СПОСОБ ВЫДЕЛЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНОЙ КОМПОНЕНТЫ ИЗ ЖИДКОЙ ГЕТЕРОГЕННОЙ СРЕДЫ
METHOD OF SEPARATING SURFACE COMPONENT FROM FLUID HETEROGENEOUS MEDIUM

Изобретение предназначено для использования в биотехнологии, в частности для выделения поверхностной компоненты из жидкой гетерогенной биотехнологической среды, например из бражки, этилового, бутилового или других спиртов и некоторых других органических соединений, с целью обеспечения возможности реализации непрерывного технологического процесса за счет непрерывного, не нарушающего процесса биосинтеза, отбора синтезируемого микроорганизмами полезного метаболита, например, этилового, метилового, бутилового спиртов и других органических соединений, из среды культивирования микроорганизмов; предотвращения подавления активности биосинтезирующих микроорганизмов продуктами биосинтеза; снижения энергопотребления, необходимого для выделения полезных метаболитов из гетерогенных сред.
Известен способ выделения летучих метаболитов из биотехнологической среды отгонкой под вакуумом в процессе процесса биосинтеза [1]. Однако способ малопригоден для отделения метаболитов, обладающих пониженным давлением насыщающих паров, или в случае низкой концентрации метаболитов в биотехнологической среде. Кроме того, энергоемкость процесса велика, так как определяется энергией, необходимой для разрыва всех межмолекулярных связей.
Для достижения поставленной цели предлагается разделение проводить с использованием процесса формирования аэрозолей из поверхностного слоя жидкой биотехнологической среды, обогащенного поверхностной компонентой среды за счет известного эффекта поверхностной сорбции [2].
Обогащенные выделяемым веществом аэрозоли получают с помощью ультразвуковых генераторов аэрозолей, представляющих собой, например, вогнутые излучатели ультразвука, излучающие акустическую энергию из объема жидкости и фокусирующие ее вблизи поверхности раздела фаз жидкость - газ. Размеры капель аэрозоля определяются рабочей частотой распылителя и коэффициентом поверхностного натяжения жидкости и, как правило, лежат в пределах от 1 до 50 микрометров [3]. Температура разделяемых жидкостей при этом практически не повышается и содержащиеся в них компоненты не испытывают нежелательных превращений, в том числе и за счет действия ультразвука с невысокой средней интенсивностью [4].
Известные способы выделения, например, спиртов из гетерогенной биотехнологической среды включают дистилляцию - перегонку через паровую фазу [5], разделение на мембранах [6, 7], сепарацию с помощью сорбентов [8], вымораживание [9]. Все технологии, основанные на перечисленных методах, обладают рядом недостатков: высокой энергоемкостью, например, либо необходимостью относительно частой замены или восстановления исходных свойств функциональных элементов.
Наиболее близким способом того же назначения к заявляемому изобретению по совокупности существенных признаков является способ перегонки жидкой среды через паровую фазу с последующим разделением при конденсации [5].
Настоящее изобретение направлено на:
- снижение энергопотребления при реализации процесса выделения требуемой компоненты из жидкой гетерогенной среды,
- исключение температурного воздействия, в ряде случаев катастрофически изменяющих свойства компонентов биотехнологической среды,
- обеспечение условий непрерывной сепарации полезного метаболита в процессе его биосинтеза, что позволяет предотвратить снижение активности микроорганизмов,
- исключение необходимости регенерации фильтров, сорбентов и других функциональных элементов.
Указанный результат достигается тем, что
- ультразвуковые аэрозоли образуются из поверхностных слоев жидкой среды, обогащенной за счет явления поверхностной сорбции,
- их образование не требует затраты энергии на разрыв всех связей между молекулами жидкости, как при перегонке через паровую фазу. Энергия затрачивается лишь на разрыв значительно меньшего числа межмолекулярных связей при формировании капель тумана,
- не требует повышения температуры до значений, обеспечивающих кипение жидкости, и не приводит к изменениям ее составляющих, в частности не оказывает инактивирующего воздействия на микроорганизмы,
- не требует периодической замены или восстановления функциональных элементов - мембран, сорбентов и др., что позволяет обеспечить полную непрерывность процесса.
Таким образом, совокупность отличительных признаков описываемого способа обеспечивает достижение указанного результата.
В результате проведенного анализа уровня техники выделения требуемого компонента из биотехнологических сред источник, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного изобретения, не обнаружен, следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "новизна".
Дополнительный поиск известных решений показал, что заявленное изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку предложенный способ обладает комплексом свойств, обеспечивающих снижение энергопотребления при реализации процесса выделения требуемой компоненты из жидкой гетерогенной среды, исключает температурное воздействие, в ряде случаев катастрофически изменяющих свойства биотехнологической среды, обеспечивает условия непрерывной сепарации полезного метаболита в процессе его биосинтеза, что позволяет предотвратить снижение активности микроорганизмов, отсутствует необходимость периодической регенерации функциональных элементов (фильтров, мембран, сорбентов). Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "изобретательский уровень".
Сведения, подтверждающие возможность реализации изобретения с получением вышеуказанного технического результата
Проверку возможности реализации изобретения проводили на установке для получения ультразвуковых аэрозолей, обеспечивающей фокусирование акустической энергии излучателя на поверхность раздела модельных образцов жидкости и воздуха и образование аэрозоля из поверхностного слоя жидкости, обогащенного поверхностной компонентой за счет явления поверхностной сорбции.
Модельные образцы жидкости готовили, смешивая, например, этиловый и/или бутиловый спирты, и/или сахар, и/или глицерин, и/или хлористый натрий с водой в различных соотношениях.
Образовавшийся аэрозоль улавливали в аппарате с жидкостным затвором, образованном из того же сконденсированного аэрозоля.
Содержание исследуемых веществ, концентрируемых с помощью предлагаемого изобретения, определяли общепринятыми методами, например, газовой хроматографии, рефрактометрии, поляриметрии и др.
Эффективность метода в зависимости от условий его реализации оценивали по соотношению содержания концентрируемого вещества в единице объема исходной модельной жидкости с содержанием того же вещества в жидкости, полученной конденсацией ультразвукового аэрозоля.
Сущность изобретение иллюстрируется следующими примерами.
Пример 1
Водный раствор этилового спирта с концентрацией 5% подвергают со стороны жидкой фазы действию фокусированного на раздел фаз жидкость - газ ультразвука, с интенсивностью в фокальной области, достаточной для трансформации жидкости в аэрозоль. Полученный аэрозоль для его обратной трансформации в жидкость отводят потоком воздуха в ловушку с гидрозатвором. Соотношение концентраций этилового спирта, измеренных рефрактометрическим методом в исходной и полученной после обратной трансформации жидкости, оказалось равным 1,36.
Пример 2
Водный раствор этилового спирта с концентрацией 10% подвергают со стороны жидкой фазы действию фокусированного на раздел фаз жидкость - газ ультразвука, с интенсивностью в фокальной области, достаточной для трансформации жидкости в аэрозоль. Полученный аэрозоль для его обратной трансформации в жидкость отводят потоком воздуха в ловушку с гидрозатвором. Соотношение концентраций этилового спирта, измеренных рефрактометрическим методом в исходной и полученной после обратной трансформации жидкости, оказалось равным 1,4.
Пример 3
Водный раствор этилового спирта с концентрацией 35% подвергают со стороны жидкой фазы действию фокусированного на раздел фаз жидкость - газ ультразвука, с интенсивностью в фокальной области, достаточной для трансформации жидкости в аэрозоль. Полученный аэрозоль для его обратной трансформации в жидкость отводят потоком воздуха в ловушку с гидрозатвором. Соотношение концентраций этилового спирта, измеренных рефрактометрическим методом в исходной и полученной после обратной трансформации жидкости, оказалось равным 1,26.
Пример 4
Водно-солевой раствор этилового спирта с концентрацией спирта 10% и хлористого натрия 0,08% подвергают со стороны жидкой фазы действию фокусированного на раздел фаз жидкость - газ ультразвука, с интенсивностью в фокальной области, достаточной для трансформации жидкости в аэрозоль. Полученный аэрозоль для его обратной трансформации в жидкость отводят потоком воздуха в ловушку с гидрозатвором. Соотношение концентраций этилового спирта, измеренных рефрактометрическим методом в исходной и полученной после обратной трансформации жидкости, оказалось равным 1,8.
Пример 5
Водно-солевой раствор этилового спирта с концентрацией спирта 10% и хлористого натрия 0,2% подвергают со стороны жидкой фазы действию фокусированного на раздел фаз жидкость - газ ультразвука, с интенсивностью в фокальной области, достаточной для трансформации жидкости в аэрозоль. Полученный аэрозоль для его обратной трансформации в жидкость отводят потоком воздуха в ловушку с гидрозатвором. Соотношение концентраций этилового спирта, измеренных рефрактометрическим методом в исходной и полученной после обратной трансформации жидкости, оказалось равным 1,6.
Пример 6
Водно-солевой раствор этилового спирта с концентрацией спирта 10% и хлористого натрия 1% подвергают со стороны жидкой фазы действию фокусированного на раздел фаз жидкость - газ ультразвука, с интенсивностью в фокальной области, достаточной для трансформации жидкости в аэрозоль. Полученный аэрозоль для его обратной трансформации в жидкость отводят потоком воздуха в ловушку с гидрозатвором. Соотношение концентраций этилового спирта, измеренных рефрактометрическим методом в исходной и полученной после обратной трансформации жидкости, оказалось равным 1,3.
Пример 7
Водно-солевой раствор этилового спирта с концентрацией спирта 10% и хлористого натрия 7% подвергают со стороны жидкой фазы действию фокусированного на раздел фаз жидкость - газ ультразвука, с интенсивностью в фокальной области, достаточной для трансформации жидкости в аэрозоль. Полученный аэрозоль для его обратной трансформации в жидкость отводят потоком воздуха в ловушку с гидрозатвором. Соотношение концентраций этилового спирта, измеренных рефрактометрическим методом в исходной и полученной после обратной трансформации жидкости, оказалось равным 1,06.
Пример 8
Водный раствор н-бутилового спирта с концентрацией 0,5% подвергают со стороны жидкой фазы действию фокусированного на раздел фаз жидкость - газ ультразвука, с интенсивностью в фокальной области, достаточной для трансформации жидкости в аэрозоль. Полученный аэрозоль для его обратной трансформации в жидкость отводят потоком воздуха в ловушку с гидрозатвором. Соотношение концентраций н-бутилового спирта, измеренных рефрактометрическим методом в исходной и полученной после обратной трансформации жидкости, оказалось равным 3,2.
Пример 9
Водный раствор н-бутилового спирта с концентрацией 1% подвергают со стороны жидкой фазы действию фокусированного на раздел фаз жидкость - газ ультразвука, с интенсивностью в фокальной области, достаточной для трансформации жидкости в аэрозоль. Полученный аэрозоль для его обратной трансформации в жидкость отводят потоком воздуха в ловушку с гидрозатвором. Соотношение концентраций н-бутилового спирта, измеренных рефрактометрическим методом в исходной и полученной после обратной трансформации жидкости, оказалось равным 2,0.
Пример 10
Водный раствор н-бутилового спирта с концентрацией 2% подвергают со стороны жидкой фазы действию фокусированного на раздел фаз жидкость - газ ультразвука, с интенсивностью в фокальной области, достаточной для трансформации жидкости в аэрозоль. Полученный аэрозоль для его обратной трансформации в жидкость отводят потоком воздуха в ловушку с гидрозатвором. Соотношение концентраций н-бутилового спирта, измеренных рефрактометрическим методом в исходной и полученной после обратной трансформации жидкости, оказалось равным 1,8.
Состав среды: Вода +
Содержание в исходном растворе
Содержание в полученном растворе
Соотношение исходной и полученной концентраций
Этиловый спирт
5%
6,8
1,36
Этиловый спирт
10%
6,8
1,4
Этиловый спирт
25%
6,8
1,26
Этиловый спирт Хлористый натрий
10%0,08%
16%
1,6
Этиловый спиртХлористый натрий
10%0,2%
18%
1,8
Этиловый спиртХлористый натрий
10%1%
13%
1,3
Этиловый спиртХлористый натрий
10%7%
10,5%
1,05
Н-бутиловый спирт
0,5%
1,6%
3,2
Н-бутиловый спирт
1%
2,1%
2,1
Н-бутиловый спирт
2%
3,6%
1,8
Приведенные примеры иллюстрируют, что трансформация обогащенного поверхностной компонентой поверхностного слоя жидкой среды в аэрозоль и его последующая конденсация в жидкость приводят к повышению содержания в ней выделяемой компоненты. При этом эффект наиболее выражен при низких концентрациях выделяемой компоненты из исходной среды, что объясняется быстрым насыщением поверхностного слоя исходной среды, например, молекулами поверхностно-активного вещества и его практически постоянной концентрацией после завершения процесса насыщения. Таким образом, изложенные выше сведения свидетельствуют о том, что заявленное изобретение, предназначенное для использования в биотехнологии, в частности для выделения поверхностной компоненты из жидкой гетерогенной биотехнологической среды, обладает заявленными выше свойствами. Для заявленного способа в том виде, как он охарактеризован в изложенной формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке средств и методов. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "промышленная применимость".
Литература
1. Ежков А.А., Арсеньев Д.В., Кузмичев А.В. Вакуумные технологии в производстве топливного этанола. Экономические аспекты // Производство спирта и ликероводочных изделий. - 2006. - №4. - С.32-33.
2. Шелудко А. «Коллоидная химия». Перевод с англ. под ред. Б.Д.Дерягина и С.С.Воюцкого. Москва. Издатинлит, 1960 г. с.299-307.
3. «Ультразвук» Маленькая энциклопедия. Главн. редак. И.П.Голямина. Изд.«Советская энциклопедия» Москва - 1989 г. 399 стр.
4. Акопян В.Б., Ершов Ю.А. Основы взаимодействия ультразвука с «биологическими объектами» (ультразвук в медицине, ветеринарии и экспериментальной биологии). - М., Изд-во РГТУ им. Н.Э.Баумана, 2005, 300 с.
5. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии, 8 изд., М., 1971.
6. Хванг С.-Т., Каммермайер К. Мембранные процессы разделения. - М.: Химия, 1981.
7. Шапошник В.А. Мембранная электрохимия // Соросовский Образовательный Журнал. 1999. №2. С.71-77.
8. Zolotov Yu.A., Kuz'min N.M. Preconcentraion in Inorganic Analysis. Amsterdam: Elsevier, 1990.
9. Пап Л., Концентрирование вымораживанием, М., 1982.