СПОСОБ ДВОЙНОГО ЦЕНТРИФУГИРОВАНИЯ ДЛЯ ОЧИСТКИ ПИТАТЕЛЬНОГО МАСЛА
METHOD FOR DOUBLE CENTRIFUGATION FOR PURIFICATION OF NUTRITIONAL OIL

Перекрестная ссылка на родственную заявку
В этой заявке испрашивается приоритет по предварительной заявке на патент США № 62/543,659, поданной 10 aвгуста 2017, описание которой введено в это изобретение как ссылка.
Уровень техники
Общепризнанно, что питательные масла являются необходимой добавкой, входящей в ежедневный рацион питания для достижения желательных воздействий на здоровье. Одним из видов таких питательных масел являются масла, содержащие полиненасыщенные жирные кислоты (ПНЖК). Многочисленные источники масел указанных видов включают рыбу, микробные (дрожжевые и водорослевые), и возможно, генетически измененные растения. Кроме того, хорошо известно, что, благодаря желательной ненасыщенности, указанные масла способны легко окисляться, и, таким образом, чувствительны к нагреванию и большой длительности обработки. Если окисление этих масел действительно происходит, то побочный продукт окисления обладает очень плохим вкусом, и потребители отвергают такой продукт. Кроме того, желательно применение непрерывных или полунепрерывных технологических процессов для снижения затрат производства. Здесь термин «полунепрерывный технологический процесс» относится к периодической обработке ферментационной среды в конце ферментационного процесса. Здесь термин «непрерывный технологический процесс» относится к непрерывной обработке ферментационной среды, с непрерывным пополнением ферментационной среды, которая перерабатывается. Однако проблема непрерывных или полунепрерывных технологических процессов заключается в том, что все технологические стадии должны быть проведены в приемлемые временные рамки, чтобы обеспечить применение непрерывных или полунепрерывных процессов. Одним из главных подпроцессов в ходе непрерывного или полунепрерывного технологического процесса является выделение и очистка желательных масел, после проведения их экстракции из производящих масла микроорганизмов, которые были ферментированы и затем подвергнуты лизису для получения максимального выхода масла.
Выделение и очистка масел указанного типа проблематично, поскольку эти масла предназначаются для потребления людьми и поэтому необходимо сводить к минимуму образование побочных продуктов окисления и следует избегать использования определенных токсичных добавок, которые облегчают выделение и очистку указанных масел.
Способы выделения и очистки масел указанного типа известны, причем многие из них обычно включают в себя, после ферментации и клеточного лизиса, стадию водного удаления масляного продукта с целью выделения и очистки продукта. Обычно в ходе стадии водного удаления отделяют водную фазу от масляной фазы и выделяют желательный масляный конечный продукт, при этом удаляют продукты распада клеток, ферменты расщепления, и другие технологические добавки. Однако осуществление тщательного разделения на поверхности раздела двух несмешивающихся жидкостей затрудняется в присутствии стабильной эмульсии, которая образуется благодаря природным эмульгаторам, которые производятся ферментируемыми микроорганизмами и выделяются в процессе расщепления и разрушения клеточной оболочки. Возникает проблема потери выхода или проблема снижения выхода.
С целью повышения выхода масла некоторые производители масел пытались использовать дополнительные стадии. Однако это приводит к значительному увеличению стоимости конечного продукта. Кроме того, учитывая чувствительность питательных масел к окислению, введение дополнительных технологических стадий может привести к окислению целевых масел. Указанные продукты окисления масел имеют весьма неприятный запах, который чувствует потребитель.
Необходим, но предположительно отсутствует, технологический процесс, в котором можно производить продукт с более высоким выходом, чем в существующем способе, и при этом свести к минимуму дальнейшее окисление масляного конечного продукта, без снижения качества масла. Учитывая весьма большие объемы производства продукта, любое увеличение выхода, например, на 1%, будет приводить к значительному снижению себестоимости производства питательных масел.
Сущность изобретения
С использованием двухступенчатого способа последовательного центрифугирования, устраняется дилемма выбора между отбором масла высокого качества, но с потерей выхода масла, и отбором высокого выхода масла, но с потерей качества масла.
В традиционном способе одноступенчатого центрифугирования конечный масляный продукт собирают из легкой фазы после одной ступени центрифугирования. Отбирается или масло высокого качества, или масло с высоким выходом, но не высокий выход масла высокого качества. Например, если желательно масло высокого качества, отсечка разделения будет выполнена внутри легкой фазы и, таким образом, вдали от поверхности раздела между легкой фазой и тяжелой фазой. При этом остается некоторое количество маслосодержащего флюида, который отбрасывается вместе с тяжелой фазой продукта, что приводит к потере выхода масла. Если желателен высокий выход масла, отсечка разделения будет выполнена внутри тяжелой фазы, вблизи к поверхности раздела легкой фазы и тяжелой фазы для того, чтобы собрать как можно больше масла. Полученное таким способом масло включает примеси в выделенном масле и таким образом, подвергается риску качество масла.
Двухступенчатый способ последовательного центрифугирования помогает решить указанную выше проблему. После первой ступени центрифугирования, отсечка разделения происходит внутри тяжелой фазы, вблизи от поверхности раздела с легкой фазой. Сохраняется максимальное количество масла в легкой фазе и, таким образом, обеспечивается высокий выход масла. Собранное в первом процессе центрифугирования, масло с высоким выходом, но с низким качеством масла, перемещают во вторую центрифугу. После второго центрифугирования получается высококачественное масло путем проведения отсечки разделения внутри легкой фазы и вдали от поверхности раздела легкой фазы и тяжелой фазы. Кроме того, выход масла повышается за счет рециркуляции продукта тяжелой фазы из второго центрифугирования в следующую партию ферментационного бульона, который подготовлен к переработке. Обогащенный маслом рециркуляционный продукт, описанный выше, дополнительно улучшает деэмульгирование в следующей партии ферментационного бульона. Описанная в настоящем изобретении технология предотвращает потери выхода при сохранении качества продукта.
В одном варианте осуществления изобретение относится к способу повышения выхода продукта - питательного масла, причем способ включает проведение по меньшей мере двух ступеней центрифугирования ферментационного бульона.
В варианте осуществления описанного выше способа, продукт легкой фазы, полученный после первой ступени центрифугирования, поступает в центрифугу второй ступени центрифугирования, причем продукт тяжелой фазы, полученный после первой ступени центрифугирования, отбрасывается. При разделении легкой фазы и тяжелой фазы, полученных после первого центрифугирования, отсечка разделения проводится внутри тяжелой фазы и находится вблизи к поверхности раздела легкой фазы и тяжелой фазы для того, чтобы собрать как можно больше масла.
В дополнительном варианте осуществления описанного выше способа, сохраняется продукт легкой фазы, полученный после второй ступени центрифугирования, и продукт тяжелой фазы, полученный после второй ступени центрифугирования, подвергается рециркуляции в ферментационный бульон, который будет обработан на следующем этапе переработки, с использованием указанного выше двухступенчатого центрифугирования. При разделении легкой фазы и тяжелой фазы, полученных после второго центрифугирования, отсечка разделения проводится внутри легкой фазы и находится вблизи к поверхности раздела между легкой фазой и тяжелой фазой, для того чтобы избежать попадания примесей из тяжелой фазы.
В одном варианте осуществления, питательное масло представляет собой масло с полиненасыщенными жирными кислотами (ПНЖК).
В другом варианте выход продукт питательного масла составляет более 88%, 92%, или даже 95%.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 представляет собой схематическое изображение способа двойного центрифугирования, который раскрыт в настоящем изобретении.
На фиг. 2 приведено графическое представление данных таблицы 1, в которой сопоставлены значения выхода масла в % для образцов, полученных на различных этапах центрифугирования.
Подробное описание изобретения
Если не указано другое, все технические и научные термины, использованные в изобретении, имеют такое же значение, которое обычно понятно любому специалисту в этой области техники, к которому обращено настоящее изобретение. В общем, используемая здесь номенклатура и лабораторные методики хорошо известны и обычно применяются в уровне техники. Для этих методик используются традиционные методы, которые описаны в уровне техники и в различных ссылочных материалах. Когда термин приведен в единственном числе, авторы изобретения также имеют в виду множественное число этого термина. Используемая здесь номенклатура и лабораторные методики, описанные ниже, хорошо известны и обычно применяются в уровне техники.
Отличительные признаки и преимущества изобретения можно легче понять специалисту в этой области техники при прочтении следующего подробного описания изобретения. Следует признать, что определенные признаки изобретения, которые с целью ясности описаны выше и далее в контексте отдельных вариантов осуществления, также могут сочетаться в виде субкомбинаций.
Предполагается, что приведенные в изобретении варианты осуществления в качестве примеров являются иллюстративными и не ограничивающими.
В настоящем описании и в следующей ниже формуле изобретения, будут сделаны ссылки на ряд терминов, значение которых поясняется в последующем.
Использование артиклей "a", “an" и "the" и аналогичных объектов ссылки в контексте описания изобретения (особенно в контексте следующей формулы изобретения) следует понимать как в единственном, так и в множественном числе, если в описании не указано другое, или это явно противоречит контексту.
Термины "включающий в себя", "имеющий", и "содержащий", следует считать терминами с возможностью расширения (то есть, означают "включающий, но не ограниченный указанным"), если не указано другое. Перечисление диапазонов значений в описании предназначается просто как способ краткой записи для отдельной ссылки на каждое конкретное значение, попадающее в указанный диапазон, если в описании не указано другое, причем каждое конкретное значение введено в описание, как будто оно индивидуально изложено в изобретении.
Термин "необязательный" или “необязательно” означает, что описанный в последующем случай или обстоятельство может (или не может) произойти, и что описание включает примеры, где случай или обстоятельство происходит, и примеры, где они не имеют места.
Термин "масло", который используется в описании, относится к питательным маслам. В одном варианте осуществления, термин относится к маслу с ПНЖК.
Используемый в описании термин "водный" относится или к одной воде, или к воде в комбинации с другими водорастворимыми компонентами, которые вводятся с целью улучшения продукта или для облегчения способа получения продукта.
Используемый в описании термин "масляная фаза" относится к части водно/масляной смеси, которая растворяется в масле.
Используемый в описании термин "водная фаза", относится к части водно/масляной смеси, которая растворяется в воде.
Используемый в описании термин “легкая фаза” или "продукт легкой фазы" относится к верхней части продукта центрифугирования. Этот раствор является светлым, поскольку он, главным образом, содержит масло. В этом изобретении он также называется масляной фазой.
Используемый в описании термин "тяжелая фаза" или "продукт тяжелой фазы" относится к нижней части продукта центрифугирования. Этот раствор или осадок имеет темный цвет, поскольку он, главным образом, содержит продукты распада клеток. В этом изобретении он также называется водной фазой, так как осадок растворим в воде.
Используемый в описании термин "ферментационный бульон" относится к среде, в которой растут микроорганизмы, продуцирующие желательное масло.
Используемый в описании термин "эмульгаторы" относится к компонентам, которые естественно образуют микроорганизмы, продуцирующие масло, и которые вызывают образование эмульсии из водной и органической фаз ферментационного бульона.
Используемый в описании термин “двухступенчатое центрифугирование” относится к способу экстракции питательного масла, причем двухступенчатое центрифугирование осуществляется до удерживания конечного масляного продукта. Это выражение используется в настоящем изобретении попеременно с термином "двойное центрифугирование", причем они имеют одинаковое значение.
В настоящем изобретении, как показано на фиг. 1, проводят две или больше ступеней центрифугирования в способе выделения продукта питательного масла из ферментационного бульона. В ходе первой ступени центрифугирования образуются легкая фаза и тяжелая фаза. Для получения максимального выхода масла разделение проводится внутри тяжелой фазой, и, таким образом, собирается легкая фаза наряду с небольшим количеством нежелательной тяжелой фазы. Остаток нежелательной водной фазы отбрасывается. Затем продукт, собранный после первого центрифугирования, поступает на вторую ступень центрифугирования, на которой продукт снова разделяется на легкую фазу и тяжелую фазу. Высококачественное масло собирают из легкой фазы. Тяжелая фаза, вместе с небольшим количеством легкой фазы, подвергается рециркуляции в следующую партию ферментационного бульона для дополнительной обработки, чтобы разрушить эмульсию и затем экстрагировать масло. В качестве альтернативы, тяжелую фазу и часть легкой фазы обрабатывают на дополнительных ступенях переработки, чтобы разрушить эмульсию.
В одном варианте осуществления не ограничивающие примеры питательных масел представляют собой ненасыщенны жирные кислоты, такие как эйкозапентаеновая кислота (EPA), докозагексаеновая кислота (DHA), арахидоновая кислота (ARA) и докозапентаеновая кислота (DPA).
В одном варианте осуществления, не ограничивающими примерами компонентов тяжелой фазы являются вода, соли, жирные кислоты, продукты распада клеток, и другие ионные материалы.
С рекомендациями изобретения можно понять, что обычный специалист в этой области техники может регулировать указанные процессы, чтобы получить желательные эффекты, такие как скорость процесса, чистота и выход продукта и тому подобное, и по существу, предполагается, что многочисленные технологические ступени, неопределённо выраженные в изобретении, но могут выполняться регулярно на основе вышеприведенного описания, рассматриваются как часть этого руководства.
В конкретном варианте осуществления рассматривается способ двойного центрифугирования. Этот вариант осуществления может быть обобщен таким образом.
Взвешивают водно/масляную смесь в нагреваемом сосуде, имеющем смеситель, выбранный из группы крыльчатки с аксиальным или радиальным потоком и любой их комбинации.
a). Добавляют ферментационный бульон в сосуд;
b). Добавляют компоненты, облегчающие разрушение образовавшейся эмульсии;
c). Нагревают сосуд;
d). Закачивают ферментационный бульон в первую центрифугу;
e). Смесь центрифугируют в непрерывном режиме и отбрасывают тяжелую фазу;
f). Закачивают оставшуюся смесь во вторую центрифугу;
g). Смесь центрифугируют;
h). Сохраняют масляный продукт в новой легкой фазе из ступени g) и рециркулируют новую тяжелую фазу и оставшуюся легкую фазу путем обратной подачи насосом в сосуд на ступени a), где добавляется новая порция ферментационного бульона.
В одном варианте осуществления на ступени с) сосуд нагревают, по меньшей мере, до 70°С.
Предполагается, что способ двойного центрифугирования, описанный в настоящем изобретении, может быть использован как в периодическом режиме, где ферментационный бульон в сосуде разрушения эмульсии опорожняется до добавления следующей партии ферментационного бульона, так и в полунепрерывном режиме, где новый ферментационный бульон непрерывно добавляется в сосуд разрушения эмульсии по мере превращения бульона в процессе центрифугирования. Таким образом, в одном варианте осуществления, ступени a) - h) проводятся периодически. В другом варианте осуществления, ступени a) - h) проводятся непрерывно.
В одном варианте осуществления, на ступени с) сосуд нагревают, по меньшей мере до 40°C, по меньшей мере до 50°C, по меньшей мере до 60°C, по меньшей мере до 70°C, по меньшей мере до 75°C, по меньшей мере до 80°C, по меньшей мере до 85°С, по меньшей мере до 90°C, или по меньшей мере до 95°С.
В другом варианте осуществления, технологические процессы модифицируют для того, чтобы проводить их в технологическом оборудовании для жидкостей, которое специально спроектировано для процессов центрифугирования, включающих жидкости. Примером являются центрифуги серии BD фирмы Alfa Laval Centrifuges. <Ref:http:// www.alfalaval.com/products/separation/centrifugal-separators/scparators/BD-series/>. Проведена корректировка вариантов осуществления производства, раскрытых в изобретении, в соответствии с инструкциями изготовителя оборудования и секретами производства, которые приобретет обычный специалист в этой области техники после получения рекомендаций изобретения.
В другом варианте осуществления, используется способ двухступенчатого центрифугирования при любой переработке ферментационного бульона, где масляный продукт физически и химически отделяется от биологического продукта, причем масло не смешивается с биологическим продуктом.
В одном варианте осуществления, способ экстракции питательного масла с использованием двухступенчатого центрифугирования повторяется еще раз. В другом варианте осуществления, способ повторяется еще два раза. В третьем варианте осуществления, способ повторяется три раза.
В некоторых вариантах осуществления выход масла составляет более 88%, 89%, 90%, 91%, 92%, 93%, 94% или 95%.
Хотя различные варианты осуществления изобретения описаны с использованием специальных терминов, устройств и способов, указанное описание приведено только с целью иллюстрации. Использованные выражения скорее являются словами описания, чем ограничения. Следует понимать, что специалисты в этой области техники могут выполнить изменения и вариации, без отклонения от существа или объема настоящего изобретения, которые изложены в следующей ниже формуле изобретения. Кроме того, необходимо понимать, что аспекты различных вариантов осуществления и предпочтительные диапазоны могут чередоваться или полностью, или частично, и/или могут комбинироваться любым способом. Следовательно, существо и объем прилагаемых притязаний не должны ограничиваться описанием предпочтительных вариантов, приведенных в изобретении.
Расчет выхода масла
Выход можно рассчитать двумя методами. Первый метод может быть предпочтительным в производственной среде, в которой при расчете может потребоваться понимание всех потерь, в том числе технологические потери и транспортные потери. Второй метод может быть предпочтительным в лаборатории или в пилотной среде, где основное внимание уделяется потерям способа.
Метод 1. Общий материальный баланс
Доля масла, содержащаяся в потоке продукта из второго центрифугирования, измеряется с помощью стандартных аналитических методов, таких как «Определение метиловых эфиров жирных кислот» (FAME). Найденная доля умножается на всю массу потока продукта. Затем этот результат делят на долю масла в смешанном сырье, которую определяют аналитическими методами, и умножают на всю массу смешанного сырья. Результат умножают на 100, получая значение выхода в %.
Метод 2. Расчет выхода из потерь
Доля масла в тяжелой фазе и в гранулах из первой центрифуги принимается как единственная технологическая потеря. Эту долю масла в тяжелой фазе и в гранулах измеряют с помощью стандартных аналитических методов, таких как FAME. Найденная доля масла в тяжелой фазе из первой центрифуги умножается на всю массу тяжелой фазы. Найденная доля масла в гранулах из первой центрифуги умножается на всю массу гранул. Эти результаты суммируют вместе и делят на долю масла в сырьевом потоке центрифугирования, которую измеряют с помощью стандартных аналитических методов, таких как FAME, умножают на сумму потоков, покидающих первую центрифугу; а именно, легкую фазу, тяжелую фазу, и гранулы. Этот результат представляет собой долю потерь масла в процессе. Это число вычитают из единицы, и результат умножают на 100, получая значение выхода в %.
Примеры
Пример 1
В этом примере описано оборудование установки настоящего изобретения. Следующий пример обозначен AEX-O-753, который приведен в таблице 1. 2400 кг бульона, который представляет собой смесь клеточного материала, масла, воды и других соединений, необходимых для ферментации, и который включает промежуточный эмульсионный слой, помещают в 3000-литровый сосуд, в котором обеспечивается перемешивание, соответствующее получению практически однородной смеси. Из этого сосуда смесь подают в центрифугу с пакетом дисков, используя насос и контур управления потоком. Скорость подачи смеси в центрифугу равна 6 л/мин, и ее регулируют, чтобы разделить смесь на три части: одна часть является тяжелой водной фазой, одна часть представляет собой твёрдые вещества из бункерных гранул, и другая часть является легкой масляной фазой. Соотношение этих фаз: 1 часть легкой фазы/4,5 части тяжелой фазы/0,04 гранул. Разделение в центрифуге регулируется до уставки 10% влаги в легкой фазе, и фактически получается приблизительно 9% влаги в легкой фазе. Приблизительно 95% масла и немного промежуточного слоя содержатся в легкой фазе. Влага в легкой фазе, которая определяется обычным анализом влажности на обработанной шкале анализатора влажности, может регулироваться приблизительно как 10% +/- 3%. Легкая фаза из первого разделения представляет собой смесь приблизительно 85% масла, 9% воды и 6% другой водной смеси.
Эту смесь подают во вторую центрифугу с пакетом дисков. Легкую фазу из этого первогоразделения собирают в 208-литровый барабан (55 галлонов) и подают в 100-литровый сосуд с соответствующим перемешиванием, чтобы обеспечить однородность смеси. Эту смесь из первого разделения разделяют путем второго разделения на две фазы – легкую фазу и тяжелую фазу. Эти фазы представлены в соотношении 72% легкой фазы и 28% тяжелой фазы. Уставка на 2й центрифуге обеспечивает легкую фазу, которая может быть практически чистым маслом, содержащим меньше, чем 1%, или даже меньше, чем 0,5% влаги. Фактическая влажность легкой фазы составляет 0,4%. Тяжелая фаза содержит промежуточный слой эмульсии из исходной смеси и почти всей воды. Кроме того, тяжелая фаза содержит приблизительно 85% масла. Тяжелую фазу из второй центрифуги рециркулируют в следующую партию ферментационного бульона для последующей обработки.
Выход, рассчитанный с учетом потерь с тяжелой фазой в первой центрифуге, составляет 95,5%, с использованием метода 2 для расчета выхода.
Пример 2
В этом примере используется оборудование, описанное в Примере 1 для экстракции питательного масла путем осуществления единственной ступени центрифугирования, или путем проведения двухступенчатого центрифугирования, как предлагается в настоящем изобретении, или путем осуществления одного или нескольких повторов двухступенчатого центрифугирования.
Образцы масла, полученные после проведения указанного выше процесса экстракции масла, сопоставляют, чтобы продемонстрировать преимущества настоящего изобретения.
Образец 1 представляет собой масло с ПНЖК, полученное из ферментационного бульона после проведения единственной ступени центрифугирования. Этот образец представляет сравнительный пример.
Образец 2 является маслом с ПНЖК, полученным из ферментационного бульона после проведения двухступенчатого центрифугирования.
Образец 3 представляет собой масло с ПНЖК, полученное из ферментационного бульона после проведения двухступенчатого центрифугирования с последующим еще одним этапом двухступенчатого центрифугирования. Отброшенную смесь из второй ступени центрифугирования предшествующего этапа двойного центрифугирования добавляют в ферментационный бульон на следующих этапах двойного центрифугирования.
Образец 4 представляет собой масло с ПНЖК, полученное из ферментационного бульона после проведения двухступенчатого центрифугирования и с последующим еще двумя этапами двухступенчатого центрифугирования. Отброшенную смесь из второй ступени центрифугирования предшествующего этапа двойного центрифугирования добавляют в ферментационный бульон на следующих этапах двойного центрифугирования.
Образец 5 является маслом с ПНЖК, полученным из ферментационного бульона после проведения двух ступеней центрифугирования и с последующими еще тремя этапами двухступенчатого центрифугирования. Отброшенную смесь из второй ступени центрифугирования предшествующего этапа двойного центрифугирования добавляют в ферментационный бульон на следующих этапах двойного центрифугирования.
Преимущество способа с использованием двухступенчатого центрифугирования в сравнении с традиционным способом с использованием единственной ступени центрифугирования показано в таблице 1, а также графически на фиг. 2. Образец 1 является сравнительным образцом, который демонстрирует результат для единственной ступени центрифугирования. Продукт тяжелой фазы в образце 1 отбрасывается вместо проведения рециркуляции. Образец 2 демонстрирует выход масла после проведения одного этапа двойного центрифугирования. Образец 3 демонстрирует выход масла после проведения двух этапов двойного центрифугирования. При получении образца 3, продукт тяжелой фазы из первого этапа двойного центрифугирования подвергают рециркуляции в ферментационный бульон, который последовательно обрабатывается на втором этапе двойного центрифугирования.
Данные в таблице 1 демонстрируют, что способ двойного центрифугирования, описанный в настоящем изобретении, приводит к более высокому выходу масла, чем способ с единственным центрифугированием. Кроме того, данные в таблице 1 демонстрируют, что путем рециркуляции смеси тяжелой фазы, полученной при втором центрифугировании в ферментационный бульон, который используется на следующем этапе переработки, дополнительно повышает выход масла.
Дополнительный анализ качества масла не показал различий между образцами 1-5.
Таблица 1. Выход продукта (в %) для сравниваемых образцов
Номеробразца
1 (AEX-O-709)
2 (AEX-0-710)
3 (AEX-O-740)
4 (AEX-О-741)
5 (AEX-О-753)
Этап центрифугирования
1 этап единственногоцентрифугирования
1 этап двойногоцентрифугирования
2 этападвойногоцентрифугирования
3 этападвойногоцентрифугирования
4 этападвойногоцентрифугирования
Выход (%)
87,1
89,8
95,6
93,0
95,5