Полная исследовательская публикация ___ Тарасов А.В., Федотов Ю.А., Лепешин С.А., Панов Ю.Т.,

Окулов К.В. и Вдовина А.И.

Размещено на http://www.allbest.ru/

44 ______________ http://butlerov.com/ ______________ ©--Butlerov Communications. 2010. Vol.23. No.15. P.44-51.

Полная исследовательская публикация Тематический раздел: Химические технологии.

Регистрационный код публикации: 10-23-15-44 Подраздел: Биохимия.

44 _________ ©--Бутлеровские сообщения. 2010. Т.23. №15. _________ г. Казань. Республика Татарстан. Россия.

Микрофильтрационные полиамидные мембраны для процессов санитарно-вирусологического контроля воды

Тарасов Александр Валентинович

Аннотация

В ООО НПП “Технофильтр” разработан способ получения микрофильтрационных полиамидных мембран обладающих положительным поверхностным зарядом. Получения мембран поводится объемной модификацией путем введения в них функционализированных полимеров, содержащих аминогруппы.

С введением в действие СанПин 2.1.4.559-96 “Вода питьевая”, а также СанПин 2.1.5.980-2000 “Гигиенические требования к охране поверхностных вод” предусматривается проведения контроля качества воды как по показателям бактериального, так и вирусологического загрязнения.

В научно-исследовательском институте экологии человека и гигиены окружающей среды им. Сысина РАМН проведены исследования процесса концентрирования вирусов из вод различного происхождения с использованием положительно заряженной микрофильтрационной мембраны марки ММПА⁺-0.2.

В результате проведенных исследований разработаны две схемы проведения контроля вирусного загрязнения с использованием мембран ММПА⁺-0.2 и установлена их высокая эффективность.

Введение

Полиамидные микрофильтрационные мембраны производства ООО НПП «Техно-фильтр» более 15 лет используются в разнообразных процессах осветляющей, тонкой и стерилизующей фильтрации различных водных сред.

Мембраны микропористые полиамидные представляют собой пористые пленки белого цвета, изготовленные из полиамида-6 и смесей с полиамидом-66 по запатентованной технологии [1, 2]. Полиамидные мембраны имеют крупноячеистое строение, причем стенками ячеек являются тонкие микропористые перегородки. Такое строение предопределяет непре-рывность структуры мембран и обеспечивает прочность и эластичность в сухом и смоченном виде, что приводит к удобству и простоте в работе с ними. Мембраны не теряют своей прочности и эластичности при многократных сгибаниях, что обеспечивает возможность бездефектного изготовления гофрированных патронных фильтрующих элементов.

В связи с высокой гидрофильностью мембранообразующего полимера, полиамидные мембраны быстро смачиваются водой и различными водными растворами. Они устойчивы в водных средах со значениями pH от 2-13, а также во многих органических растворителях.

Результаты и их обсуждение

Длительное время разделительные возможности мембран объясняли исключительно ситовым эффектом. Позднее, после внедрения в практику фильтрации мембран изготавли-ваемых из новых, в том числе функционализированных полимеров было установлено, что эффективность задержания различных загрязняющих веществ обеспечивается не только за счет ситового механизма, но также вследствие их адсорбции, которая в свою очередь обеспечивается электростатическими или Ван-дер-Ваальсовыми силами взаимодействия.

Мембраны, обладающие поверхностным электрическим зарядом (дзета-потенциалом), получили название «заряженные мембраны».

Поверхностные свойства мембран оказывают значительное, а иногда решающее влияние на их эксплуатационные свойства. Величина и знак зарядов поверхности мембран и задержи-ваемых частиц (коллоидов, высокомолекулярных соединений, ионов и т.д.), содержащихся в фильтруемой смеси, определяют интенсивность электростатического взаимодействия между ними, инициирующего процесс адсорбции, результатом которого может быть с одной стороны повышение эффективности задержания, а с другой стороны закупорка пор и падение производительности мембраны. Для уменьшения величины адсорбции необходимо, чтобы мембрана и фильтруемые частицы приобретали в растворе одноименный заряд и наоборот. Вследствие ограниченного набора полимеров, применяемых для получения мембран, это условие может быть удовлетворено за счет модификации поверхности мембран или объемной модификации. микрофильтрационный полиамидный мембрана

Известно, что алифатические полиамиды используемые для получения мембран в отли-чие от других мембранообразующих полимеров (ацетат целлюлозы, фторопласт, акрилонит-рил и т.д.) имеют изоэлектрическую точку, в которой положительные и отрицательные заря-ды компенсируют друг друга. Для полигексаметилендиамина (ПА-66) и поликапролактама (ПА-6) изоэлектрическая точка находится в диапазоне рН от 7.6-8.6 в зависимости от соотно-шения концевых амино- и карбоксильных групп. При рН выше изоэлектрической точки мем-брана заряжена отрицательно, а ниже - положительно.

Для получения возможности изготовления мембраны характеризующейся положитель-ным зарядом в более широкой области рН в ООО НПП «Технофильтр» разработан способ получения мембран объемной модификацией путем введения в них функционализированных полимеров содержащих аминогруппы (алифатические полиимины, ароматические сложные полиэфиры, производные полисахаридов и т.д.) мембраны марки ММПА⁺(ТУ 9471-002-10471723-2006) [2].

В последнее время задачи повышения эффективности удаления различных отрица-тельно заряженных частиц из водных растворов, связывается с использованием фильтров изготовленных из материалов, обладающих поверхностным положительным зарядом. Такие фильтры, совмещая процессы адсорбции и фильтрации, позволяют удалять загрязнения с размерами до десятков нанометров. Пористые электроположительные фильтры способны адсорбировать вирусы, эндотоксины, размер которых во много раз меньше среднего размера пор фильтра, обеспечивая при этом высокие скорости потока воды.

Кроме удаления загрязнений, электроположительные фильтрующие материалы приме-няются для сбора микроорганизмов и других микрочастиц из воды и их анализа.

С введением в действие СанПин 2.1.4.559-96 "Вода питьевая", а также СанПин 2.1.5.980-2000 "Гигиенические требования к охране поверхностных вод" возникла потребность в разработке новой нормативной базы, предусматривающей контроль качества воды различ-ного вида водопользования не только по показателям бактериального, но и вирусного загряз-нения, в частности по колифагам, а также энтеровирусам.

Для наиболее полного контроля питьевой воды необходимо наличие эффективного методического обеспечения, дающего возможность быстрой и точной количественной оценки реального вирусного загрязнения питьевой воды.

Размер патогенных микроорганизмов (бактерий и вирусов) составляет от 0.03 до нес-кольких микрометров, что в несколько раз меньше размера пор мембраны, что предполагает использование мембран с небольшим размером пор, например, обратноосмотрических или нанофильтрационных.

Но с другой стороны, в связи с низкой концентрацией вирусов в воде, важным пер-вичным этапом вирусологического исследования является их концентрирование из боль-ших объемов воды (10-100 л и более до 10-50 мл), для чего наиболее пригодны микрофильт-рационные мембраны. На наш взгляд, микрофильтрационные мембраны с электрическим зарядом являются оптимальным выходом из данной ситуации.

В НИИ ЭЧ и ГОС им. Сысина РАМН были проведены исследования процесса концент-рирования вирусов из вод различного происхождения с применением мембранного модуля МФМ-0142 производства ООО НПП «Технофильтр» и специально разработанной мембра-ны для вирусологического анализа марки ММПА⁺.

Мембранная установка, использованная для исследований, состоит из мембранного модуля (I), напорной емкости на 20л (8) и компрессора (9) (рис. 1).

Рис. 1. Установка по концентрированию вирусов. Мембранный модуль (1 - верхняя тарелка; 2 - нижняя тарелка; 3 - зажимное устройство; 4, 5, 6 - стыковочные штуцера; 7 - тренога); 8 - напорная емкость 9 - компрессор; 10 - манометр.

Исследуемую воду заливают в напорную емкость (8), крышку которой тщательно закрывают и включают компрессор (9). С помощью компрессора в напорной емкости создается давление 1.0-1.5 бара. В процессе фильтрации фильтрат поступает на слив, а концентрат вирусов остается на мембране модуля.

Результаты исследований показали, что сорбция фага MS-2 и вируса полиомиелита 1 (штамм LS2ab) на мембранах типа ММК - 0.2 достигала 96-98%, а на мембранах ММПА⁺-0.2 - 99-100%. Эффективность исследованного метода колебалась от 73.3-90.0%. При этом длительность фильтрации составляла 45-90 мин.

Для фильтрации значительных объемов исследуемой воды нами предлагается схема с использованием перистальтического насоса взамен напорной емкости и компрессора (рис. 2).

Исследуемая вода из расходной емкости (1) (рис. 2) перистальтическим насосом (6) подается в мембранный модуль (2). Фильтрат после модуля поступает на слив, а концентрат остается на мембране.

При конструировании фильтрующего модуля (рис. 3), применен проточный режим фильтрации. Для более эффективного использования этого режима, используется схема, приведенная на рис. 4. При фильтрации в проточном режиме поток жидкости в напорной части между тарелкой и мембраной движется по концентрическим каналам тарелок, соединенными между собой переточными радиальными каналами. Поток жидкости много-кратно изменяет направление движения, причем в одном переточном канале он делится на два потока, а в следующем канале два потока объединяются в один. Такая структура потока жидкости позволяет интенсифицировать процесс массопереноса в пограничном слое мем-браны и иметь минимальную толщину осадка в порах и на поверхности мембраны. Течение жидкости в каналах приближается к режиму вытеснения.

Рис. 2. Схема установки концентрирования вирусов с использованием перистальтического насоса. 1 - расходная емкость; 2 - мембранный модуль;3 - шланг; 4,5 - узлы стыковки; 6 - перистальтический насос; 7 - предфильтр.

При работе модуля в описанном режиме исследуемая вода проходит над поверхностью мембраны, при этом часть неотфильтрованного потока жидкости возвращается в цикл, а фильтрат удаляется. Поскольку вода проходит касательно к поверхности мембранного фильтра, большинство вирионов сорбируются на мембране, а находящиеся во взвешенном состоянии, возвращаются обратно в расходную емкость. При этом, концентрирование вирусов происходит быстрее, чем при обычной фильтрации воды в тупиковом режиме.

В случае исследования сильно загрязненной жидкости во всасывающую или нагнета-тельную линию необходимо вмонтировать предфильтр капсульного типа (4, рис. 2), разрабо-танный в ООО НПП «Технофильтр», в котором используются материалы не сорбирующие вирусы.

Используемый ранее способ элюции предусматривал изъятие мембраны из модуля и механический смыв вирусов с мембраны струей элюента из пипетки, что представляло опре-деленную опасность инфицирования работающего персонала. Исключение риска инфици-рования возможно было только при выполнении данной процедуры в условиях ламинарного бокса, что сопряжено с существенными сложностями и значительными финансовыми затратами.

В новом варианте фильтрационного модуля элюция вирусов с мембраны осуществляя-ется без извлечения мембраны, то есть в закрытом режиме. Элюцию вирусов с мембраны (рис. 5) осуществляют путем продавливания через нее элюента (3% бифэкстракта на трисбуфере с pH 9.1-9.5) в три приема по 20 мл двумя одноразовыми шприцами. Шприцы, один из которых содержит элюент, присоединяются к стыковочным устройствам на линии входа воды (2) и на линии выхода фильтрата (4). Узел стыковки (3) заглушен. В каждый прием элюент продавливается через мембрану с помощью этих шприцов не менее 8-10 раз.

Основными достоинствами фильтрующего модуля являются:

Ш возможность совмещения процессов концентрирования и элюции в одном аппарате;

Ш высокая эффективность концентрирования и элюции, достигаемая за счет оригиналь-ной конструкции, обеспечивающей интенсивный массоперенос жидкости над мембра-ной и через неё;

Ш возможность осуществления щадящих условий концентрирования и десорбции виру-сов (фильтрация проводится при средах близких к нейтральным без использования каких-либо реагентов);

Ш снижение количества элюанта до 60мл;

Ш обеспечение безопасности обслуживающего персонала (элюция проводится с помо-щью шприцев без разборки аппарата);

Ш простота и удобство при эксплуатации.

Рис. 5. Элюция вирусов без разборки модуля. 1 - МФМ; 2,3,4 - узлы стыковки; 5 - шприц с элюентом.

Многочисленные эксперименты по изучению эффективности выделения вирусов прово-дили с использованием искусственно зараженной водопроводной воды и нативной воды из поверхностных источников. Воду заражали РНК-содержащим колифагом (МS-2) или вакцин-ным штаммом полиовируса 1 типа (LSc 2ab).

На наличие колифагов и полиовируса исследовали исходную воду и элюат.

Полученные результаты представлены в табл. 1-2.

Табл. 1. Эффективность выделения колифагов с использованием модуля МФМ 0142

^х) БОЕ - бляшкообразующая единица колифага.

Табл. 2. Эффективность выделения вирусов с использованием модуля МФМ 0142

^х) ТЦД₅₀ - тканевая цитопатическая доза вируса

Представленные в табл. 1-2 данные показали высокую эффективность выделения как колифага, так и полиовируса при использовании разработанного способа элюции. При этом эффективность выделения фагов колебалась в пределах 74.9-90.0%, а полиовируса - 75.6-96%. Также установлено, что эффективность индикации изученных вирусов практически не зависит от исходной концентрации как колифага, так и полиовируса в пределах изученных уровней загрязнения питьевой воды.

Высокая эффективность мембран ММПА⁺-0.2 была подтверждена и при испытаниях проведенных в 2006 году в Краснодарском крае при фильтрации речной воды (р. Туапсе, р. Псеузапсе, р. Аше), воды из подземных источников (скважины санаториев Юг и Шапсучский чай), а так же сточных вод этих санаториев.

В 2007 году в Нижегородском НИИ эпидемиологии и микробиологии им. И.Н. Блохи-ной мембраны ММПА⁺-0.2 были использованы в процессе концентрирования вирусов гепа-тита А, одного из трудно культивируемых вирусов. Были использованы искусственно приго-товленные суспензии ВГА в дистиллированной воде взятые в разведении от 1·10^-4 до 1·10^-8 ПУЛ. Установлено, что использование мембран ММПА⁺-0.2 обеспечивает повышение чувст-вительности метода контролирования ВГА на 2 порядка по сравнению с ранее известными методами. При этом достигается надежное удержание вируса даже при концентрациях ниже пороговой чувствительности ОТ ПЦР. Было показано, что концентрирование вирусов на мембране ММПА⁺-0.2 можно проводить при нейтральном рН в отличие от нитроцел-люлозных мембран фирмы «Сарториус», для которых достаточный уровень выделения дости-гается при рН ниже 4.0. Поскольку элюирование собранных вирусов не всегда удобно прово-дить сразу же после концентрирования важно, чтобы условия проведения процесса и сам материал фильтра не оказывали влияния на жизнеспособность вируса (экстремальные значения рН могут инактивировать некоторые вирусы). Этим требованиям в наибольшей мере соответствует мембрана ММПА⁺.

Для получения надежных результатов, свидетельствующих о наличии или отсутствии вирусов в воде, необходимо исследование всего объема элюата, в данном случае 60 мл, т.к. содержание вирусов даже после концентрирования, как правило, может не превышать еди-ничных вирионов в 1 мл этого объема элюата.

С целью уменьшения объема получаемого элюата и повышения эффективности анализа проводится этап вторичного концентрирования путем осаждения вирусов полиэтиленглико-лем в соответствии с рекомендациями, изложенными в «Инструкции по использованию полимеразной цепной реакции (ПЦР) для выявления энтеровирусного загрязнения [3].

Введение этапа вторичного концентрирования вирусов при помощи ПЭГ 6000 позволяет уменьшить объем первичного элюата в 10 раз, который в полном объеме может быть исполь-зован для выделения вирусов на различных культурах клеток и для определения РНК и ДНК в ОТ-ПЦР (полимеразная цепная реакция с обратной транскрипцией).

Полученные результаты показали (табл. 3), что эффективность выделения полиовируса и колифага, с использованием этапа вторичного концентрирования, была высокой и колеба-лась в пределах 80.3-100%.

Табл. 3. Эффективность этапа вторичного концентрирования колифага и полиовируса из элюата

В результате проведенной работы процесс индикации вирусов из водных объектов можно представить в виде схемы (рис. 6).

Рис. 6. Схема детекции вирусов из водных объектов

Выводы

1. Рахработан способ получения положительно заряженной микрофильтрационной мембра-ны.

2. В НИИ ЭЧ и ГОС им. Сысина РАМН установлена высокая эффективность использования мембраны ММПА+ в процессах концентрирования вирусов из вод различного происхож-дения.

3. Разработаны две схемы проведения контроля вирусов с использованием заряженных мембран разработки ООО НПП “Технофильтр”

Благодарности

Работа проводилась при финансовой поддержке Министерства образования и науки Рос-сийской Федерации (договор №13.G25.31.0022).

Литература

[1] Леоненкова Е.Г., Тарасов А.В., Кирш Ю.А., Федотов Ю.А. Способ получения микрофильтрационных мембран. Патент Российской Федерации №2161530, 2000г.

[2] Тарасов А.В., Федотов Ю.А. Способ получения микрофильтрационной положительно заряженной мембраны. Патент Российской Федерации № 2286842 С1, 2006г.

[3] Ребриков Д.В., Саматов Г.А., Трофимов Д.Ю. и др. ПЦР “в реальном времени”; предисл. Остермана Л.А. и акад. РАН и РАСХН Свердлова Е.Д.; 2-е изд., испр. и доп. Лаборатория знаний. М.: БИНОМ. 2009. 223с.: ил.

Размещено на Allbest.ru