Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ДЕМИНЕРАЛИЗАЦИИ НЕЙТРАЛИЗАЦИОННЫМ ДИАЛИЗОМ РАСТВОРА СМЕСИ АМИНОКИСЛОТЫ И СОЛИ

Изобретение относится к способу очистки аминокислот, в частности, от минеральных компонентов, содержащихся в промывных водах микробиологического производства.

Известны способы выделения и очистки аминокислот из смешанных растворов с минеральными солями ионным обменом [1] и электромембранными методами [2, 3]. Недостатком ионного обмена является необходимость химической регенерации ионообменных мембран, которая приводит к загрязнению окружающей среды, а электродиализ требует высоких затрат электроэнергии.

Наиболее близким по совокупности признаков к описываемому способу является применение нейтрализационного диализа при извлечении электролитов [4-6], разделении слабых кислот и оснований [7]. В работе [8] установлены возможные потери алифатической аминокислоты глицина через катионо- AMV и анионообменную CMV мембраны при нейтрализационном диализе ее индивидуального раствора.

Однако нейтрализационный диализ ранее не был использован как способ деминерализации смешанных растворов аминокислоты с солями.

Задача, на решение которой направлено данное изобретение, заключается в повышение эффективности разделения раствора смеси фенилаланина и хлорида натрия.

Технический результат заключается в способе селективного извлечения ионов электролита из смешанного раствора с фенилаланином стационарным нейтрализационным диализом с профилированными ионообменными мембранами разной природы фунциональных групп.

Технический результат достигается тем, что способ деминерализации нейтрализационным диализом смешанного раствора аминокислоты и соли включает подачу раствора смеси в среднюю секцию трехсекционного диализатора, ограниченную мембранами с разной природой фунциональных групп с геометрически неоднородной профилированной поверхностью, подачу раствора кислоты в режиме противотока через смежную с катионообменной мембраной секцию, а через смежную с анионообменной мембраной - раствора щелочи.

Предлагаемый способ предназначен для селективного извлечения ионов электролита из смешанных растворов хлорида натрия и фенилаланина нейтрализационным диализом с использованием катионообменной и анионообменной мембран с геометрически неоднородной профилированной поверхностью. Гетерогенная сильнокислотная сульфокатионообменная мембрана представляет собой композицию из полиэтилена и сульфированного сополимера стирола и дивинилбензола, гетерогенная анионообменная смешанной основности мембрана является продуктом поликонденсации полиэтиленполиамина с эпихлоргидриномом. Способ профилирования гетерогенных мембран в набухшем состоянии разработан и защищен патентом [9]. Профилированные ионообменные мембраны отличаются улучшенными транспортными характеристиками за счет увеличения поверхности массообмена и возможности турбулизации потока раствора на элементах профиля. По сравнению с гладкой мембраной доля активной ионопроводящей поверхности для профилированных мембран больше в два-три раза, а влагоемкость на 30%. Мембраны кондиционировали в соответствии с общепринятой методикой [10], а затем переводили в требуемую ионную форму: катионообменную мембрану - в водородную, а анионообменную - в гидроксильную.

Способ деминерализации нейтрализационным диализом смешанных растворов фенилаланина и хлорида натрия выполняли в плоскокамерном диализаторе непрерывного действия, схема которого представлена на фиг. 1. Корпус диализатора был изготовлен из органического стекла и состоял из трех блоков-секций, разделенных катионообменной (МК) и анионообменной (MA) мембранами. Рабочая высота мембраны составляла 4,3 см, расстояние от мембраны до параллельной ей стенки кюветы составляло 0,6 см, ширина рабочей части мембраны 1,8 см. Исходный раствор (диализат) подавали в секцию 3 аппарата снизу вверх со скоростью 4,5⋅10^-2 см/с, а через смежную с катионообменной мембраной приемную секцию 2 в режиме противотока пропускали раствор кислоты (диффузат), в секцию 1, смежную с анионообменной мембраной - раствор щелочи (диффузат) со скоростью 5,8⋅10^-3 см/с. Выбор соотношения скоростей обусловлен необходимостью получения воспроизводимых результатов при контроле изменения концентрации компонентов в секциях диализатора. Нейтрализационный диализ осуществляли в стационарном режиме, достижение стационарного состояния определялось по постоянству концентрации компонентов в вытекающем из приемной секции растворе (пермеате).

Модельные растворы готовили из реактивов классификации «ч.д.а.». Нейтрализационный диализ проводился из растворов, в которых аминокислота находилась преимущественно в виде биполярных ионов, так как величины pH исследуемых растворов имели значения 5,20-5,60, близкие к величине изоэлектрической точки фенилаланина pI=5,91. Выбранный диапазон концентраций хлорида натрия и фенилаланина в смешанных эквимолярных растворах составил 0,0010-0,1500 моль/дм³, максимальное значение концентрации ограничено растворимостью фенилаланина. Концентрации растворов соляной кислоты и гидроокиси натрия в диффузате составляли 0,3 М.

Контроль изменения концентрации аминокислоты в приемной секции осуществлялся спектрофотометрически на спектрофотометре СФ-46 при длине 257 нм, ионов натрия - методом эмиссионной фотометрии пламени на пламенно-фотометрическом анализаторе жидкостей ПАЖ-1, хлорид-ионов - методом аргентометрии.

На фиг. 2 представлены концентрационные зависимости потоков ионов натрия (1), хлорид-ионов (2) и фенилаланина (3, 4) при нейтрализационном диализе эквимолярных смесей через профилированные мембраны МК-40 (1, 3) и МА-40 (2, 4) при концентрации кислоты и щелочи в диффузате C₀(HCl)=C₀(NaOH)=0,3M.

Причиной значительного превышения потоков минеральных ионов по сравнению с аминокислотой во всем диапазоне концентраций является сохранение биполярной формы фенилаланина в растворе диализата, имеющего значение рН=5,80-6,50, вследствие переноса ионов водорода через катионообменную и гидроксид-ионов через анионообменную мембраны из растворов диффузата. При нейтрализационном диализе раствора смеси минерального компонента и аминокислоты между водородными противоионами катионообменника и катионами металла, а также между гидроксильными противоионами анионообменника и анионами металла протекают реакции ионного обмена. Ионы натрия (хлорид-ионы) из раствора диализата переходят через катионообменную (анионообменную) мембрану в раствор диффузата, а ионы водорода (гидроксила) кислоты (щелочи) переносятся в противоположном направлении.

Концентрационная зависимость фактора разделения S_F биполярных ионов фенилаланина и минеральных ионов (хлорид-ионы - кривая 1, ионы натрия - кривая 2), вычисленного как отношение концентраций минерального компонента и аминокислоты в вытекающем из приемной секции растворе к их отношению в растворе, поступающем в исходную секцию, при нейтрализационном диализе их эквимолярных смесей представлена на фиг. 3.

С увеличением концентрации смешанных эквимолярных растворов хлорида натрия и фенилаланина наблюдалось падение фактора разделения как для катионообменной, так и для анионообменной мембран. Однако для всего исследуемого диапазона концентраций был характерен селективный перенос минеральных ионов по сравнению с аминокислотой, максимальные потери которой составили менее 0,3%.

Источники информации

1. Ионообменные методы очистки веществ // Под ред. Г.А. Чикина, О.Н. Мягкова. Воронеж: ВГУ, 1984. 372 с.

2. Заболоцкий В.И., Гнусин Н.П., Ельников Л.Ф. Исследование процесса глубокой очистки аминокислот от минеральных примесей электродиализом с ионообменными мембранами // Журн. прикл. химии. 1986. Т. 59. С. 140.

3. Sato K., Sakairi T., Yonemoto T., Tadaki Т. The desalination of mixed solution of on amino acid and an inorganic salt by means of electrodialysis with charge-mosaic membranes // J. Membrane Sci. 1995. Vol. 100. P. 209-216.

4. U.S. Patent 4,769,152. Process for removing electrolyte / Igawa M., Echizenya K., Hayashita T., Seno M.; date of patent 06.09.1988, appl. No 10,948.

5. Denisov G.A. Theoretical analysis of neutralization dialysis in the three-compartment membrane cell / G.A. Denisov, G.A. Tishchenko, M. Bleha, L.K. Shataeva // J. Membr. Sci. - 1995. - V. 98, №1-2. - P. 13-25.

6. Igawa M. Transport Characteristics of Neutralization Dialysis and Desalination of Tap Water / M. Igawa, K. Mikami, H. Okochi // Bull. Chem. Soc. Jpn. - 2003. - V. 76. - P. 437-441.

7. Tanabe H. Separation of Weak Acids and Bases by Neutralization dialysis / H. Tanabe, H. Okochi, M. Igawa // Ind. Eng. Chem. Res. - 1995. - V. 34. - P. 2450-2454.

8. Wang G. Transport of glycine by neutralization dialysis / G. Wang, H. Tanabe, M. Igawa // J. Membr. Sci. - 1995. - V. 106. - P. 207-211.

9. Пат. 2284851. Способ профилирования гетерогенных ионообменных мембран / Заболоцкий В.И., Лоза С.Α., Шарафан М.В.; заявитель и патентообладатель: Общество с ограниченной ответственностью ИП «Мембранная технология» (Краснодар, РФ); приоритет 24.01.2005; опубл. 10.10.2006, Бюл. №28.

10. Березина Н.П. Физико-химические свойства ионообменных материалов: практикум. Краснодар: изд-во Кубанского гос. ун-та, 1999. 82 с.