Проектирование аппарата для очистки сточных вод от фенола и нефтепродуктов (стр. 2 из 14)
1. Иммобилизация клеток на носителе или на поверхности носителя.
Поверхность или часть поверхности удерживаемой носителем клетки свободно "омывается" внешней средой (жидкой или газообразной); при этом потребление субстратов и выделение продуктов жизнедеятельности микроорганизма определяются преимущественно биологическими факторами, т. е. функциональными возможностями конкретного штамма в среде используемого состава. В качестве носителей для иммобилизации в данном варианте используются различные адсорбенты и ионообменные материалы.
2. Иммобилизация клеток в носителе или в массе (объеме) носителя
Между внешней средой и клеткой в результате иммобилизации последней появляется слой материала носителя, и обмен веществ клетка-среда осуществляется через этот слой, где происходит диффузионно-контролируемый транспорт питательных веществ и отвод метаболитов. В данном случае свойства носителя (например, его пористость, заряд, гидрофильность) могут в значительной степени сказываться на работе иммобилизованного биокатализатора и на уровне реализации потенциальных возможностей микроорганизма. В данном варианте иммобилизации микроорганизмов в качестве носителей применяются либо полимерный гель, либо полимерная пленка, либо полимерное волокно.
3. Иммобилизация клеток с использованием мембранной технологии или иммобилизация в мембранных реакторах.
Клетка и небольшая часть внешней среды помещены в замкнутый объем, отделенный от остальной среды полупроницаемой мембраной, размеры пор в которой таковы, что субстраты и продукты через нее проникают, а клетки удерживаются внутри замкнутого объема. Здесь микроорганизмы находятся непосредственно в среде, с искусственной же мембраной как носителем контактирует лишь слой у поверхности мембраны; остальные клетки фактически не имеют затруднений в движении, если их концентрация не слишком высока.
2.1.2 Адсорбционная иммобилизация микроорганизмов
В случае адсорбционной иммобилизации используется естественная способность многих микроорганизмов закрепляться на разнообразных твердых или гелеобразных носителях и продолжать свою жизнедеятельность в таком обездвиженном состоянии. При этом собственно процедура искусственной иммобилизации предусматривает зачастую просто пропускание суспензии клеток через реактор с адсорбентом.
Адсорбционные методы иммобилизации относятся к числу наиболее простых и "естественных". В природе почти всегда микроорганизмы и их ассоциаты существуют не в изолированной (свободной) форме, а в адсорбированном состоянии. Примером этому являются микробные популяции почвы, кишечника, рубца, некоторые азотфиксирующие микроорганизмы растений и т.д.
В данной работе был выбран именно адсорбционный способ иммобилизации.
Разнообразие свойств поверхности клеток и адсорбентов обусловливает различные механизмы адсорбционного взаимодействия и различные виды сил адгезии. Адгезия клеток на адсорбенте определяется следующими причинами:
1) Образование химических связей между поверхностями клетки и адсорбента (хемосорбция);
2) Ион - ионные взаимодействия, образование ионных пар и триплетов, например, NH3+.. .~ —ООС— и —СОО—~... Са2+ ... ~ —ООС—;
3) Электростатические (неионные) взаимодействия заряженных поверхностей клеток и адсорбента;
4) Силы Ван-дер-Ваальса (взаимодействие диполь—диполь, диполь—наведенный диполь, ион —диполь);
5) Влияние электролитов, гидратационных эффектов, капиллярных свойств;
6) Флокуляция и коагуляция;
7) Гидрофобное взаимодействие;
При адсорбционной иммобилизации клеток, которая обусловлена электростатическими силами, одновременно реализуется несколько типов адгезионного взаимодействия, поэтому трудно выделить роль каждого из них по отдельности. Тем не менее наибольшее влияние на связывание микроорганизма с носителем оказывают ковалентные и ионные взаимодействия.
2.1.3 Виды адсорбентов
Адсорбенты для иммобилизации могут быть органическими или неорганическими, природными, искусственными, синтетическими. Используют также комбинированные адсорбенты, представляющие собой подложку из одного материала с поверхностным слоем (пленкой) из другого. Поверхностный слой может быть привитым или нанесенным, он может формироваться и из материала подложки после ее физической или химической обработки (промывка, травление, обработка кислотой или щелочью, карбонизация, термообработка, обработка электроразрядом и т.д.).
Носители для адсорбционной иммобилизации
Природные неорганические
Глины (например, бентонит, каолинат, кордерит); кизельгур (целит и другие диатомовые земли); песок; цеолиты; природные кремнеземы; силикаты; карбонаты; фосфаты; угли; графит; туф; перлит; морская губка.
Природные органические (поммерные)
Хитин/хитозан; декстран (поперечно-сшитый); древесина (разные сорта, щепа, стружка, опилки); багасса; хлопок; целлюлоза; лигнин; шерсть; волосы; шелк; коллаген.
Неорганические искусственные
Кремнеземы; силикагели; стекла (эти материалы применяются в виде гранул, волокон, ершей, пластин); графитированные материалы (сажа, активированный уголь, ткани, волокна, углеродные материалы); кирпич; керамика (гранулы, пластины, кольца и т.д.); нержавеющая сталь (пластины, диски, волокна, шарики); медь (волокно); металлические сплавы; магнетит; оксиды и гидроксиды Тi (IV), Zr (IV), Sn (IV), V (III), Al(III), Fе(II, III).
Полилеры синтетические
DEAE-целлюлоза; ТЕАЕ-целлюлоза; ЕСТЕОБА-целлюлоза; DEHPAE- целлюлоза; фосфоцеллюлоза (торговые марки ионообменников на основе целлюлозы - Cellex фирмы Bio-Rad, Sephaoel (фирмы Pharmacia, Servaoel, фирмы Serva, Whatman одноименной фирмы); ацетилцеллюлоза; целлофан; анионообменные смолы на основе сополимеров стирола и дивинилбензола с пришитыми аминами (Amberlite марок IBA, IRA, XAD, XE; Dowex марки 50-W-X, 1-Х, Bio-Rad марок AG-1, AG-2, AG-21); DEAE-сефадекс; полиэтилен; полипропилен; политетрафторэтилен; сополимер тетрафторэтилена и гексафторпропилена; полиэтилентерефталат; полипропилекоксид; поливинилхлорид; поливиниловый спирт; сополимер винилового спирта и этилена; эпоксидированные смолы; фенолформальдегидные смолы; полистирол; тефлон; производные полиакриловых кислот; сополимеры 2-оксиэтил-метакрилата и этилендиметакрилата (сфероны); найлон, капрон (полиамиды - продукты гомополиконденсации аминокарбоновых кислот, например s-аминокапроновой кислоты или ее лактама); полиуретаны (продукты взаимодействия изоционата с полиоксидо- соединениями); поликарбонат; полиацетат; полиэфир; силикон.
Комбинированные (нанесенные, привитые)
Туф + желатина; целлюлоза + полиэтиленимин (ПЭИ); стекло + ПЭИ; сталь + ПЭИ; сталь + полипропилен; сталь + сополимеры метакриловой кислоты; полиэтилен + альбумин; полиэтилен + коллаген; полиэтилен н- лектин; полистирол + альбумин; полиэтилен + сополимер акриламида и акриловой кислоты; силикагель + слой липидов; сажа + слой липидов.
К достоинствам многих органических адсорбентов относятся химическая стабильность, большие возможности изменения химических свойств их поверхности и варьирования структуры пор, возможность придания частицам адсорбента заданной геометрической формы - получения гранул правильной формы с узким распределением по размерам, получения волокон, пленок, листов, труб и т.д.
Неорганические адсорбенты обладают высокой биологической стабильностью, доступны и дешевы, легко регенерируются.
Пористость и химические свойства природных неорганических адсорбентов менять более трудно, в ряде случаев они достаточно хрупки. Адсорбенты на основе кремнеземов (стекол, силикагелей, силохромов) характеризуются повышенной растворимостью при щелочных значениях рН. Возможность устранить ее заключается в модифицировании поверхности кремнеземов, например, путем покрытия пленками оксидов металлов (циркония, алюминия, гафния, титана), обработкой солями переходных металлов (титана, ванадия, олова, железа и др.), нанесением полимерных пленок.
Перспективными адсорбентами являются металлы и их оксиды, поскольку они дешевы, пористость их легко изменить, обладают отличными гидродинамическими свойствами, налажены промышленные методы получения из них макропористых порошков и гранул. То же самое относится и к пористой керамике, причем еще одним преимуществом ее является возможность варьировать заряд поверхности в зависимости от использования глинозема или кремнезема с добавками различных металлов.
2.1.4 Приемы адсорбционной иммобилизации клеток микроорганизмов
К достоинствам адсорбционной иммобилизации относится исключительная простота методов ее проведения. По существу, иммобилизация происходит при контакте водной суспензии микроорганизмов с адсорбентом (исключение составляет иммобилизация с помощью электроадсорбции, методика которой рассмотрена выше).
Способы иммобилизации разделяются на статические, с перемешиванием, а также путем нанесения на колонке. Статический способ наиболее прост и заключается в том, что адсорбент вносят в суспензию клеток и смесь инкубируют некоторое время без перемешивания. Иммобилизация достигается за счет осаждения клеток и последующей их адсорбции на частицах адсорбента. Недостатком способа является необходимость длительного контакта адсорбента с суспензией клеток. Способ с перемешиванием предусматривает непрерывное поддержание суспензии клеток и частиц адсорбента в диспергированном состоянии, что обеспечивает более быстрое завершение процесса адсорбции и более равномерное заполнение поверхности адсорбента клетками. Способ нанесения в колонке заключается в прокачивании (с рециклом) суспензии клеток через колонку, заполненную адсорбентом. Если суспензию прокачивают снизу вверх, то скорость потока устанавливается такой, чтобы поддерживать частицы адсорбента во взвешенном состоянии при условии, что это позволяет масса и размер частиц. В случае использования закрепленных форм матрицы адсорбента, например, зафиксированных в неподвижном состоянии волокон, ершей, пленки, пакетов, труб, колец, сеток и т.д., а также при подаче потока суспензии клеток в колонку сверху, реализация "кипящего слоя" адсорбента не нужна. Способ нанесения клеток в колонке имеет то преимущество, что позволяет проводить нанесение и последующий процесс с использованием иммобилизованных клеток в одной и той же колонке.