Способ разделения минеральной соли и нейтральной аминокислоты в растворе их смеси

Изобретение относится к способам получения очистки аминокислот. Способ выделения нейтральной аминокислоты из водного раствора смеси с минеральной солью нейтрализационным диализом, включающий пропускание смешанного раствора в среднюю камеру трехсекционного диализатора и подачу растворов кислоты и щелочи в приемные смежные камеры, отделенные от средней профилированными катионообменной и анионообменной мембранами соответственно, при этом в качестве нейтральной аминокислоты используют фенилаланин, а под минеральной солью - хлорид натрия, процесс проводят многоступенчато в циркуляционном гидравлическом режиме, причем растворы после выхода из секций диализного аппарата попадают в накопительные емкости, откуда вновь возвращаются в секции диализатора. Технический результат – повышение выхода аминокислоты. 3 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к возможности увеличения эффективности способа очистки аминокислот, в частности к получению раствора индивидуальной аминокислоты из содержащих минеральные компоненты промывных вод микробиологического производства.

Известны способы удаления минеральных ионов из водных растворов такими методами, как дистилляция [1], нанофильтрация [2, 3], обратный осмос [4, 5], электродиализ [6, 7] и нейтрализационный диализ [8-13]. Нейтрализационный диализ (мембранный процесс, особенность которого в возможности сохранения практически нейтрального значения кислотности среды деминерализируемого раствора) по сравнению с другими методами является энергосберегательным, простым в аппаратурном оформлении и обслуживании, требующим низких инвистиционных затрат.

Наиболее близким по совокупности признаков к описываемому способу является процесс извлечения электролита из водного раствора смеси с ароматической аминокислотой стационарным нейтрализационным диализом в противоточном гидравлическом режиме, недостатком которого является низкий выход аминокислоты из-за неполного разделения и извлечения минеральных ионов из раствора смеси.

Задача, на решение которой направлено данное изобретение, заключается в повышении выхода целевого продукта (аминокислоты) из смешанных растворов с минеральной солью за счет увеличения эффективности их разделения вследствие проведения технологического процесса в циркуляционном гидравлическом режиме.

Технический результат заключается в способе деминерализации смешанного водного раствора нейтральной аминокислоты и минеральной соли нейтрализационным диализом с профилированными ионообменными мембранами в циркуляционном гидравлическом режиме.

Технический результат достигается тем, что в известном способе очистки ароматической аминокислоты от минеральной соли нейтрализационным диализом в противоточном гидравлическом режиме, включающем пропускание смешанного раствора в среднюю камеру трехсекционного диализатора и подачу растворов кислоты и щелочи в приемные смежные камеры, отделенные от средней профилированными катионообменной и анионообменной мембранами соответственно, согласно изобретению технологический процесс проводят многоступенчато в циркуляционном гидравлическом режиме, причем растворы после выхода из секций диализного аппарата попадают в накопительные емкости, откуда вновь возвращаются в секции диализатора.

Предлагаемый способ предназначен для деминерализации смешанных водных растворов нейтральной аминокислоты и минеральной соли циркуляционным нейтрализационным диализом в противоточном гидравлическом режиме с использованием профилированных ионообменных мембран с разной природой фунциональных групп. Гетерогенная сильнокислотная катионообменная мембрана представляет собой композицию из полиэтилена и сульфированного сополимера стирола и дивинилбензола, гетерогенная анионообменная мембрана смешанной основности является продуктом поликонденсации полиэтиленполиамина с эпихлоргидриномом. Способ профилирования гетерогенных мембран в набухшем состоянии разработан и защищен патентом [14]. По сравнению с гладкой мембраной профилированные ионообменные мембраны отличаются улучшенными транспортными характеристиками за счет увеличения поверхности массообмена и возможности турбулизации потока раствора на элементах профиля. Мембраны кондиционировали в соответствии с общепринятой методикой [15], а затем переводили в требуемую ионную форму: катионообменную мембрану - в водородную, а анионообменную - в гидроксильную.

Способ деминерализации смешанных растворов аминокислоты (фенилаланина) и минеральной соли (хлорида натрия) циркуляционным нейтрализационным диализом выполняли в проточном плоскокамерном диализаторе непрерывного действия, схема которого представлена на фиг. 1. Корпус диализатора изготовлен из органического стекла и состоит из трех блоков-секций (1-3), разделенных катионообменной КМ и анионообменной AM мембранами. Высота и ширина мембран составляли 4,3 см и 1,8 см соответственно, межмембранное расстояние и расстояние от мембраны до параллельной ей стенки секции составляло 0,6 см. Исходный раствор (диализат) подавали в секцию 2 аппарата снизу вверх со скоростью 4,5⋅10-2 см/с с помощью многоканального перистальтического насоса, через смежную с катионообменной мембраной КМ приемную секцию 3 в режиме противотока пропускали раствор кислоты (диффузат), через смежную с анионообменной мембраной AM секцию 1 - раствор щелочи со скоростью 5,8⋅10-3 см/с. Выбор соотношения скоростей обусловлен необходимостью получения воспроизводимых результатов при контроле изменения концентрации компонентов в секциях диализатора.

Нейтрализационный диализ осуществляли в стационарном режиме, достижение стационарного состояния определялось по постоянству концентрации компонентов в вытекающих из приемных секций растворах (пермеате) и соответствовало объему исходного смешанного раствора 2 дм3. Объемы кислоты и щелочи составляли 1 дм3. Емкость 4 для подачи рабочего раствора смеси аминокислоты и минеральной соли и емкости 5, 6 для подачи кислоты и щелочи заполняются вручную до начала эксперимента. Использовали систему с рециркуляцией потока, в которой растворы после выхода из секций диализного аппарата попадают в накопительные емкости (7-9), откуда вновь возвращаются в секции диализатора. Определяющие максимальный перенос минеральных ионов и минимальные потери аминокислоты концентрации растворов соляной кислоты и гидроксида натрия в диффузате составляли 0,3 М.

Выделение ионов электролита из смеси с аминокислотой протекает с одновременным переносом ионов водорода и гидроксила из приемных секции в исходную и переводом мембран в Н- и ОН-формы соответсвенно, что исключает необходимость регенерации мембран.

Модельные растворы готовили из реактивов классификации «ч.д.а.». Нейтрализационный диализ проводился из растворов, в которых нейтральная аминокислота фенилаланин с изоэлектрической точкой pI=5,91 находилась преимущественно в виде биполярных ионов, так как величины рН модельных растворов в зависимости от концентраций имели значения 5,20-5,60. Для проведения рециркуляционного диализа выбраны смешанные растворы фенилаланина и хлорида натрия при различном содержании минеральной соли. Соотношение концентраций компонентов C0(Phe):C0(NaCl) при концентрации аминокислоты C0(Phe)=0,025M составляло 100:1; 10:1; 1:1; 1:10; 1:100.

Контроль изменения концентрации ионов натрия в приемной секции осуществлялся методом эмиссионной фотометрии пламени на пламенно-фотометрическом анализаторе жидкостей ПАЖ-1 (предел обнаружения - 2,1⋅10-5 моль/дм3), хлорид-ионов - методом аргентометрии, аминокислоты - на спектрофотометре СФ-46 при длине 257 нм (предел обнаружения фенилаланина - 5,8⋅10-6 моль/дм3).

Селективный перенос ионов минерального компонента из смешанного раствора с аминокислотой происходит через катионообменную мембрану (катионы натрия) и через анионообменную мембрану (хлорид-анионы). Аминокислота не участвует в переносе через ионообменные мембраны, а остается в виде биполярных ионов в растворе секции диализата, который сохраненяет постоянное значение рН 5,80-6,50 вследствие непрерывного переноса ионов водорода и гидроксила из секций диффузата. За первый цикл нейтрализационного диализа смешанного эквимолярного раствора фенилаланина и хлорида натрия извлечение ионов натрия составило 62,1% и хлорид-ионов 49,6% от исходного содержания минеральной соли. Далее обогащенный аминокислотой раствор ретентата из накопительной емкости 7 повторно направляли в среднюю секцию диализатора на следующий цикл разделения. Степень извлечения ионов электролита за второй и последующие циклы была меньше предыдущих, однако за 7 циклов в растворе пермеата достигается практически полное извлечение ионов электролита (99,9% ионов натрия и хлорид-ионов от содержания в смеси).

Для количественной оценки эффективности процесса деминерализации смешанных водных растворов фенилаланина и хлорида натрия расчитали максимально достигаемую степень извлечения ионов электролита по выражению [16]:

где Ср - концентрация раствора пермеата, моль/дм3; Cr - концентрация раствора ретентата, моль/дм3, i - номер цикла.

На фиг. 2 представлены зависимости степени извлечения ионов натрия (1) и хлорид-ионов (2) из эквимолярного раствора смеси фенилаланина и хлорида натрия от количества циклов при нейтрализационном диализе.

При многократном проведении процесса деминерализации смешанного раствора аминокислоты и минерального компонента достигается практически полное (R=99,9%) извлечение минеральных ионов. Предлагаемый способ позволяет получать на выходе водный раствор индивидуальной аминокислоты, не загрязненный минеральными ионами.

На фиг. 3 представлены зависимости количества циклов n, соответствующие достижению степени извлечения минеральных ионов R=99,9% для анионообменной (кривая 1) и катионообменной (кривая 2) мембран, от соотношения концентраций компонентов в смешанном растворе фенилаланина и хлорида натрия.

С уменьшением содержания электролита в исходном растворе смеси с аминокислотой количество циклов, необходимое для достижения практически полного (R=99,9%) извлечения минеральных ионов, уменьшается.

При решении задач мембранного разделения минеральной соли и аминокислоты следует исходить из того, что степень выделения минеральных ионов должна быть высокой, а потери очищаемого продукта (аминокислоты) - минимальными. Были расчитаны потери аминокислоты за счет диффузионного переноса и осмотического транспорта через каждую из ограничивающих секцию диализата мембран:

где Ср - концентрация аминокислоты в пермеате, моль/дм3; С0 - концентрация аминокислоты в исходном растворе, моль/дм3.

Потери фенилаланина LPhe вследствие переноса через катионообменную МК и анионообменную МА мембраны при достижении максимальной степени извлечения минеральных ионов (R=99,9%) из растворов с различным соотношением концентраций компонентов представлены в табл. 1. Суммарные потери аминокислоты за счет диффузионного и осмотического переноса через ионообменные мембраны за семь циклов рециркуляционного нейтрализационного диализа эквимолярной смеси не превышали 11,3%. При нейтрализационном диализе растворов, состав которых соответствует реальному соотношению компонентов ферментативной смеси в сточных водах микробиологического производства (10:1), суммарные потери аминокислоты не превышали 7-8%.

Источники информации

1. Sun А.С. Vacuum membrane distillation for desalination of water using hollow fiber membranes / A.C. Sun, W. Kosar, Y. Zhang, X. Feng // J. Membrane Sci. - 2014. - Vol. 455. - P. 131-142.

2. Zhao S. Brackish water desalination by a hybrid forward osmosis-nanofiltration system sing divalent draw solute / S. Zhao, L. Zou, D. Mulcahy // Desalination. - 2012. - Vol. 284. - P. 175-181.

3. Phuntsho S. Forward osmosis desalination of brackish groundwater: Meeting water quality requirements for fertigation by integration nanofiltration / S. Phuntsho, S. Hong, M. Elimelech, H.K. Shon // J. Membrane Sci. - 2013. - Vol. 436. - P. 1-15.

4. Tu K.L. Boron removal by reverse osmosis membranes in seawater desalination application // Sep. Purif. Tech. - 2010. - Vol. 75. - P. 87-101.

5. Penate B. et al. Seawater reverse osmosis desalination driven by a solar Organic Rankine Cycle: Design and technology assessment for medium capacity range // Desalination. - 2012. - Vol. 284. - P. 86-91.

6. Ghyselbrecht K. et al. Desalination of an industrial saline water with conventional and dipolar membrane electrodialysis // Desalination. - 2013. - Vol. 318. - P. 9-18.

7. Strathmann H. Electrodialysis, a mature technology with a multitude of new applications // Desalination. - 2010. - Vol. 264. - P. 268-288.

8. Denisov G.A. Theoretical analysis of neutralization dialysis in the three-compartment membrane cell / G.A. Denisov, G.A. Tishchenko, M. Bleha, L.K. Shataeva // J. Membr. Sci. - 1995. - V. 98, № 1-2. - P. 13-25.

9. Igawa M. Neutralization dialysis for deionization / M. Igawa, K. Echizenya, T. Hayashita, M. Seno // Bull. Chem. Soc. Jpn. - 1987. - V. 60. - P. 381-383.

10. Bleha M. Neutralization dialysis for desalination // J. Membr. Sci. - 1992. - V. 73. - P. 305-311.

11. U.S. Patent 4,769,152. Process for removing electrolyte / Igawa M., Echizenya K., Hayashita Т., Seno M.; date of patent 06.09.1988, appl. No 10,948.

12. Wang G. Transport of glycine by neutralization dialysis / G. Wang, H. Tanabe, M. Igawa // J. Membr. Sci. - 1995. - V. 106. - P. 207-211.

13. Cherif M. et al. Water desalination by neutralization dialysis with ion-exchange membranes: Flow rate and acid/alkali concentration effects // Desalination. - 2015. - Vol. 361. - P. 13-24.

14. Пат. RU 2284851. Способ профилирования гетерогенных ионообменных мембран / Заболоцкий В.И., Лоза С.А., Шарафан М.В.; заявитель и патентообладатель: Общество с ограниченной ответственностью ИП «Мембранная технология» (Краснодар, РФ); приоритет 24.01.2005; опубл. 10.10.2006, Бюл. №28.

15. Березина Н.П. Физико-химические свойства ионообменных материалов: практикум. Краснодар: изд-во Кубанского гос. ун-та, 1999. 82 с.

16. Хванг С.-Т. Мембранные процессы разделения / С.-Т. Хванг, К. Каммермейер. - М.: Химия, 1981. - 464 с.

Способ выделения нейтральной аминокислоты из водного раствора смеси с минеральной солью нейтрализационным диализом, включающий пропускание смешанного раствора в среднюю камеру трехсекционного диализатора и подачу растворов кислоты и щелочи в приемные смежные камеры, отделенные от средней профилированными катионообменной и анионообменной мембранами соответственно, отличающийся тем, что в под нейтральной аминокислотой понимают фенилаланин, а под минеральной солью - хлорид натрия, процесс проводят многоступенчато в циркуляционном гидравлическом режиме, причем растворы после выхода из секций диализного аппарата попадают в накопительные емкости, откуда вновь возвращаются в секции диализатора.



 

Похожие патенты:

Группа изобретений относится к биотехнологии. Предложены способы получения молочной кислоты, получения лактида и получения полимолочной кислоты.

Изобретения могут быть использованы для обессоливания морской, жесткой и/или загрязненной воды прямым осмотическим обессоливанием. Для осуществления способа очистки загрязненной воды поток загрязненного питающего раствора, содержащего воду и имеющего первое осмотическое давление, пропускают через полупроницаемую мембрану на сторону выведения, имеющую поток выводящего раствора со вторым осмотическим давлением на стороне выведения полупроницаемой мембраны.

Изобретение относится к устройствам и способам гемодиафильтрации/гемофильтрации. .

Изобретение относится к устройствам для фильтрования и обезвоживания суспензий тонкодисперсных материалов и может быть использовано в горно-рудной, угольной, химической, пищевой и других отраслях промышленности.

Изобретение относится к способу очистки аминокислот, в частности, от минеральных компонентов, содержащихся в промывных водах микробиологического производства. Способ деминерализации нейтрализационным диализом смешанного раствора аминокислоты и соли включает подачу раствора смеси в среднюю секцию трехсекционного диализатора, ограниченную катионообменной и анионообменной мембранами с геометрически неоднородной профилированной поверхностью, подачу раствора кислоты в режиме противотока через смежную с катионообменной мембраной секцию, а через смежную с анионообменной мембраной - раствора щелочи.

Изобретение относится к улучшенному способу очистки водного раствора глиоксаля путем последовательного прохождения очищаемого раствора через камеры электродиализатора, разделенные анионообменными и катионообменными мембранами.

Изобретение относится к способу и установке для удаления ионизируемых примесей из раствора электролита в электромембранном устройстве. .

Изобретение относится к технике электродиализа. .

Изобретение относится к способу отделения, концентрирования и извлечения соединения бора из водного раствора, содержащего бор, сильно диссоциированные анионы и некоторые катионы.

Изобретение относится к устройству для электродеионизации и способу удаления ионов из водного раствора в устройстве для электродеионизации, которое, в частности, содержит множество отсеков разбавления и отсеков концентрирования, а также непрерывную фазу первого ионообменного материала с дисперсной фазой второго ионообменного материала.

Изобретение относится к химической технологии. .

Изобретение относится к химической промышленности и может быть использовано при получении едких щелочей, в частности гидроокиси калия. .

Изобретение относится к конструкциям электродиализаторов, используемых для деминерализации растворов и получения солевых концентратов. .

Изобретение относится к способу очистки природного рассола бишофита, который представляет собой лекарственное средство, бальнеологическое средство, профилактическое средство, применяемое при различных патологических состояниях организма, в качестве средства профилактики заболеваний различной этиологии, в качестве бальнеологического фактора в санаторно-курортном лечении или в качестве действующего компонента для получения сложнокомпонентных лекарственных форм. Исходное сырье предварительно аэрируют. Затем сырье пропускают через фильтрующие установки, содержащие гранулированный активированный уголь. В дальнейшем сырье подвергают механической фильтрации через фильтрующую мембрану и нанофильтрации через мембраны для удаления растворенных веществ с размером от 1 нм и органических веществ с молекулярной массой 200-400 Да. Технический результат: получение очищенного природного рассола бишофита от примесей ионов железа, нефтепродуктов, солей тяжелых металлов и взвешенных механических частиц. 1 табл.

Изобретение относится к области разделения газовых смесей и может быть использовано в газовой, нефтяной и химической отраслях промышленности. Осуществляют трестадийную обработку гелийсодержащего природного газа. Проникающий газ (5) после первой газоразделительной мембраны (3) сжимают в компрессоре (13) и направляют на вторую газоразделительную мембрану (17). Проникающий газ (19) из второй газоразделительной мембраны (17) извлекают как гелийсодержащий газ. Непроникающий газ (21) из второй газоразделительной мембраны (17) направляют на третью газоразделительную мембрану (23). Непроникающие газы (7 и 25) из первой и третьей газоразделительных мембран (3 и 23) объединяют, получая товарный природный газ (27). Проникающий газ (9) из третьей газоразделительной мембраны (23) объединяют с проникающим газом (5) из первой газоразделительной мембраны (3). Обеспечивается высокий уровень извлечения гелия с концентрацией 99 мол.%, а также минимальная теплоемкость очищенного природного газа при использовании только одного компрессора. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к способам получения очистки аминокислот. Способ выделения нейтральной аминокислоты из водного раствора смеси с минеральной солью нейтрализационным диализом, включающий пропускание смешанного раствора в среднюю камеру трехсекционного диализатора и подачу растворов кислоты и щелочи в приемные смежные камеры, отделенные от средней профилированными катионообменной и анионообменной мембранами соответственно, при этом в качестве нейтральной аминокислоты используют фенилаланин, а под минеральной солью - хлорид натрия, процесс проводят многоступенчато в циркуляционном гидравлическом режиме, причем растворы после выхода из секций диализного аппарата попадают в накопительные емкости, откуда вновь возвращаются в секции диализатора. Технический результат – повышение выхода аминокислоты. 3 ил., 1 табл.

Наверх