CC BY
76
Безотходная технология переработки панциря морских ракообразных
К.В. Реут1, И.Г. Береза2, С.Р. Деркач1, В.Ю. Новиков3
1 Технологический факультет МГТУ, кафедра химии
2 Естественно-технический факультет МГТУ, кафедра экологии и защиты окружающей среды
ПИНРО, лаборатория биохимии и технологии гидробионтов
Аннотация. Производственный процесс получения хитина из панцирных частей ракообразных связан с образованием специфических жидких отходов, содержащих большое количество белковых соединений и минеральных веществ. Исследована возможность осаждения белковых веществ из технологических сливов в результате последовательных процессов нейтрализации и адсорбции гидроксидом кальция. Предложена принципиальная схема двухступенчатой очистки сточных вод производства хитина.
Abstract. The industrial process of the chitin extraction of Crustacea testa is connected with the formation of specific fluid wastes containing a great amount of protein compounds and minerai substances. The opportunity of the protein compounds' precipitation out of technological discharges has been studied. The schematic circuit of the sewage two-stage treating of the chitin production has been proposed.
1. Введение
Особое место среди современных технологий глубокой переработки гидробионтов занимает производство продуктов из панциря морских ракообразных, в том числе хитина.
Хитин и его производные обладают уникальной биологической активностью, высокими сорбционными и бактерицидными свойствами и благодаря этому широко используются в медицине, пищевой, текстильной, бумажной промышленностях, сельском хозяйстве и биотехнологии.
Производственный процесс получения хитина из панцирных частей ракообразных связан с образованием специфических жидких отходов, содержащих большое количество белковых соединений и минеральных веществ. Перед подачей в системы водоотведения или на очистные сооружения образовавшийся технологический слив требует дополнительной локальной очистки. Кроме того, белковые соединения, извлеченные в процессе переработки панцирных частей ракообразных, могут стать для рыбной промышленности ценным вторичным сырьем.
В настоящее время в литературных источниках отсутствуют данные по технологии очистки жидких отходов (сточных вод) производства хитина, а использование существующего очистного оборудования вследствие специфичности сточных вод не представляется возможным.
Отсутствие комплексной технологии переработки панцирьсодержащего сырья, включающей технологию переработки образующихся жидких отходов, является одним из сдерживающих факторов широкого промышленного использования разработанных технологий производства хитина и хитозана.
2. Технологическая схема производства хитина
Технологический процесс получения хитина, как следует из общепринятой методики (Артюхова и др., 2001), заключается в последовательной обработке хитинсодержащего сырья (панцирь краба) щелочными растворами - для удаления белковых веществ и растворами кислот - для удаления минеральных соединений (рис. 1).
На первой стадии для удаления основной массы белковых веществ измельченный панцирь краба обрабатывается 4 % раствором щелочи NaOH в течение 1 часа при температуре 90°С. Полученный щелочной гидролизат отфильтровывается (фильтрат - слив 1) и промывается горячей водой.
На стадии деминерализации промытый продукт обрабатывается кислотой в течение 30 минут при комнатной температуре. Здесь используется раствор соляной кислоты с массовой долей HCl 8 %. Далее деминерализованный панцирь извлекается из раствора (фильтрат - слив 2) и промывается холодной водой.
Затем для более полного удаления белка проводится вторая депротеинизация 4 % раствором щелочи в течение 0.5 часа при температуре 90°С. Полученная суспензия отфильтровывается (фильтрат -слив 3) и промывается горячей водой.
Таким образом, в данном технологическом процессе образуется два вида сточных вод: со щелочной реакцией среды (сливы 1 и 3 - фильтраты от первой и второй стадий депротеинизации; промывные воды) и кислый слив (слив 2 - фильтрат стадии деминерализации; промывная вода).
3. Методы и объекты исследования
В качестве объекта исследования использовался панцирь (карапакс) акклиматизированного камчатского краба, выловленного на побережье Баренцева моря.
Получение хитина проводили в лабораторных условиях в соответствии с технологической схемой (рис. 1). Содержание органических веществ, в том числе белковых соединений, в технологических сливах определяли по стандартным методикам (ГОСТ 7636-85, 1998).
Молекулярно-массовое распределение (ММР) белковых соединений в технологических сливах определяли методом высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) на хроматографе LC-10Лур фирмы "Shimadzu" (Япония). Использовались хроматографические колонки типа TSK-gel Alpha-4000 (30 см х 0.75 мм) и предколонки TSK-guardcolumn Alpha (6 см х 0.4 см).
Измельчение сырья
Обработка раствором щелочи
Слив 1 (рН = 12.4)
Промывка горячей водой
V
-► Промывная вода 1 (рН = 11.8)
Слив 2 (рН = 0.13)
Промывка холодной водой
-► Промывная вода 2 (рН = 1.49)
Повторная обработка раствором щелочи
Промывка горячей водой
Слив 3 (рН = 12.6) Промывная вода 3 (рН = 12.2)
Хитин
Рис. 1. Схема технологического процесса получения хитина
Разделение фракций проводили при температуре 25°С. В качестве жидкой фазы использовался 0.15 М раствор №С1 (рН = 7), при скорости потока элюента 1.0 см3/мин и времени разделения 30 мин.
Оптическую плотность регистрировали с помощью спектрофотометра 8РБ-10Лур фирмы "Shimadzu" (Япония).
Константу Клу распределения колонки рассчитывали по формуле
Клу = (У - Уо)/(У- Уа),
где Уе - объем элюирования для данного вещества, см3; У - общий объем колонки и предколонки, У = 15.08 см3; У0 - свободный объем колонки, У0 = 7.2 см3.
Для построения калибровочного графика использовали стандартные белки с известными молекулярными массами: альбумин (ММ 67000), овальбумин (ММ 43000), рибонуклеаза (ММ 13700).
4. Результаты и их обсуждение
Метод обработки жидких отходов производства хитина был выбран исходя из качественного состава содержащихся загрязнений и физико-химических свойств белковых веществ в технологических сливах.
Наиболее загрязненным по органическим показателям является щелочной слив 1 (ХПК = 82.80 г/л), в котором макромолекулы белковых веществ заряжены отрицательно и находятся в стабильном коллоидно-растворенном состоянии. Изменение растворимости макромолекул белка можно
регулировать изменением рН водной фазы, которое влияет на конформационные изменения макромолекул, изменение их зарядов и структуры сольватной оболочки (Измайлова, 1988).
При разработке технологии очистки исследована возможность осаждения белковых веществ из щелочного технологического слива после депротеинизации методом нейтрализации. Для этих целей был использован кислый сток (слив 2, промывная вода 2), образующийся после стадии деминерализации (рис. 1). Рассмотрена зависимость величины рН обработанного стока и степени (<р) осаждения белковых веществ из раствора (табл. 1).
Таблица 1. Характеристики сточных вод после нейтрализации
Параметры Щелочной слив
5:1 2.25:1 2:1 1.5:1
рН 11.50 9.14 6.64 5.48 3.35
Noбш, % 3.53 2.63 2.25 2.28 2.31
ср, % - 25.5 36.3 35.4 34.6
ХПК, г/л 82.8 44.1 18.5 21.2 35.4
Примечание: Ы0вщ - содержание общего азота, Ущ, Ук - объемы щелочного и кислого слива, соответственно.
В результате экспериментальных исследований (табл. 1) установлено, что оптимальная эффективность извлечения белковых веществ из сточных вод достигается при величине рН в интервале 6.0 -г- 6.5. Однако следует отметить, что даже в данном интервале рН в очищенной воде содержание органических веществ велико: ХПК составляет 18.5-21.2 г/л и степень извлечения белковых веществ не превышает 40 %.
С целью определения путей дальнейшей обработки сточных вод исследовался молекулярно-массовый состав белковых веществ в исходном и очищенном стоке стадии нейтрализации. Данные ММР, полученные методом высокоэффективной жидкостной хроматографии, представлены на рис. 2 ив табл. 2.
Как следует из полученных данных, белковые вещества в щелочном стоке (слив 1) характеризуются широким молекулярно-массовым распределением, молекулярные массы находятся в интервале от 100 до 25000. Это свидетельствует о том, что, наряду с высокомолекулярными фракциями, в стоке содержатся низкомолекулярные продукты глубокого гидролиза, вплоть до аминокислот. Так, например, фракция с ММ от 100 до 370 составляет 11.63 % (табл. 2). Значительную часть (26.45 %) в исходном стоке составляют высокомолекулярные фракции с ММ от 6400 до 25000. Данные ММР белковых фракций в очищенной воде показывают, что в процессе очистки осаждаются, главным образом, высокомолекулярные фракции белков - как, например, при нейтрализации сточной воды до рН = 6 их содержание уменьшается до 21.18 % (табл. 2). Низкомолекулярные фрагменты макромолекул остаются в растворе. Подобный результат закономерен, поскольку коллоидные дисперсии фрагментов белковых макромолекул устойчивы даже при значениях рН близких к изоэлектрической точке (Измайлова, 1988).
Таблица 2. Содержание белковых фракций с различными молекулярными массами в исходном и очищенном стоке после первой стадии обработки
Фракции с молекулярной массой (ММ) До осаждения Условия осаждения
рН = 8 рН = 6 рН = 3
со, % со, % со, % со, %
100-370 11.63 20.26 18.91 18.45
370-650 5.28 5.44 5.18 5.05
650-1700 14.42 15.70 14.78 14.28
1700-2700 8.87 8.68 8.45 8.12
2700-6400 33.37 31.55 31.46 30.88
6400-25000 26.45 18.36 21.18 21.26
Таким образом, использованный метод нейтрализации не обеспечивает достаточно эффективного извлечения белковых загрязнений из сточных вод производства хитина. Удаление низкомолекулярных белковых фракций возможно, как известно (Заполъский, 1987; Береза, Федорова, 1998), методом соосаждения с использованием коагулянтов, в т. ч. соединений кальция.
При деминерализации карапакса основную часть растворенных минеральных веществ в кислом сливе (слив 2, рис. 1) составляют соли кальция. Увеличение рН среды (введение щелочного слива) будет приводить к образованию труднорастворимого гидроксида кальция, хлопья которого, осаждаясь, будут сорбировать низкомолекулярные фракции белковых загрязнений.
Результаты экспериментальных исследований второй ступени обработки предварительно нейтрализованных сточных вод щелочными растворами (слив 3 - фильтрат повторной стадии депротеинизации; промывная вода 3, рис. 1) представлены в табл. 3.
Таблица 3. Показатели сточных вод после второй стадии обработки
Показатели Исходная вода Очищенная вода
После стадии нейтрализации Слив 3, промывная вода 3
РН 6.6 12.0 8.9
ХПК, г/л 18.8 7.5 5.5
N0бш., % 2.2 0.12 0.11
Са2+, г/л 10.8 128.0 3.2
Рис. 2. Молекулярно-массовое распределение белковых фракций в исходной и очищенной сточной воде.
1 - исходный сток;
2, 3, 4 - очищенный сток при рН 8, 6, 3, соответственно.
Полученные данные (табл. 3) свидетельствуют о том, что в результате объединения потоков нейтрализованного слива после первой стадии обработки и неиспользованного щелочного технологического слива (слив 3 - фильтрат повторной стадии депротеинизации; промывная вода 3, рис. 1) достигается высокая эффективность осаждения белковых фракций загрязнений сточных вод. Так, степень извлечения белковых загрязнений при этом составляет 90.5 %, степень извлечения общей органики по ХПК - 60.0 %; степень удаления при осаждении ионов кальция из раствора - 95 %.
Таким образом, в результате двухступенчатой обработки сточных вод производства хитина (табл. 1, 3) общая эффективность извлечения белковых загрязнений из сточных вод составила 95.7 %; величина рН объединенного очищенного стока - 8.9.
5. Выводы
1) В результате экспериментальных исследований предложена принципиальная схема двухступенчатой очистки сточных вод производства хитина, обеспечивающая степень извлечения белковых веществ из объединенного технологического слива - 95.7 %, органических загрязнений по ХПК - 75 %; величина рН объединенного очищенного стока - 8.9.
2) На первой ступени очистки процесс извлечения белковых загрязнений из сточных вод достигается осаждением при высокой концентрации электролита в системе и величине рН, близкой к изоэлектрической точке белковых веществ. На второй ступени низкомолекулярные белковые продукты осаждаются из раствора гидроксидом кальция, действующим, как адсорбент.
3) Следует отметить, что основным достоинством предложенной технологии очистки сточных вод является использование комбинации полученных технологических сливов без привлечения дополнительных реагентов.
Литература
Артюхова С.А., Богданов В.Д., Дацун В.М. Технология рыбных продуктов. М., Колос, 496 е., 2001.
Береза И.Г., Федорова О.А. Некоторые аспекты водоотведения в рыбообрабатывающей отрасли.
Вестник МТТУ, т.1, № 3, с.161-164, 1998. ГОСТ 7636-85. Рыба, морские млекопитающие, морские беспозвоночные и продукты их переработки.
Методы анализа. М., ИПК, Изд-во стандартов, 1998. Запольский А.К. Коагулянты и флокулянты в процессах очистки воды: свойства, получение,
применение. Л., Химия, 204 е., 1987. Измайлова В.Н. Поверхностные явления в белковых системах. М., Химия, 240 е., 1988.
