Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор литературы 8
1.1. Водные растворы аминокислот 8
1.2. Технология аминокислот и методы их выделения из реакционной массы 27
1.3. Экстракция аминокислот
1.4. шизико-химические свойства Д2ЭГЖ 43
2. Методики экспериментов и анализов 48
2.1. Реактивы и материалы
2.2. Методика экспериментов СП
2.3. Методики анализов
3. Равновесие при экстракции аминокислот из водных растворов 61
3.1. Взаимодействие аминокислот с Д2ЭГФК. Изотермы экстракции 61
3.2. Разделение аминокислот экстракцией 84
3.3. Влияние растворителей 88
3.4. Влияние температуры на коэффициент распределения лизина 93
4. Исследование кинетики шссопервдачи при экстракции из биологических растворов 96
4.1. Кинетика экстракции лизина Д2ЭГФК
4.2. Влияние электростатического поля на кинетику экстракции из биологических растворов 102
5. Экстракция лизина из технологиеских растворов 107
5.1. Влияние примесей на извлечение лизина 107
5.2. Экстракция и реэкстракция лизина в технологическом процессе 111
5.3. Принципиальная технологическая схема выделения лизина из стоков микробиологического производства кормового лизина 120
Выводы 128
- Технология аминокислот и методы их выделения из реакционной массы
- Методика экспериментов СП
- Разделение аминокислот экстракцией
- Влияние электростатического поля на кинетику экстракции из биологических растворов
Введение к работе
Мировое производство аминокислот в настоящее время превысило 450 тыс.тонн в год и с 1977 года увеличилось более чем в 1,5 раза [і,2]. Стремительное наращивание производства аминокислот объясняется в первую очередь так называемой "протеиновой проблемой", обусловленной невозможностью обеспечить традиционными методами ведения сельского хозяйства пищевой рацион людей полноценными белками [3], Решение продовольственной проблемы, связанное с интенсификацией сельского хозяйства и как составной его части животноводства, одна из основных задач, стоящих сегодня перед человечеством.
Ценность белков, как известно, определяется их аминокислотным составом, причем процент усвоения белка организмом определяется содержанием в нем незаменимых аминокислот. Незаменимые аминокислоты: лизин, метионин, лейцин, изолейнин, триптофан, треонин, ва-лин, фенилаланин - не могут быть синтезированы в организме животных и поступают в него с растительной пищей. Недостаточное содержание в пище незаменимых аминокислот может привести к нарушению биосинтеза белков и другим тяжелым функциональным расстройствам организма. Протеины многих злаков, например, пшеницы, составляющей в СССР основу кормов в животноводстве, содержат недостаточное количество лизина (2,8 % при потребности до 9,0 %) [з]. Это приводит с одной стороны к снижению продуктивности животноводства, с другой - к перерасходу кормов. Ценность кормов может быть повышена добавлением к ним аминокислот, так добавление к пищевому рациону свиней 0,2 % лизина позволяет увеличить среднесуточный привес в 2 3 раза (до 600 г) и снизить при этом расход кормов с 5 8 до 4 кг в сутки [3,4]. Обеспечение животноводства кормами, сбалансированными по аминокислотному составу, - непременное условие повышения его эффективности. Важность лизина для животноводства иллюстрируется увеличением его мирового производства с 25 тыс.тонн в 1977 году [2] (45 тыс.тонн в 1981 г [5J) до 70 тыс. тонн в 1985 г flj. Годовая же потребность в лизине только в СССР по оценкам ВАСХВИЛ составляет 100 тыс.тонн [з].
Протеиновые аминокислоты, необходимые для животноводства и других отраслей народного хозяйства, могут быть получены несколькими методами /6,7J: выделением из гидролизатов белков, химическим, ферментативным, микробиологическим синтезом. В настоящее время многие аминокислоты, в том числе и кормовой лизин, получают практически только микробиологическим путем как наиболее экономичным [2І. Значение микробиологического производства аминокислот, в особенности лизина, для нашей страны настолько велико, что ему уделена отдельная строка в "Продовольственной программе СССР"
В основу промышленных способов выделения аминокислот из реакционной массы положены осадительныи и ионообменный методы. Осаждение может быть применено лишь для выделения аминокислот, имеющих низкую растворимость в воде. Более универсален ионообменный метод, являющийся в настоящее время основным для большинства действующих производств, но он имеет ряд недостатков, главный из которых в наличиии большого количества стоков, образующихся при промывке смол.
Такие свойства метода жидкостной экстракции, как селективность, практическое отсутствие стоков, а также наличие интенсивных промышленных аппаратов / 9,1о] позволяют рассматривать возможность его применения в биотехнологии как дополнительного, улучшающего показатели работы действующих предприятий, способству - 7 вдего созданию безотходных технологических схем.
Цель работы состояла в разработке физико-химических и технологических основ экстракционного выделения аминокислот. Она включала в себя изучение равновесия в системе "водные растворы аминокислот - ди-2-этилгексилфосфорная кислота (Д2ЭШК)", которая была выбрана в качестве экстрагента и, на основе полученных физико-химических закономерностей, разработку принципиальной технологической схемы экстракционного выделения аминокислот, на примере лизина.
Работа выполнена в соответствии с координационным планом АН СССР по направлению "Теоретические основы химической технологии" (п.п. 2.27. 2.7. - "Исследование процесса жидкостной экстракции из биологических сред".
Технология аминокислот и методы их выделения из реакционной массы
В настоящее время разработаны следующие технологические методы производства аминокислот: гидролизом белкового сырья, химическим, ферментативным и микробиологическим синтезом [2,48]. Гидролиз белкового сырья может быть проведен как химическими методами (кислотный и щелочной гидролиз), так и ферментативно. В работах Шестакова С.Д. (1964,1968 гг.) [49,50]описаны способы производства аминокислот гидролизом отходов пищевой и мясо-молочной промышленности, однако эта технология не нашла широкого применения из-за ограниченности ресурсов природных белков и невозможности наладить крупнотоннажное производство [3]. Кроме того, при кислотном гидролизе разрушается от Юдо 40$ аминокислот, щелочной гидролиз сопровождается к тому же интенсивной их рацемизацией. [51]. Ферментативный гидролиз белка, хотя и прост технологически (ведется в нейтральных водных средах при температуре 40С), но крайне дорог из-за дефицитности используемых в нем ферментов, поэтому он используется лишь для получения гидролиза-тов, применяемых в лечебных целях [52]. В связи со все более расширяющейся потребностью в аминокислотах разработано огромное число химических методов их синтеза [7,53,54,55,56], которые можно условно разделить на две группы: синтез различных радикалов и введение их в остаток глицина, и синтезы, основанные на превращении в глициновый остаток различных функциональных групп, связанных с радикалами того или иного строения. Однако большинство методов химического синтеза приводит к образованию смеси равных количеств L - и Ъ-изомеров аминокислот (рацемату), в то время как только L-аминокислоты усваиваются организмом, а 2)-изомер может быть либо токсичен для организма, либо представляет собой балласт. Это приводит к необходимости разделения рацемата на оптические изомеры с последующей рацемизацией Z)-аминокислоты и повторным разделением на изомеры. В последние 20 лет интенсивно разрабатываются методы ситієтрического синтеза аминокислот, в ходе которого под действием хиральных агентов происходит преимущественное образование одного из оптических изомеров аминокислоты /57,58]. Но в промышленности методы асимметрического синтеза используются крайне редко [59,60]. На сегодняшний день наиболее многотоннажным химическим производством аминокислоты является синтез метионина, уникального по своим биологическим свойствам, т.к. оба его оптических изомера усваиваются организмом одинаково /2,54,55j. Ферментативный синтез аминокислот представляет собой как бы "промежуточное звено" между химическими и микробиологическими процессами, и основан на том, что одна или несколько стадий химического синтеза заменены взаимодействием полупродуктов со специфическим ферментом /61,62.].
Оставаясь перспективным, этот метод до сих пор не получил промышленного воплощения, поскольку имеет тот же недостаток, что и ферментативный гидролиз белка -дефицитность и дороговизна ферментных препаратов. За последние десятилетия наиболее широкое применение у нас в стране и за рубежом получает микробиологический синтез аминокислот [55,63J. В результате большой селекционной работы найден широкий набор генетически стабильных штаммов - продуцентов всех входящих в состав белка аминокислот [64,65j. Микробный синтез аминокислот на сегодняшний день наиболее эффективен в сравнении с другими способами их получения, сырьем для него могут служить как отходы пищевых производств, например, меласса сахарных заводов, так и синтетические продукты, например, уксусная кислота /3,48,63,66]. Целый ряд аминокислот: лизин, глутаминовая кислота, треонин и так далее - получают в промышленных масштабах только микробиологическим синтезом 2,63]. В настоящее время наиболее острый дефицит народное хозяйство испытывает в лизине /67]. Для восполнения его дефицита расширяются уже действующие предприятия, например, Ливанский и Шебе-кинский биохимзаводы, строятся новые .производства 5 8 и более тыс.тонн в год. В СССР выпускается несколько товарных форм кормового лизина: кормовой концентрат (ККЛ) с содержанием лизина до 7-15$, жидкий концентрат (ЖКІ) - до 3% лизина, кристаллический лизин (70$). ЖКЛ и ККЛ представляют собой упаренную - ЖКЛ и высушенную с отрубями - ККЛ культуральнуто жидкость микробиологического синтеза, т.е. стадия выделения лизина при их производстве отсутствует [48,68]. Применение этих двух форм может дыть значительный экономический эффект [3,68]. Однако высокое содержание примесей затрудняет транспортировку и хранение лизина в виде ЖКЛ и ККЛ, тем более, если учесть, что новые мощные предприятия, расположенные в основном в традиционных районах производства сахара, призваны обеспечить лизином животноводство страны в целом. Отсюда ясна важность разработки стадии выделения и концентрирования аминокислот. Технология выделения аминокислот из реакционной массы развивается по нескольким направлениям. Один из наиболее разработанных методов выделения АК связан с осадительной техникой, и основан на различной растворимости аминокислот в воде и других растворителях. В табл.1.2 приведена растворимость в воде различных аминокислот в зависимости от температуры. Наименее растворимые аминокислоты - L -цистин, L -тирозин (0,24 и 1,10 г/1000 г И20 ; 50С), наиболее растворимые -L-пролин и L-лизин (2067,0 и 1115,0 г/1000 г НгО ; 50С). L --глутаминовая кислота имеет растворимость 3,4; 5,0; 7,2; 10,4; 15,1; 21,9; 31,7; 45,9; 66,6; 96,6; 140,0 г/1000 г Hz0 ( t = = 04-Ю0С с интервалом в 10) [7, с.564J и относится к плохораст-воримым аминокислотам.
Перекристаллизация аминокислот с целью получения чистых веществ проводится, как правило, из этанола или его водных растворов. Так при 78-80С и 20С растворимость Ь -изолейцина в абсолютном этаноле составляет 0,1 и 0,07 г/100 мл, в 8С$ водном растворе этанола 1,0 и 0,4 г/100 мл, в воде 6,0 и 4,0 г/100 мл соответственно Технология выделения- аминокислот осаждением подробно описана в ряде работ [49,50]. Например, смесь глутаминовой кислоты, цистина, тирозина, фенилаланина и аргинина, полученная путем кислотного гидролиза отходов мясоперерабатывающей промышленности (рога, копыта, щетина, волос и т.д.), предлагается разделять последовательной кристаллизацией [69]. В упаренном гидролизате при рН = 1,2 при низкой плюсовой температуре в течение 2-3 суток образуются кристаллы глутаминовой кислоты, которые после фильтрации промываются этанолом и эфиром, затем вновь растворяются в горячей воде, обрабатываются активированным углем, нейтрализуются мелом до рН = 3,2 (изоэлект-рическая точка) и вновь кристаллизуются. Расход сырья на I кг глутаминовой кислоты составляет в кг: копытное сырье - 20 соляная кислота - 40 активированный уголь - 2,5 - 3,0 этанол - 16-17 эфир - 0,5 - 1,0 мел - 3,0 - 3,5. Смесь цистита, тирозина и фенилаланина отделяют кристаллизацией (рН = 3,2) от аргинина и разделяют на аминокислоты избирательным растворением в 3% соляной кислоте и дистиллированной воде. Аргинин выделяют кристаллизацией в комплексе с флавиановой кислотой . Растворы Ж на различных стадиях обрабатывают активированным утлем с целью очистки от побочных продуктов гидролиза. Несмотря на простоту аппаратурного оформления (реактор с мешалкой и нутч-фильтр), метод чрезвычайно трудоемок и требует больших затрат времени. Выход по основному продукту (глутамино-вой кислоте) не превышает 4$ от исходного количества сырья. Поэтому метод осадительного разделения аминокислот не нашел применения в многотоннажном производстве. Совершенствование осадительного метода идет в основном по пути кристаллизации аминокислот в виде солей тяжелых металлов (чаще всего Lil ) [70,7I,72,73,74J, однако эти работы в настоящее время имеют в основном теоретический характер. Наиболее крупнотоннажным производством, использующим оса-дительный метод для выделения аминокислоты, на сегодняшний день - производство глутамата натрия (натриевой соли глутаминовой кислоты).
Методика экспериментов СП
Изучение равновесия в системе: "водные растворы аминокислот-Л2Э1ЖП проводилось с применением аминоїшслот, имеющих различные кислотно-основные свойства: лизина, аргинина, гистидина, метиони-на, лейцина, глицина и глутаминовой кислоты (Глава 3). Экстракция велась в пробирках объемом 20 мл при времени контакта фаз 15-20 мин. (обоснование см. в разделе 1.2 4.1) и перемешивании на вибростенде. Соотношение водной и органической фаз поддерживалось равным 1:1. Разделение фаз проводилось на скоростной центрифуге (Т-23), при 7000 оборотов в минуту в течение 10-20 минут. Активность ионов водорода измерялась рН-метром (милливольтметр рН-121). Для определения числа \, методом сдвига равновесия, эффективного заряда иона и построения изотерм, проводилась экстракция из раст-воров аминокислот концентрацией 5,47 10 - 2,70 10 М растворами Д2ЭГФК в бензоле 0,030 - 1,515 М (I - 50 % об.) в интервале значений рН 0,2 - 3,0 (раздел 3.1). По этой же методике велись эксперименты по разделению аминокислот экстракцией (раздел 3.2) и определению влияния растворителей на распределение аминокислот (раздел 3.3). Чтобы убедиться в истинности равновесия, установившегося в системе, проведена серия экспериментов по кинетике экстракции и получению изотерм экстракции - реэкстракнии. Показано, что в эмульсионном режиме концентрация аминокислот в воде снижается от 5 г/л до 1,09 + 0,05 г/л за I глин, и далее остается неизменной (рис. 4.2). Причем равновесные концентрации не зависят от направления переноса вещества: из водной фазы в органическую (экстракция) или из органической в водную (реэкстракция) (рис. 3.6,3.7). Два эти факта можно считать доказательством истинности установившегося в системе равновесия [б,102]. Эксперименты по определению влияния температуры на распределение лизина в системе Д2ЭДЖ - вода (раздел 3.4) проводились в термостатированной диффузионной ячейке (рис. 2.1) fioj при числе оборотов мешалки 300 об/мин и времени контакта фаз 30-40 мин. . Температура в системе поддерживалась с точностью ti 0,1 С. Исходная концентрация лизина в водной фазе составляла 5,47 10 М, концентрация Д2ЭГФК в бензоле составляла 0,0303 М. Эксперименты по изучению кинетики экстракции лизина Д2ЭГФК (раздел 4.1) проводились в диффузионнй ячейке (рис. 2.1) (96 J. Вращение мешалки осуществлялось от двигателя РД-09 через редуктор, обеспечивающий изменение числа оборотов от 60 до 300 в минуту. Состав фаз определялся по остаточной концентрации лизина в водной (исчерпываемой) фазе. Для поддержания соотношения объема фаз постоянным в течение всего опыта и равным 121 одновременно с отбором проб из водной фазы отбирался равный объем Д2ЭШК. Исходная концентрация монохлоргидрата лизина в водном растворе составляла 2,74 10 М (5 г/л). Значение рН поддерживалось равным рН = 1,7+ 0.2 .
При неподвижной мешалке фазы расслаивались отстаиванием в течение 1-1,5 минут. Эксперименты по экстракции из технологических растворов (Глава 5) проводились в диффузионных ячейках при числе оборотов мешалки" 300 об/мин. Состав модельных растворов согласован с составом технологических жидкостей f48], которые можно условно разделить: на стоки, содержащие до 0,034 М (5 г/л) лизина и 0,035 г-экв (до 5 г/л) неорганических солей; так називавше "трапные операции" - некондиционную куль тура льну ю жидкость (ШОК), содержащую до 0,034 М (5 г/л) лизина и до 0,35 г-экв (50 г/л) неорганических солей; и культуральную жидкость (КЖ) с содержанием лизина до 0,35 М (50 г/л). Неорганические соли CcrC . AloC KCt . АІНцСЕ наиболее типичные для технологических растворов микробиологических производств - брались в весовой пропорции 1:1,94:3,7:2,65 [48]. Содержание сахарозы варьировалось от 1,6 до 8,0 г/л. В качестве экстрагента использовалась неразбавленная Д2Э1Щ. Анализ водной фазы на содержание лизина в присутствии ионов аммония и пептидов (экстракция из стоков) проводился методом тонкослойной хроматографии (см. раздел 2.3). Эксперименты по экстракции лизина Д2ЭГФК через полимерную мембрану с наложением электростатического поля (раздел 4.2) про-водились в диффузионной ячейке объемом 40,5 см с вертикально расположенной мембраной площадью 19,9 см (рис. 2.2). В камеры (1,5), разделенные полупроницаемой полимерной мембраной (3), заливались водный (0,274 М) раствор монохлоргидрата лизина (I) и экстрагент (5) при перемешивании мешалками (2) ( П = 250 об/мин.). Под мембрану помещалась сетка (4) из нержавеющей стали (диаметр ячеек I мм), на которую подавался отрицательный электростатический потенциал от универсального источника питания (6) УИП-2 (положительный потенциал заземлялся). Соотношение фаз в процессе эксперимента поддерживалось постоянным, содержание лизина в водной фазе определялось стандартным методом. Б качестве мембраны использовались лавсановые нуклеофильтры [Юз] с диаметром пор 0,53 мкм , и толщиной 10 мкм. Площадь поверхности контакта фаз в ячейке принималась равной площади мембраны, т.к. экстрагент, проникая через поры, смачивал всю поверхность мембраны, обращенную к водной фазе. Для экспериментов с биологическими жидкостями использовалась 2 % эмульсия эритроцитов, полученная из свиной крови fl04J, и плазма крови крупного рогатого скота. Гемолизирующим агентом служил декан для экстракции мочевины, содержащейся в плазме, применялась валериановая кислота.
Эксперименты проводились в специально сконструированной для этой цели диффузионной ячейке, отвечающей условиям стерильного ведения процесса (рис. 2.3). Степень гемолиза определялась колориметрически fl04j сравнением оптической плотности негемолизованной, полностью гемолизован-ной и обработанной экстрагентом эмульсий. Коагуляция белков в объеме плазмы определялась по изменению оптической плотности раствора, причем в качестве параметра принято время до начала коагуляции белка. Содержание мочевины в плазме определялось по известной методике ["105]. Полупроницаемыми мембранами служили лавсановые нуклеофильтры, диаметром пор 0,23 мкм, толщиной 10 мкм. Концентрация аминокислот в водной фазе определялась известным методом с помощью нингидриновой реакции [Юб]. Концентрация лизина в органической фазе определялась из соотношений материального баланса: Citcx-Vucx-Cf6od)V(6od) С Г = Vf ) гД-е С(исх) С (вод) " исходная и равновесная концентрации (ІЛ) в водной фазе, С(орг)- равновесная концентрация в органической, фазе, VuCX VfSodJ V(opr) - объемы фаз соответственно. При равенстве объемов фаз запишем уравнение, использованное в расчетах Cfopr) =C(ucxj С(6од) (2.2) Коэффициент распределения определялся, как соотношение равновесных концентрации в органической и водной фазах СГорг) Оисх) - С(6од) 01 = С(Ш) С (вод) (2-3) Концентрация аминокислоты в водной фазе определялась колориметрически по интенсивности сине-фиолетовой окрасіш, образующейся при реакции аминокислот с нингидриновым реактивом ( -Л = 540 нм). [107,108,109] Шнгидриновая реакция подробно описана в ряде монографий и широко применяется в аналитической практике аминокислот Гюб,ПОДІЇ/ для точного определения небольших концентраций, Нингидриновая реакция относится к специфическим реакциям (-ами- ногрушда. При нагревании одного эквивалента К-аминокислоты с двумя эквивалентами нингидрина образуется интенсивно окрашенным продукт. Все аминокислоты и пептиды, содержащие свободную -аминогруппу, дают с нингидрином синюю окраску, пролин, содержащий замешенную оС -аминогруппу, образует с нингидрином производное несколько иного строения, окрашенное в желтый цвет. Реакция (А -АК с нингидрином проходит в два этапа:
Разделение аминокислот экстракцией
Анализируя экспериментальные данные по.распределению аминокислот в Д23ШК (табл.3.1, 3.2; рис.3.1-3.4), можно предположить, что Д2Э1ФК способна служить не только для выделения АК, но и для их разделения. В таблице 3.6 представлены коэффициенты распределения, полученные при экстракции из смеси протеиновых аминокислот при различных Как показано выше /\9 индивидуальной аминокислоты в настоящий момент не может быть получено теоретически или экспериментально, однаїсо при сопоставлении коэффициентов разделения для различных пар аминокислот, могут быть вычислены по уравнению (3.39) от- ношения K$i /Кэ2. для этих аминокислотных пар. На основании экспериментальных данных, представленных в таблице 3.7, наїм вычислены среднестатистические соотношения г\Элиз//(эАК для девяти аминокислот (табл.3.8), найденные в интервале рН 0.69 1.65. В этой же таблице сопоставлены расчетные значения коэффициентов разделения И3-Ак (УРав.(3.39)) для рН 1.60 и экспериментальные, не включенные ранее в статистическую обработку. Сопоставление расчетных и экспериментальных коэффициентов разделения позволяет сделать вывод об адекватности уравнения (3.39). Кроме того табулированные значения отношении Кэлиз/КэАК могут быть использованы для расчетов по разделению любых других сочетаний из указанных аминокислот. литературе /86-95 J описаны эксперименты по экстракционному разделению аминокислот экстрагентагли различных классов: хло- роформом, етилацетатом, н-октанолом, краун эфирами, Д2ЭШС. Ам-фотерность аминокислот позволяет предположить, что при рН р J когда в водных растворах аїлинокислот доля анионов значительна, они могут быть экстрагированы анионитами, например три-н-октил-амином (ТОА) [127, 128]. В эксперименте, однако, при экстракции из разбавленных растворов рН р X диаминомонокарбоновых кислот (лизин pi = 9.59, аргинин pj= II.15, гистидин р/= 7.47) труднодостижимы, поэтому экстракция ТОА проводилась из нейтральных сред (рН = 7.3). При этом рН нейтральной среды выше р X большинства протеиновых аїлинокислот (табл. 1.3). Экспериментальные данные (табл.3.9) подтверждают наше предположение об анионо-обменном характере взаимодействия аминокислот с ТОА, поскольку в приведенном ряду лизин имеет наименьший коэффициент распределения; однако вопрос о характере взаимодействия аминокислот с жидкими анионитами требует специальной более глубокой проработки.
Сравнение же коэффициентов разделения аминокислот при экстракции ТОА и Д2ЭШК приводит к заключению, что Д2Э1Ж в описанных условиях является более специфичным экстрагентом. Кроме экспериментов по экстракционному разделению жидкими катионитами и анионитами, проводились эксперименты по распределению аїлинокислот в органических кислотах, не являющихся катиони-том - в олеиновой кислоте. Различие коэффициентов распределения, приведенные в таблице 3.9 укладываются в ошибку опыта, таким образом экспершлент подтвердил как литературные данные о разделении аминокислот экстрагентами - неионитами, так и наши выводы о перспективности применения для этой цели в первую очередь ка-тионита - Д2Э1М. Однако, следует отметить, что олеиновая кислота, не являясь специфическим экстрагентом для аїлинокислот, может быть все же использована в производстве аїлинокислот, как малоток- Вывод, который можно сделать из данного раздела, состоит в следующем: наиболее перспективным экстрагентом для разделения аминокислот из исследованных наїли и описанных в литературе является Д2ЭШК, причем на основании изученного механизма экстракции аминокислот ДЗЭШК предлагается метод расчета коэффициентов разделения аминокислот. 3.3. Влияние растворителей Растворитель может оказать существенное влияние на распределение экстрагируемого вещества. Как отмечалось в разделе 1.4 Д2ЭЗЖ, хорошо расворяясь в органических растворителях, находится в них большей частью в виде дшлера (W)2 [98-I00J. Однако, кроме самоассоциации, алкилфосфорные кислоты склонны к образова- нию смешанных ассоциатов или сольватов типа (HDj h, что в некоторых случаях может привести к увеличению экстракционной способности алкилфосфорной кислоты / I29-I33J. В литературе, к сожалению, уделено мало внимания изучению растворов Д2Э1ШК в карбонових кислотах, образование сольватов указанного типа в которых весьма вероятно.
Некоторые карбоновые кислоты, кроме того, перспективны в качестве растворителя для Д2Э1Щ и с технологической точки зрения. Так например олеиновая кислота может легче, чем традиционные растворители химической промышленности найти применение в биотехнологии, поскольку она малотоксична и малорастворима в воде. Нами проводились эксперименты по сравнению коэффициентов распределения и числа О, , полученного методом сдвига равновесия, при экстракции лизина растворами Д2ЭЕЖ в олеиновой кислоте и растворителями других классов органических соединений (табл. 3.10, рис.3.10) алканов - н-декане, керосине; ароматических углеводородов - бензоле; галогензамещенных - хлороформе; спиртов -- н-гексаноле. Повышение коэффициента распределения вдвое при экстракции растворами Д2ЭШК в олеиновой кислоте, относительно ее растворов в других растворителях, указывает на увеличение активности Д2ЭШК, поскольку сами растворители не являются экстрагентами аминокислот (см.раздел 3.3) Эксперименты по определению числа Q, при экстракции различных аминокислот растворами Д2ЭШК в олеиновой кислоте и бензоле (табл.3.II) показали, что комплекс, образующийся в результате экстракции в органической фазе, содержит 1/2 димера (Д2ЭЗЖ), то есть в растворе олеиновой кислоты Д2ЭШК не димеризована и равновесие в системе описывается уравнением: На основании того, что процесс экстракции лизина Д2ЭШК -- экзотермический, можно дать рекомендации для технологического ведения процесса. При наличии в технологической нитке нерекупе-рированного тепла и холода с целью повышения выхода лизина следует: на стадии экстракции захолашшать систему, на стадии ре-экстракции - подогревать. 4.1. Кинетика экстракции лизина Д2ЭШК Уравнение :шссоотдачи_ при конвективной диффузии можно представить в виде [Ї35Д36] где Са » Сх " концентрации распределяемого компонента у поверхности раздела фаз ( р ) и текущая (2?) в объеме фазы ( V ). Км - коэффициент массоотдачи. При условии, что массопередачу лимитирует одна из фаз, и что на границе раздела фаз достигается равновесие, после разделения переменных и интегрирования получим /135 Іуравнение массопередачи r L J в интегральном виде ИЛИ w -Єп(4-І) К„уг (4.3) где J" s (C0-Ot:)/(Co CpJ - Удельный поток вещества через межфазную поверхность. С0 , Ср - исходная и равновесная концентрации в фазе, Км - коэффициент массопередачи. С помощью уравнения (4.2), обработав экспериментальные данные об изменении текущей концентрации во времени в координатах $7 (і "I)— ТГ и У0 105» что процесс массопереноса -- диффузионный, можно получить значение коэффициента массопередачи /Су . Указанная обработка была проведена (рис.4.1). Вычисленные по уравнениям линейной регрессии для временных интервалов 0 19.8 Ю3 с, 0-5-600 с, 600 19.8-Ю3 с коэффициенты массопередачи /(/v?сведены в таблицу 4.Ї. Регрессионный анализ показывает, что экспериментальные данные адекватно описываются уравнением (4.2) (см.приложение 4.8 ).
Влияние электростатического поля на кинетику экстракции из биологических растворов
В предыдущем разделе рассматривались некоторые кинетические зависимости при экстракции катионов аминокислот Д2ЭШК. Очевидно, что на скорость межфазного массопереноса ионов может оказать существенное влияние электростатический потенциал у поверхности раздела фаз fW, 2Ц , 03j. Влияние электростатического поля на кинетику массопереноса оценивалось по изменению коэффициента массопередачи /V;, вычисленного при обработке кинетических зависимостей в координатах &?(4 1) Т7 V » аналогично ранее описанной методике. Эксперименты проводились в двухкамерной диффузионной ячейке, камеры которой разделялись полупроницаемой полимерной мембраной (рис.2.2). Электростатический потенциал подводился к поверхности раздела фаз (подробнее см.раздел 2.2). Ё таблице 4.3 и на рисунке 4.3 показано влияние электростатического потенциала у поверхности мембраны на коэффициент массопередачи при переносе лизина через полупроницаемую мембрану в системах вода-вода и вода-Д2Э1Ж. Сравнивая значения коэффициента массопередачи в описанных случаях, отметим резкое его возрастание (на 200-300 %) при наложении на поверхность раздела фаз электростатического потенциала, имеющего знак, противоположный знаку иона аминокислоты. Влияние электростатического поля на экстракцию через полупроницаемую мембрану изучалось также на биологических жидкостях, содержащих форменные элементы крови и нативные белки. Цель этих экспериментов состояла в выявлении качественного влияния поверхностного потенциала мембраны на.гемолиз и денатурацию белков кро- Таблица 4.3 Влияние электростатического потенциала у поверхности мембраны на коэффициент массопередачи при переносе лизина через полупроницаемую мембрану (рН = 1.7 0.2, Т- 23-0.5 С). ви, при экстракции через полимерную мембрану f 141,142]. Гемолиз, то есть разрушение эритроцитов и денатурация белков являются суще ственным препятствием для внедрения экстракционного метода коррекции состава биологических жидкостей в лечебную практику /104, 143,144]. Известно, что при рН крови (7.36-7.40) эффективный заряд большинства белков, находящихся в ней так же, как и поверхностный заряд мембраны эритроцитов меньше нуля ( pJ 7.0) f145J. Поэтому наложение отрицательного электростатического потенциала в области поверхности раздела фаз по нашему предположению, должно снизить травму элементов крови, возникающую при контакте форменных элементов и белков с поверхностью раздела фаз.
Перенос незаряженных молекул не зависит от .величины потенциала, приложенного к границе раздела фаз. Так сравнение по критерию Стыодента Ср = 0.05) среднего извлечения мочевины валериановой кислотой через мембрану без наложения электростатического потенциала - 37.6 % со средним значением извлечения при наложении потенциала 0 250 В - 38.2 $ (60 мин) показало незначимость их различий (р = 0.05) (табл.4.6). Влияние электростатического потенциала в области поверхности раздела фаз на скорость межфазного переноса может быть использована для повышения эффективности разделения аминокислот, а также для экстракции компонентов биологических жидкостей. Наложение отрицательного электростатического потенциала при экстракции аминокислот, находящихся в растворе в виде катионов может увеличить скорость переноса в 2-3 раза. Б случае экстракции из жидкостей, содержащих белок или форменные элементы крови, отрицательный электростатический потенциал у мембраны может значительно снизить травму названных компонентов, возникающую при их контакте с поверхностью раздела фаз. Этот эффект может быть использован при конструировании аппаратов, предназначенных для коррекции состава биологических жидкостей. В реальных технологических растворах, в отличии от водных растворов аминокислот, кроме аминокислот, присутствуют неорганические соли, белки, пептиды, сахароза, пигменты. Изучение экстракции и реэкстракции лизина дня технологического применения проводились как на модельных системах различного состава, так и на реальных технологических растворах, полученных с микробиологического производства кормового лизина на Шебекинском биохимическом заводе. Влияние на распределение лизина катионов металлов, присутствующих в растворах, при различных значениях рН показано на примере Np В таблице 5.1. Увеличение концентрации катионов Nd снижает коэффициент распределения лизина (табл.5.1, п.п.1,2,3), однако, поднимая рН водной фазы, можно значительно увеличить К лизина, даже в при- сутствии No . Так при концентрации Net 9.0 10.5 г/л увеличение рН от 1.96 до 2.30 повышает коэффициент распределения лизина в 3-5 раз. Подобное явление объясняется, видимо, конкурентной экстракцией катионов металлов Д2Э1ШК по катионообменному механизму [j96,97j. Изучение суммарного влияния на экстракцию лизина присутствующих в технологических растворах минеральных солей, сахарозы, биомассы, пигментов проводилась на стоках, содержащих лизина и минеральных солей до 5 г/л; на модели некондиционной КЖ (культураль-ной жидкости) с содержанием лизина до 5 г/л и минеральных солей до 30 г/л, и культуральной жидкости, содержащей до 50 г/л лизина и до 30 г/л минеральных солей (подробнее см.раздел 2.2). (Концентрации лизина и солей в технологических растворах даны, как принято в технологических регламентах, в г/л). Наибольшее влияние на извлечение лизина оказывает присутствие в растворах катионов металлов и аммония, которые экстрагируются Д2ЭШК по катионообменному механизму. Установлено, что при экстракции из стоков (табл.5.2, п.п.1-4) избытком экстрагента наличие солей хотя и снижает коэффициент распределения лизина, однако он остается с технологической точки зрения достаточно высоким (5.4 8.6).
Повышение концентраций неорганических солей до концентраций, соответствующих составу КЖ, существенно снижает коэффициент распределения лизина (табл.5.2, п.п.5,7,8). Наличие в растворе сахарозы, биомассы и пигментов не оказывает влияния на коэффициент распределения лизина (табл.5.2,п.п. 2 и 4, 7 и 8), поскольку катионит Д2ЭШК, видимо, не является экстрагентом для этих веществ. Сравнение оптической плотности исходного раствора, содержащего пигменты, и экстракта показало что при экстракции происходит осветление целевого раствора в 5- Изотерма экстракции, построенная по экспериментальным данным (рис.5.2), позволяет рассчитать число теоретических ступеней разделения, необходимое при проектировании массообменного оборудования. Например при извлечении из стоков с начальной концентрацией 2.1 г/л лизина и конечной - 0.6 г/л при увеличении концентрации лизина в органической фазе от 1.8 г/л до 4.0 г/л, число теоретических ступеней разделения составляет 1.5 (рис.5.2). 5.2. Экстракция и реэкстракция лизина в технологическом процессе При разработке технологических параметров особое внимание удеделось выбору реэкстрагента. В случае катионообменного механизма экстракции распределенное вещество может быть выделено из органической фазы как щелочными, так и кислыми растворами. Были проведены эксперименты по реэкстракции лизина из экстрагента растворами аммиака и гидрата натрия. Однако при контакте экстрагента с водной фазой, имещий высокие значения рН (рН 12), органическая фаза омыляется за счет высокой концентрации аммониевых и натриевых солей Д2ЭШК. Сместить равновесие гетерофазной реакции (3.II) при реэкстракции с образованием водного раствора аминокислот, могло,как показано выше, смещая рН в сторону кислых сред. Наличие в технологической нитке производства лизина стадии нейтрализации лизина соляной кислотой [48,68] позволяет предложить соляную кислоту в качестве реэкстрагента. Поскольку лизин вырабатывается микробиологической промышленностью в виде монохлоргидрата, то на стадии реэкстракции, таким образом, будет получена товарная его форма. Для выбора условий реэкстракции наїж проведены эксперименты по распределению лизина в системе: "Д2ЭИК-соляная кислота"(рис. 5.3).
