3. Мембранні методи очистки і концентрування ферментних розчинів

Залежно від рушійної сили процесу мембранні методи ділять на дифузійні - діаліз (рушійна сила - різниця концентрацій з обох сторін мембрани), електромембранні - електродіаліз (різниця електричних потенціалів) і баромембранні - зворотній осмос, ультрафільтрація, мікрофільтрація (різниця тисків). Розглянемо коротко їх суть.

Діаліз оснований на селективній проникності мембран для сполук з різною молекулярною масою. Необхідною умовою є різниця концентрацій з обох боків напівпроникної мембрани.

Процес діалізу описується рівнянням:

,

де Q_p - кількість перенесеної через мембрану речовини;

D_p- коефіцієнт, який залежить від властивостей мембрани і плівки між нею і розчином;

ΔС - різниця концентрацій по обидві сторони мембрани;

S- площа поверхні мембрани.

Ступінь очищення досягає 60-100%, але внаслідок того, що процес дуже тривалий, значно зменшується активність ферментів. Тому діаліз застосовують лише в лабораторних умовах для отримання високоочищених ФП.

Суть електродіалізу полягає в тому, що перенесення іонів через мембрану інтенсифікують за допомогою постійного електричного поля. Але електродіаліз непридатний, коли очищують металоферменти, бо вони при цьому втрачають свою активність.

Баромембранні методи розділення рідких сумішей відрізняються від звичайного фільтрування, за допомогою якого можливо розділити лише суспензії, тобто тверду фазу можна відділити від рідкої. Баромембранні методи, завдяки використанню напівпроникних мембран, дозволяють розділити на окремі компоненти істинні розчини, а рушійною силою цього процесу є різниця тисків.

Прямий осмос - це дифузія молекул розчинника в розчин якоїсь речовини через напівпроникну мембрану, коли остання не пропускає розчинену речовину. Осмотичний тиск розчину (Р_о) залежить від молярної концентрації розчиненої речовини і ступеню її дисоціації. Якщо Р_о більше гідравлічного тиску (Р_г), то проходить прямий осмос, а коли Р_о = Р_г, то дифузія води через мембрану припиняється.

Коли Р_г більше Р_о, то молекули розчиненої речовини і води будуть проходити через мембрану в розчинник. Цей механізм і спостерігається при зворотньому осмосі і ультрафільтрації. Тобто суть двох останніх процесів полягає в переносі молекул через мембрану під тиском, що вищесмотичного. При цьому розчинена речовина залежно від її молекулярної маси і розмірів пор мембран частково або повністю затримується.

Але між зворотнім осмосом і ультрафільтрацією є відмінності. При зворотньому осмосі розділення низькомолекулярних речовин проходить при 0,7 - 14 МПа, оскільки розмір пор мембран тут малий – 1·10^-4 – 2·10^-3 мкм.

При ультрафільтрації відбувається розділення високомолекулярних сполук при робочому тиску 0,07 - 0,7 МПа, бо Р_о невисокий; величина пор мембран більша – 3·10^-3 – 150·10^-3 мкм. Прийнято вважати, що коли розміри пор мембран менше 3'10"³мкм - це зворотній осмос, процес якого протікає згідно закону Фіка, а якщо більше 3·10^-3 мкм - це ультрафільтрація (рівняння Пуазейля). Ультрафільтрація зберігає активність ферментів і вимагає мінімальних енерговитрат.

Головним робочим органом ультрафільтраційних установок є мембрани, основні вимоги до яких наступні: висока проникність і селективність; дешевизна; антимікробна і теплова стійкість; відсутність фізичної адсорбції білкових молекул на мембрані; відсутність інактивуючої дії мембрани на ферментний комплекс; постійність своїх характеристик. Найкращими є полімерні мембрани: із целофану, поліетилену, полістиролу, целюлози, поліфенолу, металокераміки та ін.