Мембранная фильтрация – это разделение веществ в растворах на полупроницаемых мембранах. Разделение осуществляется под действием приложенной извне движущей силы (электрическое поле, разница концентраций или под давлением). Это позволяет осуществить разделение дисперсных систем на составляющие – отделить более крупные и более мелкие частицы.

Самые распространённые промышленные мембранные процессы классифицируются согласно характеру движущей силы:

Градиент электрического поля	Градиент концентрации	Градиент давления
электродиализ электрофорез	перемеация диализ газоразделение первапорация	микрофильтрация ультрафильтрация нанофильтрация обратный осмос

Нас интересует тот мембранный процесс, в котором градиент давления является движущей силой. Иначе он называется «баромембранный процесс». Продукт проходит через полупроницаемую мембрану под действием перепада давления (жидкость подаётся в систему под давлением с помощью насоса).

Различают тупиковую и тангенциальную фильтрации. Тупиковая схема организации потока характерна для механической фильтрации. При тангенциальной фильтрации проток продукта осуществляется вдоль мембраны. Схематично обе схемы приведены на рисунке ниже.

Тангенциальная и тупиковая фильтрация имеют ряд отличий. Как видно из рисунка, в тупиковой ф. поток жидкости направлен перпендикулярно поверхности фильтра, а при тангенциальной ф. он движется коллинеарно ей. Различаются также свойства фильтрационного материала, степень разделения, конструктивное оформление.

В установках тангенциальной фильтрации циркуляционный насос создаёт поток, который движется вдоль поверхности мембраны, предотвращая образование осадка на её поверхности в процессе фильтрации. В отличие от тупиковой, фильтрация в тангенциальном потоке позволяет вести процесс фильтрации в непрерывном режиме, без блокирования пор мембраны, сохраняя стабильность производственного процесса.

Классификация мембранной фильтрации обычно основана на размерах выделяемых частиц (т.е. частицы какого размера не проходят через фильтр, а остаются в растворе). Чёткой границы между данными классами не существует, т.к. в какой-то момент даже форма молекул начинает играть определённую роль.

Наиболее распространённая классификация выделяет 4 разновидности:

Микрофильтрация (МФ)	Ультрафильтрация (УФ)	Нанофильтрация (НФ)	Обратный осмос (ОО)
размер частиц от 0,05 до 10 мкм	частицы и растворённые вещества размером от 0,001 до 0,05 мкм (5–500 кДа)	молекулы размером от 0,0005 до 0,001 мкм (400–1000 Да)	молекулы и ионы размером менее 0,0005 мкм (молекулярным весом меньше, чем 400 Да)

Стерилизующая фильтрация, согласно таблице, принадлежит к типу МФ. Размер пор стерилизующего фильтра составляет 0,22 мкм. Это обусловлено размером клеток микроорганизмов, от которых требуется очистить раствор. Клетки различных бактерий в «спящем» состоянии значительно уменьшаются в размерах (до 0,2…0,3 мкм), при том, что их стандартный размер составляет 0,5…2,0 мкм.

Размерные характеристики данных процессов представлены в таблице ниже.

Название	Молекулярный вес, Да	Размер, Å	Относительный размер
Общая фильтрация		1·10^7	Ионообменная смола
Общая фильтрация		8·10^6	Диаметр швейной иглы
Общая фильтрация		6·10^6	Капля дождя
Общая фильтрация		4·10^6	Амёба
Общая фильтрация		2·10^6	Кварцевый песок
Общая фильтрация		1·10^6	Диаметр человеческого волоса
Общая фильтрация		8·10^5	Толщина полиэтиленовой плёнки
Общая фильтрация		6·10^5	Пыльца
Общая фильтрация		4·10^5	Частица ила
Общая фильтрация		2·105	Капля тумана
Общая фильтрация		1·10^5	Лейкоцит
Микрофильтрация		8·10^4	Хлоропласт
Микрофильтрация		6·10^4	Толщина асбестового волокна
Микрофильтрация		4·10^4	итохондрия
Микрофильтрация		2·10^4	Кишечная палочка
Микрофильтрация		1·10^4	Частица глины
Микрофильтрация		5000	Табачный дым
Микрофильтрация		2000	Бактериофаг
Микрофильтрация	1 000 000	1000	ВИЧ
Ультрафильтрация	500 000	800	Желатин
Ультрафильтрация	300 000	400	Вирус гепатита Б
Ультрафильтрация	100 000	100	Эндотоксины
Ультрафильтрация	50 000	80	Альбумин
Ультрафильтрация	30 000	40	Сахароза
Ультрафильтрация	10 000	20	Фосфолипид
Обратный осмос	1 000	10	Фуллерен
Обратный осмос	200	8	Глюкоза
Обратный осмос	100	5	Ионы растворимых солей
Обратный осмос	50	3	Молекула воды
Обратный осмос		2	Атом цезия

Необходимое давление при проведении фильтрации:

• МФ, УФ и НФ – относительно низкое (≤12 кгс/см²);
• ОО ≥20 кгс/см².

Материал мембран для фильтрации может быть различным. Предлагаем использовать классификацию, приведённую в таблице ниже:

Природные мембраны	Синтетические мембраны
Мембраны живых организмов Липосомы	Органические мембраны жидкие полимерные Неорганические мембраны керамические металлические графитовые стеклянные

Как видно из вышеизложенного материала, разнообразие типов мембран достаточно велико. И это надо учитывать при разработке решения под каждую конкретную задачу. Например, для очистки и концентрирования ферментного препарата (14 кДа) у одного из заказчиков мы использовали мембрану с порогом отсечения 150 кДа для удаления балластных высокомолекулярных белков, а для концентрирования полученного на первой стадии фильтрата уже использовали мембрану с порогом отсечения 10 кДа. Для стерилизующей фильтрации, как упоминалось выше, мы рекомендуем использовать мембраны 0,22 мкм.

Удовлетворить всем требованиям в одной установке практически невозможно. Поэтому для выделения конкретного продукта следует подбирать наиболее оптимальное решение в вопросе выбора конструкции фильтрационной системы и в вопросе подбора типа мембран. Под конструкцией фильтрационной системы надо понимать фильтродержатель с фильтроэлементами (заглавная картинка статьи), насосное оборудование, а также необходимую арматуру для автоматизации.

Компания БИОТЕХНО разрабатывает и поставляет различные системы тангенциальной фильтрации (фильтры TAMI, кассеты Millipore и другие фильтры по вашему желанию).

Для тестирования процесса фильтрации в лабораторном масштабе в компании есть набор керамических мембран (фильтры TAMI) с малой площадью поверхности. С помощью данного набора можно произвести оценку корректности подбора мембран, применимости технологии тангенциальной фильтрации к конкретной задаче. Для проведения тестов не требуется большого количества исследуемого продукта.

Гарантировать масштабируемость технологического процесса позволяет пилотная фильтрация. Данные системы обладают большей площадью фильтрации в сравнении с лабораторными системами. Такие установки являются отличным инструментом для проверки различных фильтрационных элементов (полимерных, керамических), для проведения опытных тестов и даже для небольшого производства.

Для выделения и концентрирования больших объёмов продукции требуются системы промышленного масштаба. Промышленные системы могут комплектоваться различными типами мембран. Такие системы отличаются высокой производительностью, стабильностью и применяются в разнообразных областях промышленности. Фильтрация крайне востребована на биотехнологических, фармацевтических и пищевых производствах. Компания БИОТЕХНО разрабатывает специализированные системы фильтрации под задачи заказчиков.