Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Создание новых ресурсо- и энергосберегающих технологий в фармацевтической, микробиологической, пищевой и многих других отраслях промышленности требует дальнейшего развития основ мембранной науки. Существующие теоретические модели далеко не всегда адекватно описывают реальные процессы мембранного разделения. В большей степени изучена ультрафильтрация (УФ) глобулярных белков. Что касается гибкоцепных полимеров (ГЦП), то до сих пор нет единой концепции их массопереноса через мембрану.
Очевидно, что более детальное изучение физико-химических особенностей ультрафильтрации полимеров линейной структуры является весьма актуальным для практического решения проблем мембранного разделения' кровезаменителей на основе декстрана и поливинилпирролидона, таких ценных продуктов как агароид и гепарин, других полисахаридов и их производных, а также ряда водорастворимых синтетических полимеров.
Связь работы с крупными научными программами. Работа выполнялась в рамках Республиканской научно-технической программы 71.08 р. "Мембрана"(1988-1995 г., решение пр. комиссии През. СМБ по н/т прогрессу № 5/86 от 27.10.88) и Республиканской комплексной программы фундаментальных исследований "Полимер" (1996-2000 г., № гос. регистрации 01910.049175).
Цель и задачи исследования. Цель работы - разработка системного подхода к описанию массопереноса полимеров линейной структуры в процессе улътрафильтращш. При этом были поставлены следующие задачи:
-уточнить механизм прохождения ГЦП через мембраны;
-определить влияние температуры, концентрации, взаимодействий растворенного вещества с матрицей мембраны и особенностей ее структуры на закономерности ультрафильтрации неионогенных ГЦП;
-для заряженных полимеров линейной структуры .определить также влияние ионного окружения на транспортные характеристики мембран;
-установить требования к использованию мембран для разделения сред сложного состава, содержащих полимеры линейной структуры.
Объект и предмет исследования. Объектами исследования были водные растворы стандартных фракций декстранов с Mw=10000 - 70000 (Pharmacia, Швеция) и полиэтиленгликолей (ПЭГ) с Mw= 2000 - 40000 (Merk, ФРГ), субстанций гепарина (Mw=20000, М«УМП=1,7) и сульфата ман-нана (CM, Mw= 8400, Mw/Mn=2,4) производства ОАО "Белмедпрепараты", а также образцы технологических сред, содержащие эти полимеры.
Исследовали транспортные характеристики УФ мембран из ацетат-целлюлозы с анизотропной (АЦ) и близкой к изотропной (УAM) структурами, регенерированной целлюлозы (РЦ), полиакрилонитрила (ПАН), поли-сульфонамида (ПС), ароматического полиамида (ПА) и ПА с дополнительно модифицированной поверхностью производства фирмы "Мифил" (Минск) и НПО "Полимерсинтез" (Владимир). В ряде случаев были использованы лабораторные образцы мембран, полученные из АЦ со степенями замещения (СЗ) от 1,75 до 2,63.
Методология и методы проведенного исследования. Основными параметрами процесса разделения служили трансмембранный поток (J) и коэффициент задержания (R) по растворенному полимеру. Разделение растворов проводили на мембранных фильтрах с радиальным перемешиванием и лабораторных установках проточного типа. Концентрацию полимеров в растворах определяли при помощи интерферометра ЛИР-2 и рефрактометра УРЛ-1. При разделении сложных смесей концентрацию и молеку-лярно-массовое распределение (ММР) целевого компонента определяли хроматографически. Использовали: гели - Toyopearl HW 40,50,55 (Япония); элюент - 0,15 М NaCl, стабилизированный 0,02 % NaN3; колонки - 8 х 140, 8 х 700 и 3,5 х 420 мм; скорость элюции - 0,1 - 0,8 мл/мин; детектор -дифференциальный рефрактометр RIDK-101 (Чехия). Результаты экспериментов подвергали статистической обработке стандартными методами.
Научная новизна и значимость полученных результатов. Доказано, что в реальных условиях ультрафильтрационного эксперимента не происходит деформации и ориентации макромолекул ГЦП и процесс разделения описывается моделью концентрационной поляризации (КП). При этом наблюдаются принципиальные различия транспортных характеристик анизотропных и изотропных мембран. В то же время, при значительном модифицирующем воздействии ГЦП на матрицу мембраны, задерживающая способность последней практически не зависит от трансмембранного потока и процесс разделения, соответственно, не может быть описан в рамках модели КП.
Установлено отрицательное задержание ПЭГ на ацетатцеллюлозных мембранах. Феномен изучен в зависимости от гидродинамических условий разделения, температуры, молекулярной массы полимера, химического состава и структуры матрицы мембраны. Впервые явление интерпретировано в рамках модели КП и активированной диффузии.
При разделении обессоленных растворов полиэлектролитов (ПЭ) с высокой плотностью заряда установлено значительное влияние сил электростатического отталкивания на транспортные характеристики мембран.
Полученные в работе экспериментальные данные позволили определить требования к мембранам для разделения технологических сред, содержащих полимеры линейной структуры.
Практическая значимость полученных результатов. На основании результатов, полученных в работе, разработаны и внедрены следующие технологические процессы:
-концентрирование и частичная очистка элюатов мукополисахари-дов. Внедрены 2 промышленные ультрафильтрационные установки УФМ-12 (изготовитель - фирма "Мифил") на эндокринном производстве ОАО "Белмедпрепараты" в 1993 г.;
-концентрирование и частичная очистка нативных растворов полисахаридов микробного происхождения. В 1994 г. на основном производстве ОАО "Белмедпрепараты" внедрена установка УФ-20М;
-в 1996 г. в ИФОХ НАНБ внедрена установка УФМ-16. Используется для очистки аминопроизводных полиакриламида.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
механизм массопереноса ГЦП в процессе ультрафильтрации может быть определен из полулогарифмической зависимости задержание - поток;
при значительном модифицирующем воздействии ГЦП на матрицу мембраны закономерности ультрафильтрации подобны закономерностям для глобулярных белков;
специфические взаимодействия ГЦП с матрицей мембраны могут приводить к активному (аномальному) транспорту растворенного вещества в процессе ультрафильтрации;.
мембранное разделение обессоленных растворов полиэлектролитов контролируется прежде всего силами электростатического взаимодействия;
ультрафильтрация сред сложного состава, содержащих полимеры линейной структуры, в значительной степени определяется взаимодействиями балластных соединений с матрицей мембраны.
Личный вклад соискателя заключается в получении основных экспериментальных данных, их интерпретации и обсуждении.
Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на IV и VI Республиканских семинарах по мембранам и мембранной технологии, сентябрь 1988 и сентябрь 1990 года, Одесса; на Международном симпозиуме по процессам мембранного разделения, сентябрь 1989, Торунь (Польша); на IV Всесоюзной научно-технической конференции по актуальным проблемам улучшения качества кровезаменителей, консервантов крови, гормональных и органотерапевтических препаратов, сентябрь 1991 года, Москва; на II Республиканской конференции по мемб-
ранам и мембранной технологии, ноябрь 1991 года, Киев; на VII Украинском семинаре по мембранам и мембранной технологии, сентябрь 1992 года, Львов; на Российской конференции по мембранам и мембранным технологиям, октябрь 1995 года, Москва.
Опубликованность результатов. По теме диссертации опубликовано 6 статей, 4 тезисов докладов (всего 33 страницы).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, общей характеристики работы, пяти глав, заключения, приложения и списка использованных источников (133 работы). Работа изложена на 101 странице машинописного текста, включая 32 рисунка, 15 таблиц.
