Мембранные технологии и их применение

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Мембранные технологии и их применение

Мордовская А.А. Кубанский государственный технологический университет

Мембранные процессы играют важную роль в очистки биотехнологических продуктов. В начале мембранные системы были разработаны для других промышленных применений. В течение последних 2-х десятилетий, новые мембраны начали применять специально для удовлетворения потребностей биотехнологической промышленности. Мембранная технология фокусируется на особенностях мембранных систем, которые сейчас используются для стерильной фильтрации, осветления, удаления вирусов, концентрации белка, буферного обмена и очистки рекомбинантных белковых продуктов.

Биомембраны - надмолекулярные структуры. Это защитный элемент, который является неотъемлемой составляющей клетки любого живого организма. Их толщина очень мала (10 нм). Они представляют собой двумерные структуры - липидный бислой, который включен в белковые молекулы, гликопротеины, гликолипиды. Все компоненты удерживаются вместе с помощью нековалентных (в основном гидрофобных) взаимодействий кооперативного характера. Соотношение липидов и белков в биологических мембранах зависит от происхождения и последним в диапазоне от 5:1 до 1:4 Биомембрана - это общее название пленочных структур 6-10 нм в толщину, подобного состава и строения, которые сводятся к трем основным функциям:

1. отграничить клетку от ее окружения или разделить ячейку на отдельные пространства, называемые компартментами, тем самым образуя различные клеточные органеллы;

2. обеспечить сотрудничество и обмен материалами между клеткой и внешней средой, а также между органеллами и внутриклеточной средой.

3. генерирование биоэлектрического потенциала, аккумулирование и трансформация энергии.

Изучение биологических мембран имеет важное значение для понимания жизненно важных функций организма, чтобы определить механизм патологии и правильного подхода к созданию комплексных медицинских мероприятий.

Назначение биологических мембран:

1. Транспортировка веществ.

2. Обеспечение основных биоэнергетических процессов (синтез АТФ при окисленные фосфолипиды генерируется биопотенциалов, распад АТФ на нервно-мышечной активности).

3. Участие во всех видах приспособления организма.

Мембранная технология - принцип организации и осуществления процесса разделения веществ через полупроницаемую перегородку. Он отличается отсутствием поглощения разделяемых компонентов и низкими энергетическими затратами на процесс разделения.

Мембранные технологии применяются для очистки и разделения смесей. Смесь - система, состоящая из двух или более веществ. Это происходит следующим образом: сосуд разделен на две части мембраной, секция 1 наполнена смесью из веществ A и B. К обоим веществам прилагается движущая сила. Движущей силой мембранных процессов могут служить градиенты давления, концентрации, температуры или электрического потенциала. Мембрана может различаться два типа молекул: по форме и по химическому составу. Разделение будет достигнуто, но только в определенной степени. Мембрана не может полностью разделить смесь. На систему действует энергия в виде работы или тепла. Основной принцип всех процессов разделения- для их осуществления требуется некое минимальное количество энергии. Следовательно, два вещества A и B будут самопроизвольно смешиваться, если свободная энергия продукта (смеси) меньше, чем сумма свободных энергий индивидуальных веществ. Минимальное количество энергии (Wmin), необходимое для достижения полного разделения, равно или больше, чем свободная энергия смеси ?Gm:

Wmin ? ?Gm = ?Hm - T?Sm

Мембранная технология по сравнению с традиционными приемами (фильтрация и др.) занимает важное место в разделении жидкостных систем.

К основным мембранным методам относят:

1. обратный осмос,

2. ультрафильтрацию,

3. микрофильтрацию,

4. диализ,

5. электродиализ,

6. газоразделение.

1. Осмос (от греч. osmos - толчок, давление) - это свойство раствора перетекать из слабого в концентрированный. А обратный осмос - это прогрессивная система, в которой с помощью давления принуждают раствор проходить через полупроницаемую мембрану из более концентрированного в менее концентрированный раствор, то есть в обратном для осмоса направлении. При этом мембрана пропускает раствор, но не пропускает большинство растворённые в нём веществ.

2. Ультрафильтрация - это метод отделения мелких частиц из коллоидных растворов с использованием фильтрации под давлением. Этот метод чаще всего применяют при отчистке воды (сохранив ее минеральный состав) и при обработке молочной продукции.

Применение ультрафильтрации имеет еще ряд преимуществ:

а) исключается денатурация белка, так как процесс идет без фазовых превращений при любой температуре;

б) возможны одновременное концентрирование и очистка от минеральных и низкомолекулярных органических веществ; в) незначительные затраты энергии;

3. Микрофильтрация - это мембранный процесс, наиболее близкий к обычной фильтрации. Он основан на использовании мембран, которые позволяют только определенным компонентам конкретной жидкости или газа входить в систему, без учета других нежелательных элементов.

Этот метод применяется для стерилизации и осветления всех видов напитков (чаще всего для очистки молока от бактерий) и лекарственных препаратов, в пищевой и фармацевтической промышленностях, получения ультрачистой воды в полупроводниковой промышленности. Также применяется в области биотехнологий и биомедицинских технологий.

4. Диализ - процесс освобождения растворов высокомолекулярных веществ и коллоидных растворов от низкомолекулярных соединений. Для этого используют полупроницаемую мембрану. Мембраны изготовлены из коллодия, целлофан, биологических перепонок, синтетических материалов и др. Процесс диализа часто крайне низок.

В промышленности диализ используют для очистки различных веществ, например, в производстве искусственных волокон, при изготовлении лекарственных веществ.

Также в медицинских целях к диализу прибегают для удаления из организма токсических веществ при различных отравлениях, почечной и печеночной недостаточностях и других заболеваниях, в процессе которых способность организма к выводу вредных веществ снижена до критического уровня.

5. Электродиализ - метод, основанный на направленном движении ионов электролита к электродам, подключенного к сети постоянного тока. Его используют для задержки ионов металла у электрода, то есть для смягчения воды.

6. Дистилляция - термомембранный процесс, движущей силой которого является градиента температуры. Две жидкости для проведения процесса мембранной дистилляции должны быть разделены микропористой мембраной и поддерживаться при различных температурах. Разность давлений по разные стороны от мембраны должна быть ниже капиллярного давления. Происходит конденсация пара на стенке, охлаждаемой циркулирующей жидкостью. С помощью этого метода можно получить пресную воду.

7. Газоотделение осуществляется за счет различной скорости диффузии компонентов смеси через мембраны. Подвижный газ в основном проходит через мембрану, действуя согласно градиенту концентрации. Газ, поступающий в мембранный модуль, проходит сначала через фильтры, потом вдоль мембраны. На выходе получается два разделенных потока: остаточный газ (ретентат) и проникший поток (пермеат). В зависимости от поставленной задачи продуктом является один из этих потоков. Например, используются для выделение углекислого газа при добыче природного и нефтяного газов.

Мембранные методы глобально рассматриваются в химической и пищевой промышленностях, в медицине и сельском хозяйстве. Эти методы широко используется для очистки, изменения концентрации и разделения жидких смесей на составляющие элементы. В промышленности мембранные технологии используются в качестве простых компонентов, так и в многостадийных процессах.

Обратный осмос, ультрафильтрацию, микрофильтрацию, электродиализ, диализ, дистилляция, газоразделение - основные мембранные методы, действующие на основе давления. Мембранные системы становятся все более и более используемые в повседневной жизни. Это стало возможным благодаря научно-техническому прогрессу. Но будущие разработки в области мембранной технологии продолжаются. Их главная цель - удовлетворение растущего спроса на более высокую производительность, более низкую себестоимость производства и увеличение скорости разработки в биотехнологической промышленности.

биологический мембрана осмос смесь

Список литературы

1. Применение pdm-технологий в управлении качеством пищевой продукции - Боровская Л.В., Молова О.Э. В сборнике: Устойчивое развитие, экологически безопасные технологии и оборудование для переработки пищевого сельскохозяйственного сырья; импортоопережение. Сборник материалов международной научно-практической конференции. 2016. С. 66-68.

2. Исследование термодинамических свойств белково-полисахаридной системы методом дифференциальной сканирующей калориметрии. Бугаец Н.А., Тамова М.Ю., Боровская Л.В., Миронова О.П. Известия высших учебных заведений. Пищевая технология. 2003. №5-6. С. 112-113.

3. Физколлоидная химия (электронный учебно-методический комплекс) Боровская Л.В. Международный журнал экспериментального образования. 2009. №4. С. 9-10.

Размещено на Allbest.ru