Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Ресурсосберегающие аспекты сорбционного извлечения инсулина

ВАК РФ 03.00.16, Экология

Автореферат диссертации по теме "Ресурсосберегающие аспекты сорбционного извлечения инсулина"

На правах рукописи

ЛЕОНТЬЕВА ЛЮДМИЛА ВАЛЕНТИНОВНА

РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИЕ АСПЕКТЫ СОРБЦИОННОГО ИЗВЛЕЧЕНИЯ ИНСУЛИНА

03.00.16-Экология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

МОСКВА 2003

Работа выполнена в Российском химико-технологическом университете им Д.И.Менделеева на кафедре технологии защиты биосферы

Научный руководители:

доктор химических наук, профессор

кандидат химических наук, ведущий научный сотрудник

Официальные оппоненты:

доктор химических наук,

профессор, академик РЭА

доктор химических наук,

ведущий научный сотрудник, профессор

Лейкин Ю.А. Черкасова Т. А.

Роева H.H. Золотарев П.П.

Ведущая организация: Всероссийский институт кровезаменителей и медицинских препаратов

Защита диссертации состоится & октября 2003 г. на заседании диссертационного совета Д 212.204.14 в РХТУ им. Д. И. Менделеева

(125047, г. Москва, Миусская пл., д. 9) в ауд. КРНс^?-^иссе. в часов.

С диссертацией можно ознакомиться в Научно-информационном центре РХТУ им. Д. И. Менделеева.

Автореферат диссертации разослан £■ Р9._2003 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.204.14

Н.Е.Кручинина

Актуальность проблемы. Проблема комплексного и рационального использования сырья является одной из основных ресурсных проблем экоразвития. Интенсификация и оптимизация технологии, переход на воспроизводимое биологическое сырье, более полное его использование, снижение потерь целевого продукта и возврат в цикл дорогостоящих реагентов - являются основными и актуальными задачами на современном этапе.

В перечне ассортимента товарной продукции эндокринных заводов одно из ведущих мест занимает инсулин, препарат - необходимый в практической медицине. В современной технологии получения инсулина основными стадиями, определяющими эффективность всего процесса, являются стадия сорбционного концентрирования инсулина на ионообменных смолах и его десорбция. По состоянию на сегодняшний день эти процессы требуют серьезного рассмотрения и оптимизации. Отравление сорбента при переработке сложных белковых растворов, блокирование пор балластными белками приводит к значительному ухудшению равновесных, кинетических и динамических характеристик сорбента в колонне уже после четвертого-пятого цикла сорбции. Периодически приходиться полностью заменять сорбент, отработавший в процессе, на свежий, а отработанный сорбент по органолептическим показателям отправлять на специальное захоронение. Восстановление емкостных, кинетических и динамических характеристик катионита позволит вернуть в цикл дорогостоящий сорбент, снизить количество отходов сорбента, идущих на захоронение и уменьшить капитальные затраты на свежий сорбент.

Кроме того, из-за отсутствия возможности описания динамики сорбции инсулина, не оценивались безвозвратные потери ценного целевого компонента на стадии сорбционного концентрирования. Моделирование динамического режима позволит рассчитать проскоковые концентрации и снизить безвозвратные потери инсулина. Эколого - экономический анализ безвозвратных потерь и твердых и жидких отходов в производстве инсулина показал, что наибольшая их доля образуется на стадии сорбционного концентрирования инсулина, причем для этой стадии практически отсутствуют необходимые физико-химические параметры сорбционного процесса.

Цель работы. Оценка, определение и моделирование основных физико-химических параметров равновесия, кинетики и динамики сорбции и разработка на их основе научно-технических решений, направленных на увеличение эффективности сорбции высокомолекулярного сорбата инсулина; восстановление емкости отработанного при извлечении инсулина сорбента; улучшение равновесных, кинетических и динамических характеристик многократно используемого сорбционного материала.

В соответствие с поставленными задачами, исследования проводились по следующим направлениям:

- сравнительные исследования равновесия сорбции инсулина на различных по структуре и с различными функциональными группами сорбентах с целью выявления более эффективного сорбента для извлечения инсулина из технологических растворов;

- сравнительные исследования равновесных и кинетических параметров сорбции инсулина на сульфокатионите КУ-23И, взятого в различных исходных формах, различного фракционного состава, предварительно обработанного ультразвуком и на инсулине из различного биологически воспроизводимого сырья;

- исследование полноты регенерации сульфокатионита, используемого для сорбции инсулина, различными химическими реагентами;

- исследование регенерации сульфокатионита с предварительной обработкой сорбента в ультразвуковом поле;

- исследование динамики сорбции инсулина, выбор математической модели, адекватно описывающей динамику сорбции, моделирование сорбционной установки и прогноз динамических кривых.

Научная новизна.

- исследованы равновесные, кинетические и динамические характеристики сорбции инсулина. Впервые получены основные сорбционные параметры (емкость коэффициенты распределения, константа обмена, коэффициенты внутренней диффузии, коэффициенты массопереноса), характеризующие работу сорбционного узлг стадии извлечения инсулина;

- выбраны оптимальные модели для описания кинетики и динамики процесса, показано, что модель переходного режима по Елькину адекватно описывает динамику процесса сорбции инсулина на катионите КУ-23И;

- впервые проведены сравнительные исследования различных сорбентов и нетканых материалов для извлечения инсулина. Показано, что наибольшую емкость обеспечивают макропористые катиониты с сульфо- карбоксил и фосфоновокислот-ными группами;

- предложены новые эффективные способы химической и ультразвуковой регенерации отработанного сорбента КУ-23И;

- определены зависимости емкостных характеристик инсулина при изменении фонового раствора и ионной формы катионита;

- показана неоднородность структуры макропористого катионита в зависимости от размера фракции по параметрам коэффициента внутренней диффузии и емкости.

Практическая значимость.

- получены основные равновесные, кинетические и динамические параметры процесса сорбции инсулина для оценки, расчета и моделирования процесса;

- разработаны способы химической и ультразвуковой регенерации сорбента позволяющие восстановить емкость сорбента на 80-92% от исходного товарного катионита и вернуть отработанный сорбент в производственный цикл.

- найдены оптимальные модели для стадии сорбции, позволяющие прогнозировать проскоковые концентрации и уменьшить безвозвратные потери инсулина;

- на основе сравнительных исследований различных фракций макропористого катионита КУ-23И выбраны оптимальные размеры зерна сорбента.

Апробация работы н публикации. Основные положения диссертации и результаты работы изложены в двух тезисах докладов и трех статьях; результаты исследований докладывались на XV и XVI международных конференциях «МКХТ-2002» и «МКХТ-2003» (г. Москва, Россия), и на международном симпозиуме по экологии «Есо^у-2002» (г. Бургас, Болгария).

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения; 3-глав, содержащих обзор литературы, обсуждение полученных результатов, описани экспериментов; общих выводов и списка литературы. Работа изложена на /*£?стра ницах, включает рисунков, 4"О таблиц, библиография 33 наименований.

Основное содержание работы.

Анализ реальных образующихся отходов и безвозвратных потерь. При анализ' образующихся отходов и безвозвратных потерь в производстве инсулина нами выяв лены следующие основные проблемы. На основе материального баланса операцш вскрытия и переработки сырья и стадии сорбции для пилотной установки и заводо] разной производительности показал, что указанные стадии оказывают наибольше( воздействие на окружающую среду и формируют наиболее объемные отходы произ водства. Отходами являются экстрагированная биомасса, технологические растворь после извлечения инсулина, и отработанный сорбент, при длительном хранении которых происходят активные процессы гниения и разложения, поэтому по органо-лептическим показателям требуют необходимого специального захоронения.

Важная ресурсосберегающая проблема - существенные безвозвратные потер1 ценного целевого компонента на стадии сорбционного концентрирования, что прак тически до настоящего времени не контролировалось из-за отсутствия возможное^ описания процесса динамики в столь сложных системах. Поэтому мы рассматривалр концентрирование на сорбенте как вспомогательный метод для оценки безвозвратных потерь. Стоимость очищенного кристаллического инсулина зарубежного производства составляет 3 доллара США за 1мг или 3 млн. долларов США за I кг. День: на инсулин для инъекций, активностью 40 МЕ/'мл колеблются в аптечной сети от 20С до 1500 рублей за 10 мл. Причем, в основном это инсулин производства зарубежны? фирм Дании, Польши, Югославии. Прогнозировать сокращение потерь инсулин; представляется возможным моделированием оптимальной установки с описание», процесса сорбции можно достичь при описании процесса, получением величинь проскоковой концентрации и выведении колонки в режим, который будет обеспечи вать минимальную проскоковую концентрацию и таким образом извлекать большук часть инсулина, содержащегося в сырье.

1. Сравнение емкости по инсулину для различных сорбентов.

Были проведены сравнительные исследования емкости по инсулину в ряду ио-нитов, выпускаемых в промышленном или опытно-промышленном масштабе: гранульных гелевых и макропористых иоиитах на основе сополимера стирола и диви-нилбензола с разнообразными функциональными группами и на нетканом материале из полимерных волокон на основе полипропилена или его сополимера с акрилонит-рилом. Результаты представлены в табл. 1.

Таблица 1.

Сравнение емкостных характеристик различных типов сорбента._

Марка сорбента Функциональная группа Тип сорбента Емкость сорбента по инсулину, мг/г

КУ - 23И - SO,H макропористый, гранульный 190,0

ЬСБ-4п -COO H макропористый, гранульный 141,4

СФ-5 - Р(0)(0Н)2 макропористый, гранульный 140,5

ССД-Г-20т -CHO; - ОН макропористый, гранульный 87.5

ПА-1 -NH2; -P(OXOITh макропористый, гранульный 63,9

ССД-20т-ГФ -ОН макропористый, гранульный 41,0

ПП (г. Серпухов) - нетканый материал 60.0

К-1 (г. Мытищи) -S03H нетканый материал 30.0

АН-3* =NH; -NH, нетканый материал 29,7

АВ-17 -ГЫ+(СНз)з1СГ гелевый, гранульный 25,5

Наибольшую емкость по инсулину показали макропористые катиониты с суль-фо- (КУ-23И), карбоксильными (КБ-4п) и фосфоновокислотными (СФ-5) группами. Значимые величины емкости неожиданно получены на нейтральных сорбентах (ПП на основе полипропилена), полиамфолитах (ПА-1) и на анионобменных материалах типа АН-3 и AB-I7. Как видно, инсулин хорошо сорбируется как на катионитах, так и на анионитах, что подтверждает его амфотерность. Причем слабокислотные катиониты, нейтральные сорбенты типа ПП, полиамфолиты и аниониты на стадии десорбции могут показать хорошие результаты по элюированию инсулина, по сравнению с сильнокислотным сульфокатионитом КУ-23И, прочно удерживающим инсулин. Кроме указанных в таблице ионитов были исследованы гранульные гелевые сульфо- (КУ-2-8, HCR, С-151) и карбоксильные катиониты (С-105Е, С-258) и нетканый материал с сульфогруппами (К-1, г Минск), все они показали практически нулевую емкость.

2.Исследование регенерации катионита КУ-23И.

2.1. Реагентная регенерация.

Впервые проведено исследование по регенерации отработанного катионит; КУ-23И с использованием деструктирующих белки реагентов. Кроме обычных ки слот исследовано воздействие аммиака и перекиси водорода. При действии таки; сильных детергентов, как аммиак и перекись водорода, происходит частичное рас щепление высокомолекулярных балластных соединений до олигомеров, что значи тельно облегчает дальнейшее их элюирование в процессе регенерации (табл. 2).

Таблица 2

Регенерирующий раствор Емкость по ЫаОН, ммоль/г Емкость по инсулину, мг/г Увеличение емкости по инсулину*, %

1ЧН4ОН конц. 1,39 189 33

0,5%-ый НН4ОН 1,46 166 17

5%-ый Ш4ОН 2,22 177 25

3%-ый ЫН4ОН 2,89 184 29

1,5%-ый Ш, ОН 3,12 206 45

1%МН4ОН 3,89 256 80

1%№14ОН +0,5%-ая Н202 3,26 193 36

1%Ш40Н + 3%-аяН202 1,36 151 6

3%НС1 +з%н2о2 1,89 145 2

3%НС1 + 0,5%Н202 2,33 207 46

* - емкость по инсулину отработанного КУ-23И и регенерированного стандартными методами составила 142 мг/г.

Как видно, отработанный катионит после сорбции инсулина лучше всего удается регенерировать в среде 1%-го раствора ЫН^ОН - на 80% по сравнению с регенерацией принятой на заводе. Добавление 0,5%-ной и 3,0%-ной перекиси водорода к 1% раствору ЫН4ОН не улучшает показатели регенерации, а наоборот снижает их При комплексном использовании регенерирующих смесей (соляная кислота и перекись водорода) можно существенно уменьшить действующую концентрацию соля ной кислоты до 3%. Таким образом, рекомендуемый к практическому использовании: режим реагентной регенерации отработанного катионита КУ-23И - 1% ЫН4ОН, по зволяющий увеличить емкость на 80%

2.2. Регенерация с однократной обработкой катионита в ультразвуковом поле. Исследовано влияние ультразвука на восстановление рабочей емкости катионита КУ-23И. Проведено исследование дозного поля в пределах 0,5-12 Вт, обнаружен эффект устойчивого увеличения емкости ионита при величине дозы 3 Вт. При дозе выше 6 Вт наблюдали частичное разрушение гранул ионита, хотя потери механической прочности по количеству целых гранул составляли не более 5%. В качестве рабочего режима озвучивания было предложено проводить предварительную однократную обработку ионитов с пониженной емкостью по целевому компоненту в ультразвуковом поле с оптимальной мощностью 3-4 Вт, при этом, емкость по инсулину составляла 272 мг/г против отработанного КУ-23И, имеющего емкость 142 мг/г после стандартной кислотной регенерации. Обработку сорбента ультразвуком и выбор оптимальных условий проводили совместно с лабораторией ультразвука горного института РАН. Эффективность обработки оценивали по экспериментальной величине механической прочности и по обменной емкости сорбента. Результаты представлены в табл. 2.

Таким образом, показано, что однократная ультразвуковая обработка отработанного ионита позволяет увеличить его емкость на 92%, что на 12% больше по сравнению с ранее исследованной нами регенерацией 1%-ым МН40Н.

Таблица 2.

Емкость КУ-23И исходного, отработанного и регенерированного различными мето-

дами.

Параметр КУ-23И исходный КУ-23И отработанный и

регенерированный стандартными методами регенерированный после предварительной обработки в оптимальном УЗ- поле

Емкость по инсулину, мг/г 214,5 142,0 272,0

3. Исследование равновесия сорбции инсулина на катионите КУ-23И. 3.1. Изучение влияния фонового раствора на равновесные характеристики КУ-23И. Исследовано влияние рН и типа и концентрации солевого фона раствора инсулина на величину обменной емкости катионита. Показано, что полученная величина обменной емкости достаточно высока и не зависит от исследованных

величин рН и ионной силы растворов. Она составляет 196,9±7,4 мг/г - на фон( водного НС1; 181,3±2,3 мг/г - на фоне растворов ИаС1 (рН=3,5); 214,6±7,6 мг/г - н; фоне растворов ЫН4С1 (рН=3,5).

3.2. Исследование изотерм сорбции на катионите КУ-23И. Изотермы сорбции инсулина были исследованы на фоне смесей водных растворов 0,14 н №С1 и НС1; и 0,1 н ЫН^С1 и НС! (рис. 1). Исходные концентрации

Рис.1. Изотерма сорбции инсулина на КУ-23И (гГонь=0,03 см) на различных фонах: 1-0,14 н КаС1 (рН=3,5); 2-0,1 н МН4С1 (рН=3,5).

инсулина варьировали в пределах 0,2-^4,0 мг/мл. В

обоих случаях получены выпуклые изотермы, которые

апроксимируются уравнениями ЗДМ и Ленгмюра,

позволяющие получить прогноз максимальной емкости

при равновесной концентрации инсулина стремящейся

к бесконечности. Основные рассчитанные параметры

изотерм сорбции инсулина по ЗДМ и Ленгмюру

приведены в табл. 3.

Рис. 2. Зависимость равновесной концентрации инсулина в сорбенте Се от коэффициента распределения Р:

1 - на фоне 0,14 н №С1 (рН 3,5); Ск= -0,818-Р + 399,9; гсчжл=0,996;

2 - на фоне 0,1 н ]ЧН4С1 (рН 3,5); Ск= -0,296-Р + 251,6; гсояк=0,999.

Таблица 3.

Рассчитанные равновесные параметры сорбции инсулина на КУ-23И._

Параметры сорбции инсулина По уравнению ЗДМ на фоне: По уравнению Ленгмюра на фоне:

0,14 н NaCI и НС1 0,1 н NH4CI и HCI 0,14 п NaCI и HCI 0,1 hNH4CI и HCI

КоБМ 1,22 3,38 1,14 3,25

мл/г 489,0 851,0 476,2 833,3

Емкость:

шах по Ins, Smax. мг/г 399,9 251,6 416,7 256,4

по NaOH, мэкв/г 3,2 2,7 3,2 2,7

Smax/S, мг/мэкв 126,7 93,1 130,2 94,9

Как видно обе аппроксимации дают сходимые результаты. Большая величина коэффициента распределения Р= 851,0 (и 833,3) и большее значение константы обмена Кобя(= 3,38 (и 3,25) получены на фоне 0,1 н NH4CI. При этом наблюдается

200

160

•ь-

120 /У 1

к 80 ■ I/

и 41

40 /

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

CS мг/мл

250

200

J: •V

S ISO к

к

о 100 V\

\ Ч 2

50 Л \

0 200 400 600 ВСЮ

Р, мл/г

компенсационный аффект и значения максимальной емкости выше на фоне 0,14 н №С15Д/Л*=399,9 (и 416,7) мг/г.

Изучено влияние предварительной однократной обработки ультразвуком на равновесные характеристики КУ-23И. На рис. 2 приведены изотермы сорбции инсу-

Рис. 3. Изотерма сорбции инсулина на КУ-23И (гГОРБ=0,03 см): 1 - исходном; 2 - предварительно обработанном ультразвуком.

лина на исходном КУ-23И регенерированном по стандартной методике в сравнении с регенерированным с предварительной обработкой в ультразвуковом поле. Рассчитанные по уравнению ЗДМ и Ленгмюра параметры сорбционного равновесия приведены в табл. 4.

Таблица 4.

Основные равновесные параметры сорбции инсулина на КУ-23И исходном и пред___варительно обработанном ультразвуком._____

По уравнению ЗДМ По уравнению Ленгмюра

КУ-23И КУ-23И

Параметры исходный предварительно обработанный ультразвуком исходный предварительно обработанный ультразвуком

Коим 1,49 1,50 1,52 1,44

Рйы- 474,0 559.0 476,2 555,6

Емкость:

шах по Ins SftAX, мг/г 318.0 373,5 312,5 384,6

по NaOH S. мэкв/г 3.45 1,61 3,45 1,61

SMAX/S, МГ'/МЭКВ 92,1 231,9 90,6 238,9

Рис. 4. Зависимость равновесной концентрации инсулина в сорбенте С> от коэффициента распределения Р:

1 - исходный КУ-23И: у = -0,818х + 399,9; гС(жк=0,996;

2 - предварительно обработанный ультразвуком КУ-23И: _у = -0,29бх + 251,6; гсо„к=0,999._

Эффект предварительной обработки в ультразвуковом поле очевиден и подтвержден величинами максимальной емкости (373,5 и 384,6 мг/г), что на 20% выше, чем для исходного

С s, мг/мл

(318,4 и 312,5 мг/г), и величиной коэффициента распределения (554,0 и 555,6) (474,0 и 476,2) соответственно.

4.1. Влияние разных режимов регенерации на кинетические характеристики КУ-231 Проведены кинетические исследования сорбции инсулина на отработаннс КУ-23И и регенерированном в режимах 1%-ым или 5%-ым NH4OH в сравнении сорбентом, регенерированным стандартным методом. Емкость по инсулину на к тионите регенерированном 1%-ым NH4OH была на 13% выше (208,0 мг/г), чем д] сорбента, регенерированного 5%-ым NH4OH (184,3 мг/г), в то время, как стандарта регенерация обеспечивает емкость по инсулину 171,3 мг/г.

4.2. Исследование методов, улучшающих кинетические параметры КУ-23И.

4.2.1. Изучение влияния предварительной обработки КУ-23И на параметры сорбции инсулина. Проведенные исследования показали, что предварительная однократная обр ботка сульфокатионита КУ-23И (с гСорб 0,03 см) химическими реагентами позволя увеличить емкость сорбента по инсулину на 13%, а обработка в ультразвуковом по. - на 23%. Возрастает и коэффициент распределения Р. При этом коэффициент диффузии D[N падают на 8,7 % и 12,7% соответственно. Время полу (ío.í)- и практ чески полного (t099) превращения возрастают незначительно.

Проведены кинетические зависимости сорбции инсулина на различных ради сах гранул катионита в Н+-форме, предварительно обработанного ультразвуком.

Расчет кинетических параметров проводили по двухэкспоненциальной моде, (для внешней и внутренней диффузии). Уравнение модели имеет вид:

4. Кинетические исследования сорбции инсулина на КУ-23И.

4.2.2. Выбор рабочей фракции катионита.

8

где: - константа скорости активных реакционь

и

способных групп [1 /сек], /f = 1— ; k¡ =рЕ\ - тан-0 1-N

1о

О 0,02 0,04 0,06 0,08 Радиус, см

Рис. 5. Зависимость коэффициента внутренней диффузии D[ радиуса гранул катионита КУ-23И.

'w

2,4

-9,0 -8,8 -8,6 -8,4 -8,2 -8,0

'gDIN

Рис. 6. Билогарифмическая зависимость емкости по инсулину CR (мг/г) от коэффициента внутренней диффузии DIN (см2/сек)

гене угла наклона начальной части кривой;

константа скорости инактивированных

реакционноспособных групп, [1/сек]; N - константа, показывающая сколько ингибированных, или затрудненных, групп образуется в

1 -к2/ k-t

среднестатистическом кластере, д/ = .

ехр(-А0 )- к2/ к1

Основные кинетические параметры показали, что емкость уменьшается практически в 2 раза с увеличением радиуса гранул, при этом коэффициент внутренней диффузии заметно возрастает (рис. 5), показан компенсационный эффект (рис. 6): с увеличением емкости по инсулину коэффициент внутренней диффузии снижается. Вклад внутренней диффузии растет с увеличением радиуса и изменяется от 0,743 для г=0,0125 см до 0,916 для г=0,059 см. Величина критерия Bio значительно больше 20, что является несомненным признаком внутренней диффузии.

4.2.3. Влияние природы инсулина на кинетические параметры КУ-23И.

Исследовали кинетические зависимости сорбции свиного инсулина и крупного рогатого скота (к.р.с.) на КУ-23И исходном и предварительно обработанном УЗ. Показано, что емкость, рассчитанная по выбранной кинетической модели, для КУ-23И исходного и предварительно обработанного ультразвуком по свиному инсулину на 4-9% выше по сравнению с инсулином крупного рогатого скота. Коэффициент внутренней диффузии (Z)/,v) на 10-11% выше для свиного инсулина, соответственно доля внутренней диффузии на 14-21% выше для инсулина к.р.с. Т.е. влияние природы инсулина на кинетические параметры КУ-23И незначительное.

4.2.4. Влияние формы зарядки катионита на кинетические параметры сорбции инсулина. Для выявления дальнейших аспектов ресурсосбережения исследовали 1-Г, Na+, Са2+ и Zn2+^opMbi катионита (рис. 7). Показано, что наибольшая емкость по инсулину (230,0 мг/г) характерна для Н+-формы, которая заметно снижается в ряду H+>Na+> а2+>2п2"-формы сорбента до 132,0 мг/г. DIN уменьшается в ряду Na">H+>Ca2+>Zn2+-

250 г 1

♦

200 2

■ь Ь

£ 150 Ч 3

а100 у Ср"*—" *

50 V

0 300 600 900 1200 1500

Время, мин

Рис. 7. Кинетические зависимости сорбции инсулина ъ КУ-23И обработанном УЗ для формы сорбента: 1 - Н*; 2 N3*; 3 - Са2*; 4 - Тг?\

формы сорбента от 9,5-10"9 до 4,4-10"9 см2/сек.

5. Исследования сорбции инсулина на КУ-23И в динамическом режиме.

Динамику сорбции оценивали по выходным кривым из растворов с концент] циями инсулина: 3,5 или 1 мг/мл. На рис. 8 приведена выходная кривая для исходи концентрации инсулина 1 мг/мл. Как видно имеет место быстрый проскок и обра; вание устойчивого фронта на конечном участке выходной кривой. Для расчета ( новных динамических показателей были опробованы модели с внутридиффузис ным и смешанным типом лимитирования. Но более применимой оказалась мо

0,8

4= °'6

0,4 к и 0,2

0 100 200 100 400 500 Бремя, мин

Рис. 8. Динамика сорбции инсулина на исходном КУ-23И ( 3 мл/мин, УСор6= 30 мл, Нсорб-19 см, гсорб=0.03 см, Сцсх=1 мг/

дель Елькина, разработанная для нерегулярно! переходного и регулярного режимов. Для описан используют параметры: обобщенную длину коле ки X и безразмерное время т

й-^1! В

Л = 3(1 -а)кё0х/(к2\)\

г= '

Я'

где Кс| - коэффициент распределения для линейной изотермы. Конечное уравнен! описывающее выходную кривую, можно представить в следующем вщ

с = с0елег/с1 |. По выбранной модели были рассчитаны основные динамическ

\2л1т)

параметры сорбции инсулина, приведенные в табл. 5.

Данные эксперимента показывают, что модель переходного режима по Елы ну корректно описывает динамику сорбции. При этом определяются коэффициен диффузии и емкость ионита для данной исходной концентрации. Как видно, моде.

ная обменная емкость и рассчитанная интегральная емкость имеют расхождение не

более 7%.

Таблица 5 Динамические параметры сорбции инсулина на исходном КУ-23И.

Параметры сорбции Значение

Обменная емкость по инс.. рассчитанная по модели, мг/мл 83,0

Рассчитанная интегральная емкость по инсулину, мг/мл 78,2

Din- 10'. см'/сек 8.0

Коэффициент распределения Р 83,0

Линейная скорость, м/ч 1,14

Скорость, объемов колонки/час 6,0

Время контакта, мин 1,00

Время для .F=0,05, мин Время для F= 0.95. мин 0,50 8223,0

Высота рабочего слоя, см 19,0

Коэффициент корреляции 0,966

Квадратичная погрешность 0,0018

В эксперименте получен малый коэффициент диффузии характерный для высокомолекулярного олигопептида - инсулина, с молекулярной массой 6000-12000. Величины коэффициента диффузии составляют 8-1 О*9 см2/сек, что хорошо согласуется с литературными данными для сорбции белков на стандартных ионитах.

5.1. Прогноз динамики сорбции инсулина. По выбранной модели в режиме прогноза была рассмотрена 4-х колоночная установка, с содержанием в каждой колонне 90 л сорбента и общей высотой 9,6 м, для сорбции инсулина из технологических растворов с исходной концентрацией целевого компонента 0,000278 мг/мл. На рис. 9 приведены спрогнозированные динамические выходные кривые для одной, 2-х, 3-х и 4-х колонн.

Рис. 9. Прогнозируемые динамические кривые сорбции инсулина их технологических растворов с исходной концентрацией 0,000278 мг/мл: ! - одна колонка; 2 - две колонки; 3 - три колонки; 4 - четыре колонки.

Рассчитаны основные динамические параметры сорбции инсулина. Так общая линейная скорость на 4-х колонках - 8 м/ч, время контакта 72 мин, коэффициент распределения 83,0. Для

внутридиффузионного лимитирования кривые в координатах Р=ср(1) дают возмо» ность оценить потери извлекаемого инсулина на начальной стадии. Такие потери настоящее время не оценивались на производстве в виду того, что отсутствовал ме ханизм описания кривых сорбции и соответственно механизм моделирования. Дл снижения потерь было необходимо достигнуть квазиравновесного режима, что было получено (А,=5,74 для 4-х колоночной схемы), что позволяет снизить потер инсулина на стадии сорбции. Оценены концентрации проскока. Относительная прс скоковая концентрация равна для рассчитанной схемы 3,16-10"4. Это составляв 0,03% потерь целевого компонента от исходной концентрации. Время защитног действия для 1-ой колонки - 385,5 мин, для 4-х колонок - 2418,0 мин (16 сут).

Выводы.

1. С целью ресурсосбережения и сокращения безвозвратных потерь проведен комплексное исследование равновесия, кинетики и динамики сорбции инсулине Выбраны оптимальные модели для описания стадий сорбции и получены основны емкостные, кинетические и динамические характеристики сорбента КУ-23И. Пред ложены оптимальные режимы регенерации катионита, позволяющие вернуть его технологический цикл, и сократить безвозвратные потери инсулина на стадии сорб ции. На основании исследованных в работе характеристик и моделей процесса еде лан расчет сорбционного узла установки, работающей в оптимальном квазиравно весном режиме и позволяющей значительно снизить потери инсулина.

2. Анализ причин образования безвозвратных потерь и образующихся отходо показал, что основные безвозвратные потери ионита и инсулина на стадии сорбци возникают в основном, из-за недостаточной эффективности стадии регенерации, от сутствия основных равновесных и кинетических характеристик сорбента, а также и: за невозможности описания и моделирования динамики извлечения инсулина из ис ходных растворов.

3. Проведены сравнительные исследования емкости по инсулину для различнь сорбентов (гелевых и макропористых ионитов, инертных и ионообменных нетканы материалах). Наилучшие характеристики по сравнению с ионитами гелевой структ ры и сорбентами на основе нетканых материалов показали макропористые катион:

гы с сульфо- , карбоксил- и фосфонокислотными группами, среди которых лучшие результаты получены по емкости для макропористого сульфополистирольного ка-тионита КУ-23И.

4. Проведены сравнительные исследования процессов регенерации катионита КУ-23И с использованием различных регенерирующих растворов, содержащих смеси химических реагентов и окислителей в реальном диапазоне концентраций. Впервые найдено, что регенерация 1%-ым М-ЦОН позволяет увеличить емкость на 80% по сравнению со стандартным режимом регенерации.

5. Показано, что предварительная однократная обработка катионита КУ-23И ультразвуком в оптимальном режиме в отличие от ряда известных и исследованных нами химических реагентов позволяет наиболее полно (на 92%) регенерировать емкость катионита и вернуть его в технологический цикл.

6. Проведены сравнительные исследования равновесия в системе "раствор инсу-лина-сорбент" на различных фоновых растворах. Показано, что равновесие сорбции на растворах инсулина адекватно описывается по уравнениям Ленгмюра и ЗДМ. Получены величины констант обмена и емкостей исходных и регенерированных по предложенным режимам катионитов.

7. Проведены сравнительные кинетические исследования сорбции инсулина на фракциях катионита с различным размером гранул. Показана неоднородность различных фракций товарного ионита и различия в емкостных и кинетических параметрах. Установлено, что лимитирующей стадией сорбции является внутренняя диффузия, выбраны модели для описания кинетики процесса и получены величины коэффициентов внутренней диффузии. Показано, что с увеличением размера гранул емкость по инсулину снижается, а зависимость коэффициента внутренней диффузии от задиуса имеет экстремум при величине радиуса 0,04 см, что позволяет выбрать оптимальную рабочую фракцию катионита.

8. Показано, что модель переходного режима по Елькину дает адекватное описание эксперимента и позволяет прогнозировать выходные кривые для больших моле-сул инсулина с внутридиффузионным лимитированием. Величины 0/у. полученные

по кинетическим и динамическим исследованиям, весьма близки и находятся в ин тервале 6-910'9 см2/сек.

9. Проведен расчет выходных кривых по моделям с внутридиффузионным 1 смешанным типом лимитирования, подобрана модель, адекватно описывающая вы ходные динамические кривые и позволяющая рассчитать сорбционные установю для сорбции медленно диффундирующего высокомолекулярного сорбата на катио ните КУ-23И. Определено оптимальное количество колонн с суммарной, высото! 9,6 м, обеспечивающее квазиравновесный режим работы установки с минимизацие] потерь извлекаемого инсулина.

Основное содержание работы изложено в следующих публикациях:

1. Леонтьева Л.В., Черкасова Т.А., Лейкин Ю.А. Ресурсосбережение в сорбционно]' технологии производства инсулина. // Тезисы докладов XV Международной кон ференции молодых ученых по химии и химической технологии «МКХТ-2001» Москва, 2001 г. - С. 25.

2. Лейкин Ю.А, Черкасова Т.А., Леонтьева Л.В. Влияние предварительной ультра звуковой обработки на свойства гранульных ионитов. // Сорбционные и хромато графические процессы. Воронеж, 2001 г. - Т. 1. - Вып. 6. - С. 1020-1028.

3. Саленко В.Ю., Леонтьева Л.В., Черкасова Т.А. Оценка взаимосвязи структуры ка тионитов с их сорбционными параметрами для технологии извлечения инсулина // Тезисы докладов XVI Международной конференции молодых ученых по химш и химической технологии «МКХТ-2002» - Москва, 2002 г. - С. 113.

4. Леонтьева Л.В., Черкасова Т.А., Лейкин Ю.А. Ресурсосбережение в сорбционно: технологии получения инсулина. // 11 Международный симпозиум "Экологи 2002", июнь 6-8, 2002, Бургас, Болгария.

5. Леонтьева Л.В., Черкасова Т.А., Лейкин Ю.А. Методы восстановления емкост сульфокатионита КУ-23И. // Сорбционные и хроматографические процессы. Вс ронеж, 2002 г. - Т. 2. - Вып. 4. - С. 445-449

6. Леонтьева Л.В., Черкасова Т.А., Лейкин Ю.А. влияние предварительной однс кратной обработки ультразвуком сульфокатионита КУ-23И на кинетические па{ метры сорбции инсулина. // Сорбционные и хроматографические процессы. В< ронеж, 2002 г. - Т. 2. - Вып. 4. - С. 450-456.