Баромембранные методы

Часто баромембранные методы разделения жидких смесей относят к процессу обычной фильтрации, но они лишь внешне похожи благодаря тому, что движущей силой является разность давлений. В действительности с помощью полупроницаемых мембран разделяются истинные растворы, т. е. гомогенные системы, в то время как фильтрованием можно разделить лишь суспензии, т. е. твердую фазу отделить от жидкой.

Вместе с тем, считая мембранные методы фильтрованием на молекулярном уровне, можно построить условный спектр фильтрации, разместив мембранные методы - обратный осмос, нанофильтрацию, ультрафильтрацию и микрофильтрацию - в некоторый ряд и дополнив его обычной механической фильтрацией по порядку увеличения размера и молекулярной массы задерживаемых частиц (см. рис. 1.55).

Сегодня баромембранные методы получили широкое распространение в биотехнологической, пищевой, фармацевтической, химической промышленности. В частности, ни одно современное производство ферментов не может уже обойтись без ультрафильтрационной очистки и концентрирования продукта.

Физико-химический механизм. Растворение вещества в растворителе возможно только тогда, когда они имеют сродство друг к другу, т.е. когда на уровне межмолекулярного взаимодействия происходит сольватация молекулами растворителя молекул или ионов растворяемого вещества. Когда речь идет о водных растворах, процесс называется гидратация. Поскольку молекула воды представляет собой крохотный диполь, ее энергия связи с частицей растворимого вещества тем больше, чем больший заряд несет эта частица на себе. Понятно, что чем больше заряд иона, тем больше количество молекул воды окажется связанным с ионом в виде многослойной гидратной оболочки.

Именно образованием гидратных оболочек объясняется явление, которое называется прямой осмос (рис. 1.56). Если раствор любого вещества отделить полупроницаемой мембраной от объема чистого растворителя, то мы будем наблюдать односторонний перенос молекул растворителя (в данном случае воды) в раствор, где они достраивают гидратные оболочки. Чем выше концентрация растворенного вещества слева, тем больше молекул воды должно пройти через мембрану в раствор. Количественно этот перенос выражается величиной осмотического давления (Р_О):

Р_О= C R Е ,

где:

С - массовая концентрация растворенного вещества;

R - газовая постоянная;

Т - абсолютная температура.

Если осмотическое давление (Р_О) больше гидравлического (Р_r), то происходит прямой осмос, если Р_О = Р_r, то диффузия через мембрану прекращается.

Если же теперь к раствору приложить рабочее давление, превышающее осмотическое, т. е. Р_r > Р_О то начнется перенос молекул воды слева направо, т. е. будет происходить дегидратация раствора, концентрирование растворенного вещества и получение чистой воды в правой половине сосуда. Это механизм называется обратным осмосом.

Обратный осмос по механизму близок к ультрафильтрации. Ультрафильтрация год от года все шире используется в технологии ферментных препаратов. Весьма убедительны данные, приводимые фирмой «Амикон корпорейшн» (США) о преимуществах очистки и концентрирования методом ультрафильтрации (см. табл. 1.12).

Таблица 1.12

Действительно, из таблицы следует, что ультрафильтрация обладает способностью не инактивировать ферменты и требует минимальные энергозатраты.

Скорость ультрафильтрации будет тем выше, чем больше разница между рабочим гидравлическом (Р_r) давлением и осмотическим.

Однако между процессами обратного осмоса и ультрафильтрации все же есть различия. Так, при обратном осмосе разделение низкомолекулярных веществ происходит при рабочем давлении до 0,7-14 МПа, так как осмотическое давление Р_О в этих растворах велико. При обратном осмосе используются мембраны с очень маленькими порами (от 1 • 10~4 до 2 • 10~3 мкм). При ультрафильтрации происходит разделение высоко- и низкомолекулярных соединений, и целью этого процесса является получение концентрата высокомолекулярных соединений (например, ферментов). Рабочее давление в этом случае низкое (от 0,07 до 0,7 МПа), так как Р_О небольшое. Величина пор мембран значительно больше - от 3 • 10~3 до 150 • 10~3 мкм.

Однако названные различия достаточно условны. Механизм процессов обратного осмоса и ультрафильтрации пока остается недостаточно ясным.

Для математического описания процесса мембранного разделения служит модель движения вязкого потока через поры (уравнение Пуазейля) и модель диффузионного массопереноса (закон Фика). Принято считать, что если размер пор мембраны меньше 3 • 10~3 мкм (обратный осмос), то процесс подчиняется закону Фика, если же размер пор больше 3 • 10~3 мкм (ультрафильтрация), то процесс подчиняется уравнению Пуазейля.

В этом и заключается принцип любого баромембранного процесса. Отличия между ними лишь в размерах пор используемой мембраны и в величинах приложенного к раствору давления.

Поскольку осмотическое давление белковых растворов мало, для осуществления процесса достаточно 0,3-0,6 МПа, а размер пор мембраны составляет 10-50 нм. На основе этих знаний каждый может теперь дополнить диаграмму на рис. 1.55 новыми системами.