НАВЕДЕНИЕ МОСТОВ


Существует еще один класс веществ, способных влиять на устойчивость коллоидных суспензий,— это полимеры. Действительно, растворы некоторых полимеров, добавленные в определенном количестве к дисперсным системам, нередко уже через 3—5 минут вызывают слипание коллоидных частиц и образование хлопьев, которые вскоре оседают под действием силы тяжести.

Этот прием, между прочим, был известен еще нашим далеким пращурам: в индийской ведической литературе (I тысячелетие до н. э.) упоминается о способе очистки мутной воды соками некоторых тропических растений, которые, как мы теперь знаем, содержат природные полимеры. Однако научная разработка метода концентрирования коллоидных ‘суспензий с помощью полимеров началась лишь в 50-е годы XX века.

Сейчас таких полимеров известно довольно много, и работают многие из них весьма эффективно. Например, если в литр культуральной жидкости, содержащей 15 триллионов клеток кишечной палочки Е. coli, добавить всего 50 мг полиэтиленимина [—CH2CH2NH—]п со степенью полимеризации (п) около 1 ООО, то в жидкости быстро образуются хлопья размером в несколько миллиметров, содержащие по нескольку тысяч клеток. Их называют флокулами (от латинского слова, которое и означает «хлопья»), процесс их образования — флокуляцией, а полимеры, ее вызывающие, — флоку-лянтами. После этого не нужно ни центрифуг, ни сепараторов — флокулы плотным слоем оседают на дно.

Механизм тут состоит в том, что при добавлении к коллоидной суспензии раствора полимера его макромолекулы прилипают к поверхности частиц. Если макромолекулы достаточно велики, то они могут сорбироваться одновременно на двух или нескольких частицах, образуя между ними полимерные мостики. Такие мостики соединяют в агрегаты сотни и тысячи частиц.

Однако выяснилось


Однако выяснилось, что далеко не всякие частицы коагулируют при добавлении электролитов. Известно множество систем, которые сохраняют устойчивость и в таких условиях — это, в частности, суспензии многих глин, цемента и, увы, многих микроорганизмов. Не вдаваясь в подробности, скажем только, что главная причина такого упрямства — слои воды или поверхностно-активных веществ, которые наподобие шубы покрывают частицы, препятствуя их слипанию, как слой жира не хает слипаться зернышкам риса в хорошо приготовленном плове. У бактерий, плохо поддающихся коагуляции, роль такой защитной шубы играют образующиеся на их поверхности капсулы.

К тому же во многих случаях коагуляция может происходить только при добавлении значительных количеств солей металлов, большинство которых токсично для клеток. А это означает, что такой способ неприменим, например, для получения продуктов, в составе которых должны оставаться жизнеспособные клетки (биоинсектицидов, многих медицинских и ветеринарных препаратов). Добавим еще, что применение коагулянтов-электролитов приводит к нежелательному засолению сточных вод, образующихся в процессе концентрирования…

КАК УВЕЛИЧИТЬ ЧАСТИЦЫ

Пивовары и виноделы хорошо знают, что клетки дрожжей обладают способностью на заключительной стадии своего развития, когда основные процессы брожения сусла закончены, самопроизвольно слипаться в хлопья. Такие хлопья сравнительно легко оседают, что заметно облегчает дальнейшие операции по осветлению пива или вина.

С похожим явлением сталкиваются и технологи, занимающиеся биологической очисткой сточных вод. Биоочистка также происходит благодаря деятельности микроорганизмов — так называемого активного ила. И здесь бактерии, составляющие основную часть активного ила, тоже проявляют склонность по завершении своего жизненного цикла слипаться в сравнительно крупные агрегаты и оседать. Здесь тоже особых хлопот с отделением их от очищенной воды не возникает.

А нельзя ли тем или иным способом заставить слипаться клетки микроорганизмов, в обычных условиях к этому
не склонные, чтобы облегчить их отделение от культуральной жидкости?

К сожалению, это не так просто: существуют силы, которые активно препятствуют слипанию коллоидных частиц. Это силы электрические: такие частицы заряжены, и одноименные заряды отталкивают их друг от друга, не давая слипаться.

Ну а если нейтрализовать поверхностные заряды частиц? Это можно сделать, если добавить к коллоидному раствору электролиты: какую-нибудь соль, кислоту или основание, после чего начинается слипание частиц — коагуляция. Так, например, сворачивается молоко, тоже представляющее собой коллоидную систему, если добавить в него хлористого кальция или лимонной кислоты (то же самое происходит и без всяких добавок, когда молоко скисает: в этом случае коагуляцию вызывает молочная кислота, вырабатываемая бактериями).

Bacillus thuringiensis

У микробных клеток, с которыми имеет дело микробиологическая промышленность, как правило, очень малые размеры: например, споры Bacillus thuringiensis, используемой для получения средств защиты растений, имеют длину 1 и диаметр 0,5 мкм, клетки Е. coli — 2 и 0,5 мкм, клетки пекарских дрожжей — 8 и 2 мкм, не говоря уже о совсем крохотных вирусах. Собственно говоря, именно это и делает возможным их биотехнологическое применение: благодаря огромной удельной поверхности клетки создаются благоприятные условия для активного обмена между ней и внешней средой, быстро идут процессы жизнедеятельности клеток, а значит, за сравнительно короткое время культивирования синтезируются большие количества продуктов жизнедеятельности. К тому же особое устройство поверхности клеток микроорганизмов не дает им слипаться между собой, а способность к активному передвижению мешает оседанию даже таких крупных клеток, как дрожжи.

Вот эти особенности микроорганизмов и затрудняют их выделение из культуральной жидкости. Биотехнологам приходится пускать в дело мощную технику — сепараторы, центрифуги, вакуумные фильтры, но и это не всегда помогает. И чем мельче микроб, тем хуже его клетки отделяются от жидкости.

КОВАРСТВО МАЛЫХ ЧАСТИЦ

С необходимостью отделять твердые частицы от жидкости сталкивается каждый химик. И каждый химик знает: если частицы крупные, измеряемые десятками и сотнями микрометров, то достаточно дать такой суспензии постоять, и они осядут на дно. Чем крупнее частицы, тем проще с ними работать.

Трудности начинаются тогда, когда имеешь дело с очень мелкими частицами, размером порядка 10 мкм и меньше: при этом резко возрастает их удельная поверхность, проявляются новые, своеобразные закономерности, изучением которых занимается коллоидная химия. При отсутствии внешних воздействий такие частицы, взвешенные в жидкости или газе, подолгу не оседают — система сохраняет устойчивость. Причину такого явления еще в 1905 г. установил на основании молекулярно-кинетической теории А. Эйнштейн: оказывается, для частиц размером до 1 мкм энергии броуновского движения достаточно для того, чтобы они находились в постоянном движении и не оседали под действием силы тяжести.

Микробиологическая промышленность — наиболее развитая отрасль биотехнологии.

Несмотря на свою молодость, она уже сейчас обеспечивает экономику важнейшими, зачастую уникальными продуктами, получить которые иным способом трудно или просто невозможно. Достаточно сказать, что методами микробного синтеза в нашей стране производится больше половины самых ценных — сбалансированных по аминокислотному составу добавок к животноводческим кормам.

Суть процессов микробного синтеза состоит в том, что в специальных реакторах — ферментерах выращиваются определенные микроорганизмы, которые в процессе жизнедеятельности вырабатывают нужные нам соединения. Это могут быть вещества, из которых состоит сама микробная клетка (например, когда речь идет о производстве белковых добавок к кормам, в качестве которых используется биомасса микробов как таковая), или же продукты метаболизма, выделяемые ею в культуральную жидкость (например, витамины антибиотики, ферменты, этанол и т. д.). Но и в том и в другом случае перед биотехнологом рано или поздно возникает задача отделить отработавшие клетки от культуральной жидкости.
Концентрация целевого продукта, будь то сами клетки или выработанные ими вещества, при этом обычно бывает очень низкой — от долей процента до нескольких процентов, и для выделения его приходится перерабатывать весьма значительные объемы культуральных жидкостей. Затраты на концентрирование могут составлять немалую долю себестоимости продукта: например, при среднетоннажном производстве (более 100 тонн культуральной жидкости в сутки) эта доля составляет более 20 %. Ясно, что любое микробиологическое производство остро нуждается в простом, недорогом и достаточно эффективном способе отделения клеток микроорганизмов от культуральной жидкости.

«Кентавры» пока не находят широкого применения.

Связано это как в внутренними проблемами таких приборов (разрушение мишени электронным лучом в «твердотельных лампах», взаимодействие материалов и рост проводимости керамики при высоких температурах в ВИС), так и с инерцией техники. Старое производство не может быть остановлено, новое не может быть создано мгновенно. Мало сделать один прибор одного типа. Для того чтобы можно было говорить об освоении класса приборов (например, ВИС), должны быть созданы разные типы (диод, триод) с разными параметрами (ток, напряжение), и не по одной штучке. Грубо говоря, разработчик схем должен держать в руках готовые изделия, хотя бы десяток, в коробочке на поролоне. Но этого мало. Следует создать методы расчета таких схем; понять, как следует использовать новые приборы — достойно, чтобы не позорить ни их, ни себя. Многое придется сделать, прежде чем удастся вздохнуть с удовлетворением…

В биологии межвидовое скрещивание удается редко, а гибрид, как правило, оказывается бесплоден. В технике электронных приборов ситуация иная — создание гибридов стимулировало решение многих технологических задач. Так что у родителей нет оснований обижаться на неблагодарных деток. Правда, они требуют своего места под солнцем — но такова жизнь. И такова техника, существенная часть современной жизни.

Этот прибор также сделан с использованием пленочной технологии

Этот прибор также сделан с использованием пленочной технологии — здесь, как и в предыдущих случаях, без помощи химиков не обойтись. Слой полупроводника и металлические контакты 2, подводящие к нему ток, выполнены в виде пленок, напыленных на диэлектрическую подложку 3. Управляющее напряжение подается на электрод 4, отделенный от полупроводника вакуумным зазором. От простой замены твердого диэлектрика на вакуум выигрыш был бы невелик и он явно не окупал бы сложностей изготовления. Заметим, что электроды расположены на двух подложках (вариант с одной подложкой, вроде показанного на рис. 2, не осуществлен), а это усложняет технологию. Чтобы прибор, при сборке которого зазор, ничтожный по размеру (10—20 мкм), приходится устанавливать с соответствующей точностью, стал жизнеспособным, нужны дополнительные преимущества в борьбе за существование. Когтей нет, зубов нет, может быть, стойкость к нагреву? Для этого прежде всего требуется высокотемпературный полупроводник. Между прочим, такие в электронных лампах используются. Это — окислы щелочноземельных элементов. Катод покрывают порошком окисла. При высокой температуре вещество испаряется неоднородно, обогащается металлом (донорная примесь) и становится полупроводником.

Снова возникает непреодолимое, казалось бы, противоречие. Вот оно. Катодное покрытие должно иметь сравнительно высокую проводимость, иначе при прохождении сквозь него тока возникнет недопустимо большое падение напряжения. Но при высокой проводимости поле вроде бы не должно на нее влиять просто потому, что чем она выше, тем на меньшую глубину поле проникает в материал. И прибор работать не должен. Однако эти приборы работают, вот в чем штука. Возможно, поле влияет не на собственно полупроводник, а на электронное облако, прости-рающеес я на крошечное — в несколько микрометров — расстояние от его поверхности. Дело в том. что катодный материал теряет малую долю своего кислорода, причем понижается работа выхода. Его назначение — эмиттировать электроны. Он это и делает.

«КЕНТАВР», УПРАВЛЯЕМЫЙ ПОЛЕМ

Впрочем, уникальные, как писали поначалу, особенности этого прибора все-таки по-своему в большой мере уникальны. Такое сочетание понятий учит не совсем грамотно, это, конечно, жаргон. Означает же такое выражение, что можно, конечно, и без «твердотельных ламп», просто с помощью двух напряжений управлять последовательностью включения диодов. Но столь же просто и изящно, как в приборе с бомбардировкой полупроводника электронным лучом (так называют эти приборы в отечественной литературе), дело не получится. Заметьте, что диоды составляют в этом «кентавре» матрицу, а подавая напряжения на отклоняющие пластины — вертикальную и горизонтальную,— мы реализуем так называемую двумерную адресацию. Такой прибор — дар божий для задач, связанных с обработкой информации, на его основе можно сделать и анализатор формы сигнала, и аналого-цифровой преобразователь, и многое другое…

Основа «твердотельной лампы» — изменение проводимости полупроводника под действием приходящего из вакуума электронного тока. Обычная электронная лампа управляется электрическим полем (напряжением на сетке).

В новом же приборе поле используется для управления электронным пучком, который в свою очередь воздействует на полупроводниковую мишень. А нельзя ли воздействовать на полупроводник непосредственно полем? Можно.

Это принцип действия так называемого полевого транзистора — прибора, в котором напряжение, поданное на управляющий электрод, отделенный от полупроводника слоем диэлектрика, влияет на проводимость этого полупроводника. Если в качестве диэлектрика использовать вакуум, то мы получим изобретенный в 1975 г. третий тип при-бора-«кентавра» (рис. 5).

«ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ ЛАМПЫ»

Представим себе электронную лампу (рис. 4), у которой анодом служит пластина 8 из кремния, припаянная к металлической пластине — контакту 9. Второй контакт — напыленная на пластину со стороны вакуума тонкая (0,1 мкм) алюминиевая пленка. Электрон, эмиттированный катодом J и ус-коречный в зазоре между катодом и анодом, попадает на анод-пластину и начинает двигаться в ней, отрывая другие электроны от атомов кремния и расходуя на это свою энергию. Если исходный электрон ускорен высоким напряжением, например 15 кВ, то, потеряв при прохождении алюминиевой пленки 2 кэВ (в других металлах потери больше), он сохранит целых 13 и сможет образовать свыше 1000 электронно-дырочных пар. Управлять электронным пучком 5 можно с помощью как сетки 2 — увеличивая или уменьшая ток, так и пластин горизонтального (4) и вертикального (3) отклонения, переводя, как в кинескопе, электронный пучок с одной точки пластины на другую. На ней же может быть сформировано несколько десятков отдельных полупроводниковых приборов.

Вся конструкция — за границей ее называют «твердотельной лампой»— помещена в колбу 6, в которой создан вакуум.

Коэффициент усиления у такого прибора больше, чем у ламп и транзисторов, поскольку каждый электрон пучка образует тысячи электронов проводимости в полупроводнике.

Прибор способен работать на высоких частотах — это его выгодно отличает от обычного транзистора; у него нет базовой области, в которой электроны дрейфуют с малой скоростью.

Первые такие приборы были выпущены в 1973 году, и в 1975-м о них писали еще расплывчато — они, мол, «значительно превосходят полупроводниковые приборы и вакуумные лампы». К 1981 году, однако, стало ясно, что эти приборы применимы прежде всего в области частот около 1000 мГц, в диапазоне, промежуточном между транзисторами и СВЧ-лампами. Стали скромнее и оценки параметров; выяснилось, что преимущества перед транзисторами не абсолютные, а в основном технико-эко-номические: полупроводниковый усилитель с теми же параметрами содержит 10—20 транзисторов, а потому менее надежен, хотя стоит дороже.