Мембранная фильтрация, ее применение в биотехнологии

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 распространенные промышленные мембранные процессы классифицируются согласно характера движущей силы:

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 подается 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 создает поток, который движется вдоль поверхности мембраны, предотвращая образование осадка, на ее 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). Четкой границы между данными классами не существует, т.к. в какой-то момент даже форма молекул начинает играть определенную роль. 

Наиболее распространенная классификация выделяет 4 разновидности:

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. 

Необходимое давление при проведении фильтрации:

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 объемов 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.