Ионный перенос в системах с катионообменными мембранами МК-40 и растворами глицина, аланина и лейцина тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.05 ВАК РФ

* / *

/ / /Гч

С/ ( ) ^

/

ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Елисеев Сергей Яковлевич

Ионный перенос в системах с катионообменными мембранами МК-40 и растворами глицина, аланина и лейцина

Специальность 02.00.05 - электрохимия Диссертация

на соискание ученой степени кандидата химических наук

Научный рукодитель доктор химических наук, профессор Бобрешова О.В.

Научный консультант кандидат химических наук, ассистент Аристов И.В.

Воронеж 1999 г

Содержание

Список обозначений и аббревиатур................................................................................4

ВВЕДЕНИЕ.............................................................................................................................................7

Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.......................................................................................12

1.1. Методы разделения и концентрирования аминокислот..................12

1.2. Электродиализ как метод разделения смесей..........................................15

1.3. Электродиализная деминерализация неэлектролитов и амфолитов........................................................................................................................................19

1.4. Физико-химические свойства растворов аминокислот....................24

1.5. Кондуктометрические исследования в электрохимии ионитов 29

1.6. Постановка задач исследования.........¿¿.ж^и.....................................................36

ГЛАВА 2. ИССЛЕДУЕМЫЕ СИСТЕМЫ Й' МЕТОДЫ

ЭКСПЕРИМЕНТА....................................................................................................................38

2.1. Физико-химические характеристики аминокислот.............................38

2.2. Ионообменные мембраны..............................................................................................41

2.3. Разностный метод измерения удельной электропроводности мембран...............................................................................................................................................42

2.4. количественное определение аминокислот методом бумажной хроматографии.............................................................................................................................44

2.5. Методы статистического моделирования в изучении и интерпретации результатов кондуктометрических измерений ЭМС.........................................................................................................................................................45

Глава 3. КОНДУКТОМЕТРИЯ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ ИЗУЧАЕМЫХ АМИНОКИСЛОТ...............................................................................51

3.1. Подвижности ионов глицина и аланина в водных растворах соляной кислоты при 25°С................................................................................................54

3.1.1 Расчетная процедура......................................................................................................58

3.2. Электропроводность водных растворов индивидуальных аминокислот....................................................................................................................................62

3.3. Механизм электрической проводимости в водных растворах

аминокислот....................................................................................................................................1

3.4. Электропроводность двухкомпонентных смесей, содержащих

аминокислоты................................................................................................................................< о

3.4.1. Двухкомпонентные смеси водных растворов нейтральных аминокислот....................................................................................................................................79

3.4.2. Электропроводность смешанных двухкомпонентных растворов аминокислота-соляная кислота.......................................................82

Глава 4. ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ КАТИОНИТОВЫХ МЕМБРАН МК-40 В ФОРМЕ АМИНОКИСЛОТ.......................................................................85

4.1. Регрессионный анализ результатов эксперимента...............................86

4.2. Экстраполяция полученных регрессионных зависимостей на нулевую концентраци НС1.........................................................................................92

Глава 5. ЧИСЛА ПЕРЕНОСА КАТИОНОВ ГЛИЦИНА И АЛАНИНА В МЕМБРАНАХ МК-40......................................................................................................97

5.1.Оценка чисел переноса катионов аланина и глицина в катионообменной мембране МК-40 на основании кондуктометрических измерений..............................................................................9 7

5.2. Модельные представления о миграционном переносе ионов аминокислот в электромембранных системах...........................................101

ВЫВОДЫ.............................................................................................................................................105

Литература........................................................................................................................................107

Список обозначений и аббревиатур

Латинские символы

А± - цвиттерионы, аминокислоты

А+ - катионы аминокислоты

А— анионы аминокислоты

В - эмпирическая константа

Ь - вектор оценок коэффициентов регрессии

С. - концентрация ьго компонента в растворе, М

- коэффициент диффузии 1-го компонента в мембране, см2/с с! - толщина мембраны, см Еа - энергия активации, кДж/моль г. - заряд 1-го компонента 1 - обобщенная термодинамическая сила Е -число Фарадея, Кл-моль"1. I - плотность тока, мА/см2.

Л". - поток ьго компонента в растворе, Моль-см^-с"1 Л. - поток 1-го компонента в мембране, Моль-см^-с"1 к , к , к3, к4 - микроскопические константы диссоциации аминокислоты

К , К2 - константы диссоциации карбоксильной и аминогруппы аминокислоты

N - число экспериментов в выборке

р! - изоэлектрическая точка аминокислоты

В, - электрическое сопротивление, Ом Б - среднеквадратическое отклонение значений 1-ой

концентрации в - площадь поверхности мембраны, см2 1 - число переноса 1-го противоиона в мембране 1 - число переноса 1-го противоиона в растворе Т - температура, К и. - подвижности ионов, см2 с^В-1

X. - кодированные значения концентраций компонентов в

смешанном растворе X - матрица входных значений факторов (ХТХ) - информационная матрица Фишера X - среднее значение концентрации 1-го компонента

- концентрация фиксированных ионов, М/см3 Греческие символы

Р - коэффициент эффективности электромембранного разделения смесей

X - молярная электропроводность раствора, Ом"1 см2 моль"1 е - случайные ошибки эксперимента К - удельная электропроводность мембраны, Ом^см"1 К - удельная электропроводность раствора, Ом^см"1 Верхние индексы

г - гидродинамический механизм проводимости п - прототропный механизм проводимости т - транспонирование матрицы э - экспериментальные величины

Нижние индексы

1 - 1-ый компонент раствора р - раствор т - мембрана Аббревиатуры

МНК - метод наименьших квадратов ЭМС - электромембранная система

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Аминокислотам принадлежит важная роль в жизненных процессах, они являтся мономерами при синтезе белков. Дефицит белкового питания делает в настоящее время проблему получения аминокислот особенно актуальной. Современный химический, микробиологический, энзиматический синтез [1,2] аминокислот осуществляется в присутствии различных вспомогательных реактивов (солей, кислот, щелочей и др.), из-за чего получаемые целевые продукты содержат большое количество примесей. Важные технологические задачи по выделению аминокислот из смесей могут быть успешно решены при использовании электромембранных процессов, в частности - электродиализа [3-5]. Создание технологических процессов получения чистых аминокислот на установках высокой производительности требует знания основных кинетических закономерностей, протекающих при этом явлений.

Для успешного решения задач отделения аминокислот от минеральных и органических компонентов, а также разделения смесей аминокислот, необходимо ответить на вопросы, связанные с поглощением и миграцией аминокислот в ионообменных мембранах.

Значительное количество работ обзорного характера, свидетельствует о том интересе, который проявляется в настоящее время к теоретическим проблемам обменных и межмолекулярных взаимодействий в системе ионообменная мембрана-аминокислота. Большинство исследований посвящено влиянию рН на равновесие сорбции цвиттерлитов ионитами [6-8], кинетике сорбции аминокислот ионитами [8], электромембранному разделению смесей аминокислот

[9-21]. Тогда как механизм электротранспорта различных форм аминокислот практически остается неисследованным.

Отсутствие полных данных о механизме переноса аминокислот в ионообменных мембранах, строгого количественного описания отдельных стадий и процессов в целом препятствует разработке теоретических основ электродиализного разделения в системах аминокислота-аминокислота, аминокислота-минеральный ион и аминокислота-органическое вещество. Это определяет актуальность исследования физико-химических систем с участием цвиттерлитов и ионообменных мембран.

Взаимодействие цвиттерионов аминокислот в растворе с ионами водорода или гидроксила приводит к образованию соответственно катионов или анионов аминокислот. В результате, даже в простейшем случае водного раствора индивидуальной аминокислоты, образуется сложная многоионная смесь. Изменение ионного состава раствора аминокислоты возможно при добавлении доноров (акцепторов) протонов. Это приводит к появлению в смеси дополнительных ионных компонентов. Важнейшей особенностью электрохимического поведения аминокислот является взаимное влияние всех компонентов системы друг на друга, что значительно затрудняет интерпретацию экспериментальных результатов при определении физико-химических параметров процессов переноса и сорбции аминокислот в электромембранных системах. Именно поэтому в настоящее время нет систематизированных количественных оценок коэффициентов переноса моноионных форм аминокислот в растворах и в фазе мембраны, а имеющиеся сведения представляются противоречивыми.

Для выяснения механизма процессов ионного транспорта аминокислот в электромембранной системе и выявления химического

взаимодействия цвиттерионов аминокислот с ионами среды, целесообразна разработка методов анализа и интерпретации результатов измерения электропроводящих свойств этих систем на основе многомерного статистического анализа.

Цель работы состоит в изучении механизмов ионного транспорта аминокислот (глицина, аланина, лейцина) в электромембранных системах с катионитовой мембраной МК-40.

Научная новизна и практическая значимость работы состоит в том, что впервые проведено систематическое изучение электропроводящих свойств растворов аминокислот с близкими изоэлектрическими точками (глицина, аланина, лейцина). В результате показано, что водные растворы глицина и аланина обладают различными механизмами переноса ионов. Раствор глицина проводит электрический ток за счет прототропного механизма ионов водорода. Доля ионной проводимости за счет катионов глицина мала, тогда как аланин и лейцин снижают долю прототропной водородной проводимости, увеличивая собственный ионный вклад. Оценены ионные подвижности катионов глицина и аланина в солянокислых водных растворах. Подвижность аланина находится на уровне катионов щелочных металлов, тогда как подвижность катионов глицина составляет величину в два раза меньшую.

С использованием методов многомерного статистического анализа кондуктометрических свойств электромембранных систем установлена взаимосвязь между электропроводностью мембраны МК-40 и концентрацией аминокислоты (глицина, лейцина и аланина) в равновесном растворе. Оценены коэффициенты диффузии катионов этих аминокислот в

фазе мембраны. Показано, что подвижность катионов глицина в два раза ниже, чем аланина и лейцина. Это означает, что в фазе мембраны поведение изучаемых аминокислот сопряжено с их поведением в свободном водном растворе.

На основании кондуктометрических данных получены значения миграционных чисел переноса катионов глицина и аланина в мембране МК-40, находящейся в равновесии с солянокислыми растворами аминокислот. Число переноса катионов аланина достигает 0,45, что свидетельствует о конкурентном механизме ионного транспорта в системе МК-40 - аланин - HCl. В случае глицина, основная доля тока в ЭМС переносится ионами водорода.

Полученные численные оценки основных кинетических параметров (подвижности, коэффициенты диффузии, миграционные числа переноса) процессов ионного транспорта в исследуемых ЭМС позволяют делать прогнозы относительно организации новых процессов разделения аминокислот с близкими изоэлектрическими точками.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Описание и экспериментальное подтверждение физико-химической модели переноса нейтральной аминокислоты в электромембранной системе с катионообменной мембраной, основанной на конкурентном переносе ионов водорода и катионов аминокислоты в растворе и мембране с учетом реакций протонирования цвиттерионной формы аминокислоты в фазе раствора и мембраны.

2. Представление о снижении доли прототропной проводимости

ионов водорода в водных растворах аланина и лейцина.

3. Целесообразность привлечения методов многомерного статистического анализа при исследовании кондуктометрических свойств электромембранных систем с химическими взаимодействиями.

4. Комплекс опытных и расчетных оценок параметров ионного транспорта аминокислот в электромембранных системах с катионитовыми мембранами МК-40.

Достоверность полученных результатов обеспечивается стандартным оборудованием для измерения электропроводностей растворов и мембран, а также оптимальным статистическим анализом данных. Выборка экспериментальных данных является представительной и информативной, а оценки параметров -состоятельными и несмещенными.

Аппробация работы. Основные результаты работы доложены на 4-ой и 5-ой региональных конференциях «Проблемы химии и химической технологии» (Воронеж, 1996; Липецк, 1997), на 8-ой Всероссийской конференции «Физико-химические основы и практическое применение ионообменных процессов».

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 5 работ

Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Методы разделения и концентрирования

аминокислот

Овладевшая микробным синтезом индустрия белково-витаминных концентратов, вакцин, ферментов, аминокислот, антибиотиков и других физиологически активных веществ (ФАВ), составляя ядро сегодняшней биотехнологии, играет все большую роль в жизни современного общества. Методы промышленного производства аминокислот можно разделить на три основных класса [2,22,23]:

• Экстракция из белковых гидролизатов;

• Микробиологический метод;

• Химический синтез.

Все эти методы приводят к многокомпонентным смесям, содержащим аминокислоты, неорганические ионы и высокомолекулярные соединения (например, непереработанные белки, красящие вещества и т.д.). Обязательным условием реализации синтеза аминокислот в промышленности является высокий технологический уровень производства. Это в равной мере относится как к стадиям биологического синтеза, так и к операциям выделения и очистки веществ. Тем большую

значимость приобретают в связи с этим интенсивные процессы разделения ФАВ. Тем более, что стоимость этапов разделения и концентрирования аминокислот составляет свыше 90% от их общей продажной цены.

Содержание выделяемой аминокислоты в исходной культуральной жидкости (это, как правило, интенсивно окрашенные бактериальные суспензии) в большинстве случаев составляет 0,5-5%. Очистку и выделение аминокислоты из профильтрованных нативных растворов (иногда и из нефильтрованной культуральной жидкости) осуществляют преимущественно ионообменным методом [7,8,24-34] и (или) кристаллизацией (после вакуум-выпарки) [35]. Для получения достаточно чистого вещества сконцентрированный раствор дополнительно обрабатывают активированным углем, проводят перекристаллизацию (часто с применением спирта), твердый продукт центрифугируют, промывают и высушивают.

Из-за многостадийности процессов выделения и очистки потери аминокислот нередко составляют 50%, попутно образуются большие количества отходов. Поэтому в настоящее время уделяется большое внимание разработке новых методов (более экономичных) очистки и концентрирования аминокислот.

В ряде работ рассматривается возможность применения хроматографических методов разделения бинарных смесей аминокислот [26,29,34]. В этих статьях, на примере смеси валина и глутаминовой кислоты, разработаны лабораторные макеты

установки и простейшие математические модели процесса разделения. Однако, сами авторы отмечают, что несмотря на перспективность использования этого метода, доказанную в лабораторных условиях, промышленное внедрение пока невозможно с экономической точки зрения из-за сложности оборудования.

Другим методом, интенсивно развивающимся в последнее время, является экстракция. Жидкость-жидкостная экстракция, распространенная в промышленности антибиотиков [36,37], ограничена в применении к аминокислотам. Это объясняется тем, что аминокислоты плохо растворимы в органических растворителях. Альтернативой классической экстракции явилось использование обратно мицеллярных структур для выделения аминокислот. Первой работой в этом направлении явилась статья Фендлера с соавторами [39]. Они измерили растворимость 12 аминокислот в гексане в присутствии пропионата дециламония. Измерения проводились радиоизотопным методом. В этой работе показана важность электростатической составляющей при растворении аминокис�