Материал: 69.24

5.4.3.2. Діаліз і електродіаліз

Діаліз - процес очищення розчинів високомолекулярних речовин (наприклад, ферментів) від розчинених в них низькомолекулярних речовин за допомогою напівпроникної мембрани.

З одного боку мембрани знаходиться початковий розчин, з іншої – чиста вода. Присутні в розчині низькомолекулярні речовини шляхом дифузії проходять через мембрану і віддаляються разом з водою. Це так званий діаліз проти води. Білки або інші високомолекулярні речовини, молекули яких більше пір мембрани, залишаються в розчині, і, таким чином, їх розчин очищається від низькомолекулярних домішок. Ступінь очищення залежить від співвідношення кількостей води і ліалізуємого розчину, тривалості діалізу і коефіцієнта дифузії. Так, при діалізі ферментного розчину протягом 24 ч і співвідношення розчину і води 1:50 кількість домішок (вуглеводів, амінокислот, зольних елементів і ін.) зменшується в 3,5—4 рази, а активність ферменту на 1 г сухих речовин зростає в 2,7—3,0 разу. Мембрани для діалізу виготовляють з пергаменту, армованого целофану і інших матеріалів.

Швидкість процесу дифузійного перенесення речовин при діалізі невелика. Вона значно вище тоді, коли домішки, що видаляються, заряджені. Для заряджених частинок застосовують електродіаліз. Він полягає в пропусканні постійного електричного струму через діліалізуємий розчин. При цьому позитивно заряджені іони рухаються через одну мембрану до катода, негативні іони —через іншу мембрану до анода. Щоб уникнути зворотної дифузії при електродіалізі використовують селективні мембрани, проникні тільки або для аніонів, або для катіонів. Швидкість електродіалізу визначається в основному силою струму і змінюється в широких межах. Електродіаліз на відміну від звичайного диализа широко застосовують не тільки в лабораторних, але і в промислових умовах, наприклад, для очищення ферментних розчинів після осадження ферментів методом висолювання.

5.4.3.3. Ультрафільтрація

Так називають процес концентрації розчинів високомолекулярних з’єднань (наприклад, ферментів) з одночасним очищенням їх від низькомолекулярних домішок шляхом пропускання розчину через мембрану з порами розміром від 0,01 до 0,1 мкм. На відміну від мікрофільтрації або звичайної фільтрації при ультрафільтрації затримуються окремі молекули розчиненої високомолекулярної речовини; при ультрафільтрації відбувається не розділення фаз, а перерозподіл розчинених в рідкій фазі речовин. Тим часом проблема забивання пор фільтруючого матеріалу, характерна для звичайної фільтрації, має не менше, а можливо, і більше значення.

Важливою характеристикою будь-якої ультрафільтраційної мембрани є її селективність, що визначає ступінь затримання розчиненої речовини.

Селективність мембрани залежить від розмірів і форми молекул розчиненої речовини. Слід мати на увазі, що практично у всіх випадках існують молекули, що затримуються мембраною лише частково.

Для процесу ультрафільтрації характерне явище концентраційної поляризації

— підвищення концентрації розчиненої речовини поблизу поверхні мембрани.

126

Воно пов’язане з тим, що через мембрану проходять в основному молекули розчинника. Внаслідок цього знижується швидкість фільтрації. Для зменшення концентраційної поляризації застосовують хімічні інгібітори, що перешкоджають утворенню поляризаційного шару, або установки фільтрації спеціальної

конструкції, де забезпечується турбулізація потоку або підвищення його швидкості при пропусканні через вузькі канали.

Для ультрафільтрації, як правило, використовують пористі полімерні мембрани на основі полиуретанов, складних ефірів целюлози, поливинилового спирту і ін. Такі мембрани отримують шляхом опромінювання зарядженими частинками полімерної плівки з подальшим її травленням. Для забезпечення механічної міцності в умовах гідравлічного тиску основну тонку мембрану прикріплюють до грубішої підкладки товщиною 125—250 мкм.

На практиці застосовують установки пластинчастого, трубчастого, рулонного типів, а також апарати з мембранами у вигляді порожнистих волокон.

Рис.5.28. Фільтруючі елементи у вигляді порожнистих волокон.

127

Рис.5.29. Загальний вигляд ультрафільтраційної установки.

5.4.3.4. Зворотній осмос

Якщо розчин деякої речовини відокремлений від чистого розчинника напівпроникною перегородкою, то при рівності тиску з обох боків відбувається дифузія чистого розчинника в розчин. Рушійною силою цього процесу є градієнт концентрації, оскільки концентрація розчинника в розчині завжди нижча. Цей процес називають осмосом, а його рушійну силу— осмотичним тиском. Осмотичний тиск чисельно рівний зовнішньому тиску, який необхідно прикласти до розчину, щоб процес дифузії через мембрану припинився (точніше, досяг динамічної рівноваги). Якщо до розчину прикласти тиск вище осмотичного, то дифузія молекул розчинника відбуватиметься в протилежну сторону — з розчину в чистий розчинник. Процес, що супроводжується концентрацією розчину, отримав назву зворотного осмосу.

Процес зворотного осмосу принципово аналогічний ультрафільтрації і відрізняється лише тим, що для нього використовують мембрани з порами меншого розміру (до 0,01 мкм) і вищий тиск (7—8 МПа замість 0,3—1 МПа). За допомогою зворотного осмосу зазвичай концентрують розчини низькомолекулярних речовин, що характеризуються високим осмотичним тиском. Зворотний осмос застосовують також для отримання чистого розчинника (наприклад, в опріснювальних установках).

Устаткування, використовуване для проведення зворотного осмосу, подібно до установок для ультрафільтрації.

5.4.3.5. Осадження

Осадженням називають процес, в якому додавання певних реагентів або зміна физико-хімічних умов викликає випадання розчиненої речовини(частіше за весь білок) в осад. Осадження широко застосовується у ферментній

промисловості. Найчастіше для осадження ферментів використовують нейтральні солі (в цьому випадку процес називаютьвисолюванням) або органічні розчинники, а також методи, засновані на зміні температури або рН розчину, додаванні високомолекулярних полімерів і ін.

5.4.3.6 Висолювання

Відомо, що розчинність білків в розчинах солей нижча, ніж в чистій воді. Залежність розчинності від концентрації солі описується рівнянням

білка і солі (β залежить також від температури і рН); С — концентрація соли, г/л.

Як видно з рівняння, додавання соли до розчину білка призводить до того, що при певній концентрації соли розчинність білка стає нижчим за його концентрацію в розчині, і білок починає випадати в осад. Ступінь осадження білка залежить від його початкової концентрації в розчині, концентрації соли і властивостей системи. На цьому явищі заснований процес висолювання білків.

128

Він пов’язаний з посиленням орієнтації диполів води іонами солей, що приводить до руйнування шару гідрату навколо молекул білка і його коагуляції.

Найчастіше для проведення висолювання використовують сульфат амонію (завдяки його високій розчинності у воді і низькій вартості), рідше — хлорид натрію. Концентрація соли, що додається у ферментний розчин, зазвичай близька до концентрації насичення і для сульфату амонію складає70—75 г на 100 мл розчину, що висолюється. Сіль додають в сухому вигляді, невеликими порціями, при постійному перемішуванні, щоб уникнути утворення локальних зон з підвищеною концентрацією .солиПісля додавання розрахункової кількості соли осад утворюється не-відразу, а протягом деякого часу - від 30 хв до декількох годин.

Різні білки випадають в осад при різних концентраціях соли в розчині, у зв’язку з цим процес висолювання використовують не тільки для виділення ферментів, але і для їх очищення від небажаних домішок. Наприклад, осадження глюкоамилази сульфатом амонія в кількості60% насичення приводить до неповного виділення цільового продукту. Та зате при цьому фермент практично повністю звільняється від супутньої йому глікозилтрансферази, що осідає при концентрації соли 90% насичення.

У осадках, отриманих при висолюванні, міститься від 25 до 80% соли, тому препарати харчового або медичного призначення необхідно піддавати додатко-

рідини етанолу до концентрації 70—72% отримують осад, що містить переважно амілази.

На процес осадження ферментів органічними розчинниками істотно впливає температура. В більшості випадків цей процес проводять при температурі від0 до 5°С; для цього водний розчин ферменту охолоджують до1—2°С, а розчинник – до мінус 10—15°С з урахуванням того, що при змішуванні води із спиртом суміш нагрівається. Підвищення температури приводить до денатурації ба-

гатьох ферментів, оскільки їх термолабильность при додаванні органічних розчинників сильно зростає.

Недолік процесу осадження органічними розчинниками полягає в тому, що вживані реагенти порівняно дорогі, вогненебезпечні і вельми отруйні, тому потрібне виконання відповідних заходів безпеки. Не дивлячись на це, осаджен-

129

ня органічними розчинниками досить широко застосовується у ферментній промисловості.

5.4.4. Сушіння

теплообміну і поверхню висушуваного матеріалу. Перше досягається в основному шляхом створення відповідного аеродинамічного режиму в сушильній установці, друге — подрібненням матеріалу. Можливості підвищення температури сушильного агента, як правило, обмежені термочутливістю препарату.

130