Мембранные методы в биотехнологии
Обычно на стадии очистки продуктов биосинтеза происходит отделение примесей, а также дальнейшее концентрирование продукта. В этом случае чаще всего используют фракционное осаждение, экстракцию в системах жидкость-жидкость, разделение с помощью мембран, различные сорбционно-хроматографические методы.
В современной промышленной биотехнологии получают сложные термически и химически лабильные органические вещества. Это обстоятельство требует “мягких”условий производства, которым в значительной мере отвечают мембранные процессы. Их внедрение позволяет интенсифицировать технологию очистки БАВ, сокращая при этом потери их активности. В последнее время получены высокоселективные ацетатцеллюлозные и синтетические мембраны. За 20 лет, прошедших со времени получение этих мембран, их проницаемость удалось повысить почти в 100 раз.
В настоящее время разрабатываются установки периодического и непрерывного действия с использованием аппаратов плоскорамного, рулонного, трубчатого типов, а также с применением полых волокон. Также расширяется промышленное производство мембранных фильтров с возможностью выделения достаточно малых частиц:10-0,2 мкм – при микрофильтрации; 0,02-0,001 мкм – при ультрафильтрации; до 0,0001 мкм – при гиперфильтрации (обратный осмос). Мембранные фильтры должны работать в интервале температур от 0до 60ºС, рН 3,0-11,0.
Среди жидкофазных мембранных процессов можно выделить четыре основных метода: диализ, ультрафильтрацию, электродиализ, обратный осмос.
Явления диализа и электродиализа находят применение при очистке растительных вытяжек в биотехнологии. Явление основано на свойствах больших молекул биополимеров не проходить через полупроницаемые мембраны. В тоже время вещества с меньшими размерами молекул свободно проходят через мембраны. Для диализа используют пленки желатина, целлофана, колодия, нитроцеллюлозы. Диализ протекает медленно, укоряется при повышении температуры, увеличении площади диализа, приложения электрического тока. В последнем случае наблюдается явление электродиализа, которому подвержены вещества, распадающиеся на ионы. Установка для электродиализа состоит из ванны, которая разделена на три отсека. В крайние отсеки опущены катод и анод, в средний отсек наливается диализуемая вытяжка. Катионы под действием электрического тока движутся через мембрану к аноду, анионы к катоду. В среднем отсеке остаются вещества, которые не проходят через полупроницаемые перегородки. В процессе работы производится отвод вытяжки, растворов продиализованного вещества.
Ультрафильтрация. Метод биотехнологии заключается в разделении высокомолекулярных и низкомолекулярных соединений на мембранах, способных пропускать низкомолекулярные соединения под действием давления 0,1-0, 5 МПа. Ультрафильтрация в 50-20 раз эффективнее гель-фильтрации и в 1000 раз эффективнее очистки с использованием фракционирования этиловым спиртом. Применение ультра-фильтрации имеет еще ряд преимуществ:
- исключается денатурация белка, так как процесс идет без фазовых превращений при любой температуре;
- возможны одновременное концентрирование и очистка от минеральных и низкомолекулярных органических веществ;
- незначительные затраты энергии;
- простота конструкции и эксплуатации.
Недостатком ультрафильтрации является эмпирический подход к подбору мембран.Теоретически предсказать ультрафильтрационные свойства растворов сложного состава невозможно, так как мембраны стандартизируют кислыми веществами с определенной молекулярной массой.
Технология ультрафильтрации: суспензию под давлением пропускают через полупроницаемую мембрану с большим количеством пор мельчайшего диаметра (0,02-0,001)мкм. В результате коллоидные частицы задерживаются мембраной, а вода и содержащие в ней молекулы проходят сквозь мембрану и скапливаются в корпусе патрона. Активная часть мембраны — это поверхность, по которой проходит суспензия. Разделение фракций происходит именно на этой тонкой поверхности. Мембрана неоднородна по толщине, вследствие чего сопротивление течению жидкости по всей ее поверхности минимально.
Обратный осмос (гиперфильтрация) – переход растворителя (воды) из раствора через полупроницаемую мембрану под действием внешнего давления. Избыточное рабочее давление раствора в этом случае намного больше осмотического. Движущей силой обратного осмоса является разность давлений. Для обратного осмоса применяют мембраны двух типов:
- пористые с размером пор 10-4-10-3 мкм. Селективная проницаемость основана на адсорбции молекул воды поверхностью мембраны и ее порами.
- непористые диффузионные мембраны образуют водородные связи с молекулами воды на поверхности контакта.
Под действием избыточного давления эти связи рвутся, молекулы воды диффундируют в противоположную сторону мембраны, а на свободные места проникают следующие. Таким образом, вода как бы растворяется на поверхности и диффундирует внутрь слоя мембраны. Почти все БАВ не могут проникать через такую мембрану и поэтому могут быть эффективно очищены. В промышленности используют гиперфильтрационные ацетатцеллюлозные мембраны.