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 требует дальнейшего его выделения.
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 через мембрану низкомолекулярный гидролизат (пермеат). (Неклюдов А.Д., Иванкин А.Н. Экологические основы биотехнологических производств. - М.: МГУЛ, 2002, с. 182-183). Отвод гидролизата из зоны реакции сдвигает равновесие реакции гидролиза вправо, способствуя углублению степени гидролиза и повышению тем самым эффективности работы устройства. Недостатком данного устройства является его работа в периодическом режиме, что обусловливает невысокую производительность по потоку пермеата и повышенные трудозатраты на дополнительные операции по загрузке и выгрузке ферментера и промывке ультрафильтрационных мембран.
Наиболее близким аналогом предлагаемого технического решения является устройство, включающее емкостный ферментер со штуцерами для подачи раствора белка и фермента, приспособление для перемешивания в виде механической мешалки и ультрафильтрационную мембрану для отвода продукта гидролиза - пермеата, расположенную в днище ферментера (Комарова Е.В., Марквичев Н.С. Труды МХТИ им. Д.И. Менделеева, 1985. Вып. 135, с. 37-41).
Недостатком данного устройства, использующего механическое перемешивание реакционной смеси, является недостаточно эффективный отвод от поверхности мембраны потока концентрирующегося раствора, что способствует забиванию пор мембраны суспензией фермента и увеличению влияния такого нежелательного эффекта, как концентрационная поляризация поверхности мембраны. Это приводит к необходимости периодического прерывания работы ферментера на промывание мембраны.
Задачей предлагаемого технического решения является повышение эффективности и производительности устройства за счет перевода его в непрерывный режим работы посредством одновременного проведения процесса ультрафильтрации и очистки мембраны, а также за счет регулирования заданной степени гидролиза путем изменения рабочего давления.
Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в устройстве для гидролиза водных растворов белков, включающем емкостной ферментер со штуцерами для подачи раствора белка и фермента, перемешивающее приспособление и ультрафильтрационную мембрану для отвода продукта - гидролизата, расположенную в днище ферментера на дренажной пластине, перемешивающее приспособление выполнено в виде вращающегося барботера, представляющего собой камеру в виде сектора с открытой верхней частью, плотно прижатую верхней частью к дренажной пластине, при этом устройство дополнительно снабжено вентилем для подачи воздуха в барботер и вентилем для регулирования необходимого давления в ферментере.
Техническая сущность предложенного решения заключается в том, что в устройстве для гидролиза водных растворов белков перемешивающее приспособление выполнено в виде вращающегося барботера, представляющего собой камеру с открытой верхней частью, плотно прижатую к дренажной пластине. В камеру барботера подается сжатый воздух, который обеспечивает не только перемешивание суспензии и снижение концентрационной поляризации при вращении барботера, но и очистку ультрафильтрационной мембраны обратным током воздуха. Кроме того, ферментер снабжен вентилем сдувки воздуха для регулирования необходимого давления в ферментере, от величины которого зависит производительность мембраны по пермеату, что влияет на время пребывания реакционной смеси в ферментере и, как следствие, на степень гидролиза белка. Поскольку ультрафильтрация и очистка мембраны протекают одновременно, но на разных ее участках, то в целом ферментер работает в непрерывном режиме.
Принципиальная схема предлагаемого устройства для гидролиза водных растворов белков приведена на фиг. 1.
Устройство для гидролиза водных растворов белков представляет собой ферментер 1 (на схеме показан с теплообменной рубашкой 2 и штуцерами ввода и вывода воды), в котором реализуется ферментный гидролиз раствора белка. Ферментер 1 имеет штуцеры 3 и 4 для подачи суспензии иммобилизованного фермента и раствора белка, штуцеры 5 и 6 для вывода реакционной смеси и пермеата (гидролизата). В крышке ферментера 1 установлен штуцер 7 с вентилем для регулирования давления. Отделение полученного пермеата от реакционной смеси происходит на ультрафильтрационной мембране 8, расположенной в днище ферментера 1 и лежащей на дренажной пластине 9 и зафиксированной сверху жесткой крупноячеистой сеткой 10, которая предохраняет мембрану 8 от механических повреждений, не позволяя ей прогибаться вверх при движении через нее сжатого воздуха. Подача сжатого воздуха в ферментер 1 осуществляется снизу через вращающийся штуцер 11 в камеру барботера 12. Барботер 12, расположенный под мембраной 8 и дренажной пластиной 9, представляет собой вращающуюся камеру в виде сектора с открытой верхней частью, плотно прижатую верхней частью к дренажной пластине 9.
-1
Устройство работает следующим образом. В ферментер 1, работающий при температуре 40-50°C, через штуцеры 3 и 4 подают водную суспензию используемого фермента и 1-5%-ный водный раствор белка, которые имеют необходимое значение pH (в случае нейтральной протеазы pH 7,0-7,2, в случае щелочной протеазы pH 9-10). Суспензия состоит из наночастиц иммобилизованного фермента, заключенных в микрокапсулы из карбоксиметилцеллюлозы размером 100-200 нм. Через штуцер 11 сжатый воздух поступает во вращающуюся камеру барботера 12, плотно прилегающую верхним открытым краем к дренажной пластине 9 и ограничивающую таким образом зону барботажа. В результате этого воздух выходит из камеры барботера 12 и проходит последовательно через находящиеся в этот момент над ней дренажную пластину 9, ультрафильтрационную мембрану 8 и сетку 10, разбивается на пузырьки и барботирует реакционную смесь, поддерживая частицы суспензии во взвешенном состоянии и снижая концентрационную поляризацию в примембранном слое жидкости. Вместе с этим, проходя через мембрану 8, воздух очищает ее, вынося обратно в объем реакционной смеси частицы суспензии, попавшие на поверхность и в поры. Таким образом, при вращении камеры барботера 12 (1-2 мин) зона барботажа перемещается по поверхности мембраны 8. Остальная поверхность мембраны 8 работает в это время в режиме ультрафильтрации. С помощью вентиля на штуцере 7 в зависимости от выбранной глубины гидролиза в ферментере 1 поддерживают избыточное рабочее давление на уровне 0,2-2,0 ат (чем выше давление, тем больше производительность и селективность мембраны 8 по гидролизату). Процесс можно проводить и при атмосферном давлении. Тогда для получения перепада давления на ультрафильтрационной мембране 8 в линии пермеата через штуцер 6 создают необходимый вакуум, соответствующий, например, остаточному давлению 15-40 мм рт.ст. При этом в обоих случаях давление воздуха в барботере 12 должно превышать давление в ферментере 1. По мере необходимости часть реакционной смеси выводится из ферментера 1 через штуцер 5 для замены отработанного фермента на свежий, который поступает через штуцер 3.
Таким образом, эффективность и производительность предлагаемого устройства повышается за счет перевода его в непрерывный режим работы, при котором ультрафильтрация и очистка мембраны проводятся одновременно и последовательно на разных участках ее поверхности, а регулирование заданной степени гидролиза реализуется путем изменения рабочего давления.