РОЗДІЛЕННЯ БАР ЗА ДОПОМОГОЮ МЕМБРАН
Нині в хіміко-фармацевтичній і мікробіологічній промисловості все в більшій мірі здобувають складні термічно і хімічно лабільні органічні сполуки. Потрібні для цього «м'які» умови виробництва, яким значною мірою відповідають мембранні процеси. Запровадження мембранних процесів дозволяє інтенсифікувати технологію концентрування біологічно активних речовин, скорочуючи при цьому втрати їх активності. Мембранні методи розділення сумішей, які містять біополімери, значно підвищують якість продукції.
Базою для розробки сучасних економічних мембранних процесів стало одержання і подальше удосконалення високоселектив-них ацетатцелюлозних і синтетичних мембран. Так, за останні 20 років, що минули з часу одержання мембран з ацетату целюлози, їхню проникність удалося збільшити приблизно в 100 разів. У країнах СНД набули поширення ацетатцелюлозні мембрани «Владипор», «Міфіл» і синтетичні напівпроникні мембрани з ко-полімеру вінілпіролідону з метилметакрилатом.
За кордоном широко застосовують мембрани фірм «Абкор», «Міліпор» (США); «Шляйхер Шуель», «Сарторіус» (Німеччина); «Амікон» (Голландія); «Нуклеопор» (Великобританія); комплексні системи ДДС-РО (Данія) для ультрафільтрації і концентрування (зворотний осмос), виготовлені на основі нейлону, полівінілхлориду, тефлону, ацетату нітроцелюлози. Вони мають високу пористість (84 %), хімічно стійкі і біологічно нейтральні.
Нині розробляються установки періодичної і безперервної дії з використанням апаратів плоскорамного, рулонного, трубчастого типів, а також із застосуванням порожнистих волокон. Також розширюється промислове виробництво мембранних фільтрів із можливістю виділення досить малих частинок: 10...0,2 мкм — при
мікрофільтрації; 0,02...0,001 мкм — при ультрафільтрації; до 0,0001 мкм — при гіперфільтрації (зворотний осмос).
Усі мембранні фільтри мають працювати в умовах широкого інтервалу температур (0—60 °С), pH середовища (3,0—11,0). При проведенні мембранної фільтрації слід враховувати ґрадіент електричного потенціалу, концентрацію або тиск.
Серед рідкофазних мембранних процесів розрізняють діаліз, електродіаліз, ультрафільтрацію, зворотний осмос.
8.2.1. ДІАЛІЗ I ЕЛЕКТРОДІАЛІЗ
Явища діалізу і електродіалізу знаходять застосування при очищенні рослинних витяжок. Діаліз базується на властивостях молекул біополімерів, що мають великі розміри, не проходити через напівпроникні мембрани, у той час як речовини з меншими розмірами молекул проходять через них досить вільно. Для діалізу використовують плівки желатину, целофану, колодію, нітроцелюлози. Процес діалізу проходить зазвичай досить повільно, він прискорюється при підвищенні температури, збільшенні площі діалізу і прикладанні електричного струму. В останньому випадку спостерігається явище електродіалізу, до якого схильні здебільшого речовини, що розпадаються на іони.
Найпростіша установка для електродіалізу складається з ванни, розділеної двома напівпроникними перегородками на три відсіки. У крайній відсік опущені катод і анод, у середній — наливається витяжка, що піддається діалізу. Катіони під дією електричного струму рухаються через напівпроникні перегородки до анода, аніони — до катода. У середньому відсіку залишаються речовини, що не проходять через напівпроникні перегородки. У процесі роботи періодично або безперервно проводять відведення витяжки, розчинів продіалізованої речовини.
Електродіаліз із іонообмінними мембранами до сих пір не знайшов широкого застосування. Є лише дослідження, які доводять можливість очищення технічних напівпродуктів, що містять алкалоїди гіосціамін і сальсолін від високомолекулярних неіонізо-ваних речовин методом електродіалізу з гетерогенними мембранами МК-40 і гомогенними мембранами MK-lCC.
Дослідження також показали, що перетворення катіонітових мембран, яке відбувається в процесі електродіалізу, у форму органічного іона супроводжується стисненням іонообмінних частинок гетерогенних мембран, порушенням їх зв'язку з ненабухлою основою мембран і рівномірного стисненням всієї гомогенної мембрани. У першому випадку це призводить до мікродеструкції мембрани і до значного збільшення переносу розчинника разом із недисоційованими сполуками, що обмежує можливості очищення. При застосуванні гомогенних мембран мікродеструкції при
переході у форму органічного іона не відбуваються, тому гомогенні мембрани більш перспективні для застосування в процесі розділення природних полярних і неполярних органічних речовин.
8.2.2. УЛЬТРАФІЛЬТРАЦІЯ
Метод ультрафільтрації полягає в розділенні високо-молекулярних і низькомолекулярних сполук на селективних мембранах, здатних пропускати низькомолекулярні сполуки під дією тиску 98—490 кПа. Ультрафільтрація в 50—20 разів ефективніша за гель-фільтрацію та у 1000 разів ефективніша від очищення з використанням фракціонування етанолом. Застосування ультрафільтрації має ще низку переваг: виключається денатурація білка, тому що процес іде без фазових перетворень при будь-якій температурі; можливі одночасне концентрування і очищення від мінеральних і низькомолекулярних органічних речовин; незначні витрати енергії. Ультрафільтраційні установки відрізняються простою конструкцією та експлуатацією.
Вадою ультрафільтрації є емпіричний підхід до підбору мембран на певній стадії виділення БАР. Теоретично прогнозувати ультрафільтраційні властивості розчинів складного складу неможливо, тому що мембрани, як правило, стандартизують кислими речовинами з певною молекулярною масою. У нашій країні випускають ультрафільтраційні ацетатцелюлозні мембрани: УАМ 50м, УАМ 100м, УАМ 150м, УАМ 200м, УАМ 300м, УАМ 500м.
Технологія ультрафільтрації така: суспензію під тиском пропускають через напівпроникну мембрану з великою кількістю пор дрібного діаметра (0,02—0,001 мкм), у результаті чого колоїдні частинки затримуються мембраною, а вода і молекули, що містяться в ній, проходять крізь стінки ниток і накопичуються в корпусі патрона. Навіть при низькому тискові забезпечується інтенсивний потік фільтрату. Активна частина мембрани — це поверхня, по якій проходить суспензія. Розділення фракцій відбувається саме на цій тонкій поверхні. Мембрана неоднорідна по товщині, унаслідок чого опір протіканню рідини по всій її поверхні мінімальний.
Основні виробники ультрафільтраційних установок — фірми «Альфа-Лаваль» (Швеція); «Міліпор» (США), ДДС-РО (Данія); «Амікон» (Нідерланди), АІ-ОУВ, АІ-ОУП, УЛС-3, УКТ-40, УКФ-80 (Росія).
8.2.3. ЗВОРОТНИЙ ОСМОС
Зворотний осмос (гіперфільтрація) — перехід розчинника (води) із розчину через напівпроникну мембрану під дією зовнішнього тиску. Надлишковий робочий тиск розчину при цьо-
му набагато більший від осмотичного. Рушійною силою зворотного осмосу є різниця тисків:
Для розділення речовин застосовують мембрани двох типів:
1. Пористі з розміром пор 10_4—10_3 мкм (1—10 А). Селективна проникність базується на адсорбції молекул води поверхнею мембрани і її порами. У нашій країні випускають ацетатцелюлоз-ні мембрани: УАМ-50м, УАМ-500м.
2. Непористі дифузійні мембрани утворюють водневі зв'язки з молекулами води на поверхні контакту. Під дією надлишкового тиску ці зв'язки руйнуються, молекули води дифундують у протилежну сторону мембрани, а на утворені вільні місця проникають наступні. Таким чином, вода неначе розчиняється на поверхні і дифундує усередину шару мембрани. Майже всі БАР, крім газів, не можуть проникати через таку мембрану. У нашій країні і країнах СНД випускають гіперфільтраційні ацетатцелюлозні мембрани МГА-80, МГА-90, МГА-100. Цифра в марці означає відсоток селективності S:
де Сх і С2 — концентрація речовин у вихідному розчині і фільтраті, мг/мл. На цьому принципі працюють промислові вітчизняні установки типу «Роса», УГ-1, УГ-10, продуктивністю відповідно від 0,1 до 1 і від 1 до 10 м3/доба, і закордонні фірми «Абкор» (США), ДДС-РО (Данія). Зазвичай установки зворотного осмосу призначені для однорідних високов'язких рідин; випускають установки двох типів: трубчасті і рулонні, застосовуючи не менше п'ятьох марок фільтраційного матеріалу, який має високу стійкість до pH (1—13), селективність і робочу температуру до 80 °С.
8.3. СОРБЦІЯ
Методи очищення БАР сорбцією в наш час набули широкого застосування в хіміко-фармацевтичній і мікробіологічній промисловості.
Сорбцією називають процес поглинання газів, парів, розчинених речовин твердими і рідкими сорбентами. Розрізняють декілька видів сорбції.
Адсорбція — поглинання речовини на поверхні сорбенту. Поверхня сорбенту, як правило, дуже велика, тому що на ній є величезна кількість пор. Так, поверхня 1 г активованого вугілля має площу, яка дорівнює 600—1000 м2. Процес адсорбції має селективність і дозволяє адсорбувати певні БАР із розчину.
Абсорбція — поглинання речовини всім об'ємом твердої або рідкої фази. Абсорбцію використовують, наприклад, для отримання ефірних масел. При одержанні ефірних масел анфлеражем квітки поміщають у закриту посудину над жиром, який усією своєю масою абсорбує ефірне масло.
Хемосорбція — поглинання речовин з утворенням хімічних сполук. До хемосорбції належать іонний обмін, афінна і гідрофобна хроматографія. У виробництві БАР рослинного і тваринного походження і на основі біосинтезу, як правило, використовують адсорбцію.
8.3.1. СОРБЩЙНІ ПРОЦЕСИ
Сорбційний процес виділення речовин із розчину суміші речовин — це поєднання процесів сорбції і десорбції. Процес десорбції розділений на два етапи: власне десорбцію, тобто одержання елюату, який містить цільовий продукт, і регенерацію, тобто видалення із сорбенту всіх просорбованих речовин, які дозволяють повернути сорбент знову на стадію адсорбції.
Раціональний вибір адсорбентів, розчинників і умов їх застосування для одержання речовин із розчинів має базуватися на таких положеннях.
1. Адсорбент і умови адсорбції мають бути обрані так, щоб вони забезпечували переважну і максимальну сорбцію екстраго ваної речовини і її мінімальну залишкову концентрацію в розчині в умовах рівноваги.
2. Десорбувальний розчинник і умови десорбції повинні бути обрані так, щоб в умовах рівноваги елюат з відносно високою концентрацією речовини знаходився б у рівновазі з адсорбентом з малим вмістом речовини, тобто щоб адсорбція з десорбувально- го розчинника була б мінімальною.
Слід зазначити, що обидві ці умови невіддільні одна від одної і, отже, обраний адсорбент має забезпечувати їх виконання.
У разі сорбції на молекулярних сорбентах здійснення перших двох умов ведення адсорбційних процесів при виділенні речовин із розчинів зводиться до добору адсорбенту та умов його використання, які забезпечили б значну різницю в адсорбційних потенціалах з водного розчину і десорбувального розчинника.
При доборі таких умов можна виходити з теорії Поляни. Щодо розчинів адсорбційний потенціал А розчинених речовин виражається рівнянням:
де C — концентрація насиченого розчину; C — рівноважна концентрація.
Відповідно до Поляни адсорбований об'єм сорбенту завжди повністю заповнений речовиною, що адсорбується, і розчинником. При адсорбції розчиненої речовини вона витісняє з адсорбційного об'єму частину розчинника. Тому чим більший адсорбційний потенціал розчинника, тим менша величина сорбції розчиненої речовини.
При виборі молекулярного сорбенту для виділення речовин із розчинів важливу роль відіграє так зване правило «зрівнювання» полярностей, установлене Ребіндером. Відповідно до цього правила адсорбція неполярних речовин на неполярних поверхнях буде успішно відбуватися з полярних розчинників, адсорбція полярних речовин на полярних адсорбентах — із неполярних розчинників.
Як адсорбент у технології ліків застосовують пористі тверді речовини з великою питомоюповерхнею, з яких найбільш поширені: алюмінію оксид, силікагель (гель кислоти силікатної), вугілля активоване, кізельгур, поліаміди, поліакриламіди, сефадекси, целюлози та ін.
Адсорбцію проводять у спеціальних апаратах — адсорберах, найпростішим із них є вертикальний циліндричний апарат періодичної дії, заповнений адсорбентом. Спочатку через адсорбент пропускають розчин і насичують його поглинальною речовиною, потім фільтрують десорбент-розчинник або суміш розчинників, який витісняє поглинену речовину.
Для проведення безперервної адсорбції використовують установки з декількох адсорберів періодичної дії, в яких поперемінно відбуваються адсорбція і десорбція.
Дата добавления: 2016-03-26 | Просмотры: 724 | Нарушение авторских прав
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | 19 | 20 | 21 | 22 | 23 | 24 | 25 | 26 | 27 | 28 | 29 | 30 | 31 | 32 | 33 | 34 | 35 | 36 | 37 | 38 | 39 | 40 | 41 | 42 | 43 | 44 | 45 | 46 | 47 | 48 | 49 | 50 | 51 | 52 | 53 | 54 | 55 | 56 | 57 | 58 | 59 | 60 | 61 | 62 | 63 | 64 | 65 | 66 | 67 | 68 | 69 | 70 | 71 | 72 | 73 | 74 | 75 | 76 | 77 | 78 | 79 | 80 | 81 | 82 | 83 | 84 | 85 | 86 | 87 | 88 | 89 | 90 | 91 | 92 | 93 | 94 | 95 | 96 | 97 | 98 | 99 | 100 | 101 | 102 | 103 | 104 |
|