НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ “КИЄВО-МОГИЛЯНСЬКА АКАДЕМІЯ”

Коновалова Вікторія Валеріївна

УДК 541.18+577.15

МЕМБРАНИ З ІММОБІЛІЗОВАНИМИ БАКТЕРІЯМИ ТА ЇХ ФУНКЦІОНАЛЬНІ ВЛАСТИВОСТІ

05.17.18. – Мембрани та мембранна технологія

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2001

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Національному університеті “Києво-Могилянська Академія”

Науковий керівник: доктор хімічних наук, професор Брик Михайло Теодорович, Національний університет “Києво-Могилянська Академія”, перший віце-президент, віце-президент з наукової роботи, завідуючий кафедри хімії.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, старший науковий співробітник Матвієнко Андрій Борисович, компанія “Чумак”, Скадовський консервний завод, м. Каховка Херсонської обл., директор.

доктор технічних наук, професор Марінченко Віктор Опанасович, Український Державний університет харчових технологій, професор кафедри біотехнології продуктів бродіння екстрактів і напоїв.

Провідна установа: Національний університет “Львівська політехніка”, хіміко-технологічний факультет, кафедра хімічної інженерії і промислової екології, м. Львів.

Захист відбудеться “ _7_ “ грудня 2001 р. о _14_ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.008.01 при Національному університеті “Києво-Могилянська Академія” за адресою 04070, м. Київ, вул. Сковороди 2, ауд. 1-301

З дисертацією можна ознайомитись у науковій бібліотеці Національного університету “Києво-Могилянська Академія” (м. Київ, вул. Сковороди 2).

Автореферат розісланий “-6-“ листопада 2001р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради,

кандидат хімічних наук Вербич С.В.

Загальна характеристика роботи

Актуальність проблеми. В останні роки мембрани та мембранні технології широко використовуються майже в усіх сферах людської діяльності. Для розширення областей використання синтетичних полімерних мембран, покращання їх розділювальних характеристик та усунення деяких недоліків мембранного розділення необхідне створення нових типів мембран. Швидким розвитком характеризуються сучасні наукові дослідження зі створення нових мембран: композиційних, неорганічних, заряджених та мембран з додатковими функціями. Найбільшого розвитку набув один із напрямків зі створення мембран з додатковими функціями - біокаталітичних мембран, які представляють собою полімерні мембрани з іммобілізованими на їх поверхні біокаталізаторами (ферментами або клітинами). Такі мембрани наряду з додатковими функціями – біокаталіз – частково усувають деякі недоліки баромембранного розділення, зокрема, концентраційну поляризацію. Крім цього, іммобілізація на мембранах біокаталізаторів, які розщеплюють розчинені речовини, запобігає забрудненню мембран з одночасним очищенням води від цих речовин.

Швидкому розвитку досліджень по створенню мембран з додатковими функціями перешкоджають труднощі, що пов'язані з проведенням технологічно складних стадій в процесі їх формування. Методи іммобілізації біокаталізаторів в полімерну матрицю вимагають м'яких умов проведення процесу формування біокаталітичних мембран, що дуже важко досягти, враховуючи існуючі методи формування полімерних мембран із розчинів в органічних розчинниках, які призводять до втрати значної частини активності біокаталізатору. Іншою проблемою є необхідність раціонального спряження розділювальних властивостей мембрани (продуктивність, затримка) та біохімічних реакцій розщеплення або синтезу речовин на поверхні мембрани.

Незважаючи на вказані труднощі, біокаталітичні мембрани можуть бути основою для створення принципово нових технологій, що базуються на проведенні процесів в м'яких умовах у тонких поверхневих шарах мембрани. Також передбачається можливість покращання умов очищення стічних вод, що містять гелеутворюючі речовини.

Мета та задачі дослідження. Метою даної роботи є одержання мембран з іммобілізованими бактеріями, дослідження їх розділювальних властивостей та розробка процесів їх використання в очищенні стічних вод.

Поставлена мета визначила задачі роботи:

1. Розробка нових методів іммобілізації бактерій на полімерних ультрафільтраційних мембранах.

2. Дослідження структури та характеристик отриманих біокаталітичних мембран.

3. Вивчення закономірностей ультрафільтраційного розділення на біокаталітичних мембранах.

4. Створення мембранних біореакторів та розробка оптимальних умов проведення технологічних процесів на біокаталітичних мембранах.

Наукова новизна. Вперше розроблені нові методи іммобілізації бактерій на полімерних ультрафільтраційних мембранах. Вивчені морфологічні властивості отриманих біокаталітичних мембран. Показана можливість використання таких мембран в процесах ультрафільтраційного розділення та створення мембранних біореакторів для очищення стічних вод.

Практична значимість. Розроблено методики формування біокаталітичних мембран з включенням клітин у полімерну матрицю. Досліджено процеси ультрафільтраційного розділення барвників та емульгованих машинних масел на біокаталітичних мембранах. Визначені оптимальні умови проведення технологічних процесів денітрифікації та хромат-редукції в мембранних біореакторах діалізного типу.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота, викладена у дисертації, виконувалась при навчанні здобувача в аспірантурі Національного університету “Києво-Могилянська Академія” в рамках державних науково-технічних тем: “Створення принципово нових типів полімерних мембран (матричних, бактерицидних, мембранних імуносенсорів)”, “Дослідження процесів мембранного розділення та їх використання для одержання високочистої води.”, “Розроблення та впровадження комплексної технології очистки стічних вод, які містять емульговані нафтопродукти та жири “ (Міністерство освіти і науки України, держзамовлення, договір №8/42-2001)

Особистий внесок здобувача. Всі дослідження виконані з ініціативи здобувача та за його безпосередньої участі в проведенні експериментів та аналізі отриманих результатів.

Апробація роботи. Результати досліджень доповідались на конференціях “Дні науки в НаУКМА” (Київ, 2000,2001), міжнародних конференціях “Catalysis in membrane reactors” (Копенгаген, Данія, 1998), “Advanced membrane technology” (Барга, Італія, 2001), “Мембранні та сорбційні процеси” (Краснодар, 2000), Мембрани-2001 (Москва, 2001).

Публікації. Основні положення дисертації викладено у 6 наукових працях, у тому числі – 5 журнальних статтях.

Об'єм і структура роботи. Дисертація складається із вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Робота викладена на 124 сторінках друкованого тексту, містить 5 таблиць, 30 рисунків. Список використаних джерел складає 162 найменування.

Зміст роботи

Розділ 1. Іммобілізація біокаталізаторів та біологічні процеси очищення стічних вод

В огляді літератури розглянуті основні існуючі методи іммобілізації біокаталізаторів та носії, що використовуються в процесах іммобілізації. Літературні дані свідчать про явні переваги іммобілізованих біокаталізаторів над вільними. Розглянуті основні переваги та недоліки використання природних та синтетичних полімерів в процесах іммобілізації. Показано, що використання іммобілізованих бактерій в процесах очищення води сприяє підвищенню стійкості системи до дії несприятливих факторів. Розглянуто біологічні процеси очищення стічної води з використанням змінновалентних елементів: денітрифікацію, сульфат-редукцію та хромат-редукцію. Застосування мікроорганізмів, які здатні використовувати як термінальні акцептори електронів змінновалентні елементи, відкриває нові можливості інтенсифікації біологічного очищення стічних вод.

Незважаючи на широке розмаїття існуючих методів іммобілізації клітин на різних носіях, методи іммобілізації клітин на полімерних мембранах практично не розроблені, більш повно розроблені методи іммобілізації ферментів. Як показують літературні дані, при використанні клітин в мембранних біореакторах мембрана в більшості випадків виконує розділювальну функцію. Робіт по використанню мембран як носіїв для клітин небагато, очевидно, із-за складності процесу іммобілізації.

Аналіз робіт показує, що для іммобілізації клітин на мембранах найбільш придатними є методи їх включення в полімерну матрицю. Цей спосіб дозволяє сконцентрувати на поверхні та в тілі мембрани значну кількість біомаси та жорстко її закріпити. Але використання його обмежене, так як формування мембран проходить в середовищі органічних розчинників. Тому для іммобілізації клітин необхідні вибір м'якого розчинника або формування мембран з водорозчинних полімерів.

Розділ 2. Матеріали і методи

Розроблені методики іммобілізації бактерій включенням цілих клітин в полімерну матрицю розчинену в органічних розчинниках. Мембрани отримували з розчину мембраноутворюючого полімеру сульфованого полісульфону методом мокрого та сухо-мокрого формування. Одержання розчину для формування мембран з суспендованими клітинами проводили за такими трьома схемами: введення культури мікроорганізмів у полімерний розчин (спосіб А); розчинення мембраноутворюючого полімеру у попередньо отриманій суспензії культури мікроорганізмів в органічному розчиннику (спосіб В); змішування суспензії культури мікроорганізмів в органічному розчиннику з розчином полімеру (спосіб С).

Розроблені методики іммобілізації бактерій у водорозчинні гелі агар-агару та альгінату кальцію та формування плівок на полімерних ультрафільтраційних мембранах.

Лабораторні досліди проведені на модельних розчинах з використанням ультрафільтраційної установки непроточного типу та діалізної комірки динамічного типу.

Перебіг процесу хромат-редукції та денітрифікації контролювали вимірюванням окисно-відновного потенціалу (ОВП) середовища.

Біокаталітичну ефективність мембран виражали в термінах ступеню біокаталітичної деструкції a.

Розділ 3. Іммобілізація бактерій в полімерну матрицю

Для використання біокаталітичних мембран в процесах ультрафільтрації необхідно вибирати методи, що дозволяють застосовувати біокаталізатори в умовах підвищених тисків та екстремальних умовах ОВП. Клітини мікроорганізмів повинні міцно закріплюватися на мембрані та не змінювати її властивостей в процесі росту. Зважаючи на сказане, ми обрали механічний метод іммобілізації бактерій включенням їх в полімерну матрицю (окклюзія).

Дослідження макроскопічної структури мембран із включеними клітинами в оптичному мікроскопі свідчить про вплив способу підготовки розчину формування на морфологію мембран. При підготовці формувального розчину за способом А мембрана має гетерогенну структуру з чітко вираженими елементами гетерогенності (вакуолі) мікронних розмірів (рис. 1 а). Вакуолі розташовані в об'ємі мембрани нерівномірно, ізольовано одна від одної або групами по дві-три вакуолі. Клітини мікроорганізмів знаходяться всередині вакуоль. При внесенні вологої культури в полімерний розчин дифузійний процес змішування води, сорбованої клітинами, з органічним розчинником через підвищену в'язкість полімерного розчину ускладнений. Очевидно, що при цьому на агрегатах мікроорганізмів під дією води, що не розчиняє полімер, відбувається процес осадження полімеру з утворенням полімерної оболонки, що окклюдує клітини. Оболонка самої вакуолі – це напівпроникна полімерна мікроплівка, яка є захисною для бактерій.

У випадку підготовки формувального розчину за способом В елементи гетерогенності мікронних розмірів відсутні. Найбільшою однорідністю морфологічної структури вирізняються мембрани, отримані з розчинів, що готували за способом С. Крім того, такі мембрани мають найменшу гідравлічну проникність. У сприятливих умовах клітини, що знаходяться у вакуолях, ростуть і утворюють всередині їх мікроколонії (рис. 1 б).

Морфологія мембран, у які вводили неживі клітини мікроорганізмів, дуже близька до морфології мембран із живою біомасою. Структура мембран гетерогенна та містить вакуолі тих же розмірів, що і при введенні живої біомаси. Це свідчить про вплив присутності в розчині полімеру біологічної клітини на морфологію полімерної мембрани.

З метою встановлення можливості впливу різних органічних розчинників, які використовуються при формуванні мембран, на фізіологічну активність бактерій у мембрані клітини мікроорганізмів витримували в метилпірролідоні, ацетоні та етиловому спирті. Наступний посів мікроорганізмів, витриманих в органічному розчиннику, на тверде поживне середовище показав, що з числа використаних розчинників тільки в метилпірролідоні (МП) клітини зберігають життєздатність. Дослідження клітин за допомогою оптичного мікроскопу показало, що МП не викликає їх лізису. Виживання клітин Pseudomonas mendocina склало менше 0,01%. Виживання клітин Bacillus subtilis зростає при використанні їх в споровій формі. При переведенні клітин кип'ятінням повністю в спорову форму виживання клітин Bacillus subtilis складало 100%.

При формуванні біокаталітичних мембран за описаним методом важливим є збереження життєздатності клітин мікроорганізмів. Як відзначалося раніше, виживання клітин зростає із збільшенням їх кількості в суспензії. Крім того, збільшення кількості введеної біомаси підвищує ефективність мембрани внаслідок того, що білок частини зруйнованих клітин створює в мембрані захисну оболонку для біокаталізатора. Водночас збільшення кількості введеної біомаси погіршує механічні характеристики мембрани. Очевидно, що надмірне навантаження біокаталізатором, крім погіршення механічних властивостей, може бути зайвим, оскільки частина клітин може бути недоступною для субстрату.

Таблиця 1.

Характеристики біокаталітичних мембран в залежності від внесеної кількості біомаси (швидкість фільтрації 20 дм3/м2Чгод, Т=30 оС).

Кількість внесеної біомаси, мг/см3 Константа проникності, дм3/м2год ЧМПа aa , %

70 2500 32,4

120 1500 33,9

160 2260 34,5

200 937 35,1

250 1025 43,9

Мембрани формували із формувальних розчинів з концентрацією сульфованого полісульфону 20 мас. % і осаджували в 8% водяний розчин KCl.

Як видно з табл.1, збільшення кількості введеної біомаси аж до максимально можливого значення, що визначається можливістю одержання мембрани, веде до збільшення ступеню біокаталітичної деструкції барвника.

Отже, на біокаталітичні властивості мембран впливають спосіб їх формування та кількість внесеної біомаси.

Як зазначалося раніше, використання методу іммобілізації клітин включенням їх в полімерні матриці згубне для більшості бактерій із-за жорстких умов формування мембран. Використання органічних розчинників для формування розчину полімеру можливе лише для клітин, що мають спорову форму і можуть виживати в процесі формування мембрани. Заміна органічних розчинників або їх розбавлення до безпечних концентрацій також недоцільне, бо в цьому випадку неможливе отримання ультрафільтраційних мембран з необхідними характеристиками. Більшість бактерій-деструкторів вегетативні, тому потрібне використання інших, більш м'яких методів іммобілізації.

Найбільш придатними для мембранних процесів можуть бути методи формування мембран із включення клітин у водорозчинні природні або синтетичні полімери, які надалі можуть бути переведені в нерозчинну форму м'якими методами. Так, природний водорозчинний полісахарид агар-агар можна переводити з розчинного стану в нерозчинний охолодженням, а розчин альгінату натрію – переведенням в кальцієву форму. Ми використовували ці водорозчинні полімери для іммобілізації бактерій роду Pseudomonas та формування мембранних плівок. Такі плівки не можуть бути використані у вільному стані як ультрафільтраційні мембрани, тому ми формували їх на пористих підкладках – промислових ультрафільтраційних або мікрофільтраційних мембранах та використовували для процесів, що доцільно проводити в діалізному режимі (денітрифікація та хромат-редукція). Такі плівки на промислових мембранах також можуть використовуватись як динамічні мембрани для процесів ультрафільтрації, при цьому вони мають високу щільність і можуть бути використані як для розділення органічних забруднень, так і в процесах знесолення. Так, динамічні біокаталітичні мембрани, сформовані з розчину агар-агару, ми використовували для ультрафільтрації емульгованих машинних масел.

Для дослідження структури таких мембран концентрацію агар-агару змінювали від 0,3 до 1% мас. та вимірювали проникність отриманої мембрани по дистильованій воді. Як видно з рис. 2, залежність проникності динамічної мембрани від початкової концентрації агар-агару має екстремальних характер. При збільшенні концентрації від 0,3 до 0,5 % продуктивність мембрани падає лінійно, потім спостерігається зростання проникності при концентрації агару 0,7%, а при подальшому підвищенні концентрації проникність знову падає і при досягненні концентрації 1% виходить на плато. Це вказує на недоцільність формування динамічних мембран з концентрацією агару-агару більше 1%.

При введені бактерій у формувальний зміна проникності мембран від концентрації агар-агару має аналогічну тенденцію, але зміщується вниз і вліво. Введення клітин веде до зменшення проникності, отже, структура динамічної агарної мембрани ущільнюється. Реверс спостерігається лише при концентрації агару 0,5 % із-за зміщення кривої при введені клітин.

Задовільні характеристики для формування біокаталітичних мембран показали альгінатні плівки. Основним недоліком їх є нестійкість в присутності фосфатів. Діапазон робочих концентрацій для альгінату дещо вищий, ніж для агару (1-4% мас). При цьому плівки, сформовані з 1 чи 2% розчину альгінату, дуже тонкі та крихкі. З розчинів концентраціями більшими, ніж 4%, дуже важко формувати мембрани через високу в'язкість розчину. Найбільш придатними є концентрації від 3 до 4% мас., але початкова проникність таких мембран дуже низька (8ё18 дм3/м2год ).

Отже, використання природних водорозчинних полімерів для іммобілізації бактерій є простим і зручним методом отримання мембран з біокаталітичними функціями. Основним недоліком є дороговизна їх використання, а тому подальшою задачею є створення синтетичних аналогів таких полімерів.

Розділ 4. Процеси ультрафільтраційного розділення з використанням мембран з іммобілізованими бактеріями

4.1. Ультрафільтрація барвників через біокаталітичні мембрани.

Відмінною рисою ультрафільтрації синтетичних барвників є зниження ступеню затримки при збільшенні трансмембранного потоку, що є наслідком орієнтації молекул барвника в потоці розчинника. Таким чином, концентрація барвника в порах мембрани залежить як від коефіцієнту розподілу барвника в розчині і мембрані, так і від швидкості трансмембранного потоку. Час перебування барвника в зоні реакції (об'єм мембрани) також регулюється швидкістю потоку.

Зниження коефіцієнту затримки барвника зі збільшенням трансмембранного потоку повинно зменшувати ступінь концентрування (концентрацію) барвника в розчині над мембраною при однакових ступенях відбору пермеату. Однак, як видно з рис. 3, збільшення концентрації барвника над мембраною спостерігається, починаючи тільки зі швидкостей трансмембранного потоку більше 20 дм3/м2год.

Рис. 3. Залежність концентрації барвника вофоланового червоного над мембраною і в загальному об'ємі фільтрату від швидкості трансмембранного потоку. Ступінь відбору фільтрату - 80%. Початкова концентрація барвника – 12 мг/дм3.

При низьких швидкостях трансмембранного потоку деструкція барвника іммобілізованими на поверхні клітинами компенсує ефект концентрування барвника за рахунок затримуючих властивостей мембрани. При більш високих значеннях трансмембранного потоку швидкість зростання концентрації барвника в розчині над мембраною перевищує швидкість його деструкції іммобілізованими на поверхні мембрани клітинами. Отримані мембрани відносяться до класу ультрафільтраційних і проявляють часткову затримку синтетичних вофалановых барвників.

Встановлено, що біокаталітична деструкція відбувається в порах мембрани, а також в об'ємі над мембраною клітинами, що іммобілізовані на поверхні мембрани. Ступінь біокаталітичної деструкції залежить від швидкості трансмембранного потоку розчину через мембрану, що обумовлено зміною часу перебування барвника в зоні реакції і концентрацією барвника в порах мембрани внаслідок впливу трансмембранного потоку на затримку барвника.

4.2. Деструкція машинних масел на біокаталітичних мембранах.

Для іммобілізації бактерій в динамічну мембрану з агар-агару використовували культуру P. fluorescens var. pseudo-iodinum, що була перевірена в лабораторних та виробничих умовах як ефективний деструктор машинних масел.

Для ультрафільтрації емульгованих машинних масел на поверхні промислових ультрафільтраційних мембран були сформовані динамічні мембрани з 0,4% розчину агар-агару з клітинами та без клітин (рис. 4).

Продуктивність мембрани без клітин не змінюється протягом 23 год., після чого відбувається різке її зниження до нульового значення. Аерація розчину, коли мембрана не працює, не впливає на її продуктивність. Термін роботи такої мембрани становить 40 год., після чого необхідна її регенерація промивкою чи іншими способами.

На мембрані з іммобілізованими бактеріями продуктивність знижується несуттєво, а після проведення аерації в період, коли установка не працювала, продуктивність відновлюється до початкового значення. Характер кривої свідчить про деструкцію машинних масел на поверхні мембрани за допомогою іммобілізованих бактерій. Продуктивність такої мембрани майже не змінювалась протягом 120 год. роботи, а, отже, використання аерації значно сприяє збільшенню терміну роботи біокаталітичних мембран та їх здатності відновлювати свої властивості.

Отже, ультрафільтрацію емульгованих машинних масел на динамічних біокаталітичних мембранах необхідно проводити в періодичному режимі з використанням аерації під час простою установки. Важливим параметром є також концентрація масел, що повинна бути правильно підібрана для ефективної деструкції їх іммобілізованими бактеріями.

Приведені дані свідчать про доцільність використання мембранних біореакторів з іммобілізованими бактеріями для ультрафільтраційного очищення стічних вод, що містять органічні забруднення та одночасно являються джерелом живлення мікроорганізмів. Для ефективного проведення процесу біодеструкції при ультрафільтрації необхідно максимально сумістити швидкості цих процесів шляхом раціонального вибору об'ємного потоку та початкової концентрації забруднювача.

В даній роботі була розроблена та випробувана в дослідних та промислових умовах технологічна схема ультрафільтраційного очищення на біокаталітичних мембранах масловмісних стічних вод, що утворюються на транспортних підприємствах при мийці машин.

Розділ 5. Процеси очищення води від неорганічних речовин в мембранних біореакторах

5.1. Денітрифікація води на біокаталітичних мембранах.

Денітрифікуючі бактерії роду Pseudomonas характеризуються окислювальним метаболізмом і здатні використовувати неорганічні сполуки із змінновалентними елементами, такі як окиснені форми азоту, сірки, хрому та деяких інших як акцептори електронів. В процесі росту та редукції цих елементів культури самі знижують ОВП культурального середовища і не потребують внесення додаткових відновників, що характерно для облігатно-анаеробних бактерій. Тому для проведення експериментів нами були вибрані денітрифікуючі бактерії роду Pseudomonas, що здатні відновлювати окиснені форми азоту до елементного азоту, не забруднюючи навколишнього середовища.

Кожна культура мікроорганізмів характеризується певним потенціалом, до якого вона може знижувати ОВП середовища. Так, P. aeruginosa, що характеризується найбільшою швидкістю окиснення глюкози, має здатність найшвидше знижувати ОВП середовища, а значить, і вести процес денітрифікації. Вона характеризується нетривалим індукційним періодом і різким зниженням ОВП від 400 до –300 мВ за досить короткий період. Процес повністю закінчується через 30 годин культивування. Інтенсивне газоутворення спостерігається, починаючи з потенціалу середовища близько 0 мВ. Різке зниження концентрації нітритів відбувається в діапазоні ОВП від 280ё-30 мВ. При його значенні, нижчому -30 мВ, відбувається відновлення слідових концентрацій нітритів, яке закінчується при -300 ё–320 мВ.

Мембранний біореактор було створено нанесенням плівок з альгінату кальцію або агар-агару з іммобілізованою в них культурою денітрифікуючих бактерій на робочий бік ультра-фільтраційної або мікрофільтраційної полімерної мембрани. Отриману мембрану поміщали в діалізну комірку. З робочого активного боку мембрани знаходився модельний розчин, а з дифузійного - чистий розчинник (дистильована вода). За рахунок різниці концентрацій нітритів по обидва боки мембрани через неї виникає дифузійний потік, що постійно підводить субстрат до біокаталізатора. Швидкість підведення залежить від швидкості дифузії через мембрану і визначається проникністю мембрани. Тому іммобілізацію проводили на двох типах мембран УАМ-100 і МФА-МА4 з різним діаметром пор. Для контролю перебігу процесу денітрифікації вимірювали окисно-відновний потенціал (ОВП) по обидва боки мембрани.

Криві зміни редокс-потенціалу для іммобілізованої в альгінатній і агаровій плівках культури (мембрана МФА-МА4) подібні до кривої для культури у вільному стані. Значення редокс-потенціалу для розчину і розчинника (тобто з активного (робочого) і дифузійного боків мембрани) в процесі денітрифікації мало відрізняються один від одного. Помітне відхилення спостерігається в період логарифмічної фази для культури, іммобілізованої в альгінатній плівці, при цьому найбільша різниця потенціалів між робочою і приймальною стороною мембрани складає 200 мВ. У стаціонарній фазі криві знову сходяться. Такий хід кривих можна пояснити високою проникністю мікрофільтраційної мембрани. У цьому випадку процес встановлення дифузійної рівноваги відбувається досить швидко і тому спостерігаються незначні відхилення значень окисно-відновного потенціалу з обох боків мембрани. Різницю потенціалів між дифузійною і активною стороною мембрани для культури, іммобілізованої в альгінатній плівці, можна пояснити більшою щільністю альгінатної плівки, ніж плівки з агар-агару.

На відміну від дослідів з мембраною МФА-МА4, значення редокс-потенціалу для активного і дифузійного боків ультрафільтраційної мембрани УАМ-100 в експоненціальній фазі значно відрізняються за величиною ОВП біля 300 мВ для культури, іммобілізованої в альгінатній плівці, і біля 400 мВ - для агар-агару. Це явище можна пояснити тим, що мембрана УАМ-100 виявляє частково затримуючі властивості стосовно нітритів.

Вплив структури мембрани-підкладки на перебіг окисно-відновних процесів денітрифікації досліджували на ультрафільтраційних мембранах УАМ-100, УАМ –300 та мікрофільтраційній МФА-МА-4 з нанесенням на їх поверхню плівки з агар-агару. В залежності від розміру пор мембрани по обидва її боки встановлюються різні значення ОВП (рис. 5).

Одержані дані підтверджують, що для мікрофільтраційних мембран спостерігається незначні відхилення значень ОВП по обидва боки мембрани, рівновага процесу в такому режимі встановлюється досить швидко завдяки високій проникності мембрани за нітратами. Для ультрафільтраційних мембран з малим розміром пор характерні значні відхилення значень ОВП по обидва боки мембран. Так, для мембрани УАМ-100 значення DEh досягало до 400 мВ по абсолютному значенню, а для мембрани УАМ –300 – до 300 мВ.

Як бачимо, чим менш проникна мембрана, тим більше значення DEh і тим повільніше встановлюється рівновага по обидва боки мембрани. Враховуючи вищесказане, можна стверджувати, що для кожної мембрани DEh буде тим вище, чим більша швидкість перебігу окисно-відновних процесів на біокаталітичній мембрані, яка, в свою чергу, залежить від кількостімвведеногошбіокаталізатора.

Отже, в результаті проведених досліджень показана можливість використання біокаталітичних мембран в процесі денітрифікації води в діалізному режимі. Показано, що в такому режимі процес слід проводити на ультрафільтраційних мембранах з малим розміром пор, що частково проявляють затримуючі властивості по відношенню до нітритів та нітратів.

5.2. Мікробне відновлення шестивалентного хрому в трьохвалентний на біокаталітичних мембранах.

Досліджували здатність 5 штамів денітрифікуючих псевдомонад використовувати шестивалентний хром як термінальний акцептор електронів при вирощуванні в мінеральному середовищі з етиловим спиртом під шаром вазелінового масла. Нами встановлено, що концентрація хрому (VI) 30 мг/дм3 є граничною для хромат-редукції бактерій. Вищі концентрації ще більш токсичні і культури втрачають здатність до редукції. Так, культура P. mendocina знижує концентрацію Cr6+ з 10 до 1 мг/дм3 та від 5 до 0,1 мг/дм3 за 3 доби культивування, а при збільшенні концентрації до 20 мг/дм3 зниження спостерігається, починаючи з 5-ї доби культивування і на 12-ий день кінцева концентрація складає 2,5 мг/дм3.

На відміну від денітрифікації та сульфат-редукції, які спостерігаються в діапазоні ОВП анаеробних процесів (-100 ё –300 мВ), редукція хроматів відбувається в діапазоні ОВП від 400 до 0 мВ. Різке зниження Cr6+ відбувається, починаючи з 250ё270 мВ. В діапазоні ОВП менше 30 мВ відбувається редукція слідових концентрацій хромату.

Для ефективного проведення процесу хромат-редукції в діалізному режимі необхідно, щоб швидкості редукції та дифузії хроматів були приблизно однакові. Швидкість дифузії визначається проникністю мембрани та різницею концентрації хромату по обидва боки мембрани.

Так як для іммобілізації ми використовуємо досить щільні агарові мембранні плівки, то проникність біокаталітичної мембрани визначається щільністю цієї плівки і мало залежить від проникності промислової мембрани. Ми проводили іммобілізацію бактерій P. mendocina в плівки з 1% розчину агар-агару нанесенням їх на робочу поверхню промислових ультрафільтраційної УАМ-300 та мікрофільтраційної МФА-МА4 мембран. Для обох мембран у відсутності клітин рівновага концентрації хрому (VI) по обидва боки мембрани встановлювалась за 96 год. при початковій його концентрації 16 мг/дм3. Швидкість редукції в даному випадку визначається концентрацією хрому та концентрацією біомаси. В процесі роботи біокаталітичної мембрани приріст біомаси визначається кількістю акцептора. Тому проведення процесу хромат-редукції в діалізному біореакторі зводиться до визначення оптимальної концентрації Cr6+.

В своїх дослідженнях ми припустили, що процес необхідно проводити в режимі постійного внесення незначних кількостей Cr6+ .Як видно з рис. 6, при початковій концентрації шестивалентного хрому 19 мг/дм3 повна його редукція відбувається за 35 год. роботи реактору, а концентрація в дифузійній області утримується на рівні 0,2–0,5 мг/дм3. При наступному введені хромату редукція відбувається протягом 20 год. Концентрація Cr (VI) знижується лінійно з постійною швидкістю. Процес закінчується після шестикратного додавання Cr6+. На цьому етапі концентрація метаболітів досягає значень, що лімітують процес редукції. Спостерігається вирівнювання концентрацій хромату по обидва боки мембрани. Для відновлення каталітичної дії іммобілізованих бактерій необхідна заміна розчинів.

Результати проведених досліджень показують, що використання денітрифікуючих бактерій р. Pseudomonas є досить ефективним для проведення біологічного процесу відновлення сполук шестивалентного хрому. Редукція хроматів в конвективному режимі відбувається з високою швидкістю при концентраціях, що не перевищують 10 мг/дм3 Cr6+.

Таким чином, показана можливість використання біокаталітичних мембран з іммобілізованими бактеріями для очищення води від шестивалентного хрому в діалізному режимі. Для ефективного проведення процесу необхідні однакові швидкості дифузії хромату через мембрану та біохімічної реакції. І перше, й друге першочергово залежить від концентрації хрому (VI). Встановлено, що процес відновлення хроматів в мембранному біореакторі необхідно проводити в періодичному режимі додавання хроматів, при цьому початкова концентрація Cr6+ не повинна перевищувати 20 мг/дм3.

Запропонована принципова технологічна схема очистки хромвмісних та нітратвмісних СВ з використанням хромат-редукуючих бактерій, іммобілізованих на мембрані.

Висновки

1. Вперше розроблений спосіб одержання біокаталітичних мембран із синтетичного полімеру сульфованого полісульфону із включенням у їхню матрицю цілих клітин бактерій. Встановлено, що отримані мембрани відносяться до класу ультрафільтраційних. Культури здатні переносити вплив органічного розчинника метилпірролідону і у споровій формі характеризуються повним виживанням у цьому розчиннику. На розділювальні властивості мембрани впливають спосіб їх формування та кількість внесеної біомаси.

2. Досліджена морфологічна структура біокаталітичних мембран з сульфованого полісульфону. Встановлено, що мембрани мають гетерогенну структуру з включеннями вакуоль мікронних розмірів, що розміщені в тілі мембрани. Клітини знаходяться у вакуолях.

3. Розроблено спосіб формування динамічних біокаталітичних мембран з агар-агару та альгінату кальцію на поверхні ультрафільтраційних промислових мембран. Встановлено, що клітини бактерій виконують функцію структуроутворюючої добавки в процесі формування динамічної мембрани.

4. Вперше досліджено процес ультрафільтрації барвника вофоланового червоного на біокаталітичних мембранах з сульфованого полісульфону. Показано, що деструкція барвника відбувається як на поверхні, так і в порах мембрани. Встановлено, що ступінь біокаталітичної деструкції барвника залежить від швидкості трансмембранного потоку розчину через мембрану. При швидкостях об'ємного потоку до 20 л/м2год концентрування барвника над поверхнею мембрани не спостерігається, відсутня концентраційна поляризація, а пермеат практично не містить барвника. Розроблені рекомендації щодо можливих варіантів використання біокаталітичних мембран для очистки стічних вод від барвників.

5. Показана можливість використання динамічних біокаталітичних мембран для ультрафільтраційного очищення вод від емульгованого машинного масла. Встановлено, що біокаталітичні мембрани більш, ніж в три рази перевищують термін служби мембран без клітин. Процес деструкції машинних масел необхідно проводити з періодичним використанням аерації. Запропонована і випробувана технологічна схема очистки стічних вод, що містять машинні масла.

6. Вперше досліджено процес денітрифікації в мембранному біореакторі діалізного типу. Показано, що процес необхідно проводити на ультрафільтраційних мембранах з малим розміром пор, які здатні проявляти затримуючі властивості по відношенню до нітратів. Процес денітрифікації відбувається в діапазоні ОВП від 100 до –300 мВ. Швидкість перебігу процесу залежить від кількості біокаталізатора.

7. Вперше показана можливість проведення хромат-редукції на біокаталітичних мембранах з агаг-агару з використанням хромат-відновлюючих бактерій р. Pseudomonas. Процес хромат-редукції відбувається в діапазоні ОВП від 400 до 0 мВ. Встановлено, що в мембранному біореакторі процес необхідно проводити в режимі періодичного внесення хрому (VI), при цьому початкова концентрація Cr6+ не повинна перевищувати 20 мг/дм3. Запропоновано технологічну схему використання мембран з іммобілізованими бактеріями в мембранному біореакторі діалізного типу для проведення процесів денітрифікації та хромат-редукції.

Список опублікованих праць:

1. Коновалова В.В., Брик М.Т., Дмитренко Г.М., Гвоздяк П.І., Нігматуллін Р.Р. Денітрифікація в мембранному біореакторі з іммобілізованими бактеріями// Наукові записки НаУКМА. Спеціальний випуск – 2000. – Т.18, ІІ – С.352-357.

2. Коновалова В.В., Брик М.Т., Нігматуллін Р.Р, Гвоздяк П.І., Уділова О.Ф. Ультрафільтраційна очистка води від барвників на біокаталітичних мембранах// Наукові записки НаУКМА. Хімічні науки –2000. –Т.18. – С.51-55.

3. Коновалова В.В., Брик М.Т., Нігматуллін Р.Р, Гвоздяк П.І., Уділова О.Ф. Формування біокаталітичних мембран для ультрафільтраційної очистки води від барвників// Доповіді НАН України – 2000. - №11. – С.209-214.

4. Konovalova V.V., Bryk M.T., Nigmatullin R.R., Gvozdyak P.I., Udilova O.F. Biocatalytic membranes for ultrafiltration treatment of wastewater contanining dyes// Bioprocess Eng. – 2000.-Vol.23, N6. – P.651-656.

5. Дмитренко Г.Н, Коновалова В.В., Гвоздяк П. И. Использование мембранного биореактора для восстановления шестивалентного хрома.// Химия и технология воды. – 2001. – Т. 23, № 5. – С. 552-562.

6. Коновалова В.В., Брык М.Т. Восстановление шестивалентного хрома в мембранном биореакторе //Тезисы докладов всероссийской научной конференции Мембраны 2001. – Москва (Россия). – 2001. – С. 191

Анотація

Коновалова Вікторія Валеріївна. Мембрани з іммобілізованими бактеріями та їх функціональні властивості. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.17.18. – мембрани та мембранна технологія. Національний університет “Києво-Могилянська Академія”, Київ, 2001.

В дисертації розроблені методи іммобілізації бактерій на полімерних ультрафільтраційних мембранах. Вивчені функціональні та морфологічні властивості біокаталітичних мембран. Досліджені процеси ультрафільтраційного розділення органічних барвників на біокаталітичних мембранах. Деструкція барвника відбувається на поверхні мембрани і в порах. Розроблена та впроваджена технологічна схема ультрафільтраційного очищення масловмісних вод на біокаталітичних мембранах. Показана можливість використання мембранних біореакторів дыалызного типу для процесів денітрифікації та хромат-редукції. Розроблена технологічна схема проведення процесів денітрифікації та хромат-редукції на біокаталітичних мембранах в мембранному біореакторі діалізного типу. Для ефективного протікання процесу необхідні однакові швидкості дифузії та біохімічної реакції

Ключові слова: біокаталітичні мембрани, мембранний біореактор, іммобілізація, біокаталізатор, ультрафільтрація, денітрифікація, хромат-редукція.

Аннотация

Коновалова Виктория Валериевна. Мембраны с иммобилизованными бактериями и их функциональные свойства. –Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.17.18. – мембраны и мембранная технология. Национальный университет "Киево-Могилянская Академия", Киев, 2001.

В диссертации разработаны методы иммобилизации бактерий на полимерных ультрафильтрационных мембранах с включением бактерий в синтетическую полимерную матрицу и матрицу водорастворимых полимеров. Изучены функциональные и морфологические свойства биокаталитических мембран. Биокаталитические мембраны из сульфированного полисульфона имеют гетерогенную структуру, содержащую вакуоли с иммобилизованными в них бактериями. Установлено, что полученные мембраны относятся к классу ультрафильтрационных. Культуры способные переносить влияние органического растворителя метилпирролидона и в споровой форме характеризуются полным выживанием в этом растворителе. На разделительные свойства мембраны влияют способ их формирования и количество внесенной биомассы.

Исследованы процессы ультрафильтрационного разделения красителей на биокаталитических мембранах. Степень деструкции зависит от скорости трансмембранного потока и структуры биокаталитических мембран. Деструкция красителя происходит на поверхности мембрані и в порах. При скоростях объемного потока до 20 л/м2год концентрирования красителя над поверхностью мембраны не наблюдается, отсутствует концентрационная поляризация, а пермеат практически не содержит красителя.

Изучен процесс ультрафильтрационной очистки эмульгированных машинных масел на динамических биокаталитических мембранах. Мембраны получали из пленок агар-агара нанесением их на поверхность промышленных ультрафильтрационных мембран. Установлено, что клетки бактерий выполняют функцию структурообразующей добавки в процессе формирования динамической мембраны.

Процесс деструкции машинных масел необходимо проводить с периодическим использованием аєрации. Установлено, что биокаталитические мембраны больше, чем в три раза превышают срок службы мембран без клеток.

Показана возможность использования мембранных биореакторов диализного типа для процессов денитрификации и хромат-редукции. Процесс денитрификации происходит в диапазоне ОВП от 100 до –300 мВ. Скорость протекания процесса зависит от концентрации биокатализатора. Денитрификацию в мембранном биореакторе следует проводись на мембранах с малым размером пор, которые проявляют задерживающие свойства по отношению к нитратам и нитритам.

Процесс хромат-редукции происходит в диапазоне ОВП от 400 до 0 мВ. Установлено, что процесс восстановления хроматов в мембранном биореакторе можно проводить в режиме периодического внесения небольших порций хроматов, при этом начальная концентрация хрома (VI) не должна превышать 20 мг/дм3. Показано, что иммобилизованные бактерии P. mendocina полностью восстанавливают концентрацию хрома (VI) при пятикратном его добавлении с линейной скоростью, после чего реакция прекращается из-за образования больших количеств метаболитов. Для продолжения процесса необходима замена отработанных растворов на новые. Для эффективного проведения процесса необходимы одинаковые скорости диффузии хромата через мембрану и биохимической реакции, что в первую очередь зависит от концентрации хрома (VI).

Ключевые слова: биокаталитические мембраны, мембранный биореактор, иммобилизация, биокатализатор, ультрафильтрация, денитрификация, хромат-редукция.

Abstract

Konovalova V.V. The membrane with immobilized bacteria and their functional properties. – Manuscript.

Ph.D. thesis. The National University of “Kyiv-Mohyla Academy”, Kyiv, 2001.

The methods of bacteria immobilization on polymer ultrafiltration membrane are prepared.The optimal conditions for an entrapping of whole cells of microorganisms into the polymer matrix have been determined. Functional and morphology properties of biocatalytic membranes were studied. Ultrafiltration of synthetic dyes on biocatalytic membranes is investigated. Dye destruction occurs both in membrane pores and on membrane surface. Denitrification and chromate reduction was studied in a membrane bioreactor under action of bacteria immobilized in agar-agar films on the surface of synthetic membrane. The possibility of denitrification and chromate reduction processes control by measurement of redox-potential was shown.

Key words: biocatalytic membranes, membrane bioreactor, immobilization, biocatalyst, ultrafiltration, denitrification, chromate-reduction.