Сорбционное выделение лизина и рибофлавина из микробиологических объектов тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.11 ВАК РФ

'Б О А казахский государственный нащональный

3 Л !/Т »пог УНИВЕРСИТЕТ им.АЛЬ - ФАРШ

3 У !\ I 1оо О

На праЕах рукописи УДК 615.31:577.112.285.4:577.163.012.8

чурбанов виктор георгиевич

сорбционное ввделение лизина . и рибофлавина из" микробиологических объектов

02.00.11 - коллоидная и мембранная химия

Автореферат

диссеряаши на соискание ученой степени кандидата химических наук

Алматы - 1995

Р?*ота ркполненг. в Центрально?1. *&воаско? лаборатории АО "Прогресс" и Институте $ермаиевтичееко? биотехнологии, г.Стел-

яогорск

Нагч'н;^ руководитель: - доктор технических наук

С.А.Падоьалоь

Огиипальные оппонента: - доктор химических наук.

профессор Л.Л.Гладкдеь канд^т химических нау? допекI Т.К.Юр Цун-син

Ведущая органкэспкя: Институт ккаческ;« наук Национальной Акаденпп Наук Республики Казахе так

Задптс диссертант: состоится ^1995 г. ь 14—ОС часов ка заседании специализированного совета К 14/А.01.12 пс присуждению таено? степени кандидате. химических наук при Казахское государственно«. Н&иконалснэк университете и;.:. Ало-Фараби до адресу: 430012, -г.Алкать?. уд.Виноградова, 95а, химический Факультет, зал оаседаний ученого совста.

С диссертацией мокко озникокигьая б библиотеке Казахского государственного Национального университета Аль-Фараби.

Автореферат разослан вСНТйЬрЛ__1995 г.

Ученый секретарь ________ _____^

специализированного совет- ^ /¡г-ъ.* / У? доктор химических наук ,-ро^сс^. С.Б АД»АГ;Е4

-3-

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ ' Актуальность работы. Расширяющиеся потребности в препаратах ряда биологически активных веществ, в частности, незаменимой аминокислоты /-лизина и рибофлавина (витамина Bg), используемых как в животноводстве, растениеводстве, так и в пищевых и медицинских целях, требуют совершенствования процессов их выделения. Использование перспективного способа получения указанных продуктов микробиологическим-.- синтез ом определяет необходимость-разработки методов их извлечения из такой сложной композиции, какой является культуральная жидкость соответствующих промышленных продуцентов. В связи с этим актуален поиск более эффективных способов вцделе-ния указанных веществ на 'базе сорбшонных процессов.

Разработка новой интенсивной технологии культивирования продуцента лизина на основе ацетатного процесса (ВНИИГенетики, г.Москва') сопряжена с необходимостью изучения равновесных, кинетических и динамических закономерностей ионообменной сорбши аминокислоты на катионитах из нового вида объектов. В то же время процесс сорбши на обычно используемых катионитах в целом характеризуется значительной длительностью, что требует его интенсификации.

Известные способы извлечения рибофлавина из микробиологических объектов ориентированы на низкую растворимость витамина Е^ в водной фазе. В связи с этим его выделение сопряжено со значительными колебаниями качества очищенного препарата и эффективности процессов.. Поэтому актуально создание способа сорбции рибофлавина из объектов микробиологического синтеза, отличающегося стабильностью эффективности выделений с получением конечного продукта с содержанием витамина В^ на уровне лучших мировых образцов(концерн BASF выпускает кормовой препарат с содержанием рибофлавина 80%).

Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы является изучение закономерностей сорбционного выделения лизина и рибофлавина из объектов микробиологического синтеза. ■ При выполнении работы решались следующие задачи:

.I. Изучались равновесие, кинетика и динамика процессов ионообменной сорбши и десорбции лизина из ацетатных- объектов на катионитах.

2. Проводилась интенсификация ионообменного выделения аминокислоты.

3. Разрабатывались и изучались процессы сорбиии и десорбции

рибо<йлавина. Исследовались равновесные и динамические закономерности сорбционного извлечения витамина из микробиологических объектов.

Разрабатывались новые сорбционные способы выделения лизина и рибофлавина в виде очищенных продуктов.

Научная новизна. Детально изучены закономерности сорбции, десорбции лизина на катионите КУ-2х8 из новых ацетатных объектов, что позволило прогнозировать процесс извлечения-аминокислоты.Впервые проведено сравнительное исследование кинетических и динамических закономерностей ионного обмена лизина на традиционном катионите и его модифицированной форме. Оптимизирован состав модифицированного катионита типа "диспергель", который дал возмож -ность значительно повысить скорость фильтрации при сорбции, десорбции без снижения эффективности процессов. Впервые разработан сорбционный способ количественного извлечения рибофлавина из микробиологических объектов, полученных'на разных источниках сырья и с широким разбросом его содержания. Оптимизированы условия нового метода сорбции витамина Е£ из нативных растворов - по рН, геометрическим соотношениям катионита и колонки, температуре процесса,-скорости фильтрации, нагрузке на кагионит по селевому веществу.

„ - ^ „ пгг-дположигелыло

Показано, что сорбция молекулы рибофлавина протекает по механизму хемосорбции.

Практическая ценность работы. Изучение закономерностей ионообменного извлечения лизина из ацетатных объектов позволило научно-обоснованно подойти к разработке альтернативного метода получения очищенного препарата с содержанием аминокислоты более 95 %. Способ отличается высокой воспроизводимостью при одновременном сокращении стадий процесса. Впервые созданный сорбционный процесс извлечения рибофлавина из микробиологических объектов обеспечил возможность разработки и испытания способа получения очищенного препарата витамина В^ с содержанием целевого вещества не менее 80 %. Данный способ характеризуется стабильным воспроизведением и выделением продукта в виде очищенного препарата из объектов с широким диапазоном исходных концентраций целевого вещества вплоть до.стоков.

Автор защищает: совокупность результатов исследований равновесных, кинетических и динамических закономерностей ионообменного извлечения лизина из ацетатных объектов; возможность интенсификации процессов сорбции и десорбции аминокислоты; результаты по ра-

зработке, изучению и оптимизации условий сорбции рибофлавина из микробиологических объектов и его количественной десорбции.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на итоговых научно-практических конференциях ПО "Прогресс" ( г. Степногорск , 1991); на 3-ем Всесоюзном семинаре "Актуальные направления в технологии получения антибиотиков и других биологически активных соединений микробного происхождения" (г.Степногорск, 1991); Международной научно-практической конференции "Перспективы развития производства биопрепаратов для медицины и сельского хозяйства"(г. Степногорск, 1995).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано II работ.

Объем и структура диссертации. Работа изложена на 156 страницах машинописного текста, иллюстрирована 24 рисунками и 37 таблицами. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, обсуждения результатов исследований, заключения, выводов, списка использованной литературы, включающего 175 наименований, и приложения.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

I. Объекты исследования

В работе использован широкий массив партий культуральной жидкости (к.ж.) продуцента лизина Согул. jlui*-mlc.urfl95-10 ВНИИГене-тики (47 образцов)»полученных на ацетатных средах и содержащих лизина 43-74 г/л. Также испытания проводили на 29 образцах к.ж. грибного Ef. AsJila^iî и плазкидного Вас. subtilli ВНЙИГенетики -304/рМх45 продуцентов рибофлавина с содержанием целевого вещества 460-6500 мкг/мл в зависимости от источника углеродного сырья и продуцента.

Применяли: кислоты - соляную, серную; основания - f/aOH,/JH^OH квалификации "хч"; органические растворители марки "хч". В качестве сорбентов использовали промышленные образцы синтетических сильно- и слабокислотннх катионитов и аниониты различных марок -всего 23 образца. Основные испытания проведены на катионитах КУ--2x8 - сополимере сульфостирола и парадивинилбензола с -¿ОдН функциональными группами для лизина и КУ-1 - отвержденном фенол -гЬормальдегидном сульфокатионите с и -ОН фенольными группами

- для рибофлавина. • -

2. Методы исследования

При изучении закономерностей сорбционного извлечения лизина з ацетатных объектов к.ж. предварительно центрифугировали при :000 мин-^ 15 мин с целью получения нативного раствора (н.р.).

Динамику процессов сорбши и десорбции изучали при насыщении ¡бъемов катеонита КУ-2х8 до 500 мл при скоростях фильтрации рас-?воров 25-500 мл/см^ч путем отбора фракций фильтрата и элюата. В •:их определяли содержание лизина электрофоретически и методом тонкослойной хроматографии на силикагеле; содержание сухих веществ

- рефрактометрически; электропроводность - кондуктометрически; рН

- погенциомегрически. При оптимизации условий сорбции и десорбции эксперименты проводили по схеме: сорбция из н.р. - отмывка водой [до 3 объемов от объема набухшего катеонита) - десорбция 2 н раствором аммиачной воды - отмывка водой.

Изотерму сорбции лизина из ацетатных объектов исследовали в статических условиях насыщения навесок катионитов по 20 г при прокачивании 24 часа. Кинетику процессов сорбции и десорбции ли-з'лна катеонитом КУ-2х8 и его модифицированной формой в виде "дис-пергеля" изучали в ограниченном объеме в сосуде с мешалкой при 20°С в статических условиях в течение 16 часов.

С целью интенсификации процессов сорбции и десорбции лизина использовали измельченные до размеров менее 15 мкм частицы катеонита КУ-2х8, включенные в проницаемые для лизина полимерные матрицы, так называемые "диспергели". Синтез "диспергелей" разного состава осуществляли по методике, разработанной во ВНИИ0ЧБ, г. Санкт-Петербург. Полученные варианты состава "диспергеля" подвергали механическому и химическому испытаниям с последующим определением массы образцов и емкости по малым катионам. Гидродинамические испытания образцов осуществляли в динамических условиях в стеклянных колонках путем измерения реальных скоростей протока и сравнением со скоростями при реализации экспериментов в пустых колонках.

Разработку нового сорбционного способа выделения рибофлавина из микробиологических объектов первоначально проводили в статических условиях при прокачивании навесок возможных сорбентов по 5 г з течение 4 часов с н.р. После отмывки сорбированный витамин В£ элю'/ровали возможными составами элюентов - 0,5-3 н растворы оснований и кислот, 0,5-2 н растворы солей, эодноорганические смеси спиртов, эфиров 'а кетонов. После предварительного зкбора катиони-

та и состава злюента эксперименты осуществляли в динамических условиях на навесках катионита 10-100 г по схеме: насыщение 0,8 -25,0 объемами рибофлавинсодержащего объекта - отмывка 3 объемами водь: - десорбция водноаштоновой скесь:о в соотношении 1:1-2:3 по объему в количестве до б объемов катионита - отмывка водой - регенерация 1,6 объемами 2 н раствора соляной кислоты - отмывка водой. Содержание рибофлавина в образцах определяли флуорометричес-ки на приборе ЭФ-ЗМ. .

0СН03ЖЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЕ

I. Исследование ионообменного извлечения лизина

из ацетатных объектов При исследовании сорбции лизина из ацетатных объектов, отличающихся повышенным содержанием аминокислоты, на сильнокислотном монофункциональном кагионите К.У-2:с8 предварительно изучили сорби-руемосгь целевого вещества на разных стормах катионита. Нашли обменную емкость (ОЕ) катионита из объектов в широком диапазоне значений рН, обуславливающих ионную ^орму аминокислоты в растворе и избирательность поглощения как лизина, так и конкурирующих катионов. Выявлено, что эффективность сорбции по 0Е определяется рабочей Нормой катионита л режимом рН объекта извлечения (табл.1").

Таблица I

Эффективность сорбции лизина на КУ-2х8 от его рабочей формы и рН объекта

Интервал рН объекта сорбции Обменная емкость катионита, г/100 мл

^а+ форма Н+ форма форма

1,5 - 2,0 - 4,0 - 5,0 7,5-8,КисхТ 8,8 - 9,0 Г9,3±1,8 19,6±0,6 12,8±2Д 5,6±0,7 13,7-0 ,7 13,810,9 12,0±1,6 4,4±0,3 22,7±2,3 20,5^2,0 16,4±1,6 9,410,5

Использование рабочей формы катионита позволяет в кислой области рН ацетатного объекта достигать высоких значений 0Е. При этом одновременно совмещаются процессы десорбции лизина 2 н раствором аммиачной воды и перевода катионита в рабочую форму. Как показали последующие испытания, в интервале .рН = 4,0-5,0 сорбции

-3-

содержание примесных катионов в элюате еще не выходит за пределы допустимого уровня по их концентрации в очищенном препарате. • Полученные данные позволили выбрать в качестве оптимальной лШ^"1" рабочую форму катеонита КУ-2х8 и рН-режиы извлечения аминокислоты в интервале 4,0-5,0. В данных условиях сорбции-химизм процесса можно представить схемой:

: Н : • н

¿Н-О^Оз^ + Н3^-(СН2)4-:С-С00И;= СН-<Г>^0зНз^(СН2) 4-1-С00Н

¿н2 ¡!нг 1н2

¿Н-Д>-СН-СНо-... СН-^13^СН-СН2----

|н2 ! ^н2 ! ■ + лн4+

: КУ-2х8 :

При оптимизации другие условий насыщения катеонита аминокислотой установлено, что 0Е КУ-2х8 зависит от нагрузки (Н) на катеонит по лизину и его концентрации (С) в объекте извлечения. Полученные экспериментальные данные после обработки методом наименьших квадратов представлены линейными уравнениями вида:

0Е = 0,43 • Н + 4,55 (I)

СЕ = 0,49 • С - 7,29 (2)

Расчетные значения коэффициента корреляции г'составили -+0,81, что свидетельствует об очень сильной корреляционной связи между исследуемыми величинами. Полученные эмпирические уравнения позволяли прогнозировать эффективность ионообменного извлечения аминокислоты.

Наличие линейной зависимости по уравнению (2) предполагает наличие близкой к линейной формы изотермы сорбции в выбранных условиях извлечения аминокислоты. Данное предположение подтвердили б ходе планомерного изучения сорбции лизина катионитом КУ-2х8 и его модифицированной формой (рис.1). Вид изотермы сорбции свидетельствует об отсутствии равновесных причин размывания фронта аминокислоты в динамических экспериментах.

При изучении кинетики процесса сорбции однозарядного катиона лизина из н.р. установили, что лимитирующей стадией процессов сорбции и десорбции является диффузия ионов внутри частицы катеонита. Данный факт подтверждается наличием линейного участка кинет-

ческой кривой в координатах Р (рис.2 и 3).

Проведение экспериментов с прерыванием контакта фаз и отсут-•ствие зависимости скорости сорбции лизина от концентрации исходного раствора и скорости перемешивания подтвердило наличие геле-вой кинетики на используемых катионитах. Анализ формы выходных кривых (рис.2 и 3)полученных в экспериментах в ограниченном объеме, позволяет сделать заключение о более высоких кинетических характеристиках катионита типа "диспергель" по сравнению с исходным катионитом КУ-2х8 при близком к промышленному зернению ;(250-1200 мкм).

Наличие гелевой кинетики при сорбции лизина из н.р. в случае малоизбиратедьного обмена (К«»1) позволило рассчитать ' значение коэффициента диффузии ^ на начальном участке кинетической кривой по диаграмме Паттерсона с помощью соотношения:

дн = , где 70- средний радиус частиц

сорбента в набухшем состоянии;£. - время процессабезразмерный параметр, вычисленный по диаграмме Паттерсона в соответствии со значениями Р и (¿с?=0,2).

Расчет коэффициентов внутренней диффузии при десорбции лизина провели по уравнению Бойда, справедливому на начальном участке кинетической кривой:

п 6 1/Д„.Ь

К = ' у —^— , где Р - отношение превращения,

достигнутого ко временив, к превращению при установившемся равновесии (табл.2).

По кинетическим кривым определили время эксперимента, при котором насыщение катионита достигает половины равновесного (Р = 0,5). Эффективные коэффициенты диффузии были определены методом моментов кинетической кривой по среднему времени десорбции по уравнению: ...

' °Р 15 ! ^

14 ср

Из полученных данных (табл.2) следует, '-то исходный катионит КУ-2х8 обладает худшими кинетическими характеристиками,, чем его модифицированная форма - значения средних коэффициентов диффузии

-10в 4 раза меньше.

Таблица 2

Расчетные данные по изучению кинетики сорбции и десорбции лизина из н.р.

Показатель Процесс сорбции на катионитах Процесс десорбции на ■ катионитах

КУ-2х8 ДСГ-КУ-2х8-5-85 КУ-2х8 ДСГ-КУ-2х8-5-85

3„ , см^/с Дср, см/Ус 1ср' с ¿ 1/2' с 5,34' Ю-^ 3,79-КГ8 1469,0 264,0 2,03-Ю-7 1,60* Ю-7 348,0 ■ 118,0 6,81-Ю"8 817,6 176,0 2,94* Ю-7 2,64'КГ7 "Г 210,9 81,0,

Расчетные данные позволяют количественно охарактеризовать процесс сорбции аминокислоты на используемых катионитах в динамических, условиях. Характеристикой режима сорбции для. случая внутрйдиффу-зионной кинетики служит критериальный параметр ^ - безразмерная длина, определяемый по формуле:

'¡I

V/-

(3)

где Л - доля "свободного" объема в набухшем катионите; /з - высота слоя катионита; I/- скорость фильтрации; К^ - коэффициент распределения.

Воспроизведение динамической сорбции лизина из ацетатных объектов при разных скоростях протока на лабораторных колонках с высотой слоя .катионита КУ-2х8 до 18 сы и расчет значения ^ позволили установить, что в данных условиях имеет место'так называемый "нерегулярный" режим сорбции^! (табл.3).

"" - ' Таблица 3 •• Эффективность сорбции лизина на КУ-2х8 при скоростях:;фильтрации

^/сорбции, мл/см?ч . ОЕ, г/100 мл с/ /0 извлечения Расчетное ' значение }■

50 ■ 16,5 67,3 0,310

100 16,2 63,5 0,154

250 13,6 54,8 0,062

500 9,4 37,6 0,031

Полученная информация свидетельствует о необходимости ограничения

p

скорости фильтрации растворов при сорбции на КУ-2х8 до ЮОмл/см-ч. Установлено такле, что с увеличением скорости протока происходит размывание формы концентрационной кривой зо фракциях элюата. Это проявляется в снижении высоты пиковой фракции и увеличении объема лизинсодержащего элюата. Степень десорбции лизина при скорости фильтрации до 250 мл/см?ч снижалась до 7CFS от сорбированного.Следовательно, скорость протока при десорбции аминокислоты с КУ-2;с8 необходимо ограничить до 50 мл/см-ч. Ионообменное извлечение лизина из ацетатных объектов из-за замедленности диффузии ионов аминокислоты в зерне катеонита требует интенсификации процесса.

В целом оптимизированные условия сорбции лизина из ацетатных объектов с широким диапазоном содержания аминокислоты позволили получать элгаат с низким содержанием посторонних катионов и высоким содержанием целевого вещества. При этом обеспечивалась возможность наработки очищенного препарата без стадии кристаллизации. Полученные элюата после удаления аммиака и упаривания до содержания сухих веществ после подкисления до pH = 4,0 высушивали с получением продукта бежевого цвета, содержащего лизина более 95%, сухих веществ более 98$ и зольностью менее 1,6%, что полностью удовлетворяет предъявленным требованиям.

2. Интенсификация ионообменного выделения лизина

При синтезе модифицированного катионита в качестве оптимального полимера использовали .поливиниловый спирт, так как при применении декстрана или карбоксиметилцеллюлозы отмечалась чрезмерная неоднородность распределения частиц по размерам и отсутствовало хорошее механическое связывание в условиях экспериментов. В ходе синтеза образцов "диспергелей" содержание сшивающего агента оптимизировано на уровне 5-6 мольных % по отношению к поливиниловому спирту. Меньшее содержание сшивающего агента приводило к значительному уплотнению образцов при высушивании; большее - к чрезмерному уплотнению на стадии формования гранул. Содержание ионитовой пыли в "диспергеле" оптимизировано на уровне 80-90% от массы модифицированного .катионита с учетом максимальной ОЕ. При более высоком содержании отмечалось ухудшение механической и химической стойкости образцов. Оптимальный образец модифицированного катионита на базе КУ-2х8 имел состав ДСГ-КУ-2х8-5-85, где 5 - содержание сшивающего агента, 85 - содержание ионита. Выход при -синтезе составлял 93-96/5 от расчетного. Как показали данные электронной

микроскопии синтезированный катеонит обладает пористой структурой. Оптимизированный состав "диспергеля" имел достаточную химическую и механическую устойчивость и обеспечивал устойчивые гидродинамические условия при эксплуатации. Синтез и оптимизация формы модифицированного "диспергеля" создали возможность интенсификации процессов сорбции и десорбции лизина из ацетатных объектов за счет увеличения скорости протока.

Сорбция лизина из к.р. при высоких скоростях 'фильтрации 250 -500 ыл/см^ч на ДСГ-КУ-2х8-5-35 позволила установить, что форма выходных кривых близка к таковой при использовании КУ-2х8, но .для скоростей 50-100 мл/см^ч. Расчетные значения параметра } при равенстве к дали соответственно значения 0,132. и 0,13. А при скорости фильтрации при сорбции 100 мл/см^ч для "диспергеля" значение } = 0,66, что близко к достижению регулярного режима сорбции. Зоспроизведение сорбции лизина, из ацетатных объектов в пилотных масштабах при h до 80 сы и навеске катеонита до 3 кг выявили значительные преимущества "диспергеля" по.эффективности извлечения аминокислоты при повышенных скоростях сорбции и десорбции - соответственно 400 и 200 мл/см?ч (табл.4),

Таблица 4

Эффективность сорбции лизина на катионитах при повышенных скоростях фильтрации

i Показатели процесса Катеонит сорбции Показатели процесса десорбции

Нагрузка, г/100 мл ОЕ,- г/кг десорбировано лизина, г % десорбции

КУ-2хЗ 14,8 135 • 382 85,5

"диспергель" 14,8 174 394 100,0

Следовательно, одной из важнейших особенностей использования модифицированного катеонита типа "диспергель" является возможность интенсифика;ши процесса извлечения лизина за счет увеличения в 4-5 раз скоростей протока при сохранении показателей на уровне базового катиоинта КУ-2х8 при малых скоростях фильтрации.

3. Разработка и изучение сорбционного извлечения рибофлавина из микробиологических объектов

Предварительный поиск возможных сорбентов и состава элюента,

озволящих количественно извлекать рибофлавин из модельных объ-ктов и н.р. микробиологического синтеза, позволил, выбрать бифун-шональный катионит НУ-1. Подобран оптимальный ■ элюент - водноаце-оновая.смесь состава 1:1 -З^по объему соответственно.. Данная омпозиция обеспечила возможность количественной десорбции, рибоф-авина с возвратом ацетона в цикл приготовления элгоента. Высокая тепень удержания витамина на кагионите при попытках элщирова-ш его большими количествами растворов сильных кислот, оснований : воды, значительная замедленность процессов, вид изотермы, сорб-ии, а также катионный состав фильтратов при извлечении рибофла-:ина из модельных растворов позволили предложить механизм . хемо-орбши молекулы витамина В2 на катионите КУ-1. Ответственными за звлечение рибофлавина являются фенольные группы катионита в Н+

абочэй форме и данный процесс может быть представлен схемой: • • • •

СН2^-0Н сн

СН2 I

»з^он+<аф(®х>э л^онх

СНо Г СНо г __I ^ СНр

сн0чО-он -I 2

Г г—Г (СН0Н)3-СН20Н

*• • < • «

КУ-1

В качестве базовой выбрали рабочую Н+форму катионита КУ-1 из-¡а нестойкости•витамина В2 в области щелочных значений рН фильт-)атов для и форм ионита. Детальные исследования оптими-ировали нейтральный диапазон значений рН при сорбции (табл.5), ¡ледует отметить относительно невысокую емкость катионита КУ-1 по ¡ибофлавину 3000-5000 шг/г, что объясняется особенностями взаи-юдействия витамина с полиэлектролитом.

Проведенные испытания по изучению изотермы сорбции рибофлави-и из реальных микробиологических объектов а статических условиях ¡ыявили ее резковыпуклута, близкуо к прямоугольной форму (рис.4). горма изотермы сорбции целевого вещества характерна для случаев :го взаимодействия с сорбентом по механизму хемосорбции..

При 'динамических исследованиях сорбции знташна В^ определили

характерные зависимости изменения свойств во фракциях фильтрата в виде выходных кривых (рис.5). Концентрация рибофлавина относительно исходной во фракциях фильтрата нарастает медленно и даже при больших объемах поданного на сорбцию объекта (V)" она не достигает исходной.

При детальном изучении динамического процесса десорбции рибофлавина с предварительно насыщенного катионита КУ-1 установили закономерности изменения свойств порций элюата (рис.б). В пределах примерно 3 объемов элюата от объема набухшего катионита десо-рбируется практически весь извлеченный рибофлавин.

При оптимизации условий сорбци'онного извлечения рибофлавина из микробиологических объектов с учетом низкой его скорости установили влияние геометрических соотношений в колонке - высота слоя набухшего катионита (Н ) и диаметр колонки (Дк) - на эффективность сорбции. Полученные экспериментальные данные после обработки методом наименьших квадратов представлены эмпирическими урав-ненияш вида: ^

А = 153,6 • + 2139,3 (4)

Дкн

% извлечения = 2,46 • + 25,54 (5)

Д

Отмечена устойчивая линейная зависимость между контролируемыми величинами с очень высокой степенью корреляции / = +0,97. С' достижением значения Нсы: Дк?-7:1 величина % "десорбции рибофлавина с сорбента.повышается до уровня не менее 95%.

Также установлено влияние исходной нагрузки (Н) на катионит по витамину В2, находящемуся в объекте извлечения, на-эффективность сорбции. Полученные экспериментальные закономерности выражаются эмпирическими уравнениями вида:

А = IIЛ • н°>65 (6)

% извлечения ----:-г, (7)

11.03- Ю-'-Н + 1,07 "10

Данные зависимости отличаются высоким уровнем коэффициента корреляции: л>.+0,8б. ■-•...

Таким образом, найденные закономерности при задаваемой нагрузке Н и значении Нсм: Дк позволяют прогнозировать уровень ОЕ, % извлечения, а также выход при десорбции.

Учитывая замедленность процессов сорбционного-извлечения ри-5офлавина, особое внимание при разработке способа уделялось влиянию скорости фильтрации на эффективность сорбции и десорбции. Полученные экспериментальные данные свидетельствуют о наличии значительных осложнений при реализации сорбции - наступление "ложного" насыщения при высоких скоростях фильтрации и низкие концентрации рибофлавина при малых- скоростях, где "проскок" витащна , В2 наблюдается позже и насыщение катионита идет полнее.- Приемлемые . значения скорости протока, обеспечивающие удовлетворительную эффективность процессов при допустимой длительности цикла эксплуатации сорбиионных колонн, находятся на уровне: при сорбции - до 100 мл/см?ч, при десорбции - до 50 ыл/см-ч (табл.6).

Дальнейшие исследования позволили установить повышение эффективности извлечения рибофлавина при сорбции в условиях повышенной температуры. Оптимальный температурный режим сорбции с учетом устойчивости катионита при длительной эксплуатации установлен на уровне 40-45°С. При этом Д повышается на <^20/5 по сра внению. с - процессом при 20°С.

На последующ« этапах разработки процесса испытания по сорб-ционноыу извлечению витамина В2 из отходов, полупродуктов и. стоков с содержанием целевого вещества от 10 мкг/мл показали .полноценную возможность количественного выделения рибофлавина в найденных условиях воспроизведения. Также доказали возможность его извлечения из микробиологических объЭктоз, полученных на питательных средах с разнообразными источниками углерода и с применением разных культур-продуцентов витамина В2.

В ходе длительных экспериментов установили адаптируемость разработанного способа сорбции к воде и реагентам технического качества, что подтвердили расчетным путем и периодической проверкой форш кривых при десорбши (рис.7).

Разработанные,изученные и оптимизированные условия сорбции рибофлавина из объектов микробиологического синтеза, отличающихся содержанием целевого вещества, источником углерода в питательных средах и культурами-продуцентами, позволили создать новый способ получения очищенного препарата витамина В2 с содержанием целевого вещества не менее 8С$. Данный способ характеризуется высокой воспроизводимостью, количественным выходом рибофлавина и предусматривает отгон ацетона с количественным его возвратом в цикл.приготовления элюэнта, доупариванке и кристаллизацию витамина В»? с по-

-16-

следующей сушкой кристаллов.

вывода

I. Изучены закономерности сорбпионного извлечения лизина из ацетатных объектов на катионите КУ-2х8. Оптимизированы рН объекта сорбции на уровне 4,0-5,0 и рабочая ^Н^"1" форма катионита. Выявлена зависимость обменной емкости катионита от нагрузки на него по лизину и концентрации аминокислоты в объекте сорбции, позволяющая прогнозировать эффективность процесса по достигаемой емкости и степени извлечения.

2; На реальных объектах исследованы равновесие и кинетические закономерности процессов сорбции VI десорбции лизина на катионите КУ-2хВ и его модифицированной форме в виде "диспергеля". Показан определяющий вклад внутренней диффузии ионов в зерно катионита. Экспериментально определены средние времена процессов и средние значения коэффициентов диффузии при сорбции и десорбции.

3. На основе детально изученных закономерностей ионообменного выделения лизина из ацетатных объектов в выбранном режиме создан альтернативный способ получения аминокислоты в виде очищенного препарата с содержанием целевого вещества более 95$. Отличительной особенностью способа является сокращение стадий процесса с сохранением стабильно высокого качества продукта.

4. Проведена интенсификация процесса ионообменной сорбции лизина применением модифицированного катионита типа "диспергель", созданного на базе катионита КУ-2х8. Расчетным и экспериментальным методами обоснована возможность повышения скорости фильтрации при сорбции и десорбции, по сравнению с применяемыми для катионита КУ-2х8 не менее, чем в 4 раза без снижения эффективности процессов выделения аминокислоты.

' - 5;-Проведен-синтез "диспергелей" разного.состава на основе ка-тионитовой пыли КУ-2х8 включением ее в полимерную матрицу е.,. применением сшивающего агента. Оптимизированный методами химических, "механических, гидродинамических испытаний с учетом максимальной емкости состав "диспергеля" обеспечивал повышение.-коэффициентов., диффузии примерно в 4 раза по сравнению с катионитом КУ-2х8.

6. Впервые разработан сорбционный процесс количественного извлечения рибофлавина из объектов микробиологического синтеза.. В результате статических и динамических экспериментов выбран наиболее приемлемый бифункциональный катионит КУ-1 в Н+ рабочей форме и состав водкоапетонового злюента в объемном .соотношении 1:1-3'.«2.

плепполпжительио

1ок'азано, что процесс сорбции рибофлавина протекает по механизму кемосорбши. Оптимизированы условия сорбшш и десорбции витамина Bg по pH объекта, скороста Фильтрации, температуре процесса. Разработанный способ сорбции рибофлавина из микробиологических объ-зктов позволяет получать очищенный препарат витамина Bg стабильного качества с содержанием целевого вещества не менее G0%..

7. Найдены эмпирические уравнения зависимости емкос-

ти и степени извлечения витамина В^ от нагрузки на- катионит, позволяющие прогнозировать эффективность сорбции. Выявлены закономерности длительной эксплуатации катионита КУ-1 с использованием воды и реагентов технического качества без существенного снижения Э(£фективности процессов. Показаны широкие возможности количественного извлечения рибофлавина из объектов, отличающихся сырьевыми источниками и с широким диапазоном концентраций целевого вещества, включающих отходы и стоки производств.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

1. Чурбанов В.Г., Орещенко Я.И. Исследование равновесия и кинетики процессов сорбции и десорбции лизина сильно- и слабокислотными катиониташ.// Химико-фармацевтический журнал, 1987,- 1К 2- с.216-221.

2. Чурбанов В.Г., Орещенко Я.И. Получение кристаллического лизина ионообменным способом с применением модифицированного сорбента.// Химико-фармаиевтичесшТй журнал, 1989.- №.4,- с.468-471,

2. Чурбанов В.Г., Бутова АЛ. К вопросу выбора вариантов технологии получения лизина в условиях завода.// УП итоговая научно-практическая конференция ПО"Прогресс": Тез. докл. - Степно-горск, 1991.

4. Чурбанов В.Г., Башанов H.H., Субханкулов М.Ф., Молчанов А.П., Еахмат Г.Д. Перспективы получения очищенных форм препаратов аминокислот в условиях завода.// УН итоговая научно-практическая конференция ПО "Прогресс": Тез. докл.- Степногорск, I9QI.

5. Чурбанов В.Г. Изучение процессов ионообменной сорбши и десорбции лизина из культуральной жидкости ацетатного процесса. // УП итоговая научно-практическая конкуренция. ПО "Прогресс" : Тез. докл. - Степногорск, 1991.

6. Чурбанов В.Г., Шаповалов Ю.А. Разработка процесса сорбши рибофлавина микробиологического произзодства.// Известия HAH PK, сер. хим., 1995.- ».З.-^ЗЗ-З?.

7. Чурбанов В.Г., Шаповалов D.A. Разработка способа элюции рибофлавина с сильнокислотного катионита КУ-1. // Известия HAH PK, сер. 'хин., 1995.- №.З.-С.З*-^.

8. Чурбанов В.Г., Субханкулов М.Ф., Шаповалов Ю.А., Разработка альтернативной технологии получения очищенного препарата .лизина из культуральной жидкости ацетатного процесса,- В сб.: Технология получения1 и свойства биологически активных веществ микробного происхождения. Степногорск, 1995.- №.3,- с.76-81.

9. Чурбанов В.Г., Чурбанова И.П., Шаповалов Ю.А. Изучение эффективности процесса ионообменного выделения лизина из культуральной жидкости ацетатного процесса в условиях длительной эксплуатации с применением технического сырья.- В сб.: Технология получения и свойства биологически активных веществ микробного происхождения. Степногорск, 1995.- №.3,- с.82-91.

10. Чурбанов В.Г., Субханкулов М.Ф., Чурбанова И.П. Исследование закономерностей ионообменной сорбции лизина из ацетатных объектов.// Тезисы докладов в материалах Международной научно -практической конференции "Перспективы развития производства биопрепаратов для медицины и сельского хозяйства". Степногорск, 1995.- с.18.

11. Чурбанов В.Г., Шиманаев В.А., Чурбанова И.П. Разработка и изучение сорбции рибофлавина из объектов микробиологического синтеза.// Тезисы докладов в материалах Ме-тщународной научно-практической конференции "Перспективы развития производства биопрепаратов для медицины и сельского хозяйства". Степногорск, 1995.- с.19.

10

О 50 С, г/л

:сЛ. Изотермы сорбции лкзина на кагионигах" з д/Н^4" форме при 3С: 1. - для КУ-2х6; 2., - для ДСГ-КУ-2х8-5_35

1,0

0,5

_ t

—-*-—

■к* 1 1 1 1

О 10 20 30 40 Vе, с

Рис.2. Кинетические кривые сорбции лизина из ацетатных объектов: . - на КУ-2х8; 2,с - на ДСГ-КУ-2хЗ-5-85

О 10 20 30 4-0 уЬ, с1/2 Рис.3. Кинетические кривые десорбции лизинг г катионитов: I. -КУ-2;:3; 2„ - ДСГ-КУ-2:<3-5-85

V

¿1, ыкг/г 3000

2000

1000

0 500. 1000

Рис.4. Изотерма сорбции рибофлавина при I = 21°С

св,% рН С/Сисх,

20

. 10 Ю .100 .

" исх

- Ь :■ ь . ЬО

исх

В£, ыкг/мл

У -Уо

Vcм

Рис.5. "Динамические кривые при сорбции рибофлавина: I.- ^/^исх' % ' ; 2Х- рН; Зд- СВ, %■ , Усм- объем набухшего катио-

нита; V - "свободный" объем, \/0?

Рис.6. Выходные кривые при десорбции рибофлавина с КУ-1: I. - В£, мкг/мл; 2Х- рН; Зд - электропроводность

В£, мкг/мл

Рис.7. Десорбиня рибофлавина при использовании технического сырья по циклам эксплуатации КУ-1: I. - 1-? шкл; 2д - 5-я цикл; 3 - Ю-П цикл

Таблица 5

Эффективность сорбции рибофлавина от рН объекта извлечения

•рН объекта Нагруз ка, ыкг/г А. мкг/г с/ /я из влечения а /о десорбции

1,6 4970 2680 53,9 97,3

4,0 5100 2700 52,9 96,9

4,6 5300 2510 47,4 98,6

6,0 5080 2780 54,7 98,9

7,4 5050 3050 60,4. 98,3 .

Таблица 6

Эффективность сорбционного извлечения рибофлавина при скорости фильтрации V/

Показатели процесса Значение показателей при У^л/см'Тч

25 50 100 250 500

Нагрузка, мкг/г , ыкг/г % извлечения - 15300 5550 36,3 15070 3540 23,5 15100 2850 18,9 15600 2310 14,8

% десорбции (0Ш —3500 мкг/г) 100 99,5 75,2 71,3 -

Чурбанов Виктор Георгиевич

микробиология лык; об"ект1лерден лизин мен рибофлабиндт сорбшялых жолмен бел1П алу.

Химия гылымдарыньщ кандидаты гылыми дэрехеан алу ythh дайындалган диссертация 02.00.11-коллоидты жэне ыембрандак; химия

Катиониттерде жаца вцетатты суйыцтардан лиэиннхц ион алмасу ¡циясыныц тепе-теадхк,-кинетикалыц жэне динаыикалык заддары зерт-li. "Диспергель" тигш модификациядык катаониттх колдану арцаоында 1Кышкнлдарын бел1П алуыныц сорбциялык интенсивт1л:гх жургхэхлд!. юбиологиялык об"ект1лерден рибофлавиннщ сорбциялык; жэне десорб-шк жагдайы oipiHmi per евделдг.

Сорбциянын тепе-тевдхк жене динамикальщ зацдары эерттелдх. Таза гн мен рибофлавин препараттарын хщв. алу жолдары евделд!.

Charbanov "Victor Georgievich

Sorption releaoe of lyzin and riboflavin from tie

microbiological objects

The Ph.D. of Chemistry applicant's thesis

02.00.11-eolloidal and membrane chemistry

The eauilibrium kinetic and dynamic regularities 0f ion-change n sorption from new acetate cultural liauid on cationites have studied. The intensification of sorption extraction of anino-has been carried out by using of modified cationite of the pergel" kind. Conditions of the sorption and desorption of flavin from the microbiological objects have been firstly deve-d. The ecuilibrium and dynamic regularities of riboflavin tion have also been studied. Ifew methods of lysin and ribo-in release in the form of purified preparetes.

Отпечатано e типографии НЦ БТ

Зсказ f 070 Tnpas - 100 экз.