БЕЛКОВЫЙ ПЕНООБРАЗОВАТЕЛЬ И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ
PROTEINIC FOAM-PRODUCING AGENT AND METHOD FOR ITS PRODUCTION

Изобретение относится к области производства пористых строительных материалов, в частности к пенообразователям, полученным на основе органических материалов и неорганических промышленных отходов.
Пенообразователи, использующиеся в настоящее время для получения бетонов ячеистой структуры, можно разделить на синтетические и природные (или белковые) [Тарасов А.С, Лесовик B.C., Коломацкий А.С. Гидратация клинкерных минералов и цемента с добавками пенообразователей // Строительные материалы. - 2007. - №4. - С.22-25.; Ружинский С., Портик А., Савиных А. Все о пенобетоне - 2-е изд. улучш. и дополн.: Спб, ООО «СтройБетон». - 2006. - 630 с.]. Пенообразователи белковой природы получают все более широкое распространение, поскольку позволяют формировать наиболее устойчивые пены и предотвращают расслоение пеноцементных систем, что обеспечивает производство ячеистых бетонов пониженной плотности с высокими прочностными характеристиками [Соломатов В.И., Черкасов В.Д., Киселев Е.В. Белковый пенообразователь для ячеистых бетонов // Изв. Вузов. Строительство. - 2000. - №2. - С.31-33]. В качестве сырья в производстве пенообразователей используют отходы мясоперерабатывающей промышленности (боенскую кровь, рога, копыта, кожу животных, перья птиц), зернопродукты (отходы мукомольного производства, муку, фуражное зерно, отруби, соевую муку) и другие протеинсодержащие компоненты.
Общими для известных способов получения пенообразователя на основе протеинового сырья являются операции: гидролиз сырья в присутствии щелочи с получением гидролизного экстракта и стабилизация солью металлов сильной кислоты.
В качестве прототипа принят белковый пенообразователь, включающий протеинсодержащее вещество микробного синтеза, гашеную известь, воду и стабилизирующую добавку в виде раствора соли металла [Патент на изобретение РФ №2141930 С1, 6 C04B 38/10, 24/14, опубл. 27.11.1999 г.]. Получен пенообразователь гидролизом сухого протеинсодержащего вещества микробного синтеза в извести с водой с охлаждением до комнатной температуры, фильтрованием, стабилизацией раствором соли металла и разбавлением водой до необходимой пенообразующей активности.
Недостатками известного решения являются: невозможность утилизации неорганических промышленных отходов в составе щелочного компонента и значительная длительность процесса высокотемпературного гидролиза, которая составляет 2 часа при температуре 95°C, что характеризует процесс получения белкового пенообразователя как высокоэнергоемкий.
Техническая задача, решаемая использованием настоящего изобретения, состоит в разработке дешевого состава и способа получения белкового пенообразователя, позволяющего:
- использовать неорганические промышленные отходы в составе щелочного реагента;
- уменьшить расход энергоемкого сырьевого щелочного компонента - извести гашеной;
- сократить длительность щелочного гидролиза протеинсодержащего вещества микробиологического синтеза, что позволит существенно уменьшить энергозатраты на технологический процесс получения пенообразователя и себестоимость его производства.
Техническим результатом изобретения является разработка состава белкового пенообразователя и способа его получения, характеризующегося пониженным расходом энергоемкого компонента - извести гашеной, использованием в составе щелочного реагента неорганического отхода промышленного производства и незначительной продолжительностью щелочного гидролиза протеинсодержащего вещества микробиологического синтеза в щелочном реагенте, состоящем из извести гашеной и пыли электрофильтров, образующейся при очистке отходящих газов обжиговых печей цементного производства.
Технический результат достигается тем, что белковый пенообразователь для производства пористых строительных материалов включает протеинсодержащее вещество микробиологического синтеза - отработанную биомассу гриба Aspergillus niger производства лимонной кислоты, щелочной реагент, воду и стабилизирующую добавку в виде 15%-ного раствора соли металла. В качестве щелочного реагента содержит смесь извести гашеной и неорганического отхода промышленного производства - пыли электрофильтров, образующейся при очистке отходящих газов обжиговых печей цементного производства, при следующем соотношении компонентов, мас.%: отработанная биомасса гриба Aspergillus niger производства лимонной кислоты - 16, известь гашеная - 2-4, пыль электрофильтров - 0-2, вода - остальное.
В заявляемом способе получения белкового пенообразователя, включающем смешение протеинсодержащего вещества микробиологического синтеза - отработанной биомассы гриба Aspergillus niger производства лимонной кислоты, щелочного реагента, предварительно суспензированного в воде, гидролиз, охлаждение смеси до комнатной температуры, фильтрование, разбавление полученного гидролизата до необходимой пенообразующей активности и стабилизацию раствором соли металла, процесс гидролиза осуществляется в СВЧ-поле с частотой 2450 Гц и мощностью 700 Вт в течение 20 минут.
В отличие от прототипа в заявляемом решении в качестве щелочного реагента используется смесь извести гашеной и неорганического отхода промышленного производства - пыли электрофильтров, образующейся при очистке отходящих газов обжиговых печей цементного производства.
Сопоставимый анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается от известного тем, что гидролиз протеинсодержащего вещества микробиологического синтеза в суспензии щелочного реагента осуществляют с использованием СВЧ-излучения с частотой 2450 Гц и мощностью 700 Вт в течение 20 минут.
Таким образом, оба заявляемых решения соответствуют критерию «новизна».
Известными преимуществами применения СВЧ-излучения для нагрева является малая инерционность и отсутствие градиента температуры в слое жидкости по диаметру сосуда. Использование СВЧ-излучения обусловлено наличием в обрабатываемой смеси диполей - молекул воды и белков. Под действием внешнего переменного электромагнитного поля с частотой 2450 Гц происходит их колебательное движение и переориентация, в результате которых возникают токи проводимости и смещения. Совокупность обоих явлений и обеспечивает нагрев материала. Так как диэлектрические свойства воды примерно в десятки раз выше собственного сухого вещества основных компонентов сырьевой смеси - протеинсодержащего вещества микробиологического синтеза и щелочного реагента, то при СВЧ-облучении с частотой 2450 Гц в первую очередь будет нагреваться вода внутри капилляров используемых материалов, находящаяся на поверхности, и свободная вода.
При обработке СВЧ-энергией белоксодержащих материалов, кроме температурного фактора, наблюдается нетепловое специфическое воздействие на биологически активные объекты, проявляющееся на клеточном и молекулярном уровнях, - происходит активация процессов преобразования (денатурации) сложных биополимеров - молекул белка до простых - аминокислот. Аналогичные преобразования могут быть достигнуты только при их глубокой влаготепловой или специальной сложной химической обработке.
Все белковые пенообразователи представляют собой питательную среду для различного рода микроорганизмов, поэтому в их состав вводят антисептики. СВЧ-излучение обладает стерилизующим эффектом, поэтому его использование для щелочного гидролиза обеспечивает устойчивость получаемого пенообразователя к процессам брожения и стабильность его свойств при длительном хранении в условиях положительных температур (+20°C). Это позволяет отказаться от использования различного рода антисептиков.
Реализация указанных механизмов приводит к тому, что СВЧ-облучение оказывает активационное воздействие на исходные компоненты смеси, существенно увеличивает коэффициент массоотдачи из ядра слоя жидкости к поверхности частиц смеси, содержащих молекулы белка, что обеспечивает повышение скорости и степени разрушения белков и выделения продуктов в раствор. Это позволяет значительно ускорить процессы, сопровождающие гидролиз белков, и является предпосылкой для сокращения продолжительности самого щелочного гидролиза.
При изучении литературных источников аналогичного решения о получении белкового пенообразователя на основе протеинсодержащего сырья, в том числе микробного синтеза, путем гидролиза в присутствии смеси извести гашеной и неорганического отхода - пыли электрофильтров, образующейся при очистке отходящих газов обжиговых печей цементного производства, не выявлено.
В уровне техники заявителем не было найдено источника, где бы упоминалось об осуществлении щелочного гидролиза белоксодержащего сырья в присутствии суспензии щелочного реагента при СВЧ-излучении с частотой 2450 Гц и мощностью 700 Вт в течение 20 минут с целью получения белкового пенообразователя.
Сравнение заявленных решений не только с прототипом, но и другими техническими решениями в данной области техники не выявило в них признаки, отличающие заявленные решения от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «изобретательский уровень».
Характеристики исходных материалов:
1. Протеинсодержащее вещество микробиологического синтеза - отработанная биомасса гриба Aspergillus niger производства лимонной кислоты. Содержание протеина 7%, влажность 70%.
2. Известь гашеная ОАО «Стройматериалы» (г. Белгород) с содержанием активных (CaO+MgO) 84% по ГОСТ 9179.
3. Пыль электрофильтров, образующаяся при очистке отходящих газов обжиговых печей производства цемента, ЗАО «Белгородский цемент» (г. Белгород). Химический состав представлен в табл.1.
4
2
4. Стабилизатор - 15% раствор соли металла: техническое сернокислое семиводное железо (FeSO·7HO), х.ч. по ГОСТ 4148.
5. Вода по ГОСТ 23732.
Способ получения пенообразователя осуществляли следующим образом.
Влажную массу протеинсодержащего вещества микробиологического синтеза - отработанную биомассу гриба Aspergillus niger производства лимонной кислоты смешивали с предварительно суспензированным щелочным реагентом, представляющим смесь извести гашеной и пыли электрофильтров, образующейся при очистке отходящих газов обжиговых печей производства цемента, в следующем соотношении, мас.%: протеинсодержащее вещество : известь гашеная : пыль электрофильтров : вода = 16:(2-4):(0-2) : остальное и перемешивали. Помещали полученную массу в СВЧ-печь и обрабатывали в электромагнитном поле с частотой 2450 Гц и мощностью 700 Вт в течение времени, необходимого для достижения оптимальных значений пенообразующей активности (кратности и стойкости) с последующим охлаждением до комнатной температуры. Оптимальное время обработки сырьевой смеси массой 600 г в электромагнитном поле с частотой 2450 Гц мощностью 700 Вт составляет 20 минут.
4
3
2
4
3
По окончании гидролиза смесь охлаждали до комнатной температуры и фильтровали. Фильтрат разбавляли водой до необходимой концентрации, вводили 15%-ный раствор соли металла (например, FeSO, FeCl, Fe(SO) и др.), в результате чего полученный раствор имел кратность пены 12-19, устойчивость 11-14 часов.
Предпочтительная степень разбавления пенообразователя, т.е. концентрация его рабочего раствора, составляет - 2-4%. Наиболее высокие показатели качества технической пены получены при использовании 2,5%-ного раствора пенообразователя. Кратность пены определяли как отношение объема пены к объему раствора пенообразователя, использованного для ее получения, устойчивость - время, в течение которого объем пены уменьшился в 2 раза. Полученные результаты экспериментальных исследований представлены в табл.2.
Изменение параметров электромагнитного поля СВЧ-излучения при осуществлении щелочного гидролиза в сторону увеличения мощности до 900 Вт, нецелесообразно, т.к. это, хотя и способствует увеличению кратности получаемой пены, но приводит к снижению ее устойчивости.
Таблица 2
Влияние условий проведения щелочного гидролиза с использованием СВЧ-излучения на основные параметры пены
№п/п
Состав сырьевой смеси,мас.%:
Стабилизатор,%,сверх 100%
ПараметрыСВЧ-обработкипри гидролизесмеси
Техническиепараметрыпены
отработанная биомасса гриба Asper-gillus niger производства лимонной кислоты
щелочной реагент
вода
15%р-рFeSo<sub>4</sub>
мощность,Вт
дли-тель-ность,минут
крат-ность,ед.
устой-чивость,час.
гашенаяизвестьСа(ОН)<sub>2</sub>
пыльэлектрофильтров
1
16
4,0
-
80
1,25
500
20
8
13
2
16
4,0
-
80
1,25
700
20
15
13
3
16
4,0
-
80
1,25
900
20
20
2
4
16
3,8
0,2
80
1,25
700
20
19
13
5
16
3,6
0,4
80
1,25
700
20
15
12
6
16
2,8
1,2
80
1,25
700
20
12
12
7
16
2,0
2,0
80
1,25
700
20
12
11
8
16
1,6
2,4
80
1,25
700
20
9
6
Прототип (гидролиз смеси при температуре 95-97<sup>о</sup>С)
24
4,0
-
72
1,25
-
120
10-17
12-14
Этот эффект объясняется с позиции пептидной теории Э. Фишера, согласно которой для получения белковых пен с высокими значениями кратности и стабильности необходимо, чтобы в растворе в результате щелочного гидролиза достигалось определенное равновесие разрушенных и не разрушенных форм белка. Поэтому резкое снижение устойчивости пены говорит о том, что при мощности обработки W=900 Вт в процессе щелочного гидролиза разрушается избыточное количество белков с увеличением содержания конечных продуктов распада белков - аминокислот.
Изменение содержания пыли электрофильтров в составе щелочного реагента в сторону увеличения более 50% является нецелесообразным, так как это приводит к ухудшению основных качеств получаемого пенообразователя и пены на его основе.
Использование предлагаемого способа получения пенообразователя с использованием СВЧ-излучения с частотой 2450 Гц и мощностью 700 Вт в течение 20 минут с последующим охлаждением до комнатной температуры для осуществления процесса гидролиза протеинсодержащего вещества микробиологического синтеза в присутствии щелочного реагента, представляющего смесь извести гашеной и пыли электрофильтров, образующейся при очистке отходящих газов обжиговых печей производства цемента, по сравнению с существующими способами обеспечивает следующие преимущества:
1. Сокращение продолжительности щелочного гидролиза в несколько раз, что существенно снижает энергопотребление и себестоимость производства пенообразователей.
2. Использование неорганических промышленных отходов в составе щелочного компонента, что способствует уменьшению расхода энергоемких материалов, частности, извести гашеной.
3. Снижение вредного воздействия на окружающую среду за счет уменьшения объемов открытого хранения неорганических промышленных отходов - пыли электрофильтров, образующейся при очистке отходящих газов обжиговых печей цементного производства.
4. Устойчивость получаемого пенообразователя к процессам брожения в результате стерилизующего эффекта СВЧ-излучения и исключение использования антисептиков.