Введение к работе
Массоперенос алкилароматических аминокислот в электромембранной системе обладает рядом особенностей, обусловленных специфическими взаимодействиями между ионами этих амфолитов, растворителем, продуктами диссоциации растворителя, ионообменной мембраной (функциональными группами и матрицей). Сорбция алкилароматических аминокислот ионообменным материалом также имеет сложный механизм и влияет на структуру и кинетические характеристики мембран. Для тирозина и фенилаланина наличие боковой группы, содержащей бензольное кольцо, приводит к дополнительным необменным взаимодействиям в процессе сорбции и транспорта данных амфолитов. Однако в литературе особенности электромассопереноса и сорбции алкилароматических аминокислот практически не изучены, их исследование - актуальная задача современной мембранной электрохимии, решение которой необходимо для установления взаимосвязей структуры и свойств органических соединений с их поведением в электромембранной системе.
Важным ограничением, ухудшающим эффективность электродиализа при деминерализации растворов некоторых органических веществ, является отравление ионообменных мембран, изменяющее их электрохимические характеристики. Использование электромембранной системы для выделения и очистки алкилароматических аминокислот, требует учета и анализа осложнений, вызванных отравлением, а также выбора параметров его минимизации.
Работа выполнена по темплану Воронежского государственного университета п. 1.6.05 «Исследование электрохимических, транспортных и сорбционных процессов на ионообменных материалах, металлах, металл-полимерных композитах и сплавах» (номер гос. Per. 0120.0602166) и плану НИР Научного совета по адсорбции и хроматографии РАН по темам «Применение хроматографических процессов для очистки и получения биологически активных соединений» (2.15.11.4.Х70.) и «Разработка мембранных методов разделения» (2.15.11.5.Х71.).
Цель работы: установление влияния структуры алкилароматических аминокислот и природы неорганических ионов в растворе на массоперенос тирозина и фенилаланина через ионообменные мембраны при электродиализе.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи: 1. Исследование массопереноса тирозина и фенилаланина через
катинообменные и анионообменные мембраны при электродиализе их
индивидуальных растворов в широком диапазоне плотности тока.
Выявление влияния рН раствора и типа ионообменной мембраны
(гомогенная/гетерогенная, высокоосновная/среднеосновная) на
транспорт алкилароматических аминокислот в электромембранной
системе.
Установление влияния минеральных ионов различной природы на сопряженный перенос тирозина и фенилаланина через ионообменные мембраны при электродиализе смешанных растворов.
Выбор наиболее подходящих мембран для проведения электромембранной деминерализации раствора алкилароматическая аминокислота - минеральная соль с целью увеличения степени обессоливания и снижения потерь аминокислоты.
Изучение сорбции тирозина и фенилаланина на различных ионообменных мембранах. Установление изменений структуры и морфологии поверхности после сорбции алкилароматической аминокислоты.
Оценка изменений электрохимических характеристик анионообменных мембран при электродиализе раствора, содержащего фенилаланин. Выявление влияния плотности тока на процесс отравления мембран. Научная новизна работы. При электродиализе индивидуальных
растворов алкилароматических аминокислот установлена независимость величины их потоков через катионообменные мембраны от плотности тока и показателя кислотности среды, включая область рН с преобладанием катионов аминокислоты в растворе.
Показано различное влияние ионов калия и натрия на транспорт тирозина и фенилаланина через ионообменные мембраны при электродиализе смешанных растворов соль-алкилароматическая аминокислота. Электромиграция положительно гидратированных катионов натрия вызывает увеличение массопереноса аминокислоты через катионообменную мембрану, отрицательно гидратированный катион калия практически не влияет на потоки тирозина и фенилаланина.
Обнаружено выпадение в осадок тирозина на поверхности анионообменного материала, вследствие локального пересыщения раствора в мембране, вызванного поглощением данного соединения и его невысокой растворимостью.
Выявлен факт отравления анионообменных мембран МА-40 и МА-41 алкилароматической аминокислотой в процессе электродиализа растворов фенилаланина при плотностях тока, близких к предельной. В запредельных токовых режимах обнаружено «вымывание» необменно сорбированной аминокислоты из фазы мембраны, что приводит к устранению причины отравления.
Практическая значимость. Полученные результаты могут служить научной основой для применения электродиализа в процессах обессоливания и разделения алкилароматических аминокислот, а также для их извлечения из промывных и сточных вод пищевой и микробиологической промышленности. Осуществлен выбор промышленно выпускаемых ионообменных мембран, обладающих наиболее рациональными характеристиками для проведения процесса деминерализации с наименьшими потерями алкилароматической аминокислоты при достижении
максимальной степени обессоливания. Показано, что отравление анионообменных мембран фенилаланином в процессе электродиализа, осложняющее применение данного метода в технологиях извлечения и концентрирования этой аминокислоты, может быть снижено или полностью устранено правильным выбором токового режима. Положения, выносимые на защиту:
Транспорт тирозина и фенилаланина через катионообменные мембраны при электродиализе их индивидуальных растворов не зависит от плотности тока в широком диапазоне показателя кислотности среды, что обусловлено наличием ароматического фрагмента в структуре алкилароматических аминокислот.
Положительно гидратированные катионы натрия увеличивают массоперенос тирозина и фенилаланина через катионообменные мембраны, в то время как отрицательно гидратированные катионы калия не вызывают роста потока амфолита с увеличением плотности тока при электродиализе смешанных растворов алкилароматическая аминокислота - минеральная соль.
Отравление анионообменных мембран при электродиализе раствора, содержащего фенилаланин, обнаружено при плотности тока, близкой к предельной. Интенсивный поток гидроксильных ионов через анионообменную мембрану в запредельных условиях устраняет отравление.
Апробация результатов исследования. Содержание диссертации представлено на Всероссийских и Международных конгрессах и конференциях: International Congress on Membranes and Membrane Processes «ICOM» (Сеул, Корея - 2005, Гонолулу, США - 2008), III Всероссийской конференции «Физико-химические процессы в конденсированном состоянии и на межфазных границах» «Фагран-2006» (Воронеж - 2006), Международной конференции «Физико-химические основы ионообменных процессов - ИОНИТЫ» (Воронеж - 2007, 2010, 2011), Российской конференции с Международным участием «Ионный перенос в органических и неорганических мембранах» (Туапсе - 2007, 2010, 2011), Membrane science and technology conference of Visegrad countries, Perinea (Шиофок, Венгрия -2007, Прага, Чехия - 2009, Татранске Матлиаре, Словакия - 2010), 5th Russian - French Seminar "The membranes and molecular-selective separation processes" (Москва - 2008), International Congress Euromembrane 2009 (Монпелье, Франция - 2009).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 статей и 13 тезисов докладов на Всероссийских и Международных конференциях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы (125 наименований), изложена на 149 стр., включает 12 таблиц и 58 рисунков.