Міністерство освіти і науки України

Національний технічний університет України

«Київський політехнічний інститут»

МЕМБРАННІ ПРОЦЕСИ БІОТЕХНОЛОГІЇ

Курс лекцій

Виконала: доц., к.т.н. Буртна І.А.

Зміст

Вступ (Лекція 1).……………………………………………………………...4

1. Мембрани (Лекція 2)..…………………..……………………………......8

   1. Мембрани, що ущільнюються (полімерні)………………….....10

   2. Мембрани з жорсткою структурою (Лекція 3)..……………....15

   3. Рідкі мембрани…….……………………………………………....19

2. Діаліз і електродіаліз (Лекція 4)……………..…………………………21

3. Ультрафільтрація (Лекція 5)……...…………….……………………..24

4. Зворотний осмос ………………………………………….……………...26

5. Термомембранні процеси (Лекція 6)…………………………...……...28

6. Розрахунок мембранних процесів і апаратів (Лекція 7)…………....30

   1. Матеріальний баланс баромембранних процесів ………........30

   2. Розрахунок поверхні мембрани (Лекція 8)…………………….32

   3. Розрахунок концентраційної поляризації (Лекція 9, 10)….....35

   4. Способи зниження концентраційної поляризації…………….40

7. Мембранні апарати (Лекція 11)……………………………………......42

   1. Апарати з плоскими мембранними елементами …………......43

   2. Апарати з трубчатими мембранними елементами (Лекція12)……………………………………………………………...….45

   3. Апарати з рулонними мембранними елементами …………...48

   4. Апарати з порожнистими волокнами (Лекція 13)…………....48

8. Методи очищення мембран (Лекція 14)..…………………….……….53

9. Мембранні методи розділення компонентів біологічних розчинів і суспензій (Лекція 15)…………………………………………………….55

9.1. Концентрування і очищення мікроорганізмів мікрофільтрацією ………………………..……………………….56

9.2. Концентрування і очищення розчинів біологічно активних речовин ультрафільтруванням ………………………………...58

9.3 Мембранне розділення компонентів розчинів біологічно активні речовини (Лекція 16)…………….……………………..60

10. Мембранні реактори (Лекція 17)……………..…………………….....63

10.1. Використання мембран в процесі культивування ………...…64

10.2. Мембранні біохімічні реактори ……………………………...….69

Вступ (ЛЕКЦІЯ 1)

Процеси розділення рідких і газоподібних сумішей грають важливу роль у фармацевтичній, мікробіологічній і харчовій промисловості.

Найбільш універсальним методом розділення є розділення з використанням напівпроникних мембран (мембранні методи).

В даний час в хіміко-фармацевтичній і мікробіологічній промисловості все більш широко отримують складні термічно і хімічно лабільні органічні сполуки, відокремлюють високомолекулярні речовини від низькомолекулярних розчинників, застосовують глибоке очищення стічних вод, отримують високоочищену воду і так далі.

Потрібні «м'які» умови виробництва, яким в значній мірі відповідають мембранні процеси. Впровадження мембранних процесів дозволяє інтенсифікувати технологію концентрації біологічно активних речовин, знижуючи при цьому втрати їх активності. Мембранні методи розділення сумішей, що містять біополімери, значно підвищують якість продукції.

Основою розробки сучасних економічних процесів виявилося отримання і подальше удосконалення високо селективних ацетат целюлозних і синтетичних мембран.

Застосування мембран в біотехнології може бути умовно розділене на дві області. По-перше, це традиційне використання мембран за їх «прямим» призначенням, тобто для видалення, концентрації і очищення біологічних речовин, що були отримані шляхом біосинтезу чи за допомогою ферментативного каталізу. По-друге, використання в областях, де мембрани грають роль активного елементу регулюючої системи, що забезпечує зміщення рівноваги хімічної реакції в бік утворення цільового продукту. Мова йде як про прості ферментативні чи складні мультиферментативні реакції , так про весь комплекс взаємодій, що реалізується в процесі життєдіяльності мікроорганізмів, а також клітин тваринного чи рослинного походження, що дозволяють провести розгляд ролі мембран в рамках єдиного терміну «мембранний біореактор», під яким розуміють мембранний пристрій для отримання біологічних речовин на основі ферментативних реакцій чи клітинного біосинтезу.

За останні 30 років, що пройшли з часу отримання мембран з ацетатцелюлози, їх проникність вдалося збільшити в 100 разів.

У країнах СНД набули поширення ацетатцелюлозні мембрани «Владіпор», «Міфіл» і синтетичні напівпроникні мембрани – із сополімеру вінілпоролідону з метилметакрилатом.

За кордоном широко застосовуються мембрани фірм «Абкор», «Міліпор» (США), «Шляйхер», «Шуєль», «Сарторіус» (Німеччина), «Амікон» (Голландія), «Нуклеопор» (Великобританія), комплексні системи DDC – PO (Данія) для ультрафільтрації і концентрації (зворотний осмос), використані на основі нейлону, полівінілхлориду, тефлону, ацетату нітроцелюлози. Вони мають високу пористість і біологічно нейтральні.

В даний час розробляються установки періодичної і безперервної дії з використанням апаратів плоскорамного, рулонного, трубчатого типів, а також із застосуванням порожнистих волокон. Також розширюється промислове виробництво мембранних фільтрів з можливістю виділення достатньо малих частинок:

10 – 0,2 мкм – при мікрофільтрації;

0,02 – 0,001 мкм – при ультрафільтрації;

до 0,0001 мкм – при гіперфільтрації (зворотний осмос).

Всі мембранні фільтри повинні працювати в умовах широкого інтервалу температур (0 – 60˚С) і рН (3,0 – 11,0). При проведенні мембранної фільтрації необхідно враховувати градієнт електричного потенціалу, концентрацію і тиск.

Єдиний механізм, справедливий для всіх мембранних процесів, ще не розроблений, тому кожен процес потрібно розглядати окремо, оскільки механізми цих процесів можуть різко відрізнятися.

Проте при вивченні і аналізі механізму будь-якого мембранного процесу необхідно враховувати три основні чинники і їх взаємозв'язок:

- структуру мембрани по товщині (пориста, непориста, ізотропна);

-фізико-хімічні властивості системи, що розділяється (для розчинів дуже важливо враховувати їх основні термодинамічні властивості);

- взаємодія суміші, що розділяється, з матеріалом мембрани.

У випадку, якщо хоча б один з цих чинників не буде врахований, це може призвести до принципових помилок при аналізі і розробці моделі механізму того чи іншого мембранного процесу.

Сили взаємодії речовин що розділяються з полімерними мембранами можуть змінюватися в широких діапазонах. Швидкість проникнення через полімери, різні за властивостями, може відрізнятися на п'ять порядків. Така велика різниця обумовлена відмінностями в рухливості і гнучкості полімерних ланцюгів, які, у свою чергу, пов'язані з полярністю і розмірами молекул.

На перенесення речовин що розділяються через мембрану великий вплив чинять структурні властивості розчинників (наприклад, води) і взаємодія їх з мембраною.

Вода містить зв'язані водневим зв'язком молекулярні групи, що складаються приблизно з сотні молекул кожна. Стійкість таких молекулярних груп залежить не тільки від температури, але і від природи розчинених в ній речовин, та від фізико-хімічних властивостей мембрани.

Гідрофобні мембрани прагнуть відштовхнути молекули води; групи з середньою полярністю (СООН, NH2_, ОН, СНО) можуть протидіяти тенденції молекул води до скріплення, що призводить до руйнування груп молекул і сприяє збільшенню потоку води через мембрану. У гідрофільних мембранах (наприклад, з ацетатів целюлози) значна частина води знаходиться в зв'язаному стані і не замерзає при охолоджуванні мембрани до -80 °С. Рухливість цієї води обмежена, чим пояснюється особливість поведінки води, що знаходиться в сольватній оболонці молекул полімеру, утворюючих пори мембрани: капілярна вода легше відділяється з мембрани, ніж зв'язана. Це дуже важливо для пояснення селективності мембрани, оскільки зв'язана вода не може сольватувати іони розчинених солей, а капілярна в змозі сольватувати ці іони і захоплювати їх через мембрану. Підвищуючи гідрофільність мембран з урахуванням особливої ролі води як розчинника і проникаючого через мембрану компоненту розчину, можна збільшити селективність і проникність мембран. Підвищити гідрофільність полімерних мембран можна шляхом збільшення числа гідрофільних і зниження числа гідрофобних груп в макромолекулах полімеру, з якого отримують мембрану.

У зоні контакту рідини і твердого тіла діють поверхневі сили (адгезія, поверхневий натяг, молекулярне тяжіння). Тому поверхневий (граничний) шар рідини, пов'язаний з матеріалом мембрани, за структурою і фізико-хімічним властивостям може значно відрізнятися від рідини в об'ємі. Для сумішей рідин поверхневий шар відрізняється від розчину в об'ємі ще і за складом, що грає визначальну роль при розділенні сумішей органічних речовин.

При зміні структури і складу розчину в поверхневому шарі значення показників деяких його фізико-хімічних властивостей (наприклад, в'язкості, діелектричної проникності) відхиляються від відповідних значень для розчину в об'ємі. При цьому різке зниження діелектричної проникності води свідчить про зниження рухливості молекул води, що призводить до зниження розчинювальної здатності зв'язаної води. Для неполярних рідин помітної відмінності від властивостей в граничному шарі не спостерігається.

Отже, основним елементом будь-якого мембранного процесу є мембрана.

1. Мембрани (лекція 2)

Мембрана – напівпроникна перегородка, крізь яку проникають певні компоненти рідких або газових сумішей. Мембрани повинні задовольняти наступним основним вимогам:

• мати високу роздільну здатність (селективністю);

• мати високу питому продуктивність (проникністю);

• бути хімічно стійкими до дії середовища системи, що розділяється;

• мати механічну міцність, достатню для їх збереження при монтажі, транспортуванні і зберіганні;

• властивості мембрани в процесі експлуатації не повинні істотно змінюватися.

Для виготовлення мембран застосовують різні полімери (ацетати целюлози, поліаміди, полісульфон та ін.), кераміку, стекло, металеву фольгу та ін. Залежно від механічної міцності використовуваних матеріалів мембрани підрозділяють на ті, що ущільнюються (полімерні) та з жорсткою структурою, а також на пористі та непористі (дифузійні).

Пористі мембрани знайшли широке застосування перш за все в процесах зворотного осмосу, мікро- і ультрафільтрації, рідше – для розділення газів. Вони мають як анізотропну, так і ізотропну структуру. Мембрани з анізотропною структурою мають поверхневий тонкопористий шар товщиною 0,25 – 0,5 мкм (званий активним, або селективним), що є селективним бар'єром. Компоненти суміші розділяються саме цим шаром, що розташовується з боку суміші, яка розділяється. Крупнопористий шар товщиною приблизно 100 – 200 мкм, яка знаходиться під активним шаром, є підкладкою, що підвищує механічну міцність мембрани. Мембрани з анізотропною структурою характеризуються високою питомою продуктивністю, повільнішою закупоркою пор в процесі їх експлуатації. Термін служби цих мембран визначається головним чином хімічною стійкістю матеріалу мембран до середовищ, що розділяється. Для мембран з ізотропною структурою характерне швидке зниження проникності унаслідок закупорки пор колоїдними або зваженими частинками, які часто містяться в розчинах, що розділяються.

Дифузійні мембрани зазвичай застосовують для розділення газів, рідких сумішей методами випаровування через мембрану, діалізу. Дифузійні мембрани є практично непористими. Вони є квазігомогенними гелями, через які розчинник і розчинені речовини проникають під дією градієнта концентрацій (молекулярна дифузія).

Швидкість, з якою через мембрану проходять окремі компоненти, залежить від енергії активації при взаємодії переносимих частинок з матеріалом мембрани, а також від рухливості окремих ланок мембранної матриці і від властивостей дифундуючих компонентів суміші, що розділяється. Слід зазначити, що швидкість дифузії тим вище, чим слабше зв'язані між собою окремі ланки полімерного ланцюга в гелієвому шарі, тобто чим сильніше набухає мембрана. Тому для виготовлення дифузійних мембран найбільш прийнятні полімерні ліофільні матеріали.

Швидкість проходження молекул через дифузійну мембрану зазвичай прямо пропорційна коефіцієнту дифузії, який визначається розмірами молекул і їх формою. Тому дифузійні мембрани найраціональніше застосовувати для розділення компонентів, що мають практично однакові властивості, але що розрізняються розмірами і формою молекул. Проникність дифузійних мембран майже не знижується з часом. Дифузійні мембрани мають великий гідродинамічний опір, тому їх слід застосовувати у вигляді ультратонких плівок (товщиною порядку десятих доль мікрометра), закріплених на пористих підкладках.

Залежно від типу використовуваних мембранних апаратів як пористі, так і дифузійні мембрани виготовляють листовими, трубчатими або у вигляді порожнистих волокон внутрішнім діаметром 20 – 100 мкм при товщині стінки 10 – 50 мкм. Мембрани можна виготовляти також на пористих носіях – підкладках різної конфігурації (так звані композитні мембрани).