К мембранным методам разделения относятся:
1. Диализ и электродиализ.
2. Обратный осмос.
3. Микрофильтрация.
4. Ультрафильтрация.
В основе этих методов лежит явление осмоса - диффузии растворенных веществ через полупроницаемую перегородку, представляющую собой мембрану с большим количеством (до 10 10 -10 11 на 1 м2) мелких отверстий - пор, диаметр которых не превышает 0,5 мкм.
Под мембраной обычно принято понимать высокопористую или беспористую плоскую или трубчатую перегородку, оформленную из полимерных или неорганических материалов и способную эффективно разделять частицы различных видов (ионы, молекулы, макромолекулы и коллоидные частицы), находящиеся в смеси или растворе. Использование мембран позволяет создавать экономически высокоэффективные и малоотходные технологии.
Среди мембранных процессов особенно интенсивно развиваются баромембранные. Если обратный осмос изучен достаточно полно, то существенно в меньшей мере это касается микрофильтрации и тем более ультрафильтрации, несмотря на ее очевидную перспективность. Границы баромембранных методов разделения четко не определены, что, по видимому, принципиально невозможно, поскольку микро- и ультрафильтрация и обратный осмос в широких пределах перекрываются как в отношении их физико-химического описания, так и решаемых задач. Следовательно, приведенная классификация барометрических методов разделения в значительной мере условна. Тем не менее, каждый из указанных методов имеет свои характерные особенности, на основании которых предложено несколько их классификаций.
Микрофильтрация, в основном, является гидродинамическим процессом, близким к обычной фильтрации. Специфическая особенность микрофильтрации - использование мембран с диаметром пор от 0,1 до 10 мкм для отделения мелких частиц твердой фазы, в том числе микроорганизмов, в этом случае ее называют стерилизующей фильтрацией. Поэтому в отличие от процесса фильтрации при микрофильтрации явления диффузии (особенно при небольших размерах пор от 0,1 до 0,5 мкм) также играют определенную роль.
|
В основе ультрафильтрации лежит использование мембран с диаметром пор от 0,001 до 0,1 мкм. Ультрафильтрация применяется для разделения клеток и молекул.
Мембранные методы разделения, применительно к биологическим суспензиям, обладают рядом преимуществ.
1. Концентрирование и очистка осуществляются без изменения агрегатного состояния и фазовых превращений.
2. Перерабатываемый продукт не подвергается тепловым и химическим воздействиям.
3. Механическое и аэродинамическое воздействие на биологический материал незначительно.
4. Легко обеспечиваются герметичность и асептические условия.
5. Аппаратурное оформление компактно по конструкции, отсутствуют движущиеся детали.
6. Процесс не обладает высокой энергоемкостью, в большинстве случаев энергия затрачивается только на перекачивание растворов.
Механизм переноса атомов, молекул или ионов различных веществ через полупроницаемые мембраны может быть объяснен одной из следующих теорий.
Теория просеивания предполагает, что в полупроницаемой мембране существуют поры, размеры которых достаточны для того, чтобы пропускать растворитель, но слишком малы для того, чтобы пропускать молекулы или ионы растворенных веществ.
|
Теория молекулярной диффузии основана на неодинаковой растворимости и на различии коэффициента диффузии разделяемых компонентов в полимерных мембранах. Теория капиллярно-фильтрационной проницаемости основана на различии физико-химических свойств граничного слоя жидкости на поверхности мембраны и раствора в объеме.
Из предложенных теорий, получила распространение капиллярно-фильтрационная модель.
Основным рабочим органом мембранных аппаратов являются полупроницаемые мембраны. Мембраны должны обладать высокой разделительной способностью или селективностью, высокой удельной производительностью или проницаемостью, постоянством своих характеристик в процессе эксплуатации, химической стойкостью в разделяющей среде, механической прочностью, невысокой стоимостью. Селективность и проницаемость - это наиболее важные технологические характеристики мембран и аппарата в целом.
Селективность мембраны зависит от размера и формы молекул растворенного вещества. Следует иметь в виду, что практически во всех случаях существуют молекулы, задерживаемые мембраной лишь частично. Мембраны изготавливают из различных материалов: полимерных пленок, стекла, керамики, металлической фольги и т.п. Широкое распространение получили мембраны из полимерных пленок.
Полупроницаемые мембраны бывают пористые и непористые. Через непористые мембраны процесс осуществляется за счет молекулярной диффузии. Такие мембраны называются диффузионными и применяются для разделения компонентов с близкими свойствами. Пористые мембраны изготавливаются в основном из полимерных материалов и могут быть анизотропными и изотропными.
|
Пористые мембраны получают обычно путем удаления растворителей или вымыванием предварительно введенных добавок из растворов полимеров при их формировании. Полученные таким образом мембраны имеют тонкий 0,25-0,5 мкм поверхностный слой на микропористой подложке толщиной 100-250 мкм. Процесс мембранного разделения осуществляется в поверхностном активном слое, а подложка обеспечивает механическую прочность мембраны.
Широкое распространение получили ядерные мембраны, или нуклеопоры. Эти мембраны образуются облучением тонких полимерных пленок, заряженными альфа-частицами с последующим травлением пор химическими реагентами.
К основным достоинствам ядерных мембран относятся:
- правильная круглая форма пор;
- возможность получить мембраны с заранее заданными размерами и числом пор;
- одинаковый размер пор;
- химическая стойкость.
Ядерные мембраны изготавливают на основе покарбонатных пленок с диаметром пор от 0,1 до 8 мкм.
Наряду с полимерными известны мембраны с жесткой структурой:
металлические, из пористого стекла, керамики.
Металлические мембраны изготавливают выщелачиванием или возгонкой одного из компонентов сплава фольги. При этом получают высокопористые мембраны с порами одинакового размера - в пределах 5- 0,1 мкм.
Другой способ получения металлических мембран - спекание металлического порошка при высоких температурах методом порошковой металлургии.
Недостатки мембранных методов разделения:
1. Некоторые материалы, из которых изготавливаются мембраны, быстро изнашиваются.
2. Возникают определенные трудности при обработке растворов, содержащих твердую фазу.
Тем не менее, следует отметить перспективность применения мембранных методов разделения в технологии микробиологического синтеза.
ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ СЕЛЕКТИВНОГО РАЗДЕЛЕНИЯ БИОЛОГИЧЕСКИХ РАСТВОРОВ И СУСПЕНЗИЙ НА ПОРИСТЫХ МЕМБРАНАХ
К основным мембранным методам разделения жидких систем относятся обратный осмос, ультра- и микрофильтрация. Эти методы характеризуются такими общими чертами, как использование полупроницаемых, т.е. по-разному пропускающих разные компоненты растворов и суспензий, мембран, применение в качестве движущей силы процесса избыточного давления, способы борьбы с концентрационной поляризацией.
Деление указанных методов является в значительной степени условным и базируется, как правило, на размерах фильтруемых объектов и размерах пор соответствующих полупроницаемых мембран.
Более отчетливо следует разграничить методы ультра- и микрофильтрации по фазовым состояниям разделяемых систем (соответственно, растворы и суспензии), а методов ультрафильтрации и обратного осмоса по механизму проницаемости (вязкое течение и активированная диффузия).
Можно приблизительно определить, что обратноосмотические мембраны могут задерживать частицы размером более 1-10-4 мкм, т.е. гидратированные неорганические ионы, а ультрафильтрация наиболее эффективна для частиц размером более 1-10-3 мкм, т.е. ультрафильтра-ционные мембраны могут задерживать органические молекулы и ионы. Соответственно, микрофильтрация позволяет эффективно задерживать частицы от 5-10-2 до 10 мкм, те которые не осаждаются из растворов в поле гравитационных сил.
Тем не менее, четко определить границы применения различных мембранных методов не представляется возможным как из-за общности физических явлений, лежащих в основе данных методов, так и ввиду широкого спектра свойств и природы разделяемых баромембранными процессами веществ.
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫМИКРОФИЛЬТРАЦИИ
Разделение растворов и суспензий методом микрофильтрации основано на различии и эффективных гидродинамических размерах разделяемых молекул и частиц. Процесс разделения описывается в рамках различных теорий и механизмов полупроницаемости, учитывающих влияние физико-химических, гидродинамических и межмолекулярных факторов на прохождение частиц через мембраны.
Как правило, анализ и расчет процессов ультра- и микрофильтрации проводится с единых позиций. Такой подход правомерен, если учесть, что протекание этих процессов обычно сопровождается образованием слоя осадка на мембране, оказывающего основное сопротивление массопереносу. Образование этого осадка и его свойства могут быть описаны едиными зависимостями.
Поверхностные явления на границе мембрана-раствор, свойства раствора и растворенного вещества (для микрофильтрации - свойства диспергированных частиц) оказывают существенное влияние на процесс ультра- и микрофильтрации.
Объект применения микрофильтрации - как правило, коллоидные (дисперсные) системы, имеющие дисперсную среду («растворитель») и дисперсную фазу (частицы, взвешенные в растворителе). В разделении этих фаз часто и состоит задача проведения микрофильтрации жидкостей.
Важнейшую роль во всех процессах разделения мембранных играют адгезионные и электростатические взаимодействия частиц с поверхностью мембраны.
Биологические клеточные объекты представляют собой типичные лиофильные системы. Для них, в отличие от лиофобных систем, характерно сильное межмолекулярное взаимодействие вещества дисперсной фазы с дисперсной средой. Такое взаимодействие приводит к образованию сольватных гидратных (в случае, если дисперсионной средой является вода) оболочек из молекул дисперсионной среды вокруг частиц дисперсной фазы. Кроме этого, клетки микроорганизмов обладают зарядом (электрокинетический потенциал — ЭКП), величина которого различна у разных микроорганизмов. Для одного и того же вида микроорганизмов величина заряда меняется в зависимости от условий среды и процессов, происходящих в самой клетке. Наличие у клеток заряда позволяет рассматривать биологические суспензии как растворы электролитов.
КОНЦЕНТРАЦИОННАЯ ПОЛЯРИЗАЦИЯ
При разделении растворов и суспензий с помощью полупроницаемых мембран, через мембрану преимущественно проходит растворитель. При этом концентрация растворенного вещества в пограничном слое у поверхности мембраны увеличивается. Повышение концентрации происходит до тех пор, пока под действием возникающего градиента концентраций растворенного вещества между поверхностью мембраны и объемом раствора не установится динамическое равновесие.
Явление образования у поверхности мембраны пограничного слоя, в котором концентрация растворенного вещества больше, чем в основном объеме раствора, получило название концентрационной поляризации. Влияние концентрационной поляризации на фильтрацию всегда отрицательно по следующим причинам:
- Снижается эффективное давление вследствие увеличения осмотического давления раствора, определяемого концентрацией именно в пограничном слое. Это приводит к снижению, как скорости процесса, так и селективности, сокращается срок службы мембран, который в значительной степени зависит от концентрации растворенного вещества.
- Концентрационная поляризация связана с образованием пограничного слоя, отделяющего поверхность мембраны от раствора в объеме. Толщина этого слоя в общем случае определяется гидродинамическими условиями в установке - интенсивностью перемешивания и скоростью движения потока. Профиль концентрации этого слоя зависит от режима движения раствора.
Различают два режима концентрационной поляризации:
- предгелевый, когда концентрация у поверхности мембраны Cw ниже концентрации гелеобразования Cg;
- режим гелевой поляризации, когда Cw==Cg, и на мембране образуется слой геля.
Образование геля на поверхности мембраны приводит к резкому падению проницаемости и росту задерживающей способности микрофильтрационных мембран. Однако существует предположение, что снижение проницаемости при концентрационной поляризации мембраны достигается не полной блокировкой ее пор слоем геля, а их модификацией гелем таким образом, что эффективные размеры всех пор уменьшаются на некоторую постоянную величину R. Образуется так называемая динамическая гелевая мембрана. При этом в уменьшенных порах мембраны реализуется классический капиллярно-фильтрационный механизм разделения.
Считается также, что для возникновения концентрационной поляризации размеры фильтруемых частиц должны обеспечивать «критическое» отношение размеров частицы и поры, характеризующее переход из предгелевого в гелевый режим концентрационной поляризации вследствие увеличения коэффициента задержания.
Для уменьшения вредного влияния концентрационной поляризации на процесс микрофильтрации используют различные способы: повышают температуру (вследствие чего снижается вязкость и увеличивается концентрация гелеобразования), применяют электрическое поле, употребляют высокие скорости тангенциального потока и пульсационные режимы фильтрации.
ВЛИЯНИЕ ВНЕШНИХ ФАКТОРОВ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ РАЗДЕЛЕНИЯ
Выбор рабочего давления зависит от вида процесса, природы и концентрации разделяемого раствора, типа используемой мембраны, конструкции аппарата, гидравлического сопротивления и т. д. Для микрофильтрации рабочее давление составляет 0,03-0,1 МПа, и для каждого раствора определяется экспериментальным путем.
Увеличение рабочего давления приводит к увеличению скорости фильтрации до некоторых пределов, обусловленных тем, что увеличение давления приводит и к увеличению и уплотнению слоя геля на поверхности мембраны.
В результате воздействия высокого давления на мембраны могут наблюдаться значительные остаточные деформации: при снятии давления структура мембраны не возвращается в исходное состояние. Усадка структуры мембраны снижает проницательность и повышает селективность.
Анализ данных о влиянии температуры на селективность и проницаемость мембран при микрофильтрации показывает, что повышение температуры приводит к увеличению и проницаемости, и селективности. Это объясняется тем, что уменьшается вязкость пермеата, а также значительно снижается влияние концентрационной поляризации мембран.
При увеличении концентрации растворенных веществ в разделяемом растворе ухудшаются рабочие характеристики мембран - удельная производительность и селективность. При концентрировании повышается осмотическое давление раствора, а следовательно снижается эффективная движущая сила процесса разделения.