Модифікування полісульфонових мембран з альфа-амілазою, інкорпорованою в полімерні міцели

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВСТУП

Процес біокаталізу полягає у перетворенні субстрату в корисні продукти за допомогою ферментів в гомогенних чи гетерогенних системах. Як і у всіх інших хімічних процесах відділення реагентів від продукції та регенерація і повторне використання каталізатора є важливим кроком, що значно зменшує собівартість процесу. Мембранні реактори надають можливість інтегрувати каталітичну конверсію, відділення продукту і/або його концентрування та регенерацію каталізатора в одній технологічній операції.

Більшість ферментативних процесів промислового використання в даний час проводять в реакторах періодичної дії. Однак, вони мають ряд відомих недоліків та обмежень, такі як висока вартість робочої сили, часті процедури запуску і вимкнення, а також необхідність відновлення ферменту або ферментного препарату після кожної партії товару. Використовуючи іммобілізовані ферменти, можна оперувати ферментними процесами безперервно з відповідними перевагами, такими як кращий контроль процесу, підвищення продуктивності, одержання більш однорідної продукції та інтеграції стадії очищення у процес. Іммобілізації ферментів можна досягнути шляхом хімічного або фізичного прищеплення до твердих поверхонь. Проте останнім часом набувають поширення мембранні реактори з ферментами, мікрокапсульованими в міцелярні системи, найбільшою з переваг яких є стабільність ферменту та його висока активність за рахунок збереження природньої конформації білка в міцелах. Однак, використання таких реакторів обмежується проблемою забруднення реакційного середовища поверхнево-активними речовинами. Нами було запропоновано іммобілізацію міцел на поверхню полімерних мембран як один із шляхів вирішення цієї проблеми.

Отже, метою роботи було одержати полісульфонові мембрани, модифіковані б-амілазою, інкорпорованою в полімерні міцели на основі триблок-кополімеру.

Відповідно до мети були поставлені такі завдання:

- відпрацювати методику іммобілізації полімерних міцел з б-амілазою на поверхню полісульфонових мембран;

- дослідити вплив тривалості процесу УФ-опромінення на каталітичну активність ферменту;

- дослідити транспортні та каталітичні характеристики модифікованих мембран щодо розчину крохмалю.

РОЗДІЛ 1. ОГЛЯД ЛІТЕРАТУРИ

1.1 Міцели та їх характеристики

Міцела - це продукт асоціації, який утворюється у водних розчинах завдяки силам міжмолекулярного притягання, які зумовлюють асоціацію вуглеводневих ланцюгів, які містять кілька десятків молекул і мають загальну молекулярну масу 12000-22000 г/моль. Радіус сферичної міцели такий самий як довжина повністю розтягнутого мономера, в основному радіус 1-3 нм, через це міцели мають колоїдну ступінь дисперсності [1,2].

Процес утворення міцели називається міцелоутворенням. У результаті міцелоутворення неполярні ланцюги утворюють ніби вуглеводневу краплю, екрановану направленими у воду полярними групами. Стан міцели відповідає найбільшому зменшенню вільної енергії [3,4] .

Розміри міцели обмежуються силами електростатичного відштовхування між наближеними йоногенними групами. Рівновага асоціації між міцелами і окремими молекулами і ступінь їхньої іонізації залежить від концентрації, температури, pH, наявності електролітів у розчині [5,6].

Міцели містять внутрішнє ядро, утворене скупченням гідрофобних сегментів, які здатні до солюбілізації (розчинення) ліпофільних розчинів і зовнішньої гідрофільної корони, яка слугує стабілізатором внутрішньої поверхні між гідрофобним ядром і зовнішнім водним середовищем. Ґрунтуючись на меті доставки, ми можемо обрати розмір, заряд і властивості поверхні цих носіїв просто додаючи нові інгредієнти до мікстури з амфіфільних рідин перед приготуванням міцел і/або варіюючи препараційні методи [7,8].

Унікальність міцел як нанорозмірної фази, що утворюється колоїдними ПАР, у тому, що вона практично не має макроскопічного аналогу. Прикладами міцелярних систем є прямі і зворотні міцели, мікроемульсії(масло/вода і вода/масло), везикули, ліпосоми, ліпідні мембрани, плівки Ленгмюра-Блоджетт, рідкі кристали та інші системи [5]. Утворення міцелярних систем не пов'язано з виникненням міжмолекулярних зв'язків, тому вони є самоорганізованими наносистемами, що мають супрамолекулярну структуру [3].

1.2 Полімерні міцели

1.2.1 Характеристика полімерних міцел

Використання міцел на полімерній основі притягує багато уваги через велику різноманітність полімерів, їхню біодоступність, біорозпадання і численність функціональних груп, які дозволяють сполучатись сусіднім молекулам. Амфіфільні полімери асоціюють у воді створюючи "полімерні міцели", які містять гідрофобне ядро,яке стабілізується короною з гідрофільних полімерних ланцюгів.

Полімерні міцели можна використовувати як ефективні переносники для сполук ,які мають погану розчинність, небажану фармакокінетику і низьку стабільність у фізіологічному середовищі. Гідрофобна оболонка дуже сприяє фармацевтичній поведінці полімерних утворень підтримуючи міцели у дисперсному стані , а також знижуючи небажані взаємодії ліків з клітинами та білками через стерично-стабілізуючі ефекти.

Розмір полімерних міцел різниться від 10 до 100 нм. Ця топологія є схожою до міцел ПАР, отже можна очікувати,що полімерні міцели розчиняють гідрофобні ліки. Проте, є значні відмінності між двома типами міцел з фізико-хімічної точки зору.

Концентрація полімеру, з якої починається утворення міцел називається ККМ( критична концентрація міцелоутворення) і вона для полімерних міцел нижча на кілька порядків від величини ККМ типових ПАР. Таким чином, полімерні міцели є більш стійкими до розбавлення у біологічних розчинах. Вони можуть підвищувати біодоступність ліків і утримання, поки ліки добре захищені від можливої інактивації під впливом біологічного середовища[9,7,10].

1.2.1.1 Критична концентрація міцелоутворення

У водних середовищах амфіфільні полімери можуть існувати у формі міцел,коли їхня концентрація вище за ККМ, і коли розбавлення нижче цієї концентрації міцели можуть розпадатись. Отже, ККМ є ключовим параметром при утворенні і набутті стабільності полімерних міцел. Деякі із способів визначення ККМ у водних дисперсіях міцел включають вимірювання поверхневого натягу, хроматографію, розсіювання світла, малокутове рентгенівське випромінювання, диференціальну скануючу колориметрію, віскозиметрію і використання флуорисцентних зондів. Для легкого практичного визначення ККМ отримують з ділянок поверхневого натягу як функцію логарифму від концентрації. Кажуть, що ККМ досягнена, коли поверхневий натяг перестає збільшуватись і досягає величини насичення. Багато дослідників зробили ставку на використання пірену як флуорисцентний зонд для оцінки ККМ [11].

1.2.1.2 Розмір, форма міцел та число агрегації

Після утворення міцел корисну інформацію щодо полідисперсності утворених структур добувають перевіряючи міцелярний розчин технікою квазіпружного розсіювання світла. Монодисперсні міцели мають блакитне забарвлення при розсіюванні світла, що свідчить про те, що міцели добреприготовані, та як контрастують з білим кольором агрегатів[12].

Розмір полімерних міцел завжди попадає в колоїдний діапазон. Скануюча електронна мікроскопія(СЕМ) і трансмісійна електронна мікроскопія (ТЕМ) широко використовуються для встановлення розміру і форми блок-кополімерних міцел. Нещодавно розвинена кріо-ТЕМ техніка стає всі більш важливою для характеристики блок-кополімерних міцел у водних середовищах. СЕМ або атомно-силова мікроскопія (АСМ) показують інформацію щодо розподілу розміру, коли представлені хімічно-прикріплені міцели до поверхні . Пряму візуалізацію блок-кополімерних міцел і в сухому стані і безпосередньо "в середовищі" без рідкокристалічнлї комірки можна отримати за допомогою АСМ. Гідродинамічні показники діаметру і полідісперсності міцел отримують використовуючи фотонну кореляційну спектроскопію. Нещодавно характеристики розміру полімерних міцел навантажених лікарськими засобами були отримані використовуючи асиметричні поля течії потоку фракції і структура угрупування була встановлена використовуючи малокутове розсіювання нейтронів [13,14].

Кількість полімерних ланцюгів ,які об'єднуються для створення міцели називається числом агрегацій [15,16]. Число агрегації найпростіше можна виразити формулою:

N_ag =M/M₀

M-це молекулярна маса одної міцели і М₀ -це молекулярна маса полімерної основи. Пряме визначення молекулярної маси міцели використовуючи седиментацію центрифугуванням або іншими техніками може бути занадто важким; однак, оцінити М можна підрахувавши розмір міцели за формулою:

M =4ПN_AR³/3n²

Де R-це радіус міцели, N_A -це число Авогадро, n²-частковий специфічний об'єм полімеру. Використовуючи другий підхід N_ag можна вирахувати шляхом визначення гідродинамічного радіусу міцели та вимірюванням внутрішньої в'язкості, як вказано у наступній формулі:

Nag =10ПR_н³N_A/3[з]M

де R_н - це гідродинамічний радіус і [з] -внутрішня в'язкість. Число агрегацій для міцели завжди варіюється від десятків до сотень, але може і достягати тисяч[17-19]. Більшість полімерних міцел мають сферичну будову і їх розміри лежать в діапазоні 10-200 нм [20]. Структура, молекулярна маса і молекулярно-масовий розподіл між гідрофільними і гідрофобними сегментами полімерної основи мають прямий вплив на розмір та форму міцел. В основному, коли гідрофільний сигмент полімеру (корона) довший ,ніж гідрофобний сигмент полімеру (ядро), сферичні міцели збираються в угрупування; однак, збільшення кількості кристалічних складок у ядрі призводить до зниження скупчення корони, і до збільшення стержневидної морфології. Так як міцели є фізично утвореними структурами ,зміни в середовищі завжди мають вплив на розмір та ,а отже впливають на стабільність міцели. Також розмір міцел визначається молекулярною геометрією індивідуальних ланцюгів , які знаходяться під впливом умов розчину таких як йонна сила, pH, температура, і концентрація полімеру [17].

1.2.1.3 Солюбілізація

Міцелярне ядро-це компактне мікро-середовище і центр для залучення нерозчинних у воді молекул-гостей. Гідрофобні молекули можуть бути ковалентно включені до блок-кополімерів або фізично-включені у гідрофобне ядро міцели. Процес солюбілізації веде до збільшення їхньої розчинності у воді, а отже і біодоступності [21]. Завжди можна спостерігати,що поглинання шлунково-кишечним трактом часточок істотно залежить від розміру часточок. Було відзначено, що у 15-250-разів більш високу ефективність поглинання ШК-трактом мають часточки приблизно 100 нм у діаметрі, ніж часточки розміром з мікрометр [22]. Таким чином, полімерні міцели (нанорозмірні) піднімають поглинання і підвищують біодоступність.

Ступінь солюбілізації базується на процесі міцелізації, сумісності між ліками та ядро-утворюючим блоком, довжиною ланцюга гідрофобного блоку, концентрацією полімеру та температурою [23]. Вище ККМ, відбуваєтьтся різке збільшення солюбілізації ліків ,так як стає більше простору для утворення агрегатів гідрофобними частинами міцел.Коли ліки займають ядерну ділянку ,це призводить до підвищення Re міцели. Важливо зазначити,що ядерна ділянка має обмежену здатність для розміщення солюбілізату, наприклад, Pluronic P85 має ядерну дяліянку,яка займає 13% від усієї ваги міцели [24]. Вплив на солюбілізаційну здатність довжини гідрофобного блоку було розглянуто для грізеофульвіну у міцелі кополімеру поліоксиетилену та поліоксибутилену варіюючи довжини гідрофобних блоків та гідрофільних блоків у достатній кількості для формування сферичних міцел. З цього слідувало те, що солюбілізаційна здатність ґрунтується на довжині гідрофобного блоку до певної міри (15 гідрофобних блоків), після якої солюбілізаційна здатність досягає насичення[25].Також вивчався вплив довжини гідрофобного блоку на солюбілізацію толуену у диблоку або триблоку поліуритановому ПАР. Був зроблений висновок, що солюбілізаційна здатність поліуританового ПАР зростає зі зростанням у гідрофобному сегменті кількості однакових за структурою ланцюгів[26].

1.2.2 Міцелярна структура

Полімерні міцели формуються з амфіфільних кополімерів, що мають гідрофільний блок і гідрофобний блок . Будова амфіфільного кополімеру може виявлятись у наступних можливих формах міцелах [7]:



Рис. 1. Різні міцелярні форми які можуть формуватись спонтанно у водному середовищі при різній будові кополімерів

1.2.3 Полімери для одержання полімерних міцел

Можна використовувати численні полімери для одержання полімерних міцел, з варіацією гідрофільних та гідрофобних блоків використовуючи експансивну бібліотеку для можливих засобів доставки лікарських засобів. Перед тим як доставляти ліки за допомогою полімерів і для подальшого перетравлення їх у організмі, вони повинні бути схвалені міністерством харчування та ліків. Ці вимоги обмежують вибір різних блоків, тому що легше розробити нову технологію, використовуючи вже схвалені міністерством харчування та ліків засоби для доставки ліків. В основному, для фармацевтичного застосування, амфіфільні полімери повинні демонструвати біосумісність та не токсичність [7].

Існує широкий вибір полімерів з гідрофільними блоками. Найбільш частіше використовують полі(етиленгліколь) (ПЕГ) через те,що він не дорогий, має низьку токсичність є хорошим стеричним протектором для багатьох біологічно активних макромолекул. ПЕГ також використовують у засобах доставки , які вдосконалені регулюючими агентами для внутрішнього застосування[27]. Не зважаючи на те, що ПЕГ не піддається біологічному розкладанню ,він легко виводиться з організму видільними шляхами ,якщо його молекулярна маса нижче 15 кДа [7].Майже всі сьогоднішні пошуки фокусуються на ланцюгах ПЕГ різної молекулярної маси ,але також можна використовувати і інші полімери. Такими полімерами, що викликають зацікавленість є полі(N-вініл-2-піралідон) та полівініловий спирт. Вони обидва є біосумісними і по розчинності у воді є близькими до ПЕГ [7].Якщо потрібна термостійкість та стійкість до pH середовища ,то використовують полі(N-ізопропілакриламід)[27].

Деякі полімери стикаються з вимогами фармацевтичного застосування до гідрофобного формуючого ядро блоку. Більшість таких полімер з родини поліестерів та поліамінових кислот [28]. Найбільш часто у наукових дослідженнях використовують полі(пропілен оксид), полі(капролактон),полі(L-лактанова кислота), полі(лактан-ко-гліколева кислота),полі(аспарагінова) кислота,полі(глютамінова кислота),полі(L-лізин) та різні полі(акрилати)[24-26]. Основна відміність між ними це те, чи бажана наявність заряду чи ні і стабільність зв'язку для контрольованого вивільнення. Багато з вищевказаних полімерів розпадаються на мономери ,які і так наявні у організмі і які затверджені міністерством харчування та ліків. Одним з прикладів таких полімерів є полі(лактан-ко-гліколева кислота) ,який і біосумісний і такий, що біорозкладається ,розкладаючись на ліктанову та гліколеву кислоту , які є продуктами метаболічного розпаду у організмі. Це самі ті дві різні опції для двох блоків ,що роблять полімери для налаштування даного лікарського препарату[27].

Міцело-формуючі амфіфільні кополімери можуть бути і блок-кополімерами(ди-,три- або тетра-), так і графт-кополімерами. Графт-кополімер є таким,що включає в себе полімерний ланцюг як основу і інший полімерний ланцюг як "прищеплену" частину. Такі кополімери зазвичай демонструють якості і основи і "прищепленої" частини."Клік"-реакції (селективні реакції для швидкого синтезу нових з'єднань через гетеро атомні з'єднання (С-X-C)) з'явилися як засіб для вбудовування ланцюгів полімеру у полімерну основу для отримання чітко визначеного графт-кополімеру [29]. Таблиця 1 показує різні можливі структури амфіфільних кополімерів з характерними представниками кожного класу.

Табл.1 Структури кополімерів та їх представники

У водних розчинах завжди сферичні міцели формуються само-агрегацією амфіфільного ди-блоку типу АВ або три-блоку типу АВС,коли довжина одного гідрофільного блоку перевищує в деякій мірі довжину гідрофобного блоку. Але, якщо довжина гідрофільного блоку занадто велика, кополімери знаходяться у воді як індивідуальні молекули (мономери) ,і молекули з розтягнутими гідрофобними блоками утворюють різні структури. Приклади різних амфіфільних кополімерів ,що були досліджені для утворення міцел показані у Таблиці 2.

Табл.2 Амфіфільні кополімери, що були досліджені для утворення міцел

1.2.4 Полімерні міцели, чутливі до факторів навколишнього середовища

Мікросередовище-основний фактор, який впливає на утворення міцел та їх стабільність. Два основні методи міцелізації - це діаліз і випаровування співрозчинника. У першому методі полімер розчиняють у органічному розчиннику ,який потім забирають діалізом з водного буферу. У другому методі полімер розчиняють у суміші органічного та водного розчинників, органічний розчинник потім забирають розпилюючим сушінням або у роторному випарнику. Щоб продемонструвати залежність міцелізації від препараційного методу, були проведені дослідження,які показали, що міцели приготовані цими двома способами мають істотну різницю у розмірах і розподілі як було визначенодинамічним лазерним розсіюванням світла. Міцели, приготовані випаровуванням співрозчинника були менші (приблизно 30 нм) і більш рівномірні за індексом полідисперсності (ПІ), який становив 0,07, в той час як міцели отримані діалізом були більші(приблизно 110нм) і більш дисперсними з ПІ=0,27. Важають, що різниця у розмірах залежить від шляху утворення і може бути результатом змін у темпі досягнення рівноваги . Відмінність у розмірах міцел, яка базується на препараційному методі цікаве питання для дослідження. Дослідження цього питання показало , що навіть малі зміни (температури, зміни молекулярної маси відрізку діалізної мембрани) у препараційному методі мають сильний вплив на розмір міцел [30].

Зміни у умовах розчинення мають відчутний вплив на ККМ та розмір міцел,які формуються. Дослідження утворення полі(молочної-ко-гліколевої кислоти)-полі(етилен гліколевих) міцел проводили у розчинниках різного складу змінюючи тип і концентрацію органічного розчиннику для солюбілізації полімерного ланцюга для даної розчиннико-водної системи.Чотири різні розчинники з різним ступенем змішування з водою -ТГФ(тетра-гідрофуран), ДМФ(диметилформамід),ацетон та ацетонітрил-використовувались у дослідженні. Результати показують основне співвідношення між змішуванням води і розчинника та розміром міцели ,де збільшення змішування призвело до зменшення розмірів міцел. Такі ж результати були отримані при дослідженні впливу вибору розчинника на розмір та дисперсність міцел, сформованих з метокси полі(етилен оксид)-блок-полі-капролактан [31]. Використання ацетону як органічного розчинника веде до утворення міцел з діаметром 87,8±9,4 нм із відносно рівномірним розподілом з індексом полідисперсності =0,11. На відміну від ацетону, при використанні ТГФ у якості органічного розчинника утворені міцели були більшого розміру ,приблизно 109±29 нм і також були більш дисперсними ,їхній індекс полідисперсності становив 0,52. Обидва з вищезазначених прикладів дали прекрасні рекомедації для вибору співрозчинника при міцелізації.

Вплив температури на внутрішньо-міцелярні рухи ланцюга. Наприклад, полі-DL-лактидне ядро полі-(етилен гліколь)-полі-DL-лактидної міцели стало більш мобільним при температурах вище температури склування. Як результат ККМ зростає при більшій температурі, що демонструє залежність впливу температури на термодинамічну стабільність.

Міцелоутворення - вкрай чутливий процес сприйнятливий до впливів багатьох внутрішніх і зовнішніх чинників. Навіть коли формується стабільна міцела ,можуть бути ускладнення при ліофілізації, які виникають, при недостатньому охопленні ПЕГу або інших гідрофільних компонентів[32].

1.3 Концентраційна поляризація

1.3.1 Модель гель-поляризації

Першою запропонованою моделлю ,яка б пояснювала ефекти концентраційної поляризації при ультрафільтрації(UF),була модель гель-поляризації[33].Основним припущенням цієї моделі було те, що вище певного значення рабочого тиску , швидкість проникненя мембрани обмежує наявність гель-шару, який нанесений на поверхню мембрани ,який збільшує ефективну товщину мембрани і , таким чином, знижує її гідравлічну проникність. Наступним припущенням, яке виконується в традиційній версії цієї моделі, було те, що осмотичні тиски високомолекулярних розчинів завжди незначні. Пізніше, деякі дослідники відзначили, що це припущення не є цілком правильним:концентрація макромолекул може мати значний осмотичний тиск ;насправді , осмотичний тиск може бути того ж порядку , що й робочий(прикладений) тиск ,який використовують при ультрафільтрації.[34].

У 1970 році Майкл та його колеги [35] запропонував перший всебічний аналіз концентраційної поляризації при UF і ввів термін "гель-поляризаця". Якщо припустити, що граничний опір потоку знаходиться в динамічно сформованому вторинному або гель-шарі , можливо розрахувати швидкість водопроникності мембрани (потік) на основі масопереносу мембранно-фіксованих зразків (розведені розчини або колоїдні матеріали) з поверхні мембрани в основний потік [36] (рис.2). Тому що динамічний шар гелю , як передбачається, повинен мати фіксовану концентрацію гелю (С_g), але може вільно змінюватися залежно від товщини або пористості (різної проникості або опору потоку). При такому аналізі, потік розчинника (J_v) не буде залежати від сили ,яка керована тиском або проникності мембрани, оскільки опір гель-шару потоку буде налаштовуватись сам-по-собі, доки конвекційний транспорт розчинником нерозподіленого зразку до поверхні мембрани (J_vC) якраз дорівнює зворотньо-дифузійному транспорту [D(dC/dx)](Рис.2).

Рис.2. Схематичне зображення концентраційної поляризації.

Таким чином, у стабільному стані:

Де D-це коефіцієнт дифузії для транспорту розчиненої речовини у розчиннику, С-концентрація мембранно-фіксованої розчиненої речовини або колоїдного зразку і dC/dx -градієнт концентрації розчиненої речовини.

Модель гель-поляризації [Eq.(1)] може бути змінена, якщо задані граничні умови;концентрація розчиненої речовини блія поверхні мембрани фіксується верхньою границею (насиченням ,С_g ), і об'ємна концентрація потоку відома( C_g ). Тоді,

Де д-товщина примембранного шару ,вище якого концентрація розчиненої речовини варіюється. Предбачається, що в умовах, коли дійсна гель-поляризаційна модель, трансмембранний потік є інваріантним (тобто не залежить) щодо падіння трансмембранного тиску або проникності і залежить лише від характеристик розчиненої речовини(D та C_g ) і товщини примембранного шару- д.Слабкість цієї моделі полягає у тому, що завдяки їй неможливо зобразити весь діапазон залежнотсі потоку від тиску. Методи

Дослідження Fluid Management бути спрямовані на зменщення товщини примембранного шару , або , інакше кажучи, у бік збільшення коефіцієнта масопереносу, k, де

Справедливість рівняння (3) була продемонстрована для великої кількості високомолекулярних розчинів і колоїдних зразків. Масопереносо-теплопереносні аналогії добре відомі у хімічній інженерній літературі , зробили можливим оцінку коефіцієнта масопереносу та забезпечення розуміння будови мембрани та умов рідинного потоку ,які можуть бути задані для оптимізації потоку.

1.3.2 Модель осмотичного тиску

Обмеження потоку в моделі осмотичного тиску розглядається як такий, що виникає через збільшений осмотичний протитиск , викликаний високою концентрацією розчиненої речовини у білямембранному просторі.[37].Одна з моделей осмотичного тиску це модель Spiegler-Kedem та розчинно-дифузійна модель .Робочі рівняння цієї моделі [38]



Де

та

де R справжнє відхилення(rejection) Дp падіння тиску при проходженні через мембрану , Др-падіння осмотичного тиску при проходженні через мембрану , у-коефіцієнт відбиття, який зображує відхиляючу здатність мембрани ,(тобто якщо у=0 , це означає ,що немає відхилення і якщо у=1-це означає 100% відхилення ) і P_m -загальний коефіцієнт проникнення. Комбінуючи рівняння (5) та (8) з теоретичною моделлю [рівняння (2)] дають

де б₁=у/(1-у). Використовуючи нелінійний метод оцінки параметрів та експериментальні дані спостереженого відхилення (R₀) і потік розчинника (J_v ) взяті при певному тиску , шидкості подачі і концентрації, параметри мембрани у та Р_м , і k можна вирахувати разом.

1.3.3 Коефіцієнт масопереносу

Більшість моделей, які використовуються для характеристики зворотнього осмосу та ультрафільтрації мембран , такі як осмотично-тискова модель трьох параметрів (Spiegler-Kedem модель) та модель (гель) концентраційної поляризації, використовують коефіцієнт масопереносу для того, щоб підрахувати концентрацію біля мембранної стінки , С_w .

Це співвідношення емпіричнобазоване по Chilton-Colburn аналогії [39,40].

де S_h -число Шервуда , d_n-гідравлічний діаметр каналу потоку, А₁ до А₃-емпіричні константи , R_e -число Рейнольдса і S_c -число Шмідта . Основане на Chilton-Colburn та Deissler аналогії , рівняння (10) можна комбінувати з рівнянням film theory (тобто,гель-шару) [рівняння (3)], щоб отримати

Дозволяє підрахувати C_w , коли k-відомий.

Вищевказані співвідношення запозичені з рівнянь для непористого гладкого канального потоку . Їхнє застосування у випадку мембранних операції було критиковане багатьма авторами оскільки ні пористість ,ні дифузійність через концентраційну поляризацію не беруться до уваги .

Gekas and Hallstrom [41] оприлюднили чудий огляд по адаптації існуючого рівняння Шервуда до мембранний операцій під турбулентним канальним потоком. Їхня робота включала обговорення факторів , які впливають на масоперенос під час зворотнього осмосу або ультрафільтрації , таких як пористість і жорсткість мембранної стінки та зміна коефіцієнта в'язкості та дифузії через сильний концентраційний градієнт. Вони відзначили, що багато з рівнянь представлених в літературі за багатьох умов та типів рідин у турбулентній області мають асимптотичну форму (R_e >10,000 та S_c >100)



де m=1 або Ѕ . Залежність числа Шервуда від фактору тертя (f) являється функцією від типу експерименту і постановляє, що формула Бласіуса , яка співвідносить f з R_e , є в основному більш прийнятною. Як-не-як , у випадку мембранних операцій керованих тиском , виявлено ,що f залежить від пористості та жорсткості стінки , та від потоку пермеату. Проміжок 2,300<R_e <10,000 не є чистим , і нема простого рівняння Шервуда для цього проміжку.

Проблема оцінки коефіцієнту масопереносу ,k, при зворотньому осмосі є дуже важливою. Було винайдено безліч методів, та використання прямих вимірювань, використовуючи оптичні та мікро-електродні методи , непрямих вимірювань, у яких дійсне відхилення підраховується екстраполяцією нескінченної кривої циркуляції, а також непрямі вимірювання , в яких модель концентраційної поляризації комбінована з моделлю мембранного транспорту використовується для підрахунку коефіцієнту масопереносу [33].

РОЗДІЛ 2. ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНА ЧАСТИНА

2.1 Об'єкти та матеріали дослідження

В роботі були використані промислові полісульфонові мембрани UF-PES-030H (Mіcrodyn Nadir, Німеччина) з cut of 30 000 Да.

Рис. 2.1. Структурна формула полісульфону

Для модифікування мембрани використовували :

- Synperonic F 108 - поліетиленгліколь-блок-поліпропіленгліколь-блок- поліетиленгліколь (б-ПЕГ-б-ППГ-б-ПЕГ), молекулярна маса якого 2250 (Fluka, Франція):

Рис. 2.2. структурна формула поліетиленгліколь-блок-поліпропіленгліколь-блок- полі етиленгліколю

- як модельний фермент використовували б-амілазу з Bacillus subtilis (Fluka, Швейцарія).

Даний фермент бере участь в гідролізі б-зв'язків полісахаридів, таких як крохмаль і глікоген, що в результаті перетворюються на глюкозу і мальтозу. б-амілаза - це основна форма даного типу ферментів, знайдена в людському організмі та в організмах інших ссавців, в яких її секреція відбувається за рахунок роботи слинних залоз та підшлункової залози. Вона також міститься в зернах крохмалю та синтезується декількома видами грибів.

Рис. 2.3. Модель структури б-амілази

Для перевірки активності б-амілази використовували:

- крохмаль водорозчинний (Міранда, Україна);

- KI (Міранда, Україна);

- I₂ (Міранда, Україна).

Для визначення ККМ ПАР використовували барвник Судан ІІІ (Sigma-Aldrich, США).

Рис. 2.4. Структурна формула Судану ІІІ

2.2 Прилади та обладнання

- аналітичні терези лабораторні 2 класу моделі ВЛР-200 г (100 мг - 900 мг);

- ваги електронні AD-200 (AXIS, Польща);

- магнітна мішалка IKA ® C-MAG HS 7;

- рН-метр-мілівольтметр рН-150МА;

- спектрофотометр UV-1200 (LAB instech);

- термостат Incucell (BMT, Чехія);

- ультрафільтраційна комірка непроточного типу Amicon 8050 (Milipore, США).

2.3 Методики модифікації мембран та дослідження їхніх транспортних та каталітичних властивостей

мембрана випромінювання модифікація каталітичний

2.3.1 Методика визначення критичної концентрації міцелоутворення поверхнево-активних речовин

Критичну концентрацію міцелоутворення (ККМ) блок-кополімеру визначали фотометричним методом

Для цього готували серію розчинів поліетиленгліколю-блок-поліпропіленгліколь-блок-поліетиленгліколь з концентраціями від 4·10^-3 до 4·10^-2 %. До одержаних розчинів додавали барвник Судан-ІІІ, після чого струшували протягом доби. Після солюбілізації барвника розчини відфільтровували та вимірювали значення оптичної густини при 540 нм. ККМ розраховували з графіку залежності опичної густини від концентрації розчину.

2.3.2 Методика модифікування полісульфонових мембран полімерними міцелами

Для модифікації використовували промислові мембрани з полісульфону Microdyn-Nadir UF-PES-030H. Готували розчин 0,1% ПАР з 1мг/мл -б-амілази.

Розчин залишали струшуватись протягом доби для вбудовування ферменту в структуру міцели. Іммобілізацію міцел проводили адсорбцією з розчинів протягом 30 хв. Модифіковані мембрани відмивали у дистильованій воді протягом 20 діб.

2.3.3 Методика пришивання полімерних міцел до полісульфонових мембран

Прищеплення полімерних міцел з ферментом до поверхні мембран здійснювали за допомогою УФ-опромінення при довжині хвилі 254 нм в комірці для УФ-ініційованого прищеплення (рис. 2.5). Час опромінювання варіювали у межах від 1 до 5 хв.

Рис. 2.5. Комірка для УФ-ініційованого прищеплення: 1 - балон із аргоном, 2 - мембрана, 3 - кварцова комірка, 4 - джерело УФ-опромінення.

2.3.4 Визначення транспортних характеристик мембран

Для визначення розділювальних характеристик мембран (проникності та розділювальної здатності) використовували стандартну циліндричну комірку непроточного типу Amicon 8050, (виробництво Millipore, США). Всі елементи комірки, що контактують з розчинами, виготовлені з некородуючих матеріалів. Схематично установка непроточного типу представлена на рис. 2.6.



Рис. 2.6. Схема ультрафільтраційної установки непроточного типу: 1 - балон зі стиснутим азотом; 2 - газовий редуктор; 3 - манометри; 4 - розподілювач газу; 5 - мембранна комірка; 6 - мембрана; 7 - індикатор швидкості обертання пристрою для перемішування (строботахометр); 8 - збірник фільтрату; 9 - магнітна мішалка; 10 - манометр.

Внутрішній об`єм комірки складав 50 мл, площа робочої поверхні мембрани - 13,4·10^-4 м², робочий тиск від 50 до 350 кПа. Для зниження впливу концентраційної поляризації на процеси розділення комірка обладнана магнітною мішалкою. Швидкість обертання мішалки складала 200±10 об/хв. Досліди з ультрафільтрації проводили при 293±2 К. Робочий тиск у комірці задавали за допомогою стисненого азоту.

Об`ємний потік крізь мембрану (продуктивність мембрани, J_х, л/(м²·год) розраховували за формулою:

J_х = ,

де ДV - об`єм фільтрату, що пройшов крізь мембрану площею S за час Дф.

2.3.5 Методика визначення каталітичної активності б-амілази, інкорпорованої в міцели

Активність б-амілази визначали за ступенем конверсії крохмалю. Для цього під час процесу ультрафільтрації крохмалю різної концентрації відбирали проби пермеату та ретентату (ступінь відбору 80 %). Концентрацію крохмалю визначали за концентрацією комплексу крохмаль-йод УФ-спектрофотометрично при довжині хвилі 580 нм. Ступінь конверсії крохмалю у % розраховували за формулою:

,

де С₀ - початкова концентрація крохмалю; С_t - концентрація крохмалю у пробі.

2.3.6 Методика розрахунку констант масопереносу крохмалю

На першому етапі досліджували продуктивність мембран в діапазоні тисків від 50 до 300 кПа при ультрафільтрації розчинів крохалю з різною концентрацією. Константи масопереносу визначали з рівняння прямої залежності продуктивності мембрани від логарифму концентрації крохмалю.

РОЗДІЛ 3. АНАЛІЗ ТА УЗАГАЛЬНЕННЯ РЕЗУЛЬТАТІВ ДОСЛІДЖЕНЬ

3.1 Визначення ККМ блок-кополімеру

Для одержання полімерних міцел необхідно знати ККМ три-блок-кополімеру, який визначали оптичним методом. З рис. 3.1 можна зробити висновок, що різка зміна значення оптичної густини відбувається у проміжку концентрації від 0,024 до 0,028 %.

Рис. 3.1. Залежність світлопропускання від концентрації розчину б-ПЕГ-б-ППГ-б-ПЕГ

Знаходимо значення концентрації міцелоутворення за пропорцією:

2250 г - 1 моль

0,28 г - x моль

моль/дм³.

Отже, для одержання міцел потрібна концентрація б-ПЕГ-б-ППГ вища за ККМ.

3.2 Модифікування полісульфонових мембран полімерними міцелами з ферментом

На першому етапі дослідження полімерні міцели іммобілізували на поверхню мембран за рахунок адсорбції. Для цього використовували розчини б-ПЕГ-б-ППГ-б-ПЕГ концентрацією від 0,05 до 0,2 %. Однак, такі системи можуть бути нестабільними, тому ми вирішили дослідити вимивання ПАР з міцел, однак опосередкованим методом, вимірюючи продуктивність мембрани за водою через певні проміжки часу зберігання мембрани у воді. Залежність об'ємного потоку від часу вимивання наведена на рис. 3.2.

Рис. 3.2. Залежність продуктивності мембран від тривалості відмивання при різній концентрації ПАР: 1 - 0,05 %, 2 - 0,10 %, 3 - 0,15 %, 4 - 0,20 %.

З рис. 3.2. видно, що система залишається сталою тільки протягом однієї години, що буде призводити до забруднення продуктів блок-кополімером, а також до вимивання ферменту та його втрат. Отже, ми вирішили зробити прищеплення полімерних міцел з ферментом до поверхні полісульфонових мембран за допомогою УФ-опромінення. Однак це може призвести до деструкції білка та втрати його активності. Тому мембрани з адсорбованими міцелами опромінювали не більше 5 хвилин. Введена концентрація б-амілази становила 1мг/мл. Після опромінення стійкість системи до вимивання зберігається протягом 300 годин.

Після опромінення досліджували активність б-амілази за реакцією гідролізу крохмалю. Ми дослідили ступінь конверсії крохмалю у процесі ультрафільтрації у пермеаті та ретентаті. Результати цього дослідження наведені на рис. 3.3.

Рис. 3.3. Залежність ступеню конверсії крохмалю б-амілазою від тривалості УФ-опромінення

Активність ферменту на опромінених мембранах порівнювали з активністю б-амілази на неопроміненій мембрані (0 хв). З рис. 3.3 видно, що найбільша активність ферменту спостерігається при трихвилинному опроміненні, так як ступінь конверсії у ретентаті та у пермеаті 100%. У випадку одно- та двохвилинного опромінення ступінь конверсії у пермеаті 67 та 98%, відповідно, але у ретентаті ступень конверсії різко падає і становить 41 та 56%, відповідно. Якщо опромінювати мембрану більше трьох хвилин, ступінь конверсії знову починає падати. Це можна пояснити денатурацією ферменту під час опромінення або неможливістю підходу високомолекулярного субстрату крохмалю до активного центру ферменту внаслідок занадто сильного зшивання полімеру.

3.3 Дослідження явища концентраційної поляризації на полісульфонових мембранах, модифікованих полімерними міцелами з б-амілазою

Явище концентраційної поляризації та забруднення поверхні мембран є серйозною проблемою при ультрафільтрації високомолекулярних сполук, зокрема і розчину крохмалю. Усі процеси мембранного розділення супроводжуються цим феноменом, при якому склад суміші у при мембранному шарі з боку сировини відрізняється за складом вихідної суміші. Цього явища повністю уникнути неможливо, однак потрібно мінімізувати ефект концентраційної поляризації через те, що він знижує продуктивність мембрани та підвищує спорідненість мембрани до забруднення. Отже, зведення до мінімуму концентраційної поляризації є одним з найбільш важливих завдань у проектування та створенні систем мембранного розділення.

Ми дослідили залежність об'ємного потоку розчину крохмалю крізь мембрану при різних зовнішніх тисках, так як з цієї залежності можна зробити висновки про наявність концентраційної поляризації. Дана залежність наведена на рис. 3.4.



Рис. 3.4. Залежність трансмембранного потоку від робочого тиску при пропусканні 0,01% розчину крохмалю через мембрани

На рис. 3.4 видно, що продуктивність немодифікованої мембрани виходить на плато вже при тиску 100 кПа та починає поступово зменшуватися. Мембрани, модифіковані міцелами з ферментом, характеризуються вищими значеннями об'ємного потоку, ніж не модифікована, що можна пояснити гідрофілізацією поверхні мембран при модифікації. Для неопроміненої мембрани та мембран з часом опромінення 1 та 5 хв залежність продуктивності від тиску майже не відрізняється, що добре корелює зі значеннями активності ферменту на цих мембранах. Так, явище концентраційної поляризації спостерігається для цих мембран при тиску 200 кПа. Однак, найкращі показники має мембрана, опромінена протягом трьох хвилин. При концентрації крохмалю 0,01 % залежність J_v від тиску лінійна та не виходить на плато, тобто ефекту концентраційної поляризації не було досягнуто. Це можна пояснити високою активністю ферменту, який розкладає крохмаль у при мембранному шарі і не дає йому там накопичуватися і відкладатися на поверхні, утворюючи гелевий шар.

Для кількісної оцінки транспортних характеристик мембран оцінювали коефіцієнт масопереносу. Для цього досліджували залежність об'ємного потоку мембрани від тиску при різних концентраціях крохмалю. Та будували залежність продуктивності мембрани, при якому вона виходить на плато, від натурального логарифму концентрації крохмалю (рис. 3.5).

Рис. 3.5. Визначення коефіцієнту масопереносу не модифікованої та мембрани, модифікованої полімерними міцелами з ферментам з часом опромінення 3 хв

Наведені залежності є лінійними. Коефіцієнти рівнянь прямих наведені в табл. 3.1. Коефцієнт b з протилежним знаком є константою масопереносу.

Таблиця 3.1. Коефіцієнти рівнянь прямих

Мембрана	Коефіцієнт a	Коефіцієнт b	R2
	Значення	Похибка	Значення	Похибка
Немодифікована	-40,5592	5,5246	-20,8261	1,38116	0,9827
Модифікована	-414,3741	23,8349	-123,8797	6,21423	0,9924

Коефіцієнт масопереносу не модифікованої мембрани К₁=20,8261±1,38116 м/с , а модифікованої К2=123,8797±6,21423 м/с . Отже, К₂ перевищує К₁ у 5,95 разів.

ВИСНОВКИ

1. Розроблено методику модифікування полісульфонових мембран б-амілазою, інкорпорованою у полімерні міцели на основі поліетиленгліколь-блок-поліпропіленгліколь-блок- поліетиленгліколю.

2. Встановлено, що оптимальними умовами модифікування мембран полімерними міцелами на основі поліетиленгліколь-блок-поліпропіленгліколь-блок- поліетиленгліколю є:

- концентрація ПАР - 0,1 %;

- концентрація б-амілази - 1 мг/мл;

- час УФ-опромінення - 3 хв.

3. Досліджено каталітичні властивості модифікованих мембран за реакцією гідролізу крохмалю та встановлено, що найбільший ступінь конверсії крохмалю характерний для мембрани з часом опромінення 3 хвилини.

4. Досліджено транспортні характеристики модифікованих мембран та показано, що модифікація мембран полімерними міцелами призводить до зростання їх продуктивності на 100-120 %.

5. Встановлено, що коефіцієнт масопереносу мембрани, одержаної за оптимальних умов збільшується у 5,95 разів порівняно з коефіцієнтом масопереносу немодифікованої мембрани.

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ

1. Zana R. / Dynamics of surfactant self-assembliesmicelles, microemulsions, vesicles, and lyotropic phases/-- Boca Raton. FL 33487-2742: CRC Press, Taylorand Francis Group, 2005.-- 2-16 с.

2. Sinko P. /Martin's physical pharmacy and pharmaceutical sciences./--Maryland, USA: Lippincott Williams and Wilkins, 2007.-- 469-97 с.

3. Verma M. / Nano Res. 5/ Verma M., Liu S., Chen Y., Meerasa A., Gu F., 2012.--49--61c.

4. A.N. Martin. Physical Chemical Biopharmaceutical Principles in the Pharmaceutical Sciences / P.J. Sinko, Y. Singh, Martin's Physical Pharmacy

Pharmaceutical Sciences, 2011.-- 6th ed.

5 . Varma M.V. Enhanced oral paclitaxel absorption with vitamin E-TPGS: Effect on solubility and permeability in vitro, in situ and in vivo;Eur J Pharm , 2005.--[25]445--53 c.

6. Bromberg L. Polymeric micelles in oral chemotherapy; JControl Release, 2008.--[128]99-12 c.

7.Mondon K. Coloidal drug delivery system -Recent Advances with Polimeric Micelles / Gurny Robert,Moller Michael.--Chimia, 2008.--[62] 832-840 c.

8.Bromderg L. Polymeric micelles in oral chemotherapy. --Journal of Controlled Release, 2008.--[128]99-112 c.

9.Francis Mira F. Polimeric micelles for oral drug delivery:Why and how/ Cristea Mariana,Winnik Francoise M.--Pure Applied Chemistry, 2004.--[76] 1321-1335 c.

10. Spectrofluorimetric Determination of Second Critical Micellar Concentration of SDS and SDS/Brij 30 systems / Romani Anna Paula, Machado Antonio Eduardo da Hora, Hioka, Noboru, Severino Divinomar.--J Fluoresc, 2009. --[19] 327-332 c.

11. Kabanov A.V. Pluronic block copolymers as novel polymer therapeutics for

drug and gene delivery / Batrakova E.V., Alakhov V.Y.-- J Control Release, --2002.--[82]-189-201 c.

12. Webber S.E. Polymer micelles: An example of self-assembling polymers.-- J Phys Chem B, 1998.--[102] 2618-26 c.

13. Size characterization of drug-loaded polymeric core/shell nanoparticles using asymmetrical flow field-flow fractionation / Kang D.Y., Kim M.J., Kim S.T., Oh K.S., Yuk S.H., Lee S. --Anal Bioanal Chem, 2008.--[390] 2183-88 c.

14. Core-shell structure of degradable, thermosensitive polymeric micelles studied by smallangle neutron scattering / [Ramzi A., Rijcken C.F., Veldhuis T., Schwahn D., Hennink W.E., Nostrum C.F.].-- J Phys Chem B, 2008.--[112] 784-92.

15. Control. Release / [K. Kataoka, T. Matsumoto, M. Yokoyama, T. Okano, Y. Sakurai,S. Fukushima, K. Okamoto, G.S. Kwon.].-- J 64, 2000.-- 143--153 c.

16. F. Cau. Macromolecules / S. Lacelle, 1996.-- 170--178 c.

17. Angew.Chem. Int. Ed. Engl /[ M. Shi, J.H. Wosnick, K. Ho, A. Keating, M.S. Shoichet],2007--[46] 6126--6131 c.

18. P. Alexandridi. Amphiphilic Block Copolymers Self-assembly and Applications / B. Lindman,--Elsevier, Amsterdam, New York, 2000.

19. A. Hatton J. Chem. Phys T./ P.H. Nelson, G.C. Rutledge,1997--[107] 10777--10781 c.

20. J. Lu. Macromolecules 43/ M.S. Shoichet, 2010-- 4943--4953 c.

21. A polymeric micellar carrier for the solubilization of biphenyl dimethyl dicarboxylate / Chi S.C. Yeom D, Kim SC, Park E.S.-- Arch Pharm Res,2003--[26] 173-81c.

22. Engineering polysaccharide-based polymeric micelles to enhance

permeability of cyclosporin A across Caco-2 cells / Francis M.F., Cristea M., Yang Y., Winnik F.M.--Pharm Res, 2005--[22] 209-19 c.

23. Methoxy poly(ethylene glycol)-block-poly(-valerolactone)copolymer micelles for formulation of hydrophobic drugs / Lee H., Zeng F., Dunne M., Allen C.--

Biomacromolecules, 2005--[6]3119-28 c.

24. Kabanov A.V. Pluronic block copolymers in drug delivery: From micellar nanocontainers to biological response modifiers /Alakov V.Y..--Crit Rev Ther Drug Carrier Syst , 2002--[19]1-73 c.

25. Solubilisation of drugs in worm-like micelles of block copolymers of ethylene oxide and 1,2-butylene oxide in aqueous solution Zhou Z., Chaibundit C., Emanuele A., Lennon K., Attwood D., Booth C.-- Int J Pharm,

2008--[354] 82-87 c.

26. Dong Y. Surface activity and solubilization of a novel series of functional polyurethane surfactants /Jin Y, Wei D.--Polym Int, 2007--[56] 14-21c.

27.Tochilin V.P.Micellar nanocarriers:Pharmaceutical Research,2007--[24(1)]1-16 c.

28.Aliabadi H.M. Pollymeric micelles for drug delivery. Expert opinion on drug delivery / Lavasanifar A., 2006--[3(1)]139-162 c.

29. Liu Y.L. Preparation of polysulfone-gpoly(N-isopropylacrylamide) graft copolymers through atom transfer radical polymerization and formation of

temperature-responsive nanoparticles / Lin G.C., Wu C.S.--J Polym Sci Part

A: Polym Chem, 2008--[46] 4756-65 c.

30. Control. Release /[J.E. Chung, M. Yokoyama, M. Yamato, T. Aoyagi, Y. Sakurai, T.Okano],--J. 62, 1999--115--127 c.

31. Int. J. Pharm / [H.M. Aliabadi, S. Elhasi, A. Mahmud, R. Gulamhusein, P.

Mahdipoor, A. Lavasanifar], 2007--[329]158--165 c.

32. Control. Release /[ Y. Yamamoto, K. Yasugi, A. Harada, Y. Nagasaki, K. Kataoka], 2002--[82] 359--371 c.

33.M.C. Porter, Industrial Engineering Chem. Production Res. Develop., ll(3) --1972--234.

34. M.J. Clifton, N. Abidine, P. Aptel and V. Sanchez, J.Membr. Sci., 21 ,1984--233.

35. W. Blatt, A. Dravid, A.S. Michaels and L. Nelsen, in:J.E. Flinn, ed., Membrane Science and Technology,Plenum, New York, 1970--pp. 47-91.

36. M.C. Porter, Industrial Engineering Chem. Production Res. Develop., ll(3) ,1972--234.

37. G.A. Denisov, J. Membr. Sci., 91 ,1994-- 173.

38. S.V. Gupta, Desalination, 85 ,1992--283.

39. V. Gekas and B. Hallstorm, J. Membr. Sci., 30 ,1987--153.

40. M.S.H. Bader and J.N. Veenstra, J. Membr. Sci., 114,1996--139.

41. Z.V.P. Murthy and S.K. Gupta, Desalination, 109,1997--39.

Размещено на Allbest.ru