Кіріспе
Жартылай өткізгіш мембрана арқылы күшпен сүзгілеу. Биологиядағы ультрафильтрация (UF) – қысым немесе концентрация градиенттері сияқты күштердің жартылай өткізгіш мембрана арқылы бөлінуге алып келетін мембраналық сүзгілеудің бір түрі. Көтерілген молекулалық салмағы бар суспензиядағы қатты заттар мен еріген заттар ретентат деп аталатын бөлікте қалады, ал су мен төмен молекулалық салмағы бар еріген заттар мембрана арқылы өтіп, фильтратқа (сүзіндіге) түседі. Бұл бөліну процесі өнеркәсіпте және зерттеулерде макромолекулалық (103–106 Да) ерітінділерді, әсіресе ақуыз ерітінділерін тазарту және шоғырландыру үшін қолданылады. Ультрафильтрация микрофильтрациядан түбегейлі өзгеше емес. Екеуі де өлшем бойынша сүзу немесе бөлшектерді ұстау принципіне негізделген. Бұл мембраналық газды бөлуден түбегейлі өзгеше, ол сіңірудің әртүрлі деңгейлері мен диффузия жылдамдықтарының айырмашылығына негізделген. Ультрафильтрациялық мембраналар қолданылатын мембрананың молекулалық салмақ шегімен (MWCO) анықталады. Ультрафильтрация көлденең ағын немесе тұйық ағын режимінде қолданылады.
ultrafiltration in biology
Ultrafiltration (UF) is a variety of membrane filtration in which forces such as pressure or concentration gradients lead to a separation through a semipermeable membrane. Suspended solids and solutes of high molecular weight are retained in the so called retentate, while water and low molecular weight solutes pass through the membrane in the permeate (filtrate). This separation process is used in industry and research for purifying and concentrating macromolecular (103–106 Da) solutions, especially protein solutions. Ultrafiltration is not fundamentally different from microfiltration. Both of these are separate based on size exclusion or particle capture. It is fundamentally different from membrane gas separation, which separate based on different amounts of absorption and different rates of diffusion. Ultrafiltration membranes are defined by the molecular weight cut off (MWCO) of the membrane used. Ultrafiltration is applied in cross flow or dead end mode.
Қолданбалар
Химиялық және фармацевтикалық өндіріс, тамақ және сусын өңдеу, қалдық суларды тазарту сияқты салалар ағынды қайта пайдалану немесе кешірек өнімдерге құндылық қосу мақсатында ультрафильтрацияны қолданады. Қан диализінде де ультрафильтрация пайдаланылады.
Белсенділік концентрациясы
ҰФ сүт өнеркәсібінде кеңінен қолданылады, әсіресе ірімшік сарысуын сүт ақуызы концентратын (WPC) және лактозаға бай пермеат алу үшін өңдеуде. Бір кезеңдегі ҰФ процесі сарысуды бастапқы көлемнен 10-30 есеге дейін концентрациялай алады. Сарысуды мембраналық сүзгілеуге дейін қолданылған балама әдіс – бумен қыздыру, содан кейін барабанмен немесе шашыратып кептіру болатын. Бұл әдістердің нәтижесінде алынған өнім ұсақ түйіршікті құрылымы мен ерімеушілігіне байланысты қолдану шектеулеріне ие болды. Бұрынғы әдістердің өнім құрамы тұрақсыз болды, сондай-ақ жоғары капиталдық және операциялық шығындарға түсті, ал кептіру кезінде қолданылатын артық жылу ақуыздардың денатурациялануына себеп болатын.
Концентрациялық поляризациясы
Сүзгіленген кезде мембрана бетіндегі қабылданып алынбаған материалдың жергілікті концентрациясы артады және қанығуы мүмкін. UF-та иондар концентрациясының артуы мембрананың бастапқы жағында осмостық қысымды тудыруы мүмкін. Бұл жүйенің тиімді TMP-ін төмендетеді, демек, өтімділік жылдамдығын азайтады. Мембрана қабырғасындағы шоғырланған қабаттың көбеюі кедергінің артуына байланысты, мембрана бетінен еріткіштің өтуіне қажетті күшті азайтады, нәтижесінде өтім ағыны төмендейді. CP мембраналық бөліністің барлық дерлік процестеріне әсер етеді. RO-да мембраналық қабатта ұсталған еріген заттар көлемдік ағындық концентрацияға қарағанда жоғары осмостық қысымды тудырады. Осмостық қысымды жеңу үшін жоғары қысым талап етіледі. Концентрациялық поляризация ультрафильтрацияда микрофильтрацияға қарағанда басым роль атқарады, себебі мембрананың тесіктері кішкентай. Концентрациялық поляризация ластанудан өзгеше, өйткені ол мембрананың өзіне ұзақ мерзімді әсер етпейді және TMP-ны төмендету арқылы қайта айналдырылуы мүмкін. Дегенмен, ол көптеген ластану түрлеріне маңызды әсер етеді.
Өлшемін өзгерту
Мембрана бетіндегі концентрациялық поляризация нәтижесінде иондардың концентрациясы артуы ерігіштік шегінен асып, мембрана бетінде шөгінді түзуі мүмкін. Бұл минералдық тұздардың жинақталуы порларды бітеп, ағынның төмендеуіне, мембрананың тозуына және өнімділіктің төмендеуіне алып келуі мүмкін. Шөгіндінің пайда болуы ерігіштікке және концентрациялық поляризацияға әсер ететін факторларға, соның ішінде pH, температура, ағын жылдамдығы және сіңіру жылдамдығына байланысты.
Биологиялық ластану
Микроорганизмдер мембрана бетіне жабысып, биофильм деп аталатын гель қабатын түзетін болады. Бұл пленка ағынға қарсылықты күшейтеді, өтімділікке қосымша тосқауыл ретінде танылады. Спиральдік орамды модульдерде биофильмнен пайда болатын бітелулер ағыстың теңсіз таралуына алып келіп, концентрациялық поляризацияның әсерін арттырады.
Мембраналық құрылғылар
Мембрананың пішіні мен материалына қарай, ультрафильтрация процесінде әртүрлі модульдер қолданылуы мүмкін. Саудада қолжетімді ультрафильтрация модульдерінің конструкциясы қажетті гидродинамикалық және экономикалық талаптарға, сондай-ақ белгілі бір жұмыс қысымдарындағы жүйенің механикалық беріктігіне сәйкес өзгереді. Өнеркәсіпте қолданылатын негізгі модульдер:
Құбырлы модульдер
Түтікті модульдің конструкциясы пластикалық немесе кеуекті қағаз компоненттерінің ішкі бетіне құйылған полимерлік мембраналарды қолданады, олардың диаметрі әдетте 5–25 мм, ал ұзындығы 0,6–6,4 м аралығында болады.
Hollow Fibre Spiral wound Ceramic Tubular Plate and Frame pH 2–13 2–11 3–7 Feed Pressure (psi) 9–15 <30–120 60–100 Backwash Pressure (psi) 9–15 20–40 10–30 Temperature (°C) 5–30 5–45 5–400 Total Dissolved Solids (mg/L) <1000 <600 <500 Total Suspended Solids (mg/L) <500 <450 <300 Turbidity (NTU) <15 <1 <10 Iron (mg/L) <5 <5 <5 Oils and Greases (mg/L) <0.1 <0.1 <0.1 Solvents, phenols (mg/L) <0.1 <0.1 <0.1
Құрғақ талшықты спиральді оралған керамикалық түтікті пластиналы-рамкалық pH 2–13 2–11 3–7
Тарту қысымы (psi) 9–15 <30–120 60–100
Кері шаю қысымы (psi) 9–15 20–40 10–30
Температура (°C) 5–30 5–45 5–400
Еріген жалпы заттар (mg/L) <1000 <600 <500
Суспензиядағы жалпы заттар (mg/L) <500 <450 <300
Тұрқындығы (NTU) <15 <1 <10
Темір (mg/L) <5 <5 <5
Майлар және майлы заттар (mg/L) <0.1 <0.1 <0.1
Еріткіштер, фенолдар (mg/L) <0.1 <0.1 <0.1
Hollow Fibre Spiral wound Ceramic Tubular Plate and Frame pH 2–13 2–11 3–7 Feed Pressure (psi) 9–15 <30–120 60–100 Backwash Pressure (psi) 9–15 20–40 10–30 Temperature (°C) 5–30 5–45 5–400 Total Dissolved Solids (mg/L) <1000 <600 <500 Total Suspended Solids (mg/L) <500 <450 <300 Turbidity (NTU) <15 <1 <10 Iron (mg/L) <5 <5 <5 Oils and Greases (mg/L) <0.1 <0.1 <0.1 Solvents, phenols (mg/L) <0.1 <0.1 <0.1
Процесс жобалау мәселесі
Жаңа мембраналық бөлгіш құрылысын жобалау кезінде немесе оны қолданыстағы өндіріс ошағына енгізуді қарастырғанда, көптеген факторларды ескеру қажет. Көптеген жағдайларда, жобалау процесін жеңілдету үшін осы сипаттамалардың көп бөлігін анықтау үшін тәжірибелік тәсіл қолданылуы мүмкін. Жобалаудың кейбір салалары:
Алдын ала өңдеу
Мембрананың зақымдануын болдырмау және бөлу тиімділігін күрт төмендететін ластанудың әсерін азайту үшін мембранаға жіберілген суды алдын ала өңдеу қажет. Алдын ала өңдеудің түрлері көбінесе судың түріне және сапасына байланысты болады. Мысалы, сарқынды суларды тазартуда тұрмыстық қалдықтар және басқа да бөлшектер сүзгіленеді. Көптеген ультрафильтрация процестерінде қолданылатын басқа да алдын ала өңдеу түрлеріне pH деңгейін реттеу және коагуляция жатады. Әрбір алдын ала өңдеу кезеңін дұрыс ретпен жүргізу келесі кезеңдерге зиян келтірмеу үшін маңызды. Алдын ала өңдеуді дозалау нүктелерін пайдалану арқылы да жүзеге асыруға болады.
Материал
UF мембраналарының көпшілігі полимерлік материалдардан (полисульфон, полипропилен, целлюлоза ацетаты, полилактивтік қышқыл) жасалған, бірақ жоғары температурада қолдану үшін керамикалық мембраналар қолданылады.
Көздің көлемі
ҰФ жүйесінде тесік өлшемін таңдаудың жалпы ережесі – бөлінуге тиіс бөлшектердің мөлшерінен он есе кіші тесік өлшемі бар мембрананы қолдану. Бұл тесіктерге еніп, тесік бетіне адсорбцияланатын кішірек бөлшектердің санын шектейді. Олардың орнына тесіктерге кіруге кедерес келтіріп, оларды жою үшін көлденең ағын жылдамдығын оңай реттеуге болады. Тұтқыр заттардың мөлшері аз болған топтамалық процестерде, қысымсыз конфигурациялар тиімдірек, себебі тұтқыр заттар мембрана бетінде жинақталады, сондықтан жоғары өтімділікті сақтау үшін жиі кері шаю және тазалау қажет. Ұзындығына ағын конфигурациялары үздіксіз процестерде артықшылыққа ие, себебі тұтқыр заттар мембрана бетінен үнемі шайылып, торт қабатын жұқартады және өткізуге кедерес төмендейді.
Ағын жылдамдығы
Ағын жылдамдығы, әсіресе қатты су немесе суспензиялы сұйықтықтар үшін, тым көп залалданудың алдын алуда маңызды рөл атқарады. Мембрана бетіндегі жуу әсерін күшейту үшін жоғары көлденең ағын жылдамдықтарын қолдануға болады, бұл макромолекулалар мен коллоидтық материалдың тұнуын болдырмайды және концентрациялық поляризацияның әсерін азайтады. Дегенмен, мұндай жағдайға қол жеткізу үшін қымбат сорғылар талап етіледі.
Ағынның температурасы
Мембрананың залалдануын болдырмау үшін, қондырғыны мембрана өндірушісі көрсеткен температурада жұмыс істету ұсынылады. Дегенмен, кейбір жағдайларда, ластанудың әсерін азайту үшін ұсынылған температура диапазонынан тыс температуралар қажет болуы мүмкін.
Емдеуден кейінгі
Өнім ағыстарын кейін өңдеу пермеат пен ретентаттың құрамына, олардың қолану мақсатына немесе мемлекеттік реттеуге байланысты. Мысалы, сүттен бөліп алу сияқты жағдайларда, екі ағынның да (сүт пен сарысу) жиналып, пайдалы өнімдерге айналдырылуы мүмкін. Ретентатты қосымша кептіру арқылы сарысу ұнтағы алынады. Қағаз фабрикаларында ретентат (биологиялық түрде ыдырамайтын органикалық материал) энергияны қайта алу үшін жағылады, ал пермеат (тазартылған су) су арналарына жіберіледі. Су жолдарының жылумен ластануын және оның pH деңгейінің өзгеруін болдырмау үшін пермеат суының pH теңгерімі сақталып, суытылуы қажет.