Екологічно безпечне одержання хітинвмісних сполук із міцеліальних відходів біотехнологічного виробництва лимонної кислоти

Размещено на http://allbest.ru

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата хімічних наук

Екологічно безпечне одержання хітинвмісних сполук із міцеліальних відходів біотехнологічного виробництва лимонної кислоти

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Останнім часом як на Україні, так і в усьому світі спостерігається інтенсивний розвиток підприємств хімічної, важкої, нафтопереробної, легкої та харчової промисловості, що призводить до утворення великої кількості стічних вод, забруднених шкідливими домішками, а також екологічно небезпечних відходів, які до теперішнього часу не знайшли відповідного використання, складуються на полях фільтрації та негативно впливають на екологічну безпеку регіонів. До таких відходів можна віднести міцеліальний гриб Aspergillus niger - продуцент лимонної кислоти, що є відходом процесу біотехнологічного виробництва цієї кислоти. На кожну вироблену тонну лимонної кислоти у відходи йде 25010 кг сирого міцелію вологістю 70-75%. Встановлено, що до складу клітинної стінки гриба Aspergillus niger входять цінні полісахариди - хітин і глюкани. В клітині гриба хітин і глюкани утворюють стійкі хітинвмісні сполуки, для яких, відповідно до введеної професором Муззареллі номенклатури, використовується загальновідома назва - хітинвмісні комплекси. Виділити хітин у чистому вигляді з клітинної стінки гриба практично неможливо, а економічно вигідніше одержувати хітинвмісні комплекси з міцеліальних відходів. Відомі методи виділення комплексів базуються на використанні концентрованих кислот та лугів, обробку якими проводять при високих температурах. Такі методики є екологічно небезпечними і супроводжуються забрудненням навколишнього середовища кислотно-лужними стічними водами. В зв'язку з цим актуальною проблемою є розробка способу переробки токсичних міцеліальних відходів у цінні хітинвмісні продукти з використанням для обробки біомаси гриба Aspergillus niger розведених розчинів хімічних реагентів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана відповідно до Координаційних планів НДР Черкаського державного технологічного університету “Релятивістські ефекти у спектрах та фотохімії молекул галогенвмісних сполук” (№ держреєстрації 0100U004425) і “Дослідження та розробка технологічної схеми утилізації відходів виробництва лимонної кислоти Смілянського цукрового комбінату” (№ держреєстрації 0016071).

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є створення та обґрунтування конкурентоспроможного, екологічно безпечного способу одержання хітинвмісних комплексів із міцеліальних відходів гриба Aspergillus niger, придатних для використання як сорбентів катіонів важких металів, нафтопродуктів та барвників.

Для досягнення мети необхідно було вирішити такі наукові та практичні задачі:

1. Дослідити хімічний склад та фізико-хімічні характеристики міцеліальних відходів гриба Aspergillus niger.

2. Розробити технологічну схему одержання хітинвмісних комплексів (ХВК) з відходів біомаси гриба Aspergillus niger.

3. Дослідити вплив характеристик лужної обробки на вихід та морфологічну структуру хітинвмісних комплексів.

4. Провести порівняльний аналіз сорбційних властивостей хітинвмісних та хітозанвмісних (ХанВК) комплексів.

5. Дослідити вплив технологічних параметрів на процес сорбції іонів важких металів, нафтопродуктів, барвників в умовах статичної та динамічної сорбції.

Об'єкт дослідження - процес знешкодження та переробки міцеліальних грибів біотехнологічних виробництв.

Предмет дослідження - відходи міцелію гриба Aspergillus niger.

Методи дослідження для розв'язання поставлених задач було використано методи електронної мікроскопії, ІЧ спектроскопії, молекулярної механіки ММ+, атомно-абсорбційного та фотоколориметричного аналізу.

Наукова новизна одержаних результатів. Вперше встановлено вплив концентрації лугу, взятого для обробки міцеліальних відходів гриба Aspergillus niger, на морфологічну структуру хітинвмісних комплексів. Проведено порівняльний аналіз сорбційних властивостей хітин- та хітозанвмісних комплексів та доведено, що хітинвмісні комплекси більш стійкі при рН 5, що дає можливість використовувати їх в сорбційних процесах з кислих розчинів. Вперше методом молекулярної механіки ММ+ проведено моделювання процесу сорбції іонів важких металів хітинвмісними комплексами, яке підтвердило утворення хелатних комплексів. Вперше показана доцільність використання хітинвмісних комплексів для сорбції нафтопродуктів та розчинних барвників з водних розчинів.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблено новий конкурентоспроможний та екологічно безпечний спосіб одержання хітинвмісних комплексів, який на відміну від відомих дає змогу знизити собівартість продукції на 10 - 80% та характеризується зменшенням кількості та концентрації кислотно-лужних стічних вод більш ніж в 3 рази. За розробленою технологією в умовах виробництва лимонної кислоти виготовлені дослідні партії хітинвмісних комплексів. Показано, що хітинвмісні комплекси можуть знайти застосування як сорбенти іонів важких металів, нафтопродуктів, барвників у різних галузях народного господарства.

Особистий внесок здобувача. Постановка задач досліджень, аналіз літератури, основний обсяг експериментальної роботи, обробка отриманих даних проведені особисто здобувачем згідно з рекомендаціями наукового керівника [1-13]. Обговорення результатів дослідження фізико-хімічних характеристик міцеліальних відходів та сорбційних властивостей хітинвмісних комплексів проводилось спільно з професором, д.т.н. Ю.Г. Легою [2, 8, 9]. Атомно-адсорбційне визначення вмісту металів у розчинах та електронно-мікроскопічне дослідження морфологічної структури комплексів проводилось в міжкафедральному науково-дослідному центрі структурного аналізу ЧДТУ під керівництвом професора, к.х.н. Г.М. Дубровської [1, 3, 6]. Розрахунки хелатних комплексів методом молекулярної механіки виконувались за участю професора, д.х.н. Б.П. Мінаєва.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертації доповідались на IV Міжнародній конференції “Екологія і освіта: питання теорії та практики”, Черкаси (1998); IX науковій школі країн СНД “Вибротехнология - 99”, Одеса (1999); Міжнародній конференції “Сучасні інформаційні та енергозберігаючі технології життєзабезпечення людини”, Київ (2000); Міжнародній конференції “Екологія кризових регіонів України”, Дніпропетровськ (2001), VI Міжнародній конференції “Новые перспективы в исследовании хитина и хитозана”, Москва (2001). Результати дисертаційної роботи були обговорені на всесвітній науковій школі молодих вчених “Second Summer school on Chitin and Chitosan”, Germany (2001), яка була організована Європейським хітиновим товариством “EUCHIS”.

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 13 робіт (у тому числі 4 у фахових виданнях), серед яких 1 деклараційний патент на винахід, 10 статей, 2 тез доповідей.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, шести розділів, загальних висновків та додатків. Список використаних джерел включає 151 найменування. Загальний обсяг дисертації 174 сторінки з урахуванням 25 таблиць та 48 рисунків.

біотехнологічний міцеліальний хітинвмісний відходи

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі охарактеризовано сучасний стан досліджуваної проблеми, обґрунтовано актуальність обраної теми, мету і задачі дослідження, розкрито наукову новизну і практичне значення отриманих результатів, наведено конкретні наукові результати, а також дані з впровадження, апробації і публікації основних результатів.

У першому розділі проведено аналіз літератури з питань вилучення хітину, хітозану та хітинвмісних продуктів з різної сировини (панцирів ракоподібних, комах, грибів). Проаналізовані переваги та недоліки існуючих методів одержання хітин- та хітозанвмісних комплексів з грибів. Зроблено висновок стосовно доцільності застосування хітинвмісних продуктів у різних галузях народного господарства. Аналіз літератури показав, що хітинвмісні комплекси, які є аналогом целюлози, після насичення важкими металами та барвниками можна рекомендувати до утилізації шляхом застосування в силікатній промисловості як пігменти та наповнювачі.

У другому розділі описані вихідні речовини, матеріали та методи експерименту. В роботі використовували біомасу міцеліального гриба Aspergillus niger, яка є відходом біотехнологічного виробництва лимонної кислоти.

Зразки біомаси відбирали після закінченого циклу ферментації з різних ферментаторів та для них визначали: вологість, зольність та рН водної витяжки за стандартними методиками; вміст хітинвмісних комплексів за масою сухого залишку після відділення супроводжуючих речовин (розчинні неорганічні солі, білки, ліпіди, лужнорозчинні глюкани та вуглеводи) ретельною промивкою водою з додаванням 2% розчину лугу.

Хітинвмісні комплекси (ХВК) одержували з міцеліальних відходів гриба Aspergillus niger за розробленим способом (див. нижче), а хітозанвмісні комплекси (ХанВК) отримували за наведеними методиками:

методикою Муззареллі, яка включає обробку вихідної сировини 40% водним розчином NaOH впродовж чотирьох годин при температурі 118 ^оС [Muzzarelli, 1977];

методикою Феофілової обробка 20% NaOH впродовж однієї години при температурі 110 ^оС [Феофілова та ін., 1997].

Одержані комплекси аналізували на вміст:

- вуглецю та водню за мікрометодом Прегля, який ґрунтується на спалюванні зразка та поглинанні Н₂О та СО₂;

- азоту за методом Дюма;

- хітину, який розраховували за кількістю азоту, що входить до складу комплексів;

- глюканів, визначення яких проводили за методикою утворення кольорової реакції глюкози з антроном з кількісною оцінкою колориметричним методом;

- меланінів екстракцією 1н KOH з подальшим осадженням 1н HCl;

- хітозану при використанні методики Уайта, яка ґрунтується на визначенні маси хітозану ваговим методом, після екстракції 2% водним розчином оцтової кислоти та осаджування хітозану розчином лугу [White et.al., 1979].

Також для одержаних комплексів визначали:

- ступінь деацетилювання (СД), виходячи з масового вмісту хітину та хітозану в комплексах;

- вологість, зольність, рН водяної витяжки за стандартними методами [Cмирнов, 1982];

- ступінь набухання при замочуванні 4 г зразка в дистильованій воді на добу з фіксацією початкового та кінцевого об'ємів;

- водоутримуючу здатність (ВУЗ) за різницями мас зразка, 2 г якого промочували водою впродовж 20 годин, а потім відфільтровували та висушували до постійної маси при 105 ^оС.

ІЧ спектроскопічне дослідження комплексів проводили на спектрофотометрі “Specord IR-75”.

Дослідження волокнистої структури комплексів проводили електронно-мікроскопічним методом на растровому електронному мікроскопі типу РЭМ-100У.

При вивченні сорбційних властивостей комплексів були досліджені такі сорбційні процеси:

1. Сорбція іонів міді, цинку, хрому, кадмію, свинцю в статичних та динамічних умовах. Розчини заданої концентрації були приготовлені відповідно до стандартних методик [Лазарев, 1976]. Аналіз розчинів на вміст металів проводили атомно-адсорбційним методом на спектрофотометрі типу С-115-М1 (виробник АТ “CEЛМІ”, м. Суми, Україна).

2. Сорбція барвників (прямого блакитного К, прямого коричневого 2КХ, кислотного чорного С, кислотного червоного 2С, активного яскраво-блакитного 2 КТ) в статичних та динамічних умовах. Концентрацію барвників у розчинах визначали на фотоколориметрі ФЕК-М.

3. Сорбція нафтопродуктів в статичних, динамічних умовах та з водної поверхні. Емульсії нафти готувались при механічному диспергуванні нафти в дистильованій воді. Концентрацію вуглеводнів нафти у водних розчинах до та після сорбції визначали за ІЧ спектром екстракту ССl₄ на спектрофотометрі ИКС-29.У4.1 (Ленінград “ЛОМО”).

Третій розділ присвячений представленню результатів дослідження впливу режиму лужної обробки біомаси на кількісний вихід та фізико-хімічні властивості комплексів. Для розв'язку однієї з основних задач роботи - дослідження сорбційних властивостей комплексів необхідно було, в першу чергу, розробити спосіб одержання хітинвмісного волокнистого фільтруючого матеріалу, який забезпечив би можливість: а) здійснювати швидку та ефективну переробку міцеліальних відходів, які довго не зберігаються; б) використовувати недороге технологічне обладнання; в) використовувати реактиви низької концентрації; г) розташовувати виробництво на базі вже діючих.

На першому етапі розробки способу одержання було проведено дослідження міцеліальних відходів гриба Aspergillus niger, які залишаються в процесі біотехнологічного виробництва лимонної кислоти на Смілянському цукровому комбінаті. Встановлено, що для біомас, відібраних з ферментаторів, в яких чітко дотримувались технології глибинної ферментації, вміст хітину у вигляді хітинвмісних комплексів становить близько 40%. Більш високий вміст (43%) характерний для біомас, які одержані при порушенні технологічного режиму (недостатня аерація, низька температура та якість вихідної меляси). Отримані дані добре погоджуються з результатами інших вчених для біомас, які були вирощені в лабораторних умовах [Немцев, 1999]. Збільшення кількості хітину можна розцінювати як своєрідну реакцію гриба на несприятливий вплив зовнішніх умов та захист клітини від їх дії за допомогою цього стійкого комплексу біополімерів. Зразки біомаси характеризуються такими параметрами: зольність 8-10,5%, вологість 70-75%, вміст жирів 1,62-2,35%, білків 14,4-18,7%, вміст супроводжуючих органічних речовин (лужнорозчинні глюкани та вуглеводи) 37,2-43,6%.

При застосуванні методики ПФЕ-2³ було побудовано математичну модель у вигляді лінійного полінома, що апроксимує залежність виходу ХВК від характеристик режиму лужної обробки відходів міцелію гриба Aspergillus niger.

Запропонований спосіб одержання хітинвмісних комплексів складається з таких етапів:

Перший етап обробка 100 г біомаси дистильованою водою в співвідношенні 1:10 з метою відмивки міцелію від розчинних солей та домішок, з подальшим перемішуванням впродовж 10 хвилин з 0,1 н розчином HCl, взятим у об'ємі одного літру, для вилучення нерозчинних солей.

Другий етап - обробка промитої та відфільтрованої біомаси 2% водним розчином NaOH об'ємом 1 літр при температурі 60 ^оС впродовж 30 хвилин при перемішуванні для вилучення білків і ліпідів, що містяться у цитоплазмі міцеліальних клітин.

Третій етап - з метою очищення від домішок та відбілювання продукту ретельна промивка відфільтрованої біомаси водою з додаванням 200 мл 0,003 М розчину NaClO на кожний літр води.

Четвертий етап промивка продукту дистильованою водою з додаванням 0,1 н розчину HCl для нейтралізації до рН = 7. Сушіння продукту при температурі 25-30 ^оС до постійної маси. Вихід ХВК становить 420,5% в перерахунку на сухий вихідний міцелій.

Показано, що використання для обробки міцеліальних відходів хімічних реагентів низької концентрації дає змогу зменшити кількість і концентрацію стічних вод практично на 70% порівняно з відомими методиками, а об'єднання стічних вод після першого та другого етапів сприяє їх нейтралізації та зниженню негативного впливу на навколишнє середовище.

За даними елементного аналізу було визначено хімічний склад комплексів та встановлено, що запатентований спосіб дозволяє одержувати комплекси зі стабільним складом при використанні різної за якістю біомаси, а також завдяки застосуванню для обробки низькоконцентрованих розчинів хімічних реагентів в складі комплексів крім хітину і глюканів (30,8-31,2%; 65,1-66,0% відповідно) зберігається 1,9-2,3% меланінів та 1,0-1,3% білків.

При розробці способу одержання хітинвмісних комплексів з міцеліальних відходів електронно-мікроскопічним методом проведена оцінка впливу умов лужної обробки на морфологічну структуру комплексів. Встановлено, що при використанні розчинів лугу концентрацією 1 та 2% комплекси характеризуються волокнистою морфологічною структурою з параметрами волокон: довжина 0,8-1,0 мм та середній діаметр 6 мкм. Підвищення концентрації лугу до 6% призводить до утворення зернистої структури у вигляді агрегатованих глобул, що додатково підтверджує доцільність використання для обробки сировини низькоконцентрованих розчинів лугів.

Отримані комплекси були охарактеризовані методом ІЧ спектроскопії. У спектрі хітинвмісних комплексів в області 1500-1700 см^-1 проявляються інтенсивні смуги поглинання, характерні для хітину з максимумами 1540 см^-1 (амід ІІ), 1640 та 1620 см^-1 (амід І). При порівнянні хітинвмісних комплексів, одержаних з використанням розчинів лугу концентрацією 1, 2 та 6%, встановлено, що в ІЧ спектрах зразків спостерігається зменшення інтенсивності та напівширини смуги С-Н валентних коливань в області 2920 см^-1 з підвищенням концентрації лужних розчинів. Даний факт, на нашу думку, є наслідком збільшення упорядкованості та зменшення розгалуження молекул полісахаридів. Збільшення розгалуження молекул приводить до додаткового утворення водневих зв'язків з різними енергіями, що зумовлює додаткове збільшення ширини смуги.

У четвертому розділі наведені результати дослідження процесу сорбції іонів важких металів з водних розчинів на хітин- та хітозанвмісних комплексах. Фізико-хімічні характеристики досліджуваних зразків наведені в табл. 1.

Мета даних експериментів полягала в дослідженні та порівнянні ефективності сорбції іонів важких металів на комплексах з різним значенням ступеня деацетилювання - хітинвмісних (СД = 0,8%) та хітозанвмісних (СД = 63 та 96%). Як було встановлено Муззареллі, важливою властивістю хітину та хітозану є їх здатність утворювати хелатні комплекси з іонами важких металів. В дисертаційній роботі для підтвердження наявності хелатних комплексів методом молекулярної механіки ММ+ при застосуванні програми HyperChem проведено моделювання та розрахунок комплексів. Моделювання процесу комплексоутворення проводилось за участю різних атомів кисню та азоту з двох тримономерних ланцюгів хітину, молекули води та іону свинцю.

Таблиця 1. Фізико-хімічні характеристики комплексів

^* - комплекси одержані за розробленою методикою;

^** - комплекси одержані за методикою Феофілової;

^*** - комплекси одержані за методикою Муззареллі.

Було встановлено, що найбільш стійким з мінімальним значенням повної енергії є хелатний комплекс, в утворенні якого беруть участь гідроксогрупи при С-3 та кисень, який входить до складу кільця мономера.

Для попередньої оцінки вибіркової сорбційної здатності комплексів був розрахований коефіцієнт розподілу K_р (табл. 2), відповідно до якого ряди селективності комплексів мають вигляд:

- для ХВК: Pb (ІІ) = Cu (ІІ) Cd (ІІ) Zn (ІІ) Cr (VI);

- для ХанВК-2: Cu (ІІ) Pb (ІІ) Cr (VI) Cd (II) Zn (II).

Таблиця 2. Коефіцієнт розподілу хітин- та хітозанвмісних комплексів

Похибка складає 5-10%

Представлені ряди аналогічні рядам, встановленим для поліамфолітів. На нашу думку, даний факт пояснюється тим, що до складу комплексів, як і до складу поліамфолітів, входять аміно-, карбоксильні та гідроксильні групи, які утворюють міцні хелатні комплекси з іонами важких металів.

Встановлено, що іони важких металів з різною ефективністю поглинаються комплексами, в умовах рівноваги при збільшенні ступеня деацетилювання яких спостерігається підвищення статичної обмінної ємності (СОЄ) тільки для іонів хрому, а для іонів міді, цинку, свинцю, кадмію СОЄ залишається практично незмінною. Показано, що іони міді та свинцю поглинаються більш ефективно, ніж іони інших металів, наведених в табл. 3.

Таблиця 3. Вплив дисперсності та СД комплексів на статичну обмінну ємність

Встановлено зростання статичної обмінної ємності при збільшенні дисперсності комплексів, що логічно пояснюється збільшенням активної поверхні. Грибні хітин- і хітозанвмісні комплекси, на відміну від хітозану з панцирів ракоподібних, стійкі та нерозчинні в кислому середовищі, що робить можливим дослідження сорбційних процесів при рН 5. На прикладі сорбції іонів міді встановлена залежність ефективності сорбційного процесу від ступеня деацетилювання комплексів (рис. 2). В області низьких рН сорбція металу на хітин-вмісних комплексах, тобто на комплексах зі ступенем деацетилювання 0,8%, до-датково підвищується за рахунок протонування амідних груп хітину та подальшого заміщення протонів водню на відповідний іон металу. Інша ситуація характерна для хітозанвмісних ком-плексів зі ступенем де-ацетилювання 63 та 96%. В кислих розчинах від-бувається часткове роз-чинення хітозану, який входить до складу ком-плексів, і, як наслідок, ефективність поглинання іонів металів зменшується.

Встановлені для іонів міді закономірності під-твердились при дослідженні процесів сорбції іонів цинку, кадмію, свинцю, хрому, для яких при рН від 3,2 до 4,5 характерні максимальні значення статичної обмінної ємності (рис. 3). Проведені дослідження процесу сорбції іонів важких металів в динамічних умовах показали, що максимальна величина динамічної обмінної ємності характерна при швидкості потоку 1,5·10^-4 м³/год як для хітинвмісних, так і для хітозанвмісних комплексів. Встановлено, що сорбційна колонка, заповнена хітинвмісними комплексами, характеризується тривалим часом захисної дії по відношенню до всіх досліджуваних іонів важких металів, який становить 42; 25; 17; 50; 133 години для іонів міді, цинку, хрому, кадмію, свинцю відповідно.

У п'ятому розділі представлені результати дослідження сорбційних властивостей комплексів в процесі очищення водних розчинів від нафтопродуктів.

Аналіз літератури показав, що хітин та хітозан ефективно сорбують вуглеводні, феноли, спирти, танін та інші органічні сполуки з водних розчинів [Roberts, 1992]. Даний факт дав можливість припустити доцільність використання комплексів для сорбції нафтопродуктів з водних розчинів.

Встановлено, що комплекси, одержані відповідно до різних методик, практично рівноцінно поглинають вуглеводні нафти і зміна ступеня деацетилювання практично не впливає на ефективність сорбційного процесу (табл. 4). На нашу думку, це можна пояснити тим, що сорбція відбувається за рахунок прояву універсальних сил міжмолекулярної взаємодії Ван-дер-Ваальса між вуглеводнями нафти та вуглеводневою матрицею сорбенту. В умовах рівноваги спостерігається збільшення ступеня поглинання нафтопродуктів при збільшенні дисперсності комплексів.

Таблиця 4. Вплив дисперсності комплексів на ступінь поглинання нафтопродуктів в рівноважних умовах

Показана ефективність застосування хітинвмісних комплексів, ступінь осідання яких у водному розчині становить 20% за 10 хвилин, для вилучення нафтопродуктів з водної поверхні. Хітозанвмісні комплекси характеризуються високими значеннями ступеня осідання (50% за 10 хвилин), що стає на перешкоді їх застосуванню як плаваючого сорбенту.

У шостому розділі представлені результати дослідження процесу сорбції розчинних барвників. Згідно з даними, наведеними в табл. 5, важливим фактором, який зумовлює ефективність сорбційного процесу, є тип барвника, тобто його склад, просторова структура, діаметр та молекулярна маса молекули. При аналізі впливу дисперсності на величину сорбції встановлено, що сорбція барвників, молекули яких характеризуються невеликими розмірами та молекулярною масою (КЧ-2С, АЯБ-2КТ), практично не залежить від дисперсності, що, на нашу думку, зумовлюється сорбцією не тільки поверхнею сорбенту, а і його внутрішніми порами, діаметр яких для хітин- та хітозанвмісних комплексів більший чи дорівнює 4х10^-9 м. Проте для барвників, діаметр молекул яких більший ніж 4х10^-9 м (ПБ-К, ПК-2КХ, КЧ-С), спостерігається збільшення величини сорбції при збільшенні дисперсності комплексів, що, очевидно, є наслідком сорбції барвників тільки на поверхні сорбенту.

Таблиця 5. Залежність величини сорбції від ступеня деацетилювання та дисперсності комплексів

Встановлені більш високі значення величини сорбції для прямих і кислотних барвників, у яких вища здатність до асоціації, порівняно з малоасоційованими активними барвниками.

Враховуючи одержані експериментальні дані та будову структурних формул барвників, ми змогли припустити, що сорбція барвників на комплексах характеризується утворенням різних за своєю природою фізичних та хімічних зв'язків між молекулами барвників та матрицею комплексів. Сорбція прямих барвників, на нашу думку, відбувається за рахунок водневих зв'язків та міжмолекулярних сил Ван-дер-Ваальса. В утворенні водневих зв'язків беруть участь всі гідроксильні групи кожної елементарної ланки комплексів, а також гідроксильні та аміногрупи барвників. Додаткова сорбція прямих барвників на хітозанвмісних комплексах відбувається внаслідок утворення іонних зв'язків між іонізованими аміногрупами хітозанової складової комплексів та негативно зарядженим аніоном барвника відповідно до рівняння:

ХанВК-NH₃⁺X^- + Бр-SO₃^--ХанВК-NH₃⁺O₃S^- -Бр +Х^-. (1)

Сорбція активних барвників на хітин- та хітозанвмісних комплексах зумовлена утворенням ковалентного хімічного зв'язку між гідроксильними групами елементарних ланок комплексів та реакційноактивними групами барвників. Для вінілсульфонового барвника (АЯБ-2КТ) ця взаємодія відбувається за рівнянням:

Бр-SO₂-CH=CH₂ + НО-ХВК > Бр-SO₂-CH₂-CH₂-O-ХВК. (2)

Основний механізм сорбції кислотних барвників утворення іонних зв'язків (див. (1)). Проте, якщо в складі кислотних барвників є гідроксильні групи (кислотний червоний 2С), спостерігається додаткова сорбція внаслідок виникнення водневих зв'язків та сил міжмолекулярної взаємодії.

На прикладі сорбції пря-мих барвників показано, що з підвищенням ступеня деаце-тилювання комплексів з 0,8 до 96% швидкість сорбції зростає і час, впродовж якого від-бувається насичення ком-плексів барвниками, зменшу-ється. Були встановлені закономірності впливу темпе-ратури на швидкість та вели-чину сорбції барвників. Характерно, що для прямих барвників підвищення температури з 20 до 60 ^оС приводить до збільшення величини сорбції з 72 до 140 мг/г та з 88 до 160 мг/г для ХВК та ХанВК-2 відповідно, але практично не впливає на швидкість сорбції.

Підвищення температури в процесі сорбції кислотних барвників супро-воджується зменшенням величини сорбції з 82 до 70 мг/г та з 114 до 100 мг/г для ХВК та ХанВК-2 відповідно, а також сприяє зростанню швидкості сорб-ції. Збільшення температури практично не впливає на величину сорбції активних барвників, проте приводить до зростання швидкості процесу сорбції. Неодна-ковий вплив температури на сорбцію барвників різних типів підтверджує припу-щення, що в основі сорбції лежить різний характер сорбційної взаємодії. На нашу думку, сорбція прямих барвників зумовлюється активованою сорбцією, а кислотних і активних - хемосорбцією, що також підтверджується значеннями ентальпії для сорбційних процесів (табл. 6).

Таблиця 6. Значення ентальпії для процесів сорбції барвників на хітинвмісних комплексах

Встановлено, що ефективність сорбції барвників при низьких значеннях рН суттєво залежить від ступеня деацетилювання комплексів. На прикладі сорбції прямих барвників показано, що комплекси зі ступенем деацетилювання 0,8% характеризуються поступовим зростанням величини сорбції при зменшенні рН (рис. 6). Для комплексів зі ступенем деацетилювання 63%, при рН від 4 до 6, величина сорбції не змінюється завдяки наявності сталої кількості протонованих аміногруп хітозану, на яких відбувається сорбція, а при подальшому зменшенні рН підвищується завдяки додатковому протонуванню ацетиламідних груп хітину. Проте, для комплексів зі ступенем деацетилювання 96%, які містять незначну кількість хітину в своєму складі, при рН 4 ефек-тивність сорбційного про-цесу знижується. Для процесів сорбції кислотних барвників із розчинів з низьким значенням рН зберігаються закономір-ності, встановлені для прямих барвників. Зменшення рН негативно впливає на величину сорбції активних барвників, це зумовлено, швидше за все, зниженням реакційної активності молекул барвників в кислих розчинах.

В дисертаційній роботі проведено економічне обґрунтування запатентованого способу одержання хітинвмісних комплексів з міцеліальних відходів гриба Aspergillus niger, яке показало, що даний спосіб дає можливість не тільки одержувати цінні хітинвмісні сорбенти, а також є ефективним та економічно вигідним і, на відміну від відомих способів, характеризується зниженням собівартості одержаних сполук на 10-80%.

ВИСНОВКИ

1. У дисертації наведено узагальнення і нове вирішення наукової задачі щодо розробки конкурентоспроможного, екологічно безпечного способу одержання хітинвмісних комплексів з міцеліальних відходів біотехнологічного виробництва лимонної кислоти гриба Aspergillus niger. Запропонований спосіб відрізняється від існуючих низькою концентрацією кислотних та лужних компонентів у стічних водах та зменшенням їх загального об'єму на 70%.

2. Встановлено вплив лужної обробки міцеліальних відходів на морфологічну структуру хітинвмісних комплексів та показано, що при використанні розчинів лугів концентрацією до 6% комплекси характеризуються волокнистою структурою з параметрами волокон: довжина 0,8-1,0 мм та середній діаметр 6 мкм. Застосування в процесі обробки міцеліальних відходів більш концентрованих лужних розчинів призводить до утворення зернистої структури комплексів у вигляді окремих агрегатованих глобул.

3. Доведено можливість використання хітинвмісних комплексів як сорбенту іонів важких металів та встановлено, що хітинвмісні комплекси, на відміну від хітозанвмісних, більш стійкі при рН 5, що дає можливість застосовувати їх в процесах сорбції з кислих розчинів.

4. Методом молекулярної механіки ММ+ проведено моделювання структури можливих хелатних сполук іонів свинцю з ХВК. Встановлено, що найбільш стійким (з мінімальним значенням повної енергії) є комплекс, в утворенні якого беруть участь гідроксогрупи при С-3 та кисень, який входить до складу кільця мономера.

5. Встановлено, що хітинвмісні комплекси ефективно поглинають нафтопродукти з водних розчинів; ступінь деацетилювання комплексів практично не впливає на величину сорбції. Показана ефективність використання хітинвмісних комплексів, які характеризуються низьким значенням ступеня осідання, для вилучення нафтопродуктів із водної поверхні. З метою попередження вторинного забруднення навколишнього середовища можна рекомендувати хітинвмісні комплекси, насичені нафтопродуктами, для застосування у виробництві керамзиту та бітуму.

6. Встановлено, що хітинвмісні комплекси здатні ефективно сорбувати розчинні барвники з водних розчинів. Виявлено більш високі значення величини сорбції для прямих і кислотних барвників, у яких вища здатність до асоціації, порівняно з малоасоційованими активними барвниками. Показано, що при рН ? 5 спостерігається ефективна сорбція прямих і кислотних барвників, проте зменшення рН негативно впливає на сорбцію активних барвників.

7. Запропонований спосіб одержання хітинвмісних комплексів з міцеліальних відходів гриба Aspergillus niger, як показали відповідні розрахунки, дає змогу одержувати цінні хітинвмісні сполуки при використанні мінімальної кількості електроенергії, води та хімічних реактивів, що приводить до зниження собівартості продукції на 10-80% порівняно з відомими аналогічними способами.

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ ДИСЕРТАЦІЇ ВІДОБРАЖЕНІ В ТАКИХ ПУБЛІКАЦІЯХ

Унрод В.И., Лега Ю.Г., Солодовник Т.В. Определение ионов тяжелых металлов в водных растворах методом инверсионной вольтамперометрии после очистки сточных вод на хитинсодержащем сорбенте // Вопросы химии и химической технологии. Специальный выпуск “Электрохимия”. - 1999. №1. - С.344-345. (Постановка та проведення експерименту, участь у трактуванні результатів та написанні статті.)

Унрод В.И., Солодовник Т.В. Физико-химические исследования волокнистого хитинсодержащего материала // Вопросы химии и химической технологии. - 2000. №1. - С. 245-247. (Постановка та проведення експерименту, участь у трактуванні результатів та написанні статті.)

Унрод В.И., Лега Ю.Г., Солодовник Т.В. Получение хитинсодержащих комплексов из мицелия гриба Aspergillus niger - отхода биохимического синтеза лимонной кислоты и изучение их свойств // Вопросы химии и химической технологии. - 2000. №3. - С. 22-23. (Постановка та проведення експерименту, часткове проведення теоретичних розрахунків, участь у трактуванні результатів та написанні статті.)

Унрод В.И., Солодовник Т.В. Полиаминосахаридные комплексы, выделенные из мицелия гриба Aspergillus niger для сорбции ионов хрома из водных растворов // Вопросы химии и химической технологии. - 2001. №3. - С. 127-130. (Постановка та проведення експерименту, участь у трактуванні результатів та написанні статті.)

Унрод В.И., Солодовник Т.В. Хитин- и хитозансодержащие комплексы из мицелиальных грибов: получение, свойства, применение // Биополимеры и клетка. - 2001. - Т. XVII, №6. - С.526-533. (Проведення літературного пошуку, участь у трактуванні результатів та написанні статті.)

Пат.30707 А Україна, МКП С 08С 37/08. Спосіб отримання волокнистого фільтруючого матеріалу, який містить хітин: Пат.30707 А Україна, МКП С 08С 37/08/ Унрод В.І., Солодовнік Т.В. (Україна) - № 98042029; Заявлено 22.04.98; Опубл. 15.12.2000, Бюл. № 7-II. - 4 с.

Солодовник Т.В. Производные хитина и хитозана как сорбенты ионов тяжелых металлов // Вісник ЧІТІ. - 2000. № 1. - С.20-22.

Унрод В.И., Солодовник Т.В. Перспективы получения хитинсодержащих комплексов из отработанной биомассы гриба Aspergillus niger // Вісник ЧІТІ. - 2001. №3. - С.44-47.

Solodovnik T., Unrod V., Lega Y. Chitin-containing complexes from mycelium of Aspergillus for sorption of petroleum // In: Chitosan in pharmacy and chemistry. R.A.A. Muzzarelli and C. Muzzarelli, eds Atec (Italy). 2002. - P.475-478.

Унрод В.И., Лега Ю.Г., Солодовник Т.В. Использование промышленного отхода гриба Aspergillus niger для получения хитинсодержащих комплексов // Материалы Шестой международной конференции “Новые достижения в исследовании хитина и хитозана”. - Москва: ВНИРО. - 2001. - С. 58-61.

Унрод В.И., Солодовник Т.В. Исследование зависимости сорбционной емкости хитинсодержащего сорбента от его дисперсности // Периодический сборник научных трудов “Обработка дисперсных материалов и сред”. - Одесса: НПО “ВОТУМ”, - 1999. - С. 202-205.

Унрод В.И., Солодовник Т.В. Основные пути утилизации отходов производства лимонной кислоты // Матеріали Міжнародної конференції “Екологічні проблеми: шляхи та перспективи їх вирішення в регіонах України”.- Черкаси, - 2001. - С. 11-13.

Унрод В.И., Солодовник Т.В. Использование хитинсодержащих комплексов для очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов // Матеріали конференції “Екологія кризових регіонів України”. - Дніпропетровськ: РВВ ДНУ, 2001. С. 120-121.

Размещено на Allbest.ru