Содержание к диссертации
Введение
1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 8
2. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ 36
2.1 .Анализ образующихся отходов и безвозвратных потерь в 36 производстве инсулина 42
2.2. Сравнение емкости по инсулину различного типа сорбентов 39
2.3. Исследование регенерации отработанного катионита КУ-23И, используемого для сорбции инсулина 44
2.3.1. Реагентная регенерация 42
2.3.2. Регенерация с предварительной однократной обработкой катионита в ультразвуковом поле
2.3.3. Регенерация с предварительной однократной обработкой в ультразвуковом поле в растворе 1%-го 46
2.4. Исследование равновесия сорбции инсулина на КУ-23И 47 47
2.4.1. Изучения влияния различных фонов на равновесные характеристики КУ-23И
2.4.2. Изучение изотерм сорбции на катионите КУ-23И 50
2.5. Кинетические исследования сорбции инсулина на КУ-23И 58
2.5.1. Влияние различных режимов регенерации отработанного катионита на его кинетические параметры сорбции инсулина 58
2.5.2. Исследование методов, способствующих улучшению равновесных и кинетических характеристик исходного катионита КУ-23И
2.5.2.1. Изучение влияния предварительной реагентной и ультразвуковой обработки сорбента на параметры сорбции инсулина
2.5.2.2. Выбор рабочей фракции катионита 65
2.5.2.3. Влияние природы инсулинового сырья на кинетические параметры сорбции катионита 75 78
2.5.2.4. Влияние формы зарядки катионита КУ-23И на кинетические параметры сорбции инсулина
2.6. Исследования сорбции инсулина на катионите КУ-23И в динамическом режиме
2.6.1. Выбор модели для описания экспериментальных данных 82
2.6.2. Прогноз динамики сорбции инсулина 86
3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 92
ВЫВОДЫ 119
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 121
- Исследование регенерации отработанного катионита КУ-23И, используемого для сорбции инсулина
- Влияние различных режимов регенерации отработанного катионита на его кинетические параметры сорбции инсулина
- Влияние формы зарядки катионита КУ-23И на кинетические параметры сорбции инсулина
Введение к работе
Актуальность проблемы. Проблема комплексного и рационального использования сырья является одной из основных ресурсных проблем экоразвития. Интенсификация и оптимизация технологии, переход на воспроизводимое биологическое сырье, более полное его использование, снижение потерь целевого продукта и возврат в цикл дорогостоящих реагентов - являются основными и актуальными задачами на современном этапе.
В перечне ассортимента товарной продукции эндокринных заводов одно из ведущих мест занимает инсулин, препарат - необходимый в практической медицине. В современной технологии получения инсулина основными стадиями, определяющими эффективность всего процесса, являются стадия сорбционного концентрирования инсулина на ионообменных смолах и его десорбция. По состоянию на сегодняшний день эти процессы требуют серьезного рассмотрения и оптимизации. Отравление сорбента при переработке сложных белковых растворов, блокирование пор балластными белками приводит к значительному ухудшению равновесных, кинетических и динамических характеристик сорбента в колонне уже после четвертого-пятого цикла сорбции. Периодически приходиться полностью заменять сорбент, отработавший в процессе, на свежий, а отработанный сорбент по органолептнческим показателям отправлять на специальное захоронение. Восстановление емкостных, кинетических и динамических характеристик катионита позволит вернуть в цикл дорогостоящий сорбент, снизить количество отходов сорбента, идущих на захоронение и уменьшить капитальные затраты на свежий сорбент.
Кроме того, из-за отсутствия возможности описания динамики сорбции инсулина, не оценивались безвозвратные потери ценного целевого компонента на стадии сорбционного концентрирования. Моделирование динамического режима позволит рассчитать проскоковые концентрации и снизить безвозвратные потери инсулина. Эколого - экономический анализ безвозвратных потерь и твердых и жидких отходов в производстве инсулина показал, что наибольшая их доля образуется на стадии сорбционного концентрирования инсулина, причем для этой стадии практически отсутствуют необходимые физико-химические параметры сорбционного процесса.
Цель работы. Оценка, определение и моделирование основных физико-химических параметров равновесия, кинетики и динамики сорбции и разработка на их основе научно-технических решений, направленных на увеличение эффективности сорбции высокомолекулярного сорбата инсулина; восстановление емкости отработанного при извлечении инсулина сорбента; улучшение равновесных, кинетических и динамических характеристик многократно используемого сорбционного материала.
В соответствие с поставленными задачами, исследования проводились по следующим направлениям:
сравнительные исследования равновесия сорбции инсулина на различных по структуре и с различными функциональными группами сорбентах с целью выявления более эффективного сорбента для извлечения инсулина из технологических растворов;
сравнительные исследования равновесных и кинетических параметров сорбции инсулина на сульфокатионите КУ-23И, взятого в различных исходных формах, различного фракционного состава, предварительно обработанного ультразвуком и на инсулине из различного биологически воспроизводимого сырья;
исследование полноты регенерации сульфокатионита, используемого для сорбции инсулина, различными химическими реагентами;
исследование регенерации сульфокатионита с предварительной обработкой сорбента в ультразвуковом поле;
исследование динамики сорбции инсулина, выбор математической модели, адекватно описывающей динамику сорбции, моделирование сорбционной установки и прогноз динамических кривых.
Научная новизна.
- исследованы равновесные, кинетические и динамические характеристики
сорбции инсулина. Впервые получены основные сорбционные параметры (емкость
коэффициенты распределения, константа обмена, коэффициенты внутренней диффу
зии, коэффициенты массопереноса), характеризующие работу сорбционного узлг
стадии извлечения инсулина;
выбраны оптимальные модели для описания кинетики и динамики процесса, показано, что модель переходного режима по Елькину адекватно описывает динамику процесса сорбции инсулина на катионите КУ-23И;
впервые проведены сравнительные исследования различных сорбентов и нетканых материалов для извлечения инсулина. Показано, что наибольшую емкость обеспечивают макропористые катиониты с сульфо- карбоксил и фосфоновокислот-ными группами;
предложены новые эффективные способы химической и ультразвуковой регенерации отработанного сорбента КУ-23И;
определены зависимости емкостных характеристик инсулина при изменении фонового раствора и ионной формы катионита;
показана неоднородность структуры макропористого катионита в зависимости от размера фракции по параметрам коэффициента внутренней диффузии и емкости.
Практическая значимость.
получены основные равновесные, кинетические и динамические параметры процесса сорбции инсулина для оценки, расчета и моделирования процесса;
разработаны способы химической и ультразвуковой регенерации сорбента позволяющие восстановить емкость сорбента на 80-92% от исходного товарного катионита и вернуть отработанный сорбент в производственный цикл.
найдены оптимальные модели для стадии сорбции, позволяющие прогнозировать проскоковые концентрации и уменьшить безвозвратные потери инсулина;
- на основе сравнительных исследований различных фракций макропористо
го катионита КУ-23И выбраны оптимальные размеры зерна сорбента.
Апробация работы и публикации. Основные положения диссертации и результаты работы изложены в двух тезисах докладов и трех статьях; результаты исследований докладывались на XV и XVI международных конференциях «МКХТ-2002» и «МКХТ-2003» (г. Москва, Россия), и на международном симпозиуме по экологии «Ecology-2002» (г. Бургас, Болгария).
Исследование регенерации отработанного катионита КУ-23И, используемого для сорбции инсулина
Известно, что одним из эффективных методов интенсификации процесса ионного обмена является обработка ионита в процессе химической регенерации ультразвуковыми колебаниями. Вторичные явления (кавитация,. пульсация, микро- и макропотоки), вызываемые ультразвуком, могут привести к раскрытию замкнутых пор в зернах ионита, а также к более полной и глубокой очистке его поверхности [91]. Известны экспериментальные исследования по влиянию ультразвука различной интенсивности и длительности воздействия на катионит гелевой структуры марки КУ-2-8чс [92]. Было показано, что при интенсивности ультразвука от 1 до 5 Вт/см при времени обработки от 30 до 180 с, обменная емкость катионита увеличивалась в 2-4 раза. При регенерации ионитов марок К-2-8чс (4%-ой НС1) и АВ-17-8чс (4%-ым NaOH) показано, что варьируя интенсивность ультразвука, можно получить снижение расхода раствора регенерации и времени процесса до 45-50%, но авторами при этом не была оценена механическая прочность ионита.
Предварительно проведенное исследование дозного поля в пределах 0,5-12 Вт позволило обнаружить эффект устойчивого увеличения емкости ионита при величине дозы 3 Вт. При дозе выше 6 Вт наблюдали частичное разрушение гранул ионита, но потери механической прочности по количеству целых гранул составляли не более 5%. Таким образом, было предложено проводить предварительную однократную обработку ионитов с пониженной емкостью по целевому компоненту в ультразвуковом поле с оптимальной мощностью 3-4 Вт. Емкость по инсулину отработанного и регенерированного с однократной обработкой ультразвуком катионита составила 272 мг/г против емкости 142 мг/г отработанного КУ-23И после стандартной кислотной регенерации. Обработку сорбента ультразвуком и выбор оптимальных условий проводили совместно с лабораторией ультразвука горного института РАН. Эффективность обработки оценивали по экспериментальной величине механической прочности и по обменной емкости сорбента. Результаты представлены в табл. 2.3.
Таким образом, показано, что однократная ультразвуковая обработка отработанного ионита позволяет увеличить его емкость на 92%, что на 12% больше по сравнению с регенерацией 1%-ым NH4OH.
Влияние различных режимов регенерации отработанного катионита на его кинетические параметры сорбции инсулина
Как было показано выше регенерация отработанного сульфокатионита в среде 1% раствора NH4OH позволяет увеличить рабочую емкость сорбента на 80%. Поэтому были проведены кинетические исследования сорбции инсулина на отработанном КУ-23И и регенерированном 1% NH4OH в сравнении с регенерацией в 5% раствором NH4OH (рис. 2.11).
Проверка ряда классических моделей (внутренняя и внешняя, смешанная диффузии) для расчета кинетических кривых показала. неадекватность описания и их малую применимость для наших целей. Подобрана модель, которая была предложена для описания кинетики на сшитых полимерах с использованием механизма триад. Было показано [93], что подобные реакции на сшитых полимерах могут быть описаны с помощью эффекта "соседа", т.е. группа, которая сорбировала молекулу, затрудняет сорбцию на рядом расположенной группе. В результате этого, константы скорости химической реакции становятся значительно меньше. Величина N характеризует долю затрудненных для ионного обмена групп в трехмерной структуре. Кроме этого, предложенная двухэкспоненциальная модель может быть рассмотрена как суммарная модель для внешней и внутренней диффузии. Общее уравнение модели [93]:
где п - число экспериментальных точек. Эта величина рассматривается как дисперсия неадекватности и может быть использована для оценки точности расчета. Кроме того в процессе счета был предусмотрен расчет по методу наименьших квадратов и получен коэффициент корреляции на пі/їм ОЬ У ІТ
графиках адекватности. Это графики в координатах у -у .Во всех случаях при расчете по адекватной модели получены высокие коэффициенты корреляции на графике адекватности (не менее 0,98).
Как видно из табл. 2.11 1% раствор ЫНЦОН лучше регенерирует отработанный сульфокатионит по сравнению с 5% раствором NH4OH. Так емкость на регенерированном 1%-ым NH4OH катионите КУ-23И составила 208,0 мг/г, что на 13% выше, чем для сорбента регенерированного 5%-ым NHtOH (184,3 мг/г). При этом коэффициент внутренней диффузии DJN на этом катионите ниже на 9,1% за счет большей поверхности сорбции, а время полной зарядки - выше на 10,7%. Таким образом, кинетические исследования подтверждают преимущество реагентной регенерации 1%-ым NH4OH.
На рис. 2.12 приведены кинетические зависимости сорбции инсулина на КУ-23И исходном, отработанном и регенерированным различными методами, а в табл. 2.12 основные кинетические параметры, рассчитанные по выбранной модели.
Сравнение кривых 1 и 2 и данных из табл. 2.12 свидетельствует о том, что в процессе сорбции на отработанном ионите после стандартной регенерации достигаются значительно меньшие величины емкости (на 30%) и величины коэффициента внутренней диффузии (на 20%). Использование химического способа регенерации (кривая 3) позволяет увеличить емкость сорбента на 17,6% по сравнению с использованием стандартных методов регенерации. Совместное действие химического реагента и ультразвука при регенерации также позволяет увеличить емкость сорбента, но менее эффективно. При этом значения коэффициента внутренней диффузии на КУ-23И отработанном и регенерированном стандартными методами и 1%-ым NH4OH практически не отличаются. Таким образом, сравнительные кинетические исследования на исходном сорбенте и на отработанном. сорбенте после различных режимов регенерации подтверждают необходимость изменения принятого на заводе режима регенерации для снижения потерь ценного компонента на стадии сорбции.
Влияние формы зарядки катионита КУ-23И на кинетические параметры сорбции инсулина
Для выявления дальнейших аспектов ресурсосбережения изучено влияние исходной формы сорбента на кинетику сорбции инсулина. На рис. 2.26 представлены кинетические зависимости сорбции инсулина (свиного) на предварительно обработанном ультразвуком КУ-23И, взятом в различной исходной форме.инсулина, рассчитанные по выбранной ранее модели. Как видно, рассчитан Й ная емкость по инсулину заметно снижается в ряду Н+ Ка+ Са2+ 2п2+-формы сорбента от 230,0 до 132,0 мг/г. Коэффициента внутренней диффузии уменьшается в ряду Na+ H+ Ca2+ Zn2+- формы от 9,5-10"9 см2/сек до 4,43-10"9 см/сек. Можно предположить, что такое сильное различие в величинах коэффициента внутренней диффузии объясняется различием в ионных радиусах металлов. Коэффициент внешней диффузии уменьшается в ряду Ка+-7п2+-Н+-Са2+-форм катионита КУ-23И предварительно обработанного ультразвуком от 9,64 ТО" до 2,99 ТО см/сек.
Для констант скорости химической реакции к0 и к2 наблюдается аналогичная зависимость. Количество затрудненных реакционноспособных групп растет в ряду Ш+-Са2+-2п2+-форм катионита КУ-23И. Критерий Віо по казы-вает, что процесс сорбции инсулина на КУ-23И в ЬҐ, Na+, 2п2+-формах явля 80. ется чисто внутридиффузионным процессом (величины критерия Bio 103,9; 30,4 и 30,6 соответственно), в то время как процесс на КУ-23И в Са -форме является смешанным (критерий Bio равен 10,8). Доля внутренней диффузии составляет 0,9-0,97 на КУ-23И в Н , Na+, Zn +-формах, доля внутренней диффузии на КУ-23И в Са2+-форме - 0,77. Время для достижения полной зарядки F=0,99 растет от 392,8 до 1467,0 мин в ряду Н+-Ыа+-Са2+-2п2+-форм катионита КУ-23И предварительно обработанного ультразвуком.
Такое различие в кинетических показателях сорбции инсулина на разных исходных формах сорбента возможно связано с тем, что молекула инсулина проявляет амфотерные свойства и ее можно записать в виде [96, 97] (Н3 Г)пвК#(СОО")у, где R - последовательность аминокислот, поэтому она может реагировать как по ЫНз-группам, так и по СОО -группам. Можно предположить, что на сорбентах в Na+, Са2+ и Zn2+ формах в данных условиях наряду с ионным обменом идет взаимодействие с ионами металлов по СОО" группам и в зависимости от природы иона, формируются различные по структуре и форме комплексы, затрудняющие дальнейшую сорбцию инсулина.
Таким образом, можно сделать вывод о том, что ІҐ -форма сульфокатионита КУ-23И обладает преимуществами по сравнению с остальными исследованными формами КУ-23И.
Динамику сорбции инсулина оценивали по выходным кривым сорбции инсулина на гранульном сульфокатионите КУ-23И. На рис. 2.27 и 2.28 приведены динамические кривые сорбции инсулина на КУ-23И из растворов с разными исходными концентрациями: 3,5 мг/мл и 1 мг/мл.
При концентрации инсулина 3,5 мг/мл эксперимент был проведен с прерыванием, что является недостаточно корректным для расчета экспериментальных кривых. Кроме того, проведение эксперимента на. больших концентрациях требует большого расхода дорогостоящего препарата - порядка 350 мг инсулина на 1 л раствора (стоимость 50 мг кристаллического инсулина 150 долларов США). При переходе на меньшие концентрацию аналитическое определение инсулина в растворе при степени превращения 7 =0,1 становится аналитически невозможным.
Динамика сорбции инсулина на исходном КУ-23И. Условия эксперимента: w=3,9 ОС/мин, УСОРБ=19 МЛ, ЬСОРБ=7,5 см, ГСОРБ=0,03 СМ, сисх З.З МГ/МЛ, рН=3,5.
Как видно при обеих концентрациях выходные кривые имеют форму типичную для нестационарной динамики, когда имеет место быстрый проскок и образование устойчивого фронта на конечной части выходной кривой.
Для выбора модели расчета выходных кривых и получения основных динамических показателей сорбции инсулина на сульфокатионите КУ-23И были опробованы модели с внутридиффузионным и смешанным типом лимитирования.
Модели равновалентного обмена по Елькину предполагают три детерминированных параметра: константу обмена К0БМ- коэффициент внутреннего массопереноса /?/Лг и объемную емкость mv. Эта группа позволяет описать динамику для выпуклой изотермы при индивидуальных видах лимитирования внутри-, внешнедиффузионном и химическом.
Модель Устинова, модифицированная для ионного обмена [98], применима для прямоугольной изотермы и имеет следующие детерминированные константы: т у, D или DEX И величину критерия Bio. Эта модель позволяет рассчитывать динамику при различных режимах работы колонны.
Для псевдолинейной изотермы известна внутридиффузионная модель с 2-мя детерминированными параметрами: ту и Dnsi [94].
Все перечисленные модели предназначены для описания регулярных режимов сорбции для длинных колонок и ограниченно применимы для коротких колонок. В то же время в эксперименте при сорбции инсулина возникают существенные проблемы, связанные с большим расходом инсулина и большим временем выхода колонки хотя бы на начальную часть выходной кривой до F 0,5.
Расчет по всем этим моделям показал, что лимитирующей стадией является стадия внутренней диффузии. Но указанные выше модели плохо описывали полученные экспериментальные данные на начальном участке. выходных кривых: TCORR 0,9; объемная емкость по модели тумод меньше рассчитанной интегральной емкости; константа обмена КоБм Ъ 00.
