УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГИДРОЛИЗА КЕРАТИНСОДЕРЖАЩЕГО СЫРЬЯ

Полезная модель относится к химической и биотехнологической отраслям промышленности и может быть использована при переработке вторичного пищевого сырья с применением кавитационных эффектов, в частности для извлечения из него таких полезных ингредиентов как фибриллярные белки.
Известно устройство для гидролиза кератинсодержащего сырья, включающее цилиндрическую емкость, нагреватель, гомогенизатор, загрузочный и разгрузочный патрубки, где емкость установлена вертикально и по высоте разделена на секции многоярусно установленными сетками, каждая из которых снабжена системой наклонных решетчатых щитков [1].
Сырье, например пух и перья птицы, через загрузочный патрубок поступает в емкость. Одновременно в емкость заливают 4%-ный раствор натриевой щелочи в количестве, необходимом для полного гидролиза загруженного сырья. Сырье частично размещается на верхней сетке, а частично на ее щитках. По мере растворения сырья размеры его частиц уменьшаются, и часть сырья проходит через отверстия щитков и сетки и опускаются на нижележащую сетку.
Таким образом, создаются условия как вертикального, так и горизонтального перемешивания частиц сырья, что позволяет смеси свободно циркулировать, не вызывая на сетке образования монолитной массы разбухшего, не полностью растворившегося сырья. На каждой последующей сетке и ее щитках процесс повторяется до тех пор, пока твердая часть сырья не растворится.
Нерастворимые минеральные загрязнения (песок и т. п.) скапливаются в грязесборнике, откуда периодически удаляются, а насыщаемый гидролизат и набухшие мелкие частицы сырья за счет большей плотности опускаются в нижнюю часть емкости, после чего попадают в гомогенизатор. В гомогенизаторе эти частицы полностью разрушаются и переходят в коллоидный раствор.
Жидкая фракция свободно циркулирует в нагревателе и емкости, тем самым поддерживается необходимый тепловой режим гидролиза.
Недостаток устройства заключается в низкой скорости протекания процесса гидролиза из-за отсутствия механического перемешивания и дополнительной физической обработки сырья.
Наиболее близким к заявляемому устройству является экстрактор для растительного сырья, содержащий корпус с патрубком подачи сырья и экстрагента, размещенную в корпусе на приводном валу лопастную мешалку и источник ультразвука, при этом патрубок рециркуляции экстрагента через трубопровод сообщен с корпусом [2].
Такая конструкция устройства позволяет интенсифицировать экстрагирование за счет создания в экстракционной смеси ультразвуковых колебаний.
Недостаток прототипа заключается в малом времени воздействия ультразвука на смесь, что затрудняет обеспечение доступа экстрагента к мельчайшим частицам сырья.
Задача, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, заключается в увеличении продолжительности и площади контакта экстрагента с сырьем.
Поставленная задача решается за счет достижения технического результата, заключающегося в повышении массового выхода продукта.
Данный технический результат достигается за счет того, что устройство для гидролиза кератинсодержащего сырья, содержащее корпус с патрубком подачи сырья и экстрагента, сливной патрубок, размещенную в корпусе на приводном валу лопастную мешалку, источник ультразвука и сборник экстракта, отличающееся тем, что патрубок подачи сырья и экстрагента снабжен цилиндром, коаксиальным валу лопастной мешалки, связанному с приводом, закрепленным на днище корпуса, источник ультразвука установлен на валу выше лопастей мешалки и выполнен в виде магнитострикционного преобразователя, а на одном уровне с ним размещена загрузочная рециркуляционная воронка, соединенная трубопроводом с насосом с оснащенной отборником проб и сливным патрубком с краном накопительной емкостью, которая связана с патрубком загрузки сырья и экстрагента трубопроводом, снабженным задвижкой, управляемой поплавковым регулятором.
Сущность полезной модели поясняется фигурой, на которой изображена общая схема устройства.
Устройство для гидролиза кератинсодержащего сырья содержит корпус 1 с патрубком подачи сырья и экстрагента 2, оснащенным воронкой, патрубок для слива твердых примесей 3, лопастную мешалку 4, размещенную внутри корпуса 1 на приводном валу 5, источник ультразвука 6 и трубопровод рециркуляции экстрагента 7, снабженный насосом 8 и связанный с накопительной емкостью 9. Патрубок подачи сырья и экстрагента 2 снабжен цилиндром 10, коаксиальным валу 5 лопастной мешалки 4, связанному с приводом 11. Размещенный выше лопастной мешалки 4 источник ультразвука 6 выполнен в виде магнитострикционного преобразователя, конструкция которого представляет собой кольцевой слоистый витой сердечник с чередующимися слоями магнитострикционного активного материала, покрывающего внутреннюю и внешнюю поверхности преобразователя, и обмотку возбуждения, тороидально охватывающую сердечник [3]. Принцип работы преобразователя такого типа основан на эффекте магнитострикции, заключающимся в изменении размеров ферромагнитных тел под действием переменного магнитного поля, причем степень деформации различных ферромагнитных материалов зависит от величины его напряженности [4].  На одном уровне с источником ультразвука 6 установлена загрузочная рециркуляционная воронка 12, соединенная трубопроводом 7 с накопительной емкостью 9. Накопительная емкость 9 имеет отборник проб 13, сливной патрубок 14 с краном 15 и сообщается с воронкой патрубка подачи сырья и экстрагента 2 посредством трубопровода 16, оснащенного задвижкой 17, управляемой поплавковым регулятором 18.
Работает устройство следующим образом. Сырье и экстрагент через загрузочный патрубок 2 поступают в корпус 1, и, проходя через цилиндр 10, подвергаются воздействию со стороны источника ультразвука 6. Сырье, предварительно разрушенное кавитацией от ультразвука, дополнительно измельчается и перемешивается под действием лопастной мешалки 4. Мисцеллы белка, образующиеся в результате гидролиза кератинсодержащего сырья, за счет меньшей плотности поднимаются к верхним слоям смеси, где попадают в рециркуляционную воронку 12, откуда по трубопроводу 7 перекачиваются насосом 8 в накопительную емкость 9. Из накопительной емкости 9 через отборник проб 13 периодически производится отбор продукта и определяется концентрация мисцелл белка в растворе. На начальных стадиях процесса рециркуляции смесь из накопительной емкости 9 по трубопроводу 16 поступает в патрубок для загрузки сырья и экстрагента 2 и проходит повторную обработку ультразвуком. Поток смеси, поступающий на повторную обработку через трубопровод 16, регулируется заслонкой 17, управляемой поплавковым регулятором 18. Когда концентрация белка в растворе достигает требуемых значений, оператор открывает кран 15, и обогащенная смесь выгружается через патрубок 14. Твердые остатки кератинсодержащего сырья удаляются из корпуса 1 через сливной патрубок 3.
Процесс рециркуляции смеси кератинсодержащего сырья и экстрагента через воронку 12, трубопроводы 7 и 16 с повторной обработкой ультразвуком от магнитострикционного преобразователя увеличивает продолжительность и площадь контакта экстрагента с сырьем и обеспечивает повышение массового выхода продукта.
При помощи устройства для гидролиза кератинсодержащего сырья, описанного в полезной модели были проведены экспериментальные исследования по получению β-кератина из перо-пуховых отходов птицеперерабатывающего предприятия. Исследовалось влияние использования циркуляции смеси на массовый выход получаемого в процессе гидролиза продукта. Результаты исследования приведены в таблице.
Таблица - Результаты гидролиза при получении β-кератина
Вид обработки перо-пуховых отходов
Массовая доля водопрочных агрегатов (%)
5% раствор KOH
3% раствор KOH
1% раствор KOH
60<sup>o</sup>C
80<sup>o</sup>C
60<sup>o</sup>C
80<sup>o</sup>C
60<sup>o</sup>C
80<sup>o</sup>C
Ультразвуковая обработка (22кГц;1 Вт/см<sup>2</sup>) с циркуляцией смеси (1 ч)
41,8
51,2
61,3
65,4
7,9
9,9
Ультразвуковая обработка (22кГц;1 Вт/см<sup>2</sup>) с циркуляцией смеси (2 ч)
48,6
60,5
74,6
80,3
10,1
14,5
Ультразвуковая обработка (22кГц;1 Вт/см<sup>2</sup>) без циркуляции (2 ч)
42,3
52,1
62,8
66,1
8,2
10,4
Полученные результаты позволяют судить о том, что процесс рециркуляции смеси позволяет быстрее достигнуть большего массового выхода продукта по сравнению с гидролизом без циркуляции смеси сырья и экстрагента.
[1] Авторское свидетельство СССР №455 733, МПК C11B 1/10, Заявка: 1921938/13, от 17.05.1973. Опубликовано: 05.01.1975
[2] Патент РФ №2 127 752,  МПК C11B 1/10, Заявка 97116963/13, от 13.10.1997. Опубликовано: 20.03.1999
[3] Авторское свидетельство СССР №539 384 МПК H04R 15/00, Заявка: 2196017/10 от 08.12.1975. Опубликовано: 15.12.1976
[4] Оськин С. В. О-79 Электротехнологии в сельском хозяйстве: учебник для студентов вузов / С. В. Оськин – Краснодар: КубГАУ, 2016. – 501 с.