Учебно-методический комплекс дисциплины «Биотехнологическое оборудование» (стр. 15 )

План лекции:

1) Техника мембранного разделения.

2) Ультрафильтрационные мембраны.

3) Виды мембранных аппаратов.

4) Промышленные ультрафильтрационные установки.

1) К мембранным методам разделения растворов биологически активных веществ (БАВ) относятся:

-  обратный осмос;

-  микрофильтрация;

-  ультрафильтрация;

-  диализ;

-  электродиализ;

-  и испарение через мембрану.

Суть мембранных процессов заключается в способности мембран селективно (т. е. избирательно) разделять какие-либо растворы.

Эти процессы аналогичны тому, как в живой природе за миллионы лет эволюции в клетках живых организмов выработался универсальный и совершенный метод разделения с помощью полупроницаемых мембран.

Примером таких мембран являются оболочки животных и растительных клеток, благодаря которым осуществляется обмен веществ между клеткой и внешней средой.

Мембранные процессы происходят в т. н. мягких технологических режимах, что очень важно при работе с лабильными (стойкими) веществами. Мембранные процессы позволяют одновременно производить:

-  очистку;

-  и концентрирование растворов.

Кроме того, мембранные процессы происходят:

-  без фазовых изменений;

-  и без подвода тепла.

Это способствует значительному снижению потерь БАВ.

Мембранные методы позволяют получать очень высокие степени концентрирования (до 250 раз) и получать концентраты до 50 %.

Мембранные установки обладают следующими достоинствами:

-  относительная простота конструкции;

-  небольшие габариты;

-  широкие возможности автоматизации;

-  экономичность.

Мембраны, применяемые для ультрафильтрации, задерживают молекулы от 5 до 50 нм (нанометров), т. е. крупные органические молекулы.

Мембраны для обратного осмоса способны:

задерживать молекулы размером 2,5 нм,

·  однако давление при этом должно быть достаточно высоким (от 4 до 10 МПа).

Разделяющая способность мембран может быть представлена следующей схемой, представленной на рис. 13.1.

Рис.13.1. Размеры частиц

2) Ультрафильтрационные мембраны изготавливаются из пористых анизотропных ацетатцеллюлозных пленок двухслойной структуры состоящей:

-  из тонкого поверхностного слоя, толщиной 0,25 мкм;

-  и губчатой микропористой подложки (т. е. основы) толщиной 100 мкм.

Таким образом, нижняя основная масса мембраны,

·  т. е. пористая губчатая нижняя подложка –

·  служит несущей основой для плотного поверхностного слоя.

Плотный активный верхний слой определяет задерживающую способность мембраны по каждому компоненту разделяемой смеси.

–  В этом плотном активном слое и происходит механизм разделения растворов.

–  Размер пор активного слоя определяет степень концентрации вещества.

Процесс ультрафильтрации объясняется с двух теоретических позиций:

-  в первом случае – ультрафильтрация представляется как проникновение через пористые капилляры разного диаметра в зависимости от молекулярной массы вещества;

-  во втором случае – ряд ученых полагает, что вещества раствора диффундирует через материал мембраны, предварительно растворившись в нем.

В качестве основы мембран используются такие материалы как пористая металлическая фольга, пористое стекло, графит и др.

Эти промышленные ультрафильтрационные мембраны изготавливают из ацетата целлюлозы типа «Владипор».

Они отличаются друг от друга

·  диаметром пор (от 2,0 до 60 – 70 нм)

·  и соответственно, селективностью (т. е. избирательностью) и проницаемостью.

Существенную роль на селективность мембраны играет молекулярная масса вещества.

Ниже в таблице 13.1. представлены сведения характеризующие селективность различных типов мембран:

Таблица 13.1.

№	Фермент	Молекулярная масса	Мембрана
1	Щелочная протеиназа из btilis	20000 - 23000	УАМ - 150
2	Липаза из Asp. Awamori.	43000 - 50000	УАМ - 200
3	Пектиназа из Asp. Awamori 16	80000	УАМ - 300
4	Глюкоамилаза из Asp. Niger.	97000	УАМ - 300

Однако при выборе мембраны следует учитывать,

·  что кроме молекулярной массы

·  на селективность мембраны существенное влияние оказывает т. н. стерический фактор который характеризует:

-  во-первых, – пространственную структуру молекул концентрируемого вещества;

-  во-вторых, - способность биологически активных веществ к агрегации (т. е. укрупнению).

В связи с этим для каждого конкретного случая мембрана выбирается опытным путем.

Перспективным селективными материалами для осуществления мембранных процессов являются полые полимерные волокна.

Они представляют собой капилляры диаметром 20 – 100 мкм и толщиной пористой стенки 10 – 50 мкм.

Формирование их происходит путем продавливания расплава полимера через специальные фильеры.

В качестве материала для их изготовления используются:

-  ароматические полиамиды;

-  фенилон;

-  полиакрилонитрил и др.

Полые волокна из не целлюлозного материала представляют собой тонкие трубки диаметром 0,2 мм. Волокна комплектуются в пучки по 1000 штук и герметически укладываются в прозрачные пластиковые гильзы.

3) В биотехнологии используются четыре основных типов мембранных аппаратов:

1.  Аппараты с плоскими фильтрующими элементами (плоскорамные).

2.  Аппараты с трубчатыми фильтрующими элементами.

3.  Аппараты с рулонными фильтрующими элементами

4.  Аппараты с селективными мембранами в виде полых волокон.

Первые три типа комплектуется плоскими одинаковыми полупроницаемыми мембранами в виде пленок, и отличаются способами упаковки и закрепления мембраны.

В аппаратах рулонного типа:

-  одна или несколько мембран 3,

-  заключены между дренажом 4 и сеткой-сепаратором.

-  Одна сторона такого фильтрующего материала герметично закрепляется на трубке для отвода фильтрата 1,

-  и весь материал свертывается на эту трубку в виде рулона 2.

В аппаратах плоскорамного типа (рис. 13.2).

·  опорные пластины с дренажными устройствами для выхода фильтрата

·  покрываются с двух сторон селективными мембранами

·  и собираются в пакет.

Рис. 13.2. Схема плоскорамного мембранного аппарата 1 – фланец; 2 – стяжка; 3 – корпус камеры; 4 – пористая подложка; 5 – селективнам мембрана.

Между опорными пластинами образуется щелевой канал для протока исходного раствора.

Аппараты на основе полых волокон выпускают фирмы «Дау Ремикл» и «Дюпон». Для них характерны следующие свойства:

-  Эти аппараты состоят из цилиндрического корпуса.

-  В корпус на опорную трубку уложены полые волокна.

-  В некоторых конструкциях полые волокна уложены в цилиндрический корпус без опоры.

-  С торцов цилиндра волокна закрыты с одной или двух сторон плитами из эпоксидной смолы.

-  Аппараты на основе плоских волокон обладают высокой плотностью упаковки.

4) Во ВНИИбиотехники разработаны:

·  ультрафильтрационные установки для концентрирования и очистки

-  ферментных

-  и ряда других биологически активных растворов УКФ-40 и УКФ-180.

В этих установках процесс ультрафильтрации осуществляется в мембранных блоках.

Блок:

·  представляет собой коробчатый корпус, в который укладывается пакет плоских фильтрующих элементов.

·  Между ними, т. е. фильтрующими элементами укладываются прокладки специальной формы.

·  В результате между пластинами образуется щелевой канал глубиной 1,0–1,5 мм, по которому протекает концентрированный раствор.

·  Для предотвращения смещения пакета установлены фиксаторы.

·  Пакет уплотняется в корпусе с помощью верхней крышки.

·  С торца крепится уплотнение и передняя крышка.

·  На этой крышке установлены -

а) штуцера для входа исходного раствора

б) и выхода концентрата.

Блоки входят в состав ультрафильтрационной установки УКФ-40, которая работает следующим образом (рис. 13.3).

-  Стерильный исходный раствор из сборника 1 через бактериальный фильтр 2 и предфильтр 5 питающим насосом 3 подается в циркуляционный контур.

-  Циркуляционный контур включает в себя насос 6, теплообменник 7 и четыре ультрафильтрационных блока 8.

-  После насоса 6 раствор распределяется на два потока, каждый из которых проходит через два последовательно соединенных ультрафильтрационных блока 8, затем вновь объединяется в один поток и направляется в теплообменник 7.

Рис. 13.3. Схема ультрафильтрационной установки УКФ-40: 1 – сборник исходного раствора; 2 – фильтр бактериальный; 3 – питающий насос; 4 – демпфер; 5 – предфильтр; 6 – циркуляционный насос; 7 – теплообменник; 8 – ультрафильтрационный блок; 9 – сборник фильтрата; 10 – сборник концентрата; 11 – насос; 12 – сборник стерильной воды.

-  Температура раствора поддерживается с помощью теплообменника 7 в пределах 10 0С.

-  Пермеат, содержащий растворы низкомолекулярных веществ, поступает в сборник 9, а концентрат после многократной рециркуляции до заданной степени концентрации поступает в приемник концентрата 10.

-  Для предотвращения попадания посторонней микрофлоры циркуляционный насос снабжен двойным торцевым уплотнением, в которое из сборника 12 насосом 11 подается стерильная вода.