Мембранная фильтрация

Мембранная фильтрация — процесс селективного выделения веществ при помощи тонкоструктурированных мембран. С помощью давления или слабого вакуума можно проводить процесс в непрерывном (диафильтрация) или периодическом (ультрафильтрация) режимах.

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТОДА

При диафильтрации объем раствора остается постоянным вследствие непрерывной подачи растворителя, в то время как при ультрафильтрации объем раствора уменьшается и таким образом достигается концентрирование раствора. Для диафильтрации существует следующая зависимость между концентрацией объемом:

1п(С₀/С_к) = У_к/У₀,

где С„ — начальная концентрация, С_к — конечная концентрация, У_к — конечный объем, У_о — начальный объем.

В случае ультрафильтрации зависимость имеет следующий вид:

С_К=(У_О/У_Р)"С_О,

где У_р — объем после разбавления.

Мембранная фильтрация проводится под давлением, причем в большинстве случаев избыточное давление составляет 0,2—1,5 МПа. В процессе фильтрации раствор хорошо перемешивают, чтобы исключить вероятность возникновения концентрационной поляризации т.е. образования на поверхности фильтра вторичной мембраны — пограничного слоя с более высокой концентрацией анализируемых веществ. Образование вторичной мембраны влечет за собой изменение пределов пропускания и частичный проскок целевого вещества.

ПРИБОРЫ

Для мембранной фильтрации используют приборы, рассчитанные на различные объемы рабочего раствора: ячейки с дисковыми мембранами и встроенными мешалками объемом 10—1000 мл и ячейки с мембранами в виде полых волокон, рассчитанных на объемы более 1 л. Для изготовления ячеек применяют инертные пластики (оргстекло, поликарбонат, тефлон и др.) и частично — нержавеющую сталь.

Мембранные фильтры представляют собой тонкие пленки с микропористым рабочим слоем, проницаемым для молекул определенных размеров. Мембраны имеют губчатую структуру с объемом пустот до 60—80%.

Мембраны толщиной 50—250 мкм изготавливают из производных целлюлозы, полиамида, поливинилхлорида, полисульфона и тефлона. Чаще всего они построены асимметрично и состоят из высокопористой подложки, которая несет на себе тонкий рабочий слой (50—150 нм). Удерживающая способность мембран характеризуется номинальной отсекаемой молярной массой (НОММ). На практике необходимо указывать размер глобулярных частиц, удерживаемых мембраной. Иногда эту величину ошибочно отождествляют с размерами пор мембраны. Номинальный размер означает, что на мембране удерживается лишь 90—98 % вещества указанной мольной массы. Значение НОММ зависит не только от молярной массы, но и от формы и заряда молекул, а также от сорбционных свойств мембраны по отношению к целевому веществу. Приводимые в таблицах значения НОММ характеризуют главным образом поведение сферических незаряженных молекул. Вещества равной или большей молярной массы, молекулы которых вытянуты в длину или имеют форму статистического клубка, т.е. являются менее компактными, могут пройти сквозь мембрану. В табл. 1.8 для ряда веществ приведены степени удерживания на мембране ОМ-10 (Ра. Алисой), НОММ = 104 г ? моль^-1. Обычно этот параметр указывают просто числом — 10000. В лабораториях используют мембраны

с минимальной НОММ порядка 103—106 г ? моль^-1. Обычные мембранные фильтры устойчивы при температурах 50—120 °С, а также в кислых и основных средах при pH от 1 до 13 (табл. 1.9).

В зависимости от условий эксплуатации мембраны можно использовать 10—20 раз без заметного изменения воспроизводимости результатов.

В большинстве случаев мембранная фильтрация проводится в водной среде; однако существуют мембраны для работы в органических растворителях.

Мембраны в виде полых волокон представляют собой пучки пористых капилляров с внутренним диаметром 0,2—1,0 мм. Они характеризуются большой рабочей поверхностью, что позволяет быстро обрабатывать большие объемы рабочих растворов. Раствор образца при проведении диафильтрации помещают в стакан, дистиллированная вода или буфер подаются насосом в полые волокна в необходимом направлении.

При ультрафильтрации в полых волокнах циркулирует рабочий раствор, а в стакане собирается фильтрат. Для работы с небольшими объемами растворов применяются мембраны в форме конических вкладышей в центрифужные пробирки.

Таблица 1.8

Степень удерживания веществ с различными молярными массами на мембране иМ—Ю (Ба. Аппсоп), НОММ =104 при рабочем давлении 380 кПа

С мембранными фильтрами следует обращаться крайне осторожно, так как рабочий слой легко повреждается. Рекомендации: использовать пинцеты с тупыми круглыми концами.

При использовании мембран следует руководствоваться рекомендациями фирмы-изготовителя. Общие рекомендации: мембрану следует не менее 1 ч выдерживать в дистиллированной воде, после чего несколько раз промыть водой в чашке Петри. Условия хранения: в 10%-м этаноле, который следует заменять каждые 2—4 недели.

Таблица 1.9

Совместимость мембран различных типов с растворителями (а — нитроцеллюлоза; б — ацетилцеллюлоза; « регенерированная целлюлоза; г — политетрафторэтилен)

Условные обозначения: (+) совместима; (—) несовместима.

Для стерилизации мембраны выдерживают в 5 %-м формалине или в 75%-м этаноле 24 ч, затем мембраны несколько раз промывают дистиллированной водой, после чего выдерживают в автоклаве при 120°С в течение 30 мин.

Мембраны сохраняют влажными, так как при высыхании они тотчас садятся.

ПОРЯДОК РАБОТЫ

Приготавливают раствор вещества (рекомендуется 5—10%-ная концентрация), заполняют им ячейку для фильтрации, устанавливают предохранительный клапан.

Нагнетают давление в ячейке и включают магнитную мешалку.

Фильтрацию продолжают до достижения необходимой степени концентрирования или же до полного отсутствия в фильтрате низкомолекулярных компонентов.

Следует строго придерживаться следующего правила: при диафильтрации объем фильтрата должен по крайней мере в 10 раз превышать объем исходного раствора.

После окончания фильтрации отключают мешалку, снимают давление, концентрат отбирают пипеткой. При больших объемах рекомендуется отбирать целевой раствор в круглодонную колбу с помощью вакуумного насоса.

При количественной обработке необходимо определить содержание вещества в концентрате (путем взвешивания сухого остатка, рефрактометрически , спектрофотометрически).

ИСТОЧНИКИ ОШИБОК

Слишком низкая скорость фильтрации из-за высокой концентрации исходного раствора или из-за того, что НОММ мембраны не соответствует молекулярной массе целевого вещества.

Слишком низкое давление или вакуум.

Форма и заряд молекул целевого вещества отрицательно сказываются на проницаемости мембраны (формируется прочный пограничный слой).

ОФОРМЛЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

В рабочем журнале указывают количество вещества в концентрате в г/л или%.

Пример: выход 4,5 г (82%, М > 10⁴, мембранный фильтр ХУ).

Можно также указать размеры мембраны, объем раствора, объем фильтрата, продолжительность процесса.

ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ

Очистка биополимеров и синтетических полимеров от примесей.

Обессоливание растворов и замена буфера.

Концентрирование (наиболее мягкий и энергосберегающий способ удаления растворителя).

Фракционирование макромолекул (каскадный фильтр).

Применение в клиниках: подготовка анализов, концентрирование плазмы, сыворотки, мочи, суспензий вирусов.

Холодная стерилизация (стерилизующая фильтрация): большинство бактерий задерживается на мембранах с диаметром пор 0,2 мкм.

По сравнению с диализом преимуществом мембранной фильтрации являются высокая скорость и эффективность процесса, недостатком — высокая стоимость аппаратуры.