Материал: Модифікування полісульфонових мембран з альфа-амілазою, інкорпорованою в полімерні міцели

Табл.2 Амфіфільні кополімери, що були досліджені для утворення міцел

.2.4 Полімерні міцели, чутливі до факторів навколишнього середовища

Мікросередовище-основний фактор, який впливає на утворення міцел та їх стабільність. Два основні методи міцелізації - це діаліз і випаровування співрозчинника. У першому методі полімер розчиняють у органічному розчиннику ,який потім забирають діалізом з водного буферу. У другому методі полімер розчиняють у суміші органічного та водного розчинників, органічний розчинник потім забирають розпилюючим сушінням або у роторному випарнику. Щоб продемонструвати залежність міцелізації від препараційного методу, були проведені дослідження,які показали, що міцели приготовані цими двома способами мають істотну різницю у розмірах і розподілі як було визначенодинамічним лазерним розсіюванням світла. Міцели, приготовані випаровуванням співрозчинника були менші (приблизно 30 нм) і більш рівномірні за індексом полідисперсності (ПІ), який становив 0,07, в той час як міцели отримані діалізом були більші(приблизно 110нм) і більш дисперсними з ПІ=0,27. Важають, що різниця у розмірах залежить від шляху утворення і може бути результатом змін у темпі досягнення рівноваги . Відмінність у розмірах міцел, яка базується на препараційному методі цікаве питання для дослідження. Дослідження цього питання показало , що навіть малі зміни (температури, зміни молекулярної маси відрізку діалізної мембрани) у препараційному методі мають сильний вплив на розмір міцел [30].

Зміни у умовах розчинення мають відчутний вплив на ККМ та розмір міцел,які формуються. Дослідження утворення полі(молочної-ко-гліколевої кислоти)-полі(етилен гліколевих) міцел проводили у розчинниках різного складу змінюючи тип і концентрацію органічного розчиннику для солюбілізації полімерного ланцюга для даної розчиннико-водної системи.Чотири різні розчинники з різним ступенем змішування з водою -ТГФ(тетра-гідрофуран), ДМФ(диметилформамід),ацетон та ацетонітрил-використовувались у дослідженні. Результати показують основне співвідношення між змішуванням води і розчинника та розміром міцели ,де збільшення змішування призвело до зменшення розмірів міцел. Такі ж результати були отримані при дослідженні впливу вибору розчинника на розмір та дисперсність міцел, сформованих з метокси полі(етилен оксид)-блок-полі-капролактан [31]. Використання ацетону як органічного розчинника веде до утворення міцел з діаметром 87,8±9,4 нм із відносно рівномірним розподілом з індексом полідисперсності =0,11. На відміну від ацетону, при використанні ТГФ у якості органічного розчинника утворені міцели були більшого розміру ,приблизно 109±29 нм і також були більш дисперсними ,їхній індекс полідисперсності становив 0,52. Обидва з вищезазначених прикладів дали прекрасні рекомедації для вибору співрозчинника при міцелізації.

Вплив температури на внутрішньо-міцелярні рухи ланцюга. Наприклад, полі-DL-лактидне ядро полі-(етилен гліколь)-полі-DL-лактидної міцели стало більш мобільним при температурах вище температури склування. Як результат ККМ зростає при більшій температурі, що демонструє залежність впливу температури на термодинамічну стабільність.

Міцелоутворення - вкрай чутливий процес сприйнятливий до впливів багатьох внутрішніх і зовнішніх чинників. Навіть коли формується стабільна міцела ,можуть бути ускладнення при ліофілізації, які виникають, при недостатньому охопленні ПЕГу або інших гідрофільних компонентів[32].

.3 Концентраційна поляризація

.3.1 Модель гель-поляризації

Першою запропонованою моделлю ,яка б пояснювала ефекти концентраційної поляризації при ультрафільтрації(UF),була модель гель-поляризації[33].Основним припущенням цієї моделі було те, що вище певного значення рабочого тиску , швидкість проникненя мембрани обмежує наявність гель-шару, який нанесений на поверхню мембрани ,який збільшує ефективну товщину мембрани і , таким чином, знижує її гідравлічну проникність. Наступним припущенням, яке виконується в традиційній версії цієї моделі, було те, що осмотичні тиски високомолекулярних розчинів завжди незначні. Пізніше, деякі дослідники відзначили, що це припущення не є цілком правильним:концентрація макромолекул може мати значний осмотичний тиск ;насправді , осмотичний тиск може бути того ж порядку , що й робочий(прикладений) тиск ,який використовують при ультрафільтрації.[34].

У 1970 році Майкл та його колеги [35] запропонував перший всебічний аналіз концентраційної поляризації при UF і ввів термін "гель-поляризаця". Якщо припустити, що граничний опір потоку знаходиться в динамічно сформованому вторинному або гель-шарі , можливо розрахувати швидкість водопроникності мембрани (потік) на основі масопереносу мембранно-фіксованих зразків (розведені розчини або колоїдні матеріали) з поверхні мембрани в основний потік [36] (рис.2). Тому що динамічний шар гелю , як передбачається, повинен мати фіксовану концентрацію гелю (С_g), але може вільно змінюватися залежно від товщини або пористості (різної проникості або опору потоку). При такому аналізі, потік розчинника (J_v) не буде залежати від сили ,яка керована тиском або проникності мембрани, оскільки опір гель-шару потоку буде налаштовуватись сам-по-собі, доки конвекційний транспорт розчинником нерозподіленого зразку до поверхні мембрани (J_vC) якраз дорівнює зворотньо-дифузійному транспорту [D(dC/dx)](Рис.2).

Рис.2. Схематичне зображення концентраційної поляризації.

Таким чином, у стабільному стані:

Де D-це коефіцієнт дифузії для транспорту розчиненої речовини у розчиннику, С-концентрація мембранно-фіксованої розчиненої речовини або колоїдного зразку і dC/dx -градієнт концентрації розчиненої речовини.

Модель гель-поляризації [Eq.(1)] може бути змінена, якщо задані граничні умови;концентрація розчиненої речовини блія поверхні мембрани фіксується верхньою границею (насиченням ,С_g ), і об’ємна концентрація потоку відома( C_g ). Тоді,

Дослідження Fluid Management бути спрямовані на зменщення товщини примембранного шару , або , інакше кажучи, у бік збільшення коефіцієнта масопереносу, k, де

Справедливість рівняння (3) була продемонстрована для великої кількості високомолекулярних розчинів і колоїдних зразків. Масопереносо-теплопереносні аналогії добре відомі у хімічній інженерній літературі , зробили можливим оцінку коефіцієнта масопереносу та забезпечення розуміння будови мембрани та умов рідинного потоку ,які можуть бути задані для оптимізації потоку.

1.3.2 Модель осмотичного тиску

Обмеження потоку в моделі осмотичного тиску розглядається як такий, що виникає через збільшений осмотичний протитиск , викликаний високою концентрацією розчиненої речовини у білямембранному просторі.[37].Одна з моделей осмотичного тиску це модель Spiegler-Kedem та розчинно-дифузійна модель .Робочі рівняння цієї моделі [38]

Де

та

де R справжнє відхилення(rejection) Δp падіння тиску при проходженні через мембрану , Δπ-падіння осмотичного тиску при проходженні через мембрану , σ-коефіцієнт відбиття, який зображує відхиляючу здатність мембрани ,(тобто якщо σ=0 , це означає ,що немає відхилення і якщо σ=1-це означає 100% відхилення ) і P_m -загальний коефіцієнт проникнення. Комбінуючи рівняння (5) та (8) з теоретичною моделлю [рівняння (2)] дають

де α₁=σ/(1-σ). Використовуючи нелінійний метод оцінки параметрів та експериментальні дані спостереженого відхилення (R₀) і потік розчинника (J_v ) взяті при певному тиску , шидкості подачі і концентрації, параметри мембрани σ та Р_м , і k можна вирахувати разом.

.3.3 Коефіцієнт масопереносу

Більшість моделей, які використовуються для характеристики зворотнього осмосу та ультрафільтрації мембран , такі як осмотично-тискова модель трьох параметрів (Spiegler-Kedem модель) та модель (гель) концентраційної поляризації, використовують коефіцієнт масопереносу для того, щоб підрахувати концентрацію біля мембранної стінки , С_w .

Це співвідношення емпіричнобазоване по Chilton-Colburn аналогії [39,40].

де S_h -число Шервуда , d_n-гідравлічний діаметр каналу потоку, А₁ до А₃-емпіричні константи , R_e -число Рейнольдса і S_c -число Шмідта . Основане на Chilton-Colburn та Deissler аналогії , рівняння (10) можна комбінувати з рівнянням film theory (тобто,гель-шару) [рівняння (3)], щоб отримати

Дозволяє підрахувати C_w , коли k-відомий.

Вищевказані співвідношення запозичені з рівнянь для непористого гладкого канального потоку . Їхнє застосування у випадку мембранних операції було критиковане багатьма авторами оскільки ні пористість ,ні дифузійність через концентраційну поляризацію не беруться до уваги . and Hallstrom [41] оприлюднили чудий огляд по адаптації існуючого рівняння Шервуда до мембранний операцій під турбулентним канальним потоком. Їхня робота включала обговорення факторів , які впливають на масоперенос під час зворотнього осмосу або ультрафільтрації , таких як пористість і жорсткість мембранної стінки та зміна коефіцієнта в’язкості та дифузії через сильний концентраційний градієнт. Вони відзначили, що багато з рівнянь представлених в літературі за багатьох умов та типів рідин у турбулентній області мають асимптотичну форму (R_e >10,000 та S_c >100)

де m=1 або ½ . Залежність числа Шервуда від фактору тертя (f) являється функцією від типу експерименту і постановляє, що формула Бласіуса , яка співвідносить f з R_e , є в основному більш прийнятною. Як-не-як , у випадку мембранних операцій керованих тиском , виявлено ,що f залежить від пористості та жорсткості стінки , та від потоку пермеату. Проміжок 2,300<R_e <10,000 не є чистим , і нема простого рівняння Шервуда для цього проміжку.

Проблема оцінки коефіцієнту масопереносу ,k, при зворотньому осмосі є дуже важливою. Було винайдено безліч методів, та використання прямих вимірювань, використовуючи оптичні та мікро-електродні методи , непрямих вимірювань, у яких дійсне відхилення підраховується екстраполяцією нескінченної кривої циркуляції, а також непрямі вимірювання , в яких модель концентраційної поляризації комбінована з моделлю мембранного транспорту використовується для підрахунку коефіцієнту масопереносу [33].

РОЗДІЛ 2. ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНА ЧАСТИНА

.1 Об’єкти та матеріали дослідження

В роботі були використані промислові полісульфонові мембрани UF-PES-030H (Mіcrodyn Nadir, Німеччина) з cut of 30 000 Да.

Рис. 2.1. Структурна формула полісульфону

Для модифікування мембрани використовували :

-        Synperonic F 108 - поліетиленгліколь-блок-поліпропіленгліколь-блок- поліетиленгліколь (б-ПЕГ-б-ППГ-б-ПЕГ), молекулярна маса якого 2250 (Fluka, Франція):

Рис. 2.2. структурна формула поліетиленгліколь-блок-поліпропіленгліколь-блок- полі етиленгліколю

-        як модельний фермент використовували α-амілазу з Bacillus subtilis (Fluka, Швейцарія).

Даний фермент бере участь в гідролізі α-зв’язків полісахаридів, таких як крохмаль і глікоген, що в результаті перетворюються на глюкозу і мальтозу. α-амілаза - це основна форма даного типу ферментів, знайдена в людському організмі та в організмах інших ссавців, в яких її секреція відбувається за рахунок роботи слинних залоз та підшлункової залози. Вона також міститься в зернах крохмалю та синтезується декількома видами грибів.

Рис. 2.3. Модель структури α-амілази

Для перевірки активності α-амілази використовували:

-        крохмаль водорозчинний (Міранда, Україна);

-        KI (Міранда, Україна);

-        I₂ (Міранда, Україна).

Для визначення ККМ ПАР використовували барвник Судан ІІІ (Sigma-Aldrich, США).

Рис. 2.4. Структурна формула Судану ІІІ

.2 Прилади та обладнання

         аналітичні терези лабораторні 2 класу моделі ВЛР-200 г (100 мг - 900 мг);

         ваги електронні AD-200 (AXIS, Польща);

         магнітна мішалка IKA ® C-MAG HS 7;

         рН-метр-мілівольтметр рН-150МА;

-         спектрофотометр UV-1200 (LAB instech);

-        термостат Incucell (BMT, Чехія);

-        ультрафільтраційна комірка непроточного типу Amicon 8050 (Milipore, США).

.3 Методики модифікації мембран та дослідження їхніх транспортних та каталітичних властивостей

мембрана випромінювання модифікація каталітичний

2.3.1 Методика визначення критичної концентрації міцелоутворення поверхнево-активних речовин

Критичну концентрацію міцелоутворення (ККМ) блок-кополімеру визначали фотометричним методом

Для цього готували серію розчинів поліетиленгліколю-блок-поліпропіленгліколь-блок-поліетиленгліколь з концентраціями від 4·10^-3 до 4·10^-2 %. До одержаних розчинів додавали барвник Судан-ІІІ, після чого струшували протягом доби. Після солюбілізації барвника розчини відфільтровували та вимірювали значення оптичної густини при 540 нм. ККМ розраховували з графіку залежності опичної густини від концентрації розчину.

.3.2 Методика модифікування полісульфонових мембран полімерними міцелами

Для модифікації використовували промислові мембрани з полісульфону Microdyn-Nadir UF-PES-030H. Готували розчин 0,1% ПАР з 1мг/мл -α-амілази.

Розчин залишали струшуватись протягом доби для вбудовування ферменту в структуру міцели. Іммобілізацію міцел проводили адсорбцією з розчинів протягом 30 хв. Модифіковані мембрани відмивали у дистильованій воді протягом 20 діб.

.3.3 Методика пришивання полімерних міцел до полісульфонових мембран

Прищеплення полімерних міцел з ферментом до поверхні мембран здійснювали за допомогою УФ-опромінення при довжині хвилі 254 нм в комірці для УФ-ініційованого прищеплення (рис. 2.5). Час опромінювання варіювали у межах від 1 до 5 хв.

Рис. 2.5. Комірка для УФ-ініційованого прищеплення: 1 - балон із аргоном, 2 - мембрана, 3 - кварцова комірка, 4 - джерело УФ-опромінення.

.3.4 Визначення транспортних характеристик мембран

Для визначення розділювальних характеристик мембран (проникності та розділювальної здатності) використовували стандартну циліндричну комірку непроточного типу Amicon 8050, (виробництво Millipore, США). Всі елементи комірки, що контактують з розчинами, виготовлені з некородуючих матеріалів. Схематично установка непроточного типу представлена на рис. 2.6.

Рис. 2.6. Схема ультрафільтраційної установки непроточного типу: 1 - балон зі стиснутим азотом; 2 - газовий редуктор; 3 - манометри; 4 - розподілювач газу; 5 - мембранна комірка; 6 - мембрана; 7 - індикатор швидкості обертання пристрою для перемішування (строботахометр); 8 - збірник фільтрату; 9 - магнітна мішалка; 10 - манометр.

Внутрішній об‘єм комірки складав 50 мл, площа робочої поверхні мембрани - 13,4·10^-4 м², робочий тиск від 50 до 350 кПа. Для зниження впливу концентраційної поляризації на процеси розділення комірка обладнана магнітною мішалкою. Швидкість обертання мішалки складала 200±10 об/хв. Досліди з ультрафільтрації проводили при 293±2 К. Робочий тиск у комірці задавали за допомогою стисненого азоту.