Зміст
Введення
1. Загальна характеристика процесу (сутність, сфера застосування, основні види продуктів)
1.1 Механізм реакції
1.2 Основні реагенти та їх підготовка
2. Методи проведення процесу
2.1 Параметри управління процесом
2.2 Принцип оптимізації технології
3. Сучасні методи вдосконалення технології
4. Екологічні проблеми, особливості техніки безпеки та охорони навколишнього середовища
5. Основні підходи хіміко-технологічної реалізації процесу
Висновок
Література
Введення
Розробка рецептурних форм для лікарських засобів, в яких якості активних інгредієнтів зберігаються тривалий час - важливе завдання, оскільки багато БАВ не розраховані на тривале перебування в організмі - вони швидко виводяться або метаболізують. Також їх корисні властивості втрачаються під впливом кисню, УФ - опромінення і перепадів температури. Крім того, деякі дуже важливі компоненти можуть нейтралізувати оздоровчу дію інших компонентів, а в деяких випадках утворювати з ними принципово шкідливі для організму продукти. У зв'язку з цим БАВ використовуються з недостатньою ефективністю, що призводить до зниження лікувального властивості кінцевого лікарського засобу. Саме тому, все більше вченим доводиться замислюватися не тільки над пошуком нових біорегуляторів, а й над створенням більш досконалих форм вже відомих біологічно активних препаратів і завданням доставки цих препаратів в організм, регулювання швидкості їх дії і часу перебування в організмі. Природні полімери, з цієї точки зору, представляють унікальну можливість для створення нових засобів доставки БАВ. Широке застосування природних полімерів обумовлено їх біосумісність, здатністю до біодеградації, низькою токсичністю. В даний час до перспективних форм доставки різних біорегуляторів (ферментів, гормонів, вітамінів, активаторів та інгібіторів різної природи) до тканин і органів відносять ліпосоми, вектори, наночастинки, такі як поліелектролітних мікрокапсули.
Включення білків в полімерні сфери та капсули представляє великий науковий і практичний інтерес. Уваги заслуговують публікації з капсулювання білків в поліелектролітних (ПЕ) частки. За допомогою технології електролітичного відновлення, ступінчасте нанесення протилежно заряджених поліелектролітів на матрицю, в якості якої можуть виступати тверді частинки різного розміру, дозволяє проводити іммобілізацію в м'яких умовах і у водних розчинах.
На основі поліелектролітних комплексів (ПК) можуть бути створені ефективні системи з іммобілізованим ферментом, що володіють властивістю саморегулювання. Раніше було запропоновано використовувати ПК як депо антігепаріновий речовин. Антігепаріновий речовини, що представляють собою розчинні катіонні поліелектроліти, є надзвичайно токсичними. Їх токсичність не проявляється на тлі гепарину завдяки освіті ПК гепарин-полікатіон. Тому передозування антігепаріновий препаратів становить значну небезпеку. Використання цих речовин у складі ПК дозволяє уникнути даного побічного ефекту. Як матриць для ПК використовуються колоїдні частинки з діаметром від десятків нанометрів до десятків мікрон. Коло використаних колоїдних частинок різноманітний. Серед них латексні полістирольні і меламінформальдегідні частинки, неорганічні карбонатні матриці, кристали органічних барвників, мікрочастинки з полігідроксікарбонових кислот, інтактні клітини, білкові агрегати, мікроагрегати ДНК. У даній роботі були використані CaCO3 ядра, які, на наш погляд, є оптимальними при роботі з БАВ, т.к. розчинюючим агентом для них служить ЕДТА і процес розчинення відбувається в м'яких умовах при фізіологічних значеннях рН.
Для формування поліелектролітний оболонки на колоїдних частинках методом електролітичного відновлення використовуються як синтетичні, так і природні поліелектроліти. В якості останніх застосовувалися хітозан і хітозансульфат, протамін і декстран сульфат та інші. Основним фактором, що визначає ефективність мікрокапсул, є проникність їх оболонок для травних соків та інших біологічних рідин, а також для містяться в них лікарських речовин.
1. Загальна характеристика процесу (сутність, сфера застосування, основні види продуктів)
Російський академік В.В. Петров у 1802 році (за 30 років до відкриття М. Фарадеєм законів електролізу) за допомогою створеної ним високовольтної гальванічної батареї виявив, що виділення електролізних газів у електродів супроводжується подкислением води у анода і подщелачивание у катода. Розділивши простір між анодом і катодом пористої діафрагмою, В.В. Петров вперше отримав воду, збагачену продуктами переважно катодних або переважно анодних електрохімічних реакцій - катол і аноліт, відповідно.
У 1807 - 1808 рр.. англійським дослідником Г. Деві за допомогою електролізу були отримані невідомі раніше метали - натрій і калій, а пізніше електроліз був використаний для отримання магнію та алюмінію.
У 1837 році член Російської академії наук академік Б.С. Якобі опублікував повідомлення про розроблений ним метод гальванопластики - отриманні металевих копій з рельєфних виробів методом електролізу. Це відкриття стало основою промислового рафінування міді.
Перші електрохімічні заводи для рафінування міді були побудовані в 70-х роках XIX століття, після винаходу динамомашини. У 1886 - 1888 рр.. виникли заводи для електролітичного отримання алюмінію і хлорноватістокіслих солей. У 1890 р. введені в експлуатацію заводи для електролітичного одержання хлору, луги і металевого натрію, а потім для отримання водню і кисню електролізом води, для отримання електролітичного нікелю, міді, цинку. В даний час електроліз водних розчинів солей, електроліз розплавів, виробництво акумуляторів та гальванічних батарей представляють одну з найбільших галузей промисловості - електрохімічну. Завдання електрохімічної промисловості різноманітні. Найбільш важливими з них є:
рафінування кольорових і благородних металів;
отримання кольорових металів з руд;
отримання лужних, лужноземельних та інших легких металів;
отримання водню, кисню, хлору і лугів;
електролітичний синтез неорганічних і органічних речовин;
декоративні та антикорозійні покриття металів;
виготовлення електричних акумуляторів, гальванічних елементів і інших хімічних джерел електроенергії;
електрохімічна розмірна обробка металів і сплавів.
Практично весь хлор (світове виробництво близько 50 млн. тонн на рік), майже весь гідроксид натрію, такі метали як магній і алюміній, виробляються електрохімічним шляхом. Електрохімічні процеси відіграють важливу роль в металургії міді, цинку, кадмію, нікелю, олова, натрію, берилію, цирконію, індію і в отриманні ряду благородних металів, у тому числі золота. Більшість найважливіших сучасних електрохімічних виробництв представлено розміщеними на великому просторі в тисячі квадратних метрів багатотонними електролізерами або гальванічними ваннами, зв'язаними в єдиний виробничий комплекс мережею трубопроводів і електричних ліній. Робота цього комплексу забезпечується цілим рядом допоміжних виробництв - для очищення води і приготування вихідних розчинів, кондиціонування продуктів електролізу, регенерації і нейтралізації відходів та ін Що перешкоджало відкриттю електрохімічної активації? Практично всі розчини електролітів, які застосовуються в процесах прикладної електрохімії, мають високу концентрацію і низький питомий електричний опір, що пов'язане з вимогами мінімізації витрат електроенергії на одиницю отримуваного продукту. У зв'язку з тим, що прісна вода або слабомінералізовані вихідні розчини не знаходили практичного застосування в прикладній електрохімії в якості розчинів електролітів, то за більш ніж вікову історію її розвитку сформувалося уявлення про те, що електроліз прісної води неможливий у зв'язку з малою кількістю містяться в ній іонів. Це подання було засноване на традиційно сформованих підходах до промислових електрохімічним процесам, для яких діапазон використовуваних напруг на електродах одиничної комірки зазвичай не перевищував 6 вольт при силі струму в декілька сотень ампер.
Насправді електроліз прісною, Ультрапрісні і навіть дистильованої води можливий, тільки для цього потрібна висока напруга між електродами, а сам процес електролітичного розкладання води протікає при низькій щільності струму, тобто з дуже великими непродуктивними (з позицій промислового електролізу) витратами електроенергії. У 1972 році інженер В.М. Бахір вперше звернув увагу на раніше невідомий факт: аноліт і катол, отримані в діафрагмове електрохімічному реакторі з слабомінералізованої води, дуже сильно відрізняються за фізико-хімічними параметрами і реакційної здатності від моделей католіта і аноліта, приготовлених шляхом розчинення у воді хімічних реагентів, вид і кількість яких визначені відповідно до законів класичного електролізу. Подальші дослідження показали, що відмінності у властивостях щойно отриманих католіта і аноліта розбавлених водно-сольових розчинів від їх хімічних моделей-аналогів (розчинів стабільних лугів або кислот) не є постійними, стабільними в часі. Після деякого часу (час релаксації) властивості і реакційна здатність аноліта і католіта, мимовільно змінюючись, стають рівними відповідним параметрам їх хімічних моделей, тобто в кінцевому підсумку закони електролізу строго виконуються, але не відразу, а лише після досить тривалого часу - в загальному випадку від десятків хвилин до десятків і навіть сотень годин. Виявлені значні відмінності в реакційній здатності і фізико-хімічних параметрах дали В.М. Бахір підставу назвати аноліт і катол в період часу їх релаксації активованими або, інакше, електрохімічно активованими розчинами (водою) і сформулювати основні принципи технології електрохімічної активації. Електрохімічна активація як фізико-хімічний процес - це сукупність здійснюваних в умовах мінімального виділення тепла електрохімічного і електрофізичного впливів на воду з містяться в ній іонами і молекулами розчинених речовин в області просторового заряду в поверхні електрода (або анода, або катода) електрохімічної системи при нерівноважному перенесення заряду через кордон "електрод-електроліт" електронами. У результаті електрохімічної активації вода переходить в метастабільний (активований) стан, що характеризується аномальними значеннями фізико-хімічних параметрів, у тому числі окислювально-відновного потенціалу, пов'язаного з активністю електронів у воді, електропровідності, рН та інших параметрів і властивостей. Мимовільно змінюючись у часі, обурені попереднім зовнішнім впливом параметри і властивості води, поступово досягають рівноважних значень у результаті релаксації. Процес отримання електрохімічно активованих води і розчинів відноситься до вкрай нерівноважних і є об'єктом вивчення інтенсивно розвивається нової галузі хімії - синергетики в хімічних процесах і хімічної технології. Якщо в традиційній прикладної електрохімії основним завданням є пошук параметрів оптимального наближення електрохімічного процесу до рівноважним умов, то для електрохімічної активації важливим є визначення параметрів оптимального віддалення від умов рівноважного протікання електрохімічних реакцій. Електрохімічна активація як технологія - це отримання та подальше використання електрохімічно активованої води або в процесах її очищення від небажаних компонентів, або в різних технологічних процесах як реагент або реакційного середовища з метою управління складними фізико-хімічними реакціями, економії енергії, часу та матеріалів, підвищення якості кінцевого продукту, зменшення утворення відходів.
Слід пояснити, що термін "вода" в додатку до процесів електрохімічної активації, позначає розбавлений водний розчин електролітів простого або складного складу із загальною концентрацією від кількох міліграмів до декількох грамів в одному літрі. У загальному випадку, це і дистильована, і Ультрапрісні, і прісна, в тому числі питна, і слабомінералізована (технічна) вода, тобто водні розчини електролітів, питома електропровідність яких значно змінюється при відносно невеликій зміні концентрації. Ефекти електрохімічної активації яскраво проявляються для водних розчинів, концентрація електролітів в яких менше 0,1 моль / л і істотно слабшають в розчинах, концентрація електролітів в яких більше 0,1 моль / л. Необхідно відзначити, що, як правило, продукти реакцій, отримані із застосуванням активованих розчинів, не змінюють своїх властивостей і стану в часі, тобто не схильні до процесів релаксації. Наприклад, якщо при взаємодії води з високим вмістом іонів заліза з активованим католітом в нерозчинні сполуки перекладається в три рази більше іонів заліза, ніж при взаємодії тієї ж води з хімічною моделлю католіта, то результати реакції незворотні в обох випадках. Технічні системи для електрохімічної активації. У загальному випадку, при пропущенні постійного електричного струму через воду на електродах завжди відбуваються хімічні реакції і хімічний склад води у анода і катода змінюється. Завдання електрохімічної активації полягає в тому, щоб піддати всю рідину впливу електричного поля можливо більш високої напруженості при максимально можливому хімічному впливі і мінімальному тепловиділенні. Завдання дуже непросте, оскільки в будь-яких електрохімічних системах, представлених двома електродами, зануреними в рідину, найбільша інтенсивність електрофізичного впливу може бути забезпечена тільки в безпосередній близькості до поверхні електрода, тобто в області подвійного електричного шару (ДЕС). У зв'язку з цим, для здійснення процесів електрохімічної активації необхідні спеціальні електрохімічні реактори, оскільки традиційні електролізери, як лабораторні, так і промислові, сконструйовані для оптимальної реалізації традиційних технологічних процесів прикладної електрохімії, не придатні для роботи на прісній воді або розбавлених водних розчинах. Процес власне активування води відбувається тільки в безпосередній близькості до поверхні електрода, де напруженість електричного поля в подвійному електричному шарі (ДЕС) досягає сотень тисяч вольт на сантиметр. ДЕС має дуже малу товщину: у розведених розчинах і прісній воді - близько 0,1 мікрона, в концентрованих - набагато менше. Щоб краще уявити собі, наскільки складно забезпечити зіткнення всіх мікрооб'ємів води, навколишнього електрод, з його поверхнею, припустимо, що в стакан занурений електрод у вигляді металевого прута діаметром з олівець. Якщо припустити також, що область високої напруженості електричного поля навколо електрода (область ДЕС) раптом збільшилася і досягла 1 мм, то, для збереження пропорцій системи, діаметр склянки повинен зрости від 7 сантиметрів до 700 метрів. Зрозуміло, що забезпечити обробку всієї води цього "озера" у поверхні електрода неможливо, не вдаючись до спеціальних прийомів.
Перші спеціальні технічні засоби для реалізації луни (діафрагмові електрохімічні реактори) були розроблені в 1974 - 1975гг. В.М. Бахір і його колегою Ю.Г. Задорожним. Протягом майже 20 років тривала напружена робота по створенню оптимальної конструкції реактора для електрохімічної обробки прісної води і розбавлених водних розчинів, яка наприкінці 80-х - початку 90-х років завершилася створенням принципово нової конструкції - проточного електрохімічного модульного елемента ПЕМ-1. Але широке комерційне використання технологічних процесів з застосуванням електрохімічно активованих розчинів і води стало можливим лише в останні 7 - 8 років завдяки появі промислових електрохімічних систем нового типу на основі проточних електрохімічних модульних елементів третього покоління (ПЕМ-3) і реакторів РПЕ у вигляді блоків елементів ПЕМ -3 різні конфігурації, також створених вищеназваними винахідниками. Відмінності елемента ПЕМ від відомих електрохімічних реакторів полягають у наступному:
Елемент ПЕМ є модульним, має малі габарити і вагу, в поєднанні з високою продуктивністю і економічністю, що дозволяє використовувати його як в промислових, так і в побутових технічних електрохімічних системах. Діафрагма елемента ПЕМ виготовлена з кераміки на основі оксидів цирконію і алюмінію і є дуже міцною, вона має малу фільтраційної здатністю, що виключає фізичне змішування катодних і анодних обсягів води, витримує трансмембранний градієнт тиску до 1 атм. при збереженні постійних розмірів електродних камер. Діафрагма елемента ПЕМ має здатність до адсорбції на поверхні, зверненій до анода, частинок, заряджених позитивно, а на поверхні, зверненій до катода - негативно заряджених частинок, що зумовлює зниження її електричного опору в розбавлених водних розчинах і прісній воді і тим самим знижує витрату електроенергії , а також забезпечує можливість тривалої роботи при градієнтах тиску різних знаків між електродними камерами, що дозволяє використовувати діафрагму як Іонселективний перегородку в електрохімічному реакторі. Електродні камери елемента ПЕМ є кільцеві подовжені простору між циліндричними поверхнями електродів і діафрагми і мають співвідношення розмірів, що дозволяє забезпечити однакову середню швидкість руху мікрооб'ємів рідини в кожному з поперечних перерізів, а також створюють умови для дотику можливо більшої кількості мікрооб'ємів води з поверхнею електрода, тобто з областю ДЕС. Оптимальне поєднання довжини і ширини електродних камер в елементі ПЕМ гарантує відсутність негативного впливу газонаповнення розчинів в електродних камерах на енергетичні та функціональні характеристики елемента ПЕМ при високій щільності струму і малому протоці рідини. Елементи ПЕМ в пристроях для електрохімічної обробки води можна з'єднувати гідравлічно не тільки паралельно, а й послідовно в єдину гідравлічну ланцюг без розриву потоку, що неможливо при використанні відомих електрохімічних реакторів; при цьому в ланцюг можна включати довільно і в якому порядку як анодні, так і катодні камери різних елементів ПЕМ, розміщуючи між ними при необхідності допоміжні пристрої (флотаційні, каталітичні реактори, системи для регулювання тиску, швидкості, температури потоків і т.д.). Елементи ПЕМ можна з'єднувати електрично паралельно, послідовно або послідовно-паралельно, що дає можливість не міняючи гідравлічну конфігурацію легко переходити при необхідності від схеми біполярного електролізера до схеми монополярного або до схеми біполярно-монополярного електролізера. В елементах ПЕМ створюються умови, за яких протягом часток секунди велика частина мікрооб'ємів води піддається обробці в поле високої напруженості ДЕС, що дозволяє отримувати у анода воду з яскраво вираженими властивостями акцептора електронів (оксидантний вода), в той час, як у катода утворюється вода з властивостями донора електронів (антиоксидантна вода). І аноліт і катол є різновидами води з підвищеною електричною активністю, яка проявляється в наступних фізико-хімічних або біохімічних реакціях не тільки як самостійний фактор, але також як каталізатор активності тієї невеликої кількості синтезованих в процесі електрохімічного впливу продуктів анодних або катодних реакцій.
Різні продукти відновлення можна отримувати, користуючись методом електролітичного відновлення. Залежно від потенціалу на електродах можна отримувати різні речовини. Вперше нітробензол був відновлений в анілін за допомогою сірчистого амонію в 1842 р. М.М. Зініним. Це відкриття зіграло найважливішу роль у розвитку хімічної технології, особливо в галузі хімії барвників, медикаментів та фотохімікатів. Ароматичні нітросполуки в залежності від умов відновлення дають різні продукти. Ароматичні аміни є кінцевими продуктами відновлення. Зазвичай їх отримують у кислому середовищі. У нейтральній, лужної і слабокислой середовищах можна одержати різні проміжні продукти відновлення. Нижче наведена схема відновлення нітросполук:
В нейтральному і кислому середовищах йдуть реакції 1-4, причому в кислому середовищі не вдається виділити проміжні продукти. У нейтральному середовищі можна виділити нітрозобензол і фенілгідроксіламін. У лужному середовищі нітро-і нітрозобензоли конденсуються з фенілгідразином і йдуть реакції 5-9.
2. Механізм реакції
1. При розчиненні у воді (або розплавленні) електроліти розпадаються на позитивно і негативно заряджені іони (піддаються електролітичної дисоціації).
2. Під дією електричного струму катіони (+) рухаються до катода (-), а аніони (-) - до анода (+).
3. Електролітична дисоціація - процес зворотний (зворотна реакція називається молярізаціей).
4. Ступінь електролітичної дисоціації (α) залежить від природи електроліту і розчинника, температури і концентрації. Вона показує відношення числа молекул, що розпалися на йони (n) до загального числа молекул, введених в розчин (N).
α = n / N 0 <α <1
Механізм електролітичної дисоціації іонних речовин
При розчиненні сполук з іонними зв'язками (наприклад, NaCl) процес гідратації починається з орієнтації диполів води навколо всіх виступів і граней кристалів солі. Орієнтуючись навколо іонів кристалічної решітки, молекули води утворюють з ними або водневі, або донорно-акцепторні зв'язки. При цьому процесі виділяється велика кількість енергії, яка називається енергією гідратації. Енергія гідратації, величина якої можна порівняти з енергією кристалічної решітки, йде на руйнування кристалічної решітки. При цьому гідратовані іони шар за шаром переходять в розчинник і, перемішуючись з його молекулами, утворюють розчин.
Механізм електролітичної дисоціації полярних речовин
Аналогічно дисоціюють і речовини, молекули яких утворені за типом полярної ковалентного зв'язку (полярні молекули). Навколо кожної полярної молекули речовини (наприклад, HCl), певним чином орієнтуються диполі води. У результаті взаємодії з диполями води полярна молекула ще більше поляризується і перетворюється в іонну, далі вже легко утворюються вільні гідратовані іони.
Електроліти і неелектролітів
Електролітична дисоціація речовин, що йде з утворенням вільних іонів пояснює електричну провідність розчинів.
Процес електролітичної дисоціації прийнято записувати у вигляді схеми, не розкриваючи його механізму і опускаючи розчинник (H2O), хоча він є основним учасником.
CaCl 2 Ca 2 + + 2Cl - KAl (SO 4) 2 K + + Al 3 + + 2SO 4 2 - HNO 3 H + + NO 3 - Ba (OH) 2 Ba 2 + + 2OH
З електронейтральності молекул випливає, що сумарний заряд катіонів та аніонів має дорівнювати нулю. Наприклад, для
Al 2 (SO 4) 3 - 2 • (+3) + 3 • (-2) = 6 - 6 = 0 KCr (SO 4) 2 - 1 • (+1) + 3 • (+3) + 2 • (-2) = +1 + 3 - 4 = 0
Сильні електроліти
Це речовини, які при розчиненні у воді практично цілком розпадаються на іони. Як правило, до сильних електролітів належать речовини з іонними або сильно полярними зв'язками: все добре розчинні солі, сильні кислоти (HCl, HBr, HI, HClO4, H2SO4, HNO3) і сильні підстави (LiOH, NaOH, KOH, RbOH, CsOH, Ba (OH) 2, Sr (OH) 2, Ca (OH) 2).
У розчині сильного електроліту розчинена речовина знаходиться в основному у вигляді іонів (катіонів та аніонів); недіссоціірованних молекули практично відсутні.
Слабкі електроліти
Речовини, частково диссоциирующие на іони. Розчини слабких електролітів поряд з іонами містять недіссоціірованних молекули. Слабкі електроліти не можуть дати велику концентрацію іонів у розчині.
До слабких електролітів належать: 1) майже всі органічні кислоти (CH3COOH, C2H5COOH та ін), 2) деякі неорганічні кислоти (H2CO3, H2S і ін), 3) майже всі малорозчинні у воді солі, підстави і гідроксид амонію (Ca3 ( PO4) 2; Cu (OH) 2; Al (OH) 3; NH4OH), 4) вода. Вони погано (або майже не проводять) електричний струм.
СH 3 COOH CH 3 COO - + H + Cu (OH) 2 [CuOH] + + OH - (перший ступінь) [CuOH] + Cu 2 + + OH - (другий ступінь) H 2 CO 3 H + + HCO - (перший ступінь) HCO 3 - H + + CO 3 2 - (другий ступінь)
Неелектроліти
Речовини, водні розчини і розплави яких не проводять електричний струм. Вони містять ковалентні неполярні або малополярние зв'язку, які не розпадаються на іони. Електричний струм не проводять гази, тверді речовини (неметали), органічні сполуки (сахароза, бензин, спирт).
Ступінь дисоціації. Константа дисоціації
Концентрація іонів в розчинах залежить від того, наскільки повно даний електроліт дисоціює на іони. У розчинах сильних електролітів, дисоціацію яких можна вважати повною, концентрацію іонів легко визначити за концентрації (c) і складу молекули електроліту (стехіометричним індексами). Концентрації іонів в розчинах слабких електролітів якісно характеризують ступенем і константою дисоціації. Ступінь дисоціації (α) - відношення числа розпалися на іони молекул (n) до загального числа розчинених молекул (N):
α = n / N
і виражається в частках одиниці або в% (α = 0,3 - умовна межа поділу на сильні і слабкі електроліти).
3.Основні реагенти та їх підготовка
Хімічні реактиви (реагенти хімічні) - хімічні препарати, призначені для хімічного аналізу науково-дослідних, різних лабораторних робіт. У більшості випадків хімічні реактиви являють собою індивідуальні речовини, а проте до реактивам відносять і деякі суміші речовин (наприклад, петролейний ефір). Іноді реактивами називаються розчини досить складного складу спеціального призначення (наприклад, реактив Несслера - для визначення аміаку). За ступенем чистоти і призначенням у Росії розрізняють і відповідно маркують хімічні реактиви: особливої чистоти (о.ч.), хімічно чисті (х.ч.), чисті для аналізу (ч.д.а.), чисті (ч.), очищені (очіщ.), технічні продукти розфасовані в дрібну тару (техн.). Чистота хімічних реактивів в Росії регламентується Державними стандартами (ГОСТ) і технічними умовами (ТУ).
Багато хімічні реактиви спеціально виробляються для лабораторного використання, але знаходять застосування і очищені хімічні продукти, що випускаються для промислових цілей. Хімічні реактиви поділяють також на групи залежно від їх складу: неорганічні, органічні реактиви, реактиви, що містять радіоактивні ізотопи, та ін За призначенням виділяють, перш за все, аналітичні реактиви, а також хімічні індикатори, органічні розчинники. Цінність і практичне значення аналітичних реактивів визначаються головним чином їх чутливістю і селективністю. Чутливість хімічних реактивів - це найменша кількість або найменша концентрація речовини (іона), які можуть бути виявлені або кількісно визначені при додаванні реактиву. Наприклад, іон магнію при концентрації 1,2 мг / л дає ще помітний осад після додавання розчинів динатрийфосфат і хлориду амонію. Є значно чутливіші реактиви. Специфічними вважаються такі реагенти, які дають характерну реакцію з аналізованих речовиною або іоном у відомих умовах, незалежно від присутності інших іонів. Специфічних реагентів відомо дуже мало (наприклад, крохмаль, який застосовується для виявлення йоду). В аналітичній хімії доводиться мати справу головним чином з селективними і груповими реагентами. Селективний реагент взаємодіє з невеликим числом іонів. Груповий реагент застосовується для одночасного виділення багатьох іонів. Селективні аналітичні реагенти являють собою переважно складні органічні сполуки, здатні до утворення характерних внутрішньокомплексних сполук з іонами металів. Велике значення в неорганічному аналізі мають такі органічні реагенти, як 8-оксихінолін, діфенілтіокарбазон («дитизоном»), a-бензоіноксім, 1-нітрозо-2-нафтол, діметілгліоксім, тріоксі-флуорони, комплексон III (див. Комплексони), деякі оксіазосоедіненія , дітіокарбамінати, діетілдітіофосфат, діантіпірілметан та ін похідні піразолону. Відомо багато реагентів для органічного функціонального аналізу. Наприклад, фенілгідразин, 2,4-дінітрофенілгідразін, семікарбазід і тіосемікарбазід застосовуються для якісного та кількісного визначення альдегідів та кетонів.
4. Методи проведення процесу
Метод аналізу, заснований на здатності заряджених частинок до пересування в зовнішньому електричному полі називають електрофорезом (від "електро" і грецького phoresis - перенесення).
Електроліз відноситься до методів розділення без перетворення речовин, на основі заряду частинок. За технікою виконання метод аналогічний хроматографії, тому і розглядається в цьому розділі.
Рис.4.1. Схема приладу для електрофорезу.
Нерідко під електрофорезом розуміють переміщення колоїдних частинок або макромолекул, на відміну від іовофореза - переміщення неорганічних іонів малого розміру. Пересування часток при електрофорезі залежить від ряду факторів, основними з яких є: напруженість електричного поля; величина електричного заряду; швидкість і розмір частки; в'язкість, рН і температура середовища, а також тривалість електрофорезу.
Електрофорез можна проводити як у вільному розчині (фронтальний електрофорез), так і на носіях (зональний електрофорез). Останній варіант переважно, оскільки носії сприяють стабілізації електрофоретичних зон. В якості носіїв використовують: фільтрувальний папір, силікагель, крохмаль, оксид алюмінію, полівінілхлорид, агарових і поліакриламідний гелі та ін Електрофоретичне поділ здійснюють на папері, в тонкому шарі сорбенту, колонці чи в блоці (який часто формують із суспензії крохмалю у відповідному електроліті) . Апаратура для електрофорезу виконується за єдиною схемою: джерело струму, камера для електрофорезу, два електроди, що з'єднують камеру з джерелом струму і пристосування для збору та ідентифікації розділених речовин (останній блок в деяких випадках відсутня). Для електрофорезу використовують як готові набори апаратури (універсальний прилад для іммуноелектрофореза та електрофорезу білків на папері і крохмалі, набір для електрофорезу в поліакриламідному гелі угорської фірми Реана), так і набори, що складаються експериментатором з окремих приладів.
На рис.4.1 представлена схема приладу для електрофорезу на папері. Електрофоретична камера складається з двох кювет, в які поміщають графітові електроди й розчин провідної рідини (буферний розчин). Вище кювет знаходиться підставка для носія паперу. Суміш речовин, що підлягають розподілу, наносять на просочену провідної рідиною папір. Папір підсушують, поміщають на підставку, кінці занурюють у кювети, потім камеру щільно закривають кришкою. Після просочування паперу провідної рідиною підключають електричний струм. Після закінчення електрофорезу папір підсушують. Якісну і кількісну оцінку здійснюють, застосовуючи методи, використовувані в паперовій хроматографії, наприклад, прояв білків за допомогою барвників, кількісну оцінку - методом денситометрії.
Важливою сферою застосування електрофорезу є аналіз білків сироватки крові, амінокислот гідролізатів білків, нуклеїнових кислот і т.п. У кислотному буферному розчині амінокислота знаходиться у вигляді катіона NHз + ...... COOH, який буде переміщатися до катоду, в той час як у лужному буфері амінокислота перетворюється на аніон NH 2 .... COO -, і буде рухатися до анода . У ізоелектричної точці амінокислота знаходиться в розчині у вигляді біполярного іона NH 3 + ...... COO - і не буде пересуватися в електричному полі.
З огляду на те, що окремі білки і амінокислоти мають різні ізоелектричної точки, при певному значенні рН вони будуть рухатися з різною швидкістю. Підбираючи відповідні буферні розчини для встановлення певної швидкості руху і розчинності речовин, можна використовувати електрофорез для їх розділення. Метод дозволяє розділяти речовини, відмінність в ізоелектричної точці яких становить до 0,02 одиниць рН. Градієнт рН в 0,02 одиниці часто досягають додатком амфолітом, що представляють собою готову суміш аліфатичних поліамінаполікарбонових кислот.
Рис.4.2. Електрофореграми (а) і схеми (б) білкових фракцій.
A - білкові фракції сирів: 1, 17 - російського, 2, 16 - волзького, 3, 15 - "Орбіта", 4, 14 - ковбасного, 5, 13 - голландського, 6, 12 - пошехонський, 7, 11 - "сирного "казеїну після осадження при pH 4,6, 8, 10 - молочної сироватки, 9 - казеїну по Гаммерстену, 18 -" міського ".
Б - білкові фракції сиру (I), сирного казеїну (II)
Електрофоретичне поділ білків широко використовується для оцінки якості м'яса і м'ясних продуктів, для диференціювання виду м'яса і риби. Метод також застосовується для виявлення нем'ясних добавок (білків молока, сої, яєць) в м'ясних продуктах. За допомогою електрофорезу в поліакриламідному гелі можна охарактеризувати зміна білків в процесі дозрівання сирів (рис.4.2).
В даний час використовують високоефективний капілярний електрофорез, наприклад, для аналізу вітамінів в дієтичних продуктах (жиророзчинних А, Е, К, Д; водорозчинних - B 1, B 2, B 6, B 12, С, нікотинаміду); і для визначення аніонів ( сульфат - хлорид-, йодид-) в молочних продуктах.
5. Настройки керування процесом
Управління хімічними процесами передбачає знання того, як впливають різні фактори на процес. Метод дозволяє з'ясувати, як впливають внутрішні (температура, тиск) і зовнішні (наявність і концентрація різних хімічних речовин) фактори на різні процеси. Наприклад, для того, щоб вивчити вплив температури на хімічний (фазово-хімічний) процес, необхідно провести розрахунок системи в досліджуваному інтервалі температур із заданим кроком. Потім по рівноважного кількості реалізуються при кожній розрахунковій температурі речовин визначаються протікають фазові і хімічні реакції. Для складних багатокомпонентних систем така інформація найчастіше не може бути отримана досвідченим шляхом, або це займе багато часу і фінансових вкладень. Розрахований фазовий і хімічний склад системи при різних температурах дозволить зрозуміти вплив температури, а отже стане можливим через температуру управляти хімічним процесом. Аналогічно справа йде з іншими факторами - обсягом газової фази, тиском, впливом присутності різних речовин і їх концентрації. Так в разі вивчення впливу концентрації речовин на хімічний (технологічний) процес, вивчають рівноважний складу системи при різних концентраціях вихідних речовин, або будь-яких інших речовин, що вводяться на різних стадіях процесу з різними цілями (якщо виникає така необхідність). Моделювання досліджуваної системи вирішує задачу управління хімічними процесами, що відбуваються в ній.
6.Прінціп оптимізації технології
На хімічних заводах і комбінатах із сировини мінерального, рослинного або тваринного походження і різних проміжних продуктів їх переробки виробляють понад мільярд тонн на рік хімічної продукції сотень тисяч найменувань. При величезних відмінностях в масштабах виробництва (від десятків тонн до десятків мільйонів тонн на рік) і номенклатурі продукції всі хімічні підприємства мають загальні принципи побудови і загальні напрями розвитку та вдосконалення. Будь-яке хімічне виробництво включає технологічні стадії прийому та підготовки сировини, хімічного перетворення поділу реакційної маси, виділення цільового продукту, його очищення, відвантаження і відправлення споживачеві, а також очищення і переробки відходів і викидів. Окрім сировини хімічні виробництва в значних кількостях споживають пар воду, електроенергію. Ефективність хімічного проізводснва визначається економічними показниками, і її підвищення досягається різними методами, одним з яких є метод математичного моделювання. Найважливішими характеристиками роботи промислового хімічного реактора є питома виробленої (кількість цільового продукту, що утворюється в одиницю часу в одиниці об'єму реактора) і селективність (частка перетвореного сировини, використаної на освіту цільового продукту). Для досягнення найкращих економічних результатів необхідно домагатися максимально високих значень цих показників. Для цього необхідно вибрати відповідні умови протікання процесу з використанням його математичної моделі, що заснований на використанні законів природи, що лежать в основі хімічних і фізичних процесів, що протікають в реакторі та інших апаратах різних технологічних стадій. До них відносяться рівняння хімічної кінетики і термодинаміки, що описують швидкості утворення основних і побічних продуктів реакції і склад реакційної маси як функцію температури, тиску, початкових концентрацій реагентів і ступеня їх конверсії, рівняння гідродинамічних, теплових і масообмінних процесів, що супроводжують реакцію або протікає в окремих апаратах . Ці рівняння використовують потім для побудови функції собівартості або доходу зв'язують ці критерії з параметрами процесу.
7.Современние методи вдосконалення технології
Сучасні методи - новий процес у технології електрохімічних виробництв, який принципово відрізняється від відомих процесів електролізу з розділеними анодним і катодним просторами, таких, як електроліз із зануреною або фільтруючою діафрагмою, електроліз з іонообмінної мембраною. Принципова особливість нового процесу полягає в тому, що селективність перенесення іонів при електролізі водних розчинів електролітів досягається за допомогою мікрофільтраційні керамічної діафрагми з оксидів цирконію, алюмінію та ітрію, встановленої між електродами електрохімічної системи, за рахунок створення в обсязі порового простору діафрагми градієнтів щільності струму і тиску , керуючих швидкістю і напрямом переміщення води і що містяться в ній заряджених частинок (іонів) в порах діафрагми. Технологія Іонселективний електролізу з діафрагмою забезпечує електрохімічне розкладання концентрованого розчину електроліту з отриманням кінцевих цільових продуктів без проміжного кондиціонування аноліта і католіта, безперервно, в електрохімічному реакторі з неактивною мікропористої діафрагмою. Технологія Іонселективний електролізу (ІСЕД - ISED) розроблена як альтернатива відомим технологічним процесам синтезу хлору: електролізу з ртутним катодом, електролізу з діафрагмою і електролізу з Іонселективний мембраною. Технологія ІСЕД спочатку була розроблена для високоефективного та екологічно безпечного синтезу суміші газоподібних продуктів - хлору (95%), діоксиду хлору (3%), озону (2%), а також розчину гідроксиду натрію (150 - 170 г / л) з розчину хлориду натрію (200 - 250 г / л) і реалізована в установках типу Аквахлор, основним продуктом яких є кислий (з рН 2,5 - 3,5) розчин зазначених оксидантів у воді з концентрацією від 0,5 до 2,0 г / л (аналог хлорної води, яка утворюється в хлоратора водоочисних споруд при введенні газоподібного хлору у воду) і розчин гідроксиду натрію концентрацією 150 - 170 г / л.
8.Екологіческіе проблеми, особливості техніки безпеки та охорони навколишнього середовища
8.1.Екологіческіе проблеми
Науково-технічна революція дозволила розширити і здешевити сировинну базу для одержання мінеральних добрив, організувати масову перевезення рідких напівпродуктів для добрив (аміак, фосфорна кислота), створити нові види висококонцентрованих одинарних і комплексних добрив та підвищити їх роль у структурі виробництва. Все це істотно змінило передумови Розвитку даної галузі в окремих країнах та регіонах світу. На географію галузі - на виробництво, споживання, зовнішню торгівлю добривами впливають і екологічні проблеми, особливо в промислових країнах світу. З хімізацією народного господарства пов'язані багато екологічних проблем. Широке впровадження хімічних процесів в різних галузях господарства обумовлює велику кількість викидів в атмосферу, стоків та відходів, небезпечних для природного середовища. Джерелами їх, в першу чергу, є теплові електростанції, металургійні підприємства, автомобільний транспорт. Сама хімічна промисловість в цілому дає викидів і стоків істотно менше. Тільки в центрах великої концентрації хімічних підприємств, особливо в містах, роль хімічних відходів збільшується в небезпечних концентраціях. Набагато більшу небезпеку становить безконтрольне використання або неправильне застосування багатьох продуктів хімічної промисловості як у виробничій сфері, так і в побуті. Це обумовлено низькою екологічною грамотністю населення і недоліком спеціальних заходів щодо охорони середовища. Області таких порушень, використання хімікатів не за призначенням великі - несанкціонований прийом антибіотиків, застосування гормонів росту тварин, хімічних засобів захисту рослин (їх виробляють в світі 6 млн. т, тобто по 1 кг на кожного жителя планети). Дуже великі відходи полімерних матеріалів.
8.2 Основні правила безпеки при роботі в хімічній лабораторії
Багато хімічні реактиви отруйні, вогненебезпечні, вибухонебезпечні, тому при роботі з ними необхідно дотримуватися запобіжних заходів.
Забороняється допускати студентів, аспірантів та співробітників до роботи в лабораторії без ознайомлення з цією інструкцією. Проходження інструктажу відзначається розписом в лабораторному журналі з техніки безпеки. Відповідальність за це несе керівник лабораторії.
Під час роботи в лабораторії дотримуйтесь чистоту, порядок і правила техніки безпеки, так як безладність, поспішність або неохайність у роботі часто призводять до нещасних випадків з тяжкими наслідками.
Забороняється в лабораторії пити воду, вживати їжу, палити.
Всі хімічні реактиви слід зберігати тільки у відповідній посуді з етикетками.
Студентам забороняється приступати до роботи, не погодивши плану роботи з керівником.
Після закінчення користування газом, водою і електроприладами негайно закрийте крани, якими ви користувалися і вимкніть електроприлади. Йдучи з лабораторії, перевірте закінчення хімічних процесів, чи включені газ, вода і електричний струм на столах, під тягою і потім у зовнішніх шахтах.
Особи, які порушують правила безпеки, залучаються адміністрацією до відповідальності.
8.3.Правіла роботи з кислотами та горючими речовинами.
Розведення сірчаної кислоти виробляти пріліваніем кислоти в воду, а не навпаки, і тільки в жаростійких і порцелянових склянках, так як при цьому відбувається значне виділення тепла.
Переливати міцні HNO 3, H 2 SO 4 і HCl можна тільки при включеній тязі в витяжній шафі. Дверцята шафи повинні бути, по можливості, прикриті.
При роботі з міцними кислотами необхідно одягати захисні окуляри, а при роботі з димить HNO 3, крім очок, надягати довгий гумовий фартух.
Забороняється при роботі з етиловим ефіром, спиртом, бензолом, ацетоном, оцтово-етиловим ефіром і ін горючими та легкозаймистими рідинами (ЛЗР) проводити нагрівання на голому вогні, на сітці, поблизу відкритого полум'я або у відкритих посудинах. Слід мати на увазі, що легколетучие органічні рідини можуть займатися за відсутності відкритого полум'я, при падінні на сильно нагріту поверхню.
Забороняється ЛЗР виливати у відра, банки для сміття щоб уникнути пожежі від випадково кинутого сірника.
8.4.Первая допомогу в лабораторіях при опіках і отруєннях.
При термічних опіках негайно робіть неодноразові примочки в місці опіку спиртовим розчином таніну (можна також змочувати розчином KMnO 4 або С 2 Н 5 ОН і покривати маззю від опіків - сульфідіновой емульсією).
При опіках кислотами спочатку добре промийте обпечене місце проточною водою, а потім розчином N а 2 СО 3.
При опіках їдкими лугами добре промийте обпечене місце водою, а потім розведеної оцтової кислотою.
У разі вдихання хлору чи парів брому слід вдихати пари спирту, а потім вийти на свіже повітря.
Особливу увагу при роботі в лабораторії повинна приділятися захисту очей. У разі потрапляння в очі різних хімічних реагентів потрібно негайно промити очі великою кількістю води протягом 3 - 5 хвилин, а потім промити очі у випадку лужних реагентів розчинів розчином HBr, у разі кислих - розчином Na 2 CO 3. Після цих заходів першої допомоги необхідно негайно звернутися до лікаря.
8.5 Гасіння місцевого пожежі і палаючої одягу
При виникненні пожежі негайно вимкніть газ і електроприлади по всій лабораторії, заберіть всі горючі речовини подалі від вогню, засипте піском або накрийте повстяним, вовняним ковдрою або азбестом вогнище пожежі. Велике полум'я гасять за допомогою вогнегасника (краще застосовувати вуглекислотні).
Якщо на кому-небудь загориться одяг, тушкуйте обливанням водою з душу або негайно повалили на підлогу і накрийте повстяним ковдрою, яке не знімайте до тих пір, поки не згасне полум'я.
8.6 Заходи щодо поліпшення умов праці
Інструкції з безпеки робіт з їдкими, вогне-і вибухонебезпечними, СДОР повинні бути більш докладними.
Наприклад, досить часто в лабораторії використовують ртутні термометри. У разі їх розбивання ртуть, проникаючи в щілини підлоги, випаровується, і її пари можуть стати джерелом важких отруєнь. Тому слід додати наступне положення в інструкцію:
пролиту ртуть збирають вакуум-піпеткою з пасткою. Для збирання ртуті можна також використовувати склянки Тищенко, підключені до вакуумного насосу, пензлики або пластини з міді. Необхідно обробити забруднені ртуттю поверхні 1%-ним розчином Км n О 4, підкислений НС l.
При роботі з концентрованими кислотами і лугами слід прийняти до відома та внести в інструкцію наступне:
якщо кислота випадково пролита, то її спочатку засипають піском, щоб він ввібрав кислоту, потім пісок прибирають і місце, де була пролита кислота, засипають вапном або содою, після цього замивають водою і витирають насухо;
пролиті концентровані розчини лугів також засипають піском або тирсою, після їх видалення обробляють поверхню слабким розчином оцтової кислоти;
забороняється злив в каналізацію кислот і лугів без попередньої їх нейтралізації.
При перенесенні кислот і лугів необхідно дотримуватися правила:
переноска кислот однією людиною дозволяється у відповідній скляному посуді місткістю не більше 5 л у спеціальних кошиках;
- Бутлі ємністю 5 л з кислотами і розчинами лугів повинні поміщатися в кошики, причому вільні проміжки повинні бути заповнені соломою або стружками, кошики повинні переноситися двома працівниками.
9. Основні підходи хіміко-технологічної реалізації процесу
9.1 Отримання мікрочастинок карбонату кальцію
Еквівалентний об'єм (15 мл) 0,33 N водного розчину Na 2 CO 3 швидко доливали при перемішуванні (400-900 об / хв) до 0,33 N водного розчину CaCl 2.. Після перемішування протягом 60 сек, суспензію утворилися частинок залишали на 5-7 хвилин до повної кристалізації карбонату кальцію. Далі осад CaCO 3 промивали 50 мл води і фільтрували. Відмивання повторювали 3 рази. Останній раз мікрочастинки промивали спиртом або ацетоном, після чого фільтр поміщали під нагрівальну лампу і сушили 1,5 год при 50-60 о С. Сухі мікрочастинки CaCO 3 зберігали в закупореній ємності при кімнатній температурі.
9.2. Включення ХТР в CaCO 3 мікрочастинки методом адсорбції в порах
50-100 мг CaCO 3 мікрочастинок діаметром 3-5 мікрон суспендованих в 1 мл розчину ферменту (5-10 мг / мл) у воді. Після інкубації на шейкері або гойдалці протягом 2 годин, мікрочастинки облягали центрифугуванням (1000 об / хв, 5 хв) і відокремлювали супернатант. Далі частки залишали на 10 годин у холодильнику, центрифугували (1000 об / хв, 5 хв), відбирали супернатант. Після цього, частки двічі промивали водою (1мл), використовуючи центрифугування (1000 об / хв, 5 хв) / ресупендірованіе.
9.3 Отримання поліелектролітних мікрокапсул
Капсули отримували на CaCO 3 частинках з діаметром 3-5 мкм послідовної адсорбцією Alg (2 мг / мл) і PLL (2 мг / мл) в 0,02 N NaCl. Нанесення кожного шару поліелектролітів проводили протягом 15 хвилин, потім частинки центрифугували і двічі промивали в 0,02 N NaCl. При агрегації частинок між собою в процесі адсорбції ПЕ, суспензію мікрочастинок піддавали обробці ультразвуком (максимальна потужність) протягом 1-3 сек. Після нанесення 3-ох шарів Alg і 3-ох шарів PLL, CaCO 3 - частинки розчиняли 0,2 М розчином ЕДТА, рН 7,0. Після повного розчинення карбонатної матриці, мікросфери промивали у воді 3 рази (час інкубації 3-5 хвилин) і зберігали у вигляді суспензії при 4 о С.
9.4 Визначення вмісту білка в мікрочастинках і розчинах
Визначення концентрації білка в розчинах проводили спектрофотометрично. Для цього в кювету на 1,5 мл вводили 1 мл розчину білка і вимірювали оптичну щільність при 280 нм. Досліджувані розчини були розбавлені, з урахуванням коефіцієнта екстинкції для кожного білка, таким чином, щоб значення оптичної щільності не перевищувало 2. Калібрувальну криву будували з використанням того ж білка, який використовували для отримання мікрочастинок. Ефективність включення (іммобілізації) білка визначали як відношення оптичної щільності у вихідному розчині (D вих) до значення в супернатанті після сорбції (D сорбіт).
9.5 Вимірювання протеолітичної активності ХТР
Для вивчення протеолітичної активності іммобілізованого ХТР у водному середовищі (0,08 М ТРІС-буфер, рН 7,8, що містить 0,1 М CaCl 2), використовували таку методику. 40 мкл розчину ХТР або суспензії мікросфер з ХТР додавали в кювету на 1,5 мл, що містить 0,15 мл 0,08 м ТРІС-буфера, рН 7,8 і 0,14 мл 0,00107 М BTEE в 50% розчині метанолу (63 мл абсолютного метанолу в 50 мл води). Приріст оптичної щільності реєстрували спектрофотометрично при довжині хвилі 256 нм протягом 5 хвилин. При цьому кожну хвилину кювету струшували, щоб уникнути осадження мікросфер з включеним білком. Таким чином, приріст оптичної щільності був обумовлений накопиченням продукту ферментативного гідролізу.
9.6 Отримання мікрокапсул з ХТР на основі CaCO 3-частинок
Поліелектролітних мікрокапсули були отримані ступінчастою адсорбцією протилежно заряджених Alg і PLL на твердих CaCO 3-частинках. Вперше мікрочастинки з карбонату кальцію були отримані і застосовані як деградіруемой матриці для отримання ПЕ мікрочастинок в роботі. Безпосередню взаємодію еквімолярних розчинів карбонату натрію і хлориду кальцію при перемішуванні призводить до кристалізації малорастворимой солі CaCO 3. Утворені в результаті мікрочастинки мають сферичну форму і розмір кілька мікрон (мікрометрів?). Мікрофотографії таких частинок, отримані за допомогою скануючого електронного мікроскопа, представлені на малюнку 1. На фотографії можна бачити внутрішню структуру каналоподобную частинок. Формування такого роду архітектури викликано специфічним процесом зростання часток. Для отримання мікросфер (Alg / PLL) 3, в якості агента для розчинення CaCO 3 матриці, була використана ЕДТА (рН 7,0). Використання CaCO 3 часток дозволяє проводити процес мікрокапсулювання у фізіологічно оптимальних значеннях рН, що особливо важливо для іммобілізації БАВ, зокрема - білків. Першим ПЕ наносився Alg в силу негативного заряду CaCO 3 мікрочастинок (ξ-потенціал поверхні склав -12,2 ± 2,5 мВ). В процесі послідовної адсорбції макромолекули ПЕ проникають в пори CaCO 3 мікрочастинок, так як розмір пор (30-90 нм) у кілька разів більше розміру макромолекул ПЕ. Таким чином, у внутрішніх каналах мікрочастинок відбувається формування інтерполіелектролітного комплексу. Після розчинення CaCO 3 матриці ПЕ комплекс залишається стабільним. Розмір мікросфер в розчині відповідав розміру вихідної матриці - CaCO 3 мікрочастинок. Даний факт підтверджується спостереженнями за мікрочастинками в процесі видалення карбонатної матриці (оптична мікроскопія). На малюнку 2 представлені фотографії CaCO 3 мікрочастинок (А) і ПЕ мікросфер, отриманих на їх основі (Б). Збереження мікросферами форми і розміру, використаних для їх отримання матриць, говорить про надання поліелектролітних «каркасом» істотної міцності ПЕ мікросфер, в тому числі по відношенню до осмотичного тиску, що виникає при розчиненні твердої CaCO 3 матриці. Це особливо цінно, так як «осмотичний шок» при розчиненні матриці, покритої оболонкою з ПЕ комплексу, викликає збільшення розміру утворюються мікросфер, що складаються з ПЕ оболонки, або навіть деформацію і руйнування таких ПЕ мікрокапсул. Відомо, що адсорбція білків з розчину на твердій поверхні є результатом кількох основних процесів: а) електростатичної взаємодії між білком і поверхнею; б) взаємодії між молекулами білків; в) зміни структури білка. Таким чином, контакт білка з твердою поверхнею визначається як міжмолекулярними, так і внутрішньомолекулярними силами. У процесі отримання мікрокапсул наносилося по 3 шару кожного ПЕ, вихідна концентрація ХТР становила 5 мг / мл і 10 мг / мл. Аналіз отриманих результатів показав, що відсоток сорбції на 100 мг частинок при початковій концентрації 5 мг / мл склав 80% (4 мг / мл ХТР), 10 мг / мл - 41% (4,1 мг / мл ХТР). Включення ХТР в CaCO 3 мікрочастинки проводили методом адсорбції в порах (АП). Про рівномірному розподілі ферменту
9.7 Вивчення активності іммобілізованого ХТР і біодеградації мікрокапсул
Іммобілізований в ПЕ мікрокапсули, ХТР практично повністю зберігає свою активність (86 ± 9% в порівнянні з нативним ферментом). Дані, отримані в результаті порівняння гідролізу субстрату нативним ХТР і ХТР, включеним в ПЕ мікрокапсули, представлені у вигляді графіка на малюнку 3. Зміна оптичної щільності в часі обумовлено накопиченням продукту ферментативного гідролізу. Отримані дані дозволяють зробити наступні висновки: а) в процесі гідролізу відсутні стерические труднощі при дифузії субстрату через оболонку до молекул іммобілізованого ХТР, б) рівномірний розподіл ферменту в частинках при адсорбції, сприяє практично повного гідролізу субстрату молекулами ХТР; в) при іммобілізації не відбувається зміни конформації активного центру молекул ферменту. Комлексообразованіе ферментів з ПЕ призводить до зниження активність або не робить впливу, який залежить від природи реагуючих речовин і умов. Так, автори роботи по іммобілізації лактатдегідрогенази в сітку ПЕ комплексу, відзначають семикратне падіння активності іммобілізованого ферменту. У нашому випадку, включення білків в ПЕ мікрокапсули, сприяє збереженню їх активності та отримання стабільних при зберіганні препаратів. З метою вивчення проникності оболонок до дії протеолітичних ферментів було досліджено вплив розчинів ТР на ПЕ мікрокапсули. Як відомо, ТР входить до складу секрету підшлункової залози і є ендопептідаз, тобто він розщеплює пептидні зв'язки, утворені основними амінокислотами, такими, як лізин. Були використані наступні концентрації ТР: 0,05%, 0,1% і 0,2%. Результати показали, що мікрокапсули розчинилися протягом години (оптична мікроскопія). З метою докази збереження активності ХТР, після біодеградації мікрокапсул був проведений гідроліз субстрату отриманими розчинами. Спектрофотометричне вивчення показало, що ХТР зберіг активність після руйнування ТР. Результати цього дослідження представлені на малюнку 4. Приріст оптичної щільності, обумовлений накопиченням продукту ферментативного гідролізу, свідчить про збереження активності ХТР після руйнування ПЕ мікрокапсул.
Висновок
Проведені експерименти дозволяють зробити висновок, що в якості вихідної матриці для отримання ПЕ мікрокапсул, що містять ХТР, найбільш прийнятними є CaCO 3 мікрочастинки. Використання останніх дозволяє проводити процес мікрокапсулювання у фізіологічно оптимальних значеннях рН на всіх етапах. Це відкриває великі можливості для іммобілізації широкого спектру білків зі збереженням їх активності. Крім того, при розчиненні твердої CaCO 3 матриці, мікросфери зберігають розмір і форму, що свідчить про їх істотною міцності, у тому числі по відношенню до осмотичного тиску. Отримані мікрочастинки з вузьким розподілом за розмірами (3-5 мкм) мають пористу структуру, що дозволяє іммобілізувати на їх основі різні білки методомі фізичної сорбції. Високий вміст по білку (80% у випадку вихідної концентрації ХТР 5 мг / мл), а також біосумісність і біодеградація отриманих ПЕ мікросфер, дозволяють використовувати їх як систем доставки включеного препарату.
Експериментальні дані, отримані при вивченні активності іммобілізованого ХТР, свідчать про відсутність стерично труднощів при дифузії субстрату до молекул ферменту, рівномірному розподілі білка в частинках при адсорбції, збереженні конформації молекул ферменту при іммобілізації. Результати дозволяють зробити висновок про збереження активності та отриманні стабільних при зберіганні препаратів БАР, включених в ПЕ мікрокапсули.
Руйнування мікрокапсул, отриманих послідовної адсорбцією PLL і Alg на CaCO 3 мікрочастинках, під дією ферменту підшлункової залози - ТР, відкриває широкі можливості використання отриманих препаратів в медичній біотехнології. Використання природних і біодеградіруемих ПЕ дозволить створити мікрокапсули, що володіють такими властивостями, як виборча проникність, контрольована доставка і вивільнення ув'язнених у них БАВ, біодеградація, біосумісність, що дозволить розширити тим самим область їх потенційного застосування.
Отримані результати будуть використані у подальшій роботі з дослідження моделі поведінки мікрокапсул при переході через біологічні бар'єри для забезпечення адресної доставки БАВ до окремих органів і клітин-мішеней.
Література
Бобрешова М, Сухоруков Г.Б., Сабурова Е.А., Єлфімова Л.І., Шабарчіна Л.І., Сухоруков Б.І. (1999) Лактатдегідрогеназа в інтерполіелектролітном комплексі. Функція та стабільність, Біофізика, 44 (5): 813-820.
Кабанов В.А., Зезін А.Б, (2004) Водорозчинні нестехіометричних поліелектролітних комплекси - новий клас синтетичних поліелектролітів, Підсумки науки і техніки, М.,. Сер. Органічна хімія, 5: 131-189.
Кабанов В.А, (1999) Фізико-хімічні основи і перспективи застосування розчинних інтерполіелектролітних комплексів, Високомолекулярні сполуки, 36 (2): 183-197.
Кольіан Я., Рем К.-Г., (1998) Наочна біохімія, М., Мир, 262-263.
Основні правила безпечної роботи в хімічній лабораторії. М.: "Хімія", 2004.
Охорона праці та техніка безпеки в хімічній промисловості. Збірник нових нормативних матеріалів. М.: "Хімія", 2004.
Інструкція з техніки безпеки на кафедрі агрохімії МСХА.
Романова Е.П., Куракова Л.І., Єрмаков Ю.Г. Природні ресурси світу. М., 2003.
Колдін Е., Швидкі реакції в розчині, пров. з англ., М., 2002;
Проблеми теорії та практики досліджень в області каталізу, під ред. В. А. Ройтера, К., 2003, гл. 3;
Уейт Н., Хімічна кінетика, пров. з англ., М., 2004.
Тьомкін О.Н. Промисловий каталіз та екологічні безпечні технології / / Cоросовскій Освітній Журнал. 2001. № 3. С. 42-50.
Швець В.Ф. Удосконалення хімічних виробництв / / Cоросовскій Освітній Журнал. 2003. № 6. С. 49-55.