СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ АГАРА
METHOD FOR PRODUCING AGAR

Изобретение относится к способам переработки нерыбных объектов промысла, в частности водорослей, с целью получения из них агара, который применяется в пищевой и химической отраслях, в микробиологии, в медицине и т.д. Изобретение может использоваться для переработки высокопрочных и сильно загрязненных агароносов, таких как анфельция или другие агароносные растительные материалы.
Известен способ получения студнеобразователя из красных водорослей, включающий обработку водорослей раствором щелочи при комнатной температуре, слив щелочного раствора, обработку водорослей острым паром в течение 40-60 мин и затем промывку, двустадийное экстрагирование студнеобразователя кислым раствором, фильтрацию и сушку (см. RU №1465008, A23L 1/04, 1986).
Недостатком данного способа является использование раствора щелочи для нейтрализации кислого раствора, что ведет к применению агрессивных химических реагентов в повышенных количествах.
Известен способ переработки агаросодержащих водорослей, в частности грацилярии и анфельции, по которому водоросль промывают пресной водой, измельчают до размеров частиц не более 100 мкм и экстрагируют водорастворимый пигмент водой при температуре 4-25°C, рН 7-8, при соотношении водоросль/вода 1:3-1:8 соответственно 1-2,5 часа при периодическом перемешивании. Полученный супернатант красителя осветляют, концентрируют, стабилизируют. Твердый остаток водорослей обрабатывают раствором пигментов, промывают, обрабатывают раствором гидроксида одновалентного металла при 50-60°С, после чего промывают до рН 7-8 и экстрагируют агар при 80-90°С в течение 15-30 мин. Экстракт охлаждают до образования студня, студень обезвоживают и сушат. Водорослевой остаток после извлечения агара обрабатывают 0,5-0,8%-ным раствором соляной кислоты, промывают водой до нейтральной реакции, прессуют и сушат с получением кормовой добавки (см. RU №2052962, 1992).
Данный способ получения агара делает необходимым применение дорогостоящего оборудования для измельчения водоросли и очистки экстракта. Получаемый экстракт агара сложно очистить от водорослевого остатка, что делает необходимым использование многостадийного процесса его очистки. Кроме того, данный способ не применим для красных водорослей, содержащих метилированные группы, которые повышают температуру плавления агара, а вместе с ней увеличивают температуру и время экстракции, что приводит к возрастанию длительности технологического процесса.
Известен способ переработки агаросодержащих водорослей, заключающийся в измельчении очищенных водорослей с одновременным экстрагированием красителя, последующим разделением полученной суспензии на две фракции. При этом первую фракцию, содержащую раствор красителя, очищают, концентрируют, стабилизируют, а вторую подвергают экстрагированию (см. RU №2103293, 1998).
Недостатком этого способа является сложность разделения суспензии на две фракции, а также низкая прочность получаемого агара, обусловленная экстрагированием в нейтральной среде.
Известен способ получения высокоочищенного агара и агарозы из красной водоросли анфельции тобучинской, включающий предобработку водоросли в гидроокиси кальция при нагревании до 100-105°C и гидромодуле 1:12-15 в течение 60-90 мин с последующим повышением температуры реакционной смеси и выдерживанием при этой температуре в течение 60-90 мин, после чего экстракцию проводят трехкратно, причем первую - при температуре 115-120°C в течение 6-6,5 ч при гидромодуле 1:10-12 без добавления окиси кальция с получением агара высокоочищенного. Вторую экстракцию - при температуре 115-120°C в течение 4-4,5 ч и гидромодуле 1:6-6,5 с внесением окиси; третью экстракцию проводят при температуре 115-120°C в течение 2,0-2,5 часов с гидромодулем 1:3-3,5 с добавлением окиси кальция, экстракты второй и третьей экстракции смешивают и фильтруют, желируют, полученный гель нарезают, промывают настаиванием в пресной воде, затем настаиванием в дистиллированной воде с получением агарозы. Экстракты агара и агарозы очищают (см. RU №2189990, C08B 37/12, 2001).
К недостаткам данного способа относят длительность процесса - не менее 12 часов, его применимость только для одного вида красных водорослей.
Известен способ производства агара из анфельции, включающий подготовку сырья путем замачивания анфельции в воде с добавлением известкового молока и промывания, последующее извлечение агара в батарее из трех автоклавов семикратной варкой по принципу противотока с повышением давления на 1,2 атм при первой и второй варках и 1 атм при каждой последующей варке, очистку полученного раствора от механических частиц путем его процеживания и сепарирования, желирование очищенного раствора до образования студня, промывку, отделение влаги, повторное сепарирование с последующим упариванием и сушкой студня до порошкообразного состояния (см. RU №2191523, 2002).
Недостатком известного технического решения является недостаточно высокое качество получаемого агара, что обусловлено высоким давлением и, соответственно, высокой температурой варки, что приводит к гидролизу агара и, как следствие, к получению его низкомолекулярных фракций, дающих гели пониженной прочности, а также недостаточно высокий выход агара. Кроме того, повышенная температура варки приводит к увеличению энергоемкости процесса и соответствующему повышению себестоимости получаемого агара, а высокое давление в реакторе связано с усложнением аппаратурного оснащения способа.
Известен также способ получения агара, включающий его экстракцию из водорослей ионной жидкостью, в качестве которой используют глубокий эвтектик с температурой плавления ниже 100°C, температуру которого в процессе экстракции поддерживают на уровне 80-100°C, по окончанию процесса экстракции полученный раствор разделяют на водорослевый остаток и раствор агара в эвтектике, при этом в последний добавляют спирт, после чего горячий раствор фильтруют и разделяют его на агар и спиртосодержащий раствор ионной жидкости, из которого регенерируют и повторно используют ионную жидкость (см. Trivedi, T.J. and Kumar, Α. (2014) Efficient Extraction of Agarose from Red Algae Using Ionic Liquids. Green and Sustainable Chemistry, 4, 190-201 (схема 1, на с. 193) http://dx.doi.org/10.4236/gsc.2014.44025).
Недостатком известного технического решения является невозможность его эффективного использования для переработки высокопрочных и сильно загрязненных агароносов, например анфельции (особенно анфельции тобучинской) или других агароносных материалов растительного происхождения. Например, талломы анфельции обладают повышенной прочностью, интенсивно обрастают различными организмами, для которых являются средой обитания и питательной средой, кроме того, сильно загрязнены (в т.ч. продуктами жизнедеятельности организмов обрастания), что требует значительных затрат времени и энергии на процедуру подготовки водоросли к переработке и увеличивает продолжительность процедуры экстракции. Кроме того, использование токсичного материала (метанола) в процедуре экстрагирования требует усиления работ по его удалению из агара. Хотя агар, получаемый из анфельции, зачастую ценится выше, чем получаемый из других водорослей агароносов.
Задачей изобретения является обеспечение возможности эффективного использования высокопрочных и сильно загрязняемых агароносов,
Технический результат заключается в обеспечении эффективной (быстрой и полной) очистки талломов водорослей от загрязнений любой природы, что, кроме сокращения длительности процедуры подготовки их к экстрагированию, обеспечивает производство агара высокой чистоты и стабильно высокого качества. Кроме того, обеспечивается деструкция оболочек талломов, что ускоряет процедуру экстрагирования агара и обеспечивает высокую полноту его выхода из обрабатываемого материала. Кроме того, замена метанола на этанол повышает безопасность работ на этапе осаждения агара и безопасность для человека получаемых материалов в т.ч. агара. Кроме того, технология переработки фактически является безотходной.
2
2
Для решения поставленной задачи способ получения агара, включающий его экстракцию из водорослей ионной жидкостью, в качестве которой используют глубокий эвтектик с температурой плавления ниже 100°C, температуру которого в процессе экстракции поддерживают на уровне 80-100°C, при этом, по окончанию процесса экстракции, полученный раствор разделяют на водорослевый остаток и раствор агара в глубоком эвтектике, причем в последний добавляют спирт, после чего горячий раствор фильтруют и разделяют его на агар и спиртосодержащий раствор глубокого эвтектика, из которого глубокий эвтектик регенерируют и повторно используют, отличается тем, что в качестве водоросли используют анфельцию, которую предварительно очищают от загрязнений, для чего ее заливают слабым раствором щелочи и подвергают электрогидравлической обработке до очистки талломов водоросли от поверхностных загрязнений и/или биологических наростов, далее осуществляют внутреннюю паровую деструкцию талломов водоросли, после чего обработанные водоросли подвергают экстракции глубоким эвтектиком, предпочтительно в течение 10-15 минут, кроме того, в качестве спирта используют этиловый спирт, при этом из спиртосодержащего раствора глубокого эвтектика, полученного после отделения агара, регенерируют и повторно используют спирт, кроме того, агар, полученный фильтрованием, подвергают обезвоживанию. Кроме того, для предварительной очистки анфельции от загрязнений ее размещают в 0,2% растворе гидроокиси кальция, причем продолжительность электрогидравлической обработки составляет 2-3 минуты, не менее двух подходов. Кроме того, если для предварительной очистки анфельции от загрязнений используют ультразвуковую обработку, то ее продолжительность составляет не менее 10 минут, не менее двух подходов, при использовании 0,2% раствора гидроокиси кальция. Кроме того, внутренняя паровая деструкция талломов водоросли предусматривает прогрев влажных водорослей микроволновым излучением, например в СВЧ-печи при температуре 100-105°C в течение 1-3 минут и повторяется не менее 2 раз. Кроме того, для приготовления глубокого эвтектика смесь мочевины ((NH)CO) и холин хлорида (Cholini chloridum), в пропорции от 1:1 до 2:1 нагревают от 75 до 85°C, до полного растворения. Кроме того, гидромодуль водоросль/глубокий эвтектик равен 1:10. Кроме того, водорослевый остаток процесса экстракции агара подвергают как минимум одной повторной экстракции, после чего разлагают на простые сахара посредством процедуры гидролиза, при этом раствор сахаров сбраживают на этиловый спирт, который используют в технологическом процессе. Кроме того, обезвоживание агара включает его инфракрасную сушку, с вакуумным удалением паров спирта и воды, которые регенерируют и повторно используют. Кроме того, регенерация глубокого эвтектика из спиртосодержащего раствора ионной жидкости включает ее фильтрование и нагрев фильтрата до 105°C, с вакуумным удалением паров спирта и воды которые регенерируют и повторно используют. Кроме того, регенерация загрязненного и обводненного спирта предусматривает его фильтрование и прогрев фильтрата до температуры 80-95°С, с вакуумным удалением паров спирта.
Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию "новизна".
Признаки отличительной части формулы изобретения обеспечивают решение комплекса функциональных задач.
Признаки, указывающие, что «в качестве водоросли используют анфельцию», позволяют использовать для получения агара высокопрочные и сильно загрязняемые агароносы.
Признаки, указывающие, что анфельцию «предварительно очищают от загрязнений, для чего ее заливают слабым раствором щелочи и подвергают электрогидравлической обработке до очистки талломов водоросли от поверхностных загрязнений и/или биологических наростов», обеспечивают высокоэффективную и ускоренную очистку талломов водоросли, которая в отличие от ультразвуковой обработки, в связи с особенностями своего воздействия, концентрированного на внешней оболочке талломов, не приводит к частичной деструкции их внутреннего содержания, в т.ч. агара.
Признаки, указывающие, что после очистки «осуществляют внутреннюю паровую деструкцию талломов водоросли», обеспечивают повышение проницаемости оболочек талломов и ускорение вывода из них агара в экстрагент за короткий срок.
Признаки, указывающие, что «обработанные водоросли подвергают экстракции ионной жидкостью, предпочтительно, в течение 10-15 минут», задают минимально достаточную продолжительность процедуры экстракции.
Признаки, указывающие, что «в качестве спирта используют этиловый спирт», повышают безопасность процедуры получения агара и обеспечивают его безвредность для организма человека еще до завершения процедуры сушки.
Признаки, указывающие, что «из спиртосодержащего раствора ионной жидкости, полученного после отделения агара, регенерируют и повторно используют спирт», обеспечивают возможность безотходного или многократного использования, не только экстрагента, но и спирта.
Признаки, указывающие, что «агар, полученный фильтрованием, подвергают обезвоживанию», позволяют перевести продукт в формы, пригодные для длительного хранения, и отобрать из него пары спирта и воды для регенерации и повторного использования.
Признаки, указывающие, что «для предварительной очистки анфельции от загрязнений ее размещают в 0,2% растворе гидроокиси кальция, причем продолжительность электрогидравлической обработки составляет 2-3 минуты, не менее двух подходов», обеспечивают эффективную очистку оболочек талломов и минимизируют воздействие на их содержимое.
Признаки, указывающие, что «если для предварительной очистки анфельции от загрязнений используют ультразвуковую обработку, то ее продолжительность составляет не менее 10 минут, не менее двух подходов, при использовании 0,2% раствора гидроокиси кальция», обеспечивают эффективную очистку оболочек талломов и минимизируют воздействие на их содержимое.
Признаки, указывающие, что «внутренняя паровая деструкция талломов водоросли предусматривает прогрев влажных водорослей микроволновым излучением, например в СВЧ-печи при температуре 100 - 105°C в течение 1-3 минут, и повторяется не менее 3 раз», обеспечивают эффективное повышение проницаемости оболочек талломов и позволяют минимизировать воздействие на их содержимое.
2
2
Признаки, указывающие, что «кроме того, для приготовления глубокого эвтектика смесь мочевины ((NH)CO) и холин хлорида (Cholini chloridum), в пропорции от 1:1 до 2:1, нагревают от 75 до 85°С, до полного растворения», обеспечивают возможность получения ионной жидкости, эффективной по своим рабочим термическим характеристикам для экстрагирования агара из анфельции (глубокого эвтектика с температурой плавления ниже 100°С).
Признаки, указывающие, что «гидромодуль водоросль/эвтектик равен 1:10», обеспечивают эффективное экстрагирование даже при однократной схеме (без повторного экстрагирования).
Признаки, указывающие, что «водорослевый остаток процесса экстракции агара подвергают как минимум одной повторной экстракции, после чего разлагают на простые сахара посредством процедуры гидролиза, при этом раствор сахаров сбраживают на этиловый спирт, который используют в технологическом процессе», повышают полноту использования сырья при пониженных содержаниях ионной жидкости и обеспечивают отсутствие отходов позволяют компенсировать технологические потери спирта, снижая зависимость производства от внешних источников сырья.
Признаки, указывающие, что «обезвоживание агара включает его инфракрасную сушку, с вакуумным удалением паров спирта и воды, которые регенерируют и повторно используют», обеспечивают не только сушку конечного продукта, но и снижают потери реакционных компонентов.
Признаки, указывающие, что «регенерация эвтектика из спиртосодержащего раствора ионной жидкости включает ее фильтрование и нагрев фильтрата до 105°С, с вакуумным удалением паров спирта и воды, которые регенерируют и повторно используют», задают тепловой режим, который обеспечивает удаление из ионной жидкости спирта и воды, которые затем можно регенерировать и повторно использовать.
Признаки, указывающие, что «регенерация загрязненного и обводненного спирта предусматривает его фильтрование и прогрев фильтрата до температуры 80-95°C, с вакуумным удалением паров спирта», раскрывают содержание «признака регенерация загрязненного и обводненного спирта».
Анфельция - это морская водоросль высотой до 20 см, образующая темно-фиолетовые дерновины из спутанных стелющихся и вертикальных цилиндрических, жестких дихотомических или неправильно разветвленных побегов, толщиной 0,2-1,5 мм, с междоузлиями длиной 0,5-1,2 см. Центральная часть стебля, состоящая из округлых (в поперечном сечении) бесцветных клеток с толстой оболочкой, 8-16 ммк в диаметре, окружена коровым слоем из 4-10 рядов мелких, почти квадратных округлых клеток. В коровом слое старых слоевищ заметно несколько концентрических зон, включающих по несколько рядов мелких клеток, отграниченных темными линиями.
Существует две экологические формы: прикрепленная, растущая на камнях и скалах, и неприкрепленная, свободно лежащая на илистом или песчаном грунте. В настоящее время неприкрепленная анфельция, растущая в дальневосточных морях, признается самостоятельным видом - анфельция тобучинская A. tobuchiensis (Kanno et Matsub.) Makienko. Для нее характерно членистое строение ветвей, прикрепленные слоевища не известны, размножение только вегетативное, как и у прикрепленной формы.
Заявленный способ получения агара включает пять этапов.
1 этап. Подготовка водоросли к экстракции включает две последовательных операции.
1.1 Очистка анфельции, которую заливают 0,2% раствором щелочи (раствором гидроокиси или натрия, или калия, или кальция или раствором кальцинированной соды и т.п.), предпочтительно раствором гидроокиси кальция в электроизолированной камере, оборудованной как минимум одним разрядником, обеспечивающим возможность формирования электрогидравлических ударов в объеме жидкости, заполняющей камеру. При подаче электрического тока в объеме жидкости, заполняющей камеру, формируется электрогидравлический удар (что выражается в выбросе от точки электроразряда потока жидкости, обладающего высоким давлением на фронте распространения и скоростью, под воздействием которого происходит очистка талломов (веточек) водоросли от поверхностных загрязнений и биологических наростов. Причем продолжительность электрогидравлической обработки составляет 2-3 минуты, не менее двух подходов с перерывами 1-2 минуты. Допускается использование ультразвуковой обработки, но при этом ее продолжительность одного «включения» установки желательно уменьшить до 1-2 минут, с общей продолжительностью подхода порядка 10 минут и перерывами 0,5-1 минута для минимизации деструкции агара, поскольку этот вид обработки оказывает воздействие и на само содержимое талломов. При этом число подходов не менее двух.
1.2 Внутренняя паровая деструкция талломов, для чего влажные (после извлечения из камеры электрогидравлической обработки) водоросли помещают в СВЧ-печь и обеспечивают прогрев влажных водорослей микроволновым излучением при температуре 100-105°С в течение 1-3 минут, что приводит к закипанию воды, содержащейся в талломах, и повышению внутреннего давления в их объеме, приводящего к разрывам оболочек талломов и тем самым к повышению их проницаемости. Эту операцию повторяют не менее 3 раз с перерывами 1-2 минуты.
Режимные параметры, наиболее эффективные на этапе подготовки водоросли к экстракции, целесообразно уточнить экспериментально, по отношению к конкретным партиям сырья, отличающимся местом и сроком сбора водоросли. После завершения этого этапа приступают к этапу экстракции агара.
2. Экстракция
2.1 Приготовление ионной жидкости.
2
2
Глубокие эвтектики - это новый класс ионных жидкостей, имеющих температуру плавления, значительно ниже точек плавления исходных двух соединений, которые образуют эвтектические смеси. Температура плавления глубоких эвтектиков для целей эффективной экстракции агара должна быть ниже 100°C, предпочтительно ниже 75°C. Наиболее подходящим составом ионной жидкости для экстракции агара является смесь мочевины ((NH)CO) и холин хлорида (Cholini chloridum), в пропорции от 1:1 до 2:1, которую нагревают от 75 до 85°С, до полного растворения ингредиентов и образования прозрачной ионной жидкости. Как правило, эвтектики образуются между различными солями четвертичных аммониевых оснований и карбоновых кислот. Учитывая большое разнообразие получающихся при этом глубоких эвтектиков, могут использоваться и другие составы, подходящие по своим термодинамическим характеристикам.
Кроме того, гидромодуль водоросль/эвтектик равен 1:10.
2.2 Растворение агара ионной жидкостью (глубоким эвтектиком).
Водоросли, подвергшиеся паровой деструкции, помещают в предварительно разогретую ионную жидкость (ориентировочно ее температура должна составить от 80 до 100°С). Гидромодуль водоросль/эвтектик составляет 1:10, что обеспечивает эффективное извлечение и растворение агара, даже при однократной схеме (без повторного экстрагирования). Начальный этап экстрагирования агара (его растворение в ионной жидкости) целесообразно проводить в емкости, помещенной в СВЧ-печь, или промышленную СВЧ-камеру, обеспечивающую возможность прогрева микроволновым излучением. В процессе растворения агара водоросли периодически помешивают и прогревают микроволновым излучением (не менее 3 раз), поддерживая температуру эвтектика в заявленных пределах. Продолжительность процесса - 10-15 мин. Для уменьшения вязкости раствора возможно добавление к раствору, содержащему эвтектик и растворенный в нем агар, до 10% подогретой до 80°С кипяченой (умягченной) воды.
2.3. Отделение водорослевого остатка.
Полученный горячий раствор разделяют на водорослевый остаток и раствор агара в эвтектике. Водорослевый остаток процесса растворения агара подвергают как минимум одной повторной экстракции, особенно, если гидромодуль водоросль/эвтектик был больше чем 1: 10. Фильтрат (раствор агара в эвтектике) направляют на разделение (осаждение агара).
2.4. Осаждение агара.
Осаждение агара ведут спиртом (в данном случае этиловым), который вводят в раствор агара в эвтектике, свободный от водорослевого остатка. Для более полного выделения агара из раствора осаждение агара из раствора можно повторить несколько раз (два и, возможно, больше). Агар, выпавший в осадок, выделяют фильтрованием и обезвоживают.
3. Обезвоживание агара включает его инфракрасную сушку, с вакуумным удалением паров спирта и воды, для чего используют инфракрасные сушилки, снабженные системами вакуумного удаления паров спирта и паров воды, которые регенерируют и повторно используют.
4. Регенерация рабочих жидкостей (глубокий эвтектик и этиловый спирт).
4.1 Регенерация эвтектика (ионной жидкости) заключается в том, что спиртосодержащий раствор ионной жидкости, оставшийся после отделения агара, фильтруют для удаления механических примесей, после чего для удаления воды и спирта его подвергают нагреванию до 105°С, с вакуумным удалением паров спирта и воды, которые затем регенерируют и повторно используют.
4.2 Регенерация загрязненного и обводненного спирта предусматривает его фильтрование и прогрев фильтрата до температуры 80-95°С, с вакуумным удалением паров спирта.
4.3. Очистка воды предусматривает дистилляцию водной фракции, оставшейся после отгонки спирта.
5. Утилизация водорослевого остатка.
Водорослевый остаток, состоящий из целлюлозы, моно- и полисахаридов и минеральных солей подвергают стандартной процедуре гидролиза для разложения на простые сахара. Раствор сахаров направляется на сбраживание на этиловый спирт. Этиловый спирт поступает в технологический процесс для компенсации вследствие технологических потерь.