Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Литературный обзор. Образование, поверхностно-активные свойства межмолекулярных ассоциатов полиамфолит - поверхностно-активное вещество и их флокулирующая способность 10
1.1 Взаимодействие синтетических полиэлектролитов с поверхностно-активными веществами 10
1.2 Поверхностно-активные свойства ассоциатов полиэлектролит-ПАВ на границе раздела жидкость-газ 24
1.2.1 Общие представления о поверхностной активности 24
1.2.2 Особенности формирования смешанных адсорбционных слоев полиэлектролитов с низкомолекулярными поверхностно-активными веществами 26
1.3 О флокуляции биосуспензий под действием полиэлектролитов 29
1.3.1 Общие представления о механизме флокуляции 29
1.3.2 Флокуляция микроорганизмов 41
Глава 2 Объекты и методы исследования 47
2.1 Характеристика объектов исследования 47
2.2 Методы исследования 54
Глава 3 Образование полимер-коллоидных комплексов полиамфолит-додецилсульфат натрия 58
3.1 Потенциометрическое изучение связывания полиамфолитов с додецилсульфатом натрия 58
3.2 Вискозиметрические исследования растворов полиамфолитов и их полимер-коллоидных комплексов 64
3.3 Поверхностная активность полиамфолитов и их комплексов с додецилсульфатом натрия 66
3.4 Адсорбционные характеристики полиамфолита и его комплекса с ПАВ на границе раздела жидкость - газ 74
3.5 «Изоэлектрический коллапс» в растворах полиамфолитных комплексов 78
Глава 4 Флокуляция дрожжевой суспензии полиэлектролитами и их комплексами с анионным поверхностно-активным веществом 84
4.1 Влияние дисперсионной среды на агрегацию дрожжевых клеток полиамфолитами 84
4.2 Агрегация дрожжевой суспензии полимер-коллоидными комплексами 98
4.3 Интенсификация процесса получения продуктов биологического синтеза с помощью полиэлектролитных флокулянтов 105
4.3.1 Очистка питательных сред полиэлектролитами и их влияние на развитие дрожжей рода Candida 106
4.3.2 Очистка технического препарата рибонуклеиновой кислоты от белковых примесей полиэлектролитами 111
4.3.3 Выделение белка-антигена из культуральной жидкости полимерными реагентами 119
4.3.4 Синтетические и природные полиэлектролитные флокулянты, используемые в процессе получения продуктов биологического синтеза 124
Выводы 127
Список литературы 129
- Взаимодействие синтетических полиэлектролитов с поверхностно-активными веществами
- Потенциометрическое изучение связывания полиамфолитов с додецилсульфатом натрия
- Влияние дисперсионной среды на агрегацию дрожжевых клеток полиамфолитами
- Синтетические и природные полиэлектролитные флокулянты, используемые в процессе получения продуктов биологического синтеза
Введение к работе
Актуальность работы. Полимер-коллоидные комплексы – особый класс соединений – продуктов взаимодействия полиэлектролитов с поверхностно-активными веществами (ПАВ). Особый интерес, как компоненты полимер-коллоидных комплексов (ПКК) представляют полиэлектролиты амфотерной природы – полиамфолиты (ПА).
Характерной особенностью ПА, как известно, является наличие изоэлектрического состояния (ИЭС) – области рН, в которой макромолекула представляет собой полицвиттерион. Амфифильное строение полиамфолита, во-многом, определяет особенности его поведения в растворе и на межфазной границе. ПА может выполнять роль: – компонента раствора в системе полимер – растворитель; – частицы новой фазы в лиофильной коллоидной системе; – поверхностно-активного вещества, способного адсорбироваться на границе раздела фаз; – комплексообразова-теля в системе полиамфолит–поверхностно-активное вещество–растворитель; – флокулянта минеральных и биологических суспензий и т.д. Такое функциональное многообразие диктует необходимость дальнейших углубленных исследований. Однако до настоящего времени не сформулированы основные закономерности поведения полиамфолитсодержащих систем. Практически не изучены ассоциаты с ПАВ в области изоэлектрического состояния ПА, условия и причины разрушения ПКК. Такие исследования актуальны и могут быть полезны и необходимы для понимания коллоидно-химических процессов, протекающих в дисперсных системах, в особенности, в биосистемах, так как сами ПА представляют собой удобные модели биополимеров.
Данная работа является частью исследований по взаимодействию полиэлектролитов с ПАВ, проводимых на кафедре физической и коллоидной химии КГТУ, согласно координационного плана РАН по направлению «Нефтехимия» раздел 2.9.44 «Физико-химия свойств растворов полиэлектролитов и использование их в народном хозяйстве» (номер госрегистрации 0192 0011694), а также по реализации «Программы развития приоритетных направлений науки и техники в РТ на 2006–2010 г. по проблеме «Нано- и супрамолекулярная химия, соединения с трехмерной архи-тектурой, новые полимерные и композиционные материалы».
Целью работы являлось установление закономерностей образования полимер-коллоидных комплексов полиамфолит – анионный ПАВ додецилсульфат натрия (ДСН) и их влияния на устойчивость дрожжевых биосуспензий Candida lambica и Saccharomyces cerevisiae.
В задачи исследования входило:
– изучение влияния состава и природы полиамфолитов сополимеров метакриловой кислоты с диметил-, диэтиламиноэтилметакрилатом (МАК-ДМАЭМ, МАК-ДЭАЭМ), с 2–метил–5–винилпиридином (МАК-2М5ВП) и акриловой кислоты с 2–метил–5–винилпиридином (АК-2М5ВП) на образование межмолекулярных ассоциатов ПА–ДСН в водной среде;
– изучение объемных и поверхностных свойств полимер-коллоидных комплексов;
– изучение особенностей поведения ассоциатов ПА–ДСН в области изоэлектричес-кого состояния полиамфолита;
– исследование флокуляции биосуспензий полиамфолитами и их полимер-коллоидными комплексами.
Методы исследования: в работе использованы: электронная спектроскопия в УФ- и видимой области, потенциометрия, вискозиметрия, измерение поверхностного натяжения методом Вильгельми, седиментационный анализ.
Научная новизна: установлены закономерности и условия образования полимер-коллоидных комплексов ПА–додецилсульфат натрия, а именно: – образование ассоциатов ПА–ДСН происходит в результате внутри- и межмолекулярных гидрофобных и электростатических взаимодействий; – при концентрации ПАВ – до критической концентрации мицеллообразования; – при рН 2,5 2,7, когда ПА представляет собой поликатион.
Обнаружен эффект «изоэлектрического коллапса», заключающийся в том, что ДСН выделяется из полимер-коллоидного комплекса ступенчато: первоначально – в области ИЭС полиамфолита и далее, проходя через ИЭТ полиамфолита, завершается.
Установлена взаимосвязь между поверхностной активностью, адсорбцией, свободной поверхностной энергией адсорбции ПА и ПКК.
Впервые системы ПА–ДСН предложены в качестве регуляторов устойчивости биосуспензий.
Практическая значимость: результаты работы имеют существенное значение для развития теории устойчивости дисперсных систем, в частности биосуспензий. Проведенные исследования легли в основу разработки методов очистки, фракциони-рования и концентрирования белковых препаратов. Предложен реагентный способ очистки субстрата для выращивания дрожжевой культуры, являющейся материалом для получения рибонуклеиновой кислоты (РНК). Результаты разработанного реагентного способа выделения из культуральной жидкости белка-антигена применимы в ветеринарной фармакологии для получения вакцины против некробак-териоза крупного рогатого скота.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
1. закономерности образования полимер-коллоидных комплексов на основе сополимеров (мет)акриловых кислот с додецилсульфатом натрия;
2. экспериментальные данные о поверхностно-активных свойствах полимер-коллоидных комплексов, оценка влияния природы и состава функциональных групп полиамфолитов на величину поверхностной активности;
3. эффект «изоэлектрического коллапса» в растворах межмолекулярных ассоциатов ПА–ДСН;
4. флокулирующая активность полимер-коллоидного комплекса.
Апробация работы: материалы работы докладывались на научно-практических конференциях Казанского государственного технологического университета (1998-2009гг.); на XVII Менделеевском съезде по общей и прикладной химии г. Казань 2003 г.; на IV Всероссийской Каргинской конференции г. Москва 2007 год; на научно-практической конференции «Актуальные проблемы экономической и социально-экологической безопасности Поволжского региона» г. Москва 2008 г.; на XVII Международной конференции по химической термодинамике в России RCCT г. Казань 2009 г.
Публикации: по теме диссертации опубликовано 18 работ, 7 статей (в том числе 3 из списка, рекомендованного ВАК), 11 тезисов докладов конференций.
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа содержит: введение, литературный обзор, экспериментальную часть, обсуждение результатов, приложения, выводы, список цитируемой литературы из 197 наименований. Общий объем диссертации изложен на 149 страницах, включая 17 таблиц, 44 рисунка.
Автор выражает искреннюю благодарность за консультации и практическую помощь при выполнении диссертационной работы научному руководителю д.х.н., профессору кафедры физической и коллоидной химии Барабанову В.П., к.х.н., доценту Курмаевой А.И., к.х.н., доценту Потаповой М.В.
Взаимодействие синтетических полиэлектролитов с поверхностно-активными веществами
Взаимодействия физиологически-активных веществ (липидов, антибиотиков и др.) с белками, нуклеиновыми кислотами, полисахаридами и другими биополимерами лежат в основе важных жизненных процессов, таких как процессы, протекающие при денатурации белка под действием ПАВ, белок липидные взаимодействия в биомембранах и т.д. [6]. В связи со сложностью строения биообъектов с целью определения механизма формирования и функционирования природных биокомплексов проводятся исследования модельных систем полиэлектролит - поверхностно-активное вещество [7].
Изучению свойств комплексов, полученных на основе синтетических полиэлектролитов и противоположно заряженных ПАВ, посвящено большое количество публикаций, патентов и ряда обзорных статей. Так, широко известны научные работы: японских ученых: Satake I., Hayakawa К. Т., Okuzaki Н. и др.[8 10], занимающихся количественными исследованиями межмолекулярных связей в ПЭК, содержащими в своем составе природные ПЭ; шведской школы (Holmberg К., Lindman В., Jonsson В. [1,7]), которая изучает влияние индивидуальных ПЭ на состав и структуру образующихся ПКК; казахских ученых (Бектуров Е.А. и Кудайбергенов СЕ. [11,12]) в области комплексообразования гомополимеров и сополимеров в водных и органических растворителях; российской школы, представленной группой ученых (Кабанов В.А., Паписов И.М., Зезин А.Б., Бабак В.Г., Калюжная Р.И. и др.) в области образования растворимых ю полиэлектролитных комплексов (ПЭК) и их свойств [13-15]. Изучению ионных равновесий и относительного вклада электростатических и гидрофобных взаимодействий в ассоциацию ПЭ-ПАВ посвящен ряд работ, проводимых в научных лабораториях Казанского государственного технологического университета (Барабанов В.П., Третьякова А.Я., Билалов А.В., Курмаева А.И., Бакеева Р.Ф., Шилова СВ. и др.[16-19]). Несмотря на то, что первые публикации о ПЭК относятся к 70-м годам XX века, до настоящего времени проводятся интенсивные исследования взаимодействия ПЭ с ПАВ, что связано как с перспективностью их использования в различных областях науки и промышленности, так и с возможностью моделирования свойств и поведения более сложных биообъектов.
В настоящее время принято комплексы, полученные при взаимодействии гомополимеров (ПЭ - ПЭ) называть интерполимерными ПЭК [2,3,13], а межмолекулярные ассоциаты ПЭ с противоположно заряженными поверхностно-активными веществами (ПАВ) - полимер-коллоидными комплексами (ПКК). Как и интерполимерные комплексы, ПКК самопроизвольно образуются в водных растворах при смешении компонентов [20]. При эквимольном составе реакционной смеси (ф) возможно образование нерастворимых в воде стехиометричных комплексов (СПКК), что объясняется гидрофобизацией участков полимерных цепей, приводящей к их взаимодействию, и соответсвенно, к компактизации и образованию новой фазы, сопровождающееся помутнением системы (при ф 0,4). Растворимость нестехиометричных комплексов (НПКК) в воде обусловлено наличием ионизированных групп в образующихся ассоциатах, в этом случае система при ф 0,2 - 0,4 остается гомогенной. Считается, что СПКК можно получить простым смешением водных растворов, содержащих полианион и поликатион, в то время как синтез НПКК исключает возможность непосредственного смешения противоположно заряженных компонентов. Водорастворимые полимер-коллоидные комплексы могут быть получены только при соблюдении определенных условий [15,21]. Примером классического моделирования свойств биообъектов является работа Фельдштейна М.М. и Зезина А.Б. [22], в которой методом потенциометрического титрования исследован процесс электростатического связывания ПАВ различной природы полипептидами и их синтетическими моделями - полиэлектролитами. Приведена схема реакций образования солевого комплекса ПЭ - ПАВ при смешивании разбавленных растворов поликислот с катионными ПАВ, а полиоснований - с анионными ПАВ, сопровождающееся сильным изменением рН раствора.
Аргументировано применение метода потенциометрического титрования растворов ПЭ, содержащих различные концентрации ПАВ. Изучение электростатического связывания ПАВ полиэлектролитами дает возможность определить степень связывания ПАВ, так как количество выделившейся в процессе электростатического связывания ПАВ кислоты или щелочи соответствует количеству солевых связей между ПАВ и ПЭ. Степень связывания ПАВ зависит от рН и от концентрации ПАВ в растворе. На основании потенциометрического титрования выявлено существование обратной связи между электростатической адсорбцией ПАВ и структурой образующегося комплекса. Электростатическое связывание дифильных ионов приводит к изменению конформации макромолекулы, что приводит к существенному воздействию на связывание ПАВ. В соответствии с этим авторы подразделяют изученные системы на две группы: полипептиды, которые в результате связывания ПАВ приобретают упорядоченную конформацию а - спирали и р -форму; и полипептиды и полиэлектролиты, которые в комплексе с ПАВ имеют неупорядоченную конформацию. Образование ионных пар между заряженными группами ПЭ и ионами ПАВ приводит к образованию внутримолекулярных мицелл за счет гидрофобного взаимодействия углеводородных радикалов ПАВ, электростатически связанных с полиэлектролитной цепочкой. Происходит накручивание полимерной цепи на мицеллы, соответственно увеличивается степень связывания ПАВ макромолекулой. Авторы приходят к выводу о возможности одинаковой природы взаимодействий как между дифильными ионами и белками, так и между ионами ПАВ и синтетическими полиэлектролитами. Взаимодействие между дифильной молекулой ПАВ и ПЭ осуществляется как за счет электростатических, так и гидрофобных взаимодействий, возникающих между углеводородными радикалами ПАВ и неполярными группами полиэлектролитов, что обуславливает кооперативный характер связывания ПАВ полиэлектролитами [11,22].
Рассматривая механизм взаимодействия ПЭ-ПАВ, нельзя не остановиться на обзоре [23], в котором систематизированы имеющиеся в литературе данные многолетних исследований как по выявлению самого механизма взаимодействия ПЭ-ПАВ, так и по изучению физико-химических свойств и структуры полиэлектролитных комплексов. Известно, что механизм формирования, структура, гидродинамические свойства, размеры и стабильность ПЭК зависят от природы и концентрации ионогенных групп реагирующих компонентов, а также от рН и ионной силы раствора. Авторами обзора сопоставлены различия и общие закономерности формирования ПЭК анионными и катионными ПАВ с противоположно заряженными ПЭ. Показано, что гидрофобные взаимодействия являются основной силой в формировании полиэлектролитного комплекса анионным ПАВ с катионным ПЭ, в то время как кулоновские силы влияют в меньшей степени. С другой стороны, при формировании ПЭК катионным ПАВ с анионным ПЭ электростатические взаимодействия играют решающую роль. В обоих случаях общим является то, что процесс связывания ПАВ с противоположно заряженными макромолекулами осуществляется в результате кооперативнных обратимых реакций с образованием внутримолекулярной мицеллярной фазы. Кроме того, в обзоре [23] рассмотрены ПЭК с позиции их биологической активности в связи с тем, что некоторые комплексы, образованные синтетическими полиэлектролитами и противоположно заряженными ПАВ, обладают биологической активностью на молекулярно-клеточном уровне. При этом способность конкурентного взаимодействия ПАВ с биополимерами и биомембранами, в результате чего происходит перенос ионов ПАВ на биологические мишени, открывает перспективу создания новых полимерных лекарственных форм.
Потенциометрическое изучение связывания полиамфолитов с додецилсульфатом натрия
Проведенные нами потенциометрические исследования показали, что образование межмолекулярного ассоциата ПА-ДСН целесообразно проводить до критической концентрации мицеллообразования додецилсульфата натрия (ККМ=8,4- 10"3 моль/л) и при рН 2,5 - 2,7, так в этом случае полиамфолит переводится в состояние полимерной соли и диссоциирует в растворе на поликатион и малые противоионы, а анионный ПАВ не образует мицелл. Взаимодействие полиамфолита с ДСН наблюдали при смешении их растворов в области рН, соответствующей полной нейтрализации основных групп ПА. В зависимости от соотношения компонентов П=СПАВ/ Сиг (где СПАВ - концентрация додецилсульфата натрия, моль/л; Сиг - концентрация основных групп полиамфолита, осново-моль/л) возможно образование [20] растворимых (при п=0,1-0,4) и нерастворимых ПКК (п 0,4). Особый интерес для практического использования имеют исследования водорастворимого нестехиометрического комплекса при малых значениях п. В данной работе изучался полимер-коллоидный комплекс при соотношении компонентов П = 0,1.
Схематично процесс взаимодействия АК-2М5ВП с додецилсульфатом натрия и образования поликомплекса можно представить следующим образом
Связывание ПАВ с макроионом ПА характеризуется степенью связывания (0) ионогенных групп макромолекулы, заполненных ионами ПАВ, которую рассчитывали по следующему уравнению[142]: где СПАВ _ общая концентрация ПАВ в растворе; Српав - равновесная концентрация несвязанного (свободного) ПАВ в растворе; Сиг — концентрация ионогенных групп полимера в растворе; С - концентрация раствора ПА; V - объем раствора ПА; AV - объем добавленного раствора ПАВ; гл - мольная доля основных звеньев ПА; М - молекулярная масса основных звеньев ПА.
По результатам метода потенциометрического титрования были получены изотермические зависимости степени связывания ПА-ДСН от равновесной концентрации ПАВ (СЦ,В) в растворе, представленные на рисунках 3.1-3.4. Изотермы имеют S-образную форму, характерную для кооперативного процесса связывания [8,9]. Следует отметить, что резкое увеличение степени связывания наблюдалось уже при низких значениях концентрации ПАВ (СЦав Ю-6 - 10 5 моль/л). На изотермах (рис. 3.1-3.4) наблюдается увеличение 0 до некоторого значения, при достижении которого происходит насыщение объема макромолекулы ионами ПАВ. При дальнейшем увеличении концентрации ДСН наблюдается резкое снижение степени связывания и, соответственно, увеличение равновесной концентрации додецилсульфата натрия в растворе. Зависимость 9 = f (CJJaB) имеет экстремальную точку достижения определенной концентрации ПАВ в растворе, после которой количество ПАВ в растворе превышает количество добавленного ПАВ. Подобного типа зависимость изучена и описана в работах [29,30], где показано, что в области насыщения объема макроиона молекулами ПАВ происходит «выброс» около 70 % связанного ПАВ из комплекса. Согласно данным работы [30] имеет место коллапсирование макромолекулы, сопровождающееся «выбросом» ПАВ и «втягиванием» противоионов в глобулизирующийся комплекс.
Можно предположить, что для наших систем ПА-ДСН увеличение равновесной концентрации ДСН в растворе также свидетельствует о разрушении внутримолекулярных мицелл и «выбросе» значительной части молекул ПАВ из комплекса.
Известно, что связывание ПЭ-ПАВ осуществляется не только в результате электростатического взаимодействия противоположно заряженных ионов ПЭ и ПАВ, но и за счет гидрофобных связей, возникающих между углеводородными радикалами связанных ионов ПАВ, что обусловливает кооперативный характер связывания ПАВ полиэлектролитами [11,22]. Так при рН=2,5 -2,7 (условие образования ассоциата ПА-ДСН) полиамфолит представляет собой поликатион и начальное связывание полимера с анионным ПАВ осуществляется за счет электростатического взаимодействия. По мере заполнения полиэлектролитной цепи ионами ПАВ, существенную роль начинают играть гидрофобные взаимодействия молекул ПАВ с гидрофобными фрагментами макромолекулы. Следует отметить, что для исследуемых ПА, отличающихся природой и составом ионогенных групп насыщение ионами ДСН происходит при разных значениях степени связывания (рис. 3.1-3.4). Увеличение содержания основных групп (и соответственно гидрофобных радикалов) в ПА приводит к смещению 6 в сторону больших значений, что свидетельствует о росте количества ионов ДСН, связанных с макроионом гидрофобно. Замена радикала с СН3-(диметиламиноэтилметакрилат) на С2Н5-(диэтиламиноэтилметакрилат) в основной составляющей МАК-ДМАЭМ (рис. 3.1, 3.2) и переход на метилвинилпиридиновую группу в МАК-2М5ВП и АК-2М5ВП (рис. 3.3,3-4) также приводит к увеличению степени связывания.
Для систем ПА - ДСН наблюдается уменьшение константы диссоциации с ростом значений степени связывания (рис. 3.5, 3.6). Устойчивость образующихся ассоциатов растет, что в свою очередь указывает на увеличение вклада гидрофобных взаимодействий углеводородных радикалов связанных ионов ПАВ в устойчивость комплексов. По достижении некоторого значения 6 наблюдается излом на зависимостях Ід Кд =f(8), происходит увеличение значений Кд, что свидетельствует о снижении устойчивости ассоциатов и вероятности их разрушении.
Влияние дисперсионной среды на агрегацию дрожжевых клеток полиамфолитами
Исследования проводились с дрожжевой культурой этанолокисляющих дрожжей Candida lambica, когда рост клеток завершен, что позволяет рассматривать биосуспензию как условно стационарную коллоидную систему. Исходная оптическая плотность подбиралась таким образом, чтобы исследуемая суспензия сохраняла устойчивость во времени (D=0,4-0,8). Спектротурби-диметрическим методом были исследованы системы «клетки — среда - полимер».
Прежде чем привести результаты исследования особенностей агрегации дрожжевых клеток в присутствии полиамфолитов, необходимо изучить влияние составляющих компонентов изучаемых сополимеров на дестабилизацию биосуспензии. Исследовано изменение оптической плотности биосуспензии во времени в присутствии анионных полиметакриловой и метакриловой кислот и катионных гомополимеров диметиламиноэтилметакрилата и диэтиламино-этилметакрилата. Кривые 1 и 2, приведенные на рисунке 4.1, практически не отличаются от контрольной кривой (культуральная жидкость без полимера). Возможно, это связано с тем, что полианион имеет одинаковый заряд с отрицательно заряженной клеточной поверхностью, что не способствует его адсорбции.
Характер кривых (рис. 4.2) явно говорит о процессе агрегации клеток и последующем их осаждении. Адсорбция в данном случае определяется в основном электростатическим взаимодействием поверхности клеток с макроионом.
Таким образом, полученные результаты показали, что гомополимеры ДЭАЭМ и ДМАЭМ вызывают дестабилизацию дрожжевой суспензии, в то время как поликислоты не оказывают заметного влияния на дестабилизацию биосуспензии.
В соответствии с целью данной работы для изучения механизма взаимодействия клетка - ПА были использованы две системы, в которых дисперсионной средой являлись дистиллированная вода (система I) и культуральная жидкость (система II).
С целью изучения конформационного сосотояния полимеров были проведены вискозиметрические исследования поведения макромолекул в разных средах при различных рН. Получены зависимости приведенной вязкости от рН среды (рис. 4.3, 4.4). Как известно, макромолекула ПА в области изоэлектрического состояния находится в компактном состоянии. При удалении от этой области происходит изменение конформации макромолекулы, сопровождающееся ее разворотом из-за взаимного отталкивания одноименно заряженных звеньев полимерной цепи.
При сравнении характера зависимостей приведенной вязкости от рН для ПА, в частности для ПА-3 (рис. 4.3) и ПА-5 (рис. 4.4), видно, что конформационые превращения макромолекул менее выражены в культуральной жидкости по сравнению с водой. В культуральной жидкости происходит снижение эффекта полиэлектролитного набухания, что может сказываться на адсорбции макромолекул на поверхности клеток. Это явление можно объяснить тем, что культуральная жидкость в результате клеточного метаболизма представляет собой совокупность солей, изменяющих ионную силу среды.
Вначале рассмотрим влияние ПА на дестабилизацию клеток, отделенных от культуральной жидкости и ресуспензированных в дистиллированной воде. Изучение дестабилизации таких модельных систем позволяет исключить влияние компонентов культуральной жидкости на процесс агрегации клеток.
Необходимым условием агрегации клеток в модельных системах является снижение их -потенциала [166], но не перевод их в изоэлектрическое состояние, когда поверхностный заряд равен нулю. В кислой области происходит снижение -потенциала за счет диссоциации аминогрупп, входящих в состав белков клеточной поверхности, что ведет к потере устойчивости системы. Все изучаемые нами образцы проявляют дестабилизирующее действие на систему «клетки -вода» только в кислой области рН. Это обстоятельство можно объяснить тем, что в кислой области рН (рН 3,0) на макромолекулах преобладает положительный заряд, а клеточная поверхность заряжена отрицательно. Исследования поверхностных свойств дрожжевых клеток Torulopsis (Candida) kefir var kumis и Saccharomyces cerevisiae [167] показали, что при варьировании рН в интервале от 2 до 10 электрофоретический потенциал изменяется незначительно, т.е. поверхность остается отрицательно заряженной.
Кинетические зависимости изменения оптической плотности системы, I («клетки-вода-полимер») под действием ПА отражают процесс дестабилизации клеток (рис. 4.5). Превышение эффекта агрегации по сравнению с одним лишь изменением рН в системе «клетки - вода» (рис. 4.6) однозначно можно объяснить флокулирующим действием ПЭ на клетки. На фотографиях (рис. 4.7) видно, что с введением ПА происходит увеличение размеров агрегатов что может быть связано с одновременной адсорбцией положительно заряженной макромолекулы на нескольких клетках, приводящей к объединению их в более крупные агрегаты. На основании экспериментальных данных установлено, что дестабилизация модельных систем происходит в кислой области рН и сопровождается периодом скрытой агрегации с последующей седиментацией образовавшихся агрегатов.
Теперь рассмотрим влияние ПА на дестабилизацию биосуспензии (система II). Как упоминалось выше (п. 1.3), биосуспензию можно представить как коллоидную дисперсную систему, в которой дисперсной фазой являются клетки микроорганизмов, а дисперсионной средой - культуральная жидкость. Так как культуральная жидкость представляет собой сложную систему, состоящую из продуктов метаболизма клеток, то представляло интерес рассмотреть влияние рН на состояние системы. Было установлено, что с ростом рН (рН 6,5) происходит фазовое разделение культуральной жидкости, о чем свидетельствует увеличение оптической плотности культуральной жидкости (рис. 4.8), причем этот процесс происходит очень быстро, от нескольких секунд до 1 минуты. На приведенной фотографии (рис. 4.9) просматриваются частицы новой фазы, имеющие явно кристаллическую природу. Оптимальным значением является рН=7,0, при котором часть компонентов культуральной жидкости теряет растворимость, т.е. происходит «высаливание» компонентов белковой природы (продуктов метаболизма клеток) и различных солей, в тоже время клетки сохраняют свою целостность.
Синтетические и природные полиэлектролитные флокулянты, используемые в процессе получения продуктов биологического синтеза
Для решения поставленной задачи в качестве флокулянтов в данном разделе использованы реагенты, соответствующие ряду требований: высокая флокулирующая эффективность, доступность в промышленных масштабах, не токсичных, стабильных при хранении.
ВПК - 402 мономерный фрагмент - поли - N - N - диметил -3,5 метиленпиперидинилхлорид
Полимер ВПК-402 представляет собой высокомолекулярное соединение линейно-цепочечной структуры, содержащее четвертичные анионные группы. Полиэлектролит неограниченно растворим в воде, низких спиртах, растворах кислот и щелочей. Не горюч, не взрывоопасен, не имеет неприятного запаха.
Полиакриловая кислота (ПАК)
ПАК получена методом полимеризации акриловой кислоты в бензоле. Процесс полимеризации проводили с использованием в качестве инициатора динитрилазоизомаслянной кислоты (0,2% вес.) в запаянной ампуле при t=50C в течение двух часов. Из спиртового раствора полимер осаждался этиловым эфиром и сушился под вакуумом при t=45—50 С до постоянного веса. Идентификацию состава полимера проводили по данным элементного анализа. Обратным титрованием раствора ПАК 0,1 N водным раствором NaOH определяли количество кислотных групп, которое составило 98% от расчетного. Бромид броматным методом определяли содержание свободного мономера в полимере, что составило 0,3%. Молекулярная масса полимера определялась вискозиметрическим методом в 1,5 М растворе NaBr при t=20C, при расчете значения К и а в уравнении Марка-Куна-Хаувинка [г] = К-Ма принимались равными 16,5-10"4 и 0,5 соответственно [196]. Рассчитанная молекулярная масса составляла 2,8-105. Характеристическая константа диссоциации рК0 для ПАК равна 5,2.
Акромидан-1 (сернокислая соль полидиметиламиноэтилметакрилата)
Получают путем радикальной полимеризации сернокислой соли диметиламиноэтилметакрилата, используя в качестве инициатора окислительно-восстановительную систему: ион Со(Ш) - аминокислота - сокатализатор, где в качестве аминокислоты берут глицин, а сокатализатора - сорбит, глюкозу. Полимеризацию ведут в атмосфере инертного газа при рН=3,0 и температуре 20С в течение 20 часов. Характеристическая вязкость (ті) полученной сернокислой соли полидиметиламиноэтилметакрилата определена в IN растворе NaN03 при 20С и составляет 4,4 7,0 дл/г. Молекулярная масса составляет
ММ=(15,0-25,0)-106.
Акромидан-2 (сульфометильная соль полиметакрилоилоксиэтилтриметиламмония)
Получают путем радикальной полимеризации сульфометильной соли метакрилоилоксиэтиламмония, используя в качестве инициатора окислительно-восстановительную систему: ион Со(Ш) - аминокислота - сокатализатор, где в качестве аминокислоты берут глицин, а сокатализатором служит сорбит или глюкоза. Полимеризацию ведут в атмосфере инертного газа при рН= 1—3,5 PI температуре 40С в течение 6 часов. Характеристическую вязкость (г)) сульфометильной соли полиметакрилоил-оксиэтилтриметиламмония измеряли в IN растворе NaN03 при 20С. Она составила 6,0-И0,2 дл/г. Молекулярная масса составляет ММ=(И,5-ь29,2 106.
Желатин (Ж) .-СООН
Желатин - белковое соединение, представляющее собой природный водорастворимый полиамфолит. В промышленности получают при кислотной или щелочной денатурации фибриллярного белка - коллагена. Нами использовался желатин эмульсионный марки «А» (средневязкостная ММ=60-103), соответствующий ОСТ 6-17-421-75.
Фталоированный желатин (ФЖ)) .СООН (R)x
Представляет собой соединение на основе желатина, у которого водород аминогрупп лизиновых и оксилизиновых остатков замещен на фталоильные группы. В промышленности ФЖ получают при взаимодействии водных растворов желатина и фталевого ангидрида при t=40 С в щелочной среде. Методика оценки степени фталоирования приведена в работе [197]. В исследованиях нами использовался образец со степенью фталоирования 78% (ММ=38-103), применяющийся в фотографической промышленности и удовлетворяющие ТУ 6 -17-893-83.
