Исследование гетерогенного биокаталитического процесса гидролиза декстринов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 02.00.15, кандидат химических наук Перминова, Лариса Валентиновна

• Перминова, Лариса Валентиновна
• кандидат химических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат химических наук Перминова, Лариса Валентиновна

Список используемых сокращений.

Введение.

Глава 1. Промышленные методы деструкции крахмала.

1.1. Способы получения высокомолекулярных продуктов деструкции крахмала.

1.2. Каталитический гидролиз.

1.2.1. Кислотный гидролиз крахмала.

1.2.2. Ферментативный гидролиз крахмала.

1.2.3. Сравнительная характеристика различных технологических схем.

1.2.4. Характеристика глюкоамилазы и предполагаемый механизм катализа.

Ь 1.2.5. Гетерогенные катализаторы на основе иммобилизованной глюкоамилазы.

1.2.6. Макрокинетика гетерогенных биокаталитических процессов.

Глава 2, Экспериментальная часть.

2.1. Носители.

2.1.1. Оксидные носители.

2.1.2. Углеродные носители.

2.2 Модификация поверхности оксидных носителей. j 2.2.1. Синтез КВУ-слоя на поверхности оксидных носителей.

2.2.2. Синтез Г-слоя на поверхности оксидных носителей.

2.3. Методики приготовления и исследования биокатализаторов.

2.3.1. Получение декстринов из крахмала.

2.3.2. Адсорбция глюкоамилазы.

2.3.3. Определение ферментативной активности глюкоамилазы.

2.3.4. Определение стабильности глюкоамилазы.

2.4. Типы используемых реакторов.

2.4.1. Дифференциальный безградиентный реактор.

2.4.2. Реактор с неподвижным слоем /РЕНЕС/.

2.4.3. Роторно-инерционный биореактор /РИБ/.

2.4.4. Вихревой погружной реактор /ВИПР/.

Глава 3. Иммобилизация глюкоамилазы на неорганических носителях.

3.1. Адсорбционные свойства неорганических носителей.

3.2. Биокаталитические свойства иммобилизованной глюкоамилазы.

3.2.1. Зависимость активности и стабильности иммобилизованой глюкоамилазы от морфологии поверхности адсорбента.

3.2.2. Биокаталитические свойства глюкоамилазы, иммобилизованной на Сибуните.

Глава 4. Кинетика и макрокинетика гетерогенного процесса гидролиза декстринов в биореакторах различного типа.

4.1. Определение областей протекания реакции гетерогенного гидролиза в дифференциальном безградиентном реакторе.

4.2. Вихревые реакторы.

4.2.1. Лабораторные испытания роторно-инерционного биореактора.

4.2.2. Лабораторные испытания вихревого погружного реактора.

4.3. Схема получения сахаристых веществ в лабораторном масштабе.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «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 носителя; исследовано 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.

Заключение диссертации по теме «Катализ», Перминова, Лариса Валентиновна

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 КВУ- и 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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат химических наук Перминова, Лариса Валентиновна, 2006 год

1. Ширбаум Ф., Рихтер М., Аугустат 3. Производство, свойства и применение геле-образующих продуктов гидролиза крахмалаУ/Сахарная промьппленность. 1978. -№ 2. - С. 66-68.

2. Павловская О.Е., Трегубов Н.Н. Об использовании крахмалопродуктов в производстве пищевых концентратов//Сахарная промышленность. 1983. - № 6. -С. 40-42.

3. Бруякина JI.A., Ананских JI.A., Абакумова Н.П. Гидролизаты крахмала для получения низкокалорийных продуктов//Сахарная промышленность. 1987. - № 3. -С. 51-52.

4. Салманова JI.C., Терешина Э.В., Полякова Л.Ф. Сиропы взамен сахара и солода в производстве пива//Пищевая промьппленность. 1989. - № 5. - С. 55-57.

5. Ладур Т.А., Пучкова Т.С. Глюкозо-фруктозный сироп новый сахарозамени-тель//Сахарная промышленность. - 1983. - № 8. - С. 53-55.

6. Химия и технология крахмала/ под ред. Ральфа В. Керра. 2-ое изд., испр. - М.: Пищепромиздат, 1956. - 579 с.

7. Ленинджер А. Биохимия: Пер. с англ.- М.: Мир, 1974. С. 270-273.

8. Шульман М.С. Механическая клейстеризация крахмала//Тр. ВНИИСПа М.: Пищепромиздат, 1961. - В. 10. - 150 с.

9. Производство продуктов гидролиза крахмалаУ/Технология крахмала и крахмалопродуктов под ред. Н.Н. Трегубова. М.: Легкая и пищевая промышленность, 1981.-С. 303-472.

10. Крахмал и крахмалопродукты/ под ред. Н.Г. Гулюка. М.: Агропромиздат, 1985. -279 с.

11. Костенко В.Г., Карпов В.Г. Производство набухающих крахмалов методом экс-трузии//Сахарная промышленность. 1983. -№ 9. - С. 42-44.

12. Васильева Т.В. Экструзионные продукты//Пищевая промышленность. 2003. - № 12.-С. 7-10.

13. Смирнов В.А. К 170-летию открытия кислотного гидролиза крахмала//Сахарная промышленность. 1982. - № 3. - С. 47-48.

14. Из истории катализа: люди, события, щколы/ под ред. В. Д. Кальнера. М.: Кал-вис, 2005. - 568 с.15.