СКВОЗЬ МЕМБРАНУ

Научной работой доктор химических наук, профессор Михаил Брык увлекся со второго курса во время учебы на естественном факультете педагогического института города Кременца Тернопольской области. Много работал на кафедре химии, готовя исследовательские работы. Трудовую деятельность начал в Институте химии высокомолекулярных соединений, со временем перешел в открывшийся Институт коллоидной химии и химии воды АН УССР. Увлечение темой синтеза полимеров в тонких пластах на поверхности наполнителей оказалось довольно продолжительным — в течение 20 лет. С 1982 года научные интересы Михаила Теодоровича сконцентрировались на мембранах и мембранных технологиях. Кирпичики, заложенные им в фундамент советской, а со временем отечественной мембранологии, весьма весомы. Сегодня мембранные технологии способны перевернуть представление о сложных и трудоемких процессах, таких, например, как совершенное очищение питьевой воды в промышленных масштабах и т.д. Но уделяется ли этой проблеме достаточно внимания? Михаил Теодорович Брык, занимающий должность первого вице-президента Национального университета «Киево-Могилянская академия», делится своими мыслями по этому поводу.

Безотказный работник

Мембранные технологии бурно развиваются, начиная с середины прошлого века (первый патент был выдан в 1959 году). Разрабатывались мембраны для очищения питьевой, технической, сточных вод — для многотоннажных процессов. Эти мембраны пропускают воду и задерживают растворенные соли и прочие вещества. А почему бы им не выполнять еще какие-то функции? Мембрану можно заставить реагировать на внешние факторы. Скажем, на температуру, свет, концентрацию определенного вещества. Она может или пропускать, или не пропускать при определенных условиях какие-то компоненты раствора, может реагировать на смену кислотности и т.д. Где-то в начале 80-х годов я обнародовал идею о возможности создания мембран с особенными свойствами. Она возникла после ознакомления с действием не синтетических, а биологических мембран. Тогда я предлагал им два названия: мембраны с гибридными функциями или, более понятно, — с дополнительными функциями. Так этот термин и закрепился в науке.

Если очень популярно: мембрана похожа на пленку, в которой есть поры — дырочки, через которые просачиваются жидкости или газы. Теперь представьте себе: внутри поры привиты большие полимерные молекулы. Они имеют способность менять свою форму — то есть разворачиваться-свертываться в тугой клубочек, в зависимости от того, как и чем на них подействовать. Если пора перекрывается развернутыми молекулами, характеристика мембраны меняется. Но как только внешнее влияние меняется, пора открывается. Такие молекулы могут работать сколько угодно. Они не устают, действуют четко по заданному режиму внешнего влияния. Могут реагировать на свет, в зависимости от длины волны, на температуру, на концентрацию определенного вещества.

Речь идет не о кубометрах вещества, достаточно того, чтобы такие мембраны пропускали десятки миллилитров. Предположим, в кровяном русле больного нужно регулировать количество определенных веществ. Сенсорный датчик на мембране, то есть крохотная пленочка, будет реагировать на концентрацию, например, сахара. Если его концентрация уменьшилась против нормы — поры мембраны открываются, как только увеличивается — закрываются.

Мембраны можно использовать, например, для приготовления лекарственных препаратов, для получения апирогенной воды (при введении в кровяное русло она не вызывает повышения температуры) и т.д.

Например, вы имеете сложную биологическую жидкость, плазму крови или кровь, и вам нужно установить концентрацию определенного вещества, наличествующего в ней, скажем, когда человек болен. Мембрана контактирует с этой жидкостью, происходит взаимодействие антигена с антителом, при этом возникает слабенький электрический сигнал, который усиливается, и в ту же минуту определяется концентрация вещества. Это могут быть сотые и тысячные части миллиграмма.

К сожалению, исследования, ведущиеся в наших лабораториях, в Украине никому не нужны...

Золотое дно

До распада Советского Союза киевская школа ученых-мембранщиков была одной из сильнейших, хотя такие школы существовали в Москве, Владимире, Петербурге, Минске. Там сейчас осталась материальная база. Сами же ученые разъехались по свету, а некоторые и вовсе перестали заниматься исследованиями. А в Украине вообще нет собственного производства мембран и мембранных установок. Одно-единственное производство было в исследовательском институте на территории предприятия «Химволокно». Производились мембраны в виде полого волокна, кстати, очень высокого качества. Их модули закупали даже Англия и Япония. Мембранные технологии экономичны, экологичны, их можно продавать как высокоинтеллектуальную продукцию. Причем материальные затраты на сами мембраны мизерные.

Мембранные технологии применяются в пищевой, молочной промышленности, в производстве безалкогольных, алкогольных напитков, всех редких пищевых продуктов. Сегодня с их использованием получают много новых продуктов.

Мы разработали также мембраны, реагирующие на кислотность (если кислая среда — они пропускают раствор сквозь мембрану, как только он становится иным — закрываются), биокаталитические мембраны способны расщеплять, скажем, тот же сахар до глюкозы и фруктозы безотходно, на все сто процентов. В промышленности гидролиз, то есть распад сахара до глюкозы и фруктозы, происходит следующим образом: лимонную кислоту вводят в раствор сахара и нагревают. Однако при этом появляются вредные продукты. Мы предложили посадить на мембрану фермент, разлагающий молекулы сахара на глюкозу и фруктозу — они проходят сквозь мембрану, а сахар остается над мембраной. Более того, мы также научились разделять глюкозу и фруктозу. Делается мембрана, называемая матричной, в ней — поры, действующие по принципу «ключ в замке».

Последнее десятилетие мембранные технологии в мире бурно развиваются, закладывая основы принципиально новейших технологий. Это понимают самые могущественные страны — США, Япония, ФРГ, Китай, Корея.

Украина закупает мембранные технологии за границей. Но работать с ними, как мы привыкли — молотком и зубилом, — нельзя. Иначе через месяц, максимум через два, подобной эксплуатации дорогие установки выходят из строя.

Мембранные установки продаются поштучно. Это не массовое производство. Как правило, мембраны в таких установках работают три-пять лет. У нас такие технологии работают только кое-где в ликероводочной и пищевой промышленности. Есть попытки использовать мембраны на некоторых фармацевтических предприятиях. Еще пять лет назад мы предлагали разработать технологии, по которым можно изготовлять натуральные продукты. Скажем, очистить, осветлить, сгустить овощные и фруктовые соки, причем сохранив все их свойства. Чем плоха, например, смесь из дыни, тыквы и экстракта гречишной соломы?

По мембранной технологии из сока можно получить довольно густую, концентрированную массу, не утрачивающую запах, вкус, не знающую карамелизации сахара. Скажем, в стране производится миллион тонн яблочного сока. Его можно сконцентрировать, как минимум, в два, в три раза. Следовательно, это частично решает проблему хранения и перевозки. И самое главное — природный срок хранения длительный.

Раньше молочный белок после мытья посуды на молокозаводах в качестве отходов шел в сточные воды. Был я на одном таком молочном заводе, видел моющие воды с высоким содержанием молочного белка, которые сбрасываются в ближайшую реку. Говорю директору: «Вы можете в сутки получать до 40 тонн кормового белка». И слышу в ответ: «А что я из этого буду иметь?» Поскольку финансовые затраты на переоборудование возложены именно на предприятие, производящее продукцию.

Крайне нужны мембранные технологии в радиоэлектронной промышленности...

Так что уже пришло время, когда начинают понимать: мембранные технологии нужны, а отечественных нет. Приходится покупать за границей. А здесь иная беда — в процессе эксплуатации нужны так называемые затратные материалы. Вы купили установку, теперь покупайте еще и материалы, моющие растворы. Через два-три года предприятие израсходует на них почти столько же денег, сколько стоит сама установка. Когда заканчивается гарантия на установку, расходуется столько средств, сколько стоит новая.

На разработку собственных проектов Министерство образования и науки Украины выделяет незначительную сумму. Нет соответствующей профессиональной экспертизы научных проектов. Может, она и есть, но ею пренебрегают. В свое время, в первые годы независимости, удалось «пробить» отдельную программу по мембранам. Нашлись и деньги. Но проект закончился. Точнее, его почти ликвидировали. Урезали финансирование один раз, второй, а потом закрыли.

Помощь пришла с Запада

Ныне возникла потребность в создании нового поколения мембран с бактерицидными или бактериостатическими свойствами, необходимыми прежде всего для очищения питьевой воды, воды для фармацевтической, медицинской промышленности, которые должны гарантировать уничтожение всех микроорганизмов (бактерицидные мембраны их убивают, а бактериостатические создают для них невыносимые условия).

Совместно с коллегами-харьковчанами, работавшими в оборонной тематике, мы предоставили материалы на грант, финансируемый странами Европейского Союза, США и Канадой. К слову, получить его очень трудно.

Проект несколько лет рецензировался. В конце концов грант мы выиграли.

Проект очень жесткий по постановке проблематики исследования. По условиям грантa, свыше половины исполнителей должны быть людьми, имевшими дело с оборонной тематикой. Всего в проекте задействованы 17 человек. Девять человек — научные сотрудники Харьковского физико-технического института и восемь — из Национального университета «Киево-Могилянская академия». В Киеве проект будет выполняться на базе Центра экологических исследований НаУКМА, где я буду руководить работами. В лаборатории экотехнологий при кафедре химии НаУКМА исследование будет вести группа под руководством доцента А.Бурбана.

Грантом предусмотрено: это должны быть открытые публичные исследования, проводимые только научными сотрудниками, которые живут и работают в Украине. Идея грантa — дать ученым, занимавшимся закрытыми технологиями, возможность работать. Но грант — это лишь часть денег. Частично проект будет финансировать наш университет, который в этом гранте имеет свою долю.