Реферат на тему:


Воспользуйтесь поиском к примеру Реферат        Грубый поиск Точный поиск






Загрузка...
Национальный университет «Киево-Могилянская академия»

НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ & ldquo; КИЕВО-Могилянской академии & rdquo;

Коновалова Виктория Валерьевна

УДК 541.18 + 577.15

МЕМБРАНЫ С ИММОБИЛИЗОВАННЫМИ бактерии и их функциональные свойства

05.17.18. Мембраны и мембранная технология

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Киев 2001

Актуальность темы

Работа выполнена в Национальном университете & ldquo; Киево-Могилянская Академия & rdquo;

Научный руководитель: доктор химических наук, профессор Брик Михаил Теодорович, Национальный университет & ldquo; Киево-Могилянская Академия & rdquo ;, первый вице-президент, вице-президент по научной работе, заведующий кафедрой химии.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, старший научный сотрудник Матвиенко Андрей Борисович, компания & ldquo; Чумак & rdquo ;, Скадовский консервный завод, г.. Каховка Херсонской обл., Директор.

доктор технических наук, профессор Маринченко Виктор Афанасьевич, Украинский Государственный университет пищевых технологий, профессор кафедры биотехнологии продуктов брожения экстрактов и напитков.

Ведущая организация: Национальный университет & ldquo; Львовская политехника & rdquo ;, химико-технологический факультет, кафедра химической инженерии и экологии., Г. Львов.

Защита состоится & ldquo; _7_ & ldquo; Декабрь 2001 в _14_ часов на заседании диссертационного совета Д 26.008.01 при Национальном университете & ldquo; Киево-Могилянская Академия & rdquo; по адресу 04070, г.. Киев, ул. Сковороды 2, ауд. 1-301

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Национального университета & ldquo; Киево-Могилянская Академия & rdquo; (Г.. Киев, ул. Сковороды, 2).

Автореферат разослан & ldquo; -6- & ldquo; ноября 2001г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат химических наук Вербич С.В.

Общая Характеристиика работы

Актуальность проблемы. В последние годы мембраны и мембранные технологии широко используются почти во всех сферах человеческой деятельности. Для расширения областей использования синтетических полимерных мембран, улучшение их разделительных характеристик и устранения некоторых недостатков мембранного разделения необходимо создание новых типов мембран. Быстрым развитием характеризуются современные научные исследования по созданию новых мембран: композиционных, неорганических, заряженных и мембран с дополнительными функциями. Наибольшее развитие получил одно из направлений по созданию мембран с дополнительными функциями - биокаталитические мембран, представляющих собой полимерные мембраны с иммобилизованными на их поверхности биокатализаторами (ферментами или клетками). Такие мембраны наряду с дополнительными функциями Биокатализ частично устраняют некоторые недостатки баромембранного разделения, в частности, концентрационную поляризацию. Кроме этого, иммобилизация на мембранах биокатализаторов, которые расщепляют растворенные вещества, предотвращает загрязнение мембран с одновременной очисткой воды от этих веществ.

Быстрому развитию исследований по созданию мембран с дополнительными функциями препятствуют трудности, связанные с проведением технологически сложных стадий в процессе их формирования. Методы иммобилизации биокатализаторов в полимерную матрицу требуют мягких условий проведения процесса формирования биокаталитические мембран, что очень трудно достичь, учитывая существующие методы формирования полимерных мембран из растворов в органических растворителях, которые приводят к потере значительной части активности биокатализатора. Другой проблемой является необходимость рационального сопряжения разделительных свойств мембраны (производительность, задержка) и биохимических реакций расщепления или синтеза веществ на поверхности мембраны.

Несмотря на указанные трудности, биокаталитические мембраны могут быть основой для создания принципиально новых технологий, основанных на проведении процессов в мягких условиях в тонких этажневых слоях мембраны. Также предусматривается возможность улучшения условий очистки сточных вод, содержащих гелеобразующих вещества.

Цель и задачи исследования. Целью данной работы является получение мембран с иммобилизованными бактериями, исследование их разделительных свойств и разработка процессов их использования в очистке сточных вод.

Поставленная цель определила задачи работы:

1. Разработка новых методов иммобилизации бактерий на полимерных ультрафильтрационных мембранах.

2. Исследование структуры и характеристик полученных биокаталитические мембран.

3. Изучение закономерностей ультрафильтрационного разделение на биокаталитические мембранах.

4. Создание мембранных биореакторов и разработка оптимальных условий проведения технологических процессов на биокаталитические мембранах.

Научная новизна. Впервые разработаны новые методы иммобилизации бактерий на полимерных ультрафильтрационных мембранах. Изучены морфологические свойства полученных биокаталитические мембран. Показана возможность использования таких мембран в процессах ультрафильтрационного разделения и создания мембранных биореакторов для очистки сточных вод.

Практическая значимость. Разработаны методики формирования биокаталитические мембран с включением клеток в полимерную матрицу. Исследованы процессы ультрафильтрационного разделения красителей и эмульгированных машинных масел на биокаталитические мембранах. Определены оптимальные условия проведения технологических процессов денитрификации и хромат-редукции в мембранных биореакторах диализного типа.

Связь работы с научными программами, планами, темами. Работа, изложенная в диссертации, выполнялась при обучении соискателя в аспирантуре Национального университета & ldquo; Киево-Могилянская Академия & rdquo; в рамках государственных научно-технических тем: & ldquo; Создание принципиально новых типов полимерных мембран (матричных, бактерицидных, мембранных иммуносенсора) & rdquo ;, & ldquo; Исследование процессов мембранного разделения и их использование для получения высокочистыхой воды. & rdquo ;, & ldquo; Разработка и внедрение комплексной технологии очистки сточных вод, содержащих эмульгированные нефтепродукты и жиры & ldquo; (Министерство образования и науки Украины, госзаказ, договор №8 / 42-2001)

Личный вклад соискателя. Все исследования выполнены по инициативе соискателя и при его непосредственном участии в проведении экспериментов и анализе полученных результатов.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались на конференциях & ldquo; Дни науки в НаУКМА & rdquo; (Киев, 2000,2001), международных конференциях & ldquo; Catalysis in membrane reactors & rdquo; (Копенгаген, Дания, 1998), & ldquo; Advanced membrane technology & rdquo; (Барга, Италия, 2001), & ldquo; Мембранные и сорбционные процессы & rdquo; (Краснодар, 2000), Мембраны-2001 (Москва, 2001).

Публикации. Основные положения диссертации изложены в 6 научных работах, в том числе 5 журнальных статьях.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников и приложений. Работа изложена на 124 страницах печатного текста, содержит 5 таблиц, 30 рисунков. Список использованных источников составляет 162 наименования.

Содержание работы

1. Иммобилизация биокатализаторов и биологические процессы очистки сточных вод

В обзоре литературы рассмотрены основные существующие методы иммобилизации биокатализаторов и носители, используемые в процессах иммобилизации. Литературные данные свидетельствуют о явных преимущества иммобилизованных биокатализаторов над свободными. Рассмотрены основные преимущества и недостатки использования природных и синтетических полимеров в процессах иммобилизации. Показано, что использование иммобилизованных бактерий в процессах очистки воды способствует повышению устойчивости системы к действию неблагоприятных факторов. Рассмотрены биологические процессы очистки сточных вод с использованием зминновалентних элементов: денитрификацию, сульфат-редукции и хромат-редукцию. Применение микроорганизмов, которые способны использовать как терменые акцепторы электронов зминновалентни элементы, открывает новые возможности интенсификации биологической очистки сточных вод.

Несмотря на широкое разнообразие существующих методов иммобилизации клеток на различных носителях, методы иммобилизации клеток на полимерных мембранах практически не разработаны, более полно разработаны методы иммобилизации ферментов. Как показывают литературные данные, при использовании клеток в мембранных биореакторах мембрана в большинстве случаев выполняет разделительную функцию. Работ по использованию мембран как носителей для клеток немного, очевидно, из-за сложности процесса иммобилизации.

Анализ работ показывает, что для иммобилизации клеток на мембранах наиболее подходящими являются методы их включения в полимерную матрицу. Этот способ позволяет сконцентрировать на поверхности и в теле мембраны значительное количество биомассы и жестко ее закрепить. Но использование его ограничено, так как формирование мембран проходит в среде органических растворителей. Поэтому для иммобилизации клеток необходимы выбор мягкого растворителя или формирования мембран из водорастворимых полимеров.

2. Материалы и методы

Разработаны методики иммобилизации бактерий включением целых клеток в полимерную матрицу растворенную в органических растворителях. Мембраны получали из раствора мембраноутворюючого полимера сульфированные полисульфона методом мокрого и сухо-мокрого формования. Получение раствора для формирования мембран с взвешенных клетками проводили по следующим трем схемам: введение культуры микроорганизмов в полимерный раствор (способ А) растворения мембраноутворюючого полимера в предварительно полученной суспензии культуры микроорганизмов в органическом растворителе (способ В); смешивания суспензии культуры микроорганизмов в органическом растворителе с раствором полимера (способ С).

Разработаны методики иммобилизации бактерий в водорастворимые гели агар-агара и альгината кальция и формирования пленок на полимерных ультрафильтрационных мембранах.

Лабораторные опыты проведены на модельных роподнимут с использованием ультрафильтрационной установки непроточные типа и диализной ячейки динамического типа.

Ход процесса хромат-редукции и денитрификации контролировали измерением окислительно-восстановительного потенциала (ОВП) среды.

биокаталитические эффективность мембран выражали в терминах степени биокаталитические деструкции a.

3. Иммобилизация бактерий в полимерную матрицу

Для использования биокаталитические мембран в процессах ультрафильтрации необходимо выбирать методы, позволяющие применять биокатализаторы в условиях повышенных давлений и экстремальных условиях ООП. Клетки микроорганизмов должны прочно закрепляться на мембране и не менять ее свойств в процессе роста. Учитывая сказанное, мы выбрали механический метод иммобилизации бактерий включением их в полимерную матрицу (окклюзия).

Исследование макроскопической структуры мембран с включенными клетками в оптическом микроскопе свидетельствует о влиянии способа подготовки раствора формирования на морфологию мембран. При подготовке формовочного раствора по способу А мембрана имеет гетерогенную структуру с четко выраженными элементами гетерогенности (вакуоли) микронных размеров (рис. 1а). Вакуоли расположены в объеме мембраны неравномерно, изолированно друг от друга или группами по два-три вакуоли. Клетки микроорганизмов находятся внутри вакуолей. При внесении влажной культуры в полимерный раствор диффузный процесс смешивания воды, сорбированного клетками, с органическим растворителем из-за повышенной вязкости полимерного раствора затруднен. Очевидно, что при этом на агрегатах микроорганизмов под действием воды, не растворяет полимер, происходит процесс осаждения полимера с образованием полимерной оболочки, окклюдуе клетки. Оболочка самой вакуоли это полупроницаемая полимерная микроплёнка, которая является защитной для бактерий.

В случае подготовки формовочного раствора по способу В элементы гетерогенности микронных размеров отсутствуют. Наибольшей однородностью морфологической структуры выделяються мембраны, полученные из растворов, готовили по способу С. Кроме того, такие мембраны имеют наименьшую гидравлическую проницаемость. В благоприятных условиях клетки, которые находятся в вакуолях, растут и образуют внутри их микроколонии (рис. 1 б).

Морфология мембран, в которые вводили неживые клетки микроорганизмов, очень близка к морфологии мембран с живой биомассой. Структура мембран гетерогенная и содержит вакуоли тех же размеров, что и при введении живой биомассы. Это свидетельствует о влиянии присутствия в растворе полимера биологической клетки на морфологию полимерной мембраны.

С целью установления возможности влияния различных органических растворителей, используемых при формировании мембран, на физиологическую активность бактерий в мембране клетки микроорганизмов выдерживали в метилпирролидони, ацетоне и этиловом спирте. Следующий занял микроорганизмов, выдержанных в органическом растворителе, по твердому питательную среду показал, что из числа использованных растворителей только в метилпирролидони (МП) клетки сохраняют жизнеспособность. Исследование клеток с помощью оптического микроскопа показало, что МП не вызывает их лизиса. Выживаемость клеток Pseudomonas mendocina составило менее 0,01%. Выживаемость клеток Bacillus subtilis возрастает при использовании их в споровой форме. При переводе клеток кипячением полностью в споровой форме выживания клеток Bacillus subtilis составляло 100%.

При формировании биокаталитические мембран по описанному методу важным является сохранение жизнеспособности клеток микроорганизмов. Как отмечалось ранее, выживаемость клеток возрастает с увеличением их количества в суспензии. Кроме того, увеличение количества введенной биомассы повышает эффективность мембраны вследствие того, что белок части разрушенных клеток создает в мембране защитную оболочку для биокатализатора. В то же время увеличение количества введенной биомассы ухудшает механические характеристики мембраны. Очевидно, что чрезмерная нагрузка биокатализатором, кроме ухудшения механических свойств, может быть лишним, посколькучасть клеток может быть недоступна для субстрата.

Таблица 1.

Характеристики биокаталитические мембран в зависимости от внесенной количества биомассы (скорость фильтрации 20 дм3 / м2Чгод, Т = 30 С).

Количество внесенной биомассы, мг / см3 Константа проницаемости, дм3 / м2год ЧМПа aa,%

70 2500 32,4

120 1500 33,9

160 2260 34,5

200 937 35,1

250 1025 43,9

Мембраны формировали с формовочных растворов с концентрацией сульфированные полисульфона 20 мас. % И осаждали в 8% водный раствор KCl.

Как видно из табл.1, увеличение количества введенной биомассы до максимально возможного значения, определяется возможностью получения мембраны, ведет к увеличению степени биокаталитические деструкции красителя.

Итак, на биокаталитические свойства мембран влияют способ их формирования и количество внесенной биомассы.

Как отмечалось ранее, использование метода иммобилизации клеток включением их в полимерные матрицы губительно для большинства бактерий из-за жестких условий формирования мембран. Использование органических растворителей для формирования раствора полимера возможно лишь для клеток, имеющих споровую форму и могут выживать в процессе формирования мембраны. Замена органических растворителей или их разбавления до безопасных концентраций также нецелесообразно, так как в этом случае невозможно получение ультрафильтрационных мембран с необходимыми характеристиками. Большинство бактерий-деструкторов вегетативные, поэтому требуется использование других, более мягких методов иммобилизации.

Наиболее пригодными для мембранных процессов могут быть методы формирования мембран по включению клеток в водорастворимые природные или синтетические полимеры, которые в дальнейшем могут быть переведены в нерастворимую форму мягкими методами. Так, природный водорастворимый полисахарид агар-агар можно переводить из растворимого состояния в нерастворимое охлаждением, а раствор альгината натрия переводом в кальциевую форму. Мы использовали эти водорастворимые полимеры для иммобилизации бактерий рода Pseudomonas и формирования мембранных пленок. Такие пленки не могут быть использованы в свободном состоянии как ультрафильтрационные мембраны, поэтому мы формировали их на пористых подложках промышленных ультрафильтрационных или микрофильтрационных мембранах и использовали для процессов, целесообразно проводить в диализном режиме (денитрификация и хромат-редукция). Такие пленки на промышленных мембранах также могут использоваться как динамические мембраны для процессов ультрафильтрации, при этом они имеют высокую плотность и могут быть использованы как для разделения органических загрязнений, так и в процессах обессоливания. Так, динамические биокаталитические мембраны, сформированные из раствора агар-агара, мы использовали для ультрафильтрации эмульгированных машинных масел.

Для исследования структуры таких мембран концентрацию агар-агара меняли от 0,3 до 1% масс. и измеряли проницаемость полученной мембраны по дистиллированной воде. Как видно из рис. 2, зависимость проницаемости динамической мембраны от начальной концентрации агар-агара имеет экстремальных характер. При увеличении концентрации от 0,3 до 0,5% производительность мембраны падает линейно, затем наблюдается рост проницаемости при концентрации агара 0,7%, а при дальнейшем повышении концентрации проницаемость снова падает и при достижении концентрации 1% выходит на плато. Это указывает на нецелесообразность формирования динамических мембран с концентрацией агара-агара более 1%.

При введении бактерий в формовочный изменение проницаемости мембран от концентрации агар-агара имеет аналогичную тенденцию, но смещается вниз и влево. Введение клеток ведет к уменьшению проницаемости, следовательно, структура динамической аграрной мембраны уплотняется. Реверс наблюдается лишь при концентрации агара 0,5% из-за смещения кривой при введении клеток.

Удовлетворительные характеристики для формирования биокаталитические мембран показали альгинатные пленки. Основным недостатком их является неустойчивость в присутствии фосфатов. Диапазон рабочих концентраций для альгината несколько выше, чемдля агара (1-4% масс). При этом пленки, сформированные из 1 или 2% раствора альгината, очень тонкие и хрупкие. Из растворов концентрациями больше, чем 4%, очень трудно формировать мембраны за высокой вязкости раствора. Наиболее подходящими являются концентрации от 3 до 4% масс., Но начальная проницаемость таких мембран очень низкая (8ё18 дм3 / м2год).

Таким образом, использование природных водорастворимых полимеров для иммобилизации бактерий является простым и удобным способом получения мембран с биокаталитические функциями. Основным недостатком является дороговизна их использования, а потому последующей задачей является создание синтетических аналогов таких полимеров.

Глава 4. Процессы ультрафильтрационного разделения с использованием мембран с иммобилизованными бактериями

4.1. Ультрафильтрация красителей через биокаталитические мембраны.

Отличительной чертой ультрафильтрации синтетических красителей является снижение степени задержки при увеличении трансмембранного потока является следствием ориентации молекул красителя в потоке растворителя. Таким образом, концентрация красителя в порах мембраны зависит как от коэффициента распределения красителя в растворе и мембране, так и от скорости трансмембранного потока. Время пребывания красителя в зоне реакции (объем мембраны) также регулируется скоростью потока.

Снижение коэффициента задержки красителя с увеличением трансмембранного потока должно уменьшать степень концентрирования (концентрации) красителя в растворе над мембраной при одинаковых степенях отбора пермеата. Однако, как видно из рис. 3, увеличение концентрации красителя над мембраной наблюдается, начиная только со скоростей трансмембранного потока более 20 дм3 / м2год.

Рис. 3. Зависимость концентрации красителя вофоланового красного над мембраной и в общем объеме фильтрата от скорости трансмембранного потока. Степень

Загрузка...

Страницы: 1 2 3






Ещё Рефераты по вашей теме

Основы теории автоматической коррекции систематических погрешностей измерения физических величин при нестабильной и нелинейной функции преобразования датчика - Автореферат
ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ ОСНОВНЫХ СРЕДСТВ И ЕГО Финансовое обеспечение НА ПРЕДПРИЯТИЯХ железорудной промышленности УКРАИНЫ - Автореферат
Антикризисный менеджмент в условиях рыночной трансформации экономики - Автореферат
Конституционно-правовые основы самоуправления в городах областного значения - Автореферат
ФОРМИРОВАНИЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНЫХ речевых умений СТУДЕНТОВ ИНОСТРАННОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ СРЕДСТВАМИ комплексных дидактических игр - Автореферат
Повышение аэродинамической эффективности работы ветроустановок - Автореферат
СИНТЕЗ И ИССЛЕДОВАНИЕ электрофизические свойства керамики на основе диоксида ВАНАДИЯ - Автореферат