8.2. Розділення бар за допомогою мембран

Нині в хіміко-фармацевтичній і мікробіологічній про­мисловості все в більшій мірі здобувають складні термічно і хіміч­но лабільні органічні сполуки. Потрібні для цього «м'які» умови виробництва, яким значною мірою відповідають мембранні про­цеси. Запровадження мембранних процесів дозволяє інтенсифіку­вати технологію концентрування біологічно активних речовин, скорочуючи при цьому втрати їх активності. Мембранні методи розділення сумішей, які містять біополімери, значно підвищують якість продукції.

Базою для розробки сучасних економічних мембранних про­цесів стало одержання і подальше удосконалення високоселектив-них ацетатцелюлозних і синтетичних мембран. Так, за останні 20років, що минули з часу одержання мембран з ацетату целю­лози, їхню проникність удалося збільшити приблизно в 100разів. У країнах СНД набули поширення ацетатцелюлозні мембрани «Владипор», «Міфіл» і синтетичні напівпроникні мембрани з ко-полімеру вінілпіролідону з метилметакрилатом.

За кордоном широко застосовують мембрани фірм «Абкор», «Міліпор» (США); «Шляйхер Шуель», «Сарторіус» (Німеччина); «Амікон» (Голландія); «Нуклеопор» (Великобританія); комплексні системи ДДС-РО (Данія) для ультрафільтрації і концентрування (зворотний осмос), виготовлені на основі нейлону, полівінілхло­риду, тефлону, ацетату нітроцелюлози. Вони мають високу порис­тість (84 %), хімічно стійкі і біологічно нейтральні.

Нині розробляються установки періодичної і безперервної дії з використанням апаратів плоскорамного, рулонного, трубчасто­го типів, а також із застосуванням порожнистих волокон. Також розширюється промислове виробництво мембранних фільтрів із можливістю виділення досить малих частинок: 10...0,2 мкм —при

174

175

мікрофільтрації; 0,02...0,001 мкм —при ультрафільтрації; до 0,0001 мкм — пригіперфільтрації (зворотний осмос).

Усі мембранні фільтри мають працювати в умовах широкого інтервалу температур (0—60 °С),pHсередовища (3,0—11,0).При проведенні мембранної фільтрації слід враховувати ґрадіент елект­ричного потенціалу, концентрацію або тиск.

Серед рідкофазних мембранних процесів розрізняють діаліз, електродіаліз, ультрафільтрацію, зворотний осмос.

8.2.1. ДІАЛІЗ IЕЛЕКТРОДІАЛІЗ

Явища діалізу і електродіалізу знаходять застосування при очищенні рослинних витяжок. Діаліз базується на властиво­стях молекул біополімерів, що мають великі розміри, не проходи­ти через напівпроникні мембрани, у той час як речовини з мен­шими розмірами молекул проходять через них досить вільно. Для діалізу використовують плівки желатину, целофану, колодію, ні­троцелюлози. Процес діалізу проходить зазвичай досить повіль­но, він прискорюється при підвищенні температури, збільшенні площі діалізу і прикладанні електричного струму. В останньому випадку спостерігається явище електродіалізу, до якого схильні здебільшого речовини, що розпадаються на іони.

Найпростіша установка для електродіалізу складається з ван­ни, розділеної двома напівпроникними перегородками на три відсіки. У крайній відсік опущені катод і анод, у середній — на­ливається витяжка, що піддається діалізу. Катіони під дією елект­ричного струму рухаються через напівпроникні перегородки до анода, аніони —до катода. У середньому відсіку залишаються речовини, що не проходять через напівпроникні перегородки. У процесі роботи періодично або безперервно проводять відведен­ня витяжки, розчинів продіалізованої речовини.

Електродіаліз із іонообмінними мембранами до сих пір не знай­шов широкого застосування. Є лише дослідження, які доводять можливість очищення технічних напівпродуктів, що містять ал­калоїди гіосціамін і сальсолін від високомолекулярних неіонізо-ваних речовин методом електродіалізу з гетерогенними мембра­нами МК-40 і гомогенними мембранами MK-lCC.

Дослідження також показали, що перетворення катіонітових мембран, яке відбувається в процесі електродіалізу, у форму орга­нічного іона супроводжується стисненням іонообмінних частинок гетерогенних мембран, порушенням їх зв'язку з ненабухлою ос­новою мембран і рівномірного стисненням всієї гомогенної мем­брани. У першому випадку це призводить до мікродеструкції мем­брани і до значного збільшення переносу розчинника разом із недисоційованими сполуками, що обмежує можливості очищен­ня. При застосуванні гомогенних мембран мікродеструкції при

переході у форму органічного іона не відбуваються, тому гомоген­ні мембрани більш перспективні для застосування в процесі роз­ділення природних полярних і неполярних органічних речовин.

8.2.2. УЛЬТРАФІЛЬТРАЦІЯ

Метод ультрафільтрації полягає в розділенні високо-молекулярних і низькомолекулярних сполук на селективних мем­бранах, здатних пропускати низькомолекулярні сполуки під дією тиску 98—490 кПа. Ультрафільтрація в 50—20 разів ефективні­ша за гель-фільтрацію та у 1000 разів ефективніша від очищення з використанням фракціонування етанолом. Застосування ульт­рафільтрації має ще низку переваг: виключається денатурація біл­ка, тому що процес іде без фазових перетворень при будь-якій температурі; можливі одночасне концентрування і очищення від мінеральних і низькомолекулярних органічних речовин; незнач­ні витрати енергії. Ультрафільтраційні установки відрізняються простою конструкцією та експлуатацією.

Вадою ультрафільтрації є емпіричний підхід до підбору мем­бран на певній стадії виділення БАР. Теоретично прогнозувати ультрафільтраційні властивості розчинів складного складу немо­жливо, тому що мембрани, як правило, стандартизують кислими речовинами з певною молекулярною масою. У нашій країні випу­скають ультрафільтраційні ацетатцелюлозні мембрани: УАМ 50м, УАМ 100м, УАМ 150м, УАМ 200м, УАМ 300м, УАМ 500м.

Технологія ультрафільтрації така: суспензію під тиском про­пускають через напівпроникну мембрану з великою кількістю пор дрібного діаметра (0,02—0,001 мкм), у результаті чого колоїдні частинки затримуються мембраною, а вода і молекули, що міс­тяться в ній, проходять крізь стінки ниток і накопичуються в корпусі патрона. Навіть при низькому тискові забезпечується інтенсивний потік фільтрату. Активна частина мембрани —це поверхня, по якій проходить суспензія. Розділення фракцій відбувається саме на цій тонкій поверхні. Мембрана неоднорідна по товщині, унаслідок чого опір протіканню рідини по всій її по­верхні мінімальний.

Основні виробники ультрафільтраційних установок — фірми «Альфа-Лаваль» (Швеція); «Міліпор» (США), ДДС-РО (Данія); «Амікон» (Нідерланди), АІ-ОУВ, АІ-ОУП, УЛС-3, УКТ-40, УКФ-80 (Росія).

8.2.3. ЗВОРОТНИЙ ОСМОС

Зворотний осмос (гіперфільтрація) — перехід роз­чинника (води) із розчину через напівпроникну мембрану під дією зовнішнього тиску. Надлишковий робочий тиск розчину при цьо-

176

177

му набагато більший від осмотичного. Рушійною силою зворотно­го осмосу є різниця тисків:

Для розділення речовинзастосовують мембрани двох типів:

1. Пористі з розміром пор 10^_4—10^_3 мкм (1—10А). Селектив­на проникність базується на адсорбції молекул води поверхнею мембрани і її порами. У нашій країні випускають ацетатцелюлоз-ні мембрани: УАМ-50м, УАМ-500м.

2. Непористі дифузійні мембрани утворюють водневі зв'язки з молекулами води на поверхні контакту. Під дією надлишкового тиску ці зв'язки руйнуються, молекули води дифундують у про­тилежну сторону мембрани, а на утворені вільні місця проника­ють наступні. Таким чином, вода неначе розчиняється на поверх­ні і дифундує усередину шару мембрани. Майже всі БАР, крім газів, не можуть проникати через таку мембрану. У нашій країні і країнах СНД випускають гіперфільтраційні ацетатцелюлозні мембрани МГА-80, МГА-90, МГА-100. Цифра в марці означає від­соток селективності S:

де С_х і С₂ —концентрація речовин у вихідному розчині і фільтра­ті, мг/мл. На цьому принципі працюють промислові вітчизняні установ­ки типу «Роса», УГ-1, УГ-10, продуктивністю відповідно від 0,1 до 1 і від 1 до 10 м³/доба, і закордонні фірми «Абкор» (США), ДДС-РО (Данія). Зазвичай установки зворотного осмосу призна­чені для однорідних високов'язких рідин; випускають установки двох типів: трубчасті і рулонні, застосовуючи не менше п'ятьох марок фільтраційного матеріалу, який має високу стійкість до pH (1—13), селективність і робочу температуру до 80 °С.

8.3. СОРБЦІЯ

Методи очищення БАР сорбцією в наш час набули широкого застосування в хіміко-фармацевтичній і мікробіологіч­ній промисловості.

Сорбцією називають процес поглинання газів, парів, розчине­них речовин твердими і рідкими сорбентами. Розрізняють декіль­ка видів сорбції.

Адсорбція —поглинання речовини на поверхні сорбенту. По­верхня сорбенту, як правило, дуже велика, тому що на ній є вели­чезна кількість пор. Так, поверхня 1г активованого вугілля має площу, яка дорівнює 600—1000м². Процес адсорбції має селек­тивність і дозволяє адсорбувати певні БАР із розчину.

Абсорбція — поглинання речовини всім об'ємом твердої або рідкої фази. Абсорбцію використовують, наприклад, для отримання ефірних масел. При одержанні ефірних масел анфлеражем квітки поміщають у закриту посудину над жиром, який усією своєю ма­сою абсорбує ефірне масло.

Хемосорбція —поглинання речовин з утворенням хімічних сполук. До хемосорбції належать іонний обмін, афінна і гідрофоб­на хроматографія. У виробництві БАР рослинного і тваринного походження і на основі біосинтезу, як правило, використовують адсорбцію.

8.3.1. СОРБЩЙНІ ПРОЦЕСИ

Сорбційний процес виділення речовин із розчину су­міші речовин —це поєднання процесів сорбції і десорбції. Процес десорбції розділений на два етапи: власне десорбцію, тобто одер­жання елюату, який містить цільовий продукт, і регенерацію, тобто видалення із сорбенту всіх просорбованих речовин, які до­зволяють повернути сорбент знову на стадію адсорбції.

Раціональний вибір адсорбентів, розчинників і умов їх засто­сування для одержання речовин із розчинів має базуватися на таких положеннях.

1. Адсорбент і умови адсорбції мають бути обрані так, щоб вони забезпечували переважну і максимальну сорбцію екстраго­ ваної речовини і її мінімальну залишкову концентрацію в розчині в умовах рівноваги.

2. Десорбувальний розчинник і умови десорбції повинні бути обрані так, щоб в умовах рівноваги елюат з відносно високою концентрацією речовини знаходився б у рівновазі з адсорбентом з малим вмістом речовини, тобто щоб адсорбція з десорбувально- го розчинника була б мінімальною.

Слід зазначити, що обидві ці умови невіддільні одна від одної і, отже, обраний адсорбент має забезпечувати їх виконання.

У разі сорбції на молекулярних сорбентах здійснення перших двох умов ведення адсорбційних процесів при виділенні речовин із розчинів зводиться до добору адсорбенту та умов його викорис­тання, які забезпечили б значну різницю в адсорбційних потенціа­лах з водного розчину і десорбувального розчинника.

При доборі таких умов можна виходити з теорії Поляни. Щодо розчинів адсорбційний потенціал А розчинених речовин виража­ється рівнянням:

де C—концентрація насиченогорозчину;C—рівноважна концентрація.

178

179

Відповідно до Поляни адсорбований об'єм сорбенту завжди по­вністю заповнений речовиною, що адсорбується, і розчинником. При адсорбції розчиненої речовини вона витісняє з адсорбційного об'єму частину розчинника. Тому чим більший адсорбційний по­тенціал розчинника, тим менша величина сорбції розчиненої ре­човини.

При виборі молекулярного сорбенту для виділення речовин із розчинів важливу роль відіграє так зване правило «зрівнювання» полярностей, установлене Ребіндером. Відповідно до цього прави­ла адсорбція неполярних речовин на неполярних поверхнях буде успішно відбуватися з полярних розчинників, адсорбція полярних речовин на полярних адсорбентах — із неполярних розчинників.

Як адсорбент у технології ліків застосовують пористі тверді речовини з великою питомоюповерхнею, з яких найбільш поши­рені: алюмінію оксид, силікагель (гель кислоти силікатної), вугілля активоване, кізельгур, поліаміди, поліакриламіди, сефадекси, целюлози та ін.

Адсорбцію проводять у спеціальних апаратах — адсорберах, найпростішим із них є вертикальний циліндричний апарат пері­одичної дії, заповнений адсорбентом. Спочатку через адсорбент пропускають розчин і насичують його поглинальною речовиною, потім фільтрують десорбент-розчинник або суміш розчинників, який витісняє поглинену речовину.

Для проведення безперервної адсорбції використовують уста­новки з декількох адсорберів періодичної дії, в яких поперемінно відбуваються адсорбція і десорбція.