Мембранные методы в биотехнологии

Мембранные методы используют в биотехнологии для выделения, очистки и концентрирования продуктов. Все они внешне похожи на фильтрацию (поскольку схема процесса включает в себя полупроницаемую перегородку), но предназначены для разделения частиц разного размера и несколько отличаются по движущей силе процесса и аппаратурному оформлению. В процессах выделения и очистки продукта чаше используют мембранные методы другого типа:

- ультрафильтрация;

- диализ;

- обратный осмос.

Данные методы позволяют «фильтровать» не только твердую фазу, но и просто растворенные в жидкости молекулы, причем не обязательно очень большие по размеру. Ультрафильтрация проводится обычно при размерах частиц или молекул 10 нм - 10 мкм, обратный осмос и диализ - при размерах 0,5 нм - 0,5 мкм.

Диализ

B этом процессе раствор, содержащий высокомолекулярные соединения, отделен полупроницаемой мембраной от камеры, содержащей чистый растворитель (обычно воду или водные растворы солей). Содержащиеся в растворе низкомолекулярные вещества за счет диффузии через поры мембраны проходят в камеру пермеата, через которую непрерывно протекает вода. Высокомолекулярные вещества остаются в растворе, и таким образом происходит их очистка от низкомолекулярных. Так, например, происходит обессоливание растворов ферментов или вакцин. Мембраны для диализа изготавливают из пергамента, целлофана и других материалов. Часто мембраны выполняют в виде трубок. Новое поколение диализующих мембран представляет собой кассеты из большого количества микротрубок, заделываемых в так называемый модуль с общим входом и общим выходом. Преимуществами процесса диализа являются:

- работа в мягких условиях температуры и рН;

- отсутствие органических растворителей;

- возможность высокой степени очистки высокомолекулярных веществ от примесей низкомолекулярных соединений, солей и металлов.

Недостатки:

- низкая скорость диализа, определяемая молекулярной диффузией, поскольку движущая сила в этих случаях - разность концентраций веществ, ее нечем повысить;

- возможность обрастания диализных мембран и забивания их пор.

Некоторых недостатков диализа удается избежать за счет применения электродиализа. В этом случае, если задачей является обессоливание ферментов или других биополимеров, перпендикулярно мембранам и потоку диализуемого раствора накладывается электрическое поле, в результате чего анионы и катионы из раствора диффундируют через диализные мембраны к аноду и к катоду, а биополимеры остаются в растворе. В простейшем случае электродиализатор состоит из трех камер:

для обрабатываемого раствора;

для пермеата в зоне катода;

для пермеата в зоне анода.

Движущей силой в этом случае, как и в процессе диализа, является разность концентраций ионов. Электрический ток лишь ускоряет процесс диффузии. Мембраны при катоде и при аноде могут быть выполнены из разного материала, селективные для катионов и для анионов.

Ультрафильтрация

B процессе ультрафильтрации используют селективные полупроницаемые мембраны, пропускающие низкомолекулярные и задерживающие высокомолекулярные соединения. Известно, что движущей силой процесса ультрафильтрации является перепад давления на мембране, как и при обычной фильтрации. Применительно к ультрафильтрации высокомолекулярные соединения - это те соединения, у которых молекулярная масса растворенного вещества превосходит молекулярную массу растворителя более чем B 500 раз. При ультрафильтрации происходит не разделение фаз, а перераспределение растворенных в жидкости веществ. По существу здесь используется ситовой эффект. Полимерные мембраны, используемые при ультрафильтрации, обычно являются двухслойными. Основной фильтрующий слой имеет толщину менее 1 нм. Очевидно, такой слой не может быть механически прочным, и поэтому он дублируется со вторым слоем толщиной от 20 мкм до 2 мм, который к тому же имеет и значительно больший размер пор. Выполнены оба слоя как единое целое, но мембрана является анизотропной. Давление должно быть приложено со стороны тонкого слоя, а не наоборот. Ясно, что для создания прочности мембраны дополнительно должна использоваться и более жесткая (металлическая или пластмассовая) арматура: ведь перепад давления для процессов ультрафильтрации достигает 0,3 - 1 МПа. Обычный материал мембран - полиуретаны, сложные эфиры целлюлозы, полисульфон. В последнее время производятся и металлокерамические (наиболее прочные) мембраны. Обычно не существует мембран с совершенно одинаковым размером пор. Среди пор попадаются и такие, которые по размеру больше молекул растворенного вещества. Поэтому частично оно все же проходит в пермеат. Важной характеристикой мембраны является так называемый коэффициент удержания R:

где С_к и C_П - концентрации растворенного вещества соответственно в концентрате и в пермеате (фильтрате).

Скорость ультрафильтрации Q_Ф зависит от перепада давления DР при различных концентрациях вещества в растворе. С повышением концентрации вещества скорость падает и, главное, повышение давления в широком диапазоне перестает влиять на скорость ультрафильтрации. Кроме того, скорость потока так же влияет на скорость ультрафильтрации. Очевидно, что причина такого поведения раствора в концентрационной поляризации.

B процессе ультрафильтрации вблизи обращенной к потоку поверхности мембраны возникает градиент концентрации. Возникающий градиент концентрации напоминает диффузионный пограничный слой при массопередаче (хотя закономерности здесь другие), которая вызывает дополнительное (помимо мембраны) сопротивление потоку растворителя. Эффективная толщина слоя зависит, с одной стороны, от концентрации растворенного вещества, а с другой - от коэффициента турбулентной диффузии, т. е. степени турбулизации потока. Образуется что-то похожее на «динамическую мембрану». Но в дальнейшем, например, за счет полимеризации белков возможно образование не просто динамической мембраны, но и геля, «лепехи», которая практически закупоривает реальную мембрану.