Оборудование мембранной биотехнологии (теоретические основы мембранных процессов)

РАЗДЕЛЕНИЕ СМЕСЕЙ – ОДНИ ИЗ ОСНОВНЫХ ИНЖЕНЕРНЫХ ЗАДАЧ В БИОТЕХНОЛОГИИ

В биотехнологических производствах приходится решать множество инженерных задач, связанных с разделением жидких смесей, в частности, с целью выделения, очистки и концентрирования продуктов биосинтеза.

В настоящее время эти задачи решают, в основном, с помощью традиционных методов, таких, например, как фильтрование, сепарирование, вакуум-выпаривание, осаждение белков нейтральными солями или органическими растворителями, криоконцентрирование и др.

Однако реализация этих процессов связана с рядом технических трудностей, например:

• применением расходных материалов;
• повышенными энерго- и трудозатратами;
• жесткими условиями проведения процессов;
• применением химических реагентов, сорбентов, растворителей;
• многостадийностью;
• сложностью автоматизации;
• повышенными потерями целевого продукта и пр.

 

БИОЛОГИЧЕСКИЕ МЕМБРАНЫ – ОДНО ИЗ УСЛОВИЙ СУЩЕСТВОВАНИЯ ЖИВОЙ ПРИРОДЫ

Между тем, за миллионы лет эволюции живых организмов природой выработан уникальный способ разделения смесей с помощью полупроницаемых мембран.

Так, все жизненно важные процессы (обмен веществ, дыхание, синтез белка и пр.) в живой природе протекают благодаря наличию в животных и растительных клетках естественных полупроницаемых барьеров, называемых биологическими мембранами.

Термин “мембрана” латинского происхождения и переводится буквально как кожица или перепонка.

 

БИОЛОГИЧЕСКИЕ МЕМБРАНЫ

Биологические мембраны, ограничивающие внутренние структуры клеток от окружающей среды, представляют собой тончайший двойной слой липидов с вкрапленными в него белковыми ансамблями.

 

МЕМБРАНЫ: ОТ БИОЛОГИЧЕСКИХ К ИСКУССТВЕННЫМ

Высочайшая избирательность и эф-фективность трансмембранного массо-переноса в биологических мембранах на протяжении многих десятилетий привлекали внимание ученых и нап-равляли их к поиску путей прак-тического использования феноме-нальных возможностей полупрони-цаемых мембран в технологических целях.

Однако это стало практически осуществимо лишь во второй поло-вине ХХ столетия, когда в результате бурного развития химии полимеров впервые были получены искусст-венные полупроницаемые мембраны с заданными технологическими свойст-вами, пригодные для промышленного использования.

 

КЛАССИФИКАЦИЯ МЕМБРАННЫХ ПРОЦЕССОВ

Полупроницаемые мембраны используют для разделения как жидких, так и газообразных смесей, поэтому мембранные процессы разделяют на:

• жидкофазные,
• газофазные.

К основным жидкофазным процессам относят:

• микрофильтрацию,
• ультрафильтрацию,
• нанофильтрацию,
• обратный осмос,
• диализ;
• электродиализ.

 

МИКРОФИЛЬТРАЦИЯ

Микрофильтрация с физической точки зрения является обычным процессом фильтрования и подчиняется тем же кинетическим закономерностям. Поэтому часто в литературе микрофильтрацию называют также мембранной фильтрацией.

По своей физической сути и технологическим возможностям микрофильтрация занимает промежуточное положение между традиционным фильтрованием и ультрафильтрацией.

При микрофильтрации используют мембраны с размером пор более 100 нм, при этом ими могут задерживаться частицы размерами от 0,1 до 10 мкм, в том числе дрожжевые клетки, бактерии, вирусы, коллоидные частицы, твердые микровзвеси.

Частицы с более крупными размерами будут, естественно, также задерживаться мембраной, однако для их отделения наиболее эффективно обычное фильтрование.

Рабочее давление в процессе микрофильтрации обычно не превышает 0,2 МПа.

 

ОРГАНИЗАЦИЯ РЕЖИМА МЕМБРАННОГО РАЗДЕЛЕНИЯ ПРИ МИКРОФИЛЬТРАЦИИ

• Тупиковая микрофильтрация
• Проточная микрофильтрация
• Вход на микрофильтрацию

 

УЛЬТРАФИЛЬТРАЦИЯ

Ультрафильтрация - процесс мембранного разделения жидких смесей под действием давления, основанный на различии молекулярных масс или молекулярных размеров компонентов разделяемой смеси.

Ультрафильтрацией разделяют микромолекулы от макромолекул.

Ультрафильтрацию применяют для выделения высокомолекулярных соединений с молекулярной массой более 500 дальтон, к которым относятся полисахариды, белки, ферменты, пирогены и т.п.

Линейные размеры таких веществ, задерживаемых мембраной, не менее, чем на порядок превышают размеры молекул растворителя и составляют обычно более 5×10-3 мкм.

Величина рабочего давления при ультрафильтрации не превышает, как правило, 1 МПа, так как осмотические давления растворов высокомолекулярных соединений при концентрации сухих веществ до ∼40% незначительны и существенного влияния на движущую силу процесса не оказывают.

 

ОБРАТНЫЙ ОСМОС

Обратный осмос - процесс мембранного разделения, в котором осуществляется преимущественное проникновение через полупроницаемую мембрану растворителя и некоторых низкомолекулярных компонентов под действием давления, превышающего осмотическое давление раствора.

Обратный осмос используют для выделения из раствора микромолекул и ионов, размеры которых имеют тот же порядок, что и молекулы растворителя.

Обратным осмосом могут быть сконцентрированы частицы размером более 5×10-4 мкм и вещества с молекулярной массой до 500 дальтон, к которым относятся гидратированные неорганические ионы, моно- и дисахара, соли, аминокислоты, антибиотики и т.п.

При обратноосмотическом концентрировании растворов в концентратах может быть сохранено соотношение между растворенными компонентами.

Рабочее давление в процессе обратного осмоса может достигать 10 МПа.

 

НАНОФИЛЬТРАЦИЯ

Нанофильтрация – процесс мембранного разделения с применением промышленных ультрафильтрационных мембран, поверхностный слой которых химически модифицирован.

Благодаря этому они обладают высокой селективностью по отношению к низкомолекулярным электролитам, сохранив, к тому же, высокую удельную производительность при относительно низких (до 1,5 МПа) рабочих давлениях, что выгодно отличает нанофильтрацию от традиционного обратного осмоса.

Поэтому нанофильтрацию так же называют низконапорным обратным осмосом.

 

ОСМОС – АНОМАЛЬНАЯ ДИФФФУЗИЯ

Жан Антуан Нолле (1700-1770)

Осмос (от греческого «осмос» - толчок) – самопроиз-вольная односторонняя диффузия растворителя через полупроницаемую перегородку в раствор. Давление π, при котором наступает равновесие, называют осмотичес-ким.

где: ρ - плотность раствора, кг/м3; g – ускорение силы тяжести, м/с2; Н – высота столба раствора над уровнем растворителя, м.

π = ρ g H

Осмотическое давление (Па) – избыточное гидростатическое давление раствора, препятствующее диффузии растворителя через полупроницаемую перегородку.

 

ОСМОТИЧЕСКОЕ ДАВЛЕНИЕ РАСТВОРОВ

Закон Вант-Гоффа: осмотические давления растворов прямо пропорциональны концентрации растворенного вещества и абсолютной температуре раствора:

Якоб Хендрик Вант-Гофф (1852-1911)

π = RCT

где: R – коэффициент пропорциональности – газовая постоянная, Дж/моль×К, R = 6,312 Дж/моль×К; С – концентрация растворенного вещества, моль/м3; Т – абсолютная температура раствора, К.

Таким образом, осмотическое давление раствора, подобно давлению газа, при неизменном объеме и постоянной температуре зависит от числа молекул растворенного вещества и не зависит ни от природы растворенного вещества, ни от природы растворителя.

 

ДВИЖУЩАЯ СИЛА ОБРАТНОГО ОСМОСА

ΔР = Р1 – Р2 - Δπ

Δπ = π1 - π2

где

Поскольку в соответствии с законом Вант-Гоффа

π = RСТ,

а Ср >> Сп, то π1 >> π2. Тогда:

ΔР = Р1 - Р2 - π1

 

ДВИЖУЩАЯ СИЛА ОБРАТНОГО ОСМОСА

ΔР = Р1 – Р2 - π1

Если за мембраной избыточное давление отсутствует, т.е. Р2= 0, то:

ΔР = Р1 - π1

Отсюда становится понятным, почему для осуществления процесса обратного осмоса необходимо применять столь высокие значения рабочего давления (до 8…10 МПа). Это необходимо для преодоления относительно высоких осмотических давлений растворов низкомолекулярных веществ, которые к тому же по мере концентрирования в соответствии с законом Вант-Гоффа, возрастают.

Например, осмотическое давление 20%-ного раствора глюкозы при 20°С составляет около 4 МПа.

 

ОСНОВНЫЕ СЕПАРАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МЕМБРАННЫХ ПРОЦЕССОВ РАЗДЕЛЕНИЯ

Селективность – способ-ность мембраны иметь раз-личную проницаемость по от-дельным компонентам разде-ляемой смеси.

Селективность является качественным показателем функционирования мембра-ны и численно выражается величиной, характеризующей изменение соотношения ком-понентов в исходной смеси и в пермеате.

Селективность мембраны зависит от диаметра пор и разброса их по размеру.

где Со и Сп - концентрация целевого компонента соответственно в исходном растворе и пермеате, кг/м3.

φ = 1 – СП / СО

 

ОСНОВНЫЕ СЕПАРАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МЕМБРАННЫХ ПРОЦЕССОВ РАЗДЕЛЕНИЯ

Удельная производительность [м3/(м2×ч)] мембраны является количественной оценкой проницаемости мембраны и характеризуется количеством пермеата, проходящего через единицу площади поверхности мембраны за единицу времени.

где Vп - объем пермеата, м3; F - площадь рабочей поверхности мембраны, м2; τ - продолжительность процесса разделения, ч.

G = Vп / F τ

 

ОСНОВНЫЕ СЕПАРАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МЕМБРАННЫХ ПРОЦЕССОВ РАЗДЕЛЕНИЯ

Коэффициент концентри-рования по объему – харак-теризует степень концент-рирования исходной смеси.

где Vо; Vк - соответственно объем исходной смеси и концентрата, м3.

Kv = Vo / Vк

 

ОСОБЕННОСТИ И ПРЕИМУЩЕСТВА МЕМБРАННЫХ ПРОЦЕССОВ РАЗДЕЛЕНИЯ

• Возможность одновременной очистки и концентрирования целевого продукта;
• Осуществление процесса разделения без фазовых изменений и межфазных переносов, как правило, при оптимальной температуре, определяемой технологическими требованиями производства;
• Безреагентность;
• Возможность разделения вязких смесей (до 4 Па·с);
• Возможность осуществления процесса в герметичных условиях;
• Экономичность;
• Простота и компактность аппаратурного оформления.

 

КОНЦЕНТРАЦИОННАЯ ПОЛЯРИЗАЦИЯ – ОСНОВНАЯ ПРОБЛЕМА ЖИДКОФАЗНЫХ МЕМБРАННЫХ ПРОЦЕССОВ

Трансмембранный массоперенос при разделении жидких сред через пористые мембраны сопровождается специфическим явлением, называемым концентрационной поляризацией, которая характеризуется повышенной концентрацией задерживаемого компонента у поверхности мембраны.

В газофазных мембранных процессах с применением диффузионных мембран явление концентрационной поляризации не возникает.

 

НЕГАТИВНЫЕ ПОСЛЕДСТВИЯ КОНЦЕНТРАЦИОННОЙ ПОЛЯРИЗАЦИИ

• Увеличение потока растворенного вещества через мембрану, т.е. снижение селективности;
• Повышение осмотического давления раствора в примембранном слое, что приводит к уменьшению движущей силы процесса и, следовательно, снижению удельной производительности мембран;
• Образование осадков или гелей, что также способствует снижению удельной производительности мембран;
• Сокращение продолжительности эксплуатации (ресурса) мембран.

 

МОДУЛЬ ПОЛЯРИЗАЦИИ

KП = СГ / СР

Количественно величину кон-центрационной поляризации выражают через соотношение, называемое также модулем поляризации:

где СГ и СР – соответственно концентрация целевого компонента у поверхности мембраны (на границе «мембрана-раствор» и в ядре разделяемого потока, кг/м3.

При разделении белковых растворов модуль поляризации может достигать 10-ти.

Поэтому, помимо наблю-даемой, следует различать истинную селективность мем-браны:

φИ = 1 – СП / СГ

где СП - концентрация целевого компонента в пермеате, кг/м3.

 

ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА КОНЦЕНТРАЦИОННУЮ ПОЛЯРИЗАЦИЮ

Влияние концентрационной поляризации более существенно при использовании мембраны с более высокой удельной производительностью, при большей толщине пограничного слоя, а также при разделении растворов с относительно высокими (более 500) молекулярными массами, коэффициенты диффузии которых очень малы.

Например, для водных растворов белков коэффициенты диффузии составляют 10-10...10-11 м2/с.

 

МЕРЫ ПО СНИЖЕНИЮ ВЛИЯНИЯ КОНЦЕНТРАЦИОННОЙ ПОЛЯРИЗАЦИИ

• Применение мембран с невы-сокой удельной производи-тельностью G, однако, очевидно, что это технологически не выгодно;
• Осуществление процесса при повышенной температуре, с целью увеличения коэффициентов диффузии D, однако это не всегда технологически допустимо, в частности при работе с термолабильными биотехнологическими средами;
• Уменьшение толщины межмембранного канала h, с целью снижения градиента концентраций;
• Интенсификация гидродинамических условий у поверхности мембраны за счет увеличения скорости протока разделяемой смеси или применения различных турбулизирующих эффектов.

 

КАПИЛЛЯРНО-ФИЛЬТРАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ ТРАНСМЕМБРАННОГО МАССОПЕРЕНОСА

Примембранные слои жидкости могут существенно отличаться структурой и свойствами (вяз-костью, растворяющей способ-ностью и пр.) от жидкости в объеме. А поскольку «связан-ная» с мембраной вода является плохим растворителем, то ее примембранные слои могут быть не проницаемы для тех веществ, которые в ней не растворяются.

Этим, в частности, может быть объяснен тот факт, что некоторые вещества задерживаются мембранами даже в случае, когда размеры их молекул меньше диаметра пор.

 

КИНЕТИКА ТРАНСМЕМБРАННОГО МАССОПЕРЕНОСА

Основное уравнение массопередачи:

dМ = k F ΔPdτ

k - коэффициент массопередачи - количество массы вещества, которая передается в единицу времени через единицу поверхности при разности давлений в 1 МПа.

 

РАЗЛИЧИЕ В СОПРОТИВЛЕНИИ ТРАНСПЕМБРАННОМУ МАССОПЕРЕНОСУ ОБУСЛОВЛЕНО РЯДОМ ПРИЧИН:

• различием в размере и форме разделяемых частиц;
• различием в скорости диффузии;
• различием в растворимости;
• различием в электрических зарядах;
• различием в молекулярных массах и др

 

ДИАФИЛЬТРАЦИЯ

Диафильтрация – два и более одинаковых мембранных процесса, осуществляемых последовательно, между которыми полученный промежуточный концентрат высокомолекулярных целевых продуктов разбавляют растворителем.

Технологическая цель диафильтрации – более полная очистка высокомолекулярных целевых продуктов от низкомолекулярных балластных примесей с помощью полупроницаемых мембран.

 

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ДИАФИЛЬТРАЦИИ

• Возможность очистки высокомолекулярных соединений только лишь от низкомолекулярных примесей, молекулярная масса которых существенно (примерно на порядок) отличается от молекулярной массы целевого продукта.
• Балластные примеси с молекулярными массами того же порядка и более при диафильтрации так же концентрируются, то есть очистка от них не производится.

 

АФФИННАЯ ХРОМАТОГРАФИЯ

Для очистки биологически активных веществ наиболее эффективны хроматографические методы, среди которых - аффинная хроматография.

Специфические возможности аффинной хроматографии позволяют очистить целевой продукт белковой природы не только от низкомолекулярных, но и от всех прочих, в том числе, высокомолекулярных примесей.

На лабораторном уровне хроматографические методы очистки белков, пожалуй, не имеют себе равных. Однако при реализации аффинной хроматографии в промышленном масштабе приходится сталкиваться с рядом существенных технических трудностей, в частности:

• относительно высокой стоимостью хроматографических носителей;
• низкой стабильностью хроматографических носителей;
• невозможностью реализации в традиционной колонне непрерывного режима, который, с точки зрения организации процесса, является более прогрессивным.

 

АФФИННАЯ УЛЬТРАФИЛЬТРАЦИЯ

• В основе аффинной ультрафильтрации лежит совмещение методов аффинной хроматографии и мембранного разделения, в частности микрофильтрации.
• Благодаря этому в рассматриваемой комплексной технологической операции органично сочетаются преимущества аффинной хроматографии (очень высокая избирательность) и мембранного разделения (непрерывность и высокая эффективность разделения веществ с различными молекулярными массами).

 

АФФИННАЯ УЛЬТРАФИЛЬТРАЦИЯ

• Аффинно-мембранное разделение основано на способности многих биологически активных соединений, в том числе ферментов, избирательно и обратимо связываться с некоторыми другими веществами, которые принято называть лигандами или аффинными лигандами.
• В качестве лигандов могут выступать высокомолекулярные водорастворимые полимеры или твердые частицы небольшого размера, (крахмальные гранулы, инактивированные дрожжевые клетки и пр.), которые легко могут быть отделены от несвязанных белков ультра- или микрофильтрацией.

 

ПРИНЦИП АФФИННОЙ УЛЬТРАФИЛЬТРАЦИИ

Сущность аффинной ультрафильтрации заключается в том, что перед мембранным разделением в ферментную систему вводят лиганды, образующие избирательно и обратимо комплексы с целевыми белковыми продуктами, а затем полученную смесь разделяют на мембранах с размером пор существенно бóльшим, чем размер молекул целевых белков и прочих высокомолекулярных соединений, но меньшим, чем размер лигандов. (Как правило для этого применяют микрофильтрационные мембраны).

Таким образом комплексы задерживаются на мембране, а все прочие балластные вещества удаляются через мембрану с пермеатом.

 

ПРЕИМУЩЕСТВА АФФИННОЙ УЛЬТРАФИЛЬТРАЦИИ