Электрохимическая коагуляция белков молочной сыворотки

Известно, что сыворотка молочная, вернее, сывороточные протеины (белки) относятся к самым ценным белкам для человека. Еще в Древней Греции сыворотка считалась лечебным продуктом. Гиппократ ценил целительные свойства сыворотки и рекомендовал ее против туберкулеза, желтухи, кожных болезней.
В средние века сыворотка применялась многими врачами против самых разных болезней. Она содержат оптимальный набор незаменимых аминокислот, необходимых для организма животного. Однако в Беларуси на промышленной основе перерабатывают  не более 20% сыворотки.
Решение проблемы более полноценного использования белка сыворотки по-своему рассматривает старший преподаватель Белорусского государственного аграрного технического университета Д.И. Кривовязенко. По его мнению, совершенствование технологии промышленной переработки сыворотки могло бы дополнительно дать народному хозяйству до 9 тыс. тонн высокоценного белка, снизить отрицательное воздействие сточных вод молочных предприятий на окружающую среду.
Известные способы коагуляции белка позволяют выделить не более
60 %.  Все это доказывает как с экономической, так и с экологической точек зрения необходимость и целесообразность разработки способа позволяющего наиболее полно (80…90 %) извлечь белок из молочной сыворотки.
Наиболее перспективным способом, по нашему мнению, является электрохимическая коагуляция. Сущность способа заключается в создании концентрации анионов и катионов, соответствующей  изоэлектрической точке коагуляции белков путем пропускания электрического тока через молочную сыворотку, размещенную между электродами разделенными ионопроницаемой мембраной.
Согласно общепринятой физической теории коагуляции устойчивость коллоидной системы зависит от соотношения энергий межмолекулярного притяжения WМ, электрического отталкивания WЭ, диполь-дипольного взаимодействия частиц WД.
Суммарная энергия взаимодействия двух частиц  
                                           .                                        (1)
   В уравнении (1) принимаем энергию отталкивания положительной, а энергию притяжения – отрицательной.
  Для двух сферических частиц энергия электростатического отталкивания
                 ,                         (2)
где  - диэлектрическая проницаемость вакуума, Ф/м; - относительная диэлектрическая проницаемость коллоидной среды; R – газовая постоянная, Дж/моль•К;  – температура, К;  - полный потенциал, В; zi – валентность i-го иона; e – заряд электрона, Кл; k – постоянная Больцмана, Дж/К; F – число Фарадея, Кл • моль-1; а – размер частицы, м; S – относительное расстояние между частицами;  - параметр Дебая – Гюккеля, м-1.
              Энергия межмолекулярного притяжения
                              ,                      (3)
где А - постоянная Гамакера, Дж.
           Энергия диполь – дипольного взаимодействия
                   ,                             (4)
где  E – напряженность внешнего электрического поля, В/м.
Исходя из (1)…(4) коагуляция наступает тогда, когда суммарная энергия межмолекулярного и диполь-дипольного притяжения (WМ+WД ) превысит энергию электростатического отталкивания (WЭ), или же общая энергия системы (W)  станет меньше нуля.      
Суммарная энергия взаимодействия белковых молекул W зависит от ряда факторов, важнейшие из которых – температура коагуляции Т и электрокинетический потенциал ζ. Снижение дзета – потенциала менее энергоемко, чем повышение температуры. Величина электрокинетического потенциала зависит от концентрации анионов и катионов в среде. Следовательно, изменяя рН молочной сыворотки, можно воздействовать на значение ζ – потенциала, а значит, на суммарную энергию взаимодействия молекул белка и, в конечном счете, на процесс коагуляции.
Изменить рН среды можно постоянным электрическим током, регулируя количество электричества Q, при определенном значении которого белок переходит в изоэлектрическое состояние, наиболее благоприятное для его коагуляции, то есть, варьируя величину Q, мы можем воздействовать на значение электрокинетического потенциала и тем самым контролировать коагуляционные процессы. Экспериментальные исследования подтверждают данные теоретические выкладки.
Молочную сыворотку обрабатывали постоянным электрическим током в  электрокоагуляторе, разделенном мембранной перегородкой, варьируя количество электричества в необходимом диапазоне, что изменяло pH среды в пределах (3,0…11).
   Как показывают экспериментальные исследования,) наибольший выход белка (90…95 %) при рН = 8…9, что соответствует изоэлектрической точке коагуляции белков молочной сыворотки. Увеличение Q до 6000 Кл•кг-1 приводит к максимальной   коагуляции, что обусловлено воздействием Q на величину водородного показателя. Происходит слияние клубков белка, увеличение их веса, что приводит к выпадению в осадок (коагуляция). Дальнейший рост количества электричества не вызывает увеличения выхода белка.
Таким образом электрохимическая коагуляция позволяет выделить 90…95% белков, при температуре не выше 30 0С, при этом энергоемкость не превышает 0,12 МДж/кг, что снижает энергоемкость процесса в 2…3 раза по сравнению с известными способами.