Способ получения кератинового монопродукта (варианты)
METHOD OF OBTAINING KERATIN MONOPRODUCT (OPTIONS)

Изобретение относится к области переработки отходов животного происхождения для получения кератинового монопродукта, предназначенного для использования в ветеринарии, медицине, косметологии, биотехнологии, а также в качестве белковой кормовой добавки к основному рациону животных и птиц.
Известны способы получения кератиносодержащих продуктов, например, молекулярно-растворимого кератина (РФ 2113225 А61К 35/36, 1995 г.), белковой кормовой добавки из отходов шерстяной промышленности (РФ 2105495, А23К 1/10, 1994 г.) - средства для выпрямления волос. Однако одни из предлагаемых технологий требуют применения дорогостоящих реактивов в высоких концентрациях, другие приводят к полному гидролизу кератина и, соответственно, потере биологической активности, присущей нативному кератину.
Наиболее близким к изобретению по обоим вариантам его осуществления является способ получения кератина (РФ 2092072, А23К 1/10, 1995 г.), который включает ряд последовательных операций, в ходе которых исходное сырье сначала обрабатывают смесью муравьиной кислоты и окислителя, а после промывки - гидроксидом натрия и окислителем к полученному полуфабрикату добавляют кислоту, полученный осадок диализуют, а затем перерастворяют в слабощелочной среде и добавляют консервант, после чего целевой продукт гомогенизируют и фильтруют. Достоинством известного способа является более совершенный метод разволокнения фибриллярной структуры кератина, облегчающий процесс последующего растворения белка. Однако из-за использования в технологическом цикле нескольких видов кислот (соляной, уксусной и муравьиной) в рабочих растворах образуется большое количество различных солей, что тормозит процесс растворения фибриллярного кератина и увеличивает количество недорастворенного кератина, и, естественно, количество отходов, что отрицательно влияет на экологию. Кроме того, с помощью осуществления известного способа практически невозможно получить монопродукт (с высоким процентом содержания кератина), который в силу своих свойств и показателей качества наиболее востребован на современном потребительском рынке.
Техническим результатом, которого можно достичь по обоим вариантам осуществления изобретения, является обеспечение возможности получения монопродукта при высокой экологичности его производства.
Технический результат по первому варианту осуществления изобретения достигается тем, что в способе получения кератинового монопродукта, заключающемся в том, что исходный кератинсодержащий материал в течение 4-6 часов обрабатывают раствором, содержащим 1,0-7% соляной кислоты и 0,1-0,3% пероксида водорода при жидкостном коэффициенте (ЖК) 12-15 с последующей промывкой деионизированной водой до нейтральных значений рН, после чего проводят от 1 до 4 последовательных циклов обработки, предусматривающих воздействие на кератинсодержащий полуфабрикат в течение 8-12 час. при температуре 28-32°C раствором, содержащим 0,05-2,5% гидроксида натрия и 0,1-1,0% пероксида водорода при ЖК от 6 до 10, очистку полуфабриката путем осаждения кератина из реакционной смеси в течение 0,5-1,0 часа с помощью 7-10% соляной кислоты и промывку осажденного кератина деионизированной водой до нейтральных значений рН, по завершении циклов обработки очищенный от некератиновых примесей продукт перерастворяют в 0,1-1,0% растворе гидроксида натрия в течение 4-6 часов периодически перемешивая, гомогенизируют до размера частиц 180-220 мкм и фильтруют, а затем стабилизируют его рН до 6,7-7,3 с помощью 0,1-1,0% раствора гидроксида натрия и доводят содержание сухого остатка до 3,0-15,0% с помощью этого же раствора, получая монопродукт, содержащий 95-98% кератина, в который перед фасовкой добавляют консервант.
Технический результат по второму варианту осуществления изобретения достигается тем, что в способе получения кератинового монопродукта, заключающемся в том, что исходный кератинсодержащий материал в течение 4-6 часов обрабатывают раствором, содержащим 1,0-7% соляной кислоты и 0,1-0,3% пероксида водорода при жидкостном коэффициенте (ЖК) 12-15 с последующей промывкой деионизированной водой до нейтральных значений рН, после чего проводят от 1 до 4 последовательных циклов обработки, предусматривающих воздействие на кератинсодержащий полуфабрикат в течение 8-12 час. при температуре 28-32°С раствором, содержащим 0,05-2,5% гидроксида натрия и 0,1-1,0% пероксида водорода при ЖК от 6 до 10, очистку полуфабриката путем осаждения кератина из реакционной смеси в течение 0,5-1,0 часа с помощью 7-10% соляной кислоты и промывку осажденного кератина деионизированной водой до нейтральных значений рН, по завершении циклов обработки очищенный от примесей продукт перерастворяют в 0,1-1,0% растворе гидроксида натрия в течение 4-6 часов с периодическим перемешиванием, получая в итоге монопродукт, содержащий 95-98% кератина, в который добавляют консервант, а полученный объем разливают в кюветы до толщины слоя 1-2 см и подвергают лиофилизации, с проведением ступенчатого обезвоживания в диапазоне криоскопических температур от -30 до - 60°С в течение 24-36 часов, доводя содержание влаги в монопродукте до 0,5 - 5,0%, после чего его постепенно нагревают до температуры до 10-20°С и измельчают до порошкообразного состояния с размером частиц 1-3 мм, после чего фасуют.
Первый вариант позволяет получить жидкий кератиновый монопродукт, пригодный для использования в ветеринарии, медицине, фармацевтической и косметической промышленностях.
Второй вариант изобретения позволяет получить сухую кератиновую моносубстанцию, пригодную для использования в качестве белковой добавки к кормам для животных и с.-х. птицы, а также в пищевой промышленности.
Оба варианта объединены единым техническим замыслом, направленным на достижение одного и того же технического результата -возможность получения кератинового монопродукта при высокой экологичности производства. Технический результат достигается с помощью использования идентичных технических средств: кислотно-пероксидной обработки, позволяющей очистить исходное кератинсодержащее сырье от некератиновых компонентов и провести его обеззараживание, а также серии пероксидно-щелочных и кислотных обработок, в ходе которых имеют место как процессы обезжиривания исходных материалов, так и процессы щадящей ступенчатой солюбилизации волокнистого кератина за счет каскадного расщепления межмолекулярных дисульфидных и пептидных связей, ответственных за четвертичную структуру этого биополимера, до состояния биоактивной субстанции, которая представляет собой монопродукт кератина с ненарушенной трехспиральной структурой молекулы.
В проанализированных источниках не обнаружено информации о возможности получения монопродукта при высокой экологичности его производства с помощью выбранной совокупности последовательных операций, сопровождающихся новыми температурными и временными режимами, а также выбором новых концентраций обрабатывающих ингредиентов, что позволяет сделать вывод о соответствии данного технического решения критериям охраноспособности.
Способ осуществляют следующим образом.
В качестве исходного сырья могут быть использованы очес овечьей шерсти, меховой очес, волос северного оленя, перо птицы, рогокопытное сырье и др. вторичные кератинсодержащие ресурсы.
В зависимости от вида используемого сырья выбирают температурные и временные режимы процессов, а также исходные концентрации используемых ингредиентов (в рамках заданных диапазонов).
Исходный кератинсодержащий материал (сырье) замачивают в течение 4-6 часов в растворе, содержащем 1,0-7% соляной кислоты и 0,1-0,3% пероксида водорода при жидкостном коэффициенте ЖК 12-15 с последующей промывкой деионизированной водой до нейтральных значений рН. Проводят от 1 до 4 последовательных циклов обработки, каждый из которых представляет собой обработку кератинсодержащего полуфабриката в растворе, содержащем 0,05-2,5% гидроксида натрия и 0.1-1,0% пероксида водорода, в течение 8-12 час. при температуре 28-32°С при ЖК от 6 до 10, осаждение основного компонента (кератина) из реакционной смеси в течение 0,5-1,0 часа с помощью 7-10% соляной кислоты и промывку осадка деионизированной водой до нейтральных значений рН. Промывка осадка деионизированной водой до нейтральных значений рН позволяет отказаться от проведения диализа и, следовательно, повысить технологичность производства.
По завершении циклов обработки очищенный от некератиновых примесей продукт перерастворяют в 0,1-1,0% растворе гидроксида натрия в течение 4-6 часов периодически перемешивая, гомогенизируют до размера частиц 180-220 мкм и фильтруют, а затем стабилизируют его рН до 6,7-7,3 с помощью 0,1-1,0% раствора гидроксида натрия и доводят содержание сухого остатка до 3,0-15,0% с помощью этого же раствора. В итоге получают монопродукт, содержащий 95-98% кератина, в который перед фасовкой добавляют консервант.
Для получения сухой формы кератинового монопродукта по завершении циклов обработки, (включающих также, как и при получении жидкой фракции, воздействие на полуфабрикат гидроксидом натрия и перекисью водорода, очистку с помощью соляной кислоты и промывку) очищенный от примесей осадок перерастворяют в 0,1-1,0% растворе гидроксида натрия, выдерживая его в течение 4-6 часов с периодическим помешиванием, добавляют консервант и полученный объем продукта разливают в кюветы до толщины слоя 1-2 см. Затем продукт подвергают лиофилизации (сублимационной сушке), используя ступенчатое обезвоживание в диапазоне криоскопических температур от -30 до - 60°С в течение 24-36 часов, доводя содержание влаги в продукте до 0,5-5,0%.
После просушки, (которую можно осуществить с помощью, например, вакуумной сублимационной установки УВС-80М), продукт постепенно нагревают до температуры до 10-20°С и измельчают (например, с помощью шаровых мельниц) до порошкообразного состояния с размером частиц 1-3 мм, и затем фасуют.
Пример 1 (получение кератинового монопродукта по первому варианту).
1. Замачивание 1 кг исходного кератинсодержащего сырья (очеса овечьей шерсти) в рабочем растворе, содержащем 3,0% соляной кислоте и 0,2% пероксида водорода в течение 5 часов при жидкостном коэффициенте (ж.к.) 1:15 при 25°С.
2. Промывка деионизированной водой до нейтральных значений рН.
3. Двукратный цикл обработки кератинсодержащего полуфабриката путем воздействия на него раствором, содержащим 1,0% гидроксида натрия и 0,3% пероксида водорода при ЖК 8 в течение 9 часов при 30°С, последующее осаждение основного компонента (солюбилизированного кератина) из реакционной смеси с помощью 8% соляной кислоты в течение 0,5 часа и промывку полученного осадка деионизированной водой до нейтральных значений рН.
4. Перерастворение очищенного от примесей монопродукта (97% кератина) в 0,5% растворе гидроксида натрия в течение 5 часов при периодическом перемешивании.
5. Гомогенизация готового монопродукта до размера частиц 200 мкм, фильтрование.
6. Доведение массовой доли сухого остатка в готовом монопродукте до 5% и стабилизация рН до 7,25 с помощью 0,5% раствора гидроксида натрия.
7. Добавление консерванта.
8. Розлив и этикетирование.
Пример 2 (получение кератинового монопродукта по второму варианту).
1. Замачивание 1 кг исходного кератинсодержащего сырья (измельченного пера) в рабочем растворе, содержащем 5,0% соляной кислоты и 0,3% пероксида водорода в течение 6 часов при жидкостном коэффициенте (ж.к.) 1:12 при 25°С.
2. Промывка деионизированной водой до нейтральных значений рН.
3. Трехкратная обработка кератинсодержащего полуфабриката путем воздействия на него раствором, содержащим 1,5% гидроксида натрия и 0,5% пероксида водорода при ЖК 8 в течение 9 часов при 30°С, очистку основного компонента (солюбилизированного кератина) осаждение его из реакционной смеси с помощью 8% соляной кислоты в течение 0,5 часа и промывку осадка деионизированной водой до нейтральных значений рН.
4. Перерастворение очищенного от примесей монопродукта (98% кератина) в 0,5% растворе гидроксида натрия в течение 5 часов при периодическом перемешивании.
5. Добавление консерванта.
6. Розлив в кюветы с толщиной слоя 1-2 см.
7. Сублимационное высушивание в течение 30 часов до температуры -40°С в толще материала и содержания массовой доли влаги в продукте 5,0%
8. Повышение температуры монопродукта до 20°С.
9. Измельчение его (на шаровой мельнице) до размера частиц 1-3 мм.
10. Фасовка и этикетирование.
Таким образом, совершенствование технологических процессов позволило повысить растворимость исходного кератинсодержащего сырья и обеспечить выход нативного (биологически активного) кератина с 50-70 по известному способу до 95-98 мас. % по предлагаемому и, соответственно, массовую долю сухих веществ в монопродукте 5-15 мас. %, т.е. обеспечить возможность получения монопродукта при высокой экологичности его производства.
Данный способ может быть использован для получения как порошкообразных, так и жидких высококачественных кератинсодержащих субстанций, предназначенных для применения в ветеринарии, медицине, косметологии, биотехнологии, кормопроизводстве и пищевой промышленности.