Биотехнологии. Теоретические основы мембранных процессов. (Лекция 6) презентация

РАЗДЕЛЕНИЕ СМЕСЕЙ – ОДНИ ИЗ ОСНОВНЫХ ИНЖЕНЕРНЫХ ЗАДАЧ В БИОТЕХНОЛОГИИ В биотехнологических производствах приходится решать множество инженерных задач, связанных с разделением жидких смесей, в частности, с целью выделения, очистки и концентрирования продуктов биосинтеза. В настоящее время эти задачи решают, в основном, с помощью традиционных методов, таких, например, как фильтрование, сепарирование, вакуум-выпаривание, осаждение белков нейтральными солями или органическими растворителями, криоконцентрирование и др. Однако реализация этих процессов связана с рядом технических трудностей, например: применением расходных материалов; повышенными энерго- и трудозатратами; жесткими условиями проведения процессов; применением химических реагентов, сорбентов, растворителей; многостадийностью; сложностью автоматизации; повышенными потерями целевого продукта и пр.

БИОЛОГИЧЕСКИЕ МЕМБРАНЫ – ОДНО ИЗ УСЛОВИЙ СУЩЕСТВОВАНИЯ ЖИВОЙ ПРИРОДЫ Между тем, за миллионы лет эволюции живых организмов природой выработан уникальный способ разделения смесей с помощью полупроницаемых мембран. Так, все жизненно важные процессы (обмен веществ, дыхание, синтез белка и пр.) в живой природе протекают благодаря наличию в животных и растительных клетках естественных полупроницаемых барьеров, называемых биологическими мембранами. Термин “мембрана” латинского происхождения и переводится буквально как кожица или перепонка.

БИОЛОГИЧЕСКИЕ МЕМБРАНЫ

МЕМБРАНЫ: ОТ БИОЛОГИЧЕСКИХ К ИСКУССТВЕННЫМ Высочайшая избирательность и эф-фективность трансмембранного массо-переноса в биологических мембранах на протяжении многих десятилетий привлекали внимание ученых и нап-равляли их к поиску путей прак-тического использования феноме-нальных возможностей полупрони-цаемых мембран в технологических целях. Однако это стало практически осуществимо лишь во второй поло-вине ХХ столетия, когда в результате бурного развития химии полимеров впервые были получены искусст-венные полупроницаемые мембраны с заданными технологическими свойст-вами, пригодные для промышленного использования.

КЛАССИФИКАЦИЯ МЕМБРАННЫХ ПРОЦЕССОВ Полупроницаемые мембраны используют для разделения как жидких, так и газообразных смесей, поэтому мембранные процессы разделяют на: жидкофазные, газофазные. К основным жидкофазным процессам относят: микрофильтрацию, ультрафильтрацию, нанофильтрацию, обратный осмос, диализ; электродиализ.

ПРИНЦИП МЕМБРАННОГО РАЗДЕЛЕНИЯ ЖИДКИХ СМЕСЕЙ (на примере ультрафильтрации)

ПРОЦЕССЫ МЕМБРАННОГО РАЗДЕЛЕНИЯ – САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ ГРУППА ПРОЦЕССОВ

МИКРОФИЛЬТРАЦИЯ Микрофильтрация с физической точки зрения является обычным процессом фильтрования и подчиняется тем же кинетическим закономерностям. Поэтому часто в литературе микрофильтрацию называют также мембранной фильтрацией. По своей физической сути и технологическим возможностям микрофильтрация занимает промежуточное положение между традиционным фильтрованием и ультрафильтрацией. При микрофильтрации используют мембраны с размером пор более 100 нм, при этом ими могут задерживаться частицы размерами от 0,1 до 10 мкм, в том числе дрожжевые клетки, бактерии, вирусы, коллоидные частицы, твердые микровзвеси. Частицы с более крупными размерами будут, естественно, также задерживаться мембраной, однако для их отделения наиболее эффективно обычное фильтрование. Рабочее давление в процессе микрофильтрации обычно не превышает 0,2 МПа.

ОРГАНИЗАЦИЯ РЕЖИМА МЕМБРАННОГО РАЗДЕЛЕНИЯ ПРИ МИКРОФИЛЬТРАЦИИ

УЛЬТРАФИЛЬТРАЦИЯ Ультрафильтрация - процесс мембранного разделения жидких смесей под действием давления, основанный на различии молекулярных масс или молекулярных размеров компонентов разделяемой смеси. Ультрафильтрацией разделяют микромолекулы от макромолекул. Ультрафильтрацию применяют для выделения высокомолекулярных соединений с молекулярной массой более 500 дальтон, к которым относятся полисахариды, белки, ферменты, пирогены и т.п. Линейные размеры таких веществ, задерживаемых мембраной, не менее, чем на порядок превышают размеры молекул растворителя и составляют обычно более 510-3 мкм. Величина рабочего давления при ультрафильтрации не превышает, как правило, 1 МПа, так как осмотические давления растворов высокомолекулярных соединений при концентрации сухих веществ до 40% незначительны и существенного влияния на движущую силу процесса не оказывают.

ОБРАТНЫЙ ОСМОС Обратный осмос - процесс мембранного разделения, в котором осуществляется преимущественное проникновение через полупроницаемую мембрану растворителя и некоторых низкомолекулярных компонентов под действием давления, превышающего осмотическое давление раствора. Обратный осмос используют для выделения из раствора микромолекул и ионов, размеры которых имеют тот же порядок, что и молекулы растворителя. Обратным осмосом могут быть сконцентрированы частицы размером более 510-4 мкм и вещества с молекулярной массой до 500 дальтон, к которым относятся гидратированные неорганические ионы, моно- и дисахара, соли, аминокислоты, антибиотики и т.п. При обратноосмотическом концентрировании растворов в концентратах может быть сохранено соотношение между растворенными компонентами. Рабочее давление в процессе обратного осмоса может достигать 10 МПа.

НАНОФИЛЬТРАЦИЯ Нанофильтрация – процесс мембранного разделения с применением промышленных ультрафильтрационных мембран, поверхностный слой которых химически модифицирован. Благодаря этому они обладают высокой селективностью по отношению к низкомолекулярным электролитам, сохранив, к тому же, высокую удельную производительность при относительно низких (до 1,5 МПа) рабочих давлениях, что выгодно отличает нанофильтрацию от традиционного обратного осмоса. Поэтому нанофильтрацию так же называют низконапорным обратным осмосом.

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ВОЗМОЖНОСТИ БАРОМЕМБРАННЫХ ПРОЦЕССОВ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ВОЗМОЖНОСТИ БАРОМЕМБРАННЫХ ПРОЦЕССОВ

ЛИНЕЙНЫЕ И МАССОВЫЕ ПАРАМЕТРЫ НЕКОТОРЫХ ВЕЩЕСТВ И ЧАСТИЦ

ОСМОС – АНОМАЛЬНАЯ ДИФФФУЗИЯ

ОСМОТИЧЕСКОЕ ДАВЛЕНИЕ РАСТВОРОВ Закон Вант-Гоффа: осмотические давления растворов прямо пропорциональны концентрации растворенного вещества и абсолютной температуре раствора:

К ОБЪЯСНЕНИЮ ПРИНЦИПА ОБРАТНОГО ОСМОСА

ДВИЖУЩАЯ СИЛА ОБРАТНОГО ОСМОСА

ДВИЖУЩАЯ СИЛА ОБРАТНОГО ОСМОСА

ОСНОВНЫЕ СЕПАРАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МЕМБРАННЫХ ПРОЦЕССОВ РАЗДЕЛЕНИЯ Селективность – способ-ность мембраны иметь раз-личную проницаемость по от-дельным компонентам разде-ляемой смеси. Селективность является качественным показателем функционирования мембра-ны и численно выражается величиной, характеризующей изменение соотношения ком-понентов в исходной смеси и в пермеате. Селективность мембраны зависит от диаметра пор и разброса их по размеру.

ОСНОВНЫЕ СЕПАРАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МЕМБРАННЫХ ПРОЦЕССОВ РАЗДЕЛЕНИЯ Удельная производительность м3/(м2ч) мембраны является количественной оценкой проницаемости мембраны и характеризуется количеством пермеата, проходящего через единицу площади поверхности мембраны за единицу времени.

ОСНОВНЫЕ СЕПАРАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МЕМБРАННЫХ ПРОЦЕССОВ РАЗДЕЛЕНИЯ Коэффициент концентри-рования по объему – харак-теризует степень концент-рирования исходной смеси.

ОСОБЕННОСТИ И ПРЕИМУЩЕСТВА МЕМБРАННЫХ ПРОЦЕССОВ РАЗДЕЛЕНИЯ Возможность одновременной очистки и концентрирования целевого продукта; Осуществление процесса разделения без фазовых изменений и межфазных переносов, как правило, при оптимальной температуре, определяемой технологическими требованиями производства; Безреагентность; Возможность разделения вязких смесей (до 4 Па·с); Возможность осуществления процесса в герметичных условиях; Экономичность; Простота и компактность аппаратурного оформления.

СОЧЕТАНИЕ СВОЙСТВ БИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОДУКТОВ С ОСОБЕННОСТЯМИ И ВОЗМОЖНОСТЯМИ МЕМБРАННЫХ СИСТЕМ

КОНЦЕНТРАЦИОННАЯ ПОЛЯРИЗАЦИЯ – ОСНОВНАЯ ПРОБЛЕМА ЖИДКОФАЗНЫХ МЕМБРАННЫХ ПРОЦЕССОВ Трансмембранный массоперенос при разделении жидких сред через пористые мембраны сопровождается специфическим явлением, называемым концентрационной поляризацией, которая характеризуется повышенной концентрацией задерживаемого компонента у поверхности мембраны. В газофазных мембранных процессах с применением диффузионных мембран явление концентрационной поляризации не возникает.

НЕГАТИВНЫЕ ПОСЛЕДСТВИЯ КОНЦЕНТРАЦИОННОЙ ПОЛЯРИЗАЦИИ

К ОБЪЯСНЕНИЮ ВОЗНИКНОВЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИОННОЙ ПОЛЯРИЗАЦИИ

МОДУЛЬ ПОЛЯРИЗАЦИИ

АНАЛИТИЧЕСКОЕ ВЫРАЖЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИОННОЙ ПОЛЯРИЗАЦИИ

ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА КОНЦЕНТРАЦИОННУЮ ПОЛЯРИЗАЦИЮ

МЕРЫ ПО СНИЖЕНИЮ ВЛИЯНИЯ КОНЦЕНТРАЦИОННОЙ ПОЛЯРИЗАЦИИ

МЕХАНИЗМЫ ТРАНСМЕМБРАННОГО МАССОПЕРЕНОСА Пористая модель (уравнение Пуазейля)

Капиллярно-фильтрационная модель Капиллярно-фильтрационная модель

КАПИЛЛЯРНО-ФИЛЬТРАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ ТРАНСМЕМБРАННОГО МАССОПЕРЕНОСА Примембранные слои жидкости могут существенно отличаться структурой и свойствами (вяз-костью, растворяющей способ-ностью и пр.) от жидкости в объеме. А поскольку «связан-ная» с мембраной вода является плохим растворителем, то ее примембранные слои могут быть не проницаемы для тех веществ, которые в ней не растворяются.

Основное уравнение массопередачи: k - коэффициент массопередачи - количество массы вещества, которая передается в единицу времени через единицу поверхности при разности давлений в 1 МПа.

КОЭФФИЦИЕНТ МАССОПЕРЕДАЧИ

РАЗЛИЧИЕ В СОПРОТИВЛЕНИИ ТРАНСПЕМБРАННОМУ МАССОПЕРЕНОСУ ОБУСЛОВЛЕНО РЯДОМ ПРИЧИН: различием в размере и форме разделяемых частиц; различием в скорости диффузии; различием в растворимости; различием в электрических зарядах; различием в молекулярных массах и др.

ДИАФИЛЬТРАЦИЯ Диафильтрация – два и более одинаковых мембранных процесса, осуществляемых последовательно, между которыми полученный промежуточный концентрат высокомолекулярных целевых продуктов разбавляют растворителем. Технологическая цель диафильтрации – более полная очистка высокомолекулярных целевых продуктов от низкомолекулярных балластных примесей с помощью полупроницаемых мембран.

ПРИМЕР ДИАФИЛЬТРАЦИИ (идеальная модель) Ультрафильтрация

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ДИАФИЛЬТРАЦИИ Возможность очистки высокомолекулярных соединений только лишь от низкомолекулярных примесей, молекулярная масса которых существенно (примерно на порядок) отличается от молекулярной массы целевого продукта. Балластные примеси с молекулярными массами того же порядка и более при диафильтрации так же концентрируются, то есть очистка от них не производится.

АФФИННАЯ ХРОМАТОГРАФИЯ Для очистки биологически активных веществ наиболее эффективны хроматографические методы, среди которых - аффинная хроматография. Специфические возможности аффинной хроматографии позволяют очистить целевой продукт белковой природы не только от низкомолекулярных, но и от всех прочих, в том числе, высокомолекулярных примесей. На лабораторном уровне хроматографические методы очистки белков, пожалуй, не имеют себе равных. Однако при реализации аффинной хроматографии в промышленном масштабе приходится сталкиваться с рядом существенных технических трудностей, в частности:

АФФИННАЯ УЛЬТРАФИЛЬТРАЦИЯ В основе аффинной ультрафильтрации лежит совмещение методов аффинной хроматографии и мембранного разделения, в частности микрофильтрации. Благодаря этому в рассматриваемой комплексной технологической операции органично сочетаются преимущества аффинной хроматографии (очень высокая избирательность) и мембранного разделения (непрерывность и высокая эффективность разделения веществ с различными молекулярными массами).

АФФИННАЯ УЛЬТРАФИЛЬТРАЦИЯ Аффинно-мембранное разделение основано на способности многих биологически активных соединений, в том числе ферментов, избирательно и обратимо связываться с некоторыми другими веществами, которые принято называть лигандами или аффинными лигандами. В качестве лигандов могут выступать высокомолекулярные водорастворимые полимеры или твердые частицы небольшого размера, (крахмальные гранулы, инактивированные дрожжевые клетки и пр.), которые легко могут быть отделены от несвязанных белков ультра- или микрофильтрацией.

ПРИНЦИП АФФИННОЙ УЛЬТРАФИЛЬТРАЦИИ

ПРИНЦИП АФФИННОЙ УЛЬТРАФИЛЬТРАЦИИ

ПРИНЦИП АФФИННОЙ УЛЬТРАФИЛЬТРАЦИИ

ПРИНЦИП АФФИННОЙ УЛЬТРАФИЛЬТРАЦИИ

ПРЕИМУЩЕСТВА АФФИННОЙ УЛЬТРАФИЛЬТРАЦИИ возможность очистки целевых белковых продуктов от всех без исключения балластных примесей; интенсификация процесса выделения и очистки белковых продуктов; возможность высокоэффективной очистки белковых продуктов в непрерывном режиме в промышленном масштабе; сокращение технологических стадий; снижение расхода химических реагентов; повышение выхода белковых целевых продуктов.

ПРИМЕРЫ АФФИННОЙ УЛЬТРАФИЛЬТРАЦИИ Очистка трипсина из поджелудочной железы свиней: Трипсин селективно связывают с водорастворимым полимером – акриламидом (ММ более 100 000), и этот комплекс задерживают мембраной. Выделение трипсина из комплекса осуществляют добавлением аргинина или бензамидина. Выход трипсина составляет около 77%. Очистка лизина: Лизин селективно связывают с водорастворимым полимером – производным целлюлозы (ММ 10 000…100 000), и далее смесь разделяют на мембране из полисульфон-амида с размером пор 0,45 мкм. Выделение лизина из комплекса осуществляют добавлением кислоты. Выход лизина составляет около 82…85%.

ПРОБЛЕМА АФФИННОЙ УЛЬТРАФИЛЬТРАЦИИ Пожалуй, единственной трудностью при реализации аффинной ультрафильтрации является необходимость индивидуального подбора лиганда для конкретного продукта белковой природы и определение условий комплексообразования и диссоциации комплексов.

МИКРОФИЛЬТРАЦИЯ - ЭФФЕКТИВНЫЙ МЕТОД БАКТЕРИАЛЬНОЙ ОЧИСТКИ ЖИДКИХ СРЕД Применение мембран со средним диаметром пор 0,2 мкм обеспечивает гарантированное получение стерильных раство-ров.

ПРЕИМУЩЕСТВА МИКРОФИЛЬТРАЦИИ (по сравнению с другими методами стерилизации жидкостей)