Использование полиэлектролитных флокулянтов в процессе концентрирования дрожжевых суспензий

05.06.2015

Принципиальная способность полиамфолитов к флокулирующему действию в дисперсиях биологических систем была рассмотрена на примере полиамфолитов - сополимеров акриловой кислоты с 2-метил-5-винилпиридином (АК-2М5ВП). Основной задачей в данном эксперименте являлось сопоставление изменения поверхностной активности и состояния полиамфолита в растворе с эффективностью извлечения клеток из дрожжевых суспензий.
Были выбраны следующие водорастворимые полимеры: катионный полиэлектролит - поли-М-этил-2-метил-5-винилпиридин бромид — ПЭМВПБ (Мη = 3,2*10в5); анионные полиэлектролиты: полиакриловая кислота - ПАК (Мη = 2,8*10в5, полиметакриловая кислота -ПМАК (Мη = 3*10в5, полифторакриловая кислота - ПФАК (Мη = 2,4*10в5; амфотерные нолиэлектролиты: сополимер акриловой кислоты с 2-метил-5-винилпиридином - АК-2М5ВП (Мη = 2*10в5, фталоированная желатина - ФЖ (Mη = 8,4*10в4); неионогенный полиэлектролит полиакриламид - ПАА (Мη = 2,8*10в6).
Для лабораторных исследований использовали суспензии этанолокисляющих дрожжей, р. Candida lambica, выращиваемых на синтетической питательной среде, содержащей 1 % этанола. Культивирование проводили на качалке в колбах в течение 12 ч при 34 °С. В промышленных условиях использовали суспензии дрожжей р. Candida utilis, выращиваемых на полусинтетических этанолсодержащих средах. Содержание дрожжей - 18-20 г/л, pH = 5-5,6; температура 32-34 °С.
Изучение устойчивости клеточных суспензий при воздействии различных факторов осуществляли с помощью турбидиметрии. Исследования проводили на спектрофотометре «Specol-10» с приставкой ЕК-5, предназначенной для измерения экстинкции жидкостей, в кюветах с толщиной слоя 1-5 см для длины волны λ = 540 нм при температуре 25±0,1 °С. Значения оптической плотности суспензий D устанавливали равными 0,84, что обусловливалось устойчивостью систем и удобством проведения снектро-фотометрических измерений. Опыты проводили в трех повторностях, разброс значений не превышал 5 %. Мутность системы дрожжевая суспензия-полимер рассчитывали по формуле
τ = 2,3D/l.

Достижение равновесных значений мутности системы г происходило через 20-30 мин после введения флокулянта. Как видно из рис. 2.14, зависимости мутности системы т и поверхностного натяжения σ на границе раздела жидкость-газ для СП-3 и СП-1 от величины pH среды носят симбатный характер, что свидетельствует о существовании взаимосвязи между поверхностной активностью сополимера и его флокулирующей способностью. Но наблюдается сдвиг оптимальных значений pH, соответствующих наиболее эффективному разделению системы, относительно изоэлектрической точки полиамфолита. Очевидно, что существенным фактором агрегации клеток дрожжевых суспензий полиэлектролитами будет не только их поверхностная активность на межфазной границе, но и состояние полимера в растворе (его конформация и ионизация). Поэтому наиболее эффективным условием агрегации клеток будет совокупность максимальной поверхностной активности и наличия определенного положительного заряда на макромолекулярной цепи для компенсации отрицательного заряда клеточной поверхности.
Измерение электрофоретической подвижности клеток проводили методом микроэлектрофореза. Измерения осуществляли на автоматическом измерительном микроскопе PARMOQVANT 2 (фирма Karl Zeiss Iena, ГДР) в режиме фазового контраста при 20 °С; сила тока - 3-5 А, погрешность измерений - 2 %.
Для определения равновесных значений поверхностного натяжения клеточных суспензий использовали метод Вильгельми, который среди существующих методов выделяется простотой и надежностью.
Оценку флокулирующего эффекта в условиях промышленной технологии проводили с помощью контроля за продвижением границы раздела частиц дисперсной фазы в мерных цилиндрах. Этот метод широко применяется в системах с небольшой полидисперсностью частиц по размерам, где возможна четкая фиксация фронтальной границы продвижения частиц. Наряду с этим - как количественный критерий флокулирующей способности полиэлектролитов - использовался параметр Д30%, вычисляемый по формуле
Д30% = [(t0/t1) - 1],

где t0 и t1 — значения времени осветления мерного цилиндра с биосуспензией на 30 %, соответственно без добавки и с добавкой полиэлектролитов.
Важной характеристикой биосуспензий является их устойчивость. Оценку устойчивости биосуспензий но аналогии с дисперсными системами осуществляют по изменению мутности или величины оптической плотности изучаемой системы. Возрастание мутности свидетельствует об агрегации частиц, что позволяет следить за развитием процесса в системе до седиментации частиц. Исследования дрожжевых суспензий в лабораторных условиях показали, что существенного изменения мутности биосуспензий не происходит в течение 4 ч. Это свидетельствует о том, что клетки остаются свободно-дисперсными, а система является седиментационно-устойчивой.
Изучение влияния величины pH на устойчивость дрожжевых суспензий показало, что потеря устойчивости клеточных суспензий наблюдается при pH 6,5 и выше и сопровождается периодом агрегации клеток, затем происходит стабилизация системы и осаждение клеточных агрегатов. Изменение величины оптической плотности суспензий в зависимости от pH имеет сложный характер, что объясняется, по-видимому, действием как электростатического, так и неэлектростатического факторов устойчивости (рис. 4.1).
Использование полиэлектролитных флокулянтов в процессе концентрирования дрожжевых суспензий

При значениях pH от 2,6 до 9 происходит фазовое расслоение культуральной жидкости (КЖ). Новая фаза образуется белками и солями, например, фосфатами, карбонатами, теряющими растворимость в щелочном диапазоне pH.
Электрокинетические исследования позволили установить экстремальный характер зависимости ζ-потенциала клеток от pH КЖ. Электрокинетический потенциал имеет максимальное значение при pH культивирования (рис. 4.1), кривая 1. Смещение pH в кислую область сопровождается резким снижением электро-кинетического потенциала клеток, что, видимо, можно объяснить смещением кислотно-основного равновесия диссоциации ионогенных групп клеточной поверхности.
Таким образом, потеря устойчивости систем клетки (КЖ) протекает в несколько этапов.
Начальный этан состоит в адсорбции на клеточной поверхности нерастворимых в щелочной области значений pH продуктов метаболизма и солей, что приводит к снижению электрокинетического потенциала клеток.
Затем следует период скрытых изменений, определяемый неэлектростатической природой взаимодействий, после чего происходит седиментация клеточных агрегатов. Такой механизм подтверждают результаты микроскопических исследований.
Изучение поверхностных свойств систем позволило выявить их взаимосвязь с электрокинетическими свойствами. Очевидно, что это связано с фазовым расслоением системы в щелочной области pH, а также с изменением конформации и ионизационных свойств поверхностно-активных веществ, формирующих границу раздела жидкость—газ.
Полученные результаты позволили установить эффективное флокулирующее действие амфотерных и катионных полимеров, что привело к существенному снижению времени разделения клеточных суспензий, увеличению степени осветления надосадочной жидкости и образованию более плотного осадка по сравнению с действием фактора pH (рис. 4.1). Ряд анионных полиэлектролитов, обладающих различной ионогенной способностью, в широком дианазоне значений концентраций и pH не вызывали агрегации клеток. Электрокинетические исследования, проведенные с целью выявления вклада электростатических сил во взаимодействие макромолекул полиэлектролитов с клетками, показали, что анионные полимеры не оказывают влияния на величину ζ-потенциала клеток, что свидетельствует об отсутствии адсорбции макромолекул на клеточной поверхности. Флокуляция клеток полиэлектролитами амфотерного и катионного характера сопровождалась перезарядкой клеточной поверхности, имеющей отрицательный поверхностный заряд, чему предшествовала зона снижения ζ-потенциала.
Эффективность перезарядки определялась наличием положительно заряженных ионогенных групп на макромолекулах (рис. 4.2). Наблюдаемые эффекты свидетельствуют о доминирующем вкладе электростатического фактора в процесс адсорбции макромолекул на клеточной поверхности. Наличие перезарядки клеток свидетельствует в пользу механизма мостичного связывания.
Использование полиэлектролитных флокулянтов в процессе концентрирования дрожжевых суспензий

На основании физико-химических исследований процесса флокуляции клеток полиэлектролитами различной природы была предпринята попытка использования данных флокулянтов в процессе сгущения дрожжевой биомассы в условиях промышленной технологии. Установлено, что эффективным флокулируюш,им действием на клетки обладают полиэлектролиты катионного и амфотерного характера, что согласуется с результатами лабораторных исследований. Неионогенный полиэлектролит проявлял низкую флокулирующую способность. Зависимость эффективности процесса флокуляции клеток от pH КЖ носит экстремальный характер, что видно из данных табл. 4.1.
Для амфотерных полиэлектролитов оптимальные значения pH лежат ниже изоэлектрических точек их макромолекул, что может объясняться преобладанием суммарного положительного заряда на макроцепи, а также переходом макромолекул в более развернутое кон-формационное состояние. По аналогии с результатами лабораторных исследований выявлены области концентраций нолиэлектролитов, при которых достигается оптимальный флокулируюьций эффект (табл. 4.2).
В отличие от катионного полимера ПЭМВПБ, для полиэлектролитов амфотерного характера оптимальный флокулируюш,ий эффект достигался в достаточно широкой области концентраций, что является важным в условиях производства, где возможные отклонения в концентрации биомассы не должны оказывать большого влияния на производительность процесса.
Использование полиэлектролитных флокулянтов в процессе концентрирования дрожжевых суспензий

Из рассматриваемых полиэлектролитных флокулянтов наиболее перспективным в практическом отношении является ФЖ, не оказывающая токсичного действия на животных. Поэтому ФЖ была использована авторами при разработке процесса сгущения этаполокисляющих дрожжей, опытное внедрение которого проведено на одном из заводов отрасли.
В процессе опытного внедрения, исходя из аппаратурного оформления процесса, была использована следующая технологическая схема (рис. 4.3).
Использование полиэлектролитных флокулянтов в процессе концентрирования дрожжевых суспензий

В инокуляторе отделения чистой культуры (2) готовится 0,1 % водный раствор ФЖ, который подается в газоотделители (3), где происходит его смешение с КЖ, поступающей из ферментеров (7).
В напорном баке (4) осуществлялось «дозревание» образованных агрегатов, после чего суспензия подавалась на сепараторы (5).
Результаты, полученные при разработке процесса сгущения биомассы, приведены в табл. 4.3, 4.4. Из этих данных видно, что реагентная обработка дрожжевых суспензий перед стадией сепарации, позволяющая получать прочные и крупные клеточные агрегаты, вызывает резкое улучшение сенарационного разделения и устраняет уносы клеточной биомассы.
Использование полиэлектролитных флокулянтов в процессе концентрирования дрожжевых суспензий

Состав осветленной КЖ соответствует допустимым нормам, что позволяет осуществить ее возврат на стадию ферментации. Значение химического показателя кислорода (ХПК) стоков снижается но сравнению с контролем в 1,6 раза. Наибольшая эффективность сгущения дрожжевой биомассы достигалась при концентрации ФЖ 0,005 % и pH суспензии 4,0-4,2. При оптимальных условиях флокуляции концентрация дрожжей после группы сепараторов увеличивается от 356 до 492 г/л. Видно, что использование реагентной обработки дрожжевой суспензии флокулянтом ФЖ позволило повысить коэффициент сгущения сепараторов в 2,2—4,5 раза. Коэффициент сгущения сепаратора с диаметром фильер 1,4 мм при оптимальных условиях введения ФЖ был равен 18,2 (5,6 в контроле).
Использование полиэлектролитных флокулянтов в процессе концентрирования дрожжевых суспензий

Таким образом, проведенные исследования показали, что эффективными флокулянтами дрожжевых суспензий могут являться полиэлектролиты катионного и амфотерного характера, что указывает на важность электростатического фактора в явлении клеточной агрегации. Использование амфотерного полиэлектролита ФЖ, являющегося модифицированным белком, позволило повысить производительность стадии концентрирования дрожжевой биомассы более чем на 40 % и может быть рекомендовано к широкой апробации на заводах отрасли.