ПОЛЯКОВ, Виктор Станиславович (ул. Новогиреевская, 8-2-69 Москва, 3 Moscow, 111123, RU)
ПОЛЯКОВ, Виктор Станиславович (ул. Новогиреевская, 8-2-69 Москва, 3 Moscow, 111123, RU)
| ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ переработки белоксодержащих отходов гидролизом водными растворами щелочей, отличающийся тем, что в реакционную смесь указанных компонентов вводят добавки в виде аммонийных солей органических и минеральных кислот, а обработку упомянутых отходов в смеси с водой, щелочным агентом и добавкой, взятых в соотношении, равном 1 :(0,3-1,5):(0,03-0,45):(0,01-0,2), проводят при температуре 100- 110°С в течение 20-60 мин. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, в качестве щелочного агента используют гидроокись натрия. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, в качестве щелочного агента используют гидроокись калия. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что обработку белоксодержащих отходов в смеси с водой, щелочным агентом и добавкой, взятых в соотношении, равном 1 :(1 ,0-1,5):(0,30-0,45):(0,01-0,2) проводят при температуре 100-110°С в течение 20-45 мин с выходом в виде смеси солей щелочных металлов природных аминокислот. 5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что обработку белоксодержащих отходов в смеси с водой, щелочным агентом и добавкой, взятых в соотношении, равном 1 :(0,6-1,3):(0,16-0,29):(0,01- 0,14), проводят при температуре 100-110°С в течение 25-50 мин с получением продукта гидролиза в виде смеси солей щелочных металлов низкомолекулярных пептидов. 6. Способ по п. 1 , отличающийся тем, что обработку белоксодержащих отходов в смеси с водой, щелочным агентом и добавкой, взятых в соотношении, равном 1 :(0,4-1,1):(0,08-0,15):(0,01- 0,07), проводят при температуре 100-1 10°С в течение 30-55 мин с получением продукта гидролиза в виде смеси солей щелочных металлов пента-декапептидов . 7. Способ по п. 1 , отличающийся тем, что обработку белоксодержащих отходов в смеси с водой, щелочным агентом и добавкой, взятых в соотношении, равном 1 :(0,3-0,9):(0,03-0,07):(0,01- 0,03), проводят при температуре 100-110°С в течение 35-60 мин с получением продукта гидролиза в виде смеси солей щелочных металлов олигопептидов . |
олигопептидов Изобретение относится к области химической технологии и биотехнологии, в частности, к способам переработки белоксодержащих материалов и отходов в смеси природных аминокислот, смеси низкомолекулярных пептидов, и смеси олигопептидов, которые могут быть использованы при производстве реагентов для детоксикации и бактерицидной обработки осадков сточных вод, поверхностно-активных веществ, смачивателей, пенообразователей, чистящих и моющих средств, хелатирующих составов для борьбы с хлорозом растений и микроудобрений на основе микроэлементов для подкормки сельскохозяйственных культур. Сущность изобретения состоит в получении смесевых композиций продуктов гидролиза белка в концентрированном виде с заданным диапазоном длины цепи, регулируемой концентрацией и с полностью сохранёнными амино- и карбоксильными группами.
Известен способ щелочного гидролиза с использованием гидроокиси натрия. Процесс проводят при температуре 95-115°С обработкой белоксодержащего сырья 8%-ным водным раствором NaOH при атмосферном давлении в течение 8 часов (см. SU 556776)[1].
Недостатком способа является получение белковых гидролизатов неизвестных составов с низкими и нерегулируемыми концентрациями и большой продолжительностью процесса.
Известен способ термогидролиза кожевенных отходов с добавкой сланцевой золы (щелочного реагента - отхода от сжигания горючих сланцев). Основная стадия гидролиза длится 3-5 часов при температуре 90 -100°С (см. RU 2016521) [2].
Недостатком способа является неполнота прохождения гидролиза белка, требующая проведения дополнительной стадии гидролиза в более жёстких условиях и получение гидролизатов неопределённого состава с низкими выходами.
Известны также способы утилизации отходов, содержащих животные белки термическим гидролизом водными растворами щелочей (см. SU 1496847 [3], SU 1794089 [4], RU 2021300 [5]).
Однако данные способы не обеспечивают достаточной глубины гидролиза животных белков, составы продуктов гидролиза варьируются в широком пределе, имеются примеси веществ, образующихся при отщеплении аминогрупп в результате дезаминирования смесей аминокислот и пептидов.
Наиболее близким к предложенному является способ утилизации белоксодержащих отходов, при котором смешивают животные белки, воду и щёлочь в соотношении 1 :(1,8-2,0):(0,09-0,46) и подвергают термической обработке при температуре 120-180°С острым паром. В зависимости от соотношения параметров процесса получают смесь аминокислот или их смесь с низкомолекулярными пептидами, или низкомолекулярные пептиды (см. патент RU 2291164)[6]). По аналогичной схеме те же авторы проводят щелочной гидролиз с использованием острого пара при температуре 160-180°С и соотношением белоксодержащих отходов, воды и щёлочи, равным 1 :(1,8- 2,0):(0,38-0,46), с получением водных растворов натриевых или калиевых солей смеси аминокислот (см. патент RU 2282642)[7] или соотношением тех же компонентов 1 :(1 ,8-2,0):(0, 19-0,37) с получением водных растворов натриевых или калиевых солей смеси аминокислот и натриевых или калиевых солей низкомолекулярных пептидов (см. патент RU 2291165 [8] ).
К недостаткам ближайшего аналога следует отнести в первую очередь низкие выходы натриевых или калиевых солей смеси аминокислот и натриевых или калиевых солей пептидов. При проведении щелочного гидролиза белков при высоких температурах 120-180°С происходит дезаминирование образующихся аминокислот и пептидов с выделением аммиака и образованием в качестве примесей различных карбоновых кислот. Использование острого пара приводит к неконтролируемым местным перегревам реакционной массы со значительным дезаминированием и декарбоксилированием аминокислот и пептидов. Кроме того, приведённые условия вызывают деструкцию отдельных аминокислот, например: цистеина, цистина, серина, треонина (Ленинджер А. Биохимия. М.: Мир, 1974, 106 с.) [9].
В приведённых источниках при указанных соотношениях белок/вода/ щёлочь используется невысокая концентрация щелочных растворов от 4,5 до 20%, т.к. повышение концентрации щелочных растворов при таких высоких температурах приводит к усилению процесса дезаминирования аминокислот и пептидов. Использование невысоких концентраций щелочных растворов не позволяет получать смесевые композиции аминокислот или смесевые композиции пептидов с высокими концентрациями. Теоретически возможное максимальное значение концентраций смеси аминокислот при указанных соотношениях исходных реагентов составляет 1,5-1,7 моль/л при условии 100 %-ного содержания белка в белоксодержащих отходах и 100 %-ного сохранения всех аминогрупп. А с учётом дезаминирования и деструкций, протекающих при местных перегревах вводимым острым паром и неконтролируемого разбавления реакционной массы конденсатом, концентрации смесей аминокислот практически гораздо ниже.
Таким образом, низкие неконтролируемые выходы смесей аминокислот и пептидов, большое количество примесей, образующихся в результате деструкции аминокислотных фрагментов, не позволяют получать высококачественные реагенты для детоксикации и бактерицидной обработки осадков сточных вод, а также другую качественную продукцию на их основе.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является многоаспектной, а именно, в качестве первого аспекта можно выделить проблему разработки способа экологически безопасной переработки белка из белоксодержащих отходов в смеси природных аминокислот, смеси низкомолекулярных пептидов, смеси пептидов со средней длиной цепи и смеси олигопептидов с высокими выходами и высокой селективностью процесса. Вторым аспектом задачи, решаемой заявляемым изобретением, является максимально возможное сохранение структур аминокислот и пептидов в ходе термического щелочного гидролиза белка, возможность получать узкие группы композиций с заданным диапазоном длины пептидной цепи. Третий аспект задачи, решаемой заявляемым изобретением, является разработка способа регулирования концентрации смесей природных аминокислот или пептидов и возможность достижения высоких концентраций образующихся композиций.
Решение указанной многоаспектной задачи достигается тем, что белоксодержащие отходы подвергают щелочному гидролизу при температуре 100-1 10°С в присутствии специальных добавок, вводимых в реакционные смеси и препятствующих деструкции аминогрупп. Использование высококонцентрированных растворов щёлочи в этом случае позволяет получать реакционные массы с высокой концентрацией продуктов гидролиза. Высокая селективность процесса, высокий выход продуктов из-за отсутствия процессов дезаминирования и деструкции позволяют путем варьирования соотношений исходных компонентов получать достаточно узкие диапазоны продуктов гидролиза по длине пептидной цепи. Условия проведения процесса, при которых уничтожается вся патогенная микрофлора в случае использования белоксодержащих отходов, подвергшихся начальным процессам гниения, брожения, образования плесени, позволяют получать экологически безопасную продукцию природного происхождения (смеси аминокислот, пептидов) без примесей продуктов деструкции.
Технические результаты от использования изобретения, обусловленные решением поставленной многоаспектной задачи, заключаются в экологически безопасной переработке белоксодержащих отходов с получением в качестве товарной продукции смесей природных аминокислот или пептидов требуемого состава с высокими выходами и заданной концентрацией.
Указанные технические результаты достигаются тем, что при гидролизе водными растворами щелочей в реакционную смесь с белоксодержащими отходами вводят специальные добавки, а обработку упомянутых отходов в смеси с водой, щёлочью и добавкой, взятых в соотношении, равном 1 :(0,3-1,5):(0,03-0,45):(0,01-0,2) проводят при температуре 100-1 10°С в течение 20-60 мин.
Вариантами достижения указанных выше технических результатов является регулирование состава продукта гидролиза при изменении указанных параметров процесса с получением при использовании соотношения упомянутых отходов, воды, щёлочи и добавки, равным 1 :(0,3-0,9):(0,03-0,07):(0,01-0,03), при температуре процесса 100-110°С и продолжительности обработки 35-60 мин смеси солей щелочных металлов олигопептидов; с получением при использовании соотношения упомянутых отходов, воды, щёлочи и добавки, равным 1.(0,4- 1,1 ):(0,08- 0,15):(0,01-0,07) при температуре 100-1 10°С и продолжительности обработки 30-55 мин смеси солей щелочных металлов пента- декапептидов; с получением при использовании соотношения упомянутых отходов, воды, щёлочи и добавки, равным 1 :(0,6-1 ,3):(0,16- 0,29):(0,01-0,14) при температуре 100-110°С и продолжительности обработки 25-50 мин смеси солей щелочных металлов низкомолекулярных пептидов; с получением при использовании соотношения упомянутых отходов, воды, щёлочи и добавки, равным 1 :(1,0-1,5):(0,30-0,45):(0,01-0,2) при температуре 100-110°С и продолжительности обработки 20-45 мин смеси солей щелочных металлов природных аминокислот.
Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что в реакционную смесь, состоящую из белоксодержащих отходов, воды и щёлочи, в заданных соотношениях вводят добавки, препятствующие дезаминированию образующихся продуктов. Это обеспечивает извлечение большего числа отдельных аминокислот и пептидов, повышает их выход и селективность процесса. Одновременное снижение температуры процесса до 100-110°С по сравнению с прототипом позволяет осуществлять использование более концентрированных растворов щелочного агента и получение аминокислотных и пептидных композиций высокой концентрации. Существенной отличительной характеристикой и особенностью предлагаемого способа переработки белоксодержащих отходов является то, что описанные условия процесса позволяют получать при изменении заданных параметров узкие группы композиций смеси олигопептидов, или смеси пента-декапептидов, или смеси низкомолекулярных (ди-тетра) пептидов, или смеси аминокислот с высокими выходами.
В качестве сырья могут быть использованы белоксодержащие материалы и отходы кожевенного производства (обрезь сырьевая, мездра сырьевая, гольё, хромовая стружка, гарь), мехового производства, отходы птицеводческих хозяйств (пух, перо, перьевая мука), отходы суконного производства и производства валяной обуви (очёсы, обрезь, кноп), отходы пищевой и молочной промышленности, производства казеина, животноводства и птицеводства.
В качестве щелочного агента могут быть использованы гидроокись натрия или гидроокись калия.
В качестве добавок могут быть использованы аммонийные соли органических и минеральных кислот. Добавки могут быть выбраны из группы следующих соединений: ацетат аммония, цитрат аммония, хлорид аммония, сульфат аммония, бикарбонат аммония, однозамещённый фосфат аммония, двузамещённый фосфат аммония и другие соли аммония.
Следующие примеры более подробно поясняют сущность предлагаемого способа переработки белоксодержащих отходов в смеси природных аминокислот и смеси пептидов. Эти характерные примеры получения конкретных композиций согласно заявляемому изобретению ни в коей мере не ограничивают объём его правовой защиты. В этих примерах дана лишь конкретная иллюстрация предлагаемого способа. Пример 1.
Исходное сырьё - мездра сырьевая, отходы кожевенного производства. В реактор объёмом 450 л, снабжённый якорной мешалкой, обратным холодильником и рубашкой для обогрева глухим паром, загружают 70 л водопроводной воды, включают перемешивание и засыпают порциями 36,3 кг гидроокиси натрия. Температура раствора повышается до 62 °С за счёт растворения щёлочи. Куски мездры в количестве 80,7 кг увлажняют и гомогенизируют раствором 810 г хлористого аммония в 10 л воды и уплотнённой массой подают в реактор. Соотношение белоксо держащих отходов, воды, щёлочи и аммонийной соли составляет 1 : 1,0:0,45:0,01. Затем включают подачу пара и поднимают температуру до 105°С. Перемешивание реакционной массы продолжают в течение 20 мин, подачу пара отключают, и аппарат охлаждают до температуры 35-40°С. Реакционную массу извлекают и получают 180 л смеси натриевых солей природных аминокислот. Гидролизат имеет следующий состав аминокислот (мае. %)
Глицин - 12,4
Алании - 9,6
Валин - 2,7
Лейцин - 4,6
Изолейцин - 1,7
Треонин - 1 ,9
Фенилаланин - 1,6
Тирозин - 2,7
Пролин - 8,6
Серии - 3,5
Аспарагиновая кислота - 7,2
Глутаминовая кислота - 10,1 Гистидин 1,8
Лизин
Аргинин - 6,5
Содержание аминогрупп в гидролизате, определённое по методу Ван-Слайка и пересчитанное на концентрацию аминокислот, исходя из средней молекулярной массы смеси аминокислот составляет 3,51 моль/л. Потенциометрическое титрование 1 М НС1 показало концентрацию аминокислот 3,62 моль/л и содержание свободной щёлочи 0,07 моль/л. Выход смеси аминокислот с учётом содержания белка в исходном сырье составляет около 98%.
Пример 2.
Композицию смеси натриевых солей природных аминокислот получают аналогично примеру 1 , за исключением того, что увлажнение и гомогенизацию мездры проводят Юл воды без добавления NH CI. Получают 180л смеси натриевых солей природных аминокислот. Содержание аминогрупп в гидролизате, пересчитанное на концентрацию аминокислот составляет 2,66 моль/л, содержание свободной щёлочи 0,06 моль/л. Выход смеси аминокислот с учётом содержания белка в исходном сырье составляет 74,3%.
Пример 3.
Исходное сырьё - хромовая стружка и обрезь гольевая, отходы кожевенного производства. В реактор, описанный в примере 1 , загружают 50 л воды, включают перемешивание и засыпают порциями 20,1 кг гидроокиси натрия. Температура раствора повышается до 54°С за счёт растворения щёлочи. Гольевую обрезь в количестве 34,3 кг и хромовую стружку в количестве 32,8 кг увлажняют и гомогенизируют раствором 13,4 кг двууглекислого аммония в 55 л воды и уплотнённой массой подают в реактор. Соотношение белоксодержащих отходов, воды, щёлочи и аммонийной соли составляет 1 : 1,5:0,3:0,2. Затем включают подачу пара и поднимают температуру до 100°С. Перемешивание реакционной массы продолжают в течение 45 мин, подачу пара отключают, и аппарат охлаждают до температуры 35-40°С. Реакционную массу извлекают и получают 180 л смеси натриевых солей природных аминокислот. Содержание аминогрупп в гидролизате, пересчитанное на концентрацию аминокислот, составляет 1 ,82 моль/л, содержание свободной щёлочи - 0,03 моль/л.
Пример 4.
Исходное сырьё - обрезь сырьевая и гарь (плесневые и сгнившие шкуры), отходы кожевенного производства. В реактор, описанный в примере 1 , загружают 37 л воды, включают перемешивание и засыпают порциями 26,7 кг гидроокиси натрия. Температура раствора повышается до 65,8°С за счёт растворения щёлочи. Сырьевую обрезь в количестве 48,5 кг и гарь в количестве 43,8 кг увлажняют и гомогенизируют раствором 930 г сульфата аммония в 19 л воды и уплотнённой массой подают в реактор. Соотношение белоксо держащих отходов, воды, щёлочи и аммонийной соли составляет 1 :0,6:0,29:0,01. Затем включают подачу пара и поднимают температуру до 106°С. Перемешивание реакционной массы продолжают в течение 25 мин, подачу пара отключают, и аппарат охлаждают до температуры 35-40°С. Реакционную массу извлекают и получают 160 л смеси натриевых солей низкомолекулярных (ди-тетра) пептидов. Содержание аминогрупп в гидролизате, пересчитанное на концентрацию пептидов составляет 1 ,4 моль/л, содержание свободной щёлочи - 0,09 моль/л.
Пример 5.
Исходное сырьё - обрезь мехового производства и отходы после выделки шкур. В реактор объёмом 15 л, снабжённый рамной мешалкой, n обратным холодильником и паровой рубашкой, загружают 2,5 л воды, включают перемешивание и засыпают порциями 560 г гидроокиси натрия. Температура раствора повышается до 42 °С за счёт растворения щёлочи. Указанные отходы в количестве 3,5 кг увлажняют и гомогенизируют раствором 490 г ацетата аммония в 2 л воды и уплотнённой массой подают в реактор. Соотношение белоксодержащих отходов, воды, щёлочи и аммонийной соли составляет 1 : 1,3:0,16:0,14. Затем включают подачу пара и поднимают температуру до 102°С. Перемешивание реакционной массы продолжают в течение 50 мин, подачу пара отключают, и аппарат охлаждают до температуры 35-40°С. Реакционную массу извлекают и получают 8,3 л смеси натриевых солей низкомолекулярных (ди-тетра) пептидов. Содержание аминогрупп в гидролизате, пересчитанное на концентрацию пептидов составляет 1, 1 моль/л, содержание свободной щёлочи - 0,03 моль/л.
Пример 6.
Исходное сырьё - очёсы, обрезь и кноп, отходы валяльного производства. В реактор, описанный в примере 5, загружают 1,2 л воды, включают перемешивание и засыпают порциями 870 г гидроокиси натрия. Температура раствора повышается до 65°С за счёт растворения щёлочи. Отходы в количестве 5,8 кг увлажняют и гомогенизируют раствором 58 г хлорида аммония в 1,1 л воды и уплотнённой массой подают в реактор. Соотношение белоксодержащих отходов, воды, щёлочи и аммонийной соли составляет 1 :0,4:0, 15:0,01. Затем включают подачу пара и поднимают температуру до 108°С. Перемешивание реакционной массы продолжают в течение 30 мин, подачу пара отключают, и аппарат охлаждают до температуры 35-40°С. Реакционную массу извлекают и получают 8,25 л смеси натриевых солей пента-декапептидов. Содержание аминогрупп в гидролизате, пересчитанное на концентрацию пептидов составляет 0,7 моль/л, содержание свободной щелочи 0,08 моль/л.
Пример 7.
Исходное сырьё - отходы технического казеина. В реактор, описанный в примере 5, загружают 3,2 л воды, включают перемешивание и засыпают порциями 380г гидроокиси натрия. Температура раствора повышается до 38°С за счёт растворения щёлочи. Отходы технического казеина в количестве 4,7 кг увлажняют и гомогенизируют раствором 320 г двууглекислого аммония в 2 л воды и уплотнённой массой подают в реактор. Соотношение белоксодержащих отходов, воды, щёлочи и аммонийной соли составляет 1 : 1,1 :0,08:0,07. Затем включают подачу пара и поднимают температуру до 103°С. Перемешивание реакционной массы продолжают в течение 55 мин, подачу пара отключают, и аппарат охлаждают до температуры 35-40°С. Реакционную массу извлекают и получают 9,9 л смеси натриевых солей пента-декапептидов. Содержание аминогрупп в гидролизате, пересчитанное на концентрацию пептидов составляет 0,95 моль/л, содержание свободной щёлочи - 0,01 моль/л.
Пример 8.
Исходное сырьё - отходы куриных перьев птицеводческого хозяйства. В реактор, описанный в примере 5, загружают 340 мл воды, включают перемешивание и засыпают порциями 245 г гидроокиси натрия. Температура раствора повышается до 62 °С за счёт растворения щёлочи. Отходы в количестве 3,5 кг увлажняют и гомогенизируют раствором 35 г двузамещённого фосфата аммония в 760 мл воды и уплотнённой массой подают в реактор. Соотношение белоксодержащих отходов, воды, щёлочи и аммонийной соли составляет 1 :0,3:0,07:0,01. Затем включают подачу пара и поднимают температуру до 110°С. Перемешивание реакционной массы продолжают в течение 35 мин, подачу пара отключают, и аппарат охлаждают до температуры 35-40°С. Реакционную массу извлекают и получают 4,4 л смеси натриевых солей олигопептидов. Содержание аминогрупп в гидролизате, пересчитанное на концентрацию пептидов составляет 0,51 моль/л, содержание свободной щёлочи - 0,06 моль/л.
Пример 9.
Исходное сырьё - отходы куриных перьев птицеводческого хозяйства. В реактор, описанный в примере 5, загружают 200 мл воды, включают перемешивание и засыпают порциями 96г гидроокиси натрия. Температура раствора повышается до 50°С за счёт растворения щёлочи. Отходы в количестве 3,2 кг увлажняют и гомогенизируют раствором 96 г бикарбоната аммония в 2,7 л воды и уплотнённой массой подают в реактор. Соотношение белоксодержащих отходов, воды, щёлочи и аммонийной соли составляет 1 :0,9:0,03 :0,03. Затем включают подачу пара и поднимают температуру до 104°С. Перемешивание реакционной массы продолжают в течение 60 мин, подачу пара отключают, и аппарат охлаждают до температуры 35-40°С. Реакционную массу извлекают и получают 5,8л смеси натриевых солей олигопептидов. Содержание аминогрупп в гидролизате, пересчитанное на концентрацию пептидов, составляет 0,4 моль/л, содержание свободной щёлочи - 0,01 моль/л.
Токсичность полученных смесей природных аминокислот и смесей пептидов при энтеральном введении LD 50 превышает 20 мг/кг, что позволяет отнести их к классу малоопасных веществ.
Таким образом, представленные примеры подтверждают осуществимость изобретения и заявленные преимущества предлагаемого способа переработки белоксодержащих отходов в экологически безопасные смеси природных аминокислот и смеси пептидов с заданным диапазоном длины цепи. Промышленная применимость заявляемого способа также подтверждается изложенными выше примерами осуществления изобретения. Следует особо отметить, что заявляемый способ переработки белоксодержащих отходов позволяет селективно получать группы природных аминокислот или пептидов с заданной длиной цепей, используемых для получения определенного вида продукции. Одновременно способ позволяет получать экологически безопасные аминокислотные и пептидные композиции высокой концентрации, что является экономически целесообразным.