические процессы, обусловливающие выделение белков.

Газовый пузырек в растворе можно рассматривать как определенный объем газа, ограниченный поверхностью раздела «раствор — воздух». На этой границе раздела, так же как, например, на границе «твердое тело — газ», может происходить адсорбция. Если газовые пузырьки находятся в водном растворе белков, то молекулы белков, растворенные в воде, осаждаются на границе раздела «газ — раствор», т. е. на стенках пузырьков.

Следовательно, в основе флотационного выделения белков из растворов лежит адсорбция на границе раздела «раствор — газ».

Таким образом, для понимания процесса электрофлотации необходимо изучить существующую информацию об адсорбции белков на границе раздела «раствор — воздух», исследовать зависимость выхода белка от основных параметров процесса и объяснить полученные экспериментальные закономерности на основе представлений об адсорбции.

  • [1] Ostermaier R., Delias В. The separation of proteins from their mixtures using flotation // Colloids and Surfaces. 1985. № 14. P. 199—208.
  • [2] Родионова Н. С., Щетилина И. П. Эффективность электрофлотационного выделения сывороточных белков // Вестник российской академии сельскохозяйственных наук. 2003. № 6. С. 75—76.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >