Содержание к диссертации
Введение
1 Литературный обзор 11
1.1 Мембранная фильтрация 11
1.2 Классификация баромембранных методов 12
1.3 Способы получения микрофильтрационных мембран 18
1.4 Мембранообразующие полимеры 24
1.5 Модификация мембран
1.5.1 Физические методы модификации поверхности 32
1.5.2 Химические методы модификации поверхности полимерных продуктов 36
1.6 Использование мембран в медицине, фармацевтике, микробиологии 46
1.6.1 Стерилизующие мембраны 47
1.6.2 Мембраны для санитарно-вирусологического анализа 50
1.6.3 Мембраны, обладающие бактерицидными свойствами 56
2 Объекты и методы исследования 62
2.1 Мембраны микропористые капроновые 63
2.2. Полиэтиленгликоль 68
2.3 Глицерин 70
2.4 Полигексаметиленгуанидин гидрохлорид 71
2.5 Продукт АГМ-3 72
2.6 Продукт АГМ-9 73
2.7 Хитозан (1,4-2-ацетамидо–2деокси--D полиглюкан) 73
2.8 Препарат наночастиц «Сильвернано» 75
2.9 Нитрат серебра 2.10 Фосфат серебра 75
2.11 Метод проведения объёмной модификации 76
2.12 Метод проведения поверхностной модификации 76
2.13 Методика измерения вязкости формовочных растворов 76
2.14 Методики определения порометрических
характеристик мембран 79
2.14.1 Методика определения точки пузырька 80
2.14.2. Методика определения производительности 80
2.15 Методика определения прочностных свойств при растяжении плоских мембран 80
2.16 Методика оценки распределения пор по размерам 80
2.17 Методика определения электрокинетического потенциала плоских микрофильтрационных мембран 82
2.18 Методика оценки структуры полиамидной матрицы мембраны методом рентгеноструктурного анализа 84
2.19 Электронная микроскопия 86
2.20 Методика оценки стерилизующей способности мембран 87
2.21 Методика испытания бактериостатической и бактерицидной способности мембранных фильтров дискового типа 90
2.22 Методика определения массовой концентрации серебра 94
2.23 Методика определения эффективности концентрирования вирусов и фагов 99
3 Результаты и их обсуждение
3.1 Выбор модифицирующих добавок, для получения полиамидных микрофильтрационных мембран с высокими эксплуатационными свойствами 102
3.2 Исследование стерилизующей способности модифицированных полиамидных микрофильтрационных мембран 113
3.3 Определение возможности применения модифицированных полиамидных мембран с повышенным зарядом поверхности при санитарно-вирусологическом анализе воды 118
3.4 Разработка мембран, обладающих бактериостатическими свойствами 128
4 Практическое применение результатов работы 141
Заключение 145
Список использованных источников
- Мембранообразующие полимеры
- Полигексаметиленгуанидин гидрохлорид
- Методика оценки структуры полиамидной матрицы мембраны методом рентгеноструктурного анализа
- Определение возможности применения модифицированных полиамидных мембран с повышенным зарядом поверхности при санитарно-вирусологическом анализе воды
Мембранообразующие полимеры
Ультрафильтрация — это мембранный процесс, по своей природе занимающий промежуточное положение между обратным осмосом и микрофильтрацией. Размеры пор ультрафильтрационных мембран варьируют от 0,1 мкм (граница минимальных размеров пор в микрофильтрационных мембранах) до 1 нм (граница пор максимального размера в обратноосмотических мембранах). Типичное применение ультрафильтрации — отделение макромолекулярных компонентов от раствора, причем нижний предел отделяемых растворенных веществ соответствует молекулярным массам в несколько тысяч.
Для отделения растворенных веществ с молекулярными массами от нескольких сот до нескольких тысяч используется процесс, промежуточный между ультрафильтрацией и обратным осмосом, который называют нанофильтрацией. Как микрофильтрационные, так и ультрафильтрационные мембраны относятся к пористым мембранам, и в них задержка частиц определяется главным образом их размером и формой в соответствии с размерами пор мембраны, а транспорт растворителя прямо пропорционален приложенному давлению. При микрофильтрации и ультрафильтрации имеют место одинаковые мембранные явления, и используется один и тот же принцип разделения.
Ультрафильтрационные мембраны в основном используют для получения высококачественных вакцин, сывороток, ферментов и антибиотиков, очистки высокомолекулярных соединений, концентрирование молока и сыроделие, осветление фруктовых соков и т.д.[6,7,8,9]
Обратный осмос применяется для отделения от растворителя низкомолекулярные растворенные вещества, такие, как неорганические соли или органические молекулы, например, глюкозу. Мембраны для обратного осмоса находят свое применение при решении вопросов охраны окружающей среды и рационального использования сырья, извлекаемого из сточных вод.
Использование этих мембран позволило создать эффективные процессы опреснения морских, океанических и солоноватых вод для питьевых и сельскохозяйственных нужд [9,10].
Газоразделение используют при получении обогащенного кислородом воздуха для медицинских применений, процессов горений, получении стерильного воздуха для аэробных процессов ферментации. Другое использование - это отделение органических паров от неконденсирующихся газов, очистка метана образующегося при переработке отходов в хранилищах, выделение метана из природных газов, извлечение СО2 при добыче нефти и т.д. Газоразделение осуществляется с использованием пористых и непористых мембран[1].
Первапорация – это процесс, в котором жидкость при атмосферном давлении контактирует с входной поверхностью мембран, а на противоположной стороне мембраны пермеат удаляется в виде паров с низким парциальным давлением. Низкое парциальное давление пара достигается либо путем использования газа-носителя, либо вакуумирования. Для первапорации требуются непористые мембраны, преимущественно с анизотропной морфологией. Этот процесс в основном используют для удаления малых количеств одного из компонентов жидкой смеси.
Наиболее важное применение первапорация находит в химической промышленности, хотя этот процесс используется и в других отраслях, включая пищевую и фармацевтическую промышленности, прежде всего для концентрирования чувствительных к нагреванию продуктов[1].
Диализ – это процесс освобождения коллоидных растворов и субстанций высокомолекулярных веществ от растворённых в них низкомолекулярных соединений при помощи полупроницаемой мембраны. При диализе молекулы растворенного низкомолекулярного вещества проходят через мембрану, а неспособные диализировать (проходить через мембрану) коллоидные частицы остаются за ней [1].
Основное применение диализа – очистка крови от низкомолекулярных токсинов – мочевины, фосфатов, креатинина и др. Процесс называется гемодиализ, или искусственная почка[3].
В процессе электродиализа транспорт ионов осуществляется вследствие протекания постоянного электрического тока при наложении разности электрического потенциала. Для того, чтобы мембраны были селективными по отношению к ионам, используют ионообменные мембраны, осуществляющие перенос либо катионов или анионов.
При использовании проницаемых для ионов неселективных мембран можно разделять электролиты и неэлектролиты. Электродиализ применяют в процессах обессоливания воды и очистке сточных вод, разделении аминокислот, производстве хлора, серной кислоты [1, 12].
Мембранная дистилляция
Процесс мембранной дистилляции состоит в селективном массопереносе паров воды через тонкопористую гидрофобную мембрану, разделяющую два водных раствора, температура которых различна. Молекулы пара переносятся от нагретой поверхности водного раствора через поры мембраны и концентрируются на охлажденной стороне[11].
Преимуществом мембранной дистилляции перед обычной является возможность использования низкопотенциального тепла, а также резкое увеличение удельной площади испарения [3].
С помощью мембранной дистилляции в качестве пермеата получаются такие высококачественные вещества, как вода для полупроводниковой промышленности, опресненная морская вода, бойлерная питающая вода для энергетических установок. В ряде случаев мембранную дистилляцию используют для концентрирования растворов при обработке сточных вод, концентрировании солей и кислот. Другим типом применения мембранной дистилляции является разделение водных растворов, содержащих низкие концентрации летучих компонентов [1].
Полигексаметиленгуанидин гидрохлорид
Одной из наиболее важных проблем мембранной технологии является снижение производительности мембран вследствие образования на их поверхности различных осадков. В отличие от процесса загрязнения мембран коллоидными и кристаллическими осадками, микроорганизмы не только осаждаются на поверхности мембраны, но и в дальнейшем размножаются, прорастая через поры. Использование различных антибактериальных материалов является весьма перспективным методом борьбы с биологическими загрязнениями мембранных фильтров.
Антибактериальную активность проявляет значительное количество природных и синтетических соединений, но только некоторые из них могут быть использованы для иммобилизации на поверхности мембран. К ним могут быть предъявлены следующие требования: - безопасность для человеческого организма бактерицидных агентов-модификаторов в концентрациях, достаточных для подавления жизнедеятельности микроорганизмов; - высокая активность действующих веществ и широкий спектр их антимикробного действия, которые должны сохраняться в течение требуемого периода эксплуатации.
К таковым относятся катионактивные полимеры [96 - 103], содержащие атомы азота в основной или боковой цепи (например, хитозан, полигексаметиленгуанидин гидрохлорид), а также металлы: серебро, медь и их различные препараты [104].
Металлы, такие как серебро, медь и их производные обладают выраженными бактерицидными свойствами и являются эффективным антибактериальными средствами [105]. Доказано, что серебро имеет сильную токсичность к большому количеству микроорганизмов; по этой причине составы, содержащие серебро, обширно используются для борьбы с большинством бактерий. Серебряные составы используются для обработки ожогов и различных инфекций. Некоторые соли серебра и их производные используются как антибактериальные агенты.
Большей высокой активностью обладает серебро в виде наночастиц, так как имеет большую площадь поверхности, что увеличивает их область контакта, и тем самым значительно повышая его бактерицидные свойства. Наночастицы серебра являются одним из важных достижением отечественной науки в области нанобиотехнологий. В некоторых случаях, коммерческим продуктам, содержащим наночастицы металлического серебра размером 5-50 нм или ионное серебро, дают название наносеребро (nAg) [106]. Применение серебра в виде наночастиц позволяет во много раз снизить его концентрацию с сохранением всех бактерицидных свойств.
Ионы серебра делают невозможным протекание многих химических реакций внутри бактерий, и поэтому в присутствии наночастиц серебра многие бактерии не размножаются
По данным Всемирной организации здравоохранения ионы серебра при концентрации более 50 мкг/л обладают бактериостатическим действием, а при концентрации более 150 мгк/л – бактерицидным действием.
Авторы статьи [107] показали, что серебросодержащие мембраны производства ЗАО НТЦ «Владипор» МФФК-Г-С проявляют выраженный бактериостатический эффект, однако бактерицидный эффект не достигается. В обзоре [108] сравниваются различные материалы, включая хитозан, наночастицы серебра, фуллерены, углеродные нанотрубки, TiO2 и ZnO. Авторы делают акцент на то, что нанотехнология - потенциальная альтернатива традиционным способам водоподготовки, и рекомендуют развивать новые методы получения антибактериальных покрытий, функцианализированных наночастицами, и использование наночастиц металлов в существующих процессах водоподготовки.
В работе [109] представлены полисульфоновые мембраны, импрегнированные серебром, изучены их антимикробные свойства. В этом исследовании наночастицы серебра (nAg) вводились в состав формовочной смеси для получения полисульфоновой ультрафильтрационной мембраны. Были установлены антибактериальные свойства по отношению ко множеству бактерий, включая Escherichia coli K12 и Pseudomonas mendocina KR1, и бактериофагу MS2. Введение наносеребра также повысило гидрофильность мембран, при этом уменьшило потенциальную возможность мембранного загрязнения. Но после относительно короткого периода фильтрования (0.4 л/см2) происходит значительная потеря серебра с поверхности мембраны, что приводит к значительной потере антибактериальной и антивирусной активности. Таким образом, для успешного производства модифицированных наносеребром мембран для биологического контроля необходимо учитывать переход ионов серебра в фильтрат.
В работе [110] сообщается о получении новых гибридных мембран со слоем металлического серебра, а также его малорастворимой соли (AgI). В качестве исходной композитной мембраны использовали микрофильтрационные мембраны ЗАО НТЦ «Владипор» на основе фторопласта 42. Нанесение на поверхность мембраны антибактериального покрытия проводили различными методами: нанесение нерастворимой соли серебра, нанесением слоя металла методом магнетронного распыления. Наряду с серебром в качестве антимикробных агентов применяют различные катионоактивные полимеры, такие как хитозан, полигексаметиленгуанидин гидрохлорид и др.
Механизм антимикробного действия поликатионов можно описать следующим образом: катионная природа данных веществ, приводит к связыванию его с кислотой фосфолипидов, входящих в структуры клетки микроорганизмов, в результате чего происходит нарушение обмена внутриклеточных веществ с внешней средой.
Разработанные трековые полиэтилентерефталатные мембраны [111], поверхностно модифицированные хитозаном и другими катионактивными азотсодержащими антибактериальными добавками показали стабильные антибактериальные свойства как относительно к грамотрицательной бактерии Escherichia coli НВ 101, так и грамположительной бактерии Stafilococus aureus CCM 209. В настоящее время не существует выпускаемых в промышленном масштабе мембран с антибактериальными свойствами, что вынуждает использовать сильнодействующие дезинфицирующие средства, отрицательно сказывающиеся на здоровье человека и экологии окружающей среды. В качестве таких мембран могут быть использованы микрофильтрационные полиамидные мембраны, модифицированные нанопорошками серебра
Методика оценки структуры полиамидной матрицы мембраны методом рентгеноструктурного анализа
Подавляющее большинство полимерных материалов представляет собой смесь кристаллической и аморфной компонент. Под степенью кристалличности подразумевается отношение площадей дифракционных пиков от кристаллитов (например, нейлона) к сумме площади размытого пика (гало) от аморфной составляющей и площади дифракционных пиков: X = крист аморф Образцы изучались в геометрии на прохождение. Для измерений образец полимерной мембраны площадью несколько квадратных миллиметров помещался в специальный держатель. Измерения проводятся в вакууме при комнатной температуре; вакуумирование позволяет существенно снизить паразитное рентгеновское рассеяние на воздухе и, таким образом, существенно увеличить отношение сигнал/шум.
Сканирующая электронная микроскопия позволяет получить изображение структуры материала, а также частиц размерами от десятков нанометров до сантиметров. В работе использовался микроскоп JEOL JSM-6380 LA с анализатором JED 2300. Так как наилучшие результаты можно получить только для образцов, обладающих электропроводностью, мембраны перед измерениями напылялись тонким слоем (20-30 нанометров) углерода. Использован режим Вторичных электронов (Secondary electrons), позволяющий как визуализовать структуру мембраны с необходимым разрешением, так и обнаружить металлические частицы 2.20 Методика оценки стерилизующей способности мембран
Эффективность стерилизующей способности полиамидных мембран определялась в ФГБОУ ВПО «МГУ им. М.В. Ломоносова». Испытания проводились с использованием тест-культуры Brevundimonas diminuta ATCC 19146 при уровне нагрузки 107 КОЕ на 1 см2 эффективной фильтрующей поверхности.
Биологический факультет МГУ располагает единственным в Российской Федерации музеем микроорганизмов, в котором имеется Brevundimonas diminuta, используемая всеми ведущими организациями мира в качестве тест организма при определении стерилизующей способности мембран.
Подготовка модельных микроорганизмов В зависимости от назначения и планируемого применения мембран и воды, очищенной путём фильтрования, оценка стерилизующей способности мембранных фильтров (МФ) проводится с использованием модельного микроорганизма (ММ) Brevundimonas diminuta. До начала основных исследований проводится подготовка необходимого модельного микроорганизма, для чего бактерии предварительно пассируют на селективных питательных средах, добиваясь получения чистой культуры в высоком титре, после чего готовят бактериальные взвеси в физрастворе в стерильных условиях. Путём десятичных разведений производят титрование модельных микроорганизмов, определяя их концентрацию, производя высевы. Далее производят заражение испытуемой воды ММ заданной концентрации.
Подготовка воды, предназначенной для фильтрования Для проведения испытаний стерилизующей способности мембранных фильтров в зависимости от целей и задач в лабораторию доставляют необходимый объем испытуемой воды (из поверхностного, подземного источника, водопроводную, бутилированную, дистиллированную, полученную обратноосмотической фильтрацией).
Воду, предназначенную для испытания фильтров, необходимо освободить от посторонней микрофлоры, чтобы не искажать получаемые результаты. Для этого воду стерилизуют путём автоклавирования в паровом стерилизаторе в необходимых объёмах в установленном режиме: После стерилизации воду остужают до комнатной температуры, производят контрольный посев на стерильность, чтобы исключить наличие посторонней микрофлоры, и, в особенности, наличие штамма ММ.
Проведение исследований по оценке стерилизующей способности мембранных фильтров Подготовка испытательного стенда Для проведения исследований по оценке стерилизующей способности мембранного фильтра (МФ) необходимо подготовить испытательный стенд, включающий: а) первичную ёмкость, в которую наливается вода, зараженная модельным микроорганизмом, предназначенная для последующего фильтрования; б) фильтродержатель, на котором закрепляется испытуемый МФ; в) насос, подающий заражённую воду на фильтродержатель; г) ёмкость, принимающая фильтрат – воду, прошедшую через испытуемый МФ. Перед испытанием необходимо, чтобы все составные элементы стенда были стерильными. Ход выполнения исследования Работу по оценке стерилизующей способности мембранных фильтров (МФ) необходимо проводить в стерильном боксе, для чего помещение бокса подвергается УФ-облучению на протяжении 30 минут.
Стенд для испытаний МФ, также подвергнутый стерильной обработке, устанавливают в ламинарном боксе БАВп-01-«Ламинар-С»1,2, производят сборку фильтрационной установки, соединяя шланги с фильтродержателем, исходной ёмкостью, насосом. В исходную ёмкость заливают испытуемую воду, куда вносится культура ММ в необходимой концентрации и тщательно перемешивается. После перемешивания из ёмкости отбирается проба для определения исходной концентрации ММ в исходной воде.
Пакет с испытуемыми мембранными фильтрами (МФ) распечатывается в стерильных условиях строго в ламинарном боксе. Стерильным пинцетом МФ закрепляется на фритте фильтродержателя, после чего включается насос и вода в заданном объёме, содержащая ММ в определённой концентрации, пропускается через МФ.
Вода, прошедшая через МФ и выходящая из фильтродержателя (фильтрат) отбирается для определения наличия в ней ММ. Отбирается 3 фракции: 1)непосредственно, сразу после начала фильтрования; 2)в середине процесса фильтрования; 3) в конце фильтрования. Пробы отбирают в объёмах, необходимых для прямого посева в соответствии с методикой индикации данного ММ на соответствующих элективных питательных средах. Определение концентраций модельных микроорганизмов Посевы проб выполняются на элективных питательных средах для определения концентраций содержания в них ММ в соответствии с МУК 4.2.1890-04 «Методические указания по определению чувствительности микроорганизмов к антибактериальным препаратам» и другими методическими документами водно-санитарного законодательства. В результате посевов отобранных проб воды в ходе фильтрования, определяют концентрации ММ, содержащихся в исходной воде и в фильтрате, т.е. «до» и «после» прохождения заражённой воды через испытуемый МФ.
Определение возможности применения модифицированных полиамидных мембран с повышенным зарядом поверхности при санитарно-вирусологическом анализе воды
Исходя из представленных результатов (рис. 3.8) видно, что начиная с температуры промежуточной сушки в 35С концентрация серебра в готовой мембране выходит на максимально возможное значение. Потеря серебра составляет 5 – 10 %.
Технологические параметры процесса модификации были определены для каждого модификатора, исходя из экспериментальных данных, таких как скорость обработки полотна мембраны, концентрации применяемых веществ в растворе и в конечной продукции. Вначале были проведены исследования бактерицидных свойств исходных мембран и мембран модифицированных полигексаметиленгуанидином. Этот выбор был сделан потому, что высокая эффективность антимикробных свойств ПГМГ известна достаточно давно и доказана на различных объектах.
Оценка бактерицидных свойств проводилась в ВНИИЗЖ г. Владимир и в НИИ ЭЧ и ГОС им. А.Н. Сысина г. Москва по методике разработанной ранее и приведенной в разделе «Объекты и методы исследования».
Наблюдения проводили в течение 14 суток, развитие, рост и количество микроорганизмов учитывали визуально путем подсчета количества выросших на мембране колоний тест-культуры E coli. Полученные результаты представлены в таблице 3.17.
Анализ результатов испытаний, приведенных в таблице 3.14, позволяет сделать несколько выводов. Во-первых, на исходной мембране образовался сплошной слой тест-культуры в первый же день, т.е. задача, решаемая в этой работе, действительно является актуальной. Во-вторых, увеличение количества бактерицидного агента при поверхностной обработке приводит к заметному снижению количества колоний. содержат первичные аминогруппы. Однако результаты в этих случаях разительно отличаются. Так, при использовании для модификации 5 и 10 % АГМ-3 в принципе можно практически говорить о бактериостатическом эффекте, то в случае АГМ-9 антимикробного эффекта не удалось достичь вообще. По-видимому, это явление можно объяснить разницей в их активности при антимикробном действии.
На следующем этапе работы проводились испытания полиамидных мембран, подвергшихся модификации ХТЗ, солями и нанопрепаратами серебра. Наиболее значимые результаты представлены в таблице 3.17.
Небольшая разница в бактерицидном действии солей серебра связана, по-видимому, с их различной растворимостью (растворимость фосфата серебра в воде гораздо ниже).
Рентгеноструктурный анализ (рис. 3.9) указал на наличие в составе мембраны металлического серебра, образующегося в результате обработки мембраны водным раствором соли серебра в присутствии муравьиной кислоты.
Результаты рентгеноструктурного анализа исходной и модифицированной 0,5% раствором AgNO3 полиамидной мембраны Далее были сделаны электронно-микроскопические снимки модифицированной 0,5 % раствором AgNO3 (рис. 3.10) мембраны, на которых удалось обнаружить предположительно частицы металлического серебра.
Небольшая концентрация серебра на поверхности не может придать мембране существенные антибактериальные свойства. Поэтому можно утверждать, что основная масса металлического серебра находится внутри пор мембранной матрицы в виде наночастиц. Этому способствует муравьиная кислота, которая выполняет две функции — восстанавливает серебро и способствует его проникновению в поры за счет набухания обрабатываемой мембраны.
Образование наночастиц связано с присутствием ХТЗ в мембранной матрице, который имеет в своем строении у второго атома углерода пиранозного цикла аминогруппу, что и обуславливает его комплексообразующие свойства по отношению к ионам металлов. Данное утверждение было проверено путем поверхностной обработки, 1,0 % раствором AgNO3, полиамидной мембраны не содержащей ХТЗ. В результате полученная мембрана не обладала бактериостатическими свойствами, а концентрация серебра оказалась в 2,5 раза меньше по сравнению с модифицированной ММПА+.
Далее была проведена работа по исследованию зависимости концентрации серебра в модифицированных мембранах от процентного содержания соли серебра в модифицирующем растворе (рис. 3.11) при температуре промежуточной сушки 40С.
Зависимость концентрации серебра в модифицированных мембранах от процентного содержания соли серебра в модифицирующем растворе Из приведенного графика и представленных результатов в данном разделе можно сделать вывод о том, что антибактериальные свойства модифицированных мембран зависят от технологических параметров процесса модификации, природы и количества вводимого модификатора.
Исследование изменений порометрических характеристик мембраны в результате их поверхностной модификации
В предыдущем разделе было рассмотрено влияние природы и количества модифицирующих агентов на антимикробные свойства мембран. Однако, исходя только из этих результатов, нельзя выбрать оптимальный вариант проведения процесса модификации, так как любая обработка поверхности мембран может приводить к изменению их порометрических характеристик.