СИНТЕЗ ПЕНООБРАЗОВАТЕЛЯ НА ОСНОВЕ КЕРАТИНА ШЕРСТИ

СИНТЕЗ ПЕНООБРАЗОВАТЕЛЯ НА ОСНОВЕ КЕРАТИНА ШЕРСТИ

Оспанова Жанар Бесембаевна

канд. хим. наук, доц. Казахского национального университета им. аль-Фараби,

 Казахстан, г. Алматы

Мамыр Куандык

магистрант Казахского национального университета им. аль-Фараби,

 Казахстан, г. Алматы

Мусабеков Куанышбек Битуович

д-р. хим. наук, проф. Казахского национального университета им. аль-Фараби,

 Казахстан, г. Алматы

Шерсть на 90% состоит из кератина фибриллярной структуры [1, 2], который имеет α-спиральную форму (тройная сплетенная спираль). В ее состав входят от 20 до 23 аминокислот. Основная аминокислота цистин, пептидные остатки ее содержат дисульфидные связи, которые сшивают удаленные друг от друга остатки одной и той же цепи или различные полипептидные цепи. Эти сшивки придают кератинсодержащему белку нерастворимость в воде [1, 2].

В зависимости от назначения конечного продукта предложено значительное многообразие способов деструкции кератинового сырья, которые позволяют перевести кератин в растворимую форму.

Одним из широко используемых способов деструкции кератина является гидролиз в присутствии денатурирующих агентов – кислот, щелочей, а также солей, которые при растворении в воде гидролизуются с образованием щелочей. Пенообразователи, полученные в результате гидролиза кератинового сырья, являются природными ПАВ, а их растворы лиофильными коллоидами. На межфазных границах они способны образовать тонкие слои и пленки, формирующиеся в результате поверхностных явлений (монослои, адсобционные слои, несимметричные, смачивающиеся пленки и симметричные, двухсторонние тонкие пленки) [3]. Такие пенообразователи находят широкое применение в пожаротушении и строительстве для производства пенобетона.

Цель данной работы состояла в определении оптимальной температуры реакции гидролиза кератинсодержащего сырья (овечьей шерсти), обеспечивающей получение качественного пенообразователя в зависимости от условий их получения.

Нами был предложен способ получения белкового пенообразователя, включающим щелочной гидролиз белоксодержащих материалов до рН 11-13 при повышенной температуре, нейтрализацию, стабилизацию, но в отличие от известных ранее способов в качестве белоксодержащего материала использовали овечью шерсть.

Растворимость кератина в щелочи зависит от концентрации исходных веществ, длительности обработки, температуры.

Для установления влияния температуры на процесс гидролиза исследования проводили при температуре 353, 403, 433K при неизменных других параметрах. По окончании каждой реакции из нейтрализованных образцов гидролизата получали пену и исследовали её устойчивость. Результаты исследований  влияния температуры на качество пенообразователя представлены на рисунке 1.

Рисунок 1. Зависимость выхода продуктов реакции гидролиза от температуры при концентрации NаOH в исходной смеси:

1 - 1%; 2 – 3%; 3 – 5%

Как видно и этих данных увеличение концентрации щелочи приводит к уменьшению непрореагировавшей шерсти (остатка) и более полному выходу гидолизата ≈88%, увеличение температуры свыше 403K не приводит к существенному улучшению качества пенообразователя, ведет к дополнительному перерасходу электроэнергии, поэтому повышение температуры свыше 403K является нецелесообразным, т.к. при этой температуре происходит почти полное растворение сырья и достигается требуемое качество гидролизата. При более низкой температуре в смеси много непрореагировавших остатков, а проведение гидролиза при более высокой температуре ведет к дополнительному расходу энергии и на качество полученного продукта существенного влияния не оказывает.

Установлено оптимальное время гидролиза - 5-6 часов. При сокращении времени проведения гидролиза в продукте присутствуют остатки нерастворившейся шерсти, что указывает на то, что продолжительность гидролиза была недостаточной и реакция прошла не до конца. При увеличении времени гидролиза полученный продукт становится вязким  и в нем появляются сгустки, что является нежелательным.

Проведение гидролиза до рН ниже 11 не позволяет провести реакцию до конца, а повешение рН свыше 13 ведет к нецелесообразному перерасходу щелочи. Нейтрализация до значения рН=8,5-9 раствором серной кислоты дает необходимую кратность пены, а стабилизация до значений рН 6-6,5 дает необходимую устойчивость пены. Кроме того использование растворов  с нейтральным рН позволяет получить экологически безопасный пенообразователь и возможность его хранения в любой таре.

Таким образом, в результате проведенных исследований была установлена оптимальная температура реакции - 403K гидролиза кератинсодержащего сырья, обеспечивающего получение качественного пенообразователя. Проведенные ИК-спектроскопические исследования показали идентичность образцов кератиновых пенообразователей, полученных при 403К и 433K. Это исключает необходимость проведения гидролиза при более высоких температурах.  Предполагаемая структура образцов соответствует содержанию в них α-спиральной конфигурации укладки цепей и наличию в образцах аминокислот с пептидной связью.

Эти исследования позволили предложить способ получения белкового пенообразователя гидролизом шерсти [4]. Способ осуществляют следующим образом.

Кератинсодержащее сырье –  предварительно очищенную от мусора и других примесей овечью шерсть разваривают в водном растворе едкого натра при температуре 120-130°С в течение 5-6 часов (кератинсодержащее сырье не требует измельчения, в процессе гидролиза наблюдается гомогенизация раствора уже через 2 часа). После окончания гидролиза раствор охлаждают до комнатной температуры. Полученный гидролизат нейтрализуют технической серной кислотой до рН 8,5-9 и стабилизируют железом закисным сернокислым (FeSO₄*7H₂O) до рН 6-6,5 и в таком виде используют.

 Для определения пенообразующей способности и устойчивости пены через раствор пенообазователя пропускают воздух в течение 1 минуты и фиксируют объем полученой пены через определенные промежутки времени.

Предложенный способ обеспечивает получение белкового пенообразователя, позволяющего получать устойчивые и высокократные пены, пригодные по своим свойствам для производства пенобетонов и для пожаротушения.

Данные по исследованию устойчивости пены, полученой из кератинового пенообразователя, стабилизированного сульфатом железа представлены на рисунке 2.

Установлено, что наиболее эффективным оказалось добавление двухвалентного сульфата железа FeSO₄ в пенообразующий состав от 5 до 25 мас %. Дальнейшее повышение содержания соли свыше 25% в растворе приводит к высаливанию поверхностно-активного компонента в осадок, что снижает его концентрацию в системе, вызывает уменьшение пенообразования и устойчивости пен.

Рисунок 2. Влияние FeSO₄ на устойчивость пен, полученных из кератиновых гидролизатов, синтезированных при 433 К  (5% NaOH)

Таким образом, был предложен способ синтезa новых пенообрaзовaтелей нa основе широко доступного отечественного сырья – керaтинa шерсти. Устaновлено, что пенообрaзовaние водных рaстворов керaтиновых пенообрaзовaтелей зaвисит от соотношения керaтинового сырья, щелочи, темперaтуры и времени проведения процессa. Устaновлены оптимaльные пaрaметры гидролизa керaтинсодержaщего сырья (шерсти), обеспечивaющего получение кaчественного продуктa: продолжительность процессa – 5 чaсов, концентрaция рaстворa реaгентa NaOH – 5%, темперaтурa реaкции – 403 - 433 К.  Состaв и строение гидролизaтов керaтинa шерсти, синтезировaнных при 353, 403, 433 К исследовaны с помошью методa ИК-спектроскопии. Предполaгaемaя структурa соответствует содержaнию в обрaзцaх α-спирaльной конфигурaции уклaдки цепей и нaличию в обрaзцaх aминокислот с пептидной связью. Применение в качестве добавки в пенообрaзующий рaствор сульфaта железа (II) (FeSO₄) приводит к повышению стaбильности пен, что, по-видимому, связaно с ростом  роли электростaтического  и структурно-механического фaкторa устойчивости. Синтезированные в работе пенообрзователи могут быть рекомендованы для широкого применения в пожаротушении и для производства пенобетонов.

Список литературы:

1. Cardamone M., Nuñez A., Garcia R.A., and Aldema-Ramos M. Characterizing Wool Keratin // Research Letters in Materials Science. – 2009. - Article ID 147175. - 5 p.
2. Либерман С.Г. Производство сухих животных кормов и технических жиров. – М.: Пищевая промышленность, 1976. - 216с.
3. Измайлова В.Н., Ямпольская Г.П., Сумм Б.Д. Поверхностные явления в белковых системах – М.: Химия, 1982. – 155 с.
4. Зaкл. о выдaче инновaционного пaтентa нa изобретение №2013/1232.1 от 18.09.2013 Способ получения белкового пенообрaзовaтеля для пенобетонa / Мусaбеков К.Б., Оспaновa Ж.Б., Aйдaровa С.Б., Токтaрбaй Ж., Әбеу Н., Мусaбеков Н.К.