Диализ: Это первый изученный и промышленно развитый мембранный процесс,

Мембранные методы очистки и концентрирования ферментных растворов

Диализ: Это первый изученный и промышленно развитый мембранный процесс,

В зависимости от движущей силы процесса мембранные методы классифицируются на диффузионные – диализ (движущая сила – разность концентраций по обе стороны мембраны), электромембранные – электродиализ (разность электрических потенциалов), баромембранные – обратный осмос, ультрафильтрация, микрофильтрация (разность давлений). Все эти процессы применяются для переработки ферментных растворов, выбор их определяется целью переработки: для очистки от низкомолекулярных примесей при небольших производительностях – диализ, для обессоливания в интенсивных условиях – электродиализ, для глубокой очистки от примесей с одновременным концентрированием – ультрафильтрация и т. д. Рассмотрим подробнее сущность и технические решения каждой группы процессов, что (дет возможность в дальнейшем выбрать оптимальный вариант для любой конкретной задачи.

Диализ

Диализ – это первый изученный и промышленно развитый мембранный процесс, поскольку для его осуществления не нужна сложная аппаратура и специальные мембраны.

Сущность диализа в том, что если два раствора с различной концентрацией какого-либо компонента разделить мембраной, то начнется естественный процесс диффузии, достигающий равновесия при выравнивании концентраций этого компонента с обеих сторон мембраны.

Интенсивность переноса вещества через мембрану определяется коэффициентом диффузии этого вещества в материале мембраны DB, и пропорциональна разности концентраций ΔС. Эту зависимость можно записать в виде сравнения: = DBS • ΔС, где S – площадь мембраны.

Соответственно, чем больше различие в величинах коэффициентов диффузии двух компонентов, находящихся в растворе, тем лучше они разделяются мембраной.

Понятно, что белковые молекулы (высокомолекулярные вещества) и органические и неорганические низкомолекулярные молекулы и ионы сопутствующих компонентов (сахара, аминокислоты, минеральные соли и т. п.

) в силу огромных различий в коэффициентах диффузии практически полностью разделяются мембраной.

В качестве диализных мембран используют обычно пленки из целлюлозы – целлофан, купрофан, а также из других синтетических полимеров. Процесс проводят либо по проточной схеме (рис. 1.

53, а), когда исходный раствор ферментов постоянно прокачивают с одной стороны мембраны, а диализирующую жидкость (обычно воду) – с другой ее стороны, либо по полупроточной схеме, когда раствор ферментов помещают на определенное время в мешочки из диализной мембраны, которые постоянно омываются водой.

Таким образом можно удалить основную массу сопутствующих низкомолекулярных примесей и повысить активность ферментных растворов в пересчете на сухое вещество в несколько раз.

Процесс диализа применительно к очистке растворов ферментов имеет ряд существенных недостатков. Во-первых, при диализе возможна «потеря» фермента в результате вымывания ионов металлов, входящих в состав молекулы фермента, или стабилизирующих фермент соединений, или фрагментов самого фермента, например, простетической группы его.

Во-вторых, при диализе против обычной водопроводной воды может происходить потеря активности фермента в результате попадания из воды в раствор фермента ионов металлов – ингибиторов фермента. Следует также отметить, что в процессе диализа одновременно с очисткой происходит сильное разбавление ферментного раствора из-за проникновения воды под действием сил прямого осмоса в диализуемый раствор (см.

рис. 1.53). Объем продиализованного раствора увеличивается примерно на 20-25%, а если учесть, что происходит активное удаление балластных веществ, то в результате диализа получают очень разбавленные ферментные растворы. Поэтому сейчас этот метод очистки ферментных растворов от балластных веществ в ферментной промышленности почти не используется.

Этот метод иногда применяют в лабораторных исследованиях и при получении высокоочищенных ферментных препаратов.

Электродиализ

Если в процессе очистки ферментов стоит задача удалить из раствора электролитные примеси, т. е. органические и минеральные ионы, иногда пользуются электродиализом.

Сущность этого мембранного метода в том, что перенос ионов через мембрану интенсифицируют с помощью постоянного электрического поля, а мембраны изготавливают из специальных ионо-обменных материалов на основе синтетических полимеров.

Принципиальная схема работы электродиализаторов представлена на рис. 1.54.

Электрический потенциал к аппарату подводится через два электрода, размещенных в соответствующих электродных камерах. Обе камеры отделены от рабочей обессоливающей камеры, куда подается исходный pacтвор, ионообменными мембранами, со стороны катода – анионообменной, со стороны анода – катионообменной.

При работе аппарата катионы под действием постоянного электрического поля смещаются к аноду, встречают на пути катионообменную мембрану, проходят через нее в электродную камеру и в виде слабого раствора щелочи выводятся из аппарата. Соответственно ведут себя и анионы, выходя из аппарата в виде слабого раствора кислоты.

Обессоленный раствор ферментов (диализованный раствор) выводится из рабочей камеры.

Электродиализный метод осуществляется всегда в непрерывном режиме (см. рис. 1.54, б) и существенно более энергоемок, чем диализ. Применительно к обработке ферментных растворов он имеет те же недостатки.

Кроме того, электродиализ нельзя применять при выделении ферментов, имеющих, например, четвертичную структуру, которая формируется с участием ионов металлов, а также при выделении металлоферментов, которые, как правило, теряют активность при электродиализе (α-амилазы, β-галактозидазы и др.).

Дата добавления: 2018-05-10; просмотров: 885;

:

Источник: https://poznayka.org/s104967t1.html

Выделение и очистка продуктов биотехнологии (стр. 10 )

Диализ: Это первый изученный и промышленно развитый мембранный процесс,

При концентрировании культуральной жидкости различных микроорганизмов происходит значительное изменение минерального состава получаемого концентрата, например, при концентрировании культуральной жидкости В. mesentericus это четко видно (рис. 1.52, а).

Наиболее резко снижается содержание кальция, меди и магния, заметно уменьшается содержание цинка и марганца. Такое изменение минерального состава культуральной жидкости сказывается на стабильности ферментов в процессе концентрирования (рис. 1.52, б).

При сгущении культуральной жидкости до содержания сухого вещества 10% количество кальция снижается всего на 5%, а меди – на 75%. Известно, например, что медь оказывает на ферменты ингибирующее действие, а кальций – стабилизирующее. Поэтому на первых стадиях концентрирования наблюдается повышение активности ферментов, особенно протеиназ.

При более глубоком концентрировании вместе с резким снижением содержания кальция снижается активность ферментов.

Большинство ферментов очень чувствительно к термической обработке и нуждается в мягких режимах концентрирования. На рис. 1.50 были приведены данные по инактивации нейтральной протеиназы В. subtilis 103 в зависимости от температуры кипения раствора от 20 до 60°С и температуры греющего пара 70°С.

При последующих исследованиях было установлено, что не только температура кипения концентрируемого раствора имеет большое значение, но и температура греющего пара (теплоносителя). Это отчетливо видно из рис. 1.51.

Так, даже при очень низкой температуре кипения (25-30°С), происходит заметная инактивация ферментов (до 12%), если температура греющего пара равна 120°С. При температуре теплоноси°С и температуре кипения 35-40°С потери активности не превышают 10%.

И еще следует отметить, что чем выше температура теплоносителя, тем больше сухих веществ концентрируемой жидкости выпадает в осадок, особенно при высоких температурах кипения (см. рис. 1.52, б).

Важно заметить, что в зависимости от вида продуцента культуральная жидкость имеет различный химический состав и содержит различный комплекс ферментов, поэтому тепловые режимы вакуум-выпаривания уточняются экспериментальным путем в каждом конкретном случае.

Суммарные потери активности при вакуум-выпаривании в значительной степени зависят не только от режима концентрирования, но и от конструкции аппарата.

Аппараты для стадии вакуум-выпаривания в последние года значительно усовершенствованы, в десятки раз сокращена длительности процесса, что привело к значительному уменьшению потерь активности ферментов, а также позволило несколько ужесточить температурные режимы концентрирования ферментных растворов.

Помимо трубчатых вакуум-выпарных установок с различным расположением трубок (горизонтальным) вертикальным и наклонным), со встроенной и выносной поверхностью нагрева, с использованием принудительной циркуляции созданы новые конструкции пленочных выпарных аппаратов, ультрацентробежных вакуум-выпарных установок и пластинчатых испарителей.

Особый интерес представляют ротационные пленочные выпарные аппараты, где упариваемая жидкость в виде пленки движется по внутренней стенке аппарата. Лопатки, смонтированные на вращающемся роторе, непрерывно направляют движение ее сверху вниз. Время прохождения жидкости через аппарат составляет несколько секунд.

В настоящее время фирма «Альфа-Лаваль» изготовляет вакуум-выпарные центробежные аппараты типа «Центритерм». Они очень компактны, время контакта ферментного раствора с обогревающей поверхностью предельно сокращено (не более 1 с), потери не превышают 10%, производительность этих установок от 800 до 4800 л/ч.

Создана центробежная вакуум-выпарная установка пленочного типа производительностью 800 л/ч по испаренной влаге. Время контакта культуральной жидкости с теплоносителем не более 1 с, температура греющего пара 60-80°С.

Для увеличения производительности можно монтировать установку из трех модулей, каждый из которых работает либо автономно, либо последовательно, либо первые два модуля работают параллельно и соединены с третьим модулем последовательно.

Представляет интерес для ферментной промышленности центробежная пленочного типа вакуум-выпарная установка «Единство» (Югославия) производительностью до 200 л/ч и с температурой упаривания 30-40 °С.

Хорошие технологические показатели имеют роторные выпарные аппараты фирмы «Люва» (Швейцария), имеющие производительность по испаренной влаге от 50 до 200 л/(м2 • ч). Французская фирма APV изготовляет пластинчатые вакуум-выпарные установки производительностью до 20 000 л/ч.

Несмотря на наличие высокопроизводительных вакуум-выпарных аппаратов полностью устранить недостатки метода вакуум-выпаривания не удается (потери активности, выпадение осадков и т. д.), и этот метод все больше заменяется методом ультрафильтрации.

1.9. МЕМБРАННЫЕ МЕТОДЫ ОЧИСТКИ И КОНЦЕНТРИРОВАНИЯ ФЕРМЕНТНЫХ РАСТВОРОВ

В зависимости от движущей силы процесса мембранные методы классифицируются на диффузионные – диализ (движущая сила – разность концентраций по обе стороны мембраны), электромембранные – электродиализ (разность электрических потенциалов), баромембранные – обратный осмос, ультрафильтрация, микрофильтрация (разность давлений). Все эти процессы применяются для переработки ферментных растворов, выбор их определяется целью переработки: для очистки от низкомолекулярных примесей при небольших производительностях – диализ, для обессоливания в интенсивных условиях – электродиализ, для глубокой очистки от примесей с одновременным концентрированием – ультрафильтрация и т. д. Рассмотрим подробнее сущность и технические решения каждой группы процессов, что (дет возможность в дальнейшем выбрать оптимальный вариант для любой конкретной задачи.

1.9.1. Диализ

Диализ – это первый изученный и промышленно развитый мембранный процесс, поскольку для его осуществления не нужна сложная аппаратура и специальные мембраны.

Сущность диализа в том, что если два раствора с различной концентрацией какого-либо компонента разделить мембраной, то начнется естественный процесс диффузии, достигающий равновесия при выравнивании концентраций этого компонента с обеих сторон мембраны.

Интенсивность переноса вещества QВ через мембрану определяется коэффициентом диффузии этого вещества в материале мембраны DB, и пропорциональна разности концентраций ΔС. Эту зависимость можно записать в виде сравнения: QВ = DBS • ΔС, где S – площадь мембраны.

Соответственно, чем больше различие в величинах коэффициентов диффузии двух компонентов, находящихся в растворе, тем лучше они разделяются мембраной.

Понятно, что белковые молекулы (высокомолекулярные вещества) и органические и неорганические низкомолекулярные молекулы и ионы сопутствующих компонентов (сахара, аминокислоты, минеральные соли и т. п.

) в силу огромных различий в коэффициентах диффузии практически полностью разделяются мембраной.

В качестве диализных мембран используют обычно пленки из целлюлозы – целлофан, купрофан, а также из других синтетических полимеров. Процесс проводят либо по проточной схеме (рис. 1.

53, а), когда исходный раствор ферментов постоянно прокачивают с одной стороны мембраны, а диализирующую жидкость (обычно воду) – с другой ее стороны, либо по полупроточной схеме, когда раствор ферментов помещают на определенное время в мешочки из диализной мембраны, которые постоянно омываются водой.

Таким образом можно удалить основную массу сопутствующих низкомолекулярных примесей и повысить активность ферментных растворов в пересчете на сухое вещество в несколько раз.

Процесс диализа применительно к очистке растворов ферментов имеет ряд существенных недостатков. Во-первых, при диализе возможна «потеря» фермента в результате вымывания ионов металлов, входящих в состав молекулы фермента, или стабилизирующих фермент соединений, или фрагментов самого фермента, например, простетической группы его.

Во-вторых, при диализе против обычной водопроводной воды может происходить потеря активности фермента в результате попадания из воды в раствор фермента ионов металлов – ингибиторов фермента. Следует также отметить, что в процессе диализа одновременно с очисткой происходит сильное разбавление ферментного раствора из-за проникновения воды под действием сил прямого осмоса в диализуемый раствор (см.

рис. 1.53). Объем продиализованного раствора увеличивается примерно на 20-25%, а если учесть, что происходит активное удаление балластных веществ, то в результате диализа получают очень разбавленные ферментные растворы. Поэтому сейчас этот метод очистки ферментных растворов от балластных веществ в ферментной промышленности почти не используется.

Этот метод иногда применяют в лабораторных исследованиях и при получении высокоочищенных ферментных препаратов.

1.9.2. Электродиализ

Если в процессе очистки ферментов стоит задача удалить из раствора электролитные примеси, т. е. органические и минеральные ионы, иногда пользуются электродиализом.

Сущность этого мембранного метода в том, что перенос ионов через мембрану интенсифицируют с помощью постоянного электрического поля, а мембраны изготавливают из специальных ионо-обменных материалов на основе синтетических полимеров.

Принципиальная схема работы электродиализаторов представлена на рис. 1.54.

Электрический потенциал к аппарату подводится через два электрода, размещенных в соответствующих электродных камерах. Обе камеры отделены от рабочей обессоливающей камеры, куда подается исходный pacтвор, ионообменными мембранами, со стороны катода – анионообменной, со стороны анода – катионообменной.

При работе аппарата катионы под действием постоянного электрического поля смещаются к аноду, встречают на пути катионообменную мембрану, проходят через нее в электродную камеру и в виде слабого раствора щелочи выводятся из аппарата. Соответственно ведут себя и анионы, выходя из аппарата в виде слабого раствора кислоты.

Обессоленный раствор ферментов (диализованный раствор) выводится из рабочей камеры.

Электродиализный метод осуществляется всегда в непрерывном режиме (см. рис. 1.54, б) и существенно более энергоемок, чем диализ. Применительно к обработке ферментных растворов он имеет те же недостатки.

Кроме того, электродиализ нельзя применять при выделении ферментов, имеющих, например, четвертичную структуру, которая формируется с участием ионов металлов, а также при выделении металлоферментов, которые, как правило, теряют активность при электродиализе (α-амилазы, β-галактозидазы и др.).

Источник: https://pandia.ru/text/80/184/2935-10.php

История возникновения и развития мембранной технологии

Диализ: Это первый изученный и промышленно развитый мембранный процесс,

Первая научная публикация по мембранным методам разделения принадлежит аббату и ученому Жану Антуану Нолле, который изучал причины вскипания жидкостей и поставил серию экспериментов со свиными пузырями, примененными им в качестве мембран [1]. Он плотно закрывал колбу, заполненную этанолом, мембраной из свиного пузыря и помещал её в сосуд с водой.

В результате Нолле с удивлением наблюдал, что через 5 часов в колбе объём жидкости увеличился, а мембрана растянулась и стала выпуклой. При замене этанола в колбе на воду, которую он помещал в сосуд со спиртом, ситуация была обратной. Пузырь прогнулся вниз и объём воды в колбе уменьшился.

Нолле объяснил это явление избирательным переносом воды через мембрану из свиного пузыря.

Впервые непосредственно применил мембрану для разделения смесей Дютроше, который опубликовал в 1827 году результаты своих исследований, где он использовал как органические, так и неорганические мембраны для разделения жидкостей.

В 1861 Томас Грэм (Англия) доложил о своих первых экспериментах по диализу с помощью синтетических мембран. Грэм выполнил первое мембранное разделение газов и получил обогащенный кислородом воздух, содержащий кислород на 46,6%.

В 1877-м немецкий физиолог В.Пфефер впервые измерил осмотическое давление, а через десять лет X.Вант-Гофф установил зависимость данной величины от концентрации растворенного вещества, строения и массы его молекулы.

Важным итогом исследовательских работ стало открытие того, что под воздействием внешнего давления, равного осмотическому, диффузия молекул воды сквозь мембрану прекращается.

Дальнейшее повышение прикладываемого давления вызывает изменение направления движения молекул воды через мембрану из более концентрированного раствора в разбавленный. Этот процесс называется обратным осмосом.

Дальнейшие теоретические знания в области мембран, связаны с такими учеными, как: Эйнштейн (осмотическое давление, 1905); Хендерсон (мембранный потенциал, 1907); Доннан (мембранное равновесие, 1911); Кедем, Качальский (неравновесная термодинамика, 1930).

Неофициальным днем рождения промышленной мембранной технологии является дата публикация патента № 3133132 от 12 мая 1964 года авторов Леба и Сурираджана в США, где заявлялся способ получения высокопроизводительной полупроницаемой мембраны. В середине 60-х годов была запущена первая промышленная установка опреснения воды обратным осмосом.

История мембранной технологии в России

История мембранной технологии в России неразрывно связанна с именем Юрия Иосифовича Дытнерского (1925 – 2001) – доктором технических наук, профессором, заслуженным деятелем науки и техники РСФСР.

Проводя в конце 50-х годов прошлого века исследования в области массообмена в процессе ректификации, Ю.И. Дытнерский открыл новый метод разделения, получивший название “испарение через мембрану”. С этого времени и можно вести отсчет развития мембранной технологии в нашей стране.

Вначале к процессам мембранного разделения в нашей стране относились несерьезно, с некоторой иронией. Однако Ю.И. Дытнерский и его коллеги обнаружили аналогичные работы за рубежом, в США, и поняли, что необходимо интенсифицировать свои исследования, чтобы не отстать от зарубежных коллег.

И если в первых работах по мембранному разделению использовались, в качестве мембран, случайные материалы, то теперь возникла необходимость создания специальных полупроницаемых мембран. Первые такие мембраны были изготовлены из полиэтилена и полипропилена Головиным В.Н. и применялись для разделения неполярных органических жидкостей.

Уже к середине 60-х годов круг исследователей мембранной технологии значительно расширился, кроме того, расширилась и тематика исследований.

Стали появляться исследования по обратному осмосу, затем по ультра- и микрофильтрации, уже позднее по мембранному газоразделению и мембранной фильтрации.

Открылся центр по исследованию и производству мембран во Владимире (ВНИИС), выпускающий ацетилцеллюлозные, а в последствие, и другие типы мембран.

Интенсивные исследования велись и в Менделеевском университете, где заведующим кафедрой процессов и аппаратов химической технологии был Ю.И. Дытнерский.

Здесь проводились исследования по большинству направлений мембранной технологии: исследовался механизм полупроницаемости мембран, разрабатывались способы их получения, конструировались и создавались мембранные аппараты, разрабатывались способы расчёта мембранных процессов и аппаратов. Именно в РХТУ им. Д.И.

Менделеева была основана кафедра мембранной технологии, которая до настоящего времени является единственной кафедрой в России, выпускающей специалистов по мембранной технологии.

По мере накопления исследовательских и теоретических знаний по мембранной технологии, стали изучаться возможности ее применения в промышленности. В нашей стране начали создаваться промышленные производства мембран и мембранного оборудования, существенно расширились отрасли, в которых применялись мембраны.

В современной России мембранные технологии также занимают ведущие позиции. Усовершенствование инновационных, энергосберегающих технологий, в том числе и мембранной, является приоритетным направлением развития России. Так, решением Правительственной комиссии по научно-технической политике от 21 июля 1996 г. мембранная технология получила статус критической технологии федерального уровня [2].

Ключевые области применения мембран и систем на их основе:

  • очистка воды (37%) – бытовая и промышленная водоподготовка;
  • переработка промышленных отходов и возврат ценных веществ в производственный цикл (17%);
  • биотехнологии и медицина (9%) – получение чистой воды, сбор клеточных структур, концентрирование биологически активных веществ и препаратов, процедуры в области переливания крови и генной инженерии;
  • пищевая промышленность (14%) – получение чистой воды (для производства пива, вина, ликероводочной продукции, бутилированной воды и т.п.), извлечение белков из молочной сыворотки и другие операции молочной промышленности и т.п.;
  • химическая промышленность (11%) – разделения, очистка, изменение концентрации жидких смесей, выделение всевозможных летучих веществ;
  • разделение газовых смесей (12%) – нефтегазодобывающая и нефтегазоперерабатывающая промышленности, обогащение кислородом воздуха и т.п.

Основной объем мембран потребляется в перечисленных выше шести областях, преимущественно для фильтрации жидких сред (88%).

В настоящее время, кроме перечисленных выше областей, мембраны начинают применяться и в ряде других: каталитические мембраны, сенсоры для контрольно-измерительной аппаратуры и другие производства.

Возможно, многие применения мембран еще не открыты. Как сказал Ричард Боуэн: «Если ты устал от мембран, значит, ты просто устал от жизни» [3].

Список использованной литературы

  1. Nollet J..A. Lecons de physique-experimental. – Paris: Hippolyte-Louis Guerin, 1748
  2. Приоритетные направления развития науки и техники. Критические технологии Федерального уровня (утв. Правительственной комиссией по научно-технической политике 21.07.96 №2727П-П8, №2728П-П8).
  3. Мулдер М. Введение в мембранную технологию. Пер. с англ. – М.: Мир, 1999. – 513 с.

Источник: https://diasel.ru/article/istoriya-vozniknoveniya-i-razvitiya-membrannoj-tehnologii/

Medic-studio
Добавить комментарий