Главная Обратная связь

Дисциплины:






Баромембранні методи очищення розчинів



Ці методи класифікуються по розмірах пор використовуваних мембран: зворотний осмос (~3-10-4 мкм); ультрафільтрація (15-10-5 мкм), мікрофільтрація (0,2 мкм) і тонка фільтрація (10 мкм). Класифікація процесів мембранного поділу розчинів і колоїдних систем по розмірах затримуваних часток наведена нижче (у см).

Зворотний осмос Від 5∙10-8 до 8∙10-5
Ультрафільтрація Від 3∙10-7 до 1∙10-4
Мікрофільтрація Від 5∙10-6 до 2∙10-3
Фільтрація Більше 2,5∙10-3

 

Зворотний осмос й ультрафільтрація. Ці методи очищення і концентрування одержали широке поширення в хімічній, нафтопереробній, харчовій, фармацевтичній та ферментній промисловості. Перспективність використання ультрафільтрації в біотехнології очевидна, оскільки вона дешевше інших методів поділу розчинів БАР. У табл. 19.1 наведені дані фірми «Амікон корпорейшн» (США), які підтверджують це.

Таблиця 19.1 - Дані фірми «Амікон корпорейшн» (США) по використанню ультрафільтрації

Метод розділення Концентрація сухої речовини, %
Вихідна В концентраті Витрати на видалення 1 м3 води, долл.
Центрифугування 1-2 10-15 0,15-0,9
Гель-фільтрація 3-5 Розбавлена 6-30
Сушка:      
барабанна 7,5
розпилювальна 10-20
ліофільна 60-90
Осадження етанолом чи солями 1-2 Різна
Ультрафільтрація 1-10 10-50 0,15-0,30

 

Перевагою ультрафільтрації є відсутність теплової інактивації БАР і невеликі енерговитрати. Ультрафільтрація дозволяє провести концентрування розчину без фазового перетворення при кімнатній температурі, а головне, при одночасному звільненні від баластових речовин (пігментів, азотистих й інших низькомолекулярних сполук). Процеси ультрафільтрації і зворотного осмосу мають один й той же механізм, але відрізняються по ряду параметрів. Прямий осмос — це дифузія молекул розчинника в розчин через напівпроникну мембрану (рис. 19.2), коли мембрана не пропускає розчинену речовину. Осмотичний тиск розчину (Р0) залежить від молярної концентрації розчиненої речовини і ступеня його дисоціації. Якщо осмотичний тиск більше гідравлічного рг,то відбувається прямий осмос, якщо дорівнює гідравлічному (робочому) тиску, то дифузія води через мембрану припиняється. Якщо рг0, то рівновага порушується й молекули розчиненої речовини і води будуть проходити через мембрану в розчинник. Цей механізм спостерігається й при зворотному осмосі, і при ультрафільтрації. Отже, зворотний осмос і ультрафільтрація - це перенос молекул через мембрану під тиском вище осмотичного, при якому розчинник (вода) проходить через мембрану, а розчинена речовина залежно від його молекулярної маси й величини пор мембрани частково або повністю затримується. Швидкість ультрафільтрації буде тим вище, чим більше різниця між робочим тиском й осмотичним.



Рисунок 19.2 - Схема дифузії молекул при прямому осмосі

 

Між процесами зворотного осмосу й ультрафільтрації є розходження. Так, при зворотному осмосі розділення низькомолекулярних речовин відбувається при робочому тиску до 0,7— 14 МПа, тому що осмотичний тиск Р0у цих розчинах великий. При зворотному осмосі використовуються мембрани з дуже маленькими порами. При ультрафільтрації відбувається поділ високо- і низькомолекулярних з'єднань, і метою цього процесу є одержання концентрату високомолекулярних з'єднань (наприклад, ферментів). Робочий тиск у цьому випадку низький (від 0,07 до 0,7 МПа), тому що р0 невеликий. Величина пор мембран значно більше.

Однак названі розходження досить умовні. Механізм процесів зворотного осмосу й ультрафільтрації поки залишається недостатньо ясним.

Для математичного опису процесу мембранного поділу служить модель руху грузлого потоку через пори і модель дифузійного масопереносу. Прийнято вважати, що якщо розмір пор мембрани менше 3-10-3 мкм (зворотний осмос), те процес підкоряється закону, якщо ж розмір пор більше 3-10-3 мкм (ультрафільтрація), то процес підкоряється рівнянню.

Мембрани. Робочим елементом ультрафільтраційних установок є напівпроникна мембрана. Мембрани повинні мати високу проникність і селективність, бути стійкими до впливу розділюваних розчинів, механічно міцними, мембрана не повинна піддаватися усадці й змінювати свої характеристики в процесі зберігання й експлуатації, повинна мати низьку адсорбцію по відношенню до розділюваних речовин і невисокою вартістю. За цими показниками кращими вважаються полімерні мембрани. У процесах ультрафільтрації використовуються мембрани із целофану, каучуку, поліетилену, полістиролу, целюлози й різних її похідних (особливо з ацетатцелюлози), поліфенолу, поліакрилової кислоти, металокераміки з нанесеним на їй шаром графіту, пористого скла й т.д.

Мембрани підрозділяють на одношарові - ізотропні, що мають товщину 0,05-0,2 мкм, і двошарові - анізотропні. Перший шар, звернений до фильтруємого розчину, визначає селективність мембрани. Другий шар грубозернистий, він є нижнім, придає мембрані міцність рис 19.3. Із двошарових мембран одержали поширення ацетатцелюлозні. Вони мають високу проникність, селективність і достатню міцність. Але вони піддаються гідролізу в сильнокислому і сильнолужному середовищах, і тому їх можна використати тільки в середовищах із рН від 3 до 7,5. Ці мембрани мають деяку усадку, тому проникність і швидкість фільтрування змінюється в процесі експлуатації мембран. Крім того, ці мембрани потрібно зберігати у воді, є й інші менш істотні недоліки ацетатцелюлозних мембран.

1 – напівпроникний шар; 2 – дренажна підкладка

Рисунок 19.3 – Схема двошарової напівпроникної мембрани

З нових типів мембран одержали поширення мембрани у вигляді найтонших трубок, так називані порожні волокна із внутрішнім діаметром 20-100 мкм і товщиною стінки 10-50 мкм. Інтерес представляють високоселективні «динамічні» мембрани. Вони являють собою пористу нержавіючу сталь, на яку наносять полімерне покриття, графітову пластинку, пресоване волокно й т.д. і пропускають розчин полімеру (наприклад, полівінілпірролідонову кислоту). Розчин полімеру застигає в порах й утворює армовану напівпроникну перегородку. Створено напівпроникні мембрани на основі мікропористого скла.

У СРСР випускалися універсальні ацетатцелюлозні мембрани «Владипор» з розмірами пор від0,2·10-2 до 7·10-2 мкм, які працюють у зонах рН від 3 до 8, при максимальній температурі 50 °С и робочому тиску 0,05—1 МПа. Використовуються також полімерні мембрани фірм «Амікон» й «Міліпор» (США). Мембрани» «Дяаффо» фірми «Амікон» діляться на кілька типів залежно від молекулярної маси затримуваних речовин, матеріалу мембран і стійкості їх у різних середовищах. Ця ж фірма випускає листові мембрани, мембрани у вигляді порожніх волокон різних полімерів (ацетатцелюлоза, нітроцелюлоза, полівінілхлорид, поліаміди й ін.). Фірма «Міліпор» випускає мембрани з різноманітних полімерів для ультрафільтрації й зворотного осмосу, як універсальні, так й вузькоспецифічні. Наприклад, мембрани типу для фармацевтичної й ферментної промисловості витримують вплив кислот н лугів, що дозволяє проводити їхню регенерацію або фільтруючі матеріали на основі азбесту, целюлози, кераміки, скловолокна й ін. для попереднього очищення ферментного розчину перед ультрафільтрацією.

Робота ультрафільтраційної установки й тривалість служби мембран багато в чому залежать від якості дренажної підкладки. Матеріал для її виготовлення повинен бути стійким до впливу фільтруючих розчинів, хімічно й біологічно інертним, мати пружну й стабільну пористу структуру, його фільтраційні й дренажні характеристики не повинні залежати від робочого тиску. В якості матеріалу для дренажної підкладки використовують минпласт, пористу нержавіючу сталь, спінений поліетилен, капронові сітки, папір. Найбільшою продуктивністю володіють капронові сітки товщиною 0,2 мм із розміром комірки 0,1×0,1 мм2 — до 0,5 мл/(см2·хв), а найменшої — підкладки зі спіненого поліетилену — до 0,25 мл/(см2·хв).

Тривалість служби мембран і дренажних підкладок залежить від виду й концентрації розчинених у фильтруємому розчині речовин, якості попередньої обробки концентруємого розчину. Тривалість роботи мембран може коливатися від декількох місяців до декількох років.

Характеристики мембран. На процес ультрафільтрації впливає ряд факторів: селективність мембран, їхня проникність і протікаємість, рН концентруємого розчину, температура, тиск, концентрація сухої речовини у вихідному розчині, концентраційна поляризація. Розглянемо ці показники.

Головною характеристикою мембрани є її селективність, або вибірковість до втримання певної речовини. Вона визначається за формулою (в %)

де Сф—концентрація концентруємого речовини у фільтраті; Ср-концентрація ферменту у вихідному розчині.

Селективність залежить від особливості мембрани й тривалості її експлуатації (рис 19.4).

Питома продуктивність апаратів пов'язана із селективністю мембран, що визначається величиною пор і молекулярною будовою розділюваного середовища. Селективність і швидкість фільтрування істотно залежать від процесу масопереносу на границі мембрана — розчин; швидкість й якість поділу залежать від масопереносу всередині мембрани й у прикордонному шарі. Проникність мембрани (G) визначається по формулі [в л/(м2·год)]

Цей показник залежить від фізико-хімічних властивостей мембран, а також від температури, рН, тиску й інших параметрів концентруємого розчину.

Коефіцієнт протікаємості мембран (D) безпосередньо пов'язаний із проникністю й залежить від різниці робочого й осмотичного тисків Δр при ультрафільтрації [у л/(м2/год·Па)]:

На величини R, G й D помітний вплив вчиняє рН фільтруємого розчину. Максимальна селективність мембран проявляється при ультрафільтрації поблизу ізоелектричної точки концентрує мого білка (ферменти) , тому що відхилення в ту або іншу сторону приводить до іонізації розчину й погіршенню умов концентрування (рис 19.5). Коефіцієнт протікаємості мембран максимальний в ізоелектричній крапці.

Підвищення температури позитивно впливає на основні показники процесу ультрафільтрації, оскільки в'язкість розчину зменшується й зростає швидкість фільтрування, підвищується проникність мембран, росте коефіцієнт протікаємості (рис 19.6). Але підвищення температури розчину БАР з метою інтенсифікації процесу ультрафільтрації неприйнятно, тому що більшість БАР термолабільні. Чутливі до температури й мембрани. Крім того, температурний ефект згладжується зі зростанням ступеня концентрування, тому що росте осмотичний тиск, величина зменшується й коефіцієнт протікаємості мембран падає. Рушійної силою процесу фільтрування є робочий тиск (рг), але ця величина має оптимальну межу, оскільки її зростання приводить до ущільнення мембрани і зниженню її проникності (рис 19.7).

Для багатьох білкових розчинів на рівні граничних оптимальних значень спостерігається явище концентраційної поляризації, коли порушується пряма залежність між швидкістю фільтрування. Звичайно це спостерігається при рг, рівному 0,5—1,2 МПа. Це явище пов'язане із утворенням на поверхні мембрани в результаті адсорбції часток осаду в порах динамічного гелеподібного шару або в результаті поганого первинного очищення розчинів від суспензії. Відокремлювана речовина затримується на поверхні мембрани, збільшується р0, падає проникність, знижується швидкість фільтрування, змінюється селективність мембрани. Якщо вміст білка в концентруємому розчині не перевищує 0,3— 0,4 мг/мл, то гелеобразный шар не утвориться й між V й pv зберігається пряма залежність, якщо концентрація вище 0,4 мг/мл, починається концентраційна поляризація.

Для запобігання концентраційної поляризації використовують різні прийоми: якісне попереднє очищення розчинів, установлення мішалки й турбулізаторів, зменшення просвіту між мембранами, різке збільшення швидкості протоку до переходу його в турбулентний. Для усунення початкової адсорбції використаються попереднє фільтрування концентруємого розчину через металокерамічні фільтри, щільні фільтри, центрифугування, сепарування й т.д. Із цього погляду ефективна хімічна обробка розчину, при якої віддаляється частина баластових речовин солями, бентонітом й ін., а також зміна рН до ізоелектричного значення, при якому осаджуються баластові речовини. Після цього попередньо оброблений фільтрат надходить на концентрування. Використання флокулянтів дозволяє збільшити швидкість фільтрування й зменшити концентраційну поляризацію на 20—30%. Для поліпшення умов ультрафільтраційного концентрування розчинів БАР може використатися їх попередня діафільтрація. Для цього в ультрафільтраційну комірку, куди поміщений концентрируемый розчин, подається розчинник (наприклад, вода) зі швидкістю відводу фільтрату, тобто обсяг концентрируемого розчину залишається якийсь час постійним. Потім додавання розчинника припиняють і проводять концентрування. Цей прийом дозволяє фактично усунути явище концентраційної поляризації й одержати порівняно чисті концентрати ферментів.

Ультрафільтраційні установки. Процес ультрафільтрації здійснюється в спеціальних установках, які залежно від пристрою й форми фільтруючої комірки можна підрозділити на чотири групи: із плоскопараллельными фільтруючими елементами (типу фільтр-преса) із трубчастими фільтруючими елементами, з рулонними фільтруючими елементами й з фільтруючими елементами у вигляді порожніх волокон. Мембранний апарат і пристрої для створення в системі тиску - головні елементи ультрафільтраційної установки. Крім них у схемі передбачаються апаратури для попереднього очищення ферментного розчину (ємності для ферментного розчину, коагулянтів, осаду, сепаратор або фільтр, насос), збірники для фільтрату й концентрату, ємності й насос із дозуючим пристроєм для проведення диафильтрации й т.д. У лабораторних умовах для підбора типу мембран, робочого тиску, режимів попередньої обробки й т.д. використають комірки з однією мембраною.

До досвідченим і виробничим ультрафильтрациоиным установок пред'являються наступні вимоги: компактність, простота виготовлення й експлуатації, дотримання оптимальної гідродинаміки (мінімальна енергоємність процесу й мінімальна концентраційна поляризація), коррозиестой-кость, низька металоємність, висока міцність для роботи під тиском, простота зборки й надійність.

Ультрафільтраційні установки із трубчастими фільтруючими елементами складаються із трубок, які становлять; дре-иажную систему. Усередині або зовні трубки наноситься пйдлож-ка (опорний шар) мембрани й потім мембрана. Залежно від того, де встановлена мембрана, концентрируемый розчин подається або усередину, або зовні труби. Апарати цього типу були розроблені фірмою «Хавенз» (США), зараз вони випускаються фірмами «Абкор» (США), «Рамикон» (Франція), «Филко-Форд» (США), «Дедремо» (Франція). Каркасні дренажні труби для цих апаратів виготовляються з металу, кераміки, пластмаси, склопластику, графіту й інших матеріалів діаметром від 6 до 30 мм. У цих апаратах Можна створити високі швидкості протоки, що дозволяє турбулизировать потік, і не потрібно попереднього глибокого очищення від суспензії й колоїдних часток. Крім того, вони мають просту конструкцію, низьку металоємність, відрізняються рівномірністю розподілу концентрируемого розчину по поверхні мембран. До недоліків цих установок ставляться: громіздкість (фільтруюча поверхня до 100 м23), складність збору трубок у колектор, тому що трубки мають малий діаметр. Ці установки дорогі, і на них не можна концентрувати грузлі розчини.

Фильтрующие елементи рулонного типу являють собою навитий на центральну перфоровану фильтратотводящую трубку пакет, що складається із двох мембран, розділених одним або декількома шарами гнучкого пористого дренажного матеріалу, і сітчастого сепарационного листа між мембранами, що утворить канал для протоки поділюваного розчину. Апарати з елементами рулонного типу мають високу щільність упакування (300—800 м23) і низкою металоємністю. Недоліками рулонних апаратів є: високий гідравлічний опір потоку розчину, обумовлене наявністю сепарационной сітки з досить дрібними комірками (1-2 мм).

Ультрафильтрациониые установки, що працюють за принципом фільтр-преса були створені на початку 60-х років для опріснення води методом зворотного осмосу. У цей час засновані на цьому принципі ультрафильтрациоиные установки випускаються фірмами «Аэроджет Дженерал Корпорейшн» (США), DDS (Данія), <Ронпоулен» (Франція) і поруч інших. Кроком уперед у порівнянні з перерахованими вище апаратами стали апарати з модулями плоскопараллельного типу, розроблені фірмою «Дорр-Оливер» (США) н на початку 70-х років у ВНИИпродуктов шумування. Остання складається нз трьох циркуляційних контурів по нескольку фільтруючих блокоЬ у кожному із плоскопараллельнымн мембранними пакетами. Установка має загальну поверхню фільтрування 24 м2. Кожен блок містить 40—45 фільтруючих елементів загальною площею близько 2 м2. Тиск у контурі підтримується насосом на рівні 0,3-0,6 Мпа. Установка має продуктивність 100- 200 л/ч, швидкість потоку в каналах 0,67-0,70 м/с; у міру забруднення мембран через 300- 350 ч вона падає в 2 рази. Конст-

руктивная особливість цієї установки полягає в тім, що концентрируемый розчин подається одночасно в усі канали плоскопараллельных фільтруючих елементів блоку. Фільтрат виводиться нз блоку по дренажній системі. Всі блоки в кожному контурі з'єднані послідовно. Розроблено установку з поверхнею мембран 2 000 м2, що працює під тиском до 1,5 МПа із продуктивністю по ультраконцентраті 30— 35 м3/сут.

Становить інтерес установка такого ж типу УФ1-1-180 конструкції ВНИИбнотехннкн, схема якої показана на мал. 1.52. Вона складається нз 18 фільтраційних блоків із загальною площею фільтруючої поверхні 180 м2 н має трн щабля концентрування, що включають відповідно 9, 6 й 3 фільтраційних блоків. У першому щаблі передбачається 3 паралельних потоки, у другий - 2 й у третьої - 1. Це дозволяє підвищити швидкість протоки до 1,5-2,0 м/с і знизити гідравлічний опір. Продуктивність цієї установки близько 1 800 л/ч.

Фірма «Дорр-Олнвер» випускає восьмимодульные ультра-фильтрацнонные установки, що працюють під тиском 0,38 Мпа; кратність концентрування в них 25-30.

Всі апарати, що працюють за принципом фнльтр-пресса досить прості у виготовленні й монтажі, листові мембрани дозволяють створити надійні ущільнення при зборці, але оии мають і недоліки: вони громіздкі, що фільтрує поверхня мембран становить 100—200 м2/м3, ультрафнльтрацноиные модулі складно промити, важко проводити їхню заміну, потрібні тур- зсув шарів під час експлуатації, складне очищення й виготовлення фільтруючих елементів. Апарати такого типу придатні для поділу розведених маловязких розчинів, ретельно очищених від колоїдних і зважених речовин.

В апаратах з елементами з порожніх волокон використаються мембрани у вигляді найтонших трубочок з напівпроникними стінками. Діаметр волокон (50—250 мкм) і товщину стінки (15— 100 мкм) підбирають таким чином, щоб вони витримували робочий тиск без застосування підкладок і дренажних пристроїв. Порожні волокна збирають у пучки довжиною до 3 м і поміщають у трубчастий корпус. Кінці волокон закріплюють міцним водостійким клеєм у трубних ґратах і виводять у камеру збору фільтрату. У промисловості поширені апарати на основі порожніх волокон, де концентрируемый розчин обмиває волокна зовні, а фільтрат приділяється усередині волокна. Виробником таких апаратів є фірма «Дюпон» (США). Вони компактні, що фільтрує поверхня апаратів, що випускають нею, досягає 20 000 м2/м3. Вони прості в монтажі й експлуатації, високопродуктивні. Але вони мають ті ж недоліки, що й установки рулонного типу.

В висновок варто сказати, що використання ультрафільтрації у ферментній промисловості перспективно як на стадії концентрування ферментних розчинів з метою одержання рідких концентратів, так й як спосіб згущення й очищення ферментних розчинів на стадії одержання препаратів різного ступеня чистоти.

Контрольні питання до теми Т19

1. Діаліз й електродіаліз.

2. Як і існують баромембранні методи очищення розчинів?

3. Зворотний осмос й ультрафільтрація





sdamzavas.net - 2020 год. Все права принадлежат их авторам! В случае нарушение авторского права, обращайтесь по форме обратной связи...