Деколоризація цукрового сиропу з використанням активованого вугілля та глюкозооксидази (частина 2)

 

За матеріалами статті на тему «Деколоризація бурякоцукрового сиропу з використанням активованого вугілля та ферменту глюкозооксидази» («Decolorization of beet sugar syrup using activated carbon and glucose oxidase enzyme») хімічного журналу Молдови (Chemistry Journal of Moldova). Загальна, промислова та екологічна хімія. 2020, 15(2).

Вплив норми ферменту глюкозооксидази (GOx)

Щоб дослідити вплив норми ферменту глюкозооксидази (GOx) на процес деколоризації, дослідження проводилися при 20 ммоль глюкози, 0,01 г гранульованого активованого вугілля (АВ) та різних нормах GOx (0,05, 0,07, 0,1, 0,3 г). Як показано на Рис. 3, швидкість знебарвлення збільшується за рахунок збільшення норми GOx з 0,05 до 0,07 г.

Однак у випадку більших концентрацій ферменту глюкозооксидази (GOx) швидкість деколоризації бурякоцукрового сиропу зменшується. Швидкість виробництва пероксиду водню прямо пропорційна нормі GOx. Збільшуючи концентрацію GOx, посилюється генерація перекису водню, що призводить до підвищення ефективності знебарвлення за рахунок збільшення кількості наявних активних форм кисню. Однак надмірна кількість перекису водню згубна для гідроксильних радикалів, як показано в реакціях рівнянь (5,6). 

H2O2 + OH → H2O + OH2 (5)

HO2 + OH → H2O + O2 (6)

У випадку більших концентрацій перекис водню діє як поглинач гідроксильних радикалів, гальмуючи окислювальні властивості, необхідні для розкладання органічних сполук.

Вплив температури

Вплив робочої температури на ефективність деколоризації бурякоцукрового сиропу з використанням активованого вугілля (АВ) (0,01 г) та ферменту глюкозооксидази (GOx) досліджували шляхом проведення експериментів при різних значеннях температури 15, 25, 30 та 35°С. Під час цих експериментів початкові значення GOx та глюкози були встановлені на рівні 0,07 г та 20 ммоль відповідно. Ефективність процесу деколоризації при різних значеннях температури зображена на Рис. 4, де показано, що за рахунок підвищення температури з 15 до 30°C збільшується швидкість знебарвлення, що можна пояснити посиленням ферментативної активності при більш високих значеннях температури. Підвищення температури реакції до 35°С сприяло дезактивації ферменту, що призвело до зниження виходу перекису водню. Для порівняння слід зазначити, що традиційний метод сульфітації для знебарвлення сиропу необхідно проводити при температурі від 100 до 105°C, тоді як процес карбонізації виявив найбільшу ефективність при 80°C.

Кампіол, Дж. Л. М. та ін. використовували штучні нейронні мережі для знебарвлення цукрового сиропу з використанням комерційного перекису водню і досягли оптимальної ефективності при температурі 50°C. Запропонований метод AВ/GOx досягнув оптимальної ефективності знебарвлення бурякоцукрового сиропу при температурі 30°C, збільшивши рентабельність та енергоефективність процесу. 

Вплив рН розчину

РН розчину має значний вплив на активність ферменту, так як глюкозооксидаза (GOx) виявляє найвищу ферментативну активність при рН 5,5. Однак адсорбційна здатність органічних речовин на активованому вугіллі (АВ) сильно залежить від рН розчину. Крім того, адсорбція перекису водню на активованому вугіллі (АВ) необхідна для його розкладання та утворення гідроксильних радикалів, які також залежать від рН. Отже, визначення оптимального рН необхідне для досягнення найкращої ефективності знебарвлення (деколоризації). Експерименти зі знебарвлення проводилися в діапазоні рН від 5 до 8, значення субстрату, дози GOx та АВ регулювалися відповідно до 20 ммоль, 0,07 г та 0,01 г, а процес проводився при температурі 30°C. Згідно з даними на Рис. 5, було виявлено, що рН 7 є оптимальним значенням для процесу знебарвлення, яке забезпечує найкращу комбінацію адсорбції барвників на поверхні активованого вугілля (АВ) та їх окислення активними формами кисню, що утворюються при розкладанні перекису водню. Схвалення процесів, що беруть участь в AВ/GOx при нейтральному рН, виключає процес нейтралізації, що робить цей метод ще більш привабливим, у порівнянні зі звичайними методами деколоризації.

Звичайна сульфітація та карбонізація проводяться при рН у межах 3,8-4,2 та 8-9,5 відповідно, що вимагає проведення подальших обробок сиропу в технологічній схемі.

Дослідження повторного використання активованого вугілля (АВ) з вільним ферментом глюкозооксидази (GOx)

Стійкість хімічного процесу є важливим параметром для можливості його практичного застосування. Повторне використання каталізатора також є важливим фактором, що впливає на стійкість та економічну ефективність процесу. Каталізатори, як правило, втрачають свою каталітичну активність через зміну їхніх фізіохімічних властивостей та фізичної адсорбції хімічних з’єднань на їх поверхні, що погіршує їх загальну продуктивність. Для того, щоб визначити повторне використання активованого вугілля (АВ) у комбінованому ферментативному процесі, знебарвлення сиропу проводилося за оптимальних умов процесу. Після цього частинки активованого вугілля (АВ) вилучалися з реакційного середовища і висушувалися в печі при 40°С протягом 30 хв. Перероблені частинки АВ використовувалися у двох додаткових циклах знебарвлення по 120 хв разом із свіжим ферментом глюкозооксидази (GOx). Ефективність знебарвлення переробленого активованого вугілля (АВ) була майже стабільною протягом трьох послідовних циклів, знизившись з 83,68% до 82,06% та до 80,22% відповідно після другого та третього циклів; демонструючи непомітне зниження на 3,46% під час останнього циклу. Перспективність багаторазового використання активованого вугілля (АВ) можна пояснити наявністю вільних радикалів у середовищі, які здатні розкладати адсорбовані органічні сполуки за допомогою АВ.

Вплив іммобілізації ферменту глюкозооксидази (GOx)

Процес знебарвлення сиропу досліджували з використанням іммобілізованого ферменту глюкозооксидази (GOx) на частинках активованого вугілля (АВ). Досліди проводилися за оптимальних умов, визначених у попередніх розділах. Результати даних експериментів показані на Рис. 6. Максимальна ефективність знебарвлення за допомогою іммобілізованого ферменту глюкозооксидази (GOx) знизилася, порівняно з вільним ферментом, з 83,63 до 67,34%.

Зниження ефективності знебарвлення можна пояснити падінням активності GOx у відповідь на іммобілізацію, яка є життєво важливим процесом для промислового застосування через його переваги, пов'язані з впровадженням іммобілізованих ферментів, а також повторним використанням, легшим розділенням та більшою стабільністю. Іммобілізовані каталізатори AВ/GOx дали прийнятну ефективність знебарвлення, що може збільшити їх застосування.

Висновки

У даному дослідженні було запропоновано новий комбінований метод знебарвлення (деколоризації) бурякоцукрового сиропу з використанням гранул активованого вугілля (АВ) та ферменту глюкозооксидази (GOx).

Одночасна наявність ферменту глюкозооксидази (GOx) та адсорбція органічних барвників на поверхні частинок активованого вугілля (АВ) призвели до швидкого знебарвлення бурякоцукрового сиропу.

Визначені оптимальні умови (норма GOx 0,7 г, концентрація глюкози 20 ммоль, рН 7 і температура 30°С) показали результат знебарвлення на рівні 83,68%, досягнутий через 120 хв, що було значно вище, ніж за рахунок простої адсорбції активованим вугіллям (АВ).

Крім того, з використанням частинок активованого вугілля (АВ), іммобілізованих GOx, ефективність знебарвлення сиропу склала 67,34%, що сприяє стійкості усього процесу. Запропонований метод знебарвлення досягнув своєї максимальної продуктивності при нейтральному pH та температурі 30°C, що можна вважати ідеальною умовою з економічної та промислової точки зору, порівняно з традиційними методами, такими як процес сульфітації, який проводиться в кислому середовищі (рН 4) при температурі 100°С. Крім того, перекис водню було отримано екологічно чистим способом за допомогою біологічного процесу, що покращує безпеку виробництва.

Повторне використання частинок активованого вугілля (АВ) під час знебарвлення сиропу було досліджено після трьох послідовних циклів, що показало непомітне зниження на 3,46% в останньому циклі. Зрештою, багатообіцяюче використання частинок АВ та можливість іммобілізації ферменту, у поєднанні з вищезгаданими перевагами, зробили новий комбінований метод деколоризації цукрового сиропу з використанням гранул активованого вугілля (АВ) та ферменту глюкозооксидази (GOx) достойною заміною традиційним методам знебарвлення. 

 


940