CC BY
33
УДК 541.18.041.2:661.185
Е. М. Кулагина, Р. И. Юсупова, М. В. Потапова
ФЛОКУЛЯЦИЯ СУСПЕНЗИИ ДРОЖЖЕЙ ПОД ДЕЙСТВИЕМ КАТИОННОГО ПРОИЗВОДНОГО ПОЛИАКРИЛАМИДА
Ключевые слова: дрожжевая биомасса, суспензия клеток, дисперсность, полиакриламидные флокулянты, седиментация,
флокуляция, флокулирующий эффект.
Изучены процессы флокуляции и седиментации дрожжей родов Saccharomyces cerevisiae и Candida lambica катионным производным полиакриламида. Рассчитан параметр, характеризующий флокулирующий эффект, а также приведен размер образующихся флоккул.
Key words: yeast biomass, a cell suspension, the dispersion, polyacrylamide flocculants, sedimentation, flocculation the flocculation
effect.
Study the process of flocculation and sedimentation yeast birth Saccharomyces cerevisiae and Candida lambica cationic derivatives ofpolyacrylamide. The calculated parameter characterizing the flocculation effect, and given the size of the resulting floc.
До настоящего времени остаются актуальными проблемы комплексной переработки дрожжей с целью извлечения биологически ценных продуктов. На крупнотоннажных производствах белково-витаминных концентратов из дрожжевой биомассы используется сепарационный метод выделения, характеризующийся низкой
производительностью, высокими капитальными и эксплуатационными затратами и потерями продукта вследствие уноса на сепараторах. Биомассу дрожжей, являющихся перспективными продуцентами белка, выделяют, именно, сепарационным методом. Совершенствование стадии выделения и концентрирования биомассы является одной из важнейших задач биотехнологии. При этом необходимо решение вопросов стабилизации и дестабилизации дисперсных систем. Направленное регулирование устойчивости дрожжевой суспензии возможно с использованием полимерных реагентов [1,2]. Однако, несмотря на очевидные преимущества реагентного метода, использование
высокомолекулярных флокулянтов в биотехнологии сдерживается в виду слабой изученности основ флокуляции клеток и отсутствием критериев подбора флокулянтов, а также высокими требованиями, предъявленными к самим флокулянтам. [3,4].
Изучено флокулирующее действие на дрожжи родов Saccharomyces cerevisiaе и Candida lambica катионного производного полиакриламида (КПАА) - сополимера акриламида с гидрохлоридом диметиламиноэтилметакрилата (К650):
СН3
C'ONH, O=C O C:2H4 NH СГ
СН3
Р = 35% мол. - содержание ионогенных звеньев, ММ = 2,7 ■ 106
Полиакриламидные флокулянты обладают высокой флокулирующей способностью,
доступностью, сравнительно низкой стоимостью и, что весьма важно для биологических систем, малой
токсичностью [5,6]. Катионные полимеры наиболее эффективны для отрицательно заряженных дисперсий: для концентрирования и обезвоживания осадков [7].
Типичные размеры дрожжевых клеток составляют 2,5^10 цш. По современным представлениям, на клеточной поверхности существует мозаика из зарядов катионных и анионных групп. Заряд клетки отрицательный - это результат суммирования отрицательных и положительных зарядов. Основными группами, определяющими поверхностный заряд дрожжевых клеток, являются карбоксильные и аминогруппы белков, а также фосфатные группы фосфаманнанов и полифосфатов, находящихся на клеточной поверхности. Клеточная поверхность, в основном, состоит из протеинов, углеводородов и липидов, долевое участие ионогенных групп которых определяет электрический заряд поверхности.
Существует принципиальное отличие клетки от коллоидной частицы:
- поверхность клетки сложна по строению и составу и неоднородна по глубине поверхностного слоя;
- она может перестраиваться в процессе жизнедеятельности;
- через клеточную поверхность происходит пассивный и активный транспорт ионов.
При проведении эксперимента готовили суспензии дрожжей в воде с концентрацией клеток 12% и 24%, затем в приготовленную суспензию вводили полимер. Эксперимент проводили в цилиндрах объемом 100 см3 в течение 2 - 4 часов в зависимости от рода дрожжей. Для оценки флокулирующего эффекта был использован метод контроля за продвижением границы раздела между частицами дисперсной фазы и осветленной частью суспензии в мерных цилиндрах. Данный метод широко применяется в системах с небольшой полидисперсностью, где возможна четкая фиксация фронтальной границы продвижения частиц. Движение этой границы во времени определяет скорость процесса осаждения [8].
Были получены кинетические кривые при дозированном введении флокулянта, рис.1, 2, при
этом наблюдали увеличение степени осветления суспензии по сравнению с контролем. Дестабилизация системы происходила при малых добавках полимера, что свидетельствует о высокой эффективности флокулянта, выбрали оптимальную концентрацию, С = 0,0005 %.
Н,%
25 20 15 -10 5 Н 0
1
-4—2
3
-а—4
120 240 1'мик
Рис. 1 - Кинетические зависимости степени осветления водной суспензии дрожжей Басскаготусе8 сегеу181ае (концентрация клеток 12%) в присутствии КПАА: 1 - контроль (дрожжевая суспензия без добавки КПАА); 2 -0,0002%; 3 - 0,0005%; 4 - 0,0007%
Как отмечалось в работе [9], эффективность флокуляции зависит и от характеристик флокулянта, и от характеристик самой дисперсной системы. С ростом концентрации дрожжевых клеток степень осветления суспензии увеличилась практически в 2 раза, рис.2.
40 -30 ■ 20 -10
Н,%
1
-ь—2
3
120
240
t, мин
Рис. 2 - Кинетические зависимости степени осветления водной суспензии дрожжей Басскаготусе8 сегеу181ае (концентрация клеток 24%) в присутствии КПАА: 1 - контроль (дрожжевая суспензия без добавки КПАА); 2 -0,0002%; 3 - 0,0005%
40 30 20 10
1
2
а—3 —4
60
120
t, мин
Рис. 3 - Кинетические зависимости степени осветления водной суспензии дрожжей Candida lambica (концентрация клеток 12%) в присутствии КПАА:
1 - контроль (дрожжевая суспензия без добавки КПАА); 2 - 0,0001%; 3 - 0,0002%; 4 - 0,0004%
агрегатов) клеток на разных стадиях осаждения, табл.1. Это возможно,поскольку флокуляция является необратимым процессом, при флокуляции образуются достаточно крупные и « рыхлые» агрегаты. Чем выше скорость седиментации, тем выше параметр D - флокулирующий эффект. Расчет проводили по формуле:
D = v / vo - 1,
где v и v0 - скорость седиментации дисперсной фазы биосуспензии с добавкой и без добавки флокулянта соответственно. Рис.4 иллюстрирует поведение
суспензии Saccharomvces cerevisiae.
Q, мг
100 -80 -60 -40 ■ 20 -0 -
-1
-«—2 -=— 3 -i— 4
60
120 180
240
t, мин
Рис. 4 - Кривые осаждения водной суспензии дрожжей Басскаготусе8 сегех181ае (концентрация клеток 24%) в присутствии КПАА - К650: 1- контроль (дрожжевая суспензия без добавки флокулянта); 2 - 0,0002%; 3 - 0,0005%; 4 -0,0007%
Таблица 1 - Параметры флокуляции
Прослеживается и влияние природы дисперсной фазы дрожжевой суспензии, так в дрожжах рода Candida lambica флокуляция происходила интенсивнее, наблюдали рост степени осветления за время меньшее, по сравнению с первой системой, при концентрации вводимого флокулянта C = 0,0002 %, рис.3.
Методом седиментационного анализа с использованием торсионных весов ВТ - 500 [10] были получены кривые осаждения для исследованных систем путем взвешивания осевших на чашку торсионных весов клеток микроорганизмов, проведена оценка скорости седиментации и определены размеры образовавшихся флокул (или
Флокулирующий эффект,
Концентрация D Размер
флокулянта Концентра Концентра флокул**,
С % ция клеток ция клеток г • 103, м
12 % 24 %
Saccharomyces cerevisiae
0,0002 0,17 0,18
0,0005* 0,22 0,63
Candida lambica
0,0002* 0,2 0,68 2,5 - 3,0
* - оптимальная концентрация флокулянта; ** - размер флокул приведен для t = 60 мин.
Следует иметь в виду [9], что изменения концентрации клеток микроорганизмов и концентрации флокулянта влияют не только на
эффективный объем сформировавшихся флокул и их количество, но и непосредственно отражаются на адсорбции, скорости седиментации клеток и седиментационной устойчивости биосуспензии.
Происходит агрегация клеток в большие флокулы, которые по своим размерам намного превосходят размеры отдельных клеток, что говорит об эффективности процессов флокуляции. Флокулянт с высокой молекулярной массой (2,7-106), это заведомо предполагало его высокую флокулирующую способность, что подтверждается введением его в исследованные системы в микродозах. Это обусловлено возможностью больших макромолекул связывать большое число клеток дрожжевой суспензии в крупные хлопья посредством полимерных «мостиков» между ними. Адсорбированные макромолекулы полимеров, закрепляясь на поверхности малым числом контактов, деформируются, изменяют свою конформацию и могут образовывать достаточно длинные петли и хвосты. Флокуляция протекает только при наличии свободной поверхности на соседних частицах, находящихся на расстоянии меньшем, чем размеры макромолекулярного клубка, и на которых могут адсорбироваться несвязанные участки
макромолекул [11].
Таким образом, в результате выполненного эксперимента подобраны оптимальные концентрации флокулянта КПАА-К650 для изученных дрожжевых суспензий в предположении «мостичного» механизма процесса флокуляции.
Литература
1. Е.М. Кулагина, М.В. Потапова, Р.И. Юсупова, А.И. Курмаева, Вестник Казанского технологического университета, 6, 225-228 (2011).
2. C.D. Powell, D.E. Quain, K.A. Smart, FEMS Yeast Researt, 3, 49-157 (2003).
3. S. Barany, A. Szepesszentgyorgyi, Advances in Colloid and Interface Science, 111, 1-2, 117-129 (2004).
4. Н.М. Путинцев, С.Р. Деркач, И.Н. Коновалова, В.Н. Шибанов, Вестник МГТУ, Мурманск. 4, 1, 41-46 (2001).
5. И.А. Новаков, Б.С. Орлинсон, Полимеры на основе производных адамантана: синтез, свойства, направления практического использования. РПК «Политехник» ВолгГТУ. Волгоград, 2005. 95 с.
6. В.А. Мягченков, В.Е. Проскурина, Г.В.Булидорова, Е.А. Якимова, Вестник Казанского технологического университета, 1 - 2, 24-29 (2000).
7. Ж.Н. Малышева, С.С. Дрябина, А.В. Навроцкий, А.В. Купцов, Ю.С. Зубрева, И.А.Новаков. Журнал прикладной химии, 82, 11, 1881-1886 (2009).
8. С.В. Крупин, В.А. Мягченков, А.Я. Третьякова, Практикум по физико-химии растворов и дисперсий полимеров. КГТУ, Казань, 2003, С.11 - 12.
9. В.А. Мягченков, В.Е. Проскурина Сополимеры акриламида с функцией флокулянтов, Казань, КГТУ, 2011, 296 с.
10. А.Я. Третьякова, Г.Я. Вяселева, А.И. Курмаева, С.В. Крупин, Г.В. Булидорова, В.П. Барабанов. Поверхностные явления и дисперсные системы. Лабораторный практикум, КГТУ, Казань, 2005, С. 110 -118.
11. Куренков В.Ф., Снигирев С.В. Флокулирующие свойства полимеров. Казань, КГТУ, 2000, 32 с.
© Е. М. Кулагина- к.х.н., доцент кафедры физической и коллоидной химии института полимеров КНИТУ, [email protected]; Р. И. Юсупова - к.х.н., зав. лаб. той же кафедры; М. В. Потапова - к.х.н., доцент той же кафедры.
