Ультрафильтрация и обратный осмос

Ультрафильтрация и обратный осмос это процессы разделения растворов с помощью мелкопористых полупроницаемых мембран. Мембранные методы разделения позволяют значительно эффективнее других известных способов, концентрировать и очищать целевые продукты с малыми потерями, сохраняя при этом биологическую активность и качество препарата.

На рис 51 приведена схема выбора метода разделения растворов в зависимости от величины находящихся в них частиц.

Примером использования метода ультрафильтрации является процесс концентрирования ферментов из КЖ в дрожжерастильных производствах, позволяющий отделить от целевого продукта значительное количество сопутствующих низкомолекулярных компонентов. При этом ферменты сгущаются в 50-100 раз и получается сироп с содержанием до 45% сухих веществ.

Обратным осмосом (ОО) называют процессы, связанные с разделением растворов средне- и низкомолекулярных органических веществ, размеры молекул которых соизмеримы с размером молекул растворителя. Принцип метода ОО рассматривается на рис.52.

Если в сосуд, разделенный полупроницаемой мембраной, через поры которой способны диффундировать только молекулы воды и не проходят более крупные молекулы, по одну сторону налить чистую воду, а по другую - раствор низкомолекулярного вещества, то при одинаковом давлении в обеих частях сосуда, вода будет диффундировать через мембрану в раствор. Это явление самопроизвольного переноса молекул растворителя в раствор через мембрану называется осмосом и прекращается при определенной разности уровней раствора и растворителя, а давление этого столба жидкости называется осмотическим.

При создании над раствором давления Р, превышающего осмотическое, растворитель переходит в обратном направлении через мембрану. Это явление носит название ОО.

Применение метода ОО позволяет сконцентрировать растворенные компоненты. Осмотическое давление повышается с увеличением концентрации растворенных веществ и для низкомолекулярных веществ может составлять десятки мПа. Поэтому процессы ОО проводятся обычно при Р>5 мПа. При обратном осмосе используют мембраны, пропускающие в основном воду.

Ультрафильтрация (УФ) - процесс разделения коллоидных частиц и растворенных веществ, размер молекул которых превышает размер молекул растворителя более чем в 10 раз. При УФ используют мембраны, пропускающие воду и низкомолекулярные вещества. Этот метод наиболее эффективен при концентрировании и очистке высокомолекулярных соединений, например ферментов. Растворы ВМС имеют низкое осмотическое давление и поэтому процессы УФ протекают при давлениях ниже 0,6 мПа.

Общим для методов ОО и УФ является разделение растворов под давлением с помощью полупроницаемых мембран. Различия же состоят в свойствах мембран и в рабочих давлениях, при которых протекают эти процессы.

Полупроницаемые мембраны

ППМ являются основным рабочим органом ОО и УФ аппаратов. Изготовляются из различных полимерных материалов. В промышленности наибольшее применение находят листовые, трубчатые и волоконные мембраны, полученные из ацетилцеллюлозы (АЦ).

Принцип получения листовых мембран из ацетилцеллюлозы состоит в следующем. Раствор АЦ в ацетоне в смеси с порообразователем наносят на гладкий лист твердого материала. При испарении ацетона формируется пленка с глянцевой поверхностью, при погружении которой в воду, верхний слой быстро затвердевает с образованием тонкой пористой мембраны. Вследствие медленного прохождения воды через верхний слой, процессы коагулирования и вымывания ацетона внутри пленки протекают медленно с образованием крупнопористой подложки. Со временем образуется твердая эластичная мембрана, состоящая из тонкого поверхностного полупроницаемого слоя толщиной 0,1-0,5 мкм с диаметром пор до 0,01 мкм и связанной с ним в одно целое подложки толщиной 100-200 мкм, обеспечивающей механическую прочность мембраны.

Принцип получения трубчатых АЦ мембран аналогичен и состоит в формировании мембран внутри пористых труб, используемых в установках в виде готовых сменных элементов.

Мембраны в виде полых волокон представляют собой капилляры диаметром 20-150 мкм и толщиной стенки 10-50 мкм. Формирование волокон осуществляется путем продавливания полимера через специальные фильеры и погружении их в воду. Разделение растворов может осуществляться через наружную и внутреннюю поверхность капилляров.

Аппараты для процессов ОО и УФ по конструкции разделяют на 4 группы: плоскорамные, рулонные, трубчатые и с полыми волокнами. Каждый аппарат состоит из нескольких легко заменяемых блоков, соединенных последовательно или параллельно, а каждый блок состоит из элементов.

Плоскорамные аппараты подобны фильтр-прессу, просты в изготовлении и сборке, надежны в эксплуатации. Недостаток - неудобство замены неисправных мембранных элементов. Мембраны подклеиваются по краям - поэтому необходимо разбирать весь пакет.

Рис. 54. Схема мембранного аппарата плоскорамного типа: 1- фланец; 2 - стяжка; 3 - корпус камеры; 4 - пористая подложка; 5 - селективная мембрана.

Рулонные аппараты более просты и имеют более плотную упаковку. На трубу-коллектор с продольными прорезями навивают две мембраны, разделенные эластичной подложкой гофрированным сепарационным листом с продольными каналами. Навитые элементы диаметром 0,2 м и длиной 1,5 м помещают в цилиндрический корпус длиной до 9 м и соединяют последовательно.

Аппараты с трубчатыми элементами наиболее просты по конструкции. Фильтрующий элемент представляет собой многослойную трубу диаметром до 30 мм и длиной 1-6 м, состоящую из пористого каркаса, пористой подложки и собственно мембраны (рис.56). Трубчатый пористый каркас м.б. выполнена из керамики, металла или на основе стекловолокна и выдерживает давление до 25 мПа. В качестве пористой подложки используют гладкие мелкопористые ткани (каландрированный капрон) и нетканые материалы, часто изготовляемые вместе с каркасом. Полупроницаемая мембрана формируется непосредственно на подложке.

Одно из достоинств трубчатых элементов состоит в возможности разделения сред, содержащих взвешенные частицы, для чего внутри элементов помещают турбулизирующие устройства, предотвращающие образование осадка на мембране. Недостаток - высокая стоимость каркасов.

Аппараты с мембранами в виде полых волокон просты по конструкции и имеют mах производительность вследствие большой поверхности на единицу объема (до 30000м²/м³): одни концы залиты эпоксидной смолой, а другие выходят в камеру сбора фильтрата: фильтрация через наружную поверхность волокон.