10.2. Мембранні біохімічні реактори
Реактори ділять на два основні класи: з мембранами, що затримують вихідний продукт (їх можна умовно назвати статичними біореакторами) і динамічні біореактори, мембрани яких пропускають вихідний продукт, а саме ферментативна реакція реалізується в процесі фільтрації в об’ємі, що обмежений однією чи декількома мембранами.
Мембрані біохімічні реактори отримали широке застосування в технології гідролізу, що повністю пояснюється їхньою ефективністю для розділення компонентів, що сильно відрізняються молекулярними масами. До них відноситься високомолекулярний субстрат і низькомолекулярні продукти гідролізу. Розроблені процеси гідролізу целюлози з відбором гідролізатів через мембрани.
Найбільш широке розповсюджений на даний час тип статичного мембранного біохімічного реактору – це реактор, що з’єднаний з ультрафільтраційним роздільним апаратом, через який проходить неперервна циркуляція реактивної суміші з відокремленням цільового продукту при повному збереженні ферменту – так званий реактор ідеального перемішування (рисунок 16). Основним обмеженням продуктивності такого біореактора являється не можливість використання високих концентрацій продукту внаслідок сильної гелевої поляризації поверхні мембран, що призводить до низьких швидкостей ультрафільтрації.
Рисунок 16. Схема мембранного реактору ідеального перемішування:
1 – реактор; 2 – мембранний роздільний апарат; 3 – циркуляційний насос.
Сфера застосування мембранних біохімічних реакторів від так не обмежена моноферментними кофакторними реакціями. Другою перспективною областю застосування ферментних біохімічних реакторів являється використання для хімічних перетворень ферментного і клітинного каталізу.
Другими перспективним класом мембранних біохімічних реакторів являються так звані динамічні реактори, в яких ферментна реакція реалізується в об’ємі мембрани при проходженні через неї субстрату. Перевагою таких реакторів окрім загальної властивості зміщувати хімічні рівноваги в сторону утворення продукту (і тим самим суттєво підвищують конверсію біокаталізу) являється можливість організації достатньо складного ланцюга ферментативних реакцій, в якій продукт однієї реакції являється субстратом для наступного ферменту. Крім здатності організовувати ланцюгові реакції проточного типу динамічні мембранні реактори володіють унікальною здатністю біоперетворення з розділенням і навіть з концентруванням продукту. На при кінець, додатковою цінною властивістю таких реакторів являється їх здатність використовувати для розділення і концентрування власну хімічну енергію ферментативної реакції.
Однак не зважаючи на значні успіхи в цьому напрямі , безсумнівно більш перспективними можна вважати роботи по використанню мембран для культивування на них клітин і створення неперервнодіючого мембранного біохімічного реактора.
ПИТАННЯ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЮ
1. Що розуміється під мембранними методами розділення? Дайте їх класифікацію.
2. Напишіть вирази для селективності і питомої проникності мембрани.
3. Як класифікуються напівпроникні мембрани і їх структура?
4. Що розуміється під композитними мембранами?
5. Зіставте звичайні плівкові напівпроникні мембрани з динамічними.
6. Перерахуєте основні достоїнства і недоліки мембран у вигляді порожнистих волокон.
7. Як отримують ядерні мембрани? Перерахуєте їх достоїнства і недоліки.
8. Перерахуйте мембрани з жорсткою структурою і зіставте їх з полімерними.
9. Якими методами отримують рідкі мембрани?
10. Що розуміють під зв'язаною рідиною і який вплив вона робить на процеси мембранного розділення?
11. Що є рушійною силою баромембранних процесів, як її розраховують?
12. У чому відмінність процесів зворотного осмосу, нано-, ультра- і мікрофільтрації?
13. Для вирішення яких завдань використовують діафільтрацію?
14. У чому суть методу комплексоутворення і ультрафільтрації? Для яких цілей застосовується цей метод?
15. У чому полягають особливості дифузійно-мембранних методів розділення?
16. У чому полягає принцип мембранного розділення газових сумішей? Покажіть основні відмінності процесу при використанні пористих і непористих мембран.
17. Які особливості розділення рідких сумішей методом випаровування через мембрану? Для розділення яких сумішей найбільш доцільне застосування цього методу?
18. Які основні достоїнства і недоліки діалізу? Коли розділення діалізом має перевагу в порівнянні з іншими мембранними методами?
19. У чому полягає принцип розділення розчинів електродіалізом? Покажіть схему пристрою електродіалізатора.