Wrocław, 6.11.15 ULTRAFILTRACJA ZAGĘSZCZANIE BIAŁEK

Wrocław, 6.11.15
ULTRAFILTRACJA
ZAGĘSZCZANIE BIAŁEK SERWATKOWYCH
1. OPIS PROCESU
Procesy membrany stosowane szeroko w przemyśle mleczarskim są często alternatywą
dla jednostkowych procesów klasycznej inżynierii i technologii chemicznej. W przemyśle
mleczarskim stosowane są wszystkie rodzaje membranowych procesów ciśnieniowych, od
mikrofiltracji po nanofiltrację, sporadycznie stosowane są membrany z zakresu odwróconej
osmozy.
Membrany stosowane w ultrafiltracji mają pory rzędu 0,005- 0,1μm (5-100nm), jednak
częściej membrany UF
charakteryzuje się poprzez współczynnik odcięcia – jest to
najmniejsza masa molekularna, przy której co najmniej 90% cząsteczek
jest zatrzymywane
na testowanej membranie. Różnica ciśnień na membranie w tym procesie wynosi 0,2-1,0
MPa. Proces ultrafiltracji umożliwia jednoczesne frakcjonowanie i zagęszczanie wybranych
składników cieczy. Permeat serwatki po UF nie zawiera już białek, polisacharydów, wirusów,
niektórych barwników, enzymów i witamin, natomiast pozostają w nim proste cukry, kwasy
organiczne, zdysocjowane jony nieorganiczne i większość produktów degradacji cieplnej.
Mętność ultrafiltratu całkowicie zanika.
Wszystkie z białek mleka (w tym serwatkowe) silnie agregują oraz adsorbują się na
powierzchni
membrany.
Dodatkowym,
negatywnym
zjawiskiem
zachodzącym
przy
powierzchni membran jest polaryzacja stężeniowa. Wynika ona z faktu kumulowania się
składników
separowanego
wstecznego
ciśnienia
roztworu
osmotycznego
wzdłuż
membrany,
co
powoduje
powstawanie
i tym samym zmniejszenie efektywnego
ciśnienia
transmembranowego oraz zwiększanie oporu. Wszystkie te zjawiska powodują, że na
membranie powstaje dodatkowa warstwa, która staje się efektywną warstwą separacyjną – nie
jest nią sama membrana. Istotnym parametrem zapobiegającym osadzaniu się białek na
membranie jest dobranie odpowiednio wysokiego strumienia retentatu podczas separacji,
który może wynosić nawet 7 [m·s-1 ]. Ponadto niekorzystne efekty membranowe można
zredukować stosując back – flushing lub back – piulsing.
Niemniej podczas separacji ultrafiltracyjnej wyróżnić można wyraźnie trzy etapy spadku
strumienia permeatu (Rys. 1.), będącego skutkiem dwóch zjawisk: polaryzacji stężeniowej
wzdłuż membrany oraz zatykania porów membrany.
Rys. 1. Spadek strumienia permeatu, w separacji ultrafiltracyjnej. I – wstępny, szybki
spadek, II – długoterminowy, wolny spadek, III – quasi – statyczny, ustalony strumień
permeatu.
Innym składnikiem serwatki jest laktoza, cukier mleczny, który jest często nietolerowana
przez ludzi z powodu niedoboru laktazy, enzymu rozkładającego ją na glukozę i galaktozę.
Usunięcie jej z serwatki i mleka pozwala na stosownie tych produktów przez ludzi
nietolerujących laktozę. Tak, więc, z punktu widzenia rozdziału ultrafiltracyjnego roztworu
białek serwatkowych i laktozy produktem może być retentat – roztwór białek serwatkowych
pozbawiony laktozy oraz permeat – roztwór laktozy. Membranę należy dobrać tak, by
retencja białka była jak największa przy jednoczesnym swobodnym transporcie laktozy.
2. CEL ĆWICZENIA
Celem ćwiczenia jest opracowanie i monitoring procesu separacji (koncentarcji) białek
zawartych w serwatce przy pomocy ultrafiltracyjnej techniki membranowej.
3. APARATURA I PRZEBIEG PROCESU
Aparatura przygotowana jest procesu rozdzielania mieszaniny białek serwatkowych.
Przed przystąpieniem do eksperymentu separacji białek serwatkowych należy zbiornik
zasilający uzupełnić wodą i zmierzyć strumień permeatu (na wodzie).
Separacja białek serwatkowych
Zbiornik nadawy chłodzony jest wodą wodociągową, ponieważ w wyniku działania
pompy cyrkulującej nadawę/retentat medium ulega podgrzaniu. Roztwór serwatki o objętości
30 L wlewamy do zbiornika zasilającego (stężenie zostanie podane przez prowadzącego). Po
włączeniu pompy łopatkowej (wirowej), co jest równoznaczne z rozpoczęciem prowadzenia
procesu, uruchamiamy stoper. W trakcie procesu mierzymy strumień permeatu (co 20 min),
stężenie laktozy oraz białek serwatkowych w permeacie i retentacie, odczytujemy temperaturę
i strumień retentatu oraz ciśnienie transmembranowe.
Układ dodatkowo wyposażony jest w funkcję back – pulsing’u, co zmniejsza niekorzystny
efekt fouling’u, który automatycznie włącza się po uruchomieniu instalacji.
Oznaczanie stężenia białka odbywa się na podstawie analizy Lowry’ego wg krzywej
standardowej
(wykonanej
na
podstawie
komercyjnego
koncentratu
białkowego
firmy
-1
„Olimp”): CB (g·L ) = 0.296 . A750nm . Natomiast stężenia laktozy na podstawie analizy DNS
wg krzywej standardowej CL (g·L-1 ) = 2.182 . A550nm.
Metoda Lowry’ego:
1.
2.
3.
Do 0,5 ml próbki r-ru białka dodajemy 0,5 ml odczynnika Lowry’ego – czekamy 20 min
Do pkt.1 dodajemy 0,25 ml odczynnika Foilin’a – czekamy 30 min
Pamiętamy o wykonaniu kontroli na wodzie.
Metoda DNS:
1.
2.
3.
Do 0,5 ml próbki r-ru laktozy dodajemy 1,5 ml odczynnika DNS – inkubujemy przez 5 min w 100˚C
Po 5 min chłodzimy próbkę i czekamy kolejne 25 min – przed pomiarem (po 30 min) dodajemy 8 ml
wody
Pamiętamy o wykonaniu kontroli na wodzie.
Po zakończeniu procesu instalację należy usunąć pozostałości serwatki ze zbiornika
zasilającego. Następnie do zbiornika wlać 2% NaOH i myć przez 0,5h, a następnie (po
ponownym usunięciu reszty NaOH) przez 0,5h wodą, do momentu uzyskania wyjściowego
natężenia przepływu permeatu.
4. OBLICZENIA
W ramach sprawozdania należy :
 Przedstawić zależność stężenia białek i laktozy w permeacie i retentacie od czasu;
 Przedstawić ewentualną zmienność parametrów procesowych (temperatura, ciśnienie,
strumień permeatu oraz retentatu) w czasie;
 Zbilansować układ;
 Policzyć strumień permeatu i przedstawić jego zależność od czasu.
Opracowała: Dr inż. Magdalena Lech