Спосіб обробки сильнокислого гідрофузу

Винахід відноситься до масложирової промисловості.

В даний час технологія рафінації рослинних олій у вітчизняній та зарубіжній практиці реалізується шляхом видалення з олій супутніх їм речовин.
Існують різні способи очищення або рафінування олії: фізичні (відстоювання, центрифугування, фільтрування), хімічні (гідратація, лужна рафінація та ін.) та фізико-хімічні (відбілювання, дезодорація та ін.).
Гідратаційний фуз, відомий під назвою «гідрофуз», утворюється на маслозаводах як вторинний побічний продукт у процесі хімічної гідролізної очистки різних видів рослинних олій. Так, при виробництві олії виходить соняшниковий гідрофуз. При цьому в залежності від технології рафінації олії одержуваний у вигляді відходів гідрофуз може характеризуватись широким діапазоном зміни водневого показника pHгф від 3,2 до 6,5 одиниць. Технологія переробки гідрофузу може суттєво залежати від величини параметра pHгф і особливо від його співвідношення з величиною ізоелектричної точки білків (pHіз), присутніх у гідрофузі. У зв'язку з цим за величиною водневого показника гідрофузи можна розділити на три групи (категорії): сильнокислий при pHгф<3,7, кислий при pHгф≥3,7÷≤5,0 і слабокислий при pHгф>5,0.
Відомий спосіб отримання концентрату фосфоліпідів, в якому проводять екстракцію фосфоліпідів з гідрофузу зрідженими газами ряду вуглеводнів, їх фтор- і хлорпохідними при підвищеній температурі та зниженому тиску.

Недоліком відомого способу є використання вуглеводнів, а також їх фтор- і хлорпохідних, що негативно впливає на якісні показники фосфоліпідів, значно здорожує їх виробництво і створює екологічні проблеми подальшої утилізації відходів виробництва.

Якісний гідрофуз можна придбати тут.

Відомий спосіб отримання харчового емульгатора з гідраційного осаду рослинних олій, в якому обробка гідрофузу проводиться етиловим спиртом, а відділення фосфатидного концентрату шляхом осадження та сушіння.
Недоліком цього способу є використання дефіцитного харчового етилового спирту, його підвищена пожежна небезпека та необхідність регенерації.

Відомий спосіб переробки відстою рослинної олії (гідрофуза, фуза), що включає його поділ на олію та осад за допомогою гідромеханізації та гравітації з використанням активатора. Процес переробки здійснюється в такий спосіб. Гідрофуз нагрівають до температури не більше 60°C вище за температуру згортання немасляної щільної частини, вводять в нього 15÷50% від маси гідрофузу, нагрітого до такої ж температури, активатор у вигляді 0,4÷2,6%-ного водного розчину солей лужних та/або лужноземельних металів, цукрів, перемішують компоненти 5-50 хв, розділяють сумішесь на масло і осад відстоюванням суміші протягом 3÷25 год, відводять з верхніх шарів масло, підрозділяють його за якістю на харчове та нехарчове, харчове використовують за призначенням, нехарчове переробляють на оліфу, а осад вводять 0,05÷0,5 % від маси осаду антиоксидант і 0,05÷2,0% від маси осаду антисептик і використовують як кормову добавку тваринам.

До недоліків цього способу можна віднести труднощі обробки сильнокислого гідрофузу активатором у вигляді водного розчину солей лужних та/або лужноземельних металів, що може призвести до омилення системи.
Залежно від співвідношення параметрів pHгф і pHз технологія обробки гідрофузу суттєво змінюється. У даній заявці розглядається можливість обробки сильнокислого гідрофузу (pHгф<3,7), коли параметр pHгф істотно нижче pHіз і для приведення параметра pHгф у відповідність з pHіз в принципі можна застосовувати як активатор католіт. Однак у цьому випадку потрібна велика кількість католіту (в рази перевищує обсяг гідрофузу), що економічно стає нерентабельним. У разі застосування лужних реагентів (концентрованого лугу, соди, вапна) відбувається залужування гідрофузу та його омилення, так як ці реагенти вступають у реакцію з вільними жирними кислотами і утворюються різні мила, що перешкоджають поділу гідрофузу на його складові.
Технічним результатом є спрощення процесу обробки, підвищення ефективності вилучення фосфатидів з гідрофузу, зменшення енерговитрат, а також покращення екології виробництва та навколишнього середовища за рахунок виключення хімічних реагентів – неорганічних кислот та лугів. Технічний результат досягається тим, що в способі обробки сильнокислого гідрофузу, що включає його поділ на олію, воду і фосфатидний концентрат з використанням активатора, згідно винаходу, попередньо визначають об'єм гідрофуза, водневий показник гідрофуза та ізоелектричну точку білків вихідного гідрофузу, потім нагрівають гідрофуз до температури 85 -90°C, якщо pH гідрофуза становить <3,7, то нагрітий гідрофуз вводять при одночасному перемішуванні в ємність з активатором, як який використовують буферну суміш з фіксованим водневим показником на 0,09-0,1 одиниці нижче ізоелектричної точки білків гідрофузу та об'ємом у 40-50 разів менше обсягу вихідного гідрофузу.
Новизна пропозиції полягає в тому, що знайдено комплексне рішення щодо безвідходного використання сильнокислого гідрофузу з більш ефективним вилученням з нього фосфатидів при низьких енерговитратах і без застосування лужних реагентів.
За даними науково-технічної та патентної літератури не виявлена аналогічна заявляється сукупність ознак, що дозволяє отримати технічний результат, який раніше не досягався відомими засобами, що дозволяє судити про винахідницький рівень пропозиції.
Запропоноване технічне рішення відповідає критерію «промислова застосовність», оскільки відтворюване і у виконанні доступне і може бути використане для обробки сильнокислого гідрофузу.
Пропонований спосіб зневоднення фосфоліпідів заснований на наступному механізмі взаємодії фосфоліпідів з білками та буферним розчином.
У соняшниковому гидрофузе містяться переважно гидрофильные, водорозчинні глобулярні білки, мають глобулярну структуру, і навіть частково чи повністю гидрофобные мембранні білки, що у мембранах. Гідрофільність та водорозчинність білків пов'язана з наявністю у структурі їх молекул гідрофільних полярних - заряджених та незаряджених груп у складі амінокислот. Ці групи залучають диполі води. Таким чином, навколо молекули білка утворюється водна оболонка, яка утримує білкову молекулу в розчині. Глобулярні білки складаються з одного поліпептидного ланцюга або кількох, щільно згорнутих за рахунок нековалентних та ковалентних зв'язків у компактну частинку – глобулу. Майже всі їхні полярні групи знаходяться на поверхні молекули та гідратовані, гідрофобні групи знаходяться усередині молекули. Амінокислоти є біполярні іони. Значення pH середовища, при якому встановлюється рівність їх позитивних і негативних зарядів, називається ізоелектричною точкою (ІЕТ) В изоэлектрической точці амінокислоти електрично нейтральні і тому білки у такому стані швидко випадають осад.
Виявляючи позитивний заряд у кислому середовищі, вільні білки (неструктуровані у фосфоліпідних мембранах) за рахунок електростатичного тяжіння утворюють білкову гідратовану оболонку навколо негативно заряджених фосфатних груп фосфоліпідних агрегатів (міцел), сприяючи стійкості їх емульсій. Саме ці білкові речовини, втрачаючи заряд в ізоелектричному стані, втрачають здатність емульгувати фосфоліпіди і випадають з ними в осад, утворюючи концентрат фосфатидний. Досягнення такого стану білків у гі

на олію та осад відстоюванням суміші протягом 3÷25 год, відводять з верхніх шарів масло, підрозділяють його за якістю на харчове та нехарчове, харчове використовують за призначенням, нехарчове переробляють на оліфу, а осад вводять 0,05÷0,5 % від маси осаду антиоксидант і 0,05÷2,0% від маси осаду антисептик і використовують як кормову добавку тваринам.
До недоліків цього способу можна віднести труднощі обробки сильнокислого гідрофузу активатором у вигляді водного розчину солей лужних та/або лужноземельних металів, що може призвести до омилення системи.
Залежно від співвідношення параметрів pHгф і pHз технологія обробки гідрофузу суттєво змінюється. У даній заявці розглядається можливість обробки сильнокислого гідрофузу (pHгф<3,7), коли параметр pHгф істотно нижче pHіз і для приведення параметра pHгф у відповідність з pHіз в принципі можна застосовувати як активатор католіт. Однак у цьому випадку потрібна велика кількість католіту (в рази перевищує обсяг гідрофузу), що економічно стає нерентабельним. У разі застосування лужних реагентів (концентрованого лугу, соди, вапна) відбувається залужування гідрофузу та його омилення, так як ці реагенти вступають у реакцію з вільними жирними кислотами і утворюються різні мила, що перешкоджають поділу гідрофузу на його складові.
Технічним результатом є спрощення процесу обробки, підвищення ефективності вилучення фосфатидів з гідрофузу, зменшення енерговитрат, а також покращення екології виробництва та навколишнього середовища за рахунок виключення хімічних реагентів – неорганічних кислот та лугів. Технічний результат досягається тим, що в способі обробки сильнокислого гідрофузу, що включає його поділ на олію, воду і фосфатидний концентрат з використанням активатора, згідно винаходу, попередньо визначають об'єм гідрофуза, водневий показник гідрофуза та ізоелектричну точку білків вихідного гідрофузу, потім нагрівають гідрофуз до температури 85 -90°C, якщо pH гідрофуза становить <3,7, то нагрітий гідрофуз вводять при одночасному перемішуванні в ємність з активатором, як який використовують буферну суміш з фіксованим водневим показником на 0,09-0,1 одиниці нижче ізоелектричної точки білків гідрофузу та об'ємом у 40-50 разів менше обсягу вихідного гідрофузу.
Новизна пропозиції полягає в тому, що знайдено комплексне рішення щодо безвідходного використання сильнокислого гідрофузу з більш ефективним вилученням з нього фосфатидів при низьких енерговитратах і без застосування лужних реагентів.
За даними науково-технічної та патентної літератури не виявлена аналогічна заявляється сукупність ознак, що дозволяє отримати технічний результат, який раніше не досягався відомими засобами, що дозволяє судити про винахідницький рівень пропозиції.
Запропоноване технічне рішення відповідає критерію «промислова застосовність», оскільки відтворюване і у виконанні доступне і може бути використане для обробки сильнокислого гідрофузу.
Пропонований спосіб зневоднення фосфоліпідів заснований на наступному механізмі взаємодії фосфоліпідів з білками та буферним розчином.
У соняшниковому гидрофузе містяться переважно гидрофильные, водорозчинні глобулярні білки, мають глобулярну структуру, і навіть частково чи повністю гидрофобные мембранні білки, що у мембранах. Гідрофільність та водорозчинність білків пов'язана з наявністю у структурі їх молекул гідрофільних полярних - заряджених та незаряджених груп у складі амінокислот. Ці групи залучають диполі води. Таким чином, навколо молекули білка утворюється водна оболонка, яка утримує білкову молекулу в розчині. Глобулярні білки складаються з одного поліпептидного ланцюга або кількох, щільно згорнутих за рахунок нековалентних та ковалентних зв'язків у компактну частинку – глобулу. Майже всі їхні полярні групи знаходяться на поверхні молекули та гідратовані, гідрофобні групи знаходяться усередині молекули. Амінокислоти є біполярні іони. Значення pH середовища, при якому встановлюється рівність їх позитивних і негативних зарядів, називається ізоелектричною точкою (ІЕТ) (В.Г. Щербаков, В.Г. Лобанов та ін. , 2009, с.76). В изоэлектрической точці амінокислоти електрично нейтральні і тому білки у такому стані швидко випадають осад.
Виявляючи позитивний заряд у кислому середовищі, вільні білки (неструктуровані у фосфоліпідних мембранах) за рахунок електростатичного тяжіння утворюють білкову гідратовану оболонку навколо негативно заряджених фосфатних груп фосфоліпідних агрегатів (міцел), сприяючи стійкості їх емульсій. Саме ці білкові речовини, втрачаючи заряд в ізоелектричному стані, втрачають здатність емульгувати фосфоліпіди і випадають з ними в осад, утворюючи концентрат фосфатидний. Досягнення такого стану білків у гідрофузі можливо шляхом використання буферної суміші.

Як показує досвід, розбавлені розчини сильних кислот і основ, що володіють слабокислою і слаболужною реакцією, характеризуються непостійністю pH. Однак суміш, наприклад, оцтової кислоти та її солі CH3COONa має здатність зберігати сталість pH. Можна до цієї суміші додати невелику кількість кислоти або лугу, а також розбавити її, але pH розчину майже не зміниться. Така властивість розчинів зберігати певне значення pH називається буферною дією. Розчини, що мають буферну дію, отримали назву буферних розчинів або буферних сумішей. Буферні розчини бувають переважно двох типів. Вони можуть складатися зі слабкої кислоти та її гідролітично лужної солі або слабкої основи та гідролітично кислої солі цієї основи.
Сутність буферної дії суміші слабкої кислоти з її сіллю можна розглянути на прикладі буферного ацетатного розчину CH3COOH+CH3COONa.
У цьому розчині відбуваються наступні реакції електролітичної дисоціації

Оскільки ступінь дисоціації кислоти дуже мала, у розчині переважають її недисоційовані молекули. Ацетат натрію, будучи сильним електролітом, повністю дисоціює на іони CH3COO- і Na+. Таким чином, в ацетатній буферній суміші присутність у великій кількості аніонів CH3COO-зміщує рівновагу при дисоціації оцтової кислоти у бік утворення її молекул, причому дисоціація оцтової кислоти може бути настільки пригніченою, що кислоту можна вважати практично недисоційованою. Внаслідок цього активна кислотність суміші дуже мала. Додавання кислоти або лугу до ацетатної суміші не викликає суттєвої зміни концентрації водневих іонів у розчині. Так, при додаванні соляної кислоти до ацетатного буфера відбувається реакція обмінного розкладання з одним із компонентів суміші (CH3COONa)

Як бачимо, сильна кислота внаслідок цієї реакції замінюється еквівалентною кількістю слабкої кислоти. Відповідно до закону Оствальда збільшення концентрації оцтової кислоти знижує ступінь її дисоціації, внаслідок чого концентрація іонів водню в буферному розчині збільшується дуже незначно.
Також трохи змінюється pH буферного розчину при додаванні до нього невеликої кількості лугу. При цьому луг реагує з оцтовою кислотою (реакція нейтралізації), внаслідок чого гідроксид-іони зв'язуються з іонами водню з утворенням молекул води.

У кінцевому підсумку цієї реакції додається луг замінюється еквівалентною кількістю слабоосновной солі, яка впливає на реакцію середовища значно меншою мірою, ніж NaOH. Оскільки в результаті цієї реакції оцтова кислота витрачається, можна очікувати значного зниження вмісту іонів H+. Однак замість іонів, що прореагували, кислоти H+ і CH3COO- за рахунок потенційної кислотності утворюються нові іони H+ і CH3COO-, і активна кислотність суміші (pH) майже не змінюється.
Як показує досвід, кожна з буферних сумішей характеризується певною концентрацією водневих іонів, яку буферна система прагне зберігати при додаванні до неї кислоти або лугу.
Залежно від співвідношення компонентів, що входять до складу ацетатного буфера, можна приготувати розчини з pH в межах від 3,7 до 5,6. На практиці зазвичай користуються готовими таблицями, в яких зазначено, у яких співвідношеннях мають бути взяті компоненти буферних сумішей для отримання буферних розчинів з бажаним значенням pH. Наприклад, у таблиці №1 наведено співвідношення компонентів для ацетатного буферного розчину.

Оскільки константа електролітичної дисоціації при цих умовах стала, pH буферного розчину залежатиме тільки від відношення концентрацій кислоти (або основи) і солі, взятих для приготування буферної суміші, і не залежить від абсолютного значення цих концентрацій. Тому при розведенні буферних розчинів концентрація водневих іонів (рн) повинна залишатися незмінною. Досвід показує, що навіть значне розведення буферних розчинів у 10-20 разів і більш мало відбивається на їхньому рН (таблиця №2).

Як видно з даних таблиці №2, величина pH буфера змінюється незначно, незважаючи на сильне розведення розчину. Так, при 100-кратному розведенні параметр pH змінюється на 0,12 одиниць, а при 10-кратному - лише на 0,05. З цієї пропорції випливає, що при 50-кратному розведенні буфера параметр pH може змінитися на 0,09-0,1. Це дає підставу як активатор використовувати буферну суміш об'ємом в 40-50 разів менше об'єму гідрофузу і з водневим показником на 0,09-0,1 одиниці нижче ізоелектричної точки білків гідрофузу.
При здійсненні способу насамперед визначається обсяг гідрофузу, необхідний для оцінки кількості буферної суміші, що готується, виходячи з умови 40-50-кратного її розведення.
Кількісна оцінка водневого показника гідрофузу pHгф необхідна для визначення ступеня його кислотності, що дозволить вибирати оптимальну технологію його переробки та спростити процес обробки.
Експериментальне визначення ізоелектричної точки білків гідрофузу pHіз необхідно для приготування буферної суміші з параметром pH на 0,09-0,1 одиниці менше, ніж pHіз, т.к. при розведенні буферної суміші в 40-50 разів її pH збільшується на 0,09-0,1 одиниці, що дозволить підвищити ефективність вилучення фосфатидів з гідрофузу.
Попереднє нагрівання гідрофузу до 85-90°C перед введенням в ємність з активатором необхідне для активного протікання хімічних реакцій гідрофузу з буферним розчином відразу в момент їх змішування. Це дає можливість зберігати практично на незмінному рівні водневий показник буферного розчину і доводити водневий показник суміші буферного розчину з гідрофуз до рівня водневого показника буферного розчину, що дозволяє підвищити ефективність вилучення фосфатидів з гідрофузу.
Спосіб обробки сильнокислого гідрофузу здійснюється наступним чином.
Для отриманої партії гідрофузу попередньо визначають обсягом гідрофузу (Vгф), водневий показник вихідного гідрофузу (pHгф), изоэлектрическую точку його білків (pHіз) і у разі високої кислотності гідрофузу (pHгф<3,7) як активатор використовують буферну суміш об'ємом 40- 50 разів менше обсягу гідрофузу і з водневим показником на 0,09-0,1 одиниці нижче ізоелектричної точки білків гідрофузу, заливають буферну суміш у велику ємність, після нагрівання гідрофузу до 85-90°C в реакторі продукт рівномірно переливають у ємність з буферною сумішшю при одночасному перемішуванні розчину.

Ефективність способу підтверджується даними, описаними в наведених нижче прикладах.
Приклад 1. Вихідна партія гідрофузу об'ємом 9,2 м3 характеризувалася параметром pHгф 3,2 та ізоелектричною точкою його білків pHз=4,1. Для досягнення бажаного ефекту поділу гідрофузу, виходячи з 40-кратного розведення буферної суміші та підвищення її pH на 0,1, приготували 230 л буферної ацетатної суміші з параметром pHсм=4,0 при використанні 189 л 0,2 н. розчину CH3COOH та 41 л 0,2 н. розчину CH3COONa (співвідношення компонентів відповідно до таблиці №1) і залили її в ємність об'ємом 20 м3. Після нагрівання гідрофузу до 85°C в реакторі продукт рівномірно перекачали в ємність з буферною сумішшю при одночасному перемішуванні розчину, в якій після відстою протягом 3 годин почалося поділ гідрофузу.
Приклад 2. Вихідна партія гідрофузу об'ємом 8,7 м3 характеризувалася параметром pHгф 3,4 та ізоелектричною точкою його білків pHз=4,1. Для досягнення бажаного ефекту поділу гідрофузу, виходячи з 40-кратного розведення буферної суміші та підвищення її pH на 0,1, приготували 217 л буферної ацетатної суміші з параметром pHсм=4,0 при використанні 178 л 0,2 н. розчину CH3COOH та 39 л 0,2 н. розчину CH3COONa (співвідношення компонентів відповідно до таблиці №1) і залили її в ємність об'ємом 20 м3. Після нагрівання гідрофузу до 85°C в реакторі продукт рівномірно перекачали в ємність з буферною сумішшю при одночасному перемішуванні розчину, в якій після відстою протягом 2,5 годин почалося поділ гідрофузу.
Приклад 3. Вихідна партія гідрофузу об'ємом 9,6 м3 характеризувалася параметром pHгф 3,5 та ізоелектричною точкою його білків pHз=4,1. Для досягнення бажаного ефекту поділу гідрофузу, виходячи з 40-кратного розведення буферної суміші та підвищення її pH на 0,1, приготували 240 л буферної ацетатної суміші з параметром pHсм=4,0 при використанні 197 л 0,2 н. розчину CH3COOH та 43 л 0,2 н. розчину CH3COONa (співвідношення компонентів відповідно до таблиці №1) і залили її в ємність об'ємом 20 м3. Після нагрівання гідрофузу до 90°C в реакторі продукт рівномірно перекачали в ємність з буферною сумішшю при одночасному перемішуванні розчину, в якій після відстою протягом 3,5 годин почалося поділ гідрофузу.
Застосування даного способу дозволяє підвищити ефективність вилучення фосфатидів із сильнокислого гідрофузу, зменшити енерговитрати, а також покращити екологію виробництва та навколишнього середовища за рахунок виключення хімічних реагентів - неорганічних кислот та лугів.