Кіріспе
Сұйықтықты арнайы кеуекті мембрана арқылы өткізетін физикалық процесс. Микрофильтрация – ластанған сұйықтықты арнайы кеуекті мембраналық сүзгі арқылы өткізу арқылы микроорганизмдер мен ерітілмеген бөлшектерді процестік сұйықтықтан бөліп алатын физикалық сүзгілеу процесінің бір түрі. Ол көбінесе өнім ағынындағы қажетсіз қоспаларды жою үшін ультрафильтрация және кері осмос сияқты басқа да бөлу процестерімен бірге қолданылады.
Microfiltration is a type of physical filtration process where a contaminated fluid is passed through a special pore sized membrane filter to separate microorganisms and suspended particles from process liquid. It is commonly used in conjunction with various other separation processes such as ultrafiltration and reverse osmosis to provide a product stream which is free of undesired contaminants.
Жалпы қағидалар
Микрофильтрация әдетте ультрафильтрация сияқты басқа бөлу процестеріне дейінгі алдын ала өңдеу ретінде, ал түйіршіктік ортаны сүзгілеуден кейінгі өңдеу ретінде қолданылады. Микрофильтрация үшін қолданылатын бөлшектердің мөлшері шамамен 0,1-тен 10 мкм-ға дейін ауытқуы мүмкін. Молекулалық салмағы бойынша, бұл мембраналар әдетте 100 000 г/моль-ден төмен молекулалық салмағы бар макромолекулаларды бөле алады. Микрофильтрация процесінде қолданылатын сүзгілер, шөгінді, балдырлар, протозоалар немесе ірі бактериялар сияқты бөлшектердің арнайы жасалған сүзгі арқылы өтуіне жол бермейтіндей етіп жасалған. Су (H2O), натрий (Na+) немесе хлорид (Cl−) иондары сияқты моновалентті түрлер, еріген немесе табиғи органикалық заттар, кішкентай коллоидтар және вирустар сияқты микроскопиялық, атомдық немесе иондық материалдар әлі де сүзгіден өте алады. Сұйықтық, жартылай өткізгіш мембранаға 1–3 м/с шамасындағы жоғары жылдамдықпен және төменнен орташа қысымда (шамамен 100–400 кПа) параллель немесе жанама бағытта, парақ немесе түтік түрінде жіберіледі. Сұйықтықты мембраналық сүзгі арқылы өткізуге мүмкіндік беру үшін өңдеу жабдығына әдетте сорғы орнатылады. Сорғы конфигурациясы екі түрлі болады: қысыммен немесе вакууммен жұмыс істейтін. Кіретін және шығатын ағымдар арасындағы қысымның айырмасын өлшеу үшін дифференциалдық немесе тұрақты қысым өлшегіш көбінесе қосылады. Жалпы орнату схемасын 1-суреттен қараңыз. Микрофильтрациялық мембраналар ең көп су, сусын және биоөңдеу салаларында қолданылады (төменде қараңыз). Микрофильтрді қолдану арқылы өңделгеннен кейінгі шығыс процесінің ағынының қалпына келтіру деңгейі әдетте шамамен 90–98% құрайды.
Суды тазарту
Микрофильтрациялық мембраналардың ең маңызды қолданылуы – ішуге жарамды су көздерін тазарту болып табылады. Мембраналар суды қабылдау ағынының бастапқы дезинфекциясындағы маңызды қадам болып табылады. Мұндай ағында Cryptosporidium және Giardia lamblia сияқты патогендер кездесуі мүмкін, олар көптеген аурулардың пайда болуына себепкер болады. Екі түр де дәстүрлі дезинфекциялаушы заттарға (мысалы, хлорға) қарсы біртіндеп төзімділік танытады. МФ мембраналарын қолдану химиялық әдіске қарағанда физикалық бөліну (тосқауыл) құралын ұсынады. Осылайша, сүзгілеу және дезинфекциялау бірдей қадамда жүзеге асырылады, бұл химиялық заттарды қолданудың қосымша шығындарын және олармен жұмыс істеуге және сақтауға қажетті жабдықтарды болдырмайды. Сонымен қатар, МФ мембраналары екіншілік сарқынды суларда тұмандылықты жою үшін, сондай-ақ дезинфекциялауға да қолданылады. Бұл кезеңде фосфор және мырыш сияқты заттарды тұнбаға түсіру үшін (әйтпесе олар ерітілген болар еді) темір немесе алюминий сияқты коагулянттар қосылуы мүмкін.
Стерильдеу
МФ мембраналардың тағы бір маңызды қолданысы сусындар мен фармацевтикалық өнімдерді суық стерильдеуде. Бұрын, шырын, шарап және әсіресе сыра сияқты сусындарды стерильдеу үшін жылу қолданылатын, бірақ қыздыру нәтижесінде олардың дәмі айқын түрде төмендеуі байқалды. Сол сияқты, фармацевтикалық препараттар да жылу әсерінен тиімділігін жояды. МФ мембраналары осы өнеркәсіптерде сұйықтықтардан бактериялар мен басқа да қолайсыз қоспаларды жою үшін қолданылады, бұл процедура "суық стерильдеу" деп аталады және жылу қолдану қажеттілігін болдырмайды.
Мұнай өңдеу
Сонымен қатар, микрофильтрациялық мембраналар мұнай өңдеу сияқты салаларда қолданылуы жиілеуде, онда түтін газдарынан бөлшектерді жою ерекше маңызға ие. Бұл технологияның басты талаптары – мембрана модульдерінің жоғары температураға төтеп беруі (яғни, тұрақтылығын сақтауы), сондай-ақ конструкциясы өте жұқа қабатты (қалыңдығы < 2000 ангстром) қамтамасыз етуі керек, ол өтімділікті арттыруға көмектеседі. Бұған қоса, модульдердің ластануға төзімділігі төмен болуы және, ең бастысы, жүйенің экономикалық тиімді болуы үшін төмен бағада қолжетімді болуы қажет.
Сүт өнімдерін өңдеу
Жоғарыда аталған қолданыстардан өзге, МФ мембраналары сүт өнеркәсібінің маңызды салаларында, әсіресе сүт пен сарысуды өңдеуде кеңінен қолданылады. МФ мембраналары сүттен бактериялар мен олардың спораларын жоюға көмектеседі, зиянды түрлерінің өтуіне кедергі келтіреді. Бұл сондай-ақ пастеризацияға дайындық кезеңі болып табылады, бұл өнімнің сақталу мерзімін ұзартуға мүмкіндік береді. Дегенмен, осы салада МФ мембраналары үшін ең үміткер әдіс – казеиннің сарысу ақуыздарынан (яғни сарысу сүт ақуыздарынан) бөлінуі болып табылады. Нәтижесінде екі өнім ағыны пайда болады, олардың екеуі де тұтынушылар үшін аса қажет: ірімшік жасауға қолданылатын казеинге толы концентрат ағыны және сарысу ақуызы концентратын жасау үшін одан әрі өңделетін (ультрафильтрация арқылы) сарысу ақуызы ағыны. Сарысу ақуызы ағыны соңғы WPC (сарысу ақуызы концентраты) және WPI (сарысу ақуызы изоляты) ұнтақтарында ақуыздың жоғары құрамын алу үшін майдан тазартылады.
Негізгі процестің ерекшеліктері
Мембраналық сүзгілеу процестерін үш негізгі сипаттама бойынша ажыратуға болады: қозғаушы күш, ретентат ағыны және пропират ағыны. Микрофильтрация процесі қысыммен жүзеге асырылады, онда суспензиядағы бөлшектер мен су ретентат ретінде, ал еріген заттар мен су пропират ретінде қолданылады. Гидравликалық қысымды қолдану сұйық ағынының жылдамдығын (флюкс) ұлғайту арқылы бөлу процесін жеделдетеді, бірақ ретентат пен өнім ағындарындағы заттардың химиялық құрамына әсер етпейді. Микрофильтрацияның немесе кез келген мембраналық технологияның тиімділігін шектейтін маңызды фактор – ластану процесі. Ластану – бұл мембрана бетінде немесе мембрана тесіктеріндегі, бастапқы материалдың құрамындағы суспензиядағы бөлшектер, өткізбейтін еріген заттар, тіпті өткізгіш заттардың жиналуы мен қалыптасуы. Сүзгілеу процесінде мембрананың ластануы флюкс азаюына және, демек, операцияның жалпы тиімділігінің төмендеуіне әкеледі. Бұл қысымның белгілі бір деңгейге дейін өсуімен байқалады. Бұл тіпті жұмыс параметрлері тұрақты болған кезде де (қысым, флюкс, температура және концентрация) орын алады. Ластану көбінесе қайтымсыз болады, бірақ ластану қабатының бір бөлігін қысқа мерзімді тазалау арқылы жоюға болады.
Мембраналық конфигурациялар
Микрофильтрациялық мембраналар әдетте екі конфигурацияның бірінде жұмыс істей алады. Кросс-ағынды сүзгілеу: сұйықтық мембранаға қатысты жанама бағытта өткізіледі. Тазартылған сұйықтықты қамтитын бастапқы ағынның бір бөлігі сүзгінің астында жиналады, ал судың бір бөлігі мембрана арқылы тазартылмаған күйінде өтеді. Кросс-ағынды сүзгілеу процеске емес, бірлік операция ретінде қарастырылады. Процесс схемасын 2-суретте қараңыз. Тұйық ағынды сүзгілеу: барлық процестік сұйықтық ағыны және мембрана тесіктерінен үлкен барлық бөлшектер оның бетінде тоқтатылады. Барлық бастапқы су бірден торт түзеді. Бұл процесс көбінесе төмен концентрациялы ерітінділерді партиялық немесе жартылай үздіксіз сүзгілеу үшін қолданылады. Бұл процесс схемасы 3-суретте көрсетілген.
Қоршаған орта мәселелері, қауіпсіздік және реттеу
Мембраналық сүзгілеу процестерінің қоршаған ортаға тигізетін әсері қолданылуына қарай әртүрлі болғанымен, бағалаудың жалпы әдісі – өмірлік циклді бағалау (LCA), ол мембраналық сүзгілеу процестерінің барлық кезеңдеріндегі қоршаған ортаға тигізетін жүктемені талдау құралы және жерге, суға және ауаға шығарылымдарды қоса алғанда, қоршаған ортаға тигізетін барлық түрлі әсерлерді ескереді. Микрофильтрация процестеріне қатысты қоршаған ортаға тигізетін бірқатар әсерлерді қарастыру қажет. Олар: жаһандық жылыну потенциалы, фотоокистендіргіштердің пайда болу потенциалы, эвтрофикация потенциалы, адамға зияндылық потенциалы, тұщы судың экожүйесіне зияндылық потенциалы, теңіз экожүйесіне зияндылық потенциалы және құрлық экожүйесіне зияндылық потенциалы. Жалпы, процестің қоршаған ортаға тигізетін әсері көбінесе ағындылығы мен ең жоғары трансмембраналық қысымға байланысты, бірақ басқа да жұмыс параметрлері де ескерілуі тиіс факторлар болып табылады. Қандай операциялық жағдайлардың комбинациясы қоршаған ортаға ең аз жүктеме салатыны туралы нақты пікір айту қиын, себебі әр қолдану әртүрлі оңтайландыруды қажет етеді. Жалпы алғанда, мембраналық сүзгілеу процестері салыстырмалы түрде "тәуекелсіз" операциялар болып табылады, яғни қауіпті жағдайлардың болу ықтималдығы төмен. Дегенмен, ескеру қажет бірнеше аспект бар. Қысыммен жұмыс істейтін барлық сүзгілеу процестері, соның ішінде микрофильтрация, ағынды сұйықтыққа белгілі бір деңгейде қысым қолдануды және электрлік қауіпсіздік талаптарын қамтиды. Қауіпсіздікке әсер ететін басқа факторлар процестің параметрлеріне байланысты. Мысалы, сүт өнімдерін өңдеу қауіпсіздік және нормативтік стандарттарға сәйкес келу үшін бақылауды қажет ететін бактериялардың өсуіне әкелуі мүмкін.
ұқсас процестермен салыстыру
Мембраналық микрофильтрация негізінен бөлшектерді физикалық түрде бөлу үшін тесік өлшемдерінің таралуын пайдаланатын басқа да сүзілу әдістерімен ұқсас. Ол ультра/нанофильтрация және кері осмос сияқты технологияларға аналогты, алайда, айырмашылық сақталатын бөлшектердің мөлшерінде және осмостық қысымда ғана. Олардың негізгілері төменде сипатталған:
Ультрафильтрация
Ультрафильтрациялық мембраналардың тесік мөлшері 0,1 мкм-ден 0,01 мкм-ге дейін ауытқиды және ақуыздарды, эндотоксиндерді, вирустарды және кремнийді ұстап қалуға қабілетті. Ультрафильтрацияның қолданылу саласы кең, ол қалдық суларды тазартудан фармацевтикалық өндіріске дейін жетеді.
Нанофильтрация
Нанофильтрациялық мембраналардың 0,001 мкм-ден 0,01 мкм-ге дейінгі мөлшердегі тесіктері болады және олар көп валентті иондарды, синтетикалық бояғыштарды, қанттарды және белгілі бір тұздарды сүзіп тастайды. Тесік мөлшері микрофильтрациядан (MF) нанофильтрацияға (NF) дейін кешіккен сайын, осмостық қысымның қажеттілігі артады.
Кері осмоз
Кері осмоз (RO) – қол жетімді ең жоғары сапалы мембраналық бөлу процесі, оның тесік өлшемдері 0,0001 мкм-ден 0,001 мкм-ге дейін ауытқуда. Кері осмоз судан басқа барлық молекулаларды тоқтатып алады, ал тесік өлшемдерінің кіші болуына байланысты, қажетті осмостық қысым микрофильтрацияға қарағанда едәуір жоғары болады. Кері осмоз және нанофильтрация микрофильтрациядан түбірінен өзгеше, себебі ағын концентрация градиентіне қарсы бағытта жүзеге асырылады, өйткені бұл жүйелер суды төмен осмостық қысымнан жоғары осмостық қысымға күшпен өткізу үшін қысымды пайдаланады.
Соңғы өзгерістер
МФ саласындағы соңғы жетістіктер мембраналар жасау және коагуляцияны күшейту үшін қосымша заттарды өндіру процестеріне бағытталған, осылайша мембрананың ластануын азайтуға мүмкіндік береді. МФ, УФ, НФ және РО өте жақын байланысты болғандықтан, бұл жетістіктер тек МФ ғана емес, бірнеше процестерге қатысты. Жақында жүргізілген зерттеулер көрсеткендей, сұйылтылған KMnO4 преоксидациясы FeCl3-пен біріктірілгенде коагуляцияны күшейтеді, нәтижесінде ластану азаяды, әсіресе KMnO4 преоксидациясы мембрананың қайта келтірілмейтін ластануын азайтуға септігін тигізеді. Жоғары өтімді поли(триметилентерефталат) (ПТТ) наноталшықты мембраналар құрылысы бойынша да зерттеулер жүргізілді, олар өнімділікті арттыруға бағытталған. Мембрананың ішкі құрылымын арнайы жылулық өңдеу және өндіру процестері жоғары өтімділік жағдайында TiO2 бөлшектерінің 99,6% тоқтатылатынын көрсетті. Нәтижелер бұл технологияны жоғары өтімді мембраналар арқылы тиімділігін арттыру үшін қолданыстағы салаларға қолдануға болатынын көрсетеді.