Мембраны и мембранные технологии, 2022, T. 12, № 2, стр. 145-150

ВВЕДЕНИЕ

Одним из способов получения незаменимой α-амино-β-фенилпропионовой кислоты (фенилаланина) является микробиологический синтез, в ходе которого получают целевой продукт с примесями углеводов и неорганических солей [1, 2]. Эффективное отделение широко используемого в пищевой и фармацевтической промышленности фенилаланина от остатков сахаров, а также минеральных примесей может быть осуществлено электромембранными методами.

Электродиализ с ионообменными мембранами является перспективным методом извлечения амфолитов из жидких сред. В связи с этим в работах ряда исследователей изучаются характеристики электромембранных систем, работающих с растворами неорганических и органических амфолитов [3–7], важные представители которых – ароматические аминокислоты. Опубликованы работы, развивающие теоретические и практические основы процессов их выделения при электродиализе и диализе с ионообменными мембранами [8–10]. Способы извлечения и концентрирования аминокислот, способных к перезарядке при изменении рН, разрабатываются в электромембранных системах с биполярными мембранами [11–14].

В литературе представлены исследования возможности разделения аминокислоты, минеральной соли и углевода методом электродиализа, предложено проведение процесса деминерализации раствора нейтральной алифатической аминокислоты и глюкозы в электродиализной ячейке с чередующимися катионо- и анионообменными мембранами с последующим разделением углевода и аминокислоты электродиализом с биполярными и монополярными мембранами [15–18]. Целью настоящего исследования является установление особенностей массопереноса компонентов модельного раствора заключительной стадии микробиологического синтеза фенилаланина в электромембранных системах с монополярными катионо- и анионообменными мембранами, а также с анионообменными и биполярными мембранами.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

В данной работе рассмотрено последовательное проведение электродиализа с монополярными мембранами и инертными спейсерами в межмембранном пространстве с целью деминерализации раствора фенилаланин–сахароза–минеральная соль, а затем электродиализа с биполярной и анионообменной мембраной для разделения ароматической аминокислоты и углевода.

Для изучения процесса деминерализации трехкомпонентного модельного раствора, содержащего фенилаланин (Phe), сахарозу (Suc) и хлорид натрия, использован семисекционный электродиализный аппарат с чередующимися гетерогенными анионообменными и катионообменными мембранами. Количество секций аппарата обусловлено использованием методики “несимметричной концентрационной поляризации” [19]. В камеру деионизации 4 толщиной 10 мм помещался монодисперсный гранульный полипропилен пищевого класса в качестве инертного спейсера (рис. 1 а). Разделение Phe и Suc проводили в аналогичном аппарате с использованием элементарной ячейки с биполярной и анионообменной мембранами, причем анионообменный слой биполярной мембраны был обращен в секцию деионизации (рис. 1 б).

Рис. 1.

Схема лабораторной электродиализной ячейки: а) с инертным спейсером; б) с биполярной мембраной: А – анионообменная мембрана, К – катионообменная мембрана, ⚪ – полипропиленовые гранулы, БМ – биполярная ионообменная мембрана.

Высота канала обессоливания – 20 см. Рабочая площадь мембраны равна 20 см². Линейная скорость течения жидкости составила 0.04 см · c^–1. Эксперименты проводились в гальваностатическом режиме. Особенности массопереноса компонентов через ионообменные мембраны в ходе электродиализа рассмотрены при использовании значений плотности тока до 9 мА · см^–2.

В модельных растворах концентрация Phe составляла 0.02 М, NaCl – 0.01 М, а для Suc варьировалась от 0.02 М до 0.50 М. Значение рН всех подаваемых смесей было близко к изоэлектрической точке фенилаланина (pI = 5.91) и составляло от 5.7 до 6.4.

В исследовании использованы гетерогенные сильнокислотные сульфокатионитовые мембраны марки МК-40 и сильноосновные анионообменные мембраны МА-41 с функциональными группами четвертичного аммониевого основания. Для разделения двухкомпонентного раствора выбрана гетерогенная биполярная мембрана МБ-2, анионообменный и катионообменный слои которой идентичны используемым в работе анионообменной и катионообменной мембранам, соответственно. Все мембраны, применяемые в работе, произведены ООО “ИП “Щекиноазот” и являются серийно выпускаемыми. Для количественного определения фенилаланина применен метод УФ-спектроскопии [20]. Анализ ионов натрия осуществлен методом эмиссионной фотометрии пламени [21]. Определение содержания сахарозы фотометрическим методом [22] основано на окислении сахарозы в кислой среде дихроматом калия до СО₂.

Расчет потоков компонентов проводили по следующей формуле:

С – молярная концентрация, моль · дм^–3;

V – объем пробы, дм³;

τ – время отбора пробы, с;

S – рабочая площадь ионообменной мембраны, см².

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

При деминерализации трехкомпонентного раствора с использованием электродиализа со спейсерами рассмотрен транспорт ароматической аминокислоты, сахарозы и неорганических ионов через ионообменные мембраны в зависимости от плотности тока.

Использование инертных спейсеров при электродиализе приводит к уменьшению лимитирования при массопереносе стадии подвода переносчиков тока из объема раствора к поверхности мембраны. На зависимостях потоков аминокислоты от плотности тока не обнаруживается явного участка действия барьерного эффекта, отчетливо наблюдаемого в ячейках с гладкими каналами [23]. С ростом плотности тока наблюдается монотонное возрастание потоков фенилаланина через катионообменную и анионообменную мембраны. Транспорт фенилаланина через мембрану МА-41 больше, чем через МК-40 в интенсивном токовом режиме при всех рассматриваемых концентрациях Suc в растворе. При увеличении концентрации Suc в 5 раз в исходном растворе наблюдается снижение потоков Phe (рис. 2а) как через мембрану МА-41, так и через МК-40.

Рис. 2.

Зависимости потоков Phe через ионообменные мембраны от плотности тока при электродиализе с инертным спейсером (а) и с биполярной мембраной (б) для растворов: а) 1, 3 – Phe (0.02 М) + Suc (0.02 M) + NaCl (0.01 М); 2, 4 – Phe (0.02 М) + Suc (0.1 M) + NaCl (0.01 М); 1, 2 – мембрана МА-41; 3, 4 – мембрана МК-40; б) 1 – Phe (0.02 М), 2 – Phe (0.02 М) + Suc (0.02 M), 3 – Phe (0.02 М) + Suc (0.1 M), 4 – Phe (0.02М) + Suc (0.5M), 1–4 – потоки через мембрану МА-41.

Разделение в двухкомпонентной системе аминокислота–дисахарид осуществлено за счет сопряженного транспорта Phe с гидроксильными ионами (продуктами диссоциации воды на внутренней межфазной границе биполярной мембраны) через мембрану МА-41 при электродиализе с биполярными мембранами (рис. 2б). Выявлено, что с увеличением концентрации Suc в модельном растворе величины потоков Phe через мембрану МА-41 изменяются в ряду:

J_{Phe (0.02 М) + Suc (0.02 М)} > J_{Phe (0.02 М) + Suc (0.1 М)} > > J_{Phe (0.02 М) + Suc (0.5 М)}.

Экспоненциальная зависимость потоков аминокислоты от плотности тока при электродиализе с биполярной мембраной для индивидуального и для смешанных растворов с Suc является следствием поступления в раствор секции деионизации гидроксильных ионов, генерируемых биполярной мембраной. Значение pH раствора смещается в щелочную область, что приводит к образованию анионов фенилаланина, переносимых через анионообменную мембрану. При этом для смешанных растворов аминокислоты и Suc фиксируется рост угла наклона зависимости при большем значении плотности тока.

Снижение потоков фенилаланина через ионообменные мембраны в присутствии сахарозы и при увеличении ее концентрации в исходном растворе как при электродиализе со спейсерами, так и при использовании биполярной мембраны свидетельствует о наличии пространственных затруднений в осуществлении массопереноса аминокислоты, а также конкурентного транспорта данных компонентов.

Выявлено, что потоки сахарозы через мембраны МА-41 и МК-40 имеют диффузионную составляющую как на этапе деминерализации трехкомпонентного раствора (рис. 3а, 4а), так и при отделении аминокислоты от Suc в процессе электродиализа с биполярными мембранам (рис. 3б).

Рис. 3.

Зависимости потоков Suc через мембраны от плотности тока: а) ячейка с чередующимися монополярными мембранами: 1, 2 – мембрана МК-40; 3, 4 – мембрана МА-41; подаваемые растворы: 1, 3 – Phe (0.02 M) + NaCl (0.01 M) + + Suc (0.02 M); 2, 4 – Phe (0.02 M) + NaCl (0.01 M) + Suc (0.1 M); б) ячейка с биполярной мембраной: 1–3 – мембрана МА-41; подаваемые растворы: 1 – Phe (0.02 М) + Suc (0.02 M), 2 – Phe (0.02 М) + Suc (0.1 M), 3 – Phe (0.02 М) + Suc (0.5 M).

Сравнительный анализ зависимостей потоков рассматриваемого дисахарида от плотности тока при электродиализе трехкомпонентного раствора методом электродиализа с монополярными мембранами (рис. 3а) показал, что при использовании модельного раствора с большей концентрацией сахарозы, ее потоки через катионообменную и анионообменную мембрану достигают больших значений. Увеличение количественного содержания сахарозы в подаваемом растворе приводит к изменению градиента концентрации, что сопровождается ростом потоков данного компонента. Это может быть косвенным свидетельством наличия в массопереносе сахарозы диффузионной составляющей. При этом фиксируется незначимое изменение угла наклона при величинах плотности тока до 1 мА · см^–2, при которых относительный вклад диффузии более существенен.

Однако в интенсивном токовом режиме наблюдается рост угла наклона кривой, что может быть связано с увеличением вклада электромиграционной и электроосмотической составляющих массопереноса (транспорта дисахарида в виде анионов и за счет потока в гидратной оболочке анионов, соответственно). Сахароза является слабым электролитом, имеющим константу кислотной диссоциации порядка 10^–13 [24].

Отмечено, что при деминерализации трехкомпонентного раствора величины потоков сахарозы через мембрану МК-40 достигают больших значений, чем через мембрану МА-41. При этом обнаруживается некоторое снижение потоков данного слабого электролита через ионообменные мембраны из трехкомпонентного раствора в сравнении с двухкомпонентным (рис. 4а).

Рис. 4.

Зависимости потоков Suc (а) и ионов натрия (б) через мембраны от плотности тока при электродиализе трехкомпонентных растворов: а) 1, 4 – мембрана МК-40; 2, 3 – мембрана МА-41; подаваемые растворы: 1, 2 – Phe (0.02 M) + + NaCl (0.01 M) + Suc (0.02 M); 3, 4 – Phe (0.02 M) + Suc (0.02 M); б) мембрана МК-40; подаваемые растворы: 1 – Phe (0.02 M) + NaCl (0.01 M) + Suc (0.1 M), 2 – Phe (0.02 M) + NaCl (0.01 M) + Suc (0.02 M).

В работе рассмотрено влияние углевода на массоперенос катионов минеральной соли при деминерализации трехкомпонентного раствора методом электродиализа с инертным спейсером. Отмечено, что потоки катионов натрия через мембрану МК-40 достигают меньших значений при использовании большей концентрации Suc в исходном растворе (рис. 4б).

Снижение потоков ионов минеральной соли и сахарозы через ионообменные мембраны при их совместном присутствии в подаваемом растворе свидетельствует о взаимном влиянии данных компонентов в процессе массопереноса.

В настоящей работе проведена оценка эффективности процесса деминерализации по количественным характеристикам – степени обессоливания (α), потерям аминокислоты (L_phe) и сахарозы (L_suc) при плотности тока (i) 7 мА · см^–2 (табл. 1).

Сравнительный анализ рассчитанных параметров количественного разделения показал увеличение потерь Suc при использовании данного компонента в большей концентрации как в двухкомпонентном растворе, так и в растворе, содержащем минеральную соль. Отмечено, что потери Suc на этапе деминерализации достигают больших значений за счет транспорта через мембрану МК-40 по сравнению с МА-41.

С целью подтверждения возможности увеличения эффективности разделения сахарозы и фенилаланина методом электродиализа с биполярным мембранными процесс проведен в две ступени (табл. 2). Степень извлечения аминокислоты за два цикла для системы Phe (0.02 М) + Suc (0.02 М) при i = 7 мА · см^–2 составила 73.2%, потери сахарозы достигли значения 4.70%. Таким образом, повторная обработка разделяемой смеси в электродиализном аппарате с биполярной мембраной позволила увеличить степень обессоливания в 1.5 раза в сравнении с первой ступенью процесса.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

При сравнительном анализе потоков составляющих трехкомпонентного раствора через катионообменные и анионообменные мембраны установлено наличие конкурентного транспорта ароматической аминокислоты и сахарозы. Показано, что потоки фенилаланина через монополярные мембраны достигают меньших значений при большей концентрации сахарозы в растворе. При этом наблюдаются несколько более низкие значения степени обессоливания, чем в случае использования сахарозы в меньшей концентрации. Установлено, что потери углевода при обессоливании достигают больших значений за счет транспорта через мембрану МК-40, чем через мембрану МА-41. Снижение потоков фенилаланина через анионообменные мембраны при увеличении концентрации сахарозы в исходном растворе обнаружено также при электродиализе с биполярной мембраной. Рассчитаны степени извлечения аминокислоты и потери углевода при их разделении.

Выявленные особенности массопереноса ароматической аминокислоты, минеральной соли и дисахарида через ионообменные мембраны необходимо учитывать при последовательном проведении электродиализа с инертными спейсерами с целью деминерализации раствора, а затем электродиализа с биполярной мембраной для разделения фенилаланина и сахарозы.