Влияние порядка ввода полимерных агентов - флокулянтов на биосуспензию

Р. И. Юсупова, М. В. Потапова, А. И. Курмаева,

В. П. Барабанов

ВЛИЯНИЕ ПОРЯДКА ВВОДА ПОЛИМЕРНЫХ АГЕНТОВ - ФЛОКУЛЯНТОВ

НА БИОСУСПЕНЗИЮ

Ключевые слова: биосуспензия, агрегация, стабилизация, полиамфолит. bio-suspension,

aggregation, polyampholyte, surfactant

Изучена кинетика седиментации суспензии дрожжей Saccharomyces cerevisiae в присутствии сополимеров метилпропеновой кислоты с 2-диметил-, диэтиламиноэтилметил-пропеноатом и комплексов на их основе с анионным поверхностно-активным веществом -додецилсульфатом натрия. Проведена оценка флокулирующей активности и эффективности полимерных добавок. Показана зависимость флокулирующих показателей от порядка ввода реагентов.

The sedimentation behavior of the suspension of the Saccharomyces cerevisiae yeast at the presence of the copolymers of methylpropenoic acid with 2-dimethyl-, diethylaminoethylmethyl-propenoate and they complexes with anionic surfactant (sodium dodecylsulfate) was investigated. The flocculation activity of the polymeric additives was evaluated. The dependence of the flocculation parameters from the entrance order of the reagents was shown.

Эффективность биотехнологического производства, как и любого другого, безусловно, складывается из эффективности всех стадий проводимого процесса, это - культивирование, выделение продукта, очистка продукта и сушка. Вопрос концентрирования биосуспензий независимо от того, где содержится целевой продукт, в биомассе или культуральной жидкости является актуальным как в теоретическом, так и практическом аспектах. Наиболее перспективным направлением интенсификации выделения биомассы признается [1] агрегация клеток под действием полимерных флокулянтов. Особый интерес среди флокулянтов представляют полиэлектролиты амфотерной природы - полиамфолиты (ПА), модели белковых соединений. Вследствие амфифильности макромолекул полиам-фолиты обладают поверхностной активностью, а значит, могут адсорбироваться на меж-фазной поверхности, в том числе и на поверхности клеток микроорганизмов, т. е. могут проявлять агрегирующую способность.

Взаимодействие полиамфолита с низкомолекулярным ПАВ приводит к образованию комплекса [2]. Причем, какое влияние (стабилизирующее или дестабилизирующее) оказывают полимер-коллоидные комплексы и участники реакции комплексообразования -полиамфолит, ПАВ - на суспензию микроорганизмов (биосуспензию) не вполне изучено. В связи с этим целью настоящей работы является исследование влияния порядка ввода ПА и поликоллоидных комплексов на их основе на устойчивость дрожжевой суспензии.

Экспериментальная часть

В качестве объектов исследования использовались сополимеры метилпропеновой кислоты (тривиальное название метакриловая кислота) с 2-диметиламино-этилметилпропеноатом (МПК-2ДМАЭМП) - ПА-I и 2-диэтиламиноэтилметилпропе-ноатом (МПК-2ДЭАЭМП) - ПА-II и их по-лимер-коллоидные комплексы (ПКК) с анионным ПАВ додецилсульфатом натрия [2]. Физико-

химические характеристики изучаемых ПА приведены в таблице 1 [3]. Додецилсульфат натрия (ДСН) очищался двойной перекристаллизацией из спиртового раствора, ККМ=8,4 -10"3 моль/л.

Исследована система, в которой дисперсионной средой являлась дистиллированная вода, а дисперсной фазой - клетки дрожжей Saccharomyces cerevisiae. Дрожжевые клетки отделялись центрифугированием от культуральной жидкости, промывались дважды дистиллированной водой, а затем ресуспендировались в воде при рН = 2,5 2,7. Ранее в работе [5] было установлено, что сус-

пензия сохраняет устойчивость во времени при значении оптической плотности йопт ~ 0,8. Оптическую плотность исследуемых систем измеряли на спектрофотометре «Spekol-10» с приставкой ЕК-

5, предназначенной для измерения экстинкции жидкостей в диапазоне длин волн от 400 до 800 нм. Измерения оптической плотности системы проводились при длине падающего света А = 540 нм, DonT = lg(I0 /I), где Io - интенсивность света, прошедшая через кювету с исследуемой системой, I -интенсивность света, прошедшего через эталон. В качестве эталонной жидкости использовалась дистиллированная вода.

Таблица 1 - Состав и физико-химические характеристики полиамфолитов

ПА Z, Мол. % МПК [П], дл / г рНиэт

ПА - I

ПА-1 21,50 0,25 7,1

ПА-2 57,70 0,73 4,4

ПА-3 70,40 0,75 3,6

ПА - II

ПА-4 20,50 0,31 6,7

ПА-5 56,90 0,35 5,2

ПА-6 77,20 1,97 3,1

[П] определяли в 0,1 М ЫаО!, pH = 7,7

Степень осветления биосуспензии (О) определяли по изменению во времени границы раздела фаз между осветленным и неосветленным слоем жидкости [7]. Суспензию дрожжей (йопт ~

0,8) объемом 100 мл переносят в мерный цилиндр, затем добавляют раствор флокулянта, плотно закрывают крышкой пробкой и перемешивают опрокидывающим движением. Цилиндр устанавливают в вертикальное положение, удаляют пробку и фиксируют через каждые 10 с перемещение во времени границы раздела фаз в биосуспензии по высоте цилиндра. Степень осветления биосуспензии рассчитывали по формуле:

О = (Ш0 - 100 / Wx, %,

где W0 - исходный объем столба суспензии в цилиндре (W0=100 см3); ^ - объем неосветленного столба суспензии в цилиндре в момент времени 1.

Изучен следующий порядок ввода регентов в биосуспензию: «а» - вводится ПА; «б» - по-

следовательно вводили ПА, затем ПАВ (ПА+ПАВ); «в» - вначале добавляли ПАВ, затем ПА (ПАВ+ПА); «г» - вводили сформированный вне системы ПКК.

Для количественной оценки флокулирующего эффекта исследуемых образцов использовали безразмерный параметр й и значения флокулирующей активности А, согласно [7]:

V , . й (V Л 1

D =--------1 и л = _ =

Vo C

C

где V и V0 - скорости седиментации дисперсной фазы соответственно с флокулянтом и без него; С - концентрация ПА.

Результаты и обсуждение

На рис. 1 приведены кинетические зависимости оптической плотности дрожжевой суспензии при различных способах ввода флокулирующих добавок (на примере ПА-6, для всех исследованных ПА полученные зависимости аналогичны). Флокулирующая способность ПА определяется возможностью адсорбционного взаимодействия макромолекул с поверхностью дисперсной фазы. Как было выявлено ранее [5], для флокуляции клеток в присутствии полимеров необходимо установление определенного значения рН (несколько ниже изоэлектрической точки ПА, в которой, как известно [8] суммарный заряд макромолекулы равен нулю), что объясняется появлением на макромолекулах некоторого положительного заряда, и что, соответственно, приводит к увеличению размеров макромолеку-лярных клубков [1]. В то же время при изменении рН среды (вплоть до рН 2-3) отрицательный заряд на поверхности дрожжевых клеток сохраняется [7]. Как известно [8], основными механизмами флокуляции являются образование «мостиков» в результате одновременной адсорбции макромолекул на поверхности нескольких дисперсных частиц, а также нейтрализация поверхностного заряда частиц противоположно заряженными полиэлектролитами. Предполагаем, что агрегация дрожжевой суспензии происходит как вследствие нейтрализации заряда поверхности клеток положительно заряженной макромолекулой, так и за счет связывания отдельных частиц суспензии через «мостики» - молекулы ПА, адсорбированные или химически связанные с поверхностью клеток.

Т>

1,2 1,0

0,8

0

0 20 40 60 *,МИН

Рис. 1 - Кинетические зависимости оптической плотности дрожжевой суспензии от порядка ввода полимерных реагентов при Спа = 0,05 кг/м3 и рН = 2,5^3,0: 1 - контроль (без добавки полимерных реагентов); 2 - ПКК-6 (П=[ПАВ] / [ПА] = 0,1); 3 -ПАВ+ПА-6; 4 - ПА-6; 5 - ПА-6+ПАВ

Введение ПА («а») приводит к тому, что система теряет устойчивость и осаждается, о чем свидетельствует уменьшение оптической плотности биосуспензии (рис. 1, кривая 4). Последующее введение в систему ПАВ (рис. 1, кривая 5), т. е. порядок ввода «б», вызывает образование более компактных и прочных агрегатов вследствие комплексообразования между молекулами ПАВ и адсорбированной на поверхности клеток макромолекулой.

При порядке ввода «в» - ПА вводится в систему уже содержащую ПАВ, и комплек-сообразование происходит в объеме раствора, рис. 1, кривая 3. Косвенным подтверждени-

ем этому может служить тот факт, что в системе сохраняются условия комплексообразо-вания, т. е. рН — 2,5 2,7 и П-[ПАВ] / [ПА] — 0,1 [2]. По-видимому, в данном случае процесс комплексообразования превалирует над процессом адсорбции ПА на поверхности клеток. Формирование ПКК сопровождается сворачиванием макромолекулы, которая в результате преобразуется в сильноуплотненные клубки - глобулы. Результаты вискозиметрического исследования как отмечалось ранее [2] свидетельствуют об уменьшении эффективных размеров макромолекулярных клубков, т. е. происходит снижение способности макромолекул одновременно адсорбироваться на двух или более частицах дисперсной фазы - дрожжевых клетках, что приводит к уменьшению флокулирующей способности ПКК [9].

Рассматривая порядок ввода «г» в подтверждение вышесказанному, наблюдается стабилизирующее действие ПКК при введении в биосуспензию.

Результаты сведены в диаграмму (рис. 2). Анализ диаграммы показал - эффективен порядок ввода «б», менее действенны и сравнимы между собой порядки «а» и «в». ПКК, сформированный вне системы, при введении в биосуспензию действует как стабилизатор («г»).

Рис. 2 - Зависимость степени осветления дрожжевой суспензии от порядка ввода полимерных реагентов при СПА = 0,05 кг/м3 и рН = 2,5^2,7: а - ПА; б - ПА+ПАВ; в -ПАВ+ПА; г - ПКК

На основании полученных экспериментальных данных были рассчитаны характеристики флокулирующего действия полимеров: й - флокулирующий эффект и Л - флоку-лирующая активность в расчете на единицу концентрации полимера, табл. 2. Положительные значения параметров й и Л свидетельствуют о флокуляции под действием вводимой добавки, причем, чем больше их значения, тем более высокой флокулирующей способностью обладает полимерная добавка. Для полимер-коллоидного комплекса й<0 и Л<0, что говорит преимущественно о стабилизации системы.

Состав ПА и природа входящих в него функциональных групп существенным образом влияют на флокуляцию, табл. 2, поскольку наличие и кислотных и основных групп в

полиамфолите обуславливают их воздействие друг на друга, что проявляется в усилении ионогенных свойств компонентов. С изменением плотности ионогенных групп вдоль полимерной цепи изменяется суммарная плотность заряда, и как результат внутри- и межмо-лекулярные взаимодействия, при этом происходят конформационные превращения, согласно полученным нами ранее вискозиметрическим данным [2]. Флокулирующие показатели улучшаются.

Таблица 2 - Флокулирующий эффект и флокулирующая активность полиамфолитов и их полимер-коллоидных комплексов в зависимости от порядка ввода компонентов в систему

ПА а ПА б ПА+ПАВ в ПАВ+ПА И и И П

й Л, м3/кг й Л, м3/кг й Л, м3/кг й Л, м3/кг

ПА-1 2,13 42,6 11,80 236,0 1,75 35,0 -0,24 -4,8

ПА-2 2,50 50,0 13,57 271,4 2,00 40,0 -0,18 -3,6

ПА-3 4,26 85,2 20,35 407,0 1,20 24,0 -0,38 -7,6

ПА-4 3,00 60,0 13,26 265,2 1,94 38,8 -0,17 -3,4

ПА-5 3,57 71,4 15,05 301,0 2,07 41,4 -0,25 -5,0

ПА-6 8,14 162,8 32,00 640,0 4,15 83,0 -1,00 -20,0

Представленные результаты позволяют сделать следующие выводы:

1. на количественном уровне проанализировано влияние порядка ввода на флокулирующие показатели полиамфолитов и полимер-коллоидных комплексов на их основе;

2. флокулирующий эффект для способа «б» - введение ПАВ в систему, содержащую ПА, практически на порядок больше, чем при введении реагентов при способах «а» и «в»;

3. введение в биосуспензию сформированного вне системы ПКК приводит к стабилизации системы.

Работа выполнена по федеральной целевой программе «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007 - 2012 годы» (шифр заявки «2009 - 07 - 5.2 - 00 - 08 - 003»).

Литература

1. Шкоп, Я.Я. Агрегация клеток микроорганизмов в процессе разделения микробных суспензий / Я.Я. Шкоп, Н.В. Фомченко. - М.: ОНТИТЭИ микробиопром, 1981. - 56 с.

2. Курмаева, А.И. Поверхностная активность полиамфолитов и их комплексов с додецилсульфа-том натрия / А.И. Курмаева [и др.] // Бутлеровские сообщения. - 2005. - Т. 6. - № 2. - С.37-39.

3. Потапова, М.В. Параметры адсорбционного слоя синтетических полиамфолитов на границе раздела жидкость - газ / М.В. Потапова [и др.] // Коллоидный журнал. - 1992. - Т. 54. -С.128-131.

4. Курмаева, А.И. Агрегация клеток дрожжевой суспензии под действием полиэлектролитов в различных средах / А.И. Курмаева, Р.И. Юсупова [и др.] // Коллоидный журнал. - 1991. - Т. 53. -№ 5. - С.866-873.

5. Проскурина, В.Е. Кинетика седиментации суспензии охры в присутствии анионного и катионного сополимеров акриламида и их смесей / В.Е. Проскурина, Ф.И. Чуриков, В.А. Мягченков // Химия и Химическая технология. - 2002. - Т. 45. - Вып. 2. - С.26-30.

6. Тенфорд, Ч. Физическая-химия полимеров / Ч. Тенфорд; пер. с англ. -: М.: Химия, 1965. - 565 с.

7. Тажибаева, С.М. Поверхностные свойства дрожжевых клеток / С.М. Тажибаева [и др.] // Кол-лоидый журнал. - 2003. - Т. 65. - № 1. - С.132-135.

8. Мягченков, В.А. Полиакриламидные флокулянты / Мягченков В.А. [и др.]. - Казань: Изд-во Казан. гос. технол. ун-та, 1998. - 288с.

9. Бабак, В.Г. Механизм стерической стабилизации пен и пенных пленок / В.Г. Бабак [и др.] // Коллоидный журнал. - 1997. - Т. 59. - № 2. - С.149-153.

© Р. И. Юсупова - зав. лаб. каф. физической и коллоидной химии КГТУ; М. В. Потапова - канд. хим. наук, доц. той же кафедры; А. И. Курмаева - канд. хим. наук, доц. той же кафедры; В. П. Барабанов - д-р хим. наук, проф. той же кафедры, yusupova@inbox.ru.