Барьерный эффект при электродиализе растворов аминокислот тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.05 ВАК РФ

Р Г Б ОД ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ'

;! ' На правах рукописи

ЕЛИСЕЕВА Татьяна Викторовна

БАРЬЕРНЫЙ ЭФФЕКТ ПРИ ЭЛЕКТРОДИАЛИЗЕ РАСТВОРОВ АМИНОКИСЛОТ

02.00.05 - Электрохимия

Автореферат

диссертации.на соискание ученой степени кандидата химических.паук

Воронеж - 199'(

Работа выполнена на кафедре аналитической химии Воронежского государственного университета.

Научные руководители: - доктор химических наук, профессор В.А.Шапошник

^ .Официальные оппоненты: .

- доктор химических наук, профессор В.В.Котов

- кандидат химических наук, доцент А.Н.Амелий .'

Ведущая организация: НИИ химических реактивов и особо чис-тых веществ (ИРЕА, г. Москва).

'Защита состоится " -¿8 " ¿¿яХА_1994 г. В 15.00

в. аудитории 439 на заседании специализированного совета К 063.48.03 по химическим наукам при Воронежском государст- . венном университете по адресу: 394693, Воронеж, Университетская пл., I, ВГУ, химический факультет. С диссертацией мокно ознакомиться в научной библиотеке ВГУ.

Автореферат разослан "2.7 " лсаЛ- 1994 г.

- доктор химических наук В.Ф.Селеменев

Ученый-секретарь специализированного совета, кандидат химических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Аминокислоты являются мономерами при 1тезе белков, а белки занимают центральное иесто в структуре ^ой материи и играют важнейшую роль в ее функционировании.' При-тыс продуценты о настоящее время не в состоянии обеспечить че-зечаство белковой пищей, и поэтому проблема получения аминокис-г является особенно актуальной,

Биотехнология ставит задачу восполнить дефицит белкового п'и-иия. Ее стадиями являются очистка аминокислот от минеральных зеств, вводш.шх при гидролизе первичной белковой мас'си, а таете зделенио смесей аминокислот. Для решения этих проблем обычно именявт перекристаллизации и ионный обмен» Малая разница'вели-ц' расгворцмостей аминокислот приводит к необходимости многосту-нчагого процесса. Ионннй обмен требует для химической-регенэра-к избыток кислот или щелочей» которые затеи попадают п .стсЦннэ . ды. В данной работе для очистки и разделения аминокислот кс-льзояан электродиализ с ионообменными мембранами, который иск-)чает применение дополнительных химических реагентов и. является 1лее выгодным с точки зрения экологии..

■ Работа выполнена по открытому плану на кафедре аналитической шин Воронежского госуниверситета п соответствии с координационной планами НИР Научного Совета по хроматографии АН СССР н РАН' ) проблеме "Хроматография. Электрофорез" и теме 2,15.11.4 -■ '•'', 'заработка сорбциошшх способов выделения аминокислот к пептндтз;,', 5 микробиологического сырья я гидролизатов"'(1986-1990 я.по ■ 1учно-техническоЯ программе "Университеты как центры; Фундаиск-ллышх исследований. Фундаментальные исследования в химии" {пД Кимия ионного обмена"). ":•■.'';

Цель работа; установление'закономерностей транспорта алино-ислот через ионообменные мемйрапи из растворов различного соста-а при электродиалйзе в широком диапазоне изменения плотности т.о-а; исследование барьерного эффекта,. позволяющего разделять .ак^см' итн и неамфолитм при плотностях тока вше .предельных-.,. ;

В соответствии с. поставленной целью-задачами работы явилось'; изучение влияния плотности тока па транспорт аминокислоты п. предельного состояния па ионооЗмешшх .мембранах,, при' электроанализе раствора фштзкелотн! ':: . . ." -• измерение »'.-•!1;:'?;':,г::шг>.>рянх' про-;:«'«;! -растворов о секциях. ^

ЗЗЦ1!<; ' т > " - - -{ЛХ'*'^*1-''У"''.1'" ?

аниояоп:' •■<. г-- • >•/,

- исследование гидратации мембран в аминокислотных формах;

- изучение сопряжения транспорта амфолитов и неамфолитов через мембрану при протекании постоянного электрического тока и условий эффективного электродиализного разделения смесей, содержащих аминокислоты. ^

Научная новизна. Исследованием транспорта аминокислот через ионоселективные мембраны под действием электрического поля доказано, что до достижения предельной плотности тока электромассопе-ренос в однокомпонентных растворах при рН близком изоэлектричес-кой точке (рЗ) проходит за счет миграции катионов и анионов аминокислот, получающихся при. взаимодействии биполярных ионов с водородными я гидроксилышми ионами,.образующимися при диссоциации воды. Установлено, что в растворе .секции деионизации.при элекцро-диализе с чередующимися катиои.ообмен'иъши и анионообмеиннми мембранами однокомпонентных растворов аминокислот, при лревыйелии предельной плотности тока диффузионные пограничные слои ^становятся препятствиями для'их миграции вследствие перезарядки ионов-: 'катионов - в биполярные ионы и анионы у поверхности к'атиоиробменной "мембраны и.анионов - в биполярные ионы и катионы у поверхности анийюобменной мембраны. Это явление.названо барьерным эффектом. Прямое доказательство барьерного эффекта било'впервые получено нами методом лазерной интерферометрии регистрацией увеличения межфазноИ концентрации при плотности тока -выше продельной.

■ Изучен транспорт аминокислот через ионообменные мембраны при электродиализе рахтворов; 'содержащих минеральную соль и аминокислоту; установлено, что в' потоки аминокислот -и при .рН ?='рЗ ' входит 'элект-ромиграционная составляющая. Измеренные нами феноменологические' коэффициенты проводимости показывают "сопоставимость электромиграционной-и электроосмотической составляющих потока. Электроосмотическая составляющая является следствием электростатического взаимодействия ионов сильного электролита с биполярными ионами аминокислот.

Получены зависимости коэффициентов 'разделения аминокислотных смесей от плотности тока, исследовано влияние барьерного эффекта на разделение. Показана неоднозначность изменения эффективности, разделения с. ростом плотности тока, определяемая как составом -смеси, так и рК исходного ра'створа.

Практическая ценность. Полученные ¡¡ами закономерности электромембранного транспорта аминокислот иогу-г бпп. реализовали для-

пиения практических задач биотехнологии при очистке аминокислот 1 минеральных веществ у разделении аминокислотных смесей. Прове-. :ние деминерализации растворов амфолитов при плотности-тока, пре- • тающей предельную, позволяет осуществить процесс при сокращении 1терь продукта без использования концентрированных'растворов, кис-, il и щелочей, а значит, с более высокой экологичностью, ...

Положения, выносимые на защиту;

Барьерный эффект при электродиализе растворов аминокислот,'ограничивающий их электромиграцию через мембраны вследствие перезарядки, ионов в диффузионных пограничных'слоях секции обессо'ли-вания при плотностях тока выше предельных. Доказательство барьерного эффекта методом лазерной' интерфероыбтрии, позволившим-' -. зарегистрировать повышение межфазной концентрации аминокислот ' .при.превышении предельной плотности тока. - ; _ ■

Механизм электромассопереноса аминокислот через ионообменные'-' мембраны из растворов, содержащих сильные электролиты, позволяющий. определять соотношение электромиграционного и электроосмотического потоков количественно в виде отношения прямых*к-со- • / ' пряженных феноменологических' коэффициентов проводимости'линейной неравновесной термодинамики. . '.-.'•■'. . Анализ-факторов эффективности .разделения "двух- и трехкомпонент-•них смесей аминокислот, выявивший определяющую'роль-разности -изо'электрических точек, pH и плотности тока, а также влияние', сопряженности потоков компонентов на разделение. .' '•'■; ' ' *

Публикации: по' материалам диссертации опубликовано 'б работ.'.

Апробация:.результаты диссертационной, ¡заботы доложены на УН-есоюзной конференции "Применение ионообменных материалов в про-шлешшети и аналитической химии" (Воронеж, Ï99I)'} XIX. и"'XX Межнародах конференциях по мембранной электрохимии (Краснодар'—' апа, 1993,1994); I региональной научно-технической Конференции . роблепы химии и-химической ' технологии Центрального Черноземья. • ссийской Федерации" (Липецк,- 1993) и на ежегодных научные сес- . ях'Воронокского госуниверситета (I99I-I993).-

Структура диссертации: введение, пять глав, 'выводы, список тературы (118 наши). Работа изложена на 169 стр., содержит 62 сунка-и 6. таблиц. .•- •

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ГЛАВА I. ЭЛШРО ДИАЛИЗ РАСТВОРОВ АМФОЛИТОВ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ)

Проведен анализ литературы по электромассопереносу ионов неорганических и органических амфолитов через ионообменные мембраны Описаны известные элактромембрапные способы очистки и выделения аминокислот, а также принципы, лежащие в их основе. Приводятся сведения о свойствах ионообменных мембран в аминокислотных формах На основании обсуждения-данных литературы сформулированы задачи настоящей работы.

ГЛАВА 2.. ИС СЛЕДУ ЕЖЕ СИСТЕМЫ И МЕТОДУ ЭКСПЕРИМЕНТА.

Объектах™ экспериментов били раствори аминокислот с разными изоэлектрическими точками - глутаминовая кислота (3,08), тирозин (5,63), фенилаланин (5,91), валин (5,96), гЛицин (5,97), гистидин (7,60) и лизин (9,74), приготовленные из реактивов марки "фармаг копейные" или "чда". Определение их концентрации проводили мето-■ даш формольногр титрования, высокоэффективной жидкостной хрома-: тографйи (хроматограф "Миллихром"), спектрофотометр.ически при длинах волн 211 (гистидин), 257 (Фенилплашт) и 275.нм (тирозин) (спектрофотометр "ЗресохЛ-Н-40"). Концентрации кислот и основами определяли ионометрически, сульфат-ионов - методом высокочастотного кондуктометрического титрования, натрия - методом.пламенной фотометрии.

Для проведения, экспериментов по электромассопереносу аминокислот" применяли семисекционный электродиализатор с платиновыми электродами, разделенный на секции чередующимися катионообыеннымр мембранами ыарки МК-40 и анионообменньши мембранами марки МА-40. Эксперименты проводили в гальваностатическом или потенциостати-ческом электрических режимах в зависимости от поставленных -задач при непрерывной подаче растпороп в секции электродиализатора.

Для исследования гидратации ионообменных мембран применяли методы инфракрасной спектроскопии (спектрометр "5ресогА-ЭЯ--75"> термогравиметрии и дифференциального термического анализа (дери-ватограф "Паулик, Паулик и Эрдеи")»

Анализ концентрационных профилей в растворе секции обессоли-вания проводили методой лазерной интерферометрии с монохроматичес ким источником света длиной волны 632,8 нм (гелий-неоновый лазер^

1змерения выполняли с помощью двухлучевого интерферометра типа (ендера-Маха, электродиализной оптической ячейки и регистрирующей :истемы. Иптерфсрометрический метод локально-распределительного итлиза является относительным и требует снятия градуировочно'Д сривой. Градуировку проводили, пропуская стандартные растворы ами-юкислот и наблюдая за смешением полосы, выбранной в качество мет-■си на интерферограмме раствора бидистиллята. Градуироиочная' кривая тредетавляла собой линейную зависимость величины смещения полосы-летки от концентрации. Концентрационные претили получали, измеряя :мещение полосы-метки как функции координаты по направлении пропускания электрического тока!'

ГЛАЗА 3. ПЕРЕНОС АМИНОКИСЛОТ ЧЕРЕЗ ИОНООБМЕННЫЕ-

МЕМЕРАШ ПРИ ЭЛЕКТРОДИАЛИЗЕ '. 1-

Глава содержит результаты по транспорту аминокислот - глицн-ia, валкна и глутаминовой кислоты через ионообменные мембраны при • электродиализе их однокомпонентных растворов. При pH равном pj шинокислотн находятся в основном в форме биполярных Ионов, кото-тае не могут мигрировать через мембраны под действием элсктричос-гого тока. Однако меягду биполярными ионами и ионами поды ус.танпн-тивается равновесие, приводящее к образованию-'катионов и анионов, (апример, для глицина:

ОН" , Н+ х

ЯН2 -СН2 - СО0" +ЛН3 - CiL - COO" ^Ä+N^ - СН2 - СООН (I)

со-) ^ (&-) ; (&+)

концентрации катионов и анионов ,определяются соотношениями

/>+]_ Гн+3 [C--J . ' [Г% 4 . ' : ( Я

5 которых [G±]- концентрация биполярных ионов, близкая к исход-юП концентрации аминокислоты; К^ - константа диссоциации.карбок- ' сильной группы; Kg - константа диссоциации протежированной,- аминогруппы. Для концентрации раствора' глицина 0,1 моль •дм""' -при р.!Г ;900 концентрации катионов и анионов равны соответственна

моль дм-3' и 2,5'10Г-* моль-дм-^. При электромнграциц.к?.- -•' шопов через катионообменнуп меиб'рану и анионов через ат^яйое'бме'т-iу!э мембрану концентрация их восполняется за счет смещения раииу-весия в серди" сбесспл:;::а!г.;я. '-. ' • ..

, Рис. I показывает зависимость потоков глицина через ионообменные мембраны от плотности тока при электродиализе. В области малых токов.наблюдается увеличение потоков с ростом плотности тока, как Это обычно происходит при электродиализе сильных электролитов. Ток переносят катионы и анионы глицина (рис. 2 а). После

ДМ

км

он"

4'

С" а

о 02. 04 06 0.8 1.0 1; „Л.

С"

и*

Р и с, I. Потоки глицина через катионообменную мембрану !.!К-40'(Г и анионообменную'мембрану ИА-40 (2) как функции плотности тока при подаче раствора концентрации .0,1 мольды с линейной скоростью 0,05 см •с"'''.

Р и с. 2. Механизм транспорта глицина через ионообменные менбраш при плотностях тока ниже (а) н выше (б) предельных.

достижения предельного по катионам и анионам тока на попообиеппи: мембранах избыточный ток преимущественно переносят ионы поды -водородные через катионообменную и гидроксильние череп -анионооб-■ менную мембраны. При электромиграции гидроксилышх ионов через

анионообмепную мембрану у ее поверхности в секции обессоливания. увеличивается концентрация водородных ионов, образующихся при необратимой диссоциации воды на межфазной границе. Аналогично при превышении предельного тока на катионообмерой мембране избыточный ток переносят мигрирующие по направлению к катоду водородные ионы, а в диффузионном пограничном слое исходной секции, обессоливания оказывается избыток гидроксилышх ионов (рис, 2 ft).'

Анионы глицина при плотностях тока ниже предельной' беспрепятственно мигрируют через анионообмепную мембрану, а после-«с превышения они попадают в диффузионный пограничный слой с низким рН и превращаются в биполярГше ионы ". . .

мн2 - сн2 - coo- + н+ -—- +ннэ - сн2 соо~ ' :; '■' (3) ! .

Дальнейшая протонизация биполярного иона приводит к его пореза-' рядке в катион и смене направления электромигрпции на протйвопа-лоясное, как это показано на рис. 2 б. Аналогично кати.онн глтдаа при электромиграции по направлению к катоду попадают в диффузион-. ный пограничный слой с высоким рН и превращайте» в биполярные . ионы . •;

+NH3 - СН2 - СООН + 0!I~-- +NH3 - C¡I2 - С 00" + Hgü ' ' (1) -.'/'.

Соответственно, дальнейшее увеличение концентрации гидроксилышх-'-ионов приводит к перезарядке биполярных ионов в аниону и '.Н!грани1.; их rio направлению к аноду и анионообменной мембране. Общи» ■. • результатом является снижение потоков аминокислоты при. превшие--.' нии предельных плотностей тока. (рис. I). Мы называем это явление.. ' барьерным эффектом, имеющим важное значение для разделения сне-' сей аминокислот с сильными электролитами. Наличие барьерного эф- ' фекта било нами подтверждено также экспериментами с валинон. и-••.. глутаминовой кислотой. ' . :. -.г.

При всех величинах плЪтносгей тока потоки глицина через . -мембрану МК-40 были больше, чем потоки глицина через МА-40. При-- . чиной этого может бить способность катионов глицина к образопа- ' ншо дймеров катион-катион по схеме (а), характерной для катионов-всех аминокислот,.а также по схеме (б), возможной только для ка--тиопов глипина, что связано с протонодонорянми свойствами его '_

боковой группы: ■••■"..

О Н—О

%Ц-СН?--С* **'* ) С - СН0 - ' ■ (а) •

J ¿ ,ч 2 -3 ...

• 8 +МНЭ

Н - 0 - С = О . , Н - С - н

4 ' (б) н--с-н...о = с- о- н

I

Достоверность наличия таких димеров подтверждена данными ИК-епектроскопии. В ИК-спектрах глицина в катиоиной форме и мембраны МК-^О в форме появляются полосы в области 2'1БО-24У7 см-1 (валентные колебание "димеров. недис.соцйированных-СООН-грунп) и 125^-12^1 см"-'- (взаимодействия между плоскими деформационными колебаниями 0-Н связи и валентными колебаниями С-0 связи в диад-•рах), Существование, димеров; покачанных на схеме (0) подтверждается минимумами в области 2827-2800,см-1 (валентные колебания . С-Н групп, участвующих в образовании водородных связей С-Н.,.0), Аналогичное колебания неаСсоцмированннх С-Н групп "проявляются при 2850-2640 см~*. В спектрах МК-ЧО (С+-форма) и С4 имется также полосы пропускания 1350-1334 см"*, которые соответствуют .деформационным колебаниям С-Н'групп«, взаимодействующей с акцептором протона С-Н...О.

Для доказательства, барьерного аффекта и«, продзели интерфера-метрические-измерения концентрационных профилей растворов аминокислот- в секции обессолипания. Рис. 3 показывает концентрлцион-г .ные профили глутаминовой кислагн на границе с анионообменной мен браной.МА-ЛО при различных плотностях тока. Особенностью транспорта аминокислот является наличие' концентрационного градиента ¡-отсутствие градиента электрического потенциала, что свидетельствует об интенсивном потоке молекулярной диффузии в раствор снежной секции, не содержащей аминокислоту. При увеличении плотносп тока градиент концентрации увеличивается, п концентрация раствора на границе с ионообменной мембраной уменьшается. Однако, ято явление имеет место только до достижения предельной плотности тока по .анионам глутаминовой кислоты. Рис. 4 показывает зависимость примембранной концентрации раствора от плотности тока, которая принципиально отличается от аналогичной зависимости для сильных электролитов увеличением межфазной концентрации при пло1 ностях тока Ьыше предельных,, что.является следствием накопления биполярных ионов у-поверхности мембраны в результате воздействй. барьерного эффекта на массопереиос. .-

С, 10*'МОЛЬ А«'

С. 10* моль дм*

4-

О « * '{Мы'

Р и с. 3.

Р и с.

Концентрационные профили раствора глутаминопой кислоту в диффузионном пограничном слое анконооййенной мейбра-нн 1АА.-Ю при плотностях тока 0,20 (2), 0,43 (3) мЛ/си2 и в отсутствие постоянного тока (I). Зависимость концентрации глуташшовой кнолоТы га .границе с анионообменной мембраной МА-'40 от п лот-нос ти-' тока. •

Отметим, что увеличение, примеибранмой концентрации'глуташ^ новой кислоты составило 2,4-10"*^ моль-дм"*^, в то время катг.йй'нн--мально определяемая разность концентраций ее,-фиксируемая гато-: дом лазерной интерферометрии, I •Ю~г' мо'ль-дм"^. Изучены также... концентрационные профили растворов глицина и гистидина при элек-. тродиализе в широком диапазоне плотностей гока. '" ..'.•-.

■ Содержание и состояние воды в ионообменных' мембранах- оказывает значительное влияние на их физико-химические свойства,, транспортные характеристики,. ..•'.....'.•.

В работе'представлены результаты- изучения•гидратационных ' ' ■ характеристик мембран !Ш~>Ю, насыщенных катионами и 'биполярными

ионами глицина, валина и фенилаланина, а также мембран МА-40 и МА-41И, насыщенных анионами и биполярными ионами этих аминокислот.

Вид органического противоиона оказывает значительное влияние как на общ-ее содержание растворителя в мембране, так и на соотношение содержания молекул воды разной степени связанности.

Показано, что анионообменнне мембраны в глициновой форме менее гвдратированы,чем катионообменные. Найдена корреляция между гидратационннми свойствами мембран р глициновой форме и транспортными характеристиками.* поток глицина через мембрану МК-40 превышает поток через мембрану МА-40 при равных концентрациях катионов и.анионов и одинаковом падении напряжения на мембранах.

ГЛАВА Ч. СОПРЯЖЕННЫЙ ТРАНСПОРТ-АМИНОКИСЛОТ И ИОНОВ-СИЛЬНОГО ЭЛЕКТРОЛИТА

Проведены сравнительные эксперименты по переносу ионов, сильного электролита (сульфата натрия) » аминокислоты (фснилаланина) ■ в процессе электродиализа при задании постоянного.напряжения.на ионообменных мембранах из однокомпонентных -растворов и из смеиан-•ного двухкомпонентного раствора, содержащего аминокислоту и сильный Электролит.-Проанализируем полученные .результаты на примере измерения потоков фепилаланина через анионообменную мембрану МА-<(0. Рис. 5 показывает начальные линейные участки-зависимости потоков фоиилалаиина (I) при электродиализ.е .его однокомпбнентного раствора и сульфатных ионов при электродиализе раствора сульфата натрия (Ч) от напряженности электрического.поля на мембране.

У.Ю.'псиьсм'с''

. В и с. 5. Зависимость потоков фенилаланина (1,2) и сульфатных -ионо (Э,Ц} через анионоойчеи •нуг мембрану МЛ—'10 при электродиализе от напряженности электрическс го поля на мембране и

исходных концентрациях з

0,01 моль-дм , подаваемых с линейной скорое? . 0,05 см-с"1. 1,4-одно-компоно нт ни е рас т по рн, 2,3-двухтсоМпонецтный раствор.

Величины потоков фенилаланина и сульфатных ионов значительно различаются в связи с малыми равновесными концентрациями анионов Фенилаланина в растворе биполярных ионов я высокими равновесными концентрациями сульфатных ионов при одних и тех гее исходных концентрациях веществ, так как цруоки ионов пр1) малых напряденное-тях электрического поля связацн линейной зависимостью как с тер-' ^одияамической силой, вызывающей электроперенос, так и. с величинами концентраций ионов .

^¿щс^М? (5)

гдр - потоки иоцдв, М1- электрическая подвижность ионов, <а- концентрация ио^бв, Ч> - электрический потенциал. • При здектродиализе раствора фепчлалодн - рульфат .натрия снижается поток ионов сильпрро электролита ([линия 3)* но увеличивается поток фенилаланина (лш|ия 2). 3?0 рО^яс^яртся ион-Ди-пол1.щ1М взаимодействием сульфатах с бицоляринц^ ионами

фенилаланина, результатом которогр являете!? замена в-.^идратной оболочке молекул води (радиус 1,74 в сферическом приближении) па биполярный нон фенилаланина (радиус 5,7 А рассчитан цр ^оппу). При включений биполярного иона в сольватную оболочку сульфатиото иона увеличивается радиус последнего и,.как следствие, уменьгаа-отся электрическая подвижность и в соответствии с уравнением (5)' величина потока, С другой стороны увеличение потока фенилаланина с^лзацо с электроосмотическим переносом его сульфатными ионами З'аким образом, аминокислоты в присутствии ионов сильного электролита имеют смешанный механизм транспорта через заряженные мембраны - злектромиграциошшй и электроосмотичёский.

Взаимное влияние транспорта ионов сильного электролита и аминокислот с этой точки зрения моуст быть рассмотрено как сопряженное и для феноменологического описания процесроя сопряжения иц применили линейные уравнения термодинамики иг,обратимых .процес-ров

3{= ^ II Х1 + *-12 Х2

' ' .(б)

где - поток аминокислоты, - .поток ионов сильного электролита, Х| и Х^ -. обобщенные термодинамические силы, действующие на частицы вида I и 2, - феноменологические коэффициенты прово-

димости. По результатам проведенных исследований-переноса глицина

и фенилалаиина через катионообменные мембраны марки МК-'К) и ани-онообменные мембраны марки МА-40 были рассчитаны феноменологические коэффициенты проводимости. Для иллюстрации результатов мы приведем рассчитанные по рис. 5 феноменологические коэффициенты проводимости фенилалаиина в отсутствие сульфатных ионов - Ь ц-, сульфатных ионов в отсутствие "фенилалаиина - Ь 22' а т;1кже коэффициенты и Ц>х> выражающие взаимосвязь потоков. Коэффициент характеризует составляющую потока фенилалаиина, возни* лую при его сопряжении с потоком сульфатных ионов (электроосмотический транспорт), а коэффициент Ь ^ характеризует составляющую .потока сульфатных ионов в результате сопряжения с фенил-аланином.

1_п = 1,55 Ю-16 иояьЗвт-^см^с , ,Ь22 = 1,50 10"15 ыоль?Вт~[см?с ,

= 1,90'10~16 моль^Вт^см^с"2 , 1_2Г = 2,05-Ю-16 моль^ВгЛм"1^

Соотношение взаимности Онзагера }_|2 = выполняется с точ-

ностью до ошибки эксперимента.

Отношение феноменологических коэффициентов Дает

возможность оценить соотношение элсктроосмотического- и электро' миграционного механизма переноса аминокислот через ионообменные мембраны. Для аиионообменпой мембраны отношение равно .1,2 и-для катионообменноЙ мембраны - 1,7, что свидетельствует о сопоставимости вкладов этих составляющих.

Рассмотрены, возможности использования барьерного эффекта для деминерализации растворов аминокислот с меньшими потерями целевого продукта. Рис. 6 показывает зависимости потоков сульфат-ионов и глицина через анионообменную мембрану от плотности тока при электродиализе в гальваностатическом .реяиме.

Из рисунка видно, что после достижения предельного тока по ионам (соответствует максимуму потока глицина), поток сульфат-ионов увеличивается, поток глицина уменьшается, эффективность разделения ионов неамфолита и амфолита (/3) увеличивается в с вязу .с наличием барьерного эффекта. Эффективность разделения при данной плотности тока.оценивали как отношение потоков ионов. Используя барьерный эффект, удается снизить потери аминокислот при неизменной или большей степени очистки, чем в предельном состоянии',

моль - см -с

Рис. 6. Потоки сульфат-ионов . (1) и глицина (2) через анионо-обменную мембрану и эффективность разделения сульфат-ионов и глицина (3) как функции плотности

тока (С0( Ма2504)=0,01 иоль-дн С0(С) = 0,1 моль'ДМ-3

-3

и/ =

0,05 см-с-1).

) <н ю 1.1 го

ГЛАВА'5. РАЗДЕЛЕНИЕ СМЕСЕЙ АМИНОКИСЛОТ

Исследовано разделение аминокислот при элсктродиализе с ■' юнообменными мембранами. Объектами его были двухкомпонентные . )аст;юрн смесей глутамимовой кислоты и гистидина, глу.таиинопой . :ислоты и тирозина, Феиияаланина и тирозина, тирозина и-лиэиИа, ■истидина и тирозина, трехкомпоиентннй раствор гистидина,, глици-т и глутаминовой. кислот». При-разделении аминокислот электро-. тграцией через ионообменные мембраны определяющую роль играет >азница величин их иэоэлекгрических точек и рН раствора». Если , '' 13оэлектрические точки близки, как у фенилаланика (5,48) и ти'ро->шга (5,66), то коэффициент разделения ОС , определяемый со&тпй-

: 41-'. (?) д2 -. сз - ' -

? котором -

сонцентрации аминокислот на входе а секцию вСессоливанм пси пря-«оточном рбжиме, находится в интервале .0,7-1,4'и не достигается )ффективное разделение смеси. ... . ' ■ . '

Системы'с больной разностью изоэлеитрически.ч точек-, как, на-1ример, глутамино.вая кислота'(рС7 = 3,08) и 'гистйДин (рЗ- 7,66)' . логу.т быть особенно эффективно разделены. Например, при рН 3,40 -глутаминовая кислота..'находится в форме-анионов (их доля 0,12) и

' 2 - потоки аминокислот через ;мем<5раны, a-Cj.it.

биполярных ионов, поэтому ее миграция проходит только через анио-нообменную мембрану, в то время как гистйдин при такой величине рЯ практически полностью находится в форме однозарядных катионов и способен -мигрировать исключительно через катионообмепную мембрану по направлению к катоду. Рассмотренный случай предстает практически идеальным для разделения, когда-исходные компоненты из общего объема мигрируют в разные объемы в противоположных на- . правлениях. Оптимальным электрическим режимом для разделения является плотность тока, при которой потоки "компонентов через ионо-' обменные мембраны максимальны. Как показано в главе 3, такой .плотностью гока является продельная, а ее превышение приводит к-барьерному эффекту-, ограничивающему потоки аминокислот и умепь-.шающему их выход в. секциях концентрирования аппарата.

Другой вариант разделения при эдектродиализе возможен, в том . случае, когда одна аминокислота переносится-током через-.мембрану, .' а другая'остается в'исходной- секции обессоливания. .На рис. 7 по-^ 'казаны примеры в виде - зависимостей коэффициентов разделения глицина и глутаминовой кислоты при электромиграции через ..анионооб--менную мембрану, а также глицина'и гистидипа при-.электромиграции через катиоцо.обменпую мембрану как функции рН при электродиализе трехкомпонентиого раствора. При приближении рН к' величине изо-олсктричсской -точки глицина коэффициенты разделения стремятся к бесконечности. - ' . . ''..-.'.

Р и с. 7. Зависимость коэффициента разделения глицина и глутаминовой кислоты. (I) и глицина и'-гистидипа. (2) от величины рН исходного раствора.

о г ' 4 б а ю рН

В-большинство случаев аминокислоты о небольшой, разницей значений изоэлектрических точек мигрировали'в одну и ту ко секцию концентрирования с разной скоростью» Для исследованных амн-

ислоишх смесей получены зависимости коэффициентов разделения плотности тока, которые имеют различный характер. Например, смесей лизин-тирозин (рНЗ,72), тирозин-глутаминовая кислота [ 3,19) коэффициент разделения уменьшается с ростом плотности :а. В системе тирозии-гистидин при рН 2,95 ббе аминокислоты . ■рируют через катионообменную мембрану, а коэффициент разделе-увеличивается с ростом плотности тока и достигает максималь--[ величины сС = 25 (рис. 8). .

Рис.8. Коэффициент . разделения гистидина и*-тирозина при электро--миграции через мембрану. •МК-40 как функция плот-• ности тока при рН 2,!9-5.

шсимости коэффициентов разделения различных 'аминокислотных пар плотности тока не.имеют однозначного характера и определяются^ : составом-смеси, так и величиной р!1 исходного раствора. •

в и воды . • -'• •

I. Исследована зависимость потоков аминокислот через'Лонб-шнные мембраны из однокомпонеит!гах растворов как функция плот-:ти тока. Установлено, что. до достижения предельной - плотности' ■' ;а транспорт осуществляется за счет миграции череа мембраны' ка-шов и анионов аминокислот-, образующихся при. взаимодействии <5и-шрних ионов с ионами средн. Показано наличие максимума пер'ето-аминокислоты, соответствующего предельной плотности тока,. Свите потоков аминокислот при плотностях ток'а'вынс предельных зяснеио перезарядкой ионов амфолита у межфазных границ. Причи-. \ перезарядки является уменьшение рН у поверхности аниоИо'обмсп-I мембраны в-'секции обсссоливан.ия и увеличение--рН у поверх"осг.' сионообнешю!! кс-мбрани, обусловленное участием в псронесе ,сг 1роксильных и во-.то'г.кых попет, которые образуйте £ -ФЧ ;••;,-/• •>-

5

м

тиной диссоциации води на межфазной границе. Явление снижения транспорта аминокислот из-за запирающего действия слоев диссоциации воды мы называем барьерным эффектом.

2. Методом лазерной интерферометрии показано уменьшение градиентов концентрации растворов аминокислот на границе с ионообменными мембранами и увеличение межфазной концентрации при плотностях тока выше предельных, что является доказательством накопления биполярных ионов в диффузионных пограничных.слоях п наличия барьерного эффекта,

3. Изучена гидратация (дегидратация) ионообменных.кембран в аминокислотных формах, показана энергетическая неравноценность молекул воды в мембране. Сделан вывод-об относительно малом вла-госодержании мембран в Формах- аминокислот, приводящем к уменьшению кинетических характеристик И' увеличению селективности к аминокислотам'. ' . '. '

Проведены сравнительные.эксперименты по .исследованию мас-сопереноса аминокислот в однокомпонентных растворах' и в двухком-понентных смесях с сильными электролитами. При'малых токах-получены линейные зависимости потоков от напряженности 'электрического поля, пц которым были рассчитаны феноменологические коэффици-' енты проводимости.Анализ феноменологических-коэффициентов проводимости показал, что кроме электрокиграциопного транспорта имеет место сопрякенннй эяек.троосмотический перенос аминокислот, с ионами сильнйх электролитов. "

5. Исследована очистка аминокислот от минеральных солей при электродиализе с чередующимися катионообмешшми и аиионообменннми мембранами и показано наличие барьерного эффекта п таких системах при плотностях .тока выше предельных. Рекомендовано применение эяектродиализа для очигтки аминокислот от минеральных веществ пру плотностях тока выше предельных,

6. Изучено разделение смесей аминокислот при электродиаяизо. Выявлена определяющая роль рН среды,'позволяющего регулировать отношение концентраций ионных форм аминокислот и создавать условия для миграции в разные секции концентрирования. Показано, что зависимости коэффициентов разделения аминокислот от плотности тока при элёктродиализе могут иметь как форму однозначного убывать так и возрастания с увеличением плотности тока. Выявлено наличие сопряженного.транспорта аминокислот с водородными или гидрокенль-ними ионами, участвующими в ..переносе тока при плотностях тока вы предельных. Найдено, что сопряжение потоков ионов среди с биполя нымй ионами аминокислот приводит к уменьшению эффективности .разл ления.

Г 7

Основное содержании диссертации опубликовано в следующих 'ютах:

1. Иапошник В.Л., Елисеева Т.В., Селеменев З.Ф. Транспорт щииа через ионообменные мембраны при элсктродиализе // Элег.т-симия, 1943.-Т.29, № 6.-С.79'1-795.

2. Селеменев В.Ф., Иапошник В.А., Елисеева Т. В., Котова JUL тратациошшё свойства" катионообменнмх мембран, насыщенных ами-гислотами // Журн.физ.химии.-1993.-Т,,67, № 7.-0.1544-1547.

3. Васильева В.И., Елисеева Т.В., Иапошник В.А., Селеменев В.'К санизм барьерного действия поляризованных диффузионных слоев юобменных мембран при миграции амфолитов // Тезисы докладов

[ Всесоюзной конференции "Применение ионообменных йатериалов в умышленности и аналитической химии". Воронеж, 1991 ,с'.2Ю-2П.

4. Иапошник В.А., Селеменев В.Ф., Елисеева Т.В., Васильева В.". .(бранный метод разделения органических амфолитов и минеральных, нов // Мембранные методы разделения смесей. Тезисы докладов '

. Владимир). Черкассы, 1991, с.87-88.

5. Иапошник В.А., Селеменев В.Ф., Елисеева Т.В. Разделение гюлитоп и минеральных ионов методом электродиалиэа // Тезисы кладов I региональной научно-технической конференции "Проблемы мии и химической технологии Центрального Черноземья Российской

дергщии". Липецк, Г993,с.26.

6. Eliseeva T.V., Sbaposhnik 7.Л., Seleceaev , Zyablov

N. Separation of amino acids by eleotrodialyaia with ion-change menbranea // Abstracts of International conference on rnbrana electrocbsniBtry. Anepa, ЧЭЭ'Ь p. 222-224.

зказ Ш от 23.05„Ji r. T;:7i 100 экз. 9оркзт С/, Jbe:! I л.л. C.-jor . .r^o'v --y