ДӘРІС № 2. БИОТЕХНОЛОГИЯДА МЕМБРАНАЛЫҚ ҚҰРЫЛЫМДАРДЫ ЗЕРДЕЛЕУ ЖӘНЕ ҚОЛДАНУ ӘДІСТЕРІ.

Мембраналық бөлу әдістеріне жатады:

1. Диализ және электродиализ.

2. Қайтымды осмос.

3. Микрофильтрация.

4. Ультрафильтрация.

Бұл әдістердің негізінде осмос құбылысы жатыр – еріген заттардың диффузиясы көп мөлшердегі (10¹⁰ – 10¹¹ 1 м²) ұсақ саңылаулы – шел, диаметрі 0,5 мкм аспайтын мембраналы жартылай өткізгішті айдау арқылы жүреді.

Мембарана түсінігіне әдетте полимерлі немесе неорганикалық материалдардан жасалған және қоспа немесе ерітіндідегі әр түрлі бөлшектерді бөлуге қабілетті, көп қуысты және қуыссыз тегіс немесе түтікті айдауды жатқызамыз. Мембраналарды қолдану экономикалық жоғары үнемді және аз қалдықты технологияларды жасап шығаруға мүмкіндік туғызады.

Мембраналық процестердің ішінен интенсивті дамып келетін баромембаналы процестер. Егер қайтымды осмос айтарлықтай дамыса, бұл микрофильтрация мен ультрафильтрацияға қатысты. Баромембараналық бөлу әдістерінің шекарасы белгіленбеген және белгіленуі мүмкін емес деп есептеледі, себебі микро және ультрафильтрация мен қайтымды осмос кең көлемде физико – химиялық сипаттамалар сияқты асып түседі. Айтылған әр әдістің ерекшеліктері бар, осыған байланысты олардың бірнеше классификациясы ұсынылған.

Микрофильтрация негізінен қарапайым фильтрацияға жақын гидродинамикалық процесс болып табылады. Микрофильтрация спецификалық ерекшелігі қатты фазаның ұсақ бөлшектерін бөліп алу үшін шел диаметрі 0,1/10 мкм дейін мембраналарды сонымен қатар микроағзаларды қолдану, бұл жағдайда оны стерилді фильтрация деп атайды. Сондықтан фильтрация процессіне қарағанда микрофильтрациядағы диффузия белгілі бір рөлді атқарады.

Ультрафильтрация негізінде шелдерінің диаметрі 0,001 – 0,01 мкм дейін мембраналарды қолдану жатыр. Ультрафильтрация жасушалар мен молекулаларды бөліп алу үшін қолданылады.

Бөлудің мембраналық әдістері биологиялық суспензияларға қолданады, бірқатар артықшылыұтары бар:

1. Концентрлеу мен тазалау агрегаттық күйімен фазалық айналуларсыз жүзеге асырылады.

2. Өндірілетін өнім жылулық және химиялық өндеулерден өтпейді.

3. Биологиялық материалға механикалық және аэродинамикалық әсер ету маңызды емес.

4. Герметикалық және асептикалық шарттар оңай қамтамасыз етіледі.

5. Аппаратуралық жаюдықталуы конструкцияға сәйкес,

6. Процесс жоғары энергияны қажет етпейді, көбінесе энергия ерітінділерге жұмсалады.

Әр түрлі заттардың молекулаларын, атомдарын немесе иондарын жартылай өткізгіш мембрана арқылы тасымалдау механизмі келесі теориялардың біреуімен сипатталады.

Себу теориясы жартылай өткізгіш мембранада еріткіштерді өткізуге жеткілікті шелдер бар екенін көрсетеді. Бірақ олар еріген заттардың молекулалары мен иондарын өткізуге кішкентай.

Молекулалық диффузия теориясы полимерлі мембранадағы бөлінетін компоненттердің бірдей емес ерігіштігі мен диффузия коэфицентінің әр түрлілігіне негізделген.

Капиллярлы – фильтрациялық теория мембрана бетіндегі және ерітінді көлеміндегі сұйықтық қабатының физико – химиялық құрылымына негізделген.

Ұсынылған теориялардың ішінен кең тарағаны капиллярлы – фильтрациялық моделі.

Мембраналық аппараттардың негізгі жұмыс органы – жартылай өткізгіш мембраналары болып табылады.

Мембраналар жоғары бөлгіш қабілетке ие, селективті, химиялық тұрақты, механикалық мықты, қымбат емес болуы қажет. Селективтігі – мембраналық аппараттың басты технологиялық көрсеткіші.

Мембрананың селективтігі еріген заттың молекуласының өлшемі мен формасына байланысты. Мембраналарды әр түрлі материалдардан жасайды: полимерлі пленкалардан, шыныдан, керамикадан т.с.с.

Жартылай өткізгіш мембраналар ұсақ тесіктері бар және тесіктері жоқ түрлерге бөлінеді. Тесіктері жоқ мембраналар арқылы процесс молекулярлы диффузия есебінен жүзеге асырылады. Мұндай мембраналар диффузионды деп аталып, компоненттері бір – біріне ұқсас заттарды бөлу үшін қолданылады. Тесіктері бар мембраналар негізінен полимерлі материалдардан жасалады, анизотропты және изотропты болып бөлінеді.

Тесіктері бар мембраналарды әдетте еріткіштерді жою жолымен немесе алдын – ала қосылған полимерлі еріткіштерден түзілген қосылғыштарды жуу арқылы алады.

Мұндай әдіспен алынған мембраналардың жұқа беттік қабаты бар 0,25 – 0,5 мкм. Мембраналық бөлу процесі беттің активті қабатында жүзеге асады.

Кең таралған ядерлі мембраналар немесе нуклеопоралар. Бұл мембраналар жұқа полимерлі қабықшаны зарядталған альфа – бөлшектерді сәулелендіру арқылы алады.

Ядролы мембрананың басты ерекшеліктері:

- тесіктердің дұрыс домалақ формасы;

- мембраналарды тесіктердің мөлшері мен санын алдын – ала белгілеп алу;

- тесіктердің бірдей мөлшері;

- химиялық тұрақтылығы.

Ядролы мембараналар карбонарлы қабықшалардың негізінде алады, тесіктерінің диаметрі 01, - 0,8 мкм дейін.

Полимерлі мембраналармен қатар қатты құрылымды мембраналар да бар: металды, кеуекті шыныдан жасалған, керамикалық.

Металды мембраналар фольганың балқытылғаннан алынған компоненттердің біреуін сілтісіздендіру немесе айдау арқылы жасалады. Нәтижесінде бірдей мөлшерлі 5 – 0,1 мкм жоғары сапалы кеуекті мембраналар алады.

Металды мембраналарды алудың келесі әдісі – жоғары температурада ұнтақты металлургия тәсілімен алу.

Мембраналық бөлу әдістерінің кемшіліктері:

1. Мембраналарды дайындайтын кейбір материалдар тез тозады.

2. Қатты фазада ерітінділерді өңдеуде қиындықтар туындайды.