Крупичёва Александра Николаевна

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ИММОБИЛИЗОВАННОГО БИОСОРБЕНТА ИЗ ПИВОВАРЕННЫХ ДРОЖЖЕЙ ДЛЯ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССА БРОЖЕНИЯ

Специальность 05.18.07 – Биотехнология пищевых продуктов

(пивобезалкогольная, спиртовая и винодельческая промышленности)

А В Т О Р Е Ф Е Р А Т

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2006 год

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет пищевых производств» на кафедре «Процессы ферментации и промышленного биокатализа»

Научный руководитель:	доктор технических наук, доцент Карпенко Дмитрий Валерьевич
Официальные оппоненты:	доктор технических наук, профессор Щербаков Сергей Сергеевич
	кандидат технических наук Гусов Марат Эльбрусович
Ведущая организация:	Московский Государственный Университет технологий и управления

Защита состоится «28» декабря 2006 года в 15.00 часов в ауд. III-101 на заседании Диссертационного Совета Д.212.148.04 при ГОУ ВПО «Московский государственный университет пищевых производств» по адресу: 125080, Москва, Волоколамское ш., 11.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО МГУПП.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью учреждения, просим направлять по адресу: 125080, Москва, Волоколамское шоссе, д.11, МГУПП, учёному секретарю Совета.

Автореферат разослан «___» ноября 2006г.

Ученый секретарь

Диссертационного Совета, д.т.н., доц.

Крюкова Е.В.

Общая характеристика работы

Актуальность работы. В настоящее время успех производства пищевых продуктов, в том числе, и напитков брожения зависит от учета ряда факторов: качества готовой продукции, экологичности и технологичности производственных процессов. Решению этой задачи может способствовать применение, в дополнение к классической технологии, новых, высокоэффективных вспомогательных материалов. Одними из них являются сорбирующие препараты биологического происхождения, целесообразность использования которых для решения широкого спектра задач убедительно доказана.

В большинстве случаев такие препараты являются порошкообразными или мелкодисперсными, что может ограничить область их применения. Устранить этот недостаток можно за счет получения гранулированных, механически или химически, форм биосорбентов. При сохранении сорбционной способности на удовлетворительном уровне такие препараты могут использоваться многократно или в проточном режиме, что особенно актуально в связи с переходом целых производств или отдельных стадий на непрерывные рабочие циклы.

Цели и задачи исследования. Целью наших исследований являлась разработка способа получения иммобилизованного сорбирующего препарата на основе порошкообразного биосорбента дрожжевой природы «ОД-2» и установление возможных областей его применения в бродильных и других пищевых производствах.

Для реализации поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

- изучить современные методы, применяемые для иммобилизации различных биологических объектов, определить их пригодность для достижения цели исследований;

- разработать способ иммобилизации дрожжевого биосорбента, обеспечивающий получение препарата с высокими механическими и сорбционными характеристиками;

- выявить параметры, влияющие на эффективность применения иммобилизованного биосорбента в бродильных производствах и установить их оптимальные значения;

- изучить характеристики полученного разработанным способом иммобилизованного препарата;

- разработать способы применения иммобилизованного биосорбента «ОД-2» для интенсификации технологических процессов на ключевых стадиях пивоваренного производства;

- определить качественные характеристики готового пива, полученного с применением иммобилизованного препарата и сопоставить их с аналогичными у пива, произведенного обычным способом.

Научная новизна работы.

Впервые проведена иммобилизация сорбирующего препарата дрожжевой природы путем поперечной сшивки его частиц.

Изучено влияние предложенного способа иммобилизации на основные характеристики полученного сорбирующего препарата дрожжевой природы.

Установлена зависимость сорбционной способности иммобилизованного препарата «ОД-2» от ряда условий: концентрации удаляемого компонента в обрабатываемом растворе, дозировки иммобилизованного биосорбента, продолжительности и температуры обработки, скорости подачи обрабатываемого раствора.

Впервые установлено влияние обработки иммобилизованным биосорбентом «ОД-2» технологической воды, используемой на стадии затирания, на улучшение состава пивного сусла.

Впервые выявлено интенсифицирующее влияние обработки пивного сусла иммобилизованным биосорбентом «ОД-2» на накопление этанола.

Практическая значимость.

Разработан эффективный способ иммобилизации микробных клеток или их оболочек на основе поперечной сшивки, не требующий использования носителя.

Установлена эффективность применения иммобилизованного биосорбента для решения различных технологических задач в различных режимах: периодическом полупериодическом, непрерывном.

Доказана возможность улучшения результатов стадии затирания за счет обработки технологической воды иммобилизованным биосорбентом «ОД-2» в непрерывном проточном режиме.

Применение иммобилизованного препарата «ОД-2» позволяет интенсифицировать сбраживание пивного сусла при сохранении или улучшении аналитических и органолептических характеристик готового пива.

Рассчитана экономическая эффективность от применения иммобилизованного биосорбента для обработки пивного сусла, которая составит 3137,8 тыс. руб. на 1 млн. дал. пива (условно-годовая экономия 10323,37 тыс. руб.).

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы представлены на Научно-технической конференции «Молодые ученые - пищевым и перерабатывающим отраслям АПК (технологические аспекты производства)», 13 – 14 декабря 2000 г, Москва, МГУПП; Юбилейной международной научно-практической конференции «Пищевые продукты XXI века», Москва, МГУПП, 21 – 23 ноября 2001 г; Всероссийской научно-технической конференции-выставке «Качество и безопасность продуктов питания», МГУПП, Москва, 18 – 19 декабря 2002 г.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 9 печатных работ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, выводов, списка использованной литературы, включающего 138 источников, и 4 приложения. Работа изложена на 149 страницах машинописного текста, включая 45 таблиц и 13 рисунков.

Краткое содержание работы.

1. Введение.

Во введении определена актуальность выбранной темы и отражены основные задачи научного исследования.

2. Обзор литературы.

В обзоре литературы проанализированы данные, накопленные при изучении иммобилизованных биообъектов, и результаты, к которым приводит иммобилизация таких объектов. Приведены методы иммобилизации различных биологических объектов. Рассмотрены основные характеристики, преимущества и недостатки методик и способов иммобилизации. Обосновано направление исследований данной работы.

3. Экспериментальная часть.

3.1. Материалы и методы.

В работе использовали суспензию остаточных пивоваренных дрожжей и производственное пивное сусло.

При выполнении аналитических исследований применяли общепринятые физико-химические и микробиологические методы анализа, описанные в специальной научно-технической и отраслевой литературе. Физико-химические показатели пивного сусла и пива определяли: содержание этилового спирта – с помощью ускоренного метода определения спирта; концентрацию ионов железа в обрабатываемом растворе – методом определения ионов железа (III) с салициловой кислотой; содержание ионов кальция (II) по методу с трилоном Б; содержание аминного азота – по числу карбоксильных групп аминокислот и пептидов в водно-спиртовом растворе; влажность – методом доведения до постоянной массы; содержание редуцирующих веществ по методу с использованием калия железосинеродистого; сухих веществ – рефрактометрическим или пикнометрическим способом; временную жесткость – титрованием исследуемого раствора раствором соляной кислоты в присутствии индикатора метилоранжа.

3.2. Результаты исследований и их обсуждение.

3.2.1. Разработка способа получения иммобилизованного препарата на основе клеточных стенок пивных дрожжей “ОД - 2”.

При выборе способа иммобилизации из обнаруженных в научной литературе предпочтение отдавалось методам, которые могли бы быть реализованы с наименьшими затратами. Апробирование методов физической иммобилизации показало, что они не обеспечивают достаточно прочного соединения частиц порошкообразного биосорбента. Был также проверен ряд методов химической иммобилизации: с использованием карбамида и карбамида совместно с формальдегидом. При их реализации не удавалось получить частиц с высокой механической прочностью или сорбционной способностью, хотя отработка параметров получения таких иммобилизованных препаратов позволила несколько улучшить их технологические характеристики.

Наилучшими механическими свойствами и сорбционной способностью обладал иммобилизованный препарат, полученный при использовании 40%-го раствора формальдегида, 5%-го раствора карбамида и порошкообразного препарата “ОД-2” в соотношении 2 (объём) : 4 (объём) : 1 (вес) соответственно.

Кроме того, на данном этапе исследований был сконструирован набор лабораторных грануляторов, позволяющих получать иммобилизованный препарата в виде гранул фиксированных формы и размера.

Была изучена зависимость сорбционной способности иммобилизованного препарата «ОД-2» от ряда факторов: «степени нагрузки», механического воздействия, продолжительности гидратации, формы и размера частиц, режимов обработки, дозировки, концентрации обрабатываемого раствора.

В результате сорбционная способность иммобилизованного препарата составила около 30% от той, которой обладал порошкообразный биосорбент.

Безусловно, такое падение необходимо признать значительным, но, с нашей точки зрения, в результате предложенного метода иммобилизации сохраняется удовлетворительная сорбционная способность гранулированного препарата. Это позволило перейти к изучению результатов применения такого препарата.

3.2.2. Применение препаратов “ОД - 2” для обработки пивного сусла в непрерывном режиме.

Результаты, полученные на предыдущих этапах нашей работы позволили перейти к апробированию иммобилизованного биосорбента как средства, интенсифицирующего спиртовое брожение в пивоварении.

Через препарат пропускали воду, затем выдерживали гранулы биосорбента под слоем воды в течение 15 – 18 часов. После этого препарат использовали для обработки начального сусла в непрерывном режиме.

Использовали темное производственное пивное сусло (14,5% с.в.), которое обрабатывали различными способами. Вариант 1: сусло пропустили через колонку, заполненную 1,25 г иммобилизованного препарата ”ОД-2”, со скоростью 4 см³/мин. Вариант 2: к суслу добавили навеску (0,3 г) порошкообразного биосорбента «ОД-2». Вариант 3: сусло, не контактировавшее с какой-либо разновидностью препарата «ОД-2». К суслу всех вариантов добавили по 2 см³ густой суспензии производственных дрожжей. Брожение вели в течение 7 суток при температуре 8-10^ОС. Во всех вариантах определили содержание этанола. Полученные образцы молодого пива дображивали в течение 21 суток при температуре 1 – 2^ОС. Результаты представлены в табл. 1.

Обработка сусла иммобилизованным биосорбентом в проточном режиме позволила накопить в молодом пиве на 0,89% об., а в готовом нефильтрованном пиве на 1,52% об. этилового спирта больше, чем в контроле, то есть примерно на 13 и 14%, соответственно. Это меньше, чем в случае внесения в сусло порошкообразного препарата «ОД-2», обеспечившего прирост этанола как в молодом так и в готовом нефильтрованном пиве, равный 16 %, по сравнению с контрольным вариантом. Тем не менее, степень интенсификации процесса брожения оказалась сопоставимой, а применение ИП «ОД-2» может обеспечить

Таблица 1.

Влияние препаратов “ОД-2” на результаты главного брожения

и дображивания пивного сусла

Вариант	Состав	Содержание спирта, %
		в молодом пиве	в готовом пиве
1	1,25 г (обработанного водой) ИП ”ОД-2” + 200 см³ сусла	4,01	5,58
2	0,3 г порошкообразного препарата “ОД - 2” + 200 см³ сусла	5,03	6,59
3 (К)	200 см³ сусла	3,12	4,06

экономический эффект прежде всего за счет сокращения продолжительности как

главного брожения так и дображивания.

С нашей точки зрения, полученные результаты доказывают перспективность использования иммобилизованного биосорбента «ОД-2» в производстве пива.

3.2.3. Результаты иммобилизации хлебопекарных дрожжей с использованием различных сшивающих реагентов.

На предыдущем этапе нашей работы была установлена возможность получения иммобилизованного биосорбента дрожжевой природы за счет химической «сшивки» частиц препарата. Используемый при этом формальдегид является веществом с высокой токсичностью, в том числе, для микроорганизмов. Удаление «вымываемого» формальдегида из состава ИП «ОД-2» в ходе предварительной обработки повышает затраты на получение пива с использованием иммобилизованного биосорбента и, следовательно, снижает привлекательность данного технологического приема. Тем не менее, имеющиеся данные позволили, по нашему мнению, сделать вывод о принципиальной технологической целесообразности использования ИП «ОД-2» при производстве пива.

Поэтому было решено расширить спектр рассматриваемых «сшивающих» агентов, обеспечивающих прочное химическое связывание частиц биосорбента. Выбор «сшивающих» реагентов осуществлялся на основе литературной информации о существующих методах иммобилизации, а также информации о химических реакциях, протекающих между реакционно-способными группировками, потенциально присутствующими на поверхности частиц биосорбента «ОД-2» и в составе того или иного химического соединения. Для решения поставленной задачи была реализована серия экспериментов, в которых критерием оценки результатов иммобилизации как положительных/ отрицательных являлось образование (или отсутствие такового) частиц макроразмера, обладающих определенной механической прочностью и способностью сохранять свою структуру при продолжительной инкубации в водной среде и интенсивном перемешивании. Для вариантов, соответствовавших этим требованиям, проводилась оценка сорбционной способности полученных иммобилизованных препаратов. На основе литературной информации был составлен список соединений различного строения и состава, имеющих как минимум бифункциональный характер, то есть включающие в состав не менее двух группировок, способных взаимодействовать с группировками, имеющимися у порошкообразного сорбирующего препарата «ОД-2»: щавелевая кислота, гидрохинон, резорцин, гидроксиламин, глицерин, винная кислота, салициловая кислота, гидразин, борная кислота, молочная кислота, лимонная кислота.

Из всех рассмотренных «сшивающих» реагентов результаты иммобилизации, соответствующие установленным требованиям, обеспечило лишь использование щавелевой кислоты.

3.2.4. Изучение влияния соотношения компонентов ИП «ОД-2» на механическую прочность его частиц.

На первом этапе в качестве иммобилизуемого объекта использовали сухие порошкообразные дрожжи. Соотношение компонентов иммобилизованного препарата варьировали, изменяя отношение навески дрожжей и объема раствора «сшивающего» реагента – щавелевой кислоты – концентрацией 86 г/дм³. Наилучшие результаты удалось получить при соотношении навеска дрожжей : объем раствора щавелевой кислоты, равном 1:5. Сделанные выводы было решено проверить при иммобилизации биосорбента «ОД-2», структура частиц которого сходна со структурой дрожжевых клеток, но имеет и определенные отличия. Соотношения навеска иммобилизуемого объекта : раствор «сшивающего» реагента составили 1:80; 1:40; 1:20; 1:10; 1:5. Полученные суспензии после тщательного перемешивания высушили в тонком слое при 50⁰ в течение 3 суток, после чего слои полученных иммобилизованных препаратов измельчили вручную до частиц со средним диаметром 6-8 мм. Половину навески каждого ИП подвергли испытаниям на механическую прочность.

Из всех вариантов наилучшими механическими характеристиками обладали частицы иммобилизованного биосорбента, полученного при соотношении 1:5.

3.2.5. Определение зависимости сорбционной способности ИП «ОД-2» от температуры.

Одним из важных факторов, влияющих на эффективность применения биосорбентов, является температура обработки. Сорбирующие препараты дрожжевой природы, по крайней мере, порошкообразные, могут применяться для решения различных задач и, следовательно, при широком диапазоне температур. Это сделало необходимым рассмотрение вопроса о зависимости сорбционной способности ИП «ОД-2» от температуры, при которой проводится деметализация жидкой фазы.

Поэтому провели эксперимент, в рамках которого навески ИП, равные 0,25 г, поместили в 200 см³ раствора Fe₂(SO₄)₃*9H₂O. Контроль - 200 см³ раствора Fe₂(SO₄)₃*9H₂O. 1, 2, 3, 4 варианты выдержали при температурах 8 ⁰С, 18 ⁰С, 40°С, 60°С соответственно в течение 1 часа, после этого центрифугировали 20 минут при 4000 об^-1, надосадочную жидкость декантировали и определили в ней содержание Fe³⁺ по методу с салициловой кислотой. Результаты приведены на рис. 1.

Рис. 1. Влияние температуры на сорбционную способность ИП.

Можно сделать вывод о том, что иммобилизованный биосорбент целесообразно использовать для обработки сред с температурой 40 ⁰С и ниже. Наилучшие результаты могут быть получены при низких температурах, около 10⁰С и менее. Если существует технологическая возможность, применять ИП «ОД-2» следует для обработки «холодных» сред.

3.2.6. Определение влияния хранения на сорбционную способность иммобилизованного биосорбента «ОД-2».

При изучении свойств порошкообразного биосорбента «ОД-2» было установлено, что на протяжении 6 – 8 месяцев хранения препарата при температуре 18 – 25⁰С сорбционная способность не снижалась по сравнению с исходной, определенной непосредственно после получения препарата. Очевидно, частицы ИП имеют более сложную структуру, на которой негативное воздействие хранения может сказаться более существенно или за более короткое время. Для выяснения поставленного вопроса было проведено сопоставление сорбционной способности двух партий ИП «ОД-2», полученных с разницей в три месяца.

Установлено, что хранение ИП при умеренных условиях в течение 3 месяцев не привело к изменению его сорбционной способности, по крайней мере, по отношению к ионам железа (III). Это особенно важно в производственных условиях, так как нет необходимости использовать только свежеприготовленный биосорбент, его можно хранить и транспортировать в обычных условиях, без дополнительных финансовых затрат.

3.2.7. Изучение микробиологического состояния иммобилизованного биосорбента «ОД-2».

Одним из потенциальных применений дрожжевых биосорбентов, как порошкообразного, так и иммобилизованного, является обработка питательных сред для развития микробных популяций, в частности, пивного сусла до его засева производственными дрожжами. При этом крайне важно гарантировать отсутствие внесения в сусло значимого количества жизнеспособных микроорганизмов, в том числе и тех дрожжей, из которых биосорбент был получен. Для изучения микробиологического состояния дрожжевых биосорбентов был поставлен эксперимент: навески препаратов «ОД-2», порошкообразного и иммобилизованного в асептических условиях перенесли в колбы со стерильной дистиллированной водой, получив смыв микроорганизмов. Исходное разведение использовали для получения последующих разведений. Проводили глубинный посев в чашки Петри, содержащие охлажденный до 45 – 50⁰С сусло-агар (СА) и мясо-пептонный агар (МПА). После застывания питательных сред чашки Петри перевернули вверх дном и поместили в термостат с температурой 28 – 30⁰С. Через 48 ч провели подсчет колоний микроорганизмов, выросших на этих средах (см. табл. 2).

Анализируя данные таблицы, можно сделать вывод о низкой, примерно равной «микробной нагрузке» дрожжевых биосорбентов, как порошкообразного, так и иммобилизованного. Второе особенно важно, так как количество

Таблица 2.

Результаты микробиологического анализа порошкообразного и иммобилизованного (гранулированного) препаратов «ОД-2»

Анализируемый биосорбент «ОД2»	Питательная среда	Кратность разведения	Количество и характер колоний
Порошкообразный	СА	10^-5	отсутствуют
		10^-6	отсутствуют
	МПА	10^-5	3, кокки
		10^-6	отсутствуют
Иммобилизованный (гранулированный)	СА	10^-5	отсутствуют
		10^-6	отсутствуют
	МПА	10^-5	1, кокки
		10^-6	2, кокки

манипуляций и, следовательно, вероятность потенциального заражения при получении иммобилизованного препарата существенно больше. Это позволяет утверждать, что внесение биосорбента в сусло или более или менее продолжительный контакт между ними не вызовут проблем с ухудшением микробиологического состояния самой питательной среды для культивирования пивных дрожжей. С нашей точки зрения, это особенно важно, если предполагается обрабатывать биосорбентом сусло, используемое для культивирования дрожжей чистой культуры.

3.2.8. Определение количества ионов железа (III), связанных иммобилизованным препаратом «ОД-2» при работе в непрерывном проточном режиме.

В нашей работе была показана возможность применения иммобилизованного биосорбента в поупериодическом режиме, т.е., для последовательной обработки порций технологической среды. Однако более целесообразным является использование гранулированного препарата в непрерывном, проточном режиме. Одним из наиболее вероятных способов такого применения иммобилизованного биосорбента является заполнение частицами (гранулами) препарата проточного биореактора колоночного типа. Такой подход позволяет работать в проточном режиме или в режиме рецикла, подавая уже обработанную один или более раз порцию среды обратно в колонку, добиваясь более высокой степени изменения химического состава этой среды.

На эффективность применения иммобилизованного биосорбента в проточном режиме влияет целый ряд факторов. К наиболее значимым из них следует отнести степень загрузки колонки, то есть количество иммобилизованного препарата «ОД-2», используемого для обработки, скорость подачи обрабатываемой среды, содержание удаляемого компонента в обрабатываемом растворе, химический состав последнего, температура обработки, конструкция и форма биореактора и некоторые другие. Влияние ряда упомянутых факторов было изучено в нашей работе.

Решено было рассмотреть зависимость количества связанных ионов железа (III) от количества иммобилизованного биосорбента в проточной колонке. Использовали навески препарата равные 1г; 0,5г; 0,25г.

Результаты приведены на рис. 2.

Общий характер изменения содержания ионов Fe³⁺ аналогичен во всех трех рассмотренных экспериментах: снижение количества удержанных иммобилизованным биосорбентом ионов Fe³⁺ по мере увеличения объема пропущенного через колонку раствора.

Была проведена серия экспериментов, в которых зависимость, характерная для порошкообразного дрожжевого биосорбента подтвердилась и для ИП «ОД-2» при его использовании в периодическом режиме и при работе в непрерывном режиме: при обработке более концентрированных растворов Fe₂(SO₄)₃*9H₂O сорбирующий препарат связывает большее количество ионов железа (III).

Рис. 2. Результаты обработки раствора Fe₂(So₄)₃*9H₂O ИП «ОД-2» в проточном режиме (навески ИП = 1 г, 0,5 г, 0,25 г)

3.2.9. Влияние скорости потока обрабатываемого раствора на количество ионов железа (III), связанных иммобилизованным препаратом «ОД-2».

Результаты обработки растворов, содержащих ионы металлов, порошкообразным биосорбентом «ОД-2» существенно зависят от продолжительности такой обработки, то есть, от времени контакта частиц препарата с удаляемыми компонентами. В рамках нашей работы была проведена серия экспериментов по определению влияния скорости пропускания обрабатываемой среды через биореактор (колонку) на результаты обработки растворов ионов железа (III).

В каждом из них использовали 1г ИП «ОД-2» с размером гранул 2 – 3 мм, которые помещали в колонку, через которую с определенной скоростью (2 см³/мин, 4 см³/мин, 8 см³/мин) пропускали раствор Fe₂(SO₄)₃*9H₂O концентрацией 1 г/дм³. Обработанный раствор собрали фракциями определенного объема, в которых определили содержание ионов Fe³. В качестве контроля использовали необработанный, исходный раствор той же соли с такой же концентрацией.

Общий характер динамики изменения содержания ионов железа в растворе

после обработки аналогичен во всех рассмотренных случаях. Сравнивая результаты экспериментов (см. табл. 3.), можно сделать ряд выводов.

Таблица 3.

Количество ионов железа (III), связанных иммобилизованным препаратом

«ОД-2» при различных скоростях подачи в колонку исходного раствора Fe₂(SO₄)₃9H₂O при работе в непрерывном режиме

Скорость подачи исходного раствора Fe₂(SO₄)₃9H₂O, мл/мин	Количество ионов железа, связанных в 100 мл обрабатываемого раствора, мг
2,0	23,66
4,0	26,49
8,0	18,67

В начале обработки раствора Fe₂(SO₄)₃*9H₂O иммобилизованным препаратом «ОД-2» в проточном режиме (в первых 40 см³) при всех рассмотренных скоростях потока было связано практически одинаковое (6,84 – 7,12 мг) количество Fe³⁺. В дальнейшем возникли различия, носившие нелинейный характер. Так, оказалось, что при скорости потока обрабатываемой среды, равной 4 см³/мин, было связано наибольшее количество ионов железа (III), при 8 см³/мин - наименьшее. Последнее, очевидно, объясняется наименьшим «временем удержания», то есть продолжительность контакта между биосорбентом и обрабатываемым раствором. В то же время, увеличение количества удаленных ионов при возрастании скорости с 2 до 4 см³/мин может быть обусловлено возрастанием турбулентности потока и вызванным этим более интенсивным контактом между участниками процесса биосорбции при достаточной продолжительности такого контакта.

В целом, можно заключить, что выбор оптимальной скорости подачи обрабатываемой среды должен быть сделан с учетом конкретных, индивидуальных условий применения иммобилизованного биосорбента, принимая во внимание наличие определенного диапазона, выход как за верхнюю, так и за нижнюю границу которого более или менее снизит технологическую результативность обработки. При этом существенными будут и экономические соображения.

3.2.10. Определение результатов применения иммобилизованного препарата «ОД-2» в периодическом режиме с целью снижения содержания ионов кальция в растворе.

Решено было рассмотреть целесообразность использования иммобилизованного биосорбента для связывания ионов кальция, содержавшихся в водном растворе.

Использовали раствор хлорида кальция в дистиллированной воде концентрацией 3 г/дм³. В качестве контрольных вариантов использовали раствор хлорида кальция той же концентрации без добавления иммобилизованного биосорбента и дистиллированную воду.

Использование иммобилизованного препарата позволило в условиях эксперимента связать и удалить 16 % ионов кальция от их количества, содержавшегося в исходном растворе. Безусловно, такую эффективность нельзя признать высокой, однако, можно было предположить, что оптимизация условий обработки растворов, содержащих ионы кальция, позволит ее повысить.

3.2.11. Определение влияния обработки иммобилизованным препаратом «ОД-2» на устранимую жесткость воды в непрерывном режиме.

После установления возможности связывать определенное количество ионов кальция иммобилизованным биосорбентом «ОД-2» решено было рассмотреть возможность умягчения воды аналогичным способом.

Водопроводную воду обрабатывали 1 г иммобилизованного препарата «ОД-2». Контролем являлась необработанная водопроводная вода.

В первой фракции обработанного раствора удалось полностью устранить жесткость, во второй она составила менее 30, а в третьей, чуть менее 60 % от исходного значения, тогда как в четвертой фракции в условиях эксперимента вообще не удалось снизить значение устранимой жесткости. Таким образом, можно сделать сразу два вывода: иммобилизованный препарат «ОД-2» может быть использован для снижения значения устранимой жесткости, например, технологической или технической воды; кроме того, удалось определить сорбционную емкость ИП по отношению к компонентам, обуславливающим устранимую жесткость водопроводной воды.

3.2.12. Влияние обработки технологической воды ИП «ОД-2» на результаты стадии затирания пивоваренного производства.

Следует учитывать, что на многих пивоваренных предприятиях в качестве технологической используют воду, жесткость которой ниже или на уровне допустимой. Нам представлялось интересным определить результаты затирания с использованием такой воды и воды, обработанной ИП «ОД-2» в непрерывном режиме, то есть, оценить эффективность умягчения с помощью иммобилизованного биосорбента по результатам стадии приготовления затора. Водопроводную воду пропустили через колонку с иммобилизованным биосорбентом со скоростью 40 см³/мин.

Опытный вариант представлял собой 400 см³ обработанной ИП «ОД-2» в проточном режиме водопроводной воды, 100 г дробленого светлого ячменного солода. В контрольном - в качестве налива использовали водопроводную воду, не обработанную иммобилизованным биосорбентом. Оба образца затирали по одноотварочному способу в одинаковых условиях.

Затор подвергли центрифугированию. В первом сусле определили: содержание сухих веществ; содержание редуцирующих веществ (РВ) и содержание аминного азота. Результаты приведены в табл. 4.

Таблица 4.

Характеристики первого сусла, полученного на воде, подвергнутой умягчению иммобилизованным препаратом «ОД-2» в непрерывном режиме

Вариант	Показатель
	Сухие вещества, %	Аминный азот, мг/100 см³	РВ, мг/см³
Вода необработанная (контроль)	18,2	147,0	114
Вода, обработанная ИП «ОД-2»	18,6	175,0	116

В условиях эксперимента применение иммобилизованного биосорбента обеспечило улучшение всех трех измеренных показателей первого сусла: по сравнению с контролем прирост сухих веществ составил 2,2%, РВ – 1,75%, а аминного азота – 19%. Установлено также, что при использовании в качестве технологической воды с повышенной жесткостью использование иммобилизованного биосорбента обеспечивает еще большее улучшение определяемых показателей сусла. Следовательно, обработка технологической воды ИП «ОД-2» в проточном режиме может применяться как регулярный технологический прием после подтверждения экономической эффективности.

3.2.14. Влияние обработки пивного сусла иммобилизованным препаратом «ОД-2» в непрерывном режиме на результаты стадий главного брожения и дображивания.

На завершающем этапе нашей работы была проведена оценка результатов применения иммобилизованного препарата «ОД-2» для обработки пивного сусла перед началом стадии главного брожения. Сусло пропускали через колонку с биосорбентом. Контролем являлось необработанное сусло, в варианте сравнения к суслу добавили навеску порошкообразного препарата «ОД-2».

Брожение вели 7 суток при 7⁰С. Молодое пиво перевели на дображивание (3⁰С, 21 сутки). Результаты представлены в табл. 5.

Таблица 5

Влияние обработки пивного сусла иммобилизованным препаратом «ОД-2»

на ход и результаты стадий главного брожения и дображивания

Этап контроля	Содержание этилового спирта, % об.
	Контроль	Опыт
Главное брожение:
4 сутки	2,5	2,84
5 сутки	3,4	3,45
6 сутки	3,58	3,7
7 сутки	4,08	4,31
Дображивание:	4,21	4,65

Таблица 6

Основные характеристики готового пива, полученного с применением биосорбентов

Показатель	Образец пива
Показатель	К	О₁ (+«ОД-2»)	О₂ (+ обработкаИП«ОД-2»)
Экстрактивность начального сусла, %	12,1	12,1	12,1
Содержание этанола, % об.	4,54	5,41	5,30
Действительный экстракт, %	5,53	4,13	4,44
Степень сбраживания, %	54,25	65,89	63,30
Титруемая кислотность, к.ед.¹⁾	2,48	2,70	2,71
рН	4,4	4,4	4,3
Цветность, ц. ед.²⁾	0,9	0,9	0,9
Содержание аминного азота, мг/дм³	103	87	99
Содержание РВ, г/100 см³	1,09	0,68	0,7
Содержание диацетила, мг/дм³	0,09	0,10	0,10

¹⁾ к.ед. – количество см³ раствора гидроксида натрия концентрацией 1 моль/дм³ на 100 см³ пива

²⁾ ц.ед. – объем раствора йода концентрацией 0,1 моль/дм³, прибавленный к 100 см³ воды до совпадения цветности раствора с цветностью пива, см³

С нашей точки зрения, на основе полученных результатов можно сделать вывод о заметном интенсифицирующем эффекте обработки пивного сусла перед засевом дрожжами иммобилизованным биосорбентом «ОД-2» в непрерывном режиме, по крайней мере, на накопление этилового спирта как на стадии главного брожения, так и на стадии дображивания пивоваренного производства.

Установлено, что по эффективности иммобилизованный препарат незначительно уступает порошкообразному, но его использование позволило как интенсифицировать стадию главного брожения, так и улучшить характеристики готового пива (табл. 6).

Видно, что более интенсивные развитие/метаболизм дрожжевой популяции приводят к накоплению более высоких концентраций органолептически значимых (как положительно, так и отрицательно) соединений. В то же время практически по всем позициям анализируемые образцы укладывались в допустимые пределы. Дегустационная оценка показала, что готовое нефильтрованное пиво, полученное с использованием иммобилизованного биосорбента «ОД-2», не уступало контрольному.

4. Выводы.

1. Проведено сопоставление результатов реализации нескольких методов иммобилизации сорбирующего препарата дрожжевой природы «ОД-2»: определены механическая прочность частиц иммобилизованных препаратов, их сорбционная способность.

2. Разработан способ получения иммобилизованного биосорбента за счет поперечной сшивки частиц исходного порошкообразного препарата бифункциональным реагентом – щавелевой кислотой. Изучены факторы, влияющие на эффективность разработанного метода иммобилизации: объем и концентрация раствора щавелевой кислоты, соотношение такого раствора и порошкообразного биосорбента «ОД-2», дисперсность и форма частиц иммобилизованного препарата.

3. Изучены результаты различных режимов применения иммобилизованного сорбирующего препарата «ОД-2» - периодического, полупериодического и непрерывного - с целью удаления нежелательных компонентов жидких технологических сред на примере ионов металлов. Определены значимо влияющие факторы: концентрация компонента в обрабатываемом растворе, дозировка иммобилизованного биосорбента, продолжительность и температура обработки, скорость подачи обрабатываемого раствора, степень гидратации гранул препарата.

4. Определено, что иммобилизованный сорбирующий препарат «ОД-2» может храниться при умеренных условиях в течение не менее трех месяцев без снижения его сорбционной способности и ухудшения микробиологического состояния.

5. Установлена возможность снижения временной жесткости воды за счет применения иммобилизованного препарата «ОД-2» в периодическом и непрерывном режимах.

6. Доказана эффективность обработки технологической воды иммобилизованным биосорбентом: ее использование обеспечило улучшение ряда характеристик первого сусла: содержания сухих веществ – на 2,2 %, концентрации редуцирующих веществ – на 1,8 %, содержания аминного азота – на 19 %.

7. Установлена целесообразность применения иммобилизованного препарата «ОД-2» для обработки в непрерывном режиме пивного сусла перед началом сбраживания. Это обеспечило повышение концентрации этилового спирта в молодом пиве – на 5,6 %, а в готовом нефильтрованном – на 10,5 %, что дает возможность сокращения продолжительности стадий главного брожения и/или дображивания. По органолептическим характеристикам пиво, полученное с использованием иммобилизованного биосорбента, не уступало контрольному.

8. Экономический эффект от внедрения технологии с использованием иммобилизованного сорбирующего препарата «ОД-2» для обработки пивного сусла перед началом стадии главного брожения составит 3137,8 тыс. руб. на 1 млн. дал. пива (условно-годовая экономия 10323,37 тыс. руб.).

Список работ, опубликованных по теме диссертации:

1. Карпенко Д.В., Крупичева А.Н. Способы частичного разрушения компонентов биосорбента «ОД-2». - Пиво и напитки, 2001, № 6, с. 18 – 19.

2. Карпенко Д.В., Крупичева А.Н. Зависимость сорбционной способности препарата «ОД-2» от методов его обработки. - Пиво и напитки, 2002, № 1, стр. 24 – 25.

3. Карпенко Д.В., Крупичева А.Н., Хмельницкая О.И. Получение иммобилизованных биосорбентов. - Тезисы докладов Всероссийской научно-технической конференции-выставки «Качество и безопасность продуктов питания», МГУПП, Москва, 18 – 19 декабря 2002 г.

4. Крупичева А.Н., Карпенко Д.В., Матвеева О.Г. Способ получения иммобилизованного биосорбента «ОД-2». - Пиво и напитки, 2003, № 3, стр. 16 – 17.

5. Хмельницкая О.И., Карпенко Д.В., Крупичева А.Н. Новые способы получения иммобилизованного биосорбента «ОД-2». - Пиво и напитки, 2003, № 4, стр. 22 – 25.

6. Карпенко Д.В., Крупичева А.Н., Матвеев С.В. Применение иммобилизованного биосорбента «ОД-2». - Пиво и напитки, 2003, №5, стр. 16 – 18.

7. А.Н. Крупичева, Д.В. Карпенко, И.С. Формальнова. Использование иммобилизованного биосорбента «ОД-2» в периодическом и непрерывном режиме. – Хранение и переработка сельхозсырья, 2003, №12, стр. 63 – 67.

8. Крупичева А.Н., Карпенко Д.В., Вихлянцева Н.Б. Регенерация дрожжевого биосорбента. - Пиво и напитки, 2006, № 4, стр. 22 – 23.

9. Карпенко Д.В., Крупичева А.Н. Многократное применение дрожжевого биосорбента. - Пиво и напитки, 2006, № 4, стр. 30 – 32.

Blog

Крупичёва Александра Николаевна

Содержание

На правах рукописи