Мембранные фильтры.

Взглянув на мембранный фильтр, вряд ли можно догадаться, что подобные тонкие гибкие диски находят применение во множестве совершенно различных областей. Поверхности фильтров кажутся гладкими и сплошными, однако у наших глаз есть свои пределы. Невооруженным глазом нельзя увидеть объекты, размеры которых меньше 40 мкм (1000 мкм = 1 мм, диаметр человеческого волоса 60-80 мкм). Фактически в мембранном фильтре так много отверстий (пор), что он на 80% состоит из воздуха. Диаметр пор занимает самую нижнюю часть микрометрового диапазона, далеко выходя за пределы нашего зрения. Мембранные фильтры – тонкие, неволокнистые микропористые пленки, изготовленные из различных материалов со стандартными размерами (от 0,01 до 12 мкм) .

Старейшие мембранные фильтры фирмы «Сарториус» - начало производства в 1922г. Их изобретатель австрийский химик Ричард Жигмонди стал в 1925г. лауреатом Нобелевской премии. С 1927г. – первое в мире коммерческое изготовление мембранных фильтров.

Первое применение – для бактериологического исследования воды (проверка наличия патогенных бактерий). Патогенные бактерии попадают в воду из экскрементов человека и животных.

Задержание бактерий, размер которых превышает размер пор, происходит на поверхности фильтра. После этого мембранные фильтры можно поместить на селективную питательную среду.

Питательная среда диффундирует сквозь поры снизу вверх к поверхности, на которой удерживаются бактерии, в результате чего обеспечивают их культивирование. В течение некоторого времени колонии становятся видимыми и подаются подсчету.

Широкомасштабное применение мембранных фильтров началось с 50-х годов, когда было обнаружено, что их можно использовать для фильтрования частиц самых разных размеров. При производстве лекарственных препаратов этим типом фильтрования удаляют частицы и бактерии в течение всего процесса от централизованной очистки воды до стерилизации конечного продукта.

Можно сказать, что мембранные фильтры достигли своего совершеннолетия вместе с антибиотиками и интегральными схемами.

Фармацевтические растворы, предназначенные для вливания или инъекций, должны быть стерильными. Наиболее частым методом стерилизации таких растворов является автоклавирование (термическая обработка насыщенным паром t = 120ºC). Однако антибиотики чувствительны к температуре, следовательно, их растворы необходимо стерилизовать «холодным» способом. Фильтр с размером 0,22 мкм задерживают бактерии.

Большую опасность представляют частицы размером 5 мкм, т.к. они не могут пройти сквозь капилляры. Большинство инфузионных растворов могут быть стерильными путем автоклавирования, однако, оно приводит к гибели бактерий, но не удаляет ни мертвые бактерии, ни содержащиеся в растворах частицы. Таким образом, возникает необходимость в предварительном удалении частиц. Перед розливом препараты должны быть отфильтрованы.

Можно было бы использовать и целлюлозно-асбестовые фильтры, однако было доказано, что вредное воздействие асбеста вызвано не химической природой асбеста, а его волокнистой структурой, которая приводила к появлению механических раздражителей.

Вследствие этого решено асбестовые фильтры запретить и разрешить применение только таких фильтров, которые не выделяют волокон. Мембранные фильтры дают гарантию отсутствия в конечном продукте волокон.

Применение мембранной технологии:

1) стерилизация жидких сред;

2) стерилизация технологического воздуха;

3) очистка отходящего воздуха;

4) очистка сточных вод;

5) утилизация ценных продуктов из отходов;

6) водоподготовка;

7) концентрирование;

8) медицина.

Все мембранные процессы делятся на:

1) жидкофазные;

2) газофазные.

Жидкофазные:

1) диализ;

2) электродиализ;

3) микрофильтрация;

4) ультрафильтрация; гиперфильтрация

5) обратный осмос.

Все процессы осуществляются с помощью полупроницаемых мембран. Это основной элемент их аппаратурного оформления.

При ультрафильтрации смесь прокачивается вдоль мембран (принцип тангенциального потока).

Смесь проходят высокомолек.

Концентрат Vк Ск

С0 V0

проходят низкомолекул.

Vп Сп

Мембрана работает как самоочищающийся фильтр: что-то проходит, а что-то не проходит – уносится.

При микрофильтрации высокомолекулярные вещества проходят, задерживаются только клетки.

При обратном осмосе проходит только растворитель.

Преимущество мембранных процессов:

1) процесс может использоваться и для очистки, и для концентрирования одновременно;

2) все мембранные процессы – ресурсосберегающие, энергосберегающие, экологически чистые;

3) это малосточные технологии;

4) относительная простота аппаратурного оформления;

5) процесс может идти в герметичных и асептических условиях;

6) можно концентрировать очень вязкие среды;

7) это безреагентный способ производства, продукт не подвергается химическим воздействиям;

8) процессы идут при температуре, которую выдерживают мембраны, перерабатываемый продукт не подвергается тепловым воздействиям.

Сравнительная характеристика мембранных процессов.

1 мкм = 10⁴ А

Размеры:

бактерий – 1мкм

вирусов – 0,1мкм

молекул - 10Å

атомов – 1 Å

Микрофильтрация – для очистки от клеток, коллоидов, бактерий, микровзвесей.

Ультрафильтрация – от ВМС, белков, ферментов, полисахаридов, пирогенов.

Обратный осмос – от солей, ди и моносахаров, аминокислот, антибиотиков.

Назначение мембранных процессов.

Микрофильтрация – условно мембранный процесс, обычное фильтрование с помощью мембран. Микрофильтрация через пористые мембраны (диаметр пор от 0,1 до 10 мкм) применяется для отделения от жидкости мелких взвешенных частиц, в том числе и микроорганизмов. Поскольку объем пор в мембранах для микрофильтрации достигает 70-80% от общего объема фильтра, то удается достичь высокой скорости фильтрования.

Микрофильтрация является практически единственным методом стерилизации питательных сред, содержащих термолабильные компоненты.

Обратный осмос и ультрафильтрация. Общим отличием процессов обратного осмоса и ультрафильтрации от обычной фильтрации является то, что на мембранах не образуется осадка, и перераспределение растворенных веществ осуществляется только в жидкой фазе. Одной из важных характеристик мембраны или фильтра в целом является селективность, определяется по формуле:

Rн = 1 – mф / mк

ma - концентрация растворенного вещества в фильтрате, кг/м³;

mк - то же в концентрате, кг/м³.

В основе обратного осмоса и ультрафильтрации лежит явление осмоса – диффузии растворенных веществ через полупроницаемую перегородку, представляющую собой мембрану с большим количеством ( до 10¹⁰ – 10¹¹ на 1 м²) мелких отверстий – пор.

Схема осмотических процессов.

Р1 + π Р1= Р2 Р1 + π Р2=Р1+π+Р

о о Н2О о о

Н2О о о о о

О о о

а) осмос б) равновесие

Р1 – внешнее давление над поверхностью растворителя;

Р2 – внешнее давление над поверхностью раствора;

π – осмотическое давление (с которым растворитель переходит в раствор);

Р – движущая сила обратного осмоса.

Если раствор отделен от чистого растворителя мембраной с диаметром пор < 10^-2 мкм, то явление осмоса будет выражаться в самопроизвольном переходе через перегородку только растворителя. Этот процесс достигнет равновесия, когда давление под раствором (Р) будет равно осмотическому давлению, т.е. давлению, с которым растворитель переходит в раствор (π). Если в растворе создать давление Р>π, то перенос растворителя будет происходит в обратном направлении – явление обратного осмоса. Обратный осмос применяется для концентрирования всех растворенных веществ или для выделения чистого растворителя.

Осмотическое давление растворов ВМС намного ниже осмотического давления НМС. Поэтому ультрафильтрация при Р = 0,3 – 1МПа, а обратный осмос Р = 2-8 МПа. При ультрафильтрации можно сконцентрировать вещество до 50% СВ, т.к. не нужно преодолевать высокое осмотическое давление.

Обратный осмос и ультрафильтрация успешно применяются для очистки и концентрирования растворов физиологически активных веществ и биологических препаратов: ферментов, белков, гормонов, вакцин, нуклеиновых кислот, ПС, препаратов крови, а также вирусов и бактерий.

Классификация по материалу:

Все мембраны условно можно разделить на 3 поколения:

1) мембраны из природных полимеров (ацетат целлюлозы, нитрат целлюлозы).

Недостаток: низкая химическая стойкость (рН =6-8) t ≤ 50ºC, механически непрочны, используются во влажном состоянии, при высыхании теряют свои свойства. Срок службы 3-7 месяцев.

2) Мембраны из синтетических полимеров ( полиамид, полиакрил, фторопласт)

рН = 1…12 (более стойкие), температура до 80, даже 150ºC, механически прочные. Срок службы до 3-х лет. Хранятся в сухом виде.

3) в последнее время за рубежом выпускаются и у нас начинают мембраны из неорганических материалов ( керамика, окись циркония, окись алюминия, титана). Отличаются очень высокой химической стойкостью, эксплуатируются при температуре до 200ºC, механически прочные. Используют в сухом виде. Срок службы – не ограничен ( сколько служит сама система, приблизительно 20 лет).

С 3-м поколением связывается качественный скачок в мембранной технологии

Классификация по форме и способу их укладки.

1) Трубчатые. Трубка на пористой основе, мембрана в виде тонкой трубочки и стенка – сама мембрана. Мембрана – внутри трубки.

2) Полые волокна:

а) тонкие волокна;

б) капилляры.

Тонкие волокна при укладке в аппарат можно наматывать, скручивать –компактные системы.

Капилляры – только вдоль.

Тонкие волокна выдерживают как внутреннее, так и наружное давление до 40 атм (особенно важно для обратного осмоса).

Капилляры – только внутреннее до 3-х атм. При наружном давлении они сплющиваются.

3) Пластинчатые – самая простая конструкция.