Введение к работе
Актуальность научной проблемы.
Современная мембранная электрохимия концентрирует свои интересы на проблемах изучения интенсивных режимов работы при электродиализе с ионообменными мембранами. Превышение предельной плотности тока в электромембранной системе вызывает протекание реакции диссоциации воды на межфазной границе мембрана - раствор, приводящей к увеличению потоков водородных ионов через катионообменную мембрану и гидроксильных ионов через анионообменную мембрану. Изучение закономерностей сопряженного транспорта подвижных ионов среды с ионами других электролитов под действием электрического тока через ионообменные мембраны при электродиализе - актуальная научная задача. Необходимо исследование влияния химических реакций органических амфолитов с ионами среды, на массоперенос. Такие реакции протекающие на межфазной границе, приводят к превращению биполярных ионов аминокислот в униполярные, способные к электромиграции через ионообменные мембраны при электродиализе. Это открывает возможности принципиального увеличения потоков аминокислот в электромембранных системах. Обнаруженное явление облегченной электромиграции амфолитов через ионоселективные мембраны и его корреляция с барьерным эффектом приводит к существенному расширению представлений о массопереносе в электрохимических системах. В настоящее время не существует адекватных моделей переноса амфолитов в условиях превышения предельной плотности тока при электродиализе, не разработаны принципы разделения амфолитов и слабых электролитов в электромембранной системе.
Работа была поддержана Российским фондом фундаментальных исследований (проект № 98-03-32194) и выполнялась в соответствии с Координационным планом научного совета по адсорбции и хроматографии Российской академии наук (шифр 2.15.11.5).
Целью настоящей работы было установление закономерностей переноса аминокислот через ионообменные мембраны при электродиализе в области токов, превышающих предельные диффузионные.
Задачей настоящей работы было экспериментальное доказательство облегченной электромиграции аминокислот через ионообменные мембраны при электродиализе и корреляции этого явления с барьерным эффектом, что позволило создать и оптимизировать методы разделения аминокислот с минеральными ионами и сахарами.
Научная новизна.
В работе рассмотрено влияние сопряженных электрохимических реакций на границе ионообменных мембран и раствора аминокислоты на электромиграцию. Первичной является реакция диссоциации воды, протекающая на межфазных границах ионообменных мембран и раствора. Первичные электрохимические реакции вызывают индуцированные реакции превращения биполярных ионов в катионы или анионы аминокислот. В
*Ч>С НАЦИОНАЛЬНА! J MSJIMKtA I
результате катионы и анионы аминокислот переносят постоянный электрический ток при наложении на электромембранную систему градиента электрического потенциала. Обнаружен нелинейный эффект облегченной электромиграции, возникающий при превышении предельных диффузионных токов. Установлены интервалы плотностей тока, при которых сопряженные реакции снижают или повышают массоперенос аминокислот через ионообменные мембраны, что позволило их применить для деминерализации аминокислот и разделения аминокислот и Сахаров.
Практическая значимость.
Белки и образующие их мономеры - аминокислоты - занимают центральное место в структуре живой материи и играют первостепенную роль в ее функционировании. Для биотехнологического производства аминокислот используют штаммы бактерий, которые питаются сахарами и минеральными солями. Полученный раствор после отделения биомассы и очистки на слое активированного угля содержит аминокислоты, а также остатки Сахаров и минеральных солей. В связи с этим разработка метода разделения аминокислот, Сахаров и минеральных компонентов является особенно актуальной задачей.
Обнаруженные нелинейные эффекты переноса аминокислот через ионообменные мембраны позволяют регулировать их потоки заданием плотности тока. Выбирая плотность тока, незначительно превышающую предельную диффузионную, при которой проявляется барьерный эффект, мы нашли оптимальные условия для деминерализации растворов аминокислот. Увеличивая плотность тока, мы установили область, в которой возникает индуцированный транспорт аминокислот, позволяющий эффективно разделять их смеси с молекулярными растворами. Явление облегченной электромиграции использовано для разделения сахарозы и аминокислот. Общим результатом исследования нелинейных эффектов переноса является разработка способов глубокой деминерализации аминокислот и разделения их смесей с сахарозой.
На защиту выносится:
Экспериментальное доказательство увеличения массопереноса аминокислот через ионообменные мембраны при плотностях тока выше предельных диффузионных, возникающее при протонировании или гидроксилировании биполярных ионов аминокислот и названное облегченной электромиграцией.
Закономерности массопереноса через ионообменные мембраны ионов из растворов аминокислот, углеводов и сильных электролитов, позволяющие минимизировать транспорт аминокислот при деминерализации и дающие возможность эффективного разделения аминокислот и углеводов.
Способ интенсификации деминерализации аминокислот, основанный на применении межмембранной засыпки секций обессоливания смешанным слоем катионо- и анионообменников.
4. Принцип выделения аминокислот из смесей с растворами Сахаров, основанный на их избирательном транспорте при электродиализе с чередующимися биполярными и монополярными мембранами. .
Публикации и апробация работы.
Результаты исследования изложены в 13 публикациях, из которых 10 статей, в том числе 2 в журнале «Электрохимия» и 3 тезисов научных конференций. Работа была представлена в виде устных докладов на научных сессиях ВГУ с 1999 по 2004 г.г., Международной конференции «Мембранные и сорбционные процессы» (Сочи, 2000) и Международном конгрессе по мембранам и мембранным процессам (ICOM 2002, Toulouse, France), стендовых докладов на IX региональной научно-технической конференции (Тамбов, 2001) и I Всероссийской конференции «Физико-химические процессы в конденсированных системах и на межфазных границах» (ФАГРАН, Воронеж, 2002).
Структура работы
Работа состоит из введения, четырех глав, выводов и списка литературы. Она изложена на 150 страницах, включает 61 рисунок и 11 таблиц.
