Такое использование микрофильтрации позволяет предотвратить потери ценных компонентов и образование нежелательных соединений во время тепловой стерилизации. Но при этом важно иметь возможность тепловой стерилизации самих микрофильтрационных элементов. Это трудно осуществить с полимерными мембранами, но при использовании металлокерамических элементов (трубок) вполне возможно.
2.ДИАЛИЗ
В этом процессе (рис. 17.1) раствор, содержащий высокомоле-кулярные соединения, отделен полупроницаемой мембраной от камеры, содержащей чистый растворитель (обычно воду или вод-ные растворы солей).
Содержащиеся в растворе низкомолекулярные вещества за счет диффузии через поры мембраны проходят в ?амеру пермеата, через которую ?епрерывно протекает вода. Высокомолекулярные вещества остаются в растворе, и таким образом происходит их очистка от низкомолекулярных.
Так, например, происходит обессоливание растворов ферментов или вакцин.
Мембраны для диализа изготавливают из пергамента, целлофана и других материалов. Часто мембраны выполняют в виде трубок, имеющих сходство с оболочками колбасных изделий, причем изготавливают такие трубки те же фирмы, что и оболочки для колбас. Собственно говоря, первая по хронологии обо-лочка колбасы — стенка кишок животных — также выполняет функции диализа, пропуская в кровь лишь низкомолекулярные вещества, о^разующиеся в процессе ферментолиза пищи в организме.
Новое поколение диализующих мембран представляет собой кассеты из большого количества микротрубок, заделываемых в так
называемый модуль с общим входом и общим выходом.
Преимуществами процесса диализа являются:
работа в мягких условиях температуры и рН;
отсутствие органических растворителей;
возможность высокой степени очистки высокомолекулярных веществ от примесей низкомолекулярных соединений, солей и металлов.
Недостатки:
низкая скорость диализа, определяемая молекулярной диффу-зией, поскольку движущая сила в этих случаях — разность кон-центраций веществ, ее нечем повысить;
возможность обрастания диализных мембран и забивания их пор.
Некоторых недостатков диализа удается избежать за счет применения электродиализа,
В этом случае, если задачей является обессоливание ферментов или других биополимеров, перпендикулярно мембранам и потоку диализуемого раствора накладывается электрическое поле, в результате чего анионы и катионы из раствора диффундируют через диализные мембраны к аноду и к катоду, а биополимеры остаются в растворе (рис. 17.2).
В простейшем случае электродиализатор состоит из трех камер: для обрабатываемого раствора, для пермеата в зоне катода и для пермеата в зоне анода.
Движущей силой в этом случае, как и в процессе диализа, явля-ется раз?ость концентраций ионов. Электрический ток лишь ус-коряет процесс диффузии.
Мембраны при катоде и при аноде могут быть выполнены из разного материала, селективные для катионов и для анионов.
3. УЛЬТРАФИЛЬТРАЦИЯ
В процессе ультрафильтрации используют селективные по-лупроницаемые мембраны, пропускающие низкомолекулярные и задерживающие высокомолекулярные соединения. Известно, что движущей силой процесса ультрафильтрации является пере-
пад давления на мембране, как и при обычной фильтрации. При-менительно к ультрафильтрации высокомолекулярные соедине-ния — это те соединения, у которых молекулярная масса раство-ренного вещества превосходит молекулярную массу растворите-ля более чем в 500 раз.
При ультрафильтрации происходит не разделение фаз, а пере-распределение растворенных в жидкости веществ. По существу здесь используется ситовой эффект.
Полимерные мембраны, используемые при ультрафильтрации, обычно являются двухслойными. Основной фильтрующий слой имеет толщину менее 1 нм. Очевидно, такой слой не может быть механически прочным, и поэтому он дублируется со вторым сло-ем толщиной от 20 мкм до 2 мм, который к тому же имеет и значи-тельно больший размер пор. Выполнены оба слоя как единое це-лое, но мембрана является анизотропной. Давление должно быть приложено со стороны тонкого слоя, а не наоборот.
Ясно, что для создания прочности мембраны дополнительно должна использоваться и более жесткая (металлическая или пласт-массовая) арматура: ведь перепад давления для процессов ультра-фильтрации достигает 0,3—-1 МПа.
Обычный материал мембран — полиуретаны, сложные эфиры целлюлозы, полисульфон. В последнее время научились делать и металлокерамические (наиболее прочные) мембраны.
Борьба с концентрационной поляризацией. Для этого кроме повышения скорости потока над мембраной используют следующие приемы:
предварительная обработка раствора (создание подходящей температуры, рН, ионной силы);
предварительная фильтрация через мембрану определенных растворов полймеров, создающих на поверхности мембраны слой, препятствующий осаждению растворенного вещества на поверх-ности мембраны;
покрытие мембраны ферментом, способствующим разжиже-нию геля;
создание на поверхности мембраны отрицательно заряженных ионогенных групп, предотвращающих осаждение белков;
гидрофилизация мембраны полиэтиленгликолем;
очистка, мембраны.
Последний прием (очистка мембраны) осуществляется:
легким обратным потоком жидкости (для больших потоков операция рискованна, так как может быть нарушена целостность мембраны);
пузырями пены;
биологическими детергентами (например, сывороткой);
раствором щавелевой кислоты (для жирных стоков);
раствором пероксида водорода (для белков);
раогізором гипохлорита калия;
добавлением в поток порошков, имеющих легкое абразивное действие на мембрану (тоже есть опасность «царапания» мембран, снижающего их долговечность),
Конструктивное оформление ультрафильтрационных систем реализуется в следующих вариантах:
трубчатые (с диаметром трубок 6—25 мм) могут развивать плотность упаковки (поверхяость фильтрования на единицу объе-ма) 60—200 м2/м3;
плоскорамные — 60—300 м2/м3;
рулонные — 300-— 800 м2/м3;
с полыми волокнами (капилляры диаметром 20—100 мкм и тол-щиной стенки 10—50 мкм) — до 30 000 м2/м3; недостаток — труд-ность замены поврежденных волокон.
Рассмотрим несколько примеров использования ультрафильтрационных установок при коадентрировании (рис. 17.7), диафильтрации (очистка от низкомолекулярных веществ) (рис. 17.8) и очистке от высокомолекулярных соединений (рис. 17.9).
Схема, представленная на рис. 17.10, предусматривает двухсту-пенчатое разделение, по сути фракционирование сыворотки на три потока.
Лекция № 14 Концентрирование продукта и обезвоживание продукта
1.Концентрирование продукта
2.Обезвоживание продукта
За отделением продукта следует его концентрирование. Основные методы концентрирования — обратный осмос, ультрафильтрация, выпаривание.
Если мембрана пропускает воду, задерживая растворенные в ней вещества, речь идет об осмосе. Прямой осмос — диффузия веществ через мембрану, разделяющую раствор и растворитель. Как правило, раствор помещают в мешок из полупроницаемого материала, и этот мешок погружают в сосуд с растворителем. Растворитель, поступающий извне, оказывает на мешок давление, называемое осмотическим. Если к раствору приложить внешнее давление, превышающее осмотическое, то растворитель вытекает через полупроницаемую мембрану против градиента концентрации растворенного вещества, т. е. происходит дальнейшее концентрирование раствора. Подобный процесс представляет собой обратный осмос, используемый как метод концентрирования продукта.
Ультрафильтрация — отделение веществ с помощью мембранных фильтров. Некоторые марки фильтров предназначены для отделения лишь сравнительно крупных частиц: иммуноглобулинов, коллоидных агрегатов, вирусов. Мембраны с наиболее мелкими порами задерживают молекулы органических кислот. При умеренно высоком давлении (200—400 кПа), приложенном к жидкости, скорость ее протока через фильтр достаточно высока для быстрой и эффективной ультрафильтрации. Технология ультрафильтрации подкупает своей простотой, относительной экономичностью и мягким, щадящим обращением с продуктом. Здесь не требуется изменения рН, ионной силы раствора или перевода продукта в другую фазу. Этим объясняется перспективность ультрафильтрации для концентрирования таких малостабильных продуктов, как молочная и глутаминовая кислоты, некоторые антибиотики и ферменты (Н. Dellweg, 1983), витамин В!2 (В. Si - kyta, 1984е).
Метод выпаривания, наиболее древний и известный еще алхимикам, обладает очевидным недостатком: для удаления воды или иного растворителя раствор необходимо нагревать. В производственных условиях чаще используют вакуум-выпарные аппараты, и температура выпаривания, соответственно и вред, причиняемый термолабильным веществам, могут быть снижены в зависимости от уровня снижения давления в выпарном аппарате по сравнению с атмосферным. Нагревающим агентом чаще всего служит водяной пар, хотя используют также обогрев жидким теплоносителем или электрообогрев. Пар характеризуется большой теплотой конденсации и облегчает регулировку процесса выпаривания.
Выпарные аппараты бывают периодически и непрырывно действующие, с однократной и многократной циркуляцией кипящего раствора. Теплообмен между нагревающим агентом и выпариваемым раствором обеспечивается системой труб, змеевиков или паровой рубашкой. Необходимо добиваться равномерного обогрева раствора без локального перегрева. Перспективные методы выпаривания чувствительных к нагреванию веществ состоят в использовании дисковых и пленочных выпарных аппаратов, в которых испарение стимулируется в результате растекания жидкости тонким слоем по нагретой поверхности.
|
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 |
