Лабораторное устройство для ультразвуковой дезинтеграции дрожжей

 

Изобретение относится к пищевой промышлености, а именно к устройствам для дезинтеграции различных биологических материалов, в частности молочных, пекарских и пищевых дрожжей при получении биологически активных добавок. Изобретение позволяет повысить надежность процесса ультразвуковой дезинтеграции дрожжей за счет изоляции этих микроорганизмов от внешней среды и осуществления контроля воспроизводимости и завершенности процесса. Лабораторное устройство содержит ультразвуковой генератор с выносным излучателем. Излучатель помещен в термостатируемую проточную ячейку, выполненную в виде трубчатого U - образного элемента. Трубчатый U - образный элемент соосно установлен в термостатируемый стакан с промежуточной средой и соединен с линией подачи суспензии в замкнутый контур. В промежуточной среде дополнительно помещены датчик интенсивности ультразвукового воздействия и термометр. В линию подачи суспензии между трубчатым U - образным элементом и перистальтическим насосом установлен оптоэлектронный датчик. 2 ил.

Изобретение относится к пищевой промышленности, а именно к устройствам для дезинтеграции различных биологических материалов, в частности, молочных, пекарских и пищевых дрожжей при получении биологически активных пищевых добавок.

Оно может быть использовано в микробиологической промышленности и животноводстве.

Известна конструкция лабораторного устройства, предназначенного для ультразвуковой дезинтеграции различных микроорганизмов с целью выделения внутриклеточных ферментов [1]. Это устройство состоит из ультразвукового генератора с выносным излучателем, рабочая часть которого погружена в суспензию микроорганизмов, находящуюся в стеклянном или металлическом стакане, который в сою очередь помещен в стеклянный или металлический стакан большей вместимости с кубиками льда для охлаждения суспензии микроорганизмов. С целью исключения перегрева и инактивации ферментов, выделяющихся при разрушении микроорганизмов, помимо охлаждения суспензии применяют и периодический режим ультразвуковой обработки: включение генератора на 30-60 сек - выключение на 60 сек - включение на 30-60 сек и т.д.

Недостатками такого устройства являются: периодический способ обработки суспензии микроорганизмов; контакт суспензии и готового дезинтеграта с кислородом воздуха, металлом рабочей части излучателя и стакана, в результате чего биологически активные вещества могут терять свои свойства за счет окисления и загрязнения ионами металла, железо, в частности, способствует активизации окислительно-восстановительных процессов в биологических системах, а также активизации ряда ферментов [2], что нежелательно при получении дезинтегратов микроорганизмов; возможность контаминации дезинтеграта посторонней микрофлорой воздуха и наоборот окружающей среды микроорганизмами обрабатываемой ультразвуком суспензии за счет их аэрозолирования на границе раздела фаз; отсутствие надежного термостатирования суспензии с постоянным контролем ее температуры; отсутствие контроля интенсивности ультразвукового воздействия на суспензию, что необходимо для оперативной регулировки силы тока в цепи: генератор - излучатель в случаях выхода устройства на рабочий режим, дрейфа электрических параметров в процессе работы, при нагреве или износе механических частей излучателя; отсутствие контроля завершенности процесса.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является устройство для ультразвукового разрушения микроорганизмов-загрязнителей, контаминирующих молоко и жидкие молочные продукты (ультразвуковая стерилизация) [3] . Устройство содержит ультразвуковой генератор с выносным излучателем, рабочая часть которого помещена в молочный продукт, проходящий через термостатируемую проточную ячейку, в которой и осуществляется ультразвуковая обработка, линию подачи продукта и насос. Металлический проточный элемент термостатируемой ячейки может иметь различную форму: кубическую, цилиндрическую горизонтальную, цилиндрическую вертикальную с коническим днищем.

Контроль завершенности процесса осуществляется ретроспективно с использованием микробиологических методов определения микроорганизмов-загрязнителей.

Недостатками данного устройства являются: контакт молочного продукта с металлом рабочей части излучателя и проточного элемента, в результате чего возможно загрязнение продукта ионами металла; отсутствие контроля интенсивности ультразвукового воздействия на молочный продукт, что не позволяет судить о стабильности и воспроизводимости процесса в течение цикла и от цикла к циклу; отсутствие оперативного контроля завершенности процесса.

Перечисленные факторы в значительной мере определяют надежность процесса ультразвуковой дезинтеграции микроорганизмов без ухудшения качества продукта.

Целью изобретения является повышение надежности процесса ультразвуковой дезинтеграции дрожжей за счет изоляции их суспензии от металлических частей элементов установки и осуществления контроля воспроизводимости и завершенности процесса.

Поставленная цель достигается тем, что в лабораторном устройстве для ультразвуковой дезинтеграции дрожжей, содержащем ультразвуковой генератор с выносным излучателем, помещенным в термостатируемую проточную ячейку, линию подачи суспензии дрожжей и насос, термостатируемая проточная ячейка выполнена в виде трубчатого U-образного элемента из нейтрального материала, установленного соосно в термостатируемый стакан с промежуточной средой, в которую помимо выносного погружного излучателя помещен датчик интенсивности ультразвукового воздействия и термометр, причем трубчатый U-образный элемент соединен с выполненной из нейтрального материала линией подачи суспензии в замкнутый контур, а в линию подачи суспензии между трубчатым U-образным элементом и перистальтическим насосом установлен оптоэлектронный датчик.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается тем, что термостатируемая проточная ячейка содержит трубчатый U-образный элемент из нейтрального материала, по которому происходит подача суспензии дрожжей в поле действия ультразвука. Между этим элементом и рабочей частью излучателя находится промежуточная среда, через которую передается энергия ультразвука от излучателя к суспензии, что исключает контакт суспензии с металлом излучателя. Выполненная из нейтрального материала линия подачи суспензии представляет собой замкнутый контур, что позволяет многократно подвергать единичную порцию суспензии действию ультразвука, предохраняя ее от перегрева и достигая максимальной дезинтеграции клеток дрожжей. Перемещение суспензии по линии ее подачи осуществляется с помощью перистальтического насоса, что также позволяет исключить ее контакт с металлом при использовании насосов другого типа. Контроль воспроизводимости процесса осуществляется с помощью датчика интенсивности ультразвукового воздействия, рабочая часть которого помещена в промежуточную среду, находящуюся в проточной термостатируемой ячейке, а контроль завершенности процесса - с помощью оптоэлектронного датчика, расположенного на линии подачи суспензии, причем использование такого датчика имеет смысл только при наличии замкнутого контура подачи суспензии.

Применение указанных элементов конструкции лабораторного устройства обеспечивает повышение надежности процесса ультразвуковой дезинтеграции дрожжей.

Сравнение заявляемого решения с другими помимо прототипа и аналога техническими решениями показывает, что пьезоэлектрические и магнитоэлектрические датчики интенсивности ультразвука [4] , нефелометры и спектрофотометры (оптоэлектронный датчик), используемые для измерения оптической плотности растворов и мутности суспензий [5], широко известны, но введение их в заявляемое лабораторное устройство позволяет повысить надежность процесса ультразвуковой дезинтеграции дрожжей.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 представлена схема лабораторного устройства для ультразвуковой дезинтеграции дрожжей с продольным сечением проточной термостатируемой ячейки.

На фиг. 2 изображен график зависимости изменения оптической плотности суспензии дрожжей от продолжительности ультразвуковой обработки.

Лабораторная установка (фиг. 1) содержит трубчатый U-образный элемент 1, установленный соосно в охлаждаемый водопроводной водой (термостатируемый) стакан с двойными стенками 2 с промежуточной средой 3, которые и формируют собственно проточную термостатируемую ячейку. В промежуточную среду 3 погружены: рабочая часть пьезокерамического элемента (датчик интенсивности ультразвукового воздействия) 4, подключенного к вольтметру 5; рабочая часть погружного выносного излучателя 6, подключенного к ультразвуковому генератору 7, и термометр 8. Трубчатый U-образный элемент 1 соединен с линией подачи суспензии 9, представляющей собой замкнутый контур, в состав которого включены втулка 10 и проточная оптическая кювета спектрофотометра 12 (оптоэлектронный датчик), подключенного к самописцу 13. Циркуляция суспензии дрожжей по линии подачи производится с помощью перистальтического насоса 11.

Установка работает следующим образом. Линию подачи суспензии 9 размыкают в месте монтажа втулки 10, которую погружают в стеклянный стакан с суспензией дрожжей, включают перистальтический насос 11 и полностью заполняют линию подачи 9 суспензией, избегая попадания пузырей воздуха, перистальтический насос 11 отключают, линию подачи 9 замыкают. Включают подачу холодной воды в термостатируемый стакан 2, включают вольтметр 5 и спектрофотометр 12. Через 15-20 мин. после стабилизации температуры промежуточной среды в интервале 17-25^oC, измеряемой с помощью термометра 8, и стабилизации показаний спектрофотометра 12 включают перистальтический насос 11, самописец 13 и ультразвуковой генератор 7. По показаниям вольтметра 5 с помощью соответствующей ручки на панели ультразвукового генератора 7 регулируют силу тока в цепи: ультразвуковой генератор 7 - излучатель 6.

В процессе дезинтеграции дрожжей происходит уменьшение оптической плотности суспензии, измеряемой при длине волны 630 нм [5], наступает так называемое "просветление" (фиг. 2). Время начала резкого уменьшения оптической плотности суспензии соответствует началу разрушения клеток дрожжей 1, а время наступления стабилизации оптической плотности 2 - завершению процесса дезинтеграции. Эти изменения оптической плотности регистрируются спектрофотометром 12 и записываются в виде изменения напряжения на диаграммной ленте самописца 13. Через 0,5 - 1 мин. после стабилизации оптической плотности по достижения времени 2 отключают ультразвуковой генератор 7, вольтметр 5, спектрофотометр 12, самописец 13 и перистальтический насос 11. Линию подачи продукта 9 размыкают в месте монтажа втулки 10, включают перистальтический насос 11 и полученный дезинтеграт дрожжей сливают в стеклянный стакан. Линию подачи суспензии 9 промывают дистиллированной водой, взятой в количестве 200-250 см³, перистальтический насос 11 выключают, линию подачи замыкают.

В случае повышения температуры промежуточной среды в проточной термостатируемой ячейке в процессе дезинтеграции дрожжей свыше 55^oC (термометр 8) на 1-2^oC допускается временное отключение ультразвукового генератора 7. После снижения температуры до 35-40^oC ультразвуковой генератор 7 включают и при необходимости по показаниям вольтметра 5 корректируют силу тока в цепи: ультразвуковой генератор 7 - излучатель 6, продолжая ультразвуковую обработку суспензии дрожжей.

Рассмотрим в качестве примера реализацию лабораторного устройства для дезинтеграции пекарских дрожжей. Водную суспензию брикетированных пекарских дрожжей с концентрацией 1,0 - 1,2 г/дм³ и исходной оптической плотностью 2,0 - 2,5 ед. опт. плотн. с помощью перистальтического насоса 11, например, "Вариоперпекс" фирмы ЛКБ Швеция через стеклянную втулку 10 диаметром 6 мм со скоростью 20 см³/мин. Закачивают в линии подачи суспензию 9, выполненную из силиконового шланга диаметром 6 мм и общей вместимостью примерно 40-45 см³. Ультразвуковая дезинтеграция дрожжей осуществляется при частоте 20 кГц с помощью лабораторного ультразвукового диспергатора УЗДН-1, состоящего из ультразвукового генератора 7 и выносного погружного магнитострикционного излучателя 6. Частота ультразвука 20 кГц выбрана экспериментально, диспергатор УЗДН - 1 может работать на частоте 18, 20 и 22 кГц, но при частоте 20 кГц время разрушения дрожжей минимально, т.е. эта частота для данного объекта является резонансной. Рабочая часть излучателя 6 находится в дистиллированной воде, используемой в качестве промежуточной среды 3 в термостатируемой проточной ячейке, состоящей из металлического или пластмассового стакана с двойными стенками 2 вместимостью 250 - 300 см³, например, термостатируемого стакана из комплекта принадлежностей к лабораторному pH-метру тип pH-121. В дистиллированную воду 3 погружена также рабочая часть лабораторного ртутного термометра 8 с диапазоном измерений температуры 0 - 100^oC и рабочая часть пьезокерамического элемента 4, представляющего собой, например, звукосниматель от электрофона "Концертный". Пьезокерамический элемент 4 подключен к универсальному цифровому вольтметру 5 тип AB- 16-8, работающему в импульсном режиме измерения напряжения в диапазоне 0-10 мВ. Термостатируемая проточная ячейка, излучатель 6, термометр 8, звукосниматель 4 крепятся с помощью зажимов и монтируются на универсальном физическом штативе.

В процессе ультразвуковой обработки суспензии дрожжей показания вольтметра 5 должны находиться в интервале 5,0-5,2 мВ, при этом стрелка амперметра ультразвукового генератора 7 находится примерно в последней трети шкалы.

При дезинтеграции дрожжей происходит разрушение клеток в суспензии, в результате чего ее оптическая плотность падает с 2,0-2,5 до примерно 0,7-1,0 ед. опт. плотн. , что регистрируется спектрофотометром 12, например, тип СФ-16, оснащенным проточной оптической кюветой, например фирмы ЛКБ Швеция вместимостью 0,15 см³, по которой циркулирует суспензия дрожжей. Изменение оптической плотности в виде изменения напряжения регистрируются на ленте самописца тип КСП, подключенного к спектрофотометру 12.

Общая продолжительность процесса дезинтеграции одной порции суспензии равной объему линии подачи суспензии, т.е. 40-45 см³, составляет примерно 4-5 мин (достижение времени 2, фиг. 2 и прибавление 0,5-1 мин, чтобы убедиться в том, что оптическая плотность стабилизировалась). В случае превышения температуры дистиллированной воды 3 в проточной термостатируемой ячейке свыше 55^oC и временном отключении ультразвукового генератора 7 продолжительность процесса может составлять 6-7 мин.

По окончании процесса ультразвуковой обработки суспензии дрожжей все приборы отключают, линию подачи суспензии 9 размыкают в месте нахождения втулки 10, перистальтический насос 11 включают и готовый продукт сливают в стеклянный стакан. Линию подачи суспензии промывают дистиллированной водой.

Экспериментальные исследования выполненные на заявляемой лабораторной остановке показали, что по сравнению с устройствами аналогичного назначения (аналог, прототип) заявляемое устройство позволяет повысить надежность ультразвуковой обработки продукта за счет его изоляции от окружающей среды, осуществления контроля интенсивности ультразвукового воздействия (контроль воспроизводимости процесса) и контроля изменения оптической плотности в процессе дезинтеграции (контроль завершенности процесса).

Заявляемое устройство может быть использовано для получения дезинтегратов клеток органов и тканей животных, например, печени, почек, селезенки и легких при разработке пищевых добавок, а также с помощью этого устройства может проводиться скрининг литических агентов, используемых для ускорения процесса автолиза или ферментолиза дрожжей, могут отрабатываться условия получения полуфабрикатов кормовых добавок из микроорганизмов, не применяющихся для получения пищевых продуктов.

Источники информации:
1. А. Г. Лобанок и др., Биотехнология микробных ферментов, Мн., Наука и техника, 1989, с. 148-149.

2. А. А. Подколзин и др., Иммунитет и микроэлементы, Аламанда, 1994, с. 14.

3. WO 93/13674 AI, 22.07.93.

4. И. А.Рогов и др., Физические методы обработки пищевых продуктов, М., Пищевая промышленность, 1974, с.498-505.

5. Д.Фрайдрайзер, Физическая биохимия, М., Мир, 1980, с. 393-394.

Формула изобретения

\ \ \1 Лабораторное устройство для ультразвуковой дезинтеграции дрожжей, содержащее ультразвуковой генератор с выносным излучателем, помещенным в термостатируемую проточную ячейку, линию подачи суспензии дрожжей и насос, отличающееся тем, что термостатируемая проточная ячейка выполнена в виде трубчатого U-образного элемента, установленного соосно в термостатируемый стакан с промежуточной средой, в которую помимо выносного погружного излучателя помещены датчик интенсивности ультразвукового воздействия и термометр, причем трубчатый U-образный элемент соединен с линией подачи суспензии в замкнутый контур, а в линию подачи суспензии между трубчатым U-образным элементом и перистальтическим насосом установлен оптоэлектронный датчик.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2