Введение

Фильтрация под давлением через полупроницаемую мембрану. Ультрафильтрация в биологии.
Ультрафильтрация (УФ) – это разновидность мембранной фильтрации, в которой силы, такие как давление или градиенты концентрации, приводят к разделению веществ через полупроницаемую мембрану. Взвешенные частицы и растворенные вещества с высокой молекулярной массой задерживаются в так называемом ретентате, в то время как вода и растворенные вещества с низкой молекулярной массой проходят через мембрану в фильтрате (пермеате). Этот процесс разделения используется в промышленности и научных исследованиях для очистки и концентрирования макромолекулярных (103–106 Да) растворов, особенно белковых. Ультрафильтрация не принципиально отличается от микрофильтрации. Оба процесса основаны на разделении по размеру или удержанию частиц. Это принципиально отличается от мембранного разделения газов, которое основано на различной степени поглощения и различной скорости диффузии. Ультрафильтрационные мембраны характеризуются пределом молекулярной массы (MWCO) используемой мембраны. Ультрафильтрация может применяться в режиме поперечного потока или в режиме с тупиковым потоком.

Приложения

Такие отрасли, как химическое и фармацевтическое производство, переработка продуктов питания и напитков, а также очистка сточных вод, применяют ультрафильтрацию для повторного использования технологических потоков или повышения ценности конечной продукции. Ультрафильтрация также используется при гемодиализе.

Концентрация белка

Ультрафильтрация широко используется в молочной промышленности, особенно в переработке сыворотки для получения концентрата сывороточного белка (WPC) и лактозосодержащего пермеата. В одном цикле ультрафильтрация позволяет сконцентрировать сыворотку в 10–30 раз по сравнению с исходным объемом. Первоначально альтернативой мембранной фильтрации сыворотки являлось использование нагрева паром с последующей сушкой в барабанных сушилках или распылительной сушкой. Продукты, полученные этими методами, имели ограниченное применение из-за своей гранулированной структуры и нерастворимости. Существующие методы также характеризовались непостоянным составом продукта, высокими капитальными и эксплуатационными затратами, а также часто приводили к денатурации белков из-за высоких температур, используемых при сушке.

Поляризация концентрации

При фильтрации местная концентрация задержанного вещества на поверхности мембраны увеличивается и может достигать насыщения. В ультрафильтрации повышенная концентрация ионов может создавать осмотическое давление на стороне подачи. Это снижает эффективное трансмембранное давление (TMP) системы, что приводит к уменьшению скорости фильтрации. Увеличение концентрационного слоя у мембранной стенки снижает поток фильтрата из-за возрастающего сопротивления, которое уменьшает движущую силу для транспортировки растворителя через поверхность мембраны. Концентрационная поляризация влияет практически на все доступные процессы мембранного разделения. В обратном осмосе растворенные вещества, удерживаемые в мембранном слое, приводят к более высокому осмотическому давлению по сравнению с концентрацией в объеме потока. Следовательно, для преодоления этого осмотического давления требуется более высокое давление. Концентрационная поляризация играет более важную роль в ультрафильтрации, чем в микрофильтрации, из-за малого размера пор мембраны. Концентрационная поляризация отличается от обрастания тем, что не оказывает длительного воздействия на саму мембрану и может быть устранена путем снижения TMP. Однако она оказывает значительное влияние на многие виды обрастания.

Масштабирование

В результате концентрационной поляризации на поверхности мембраны повышенные концентрации ионов могут превышать пределы растворимости и выпадать в осадок на поверхности мембраны. Эти отложения неорганических солей могут закупоривать поры, вызывая снижение производительности, деградацию мембраны и потерю продукции. Образование отложений сильно зависит от факторов, влияющих как на растворимость, так и на концентрационную поляризацию, включая pH, температуру, скорость потока и скорость просачивания.

Биоопухоль

Микроорганизмы прикрепляются к поверхности мембраны, образуя гелевый слой, известный как биопленка. Эта пленка увеличивает сопротивление потоку, выступая в качестве дополнительного барьера для проницаемости. В спирально-навитых модулях засоры, образованные биопленкой, могут приводить к неравномерному распределению потока и, следовательно, усиливать эффекты концентрационной поляризации.

Мембранные устройства

В зависимости от формы и материала мембраны для процесса ультрафильтрации могут использоваться различные типы модулей. Коммерчески доступные конструкции модулей ультрафильтрации варьируются в соответствии с необходимыми гидродинамическими и экономическими требованиями, а также механической устойчивостью системы при конкретных рабочих давлениях. Основные типы модулей, применяемые в промышленности, включают:

Трубчатые модули

В конструкции трубчатого модуля используются полимерные мембраны, нанесенные на внутреннюю поверхность пластиковых или пористых бумажных элементов, диаметром обычно от 5 до 25 мм и длиной от 0,6 до 6,4 м.
Полые волокна Спирально намотанные Керамические трубчатые Пластинчато-рамные pH 2–13 2–11 3–7 Давление подачи (psi) 9–15 <30–120 60–100 Давление обратной промывки (psi) 9–15 20–40 10–30 Температура (°C) 5–30 5–45 5–400 Общее содержание растворенных веществ (мг/л) <1000 <600 <500 Общее содержание взвешенных веществ (мг/л) <500 <450 <300 Мутность (NTU) <15 <1 <10 Железо (мг/л) <5 <5 <5 Масла и жиры (мг/л) <0,1 <0,1 <0,1 Растворители, фенолы (мг/л) <0,1 <0,1 <0,1

Оценка процесса проектирования

При проектировании нового мембранного сепарационного комплекса или рассмотрении возможности его интеграции в существующее производство необходимо учитывать множество факторов. Для большинства применений можно применить эвристический подход для определения многих из этих характеристик с целью упрощения процесса проектирования. К областям проектирования относятся:

Предварительная обработка

Обработка исходной воды перед мембраной необходима для предотвращения повреждения мембраны и минимизации последствий обрастания, которые значительно снижают эффективность разделения. Виды предварительной обработки часто зависят от типа исходной воды и ее качества. Например, при очистке сточных вод бытовые отходы и другие частицы подвергаются процессу просеивания. Другие виды предварительной обработки, часто используемые в процессах ультрафильтрации, включают балансировку pH и коагуляцию. Правильная последовательность этапов предварительной обработки имеет решающее значение для предотвращения повреждения последующих стадий. Предварительную обработку можно осуществлять даже путем простого добавления реагентов в определенных точках.

Материал

Большинство UF-мембран изготавливаются из полимерных материалов (полисульфон, полипропилен, ацетат целлюлозы, полилактид), однако керамические мембраны применяются в высокотемпературных условиях.

Размер пор

Общее правило выбора размера пор в системе УФ-фильтрации заключается в использовании мембраны с размером пор в десять раз меньше размера частиц, которые необходимо отделить. Это ограничивает количество более мелких частиц, проникающих в поры и адсорбирующихся на их поверхности. Вместо этого они блокируют вход в поры, что позволяет регулировать скорость перечного потока для их удаления. Конфигурации с тупиковым потоком лучше подходят для периодических процессов с низким содержанием взвешенных веществ, поскольку взвешенные вещества накапливаются на поверхности мембраны, что требует частых обратных промывок и очистки для поддержания высокой производительности. Конфигурации с перечным потоком предпочтительнее в непрерывных процессах, поскольку взвешенные вещества непрерывно удаляются с поверхности мембраны, что приводит к образованию более тонкого осадка и снижению сопротивления проницаемости.

Скорость потока

Скорость потока особенно критична для жесткой воды или жидкостей, содержащих взвеси, для предотвращения сильного обрастания. Более высокие скорости поперечного потока могут быть использованы для усиления выметающего эффекта с поверхности мембраны, тем самым предотвращая отложение макромолекул и коллоидных веществ и снижая влияние концентрационной поляризации. Однако для достижения таких условий требуются дорогостоящие насосы.

Температура потока

Чтобы избежать значительных повреждений мембраны, рекомендуется эксплуатировать установку при температуре, указанной производителем мембраны. Однако в некоторых случаях для минимизации последствий обрастания требуются температуры, выходящие за пределы рекомендованного диапазона.

Последующая обработка

Последующая обработка продуктовых потоков зависит от состава пермеата и ретентата, а также от их конечного использования или требований государственного регулирования. В таких случаях, как разделение молока, оба потока – молоко и сыворотка – могут быть собраны и переработаны в полезные продукты. Дополнительная сушка ретентата позволяет получить сывороточный порошок. В целлюлозно-бумажной промышленности ретентат (небиоразлагаемый органический материал) сжигается для выработки энергии, а пермеат (очищенная вода) сбрасывается в водоемы. Необходимо сбалансировать pH и охладить пермеат, чтобы избежать теплового загрязнения водоемов и изменения их pH.