УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГИДРОЛИЗА ВОДНЫХ РАСТВОРОВ БЕЛКОВ

Заявляемое техническое решение относится к биотехнологии и может быть использовано в медицине, пищевой промышленности и сельском хозяйстве.
Известно, что для гидролиза водных растворов белков существуют самые разнообразные установки. Например, для этой цели часто используются колонные реакторы-ферментеры с помещенным внутрь иммобилизованным ферментом - технологическим биокатализатором (Бейли Дж., Оллис Д. Основы биохимической инженерии, 1989. - М.: Мир, с. 255). Основным недостатком этих устройств является постепенное уплотнение слоя технологического биокатализатора и за счет этого резкое снижение скорости протекания процесса.
Для гидролиза водных растворов белков также известно использование ферментеров с перемешиванием (Бейли Дж., Оллис Д. Основы биохимической инженерии, 1989. - М.: Мир, с. 247). В этом случае, как и в предыдущем, образующийся гидролизат накапливается в реакционной смеси, что также замедляет скорость гидролиза.
Кроме того, эти виды реакторов не позволяют получать растворы белка с заданной степенью гидролиза.
Этого недостатка лишен ферментер с механическим перемешиванием и ультрафильтрацией раствора через полупроницаемую мембрану, которая удерживает фермент и белок, являющиеся высокомолекулярными соединениями, в ферментере и пропускает низкомолекулярный гидролизат (пермеат). (Неклюдов А.Д., Иванкин А.Н. Экологические основы биотехнологических производств. - М.: МГУЛ, 2002, с. 182-183). Недостатком данного устройства является незначительная рабочая площадь мембранной поверхности, приводящая к невысокой производительности ферментера по потоку пермеата.
Наиболее близким аналогом предлагаемого технического решения является устройство, представляющее собой емкостный ферментер с нижними штуцерами для подачи раствора белка, воздуха и иммобилизированного фермента под давлением. Реактор снабжен пробоотборником для контроля степени гидролиза белка и ультрафильтрационными блоками для отвода продукта - гидролизата белка от общей реакционной массы (патент на полезную модель 77178, кл. B01F 17/30, 2008).
Недостатком данного устройства является недостаточно эффективный отвод гидролизата (пермеата) из ферментера, так как ультрафильтрационные блоки работают в так называемом тупиковом режиме, то есть без отвода от поверхности мембран потока концентрирующегося раствора, что способствует забиванию пор мембран суспензией фермента и увеличению влияния такого нежелательного эффекта как концентрационная поляризация. Кроме того, в описанном устройстве существенным недостатком является зависимость степени опорожнения ферментера от высоты расположения в нем ультрафильтрационных блоков.
Задачей предлагаемого технического решения является повышение эффективности и производительности устройства за счет достижения более высокой степени извлечения гидролизата (пермеата) из реакционной смеси. Это достигается за счет вмонтирования ультрафильтрационного блока в нижнюю часть корпуса ферментера и за счет вывода из ультрафильтрационного блока ретанта (части потока разделяемого раствора, не прошедшего через мембрану). Расположение ультрафильтрационного блока в нижней части реактора способствует более полной переработке объема гидролизующегося раствора. Вывод ретанта приводит к уменьшению степени загрязнения поверхности ультрафильтрационных мембран суспензией и снижению величины концентрационной поляризации, что увеличивает продолжительность цикла ультрафильтрования. Кроме того, в предлагаемом устройстве предусмотрена подача реакционной смеси в ультрафильтрационный блок из ее верхнего осветленного слоя с помощью поплавкового фильтра-заборника, что также уменьшает риск забивания пор мембран суспензией фермента.
Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в устройстве для гидролиза водных растворов белков, включающем ферментер с теплообменным устройством и штуцерами ввода и вывода реагентов и продуктов, вентили для регулирования давления, пробоотборник и ультрафильтрационный блок, последний вмонтирован в нижнюю часть корпуса ферментера и снабжен штуцером для вывода ретанта, при этом ферментер снабжен поплавковым фильтром-заборником для подачи реакционной смеси в ультрафильтрационный блок, фильтр-заборник соединен с ультрафильтрационным блоком с помощью гибкого трубопровода. Принципиальная схема предлагаемого устройства для гидролиза водных растворов белков приведена на фиг. 1.
Устройство для гидролиза водных растворов белков содержит ферментер 1, в котором реализуется ферментный гидролиз раствора белка. Ферментер 1 снабжен теплообменным устройством 2 (на схеме показана рубашка со штуцерами ввода и вывода воды). В нижней части ферментер 1 имеет штуцеры 3, 4, 5 для подачи воздуха, раствора белка, суспензии иммобилизированного фермента, соответственно, и штуцер 6 для полной разгрузки реактора. В крышке ферментера 1 установлен штуцер 7 с вентилем для регулирования давления. Для контроля степени гидролиза белка через отверстие в крышке ферментера 1 в реакционную смесь погружен пробоотборник 8. Отделение полученного гидролизата (пермеата) от реакционной массы происходит в ультрафильтрационном блоке 9, который включает набор параллельно или последовательно расположенных мембран 10 различной конфигурации. Ультрафильтрационный блок 9 вмонтирован в нижнюю часть корпуса ферментера 1 и снабжен штуцерами 11 и 12 для вывода пермеата и ретанта соответственно. В качестве ультрафильтрационного блока могут быть использованы аппараты плоскокамерного типа или трубчатые аппараты или аппараты волоконного типа. С помощью поплавкого фильтра-заборника 13, выполненного в виде микрофильтра с возможностью задерживать частицы суспензии фермента, расположенного в верхней осветленной части реакционной смеси, через гибкий трубопровод 14 осуществляется подача реакционной смеси в ультрафильтрационный блок 9.
Устройство работает следующим образом. В ферментер 1, работающий при температуре 40-50°C под небольшим давлением воздуха (0,2-0,5 атм) через штуцеры 3, 4, 5 подают, соответственно, воздух, 1-5%-ный водный раствор белка и водную суспензию используемого фермента, которые имеют необходимое значение рН (в случае нейтральной протеазы рН=7,0-7,2, в случае щелочной протеазы рН=9-10). Суспензия состоит из наночастиц иммобилизованного фермента, заключенных в микрокапсулы из карбоксиметилцеллюлозы размером 100-200 нм. По мере заполнения ферментера 1 подачу реагентов прекращают, оставляя только подачу воздуха для барботирования и поддержания частиц суспензии во взвешенном состоянии. Процесс гидролиза ведут в течение 40-50 мин, при этом давление в ферментере поддерживают с помощью вентиля 7 на уровне 0,2-0,5 атм. Через каждые 5-10 мин с помощью пробоотборника 8 берут пробы реакционной смеси для определения степени превращения белка в гидролизат. При достижении заданной степени гидролиза прекращают подачу воздуха. Смесь отстаивают в течение 5-10 мин до образования верхнего осветленного слоя. Далее, в линии пермеата через штуцер 11 создают вакуум, соответствующий остаточному давлению 12-40 мм рт.ст., в результате чего реализуется процесс ультрафильтрации в блоке 9, экипированном мембранами 10 с размером пор 40-50 нм. Смесь поступает в фильтр-заборник 13, где освобождается от частичек фермента и по гибкому трубопроводу 14 направляется на разделение в ультрафильтрационный блок 9. С помощью вентиля на линии ретанта 12 регулируют соотношение объемных расходов ретант/пермеат в пределах 1-3. Для реализации процесса ультрафильтрации вместо вакуумирования можно использовать избыточное давление в ферментере 1 (1-2 ат), которое создается подачей сжатого воздуха через верхний штуцер 7 и регулируется вентилем 7. Процесс ультрафильтрации заканчивают после достижении заданного объема реакционной смеси в ферментере 1. Далее ферментер 1 разгружают, сливая остаток реакционной смеси через штуцер 6.
Таким образом, эффективность и производительность предлагаемого устройства повышается за счет более высокой степени извлечения гидролизата из реакционной смеси. Это достигается тем, что в предлагаемом устройстве ультрафильтрационный блок установлен в нижней части корпуса ферментера, в ультрафильтрационном блоке предусмотрен дополнительный штуцер для вывода ретанта, при этом ферментер снабжен поплавковым фильтром-заборником для подачи реакционной смеси в ультрафильтрационный блок из верхнего осветленного слоя жидкости для уменьшения риска забивания пор ультрафильтрационных мембран суспензией фермента.