Исследование гетерогенного биокаталитического процесса гидролиза декстринов

Получение сахаристых веществ из крахмала на сегодняшний день является важной задачей в рамках решения проблемы комплексной переработки возобновляемого растительного сырья в широкий ассортимент востребованных продуктов: паток, глюкозных и глюкозо-фруктозных сиропов. В настоящее время большую часть этих веществ отечественная пищевая промышленность либо импортирует, либо производит на заводах, находящихся под контролем зарубежных компаний.

В основе получения сахаристых веществ лежит каталитический гидролиз крахмала. В зависимости от используемого катализатора в промышленности применяют либо кислотный, либо ферментативный, либо комбинированный кислотно-ферментативный метод деструкции крахмала. Каждый из перечисленных методов обладает своими преимуществами и недостатками. Очевидно, что в пищевой промышленности ферментативный гидролиз по сравнению с кислотным имеет приоритетное значение, поскольку позволяет получать более широкий ассортимент сахаристых продуктов заданного углеводного состава с минимальным содержанием посторонних, в том числе токсичных примесей.

Биокаталитические процессы с использованием ферментов могут осуществляться как в гомогенном режиме, когда исходный реагент (субстрат) и фермент находятся в жидкой фазе, так и в гетерогенном режиме с участием иммобилизованного на твердом носителе фермента. Считается общепризнанным, что гетерогенный режим проведения каталитических процессов является более экономически выгодным, особенно в том случае если затраты на приготовление гетерогенного катализатора компенсируются значительным улучшением технико-экономических показателей всего производства. Для процесса получения сахаристых веществ из крахмала, в котором стадия осахаривания крахмала (гидролиза декстринов) осуществляется в гетерогенном режиме, такими показателями являются:

• повышение рабочих температур гидролиза за счет увеличения термостабильности глюкоамилазы при иммобилизации;

• возможность проведения процесса гидролиза в непрерывном режиме;

• сокращение расхода фермента за счет его многократного использования;

• точный контроль над окончанием процесса гидролиза и исключение операции термоинактивации фермента после осахаривания за счет быстрого удаления фермента из реакционной среды;

• отсутствие примесей, вносимых с ферментным препаратом на стадии осахаривания, что особенно важно для производства глюкозо-фруктозных сиропов.

Несмотря на перечисленные показатели, в настоящее время гетерогенный процесс ферментативного гидролиза декстринов реализован за рубежом только на уровне пилотных установок. Одним из объективных факторов, ограничивающих внедрение процесса в производство, является отсутствие катализаторов с необходимой для промышленной технологии термостабильностью при 60−65°С. Другой сдерживающий фактор — это относительно низкая производительность реактора с неподвижным слоем катализатора в процессах, контролируемых диффузией субстрата к иммобилизованному ферменту.

Основная цель работы заключалась в приготовлении активного и высокостабильного гетерогенного катализатора на основе иммобилизованной глюкоамилазы и исследовании процесса гидролиза декстринов с участием данного катализатора. Для достижения этой цели решались следующие задачи:

• сравнительное исследование биокаталитических свойств глюкоамилазы, иммобилизованной на неорганических носителях, отличающихся геометрической формой (сотовые монолиты, пено-материалы, гранулы), текстурными характеристиками, химическими свойствами поверхности и морфологией синтезированного углеродного слоя;

• изучение кинетических закономерностей процесса гидролиза декстринов с участием приготовленного высокостабильного катализатора на основе иммобилизованной глюкоамилазы;

• испытание вихревых реакторов оригинальной конструкции, специально разработанных для проведения гетерогенных диффузионно-контролируемых биокаталитических процессов.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и выводов. Работа изложена на 111 страницах и включает 10 таблиц, 45 рисунков, 4 схемы, библиографию из 131 наименования. В первой главе представлен обзор промышленных методов деструкции крахмала в сахаристые вещества и даны сравнительные характеристики различных технологических схем каталитического гидролиза. Во второй главе описаны методики приготовления гетерогенных катализаторов, их физико-химических и биокаталитических исследований, методика получения субстрата и типы используемых реакторов. В третьей главе изложены результаты изучения закономерностей адсорбционной иммобилизации глюкоамилазы в зависимости от геометрической формы, текстурных характеристик и химической природы носителяисследовано влияние морфологии поверхности носителя на каталитические свойства фермента. В четвертой главе приведены и обсуждены результаты исследования кинетических закономерностей процесса гетерогенного гидролиза декстринов с использованием традиционных и специально разработанных вихревых реакторов.

Выводы.

1. Впервые изучены закономерности адсорбционной иммобилизации глюкоамилазы на неорганических носителях, различающихся геометрической формой (гранулы, сотовые монолиты, пенокерамика), текстурными характеристиками, а также химической природой и морфологией поверхности. Показано, что синтез углеродного слоя на поверхности носителей оксидной природы увеличивает адсорбционную емкость и прочность адсорбции фермента. Величина адсорбции и активность приготовленных катализаторов возрастают в ряду: носители без углерода < носители с графитоподобным углеродным слоем (Г-слоем) < носители, со слоем каталитического волокнистого углерода (КВУ-слоем) < носители со слоем пироуглерода: :' - (П-слоем).

2. Впервые проведены сравнительные исследования влияния морфологии углеродного слоя, синтезированного на поверхности неорганических носителей, на биокаталитические свойства иммобилизованной глюкоамилазы. Установлено, что стабильность фермента, адсорбированного на носителях с КВУи П-слоями, на порядок выше, чем на носителе с Г-слоем.

3. Получен высокостабильный гетерогенный катализатор для процесса гидролиза декстринов путем адсорбционной иммобилизации глюкоамилазы на мезопористом Сибу-ните. Установлено, что при иммобилизации на этом носителе температурный и рН-оптимумы глюкоамилазы не изменяются. С другой стороны, при иммобилизации на мезот с пористом Сибуните термостабильность глюкоамилазы увеличивается в 10 — 10 раз.

4. Установлено, что процесс гидролиза декстринов с участием иммобилизованной глюкоамилазы контролируется внешней и внутренней диффузией. Для преодоления диффузионных ограничений и устранения застойных зон впервые были использованы вихревые реакторы — роторно-инерционный и вихревой погружной, специально разработанные для гетерогенных биокаталитических процессов. Показано, что данные вихревые реакторы превосходят по основным параметрам (активность биокатализатора, производительность процесса) традиционные колоночные реакторы с неподвижным слоем: в 1,2−3,0 раза.

5. Предложена и апробирована в лабораторных условиях схема ферментативного процесса получения сахаристых веществ из сухого крахмала. Её особенности заключаются в механохимической предобработке крахмала и ос-амилазы и проведении процесса гидролиза декстринов в гетерогенном режиме в вихревом погружном реакторе с участием разработанного катализатора. Такой процесс позволяет точно регулировать углеводный состав конечных продуктов.