- •Лекция 1.
- •Лекция 2. Способы и особенности технологии промышленного культивирования микроорганизмов
- •1.1. Отбор штаммов микроорганизмов и работа с ними
- •1.2. Приготовление посевной микробной культуры
- •1.3. Приготовление и стерилизация питательных сред
- •Удовлетворение питательных потребностей микроорганизмов
- •Выбор сырьевых источников для конструирования питательных сред
- •Дифференциация питательных сред по целевому назначению
- •Оптимизация многокомпонентного состава питательной среды
- •Стандартизация питательных сред
- •1.4. Подготовка биореактора к посеву
- •1.5. Выращивание микроорганизмов в реакторе и контроль за процессом культивирования
- •Промышленное культивирование микроорганизмов с применением активной аэрации
- •Технология культивирования микроорганизмов в покоящемся состоянии без аэрации
- •Технология промышленного культивирования анаэробных микроорганизмов
- •1.6. Периодические и хемостатные системы культивирования микроорганизмов
- •Периодическое культивирование микроорганизмов
- •Хемостатная культура, или метод непрерывного культивирования микроорганизмов
- •2. Особенности биотехнологии культивирования вирусов
- •Лекция 3. Концентрирование и высушивание биопрепаратов
- •2. Мембранные методы разделения
- •Лекция 4.Вакцины.
- •Противогерпетические вакцины
- •Заключение
- •Лекция 5. Молекулярная биотехнология микробиологических систем
- •Лекция 6. Микробиологическое производство лекарственных средств.
- •Лекция 7. Использование рекомбинантных микроорганизмов для получения коммерческих продуктов.
- •Малые биологические молекулы
2. Мембранные методы разделения
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 ОСНОВЫ МИКРОФИЛЬТРАЦИИ
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.