Ультрафильтрация

 

Если средний диаметр пор мембраны превышает размер пор в процессе обратного осмоса, то через мембрану проникают все вещества с диаметром молекул 1 —10 Ậ, а белки и другие высокомолекулярные соединения задерживаются. Следовательно, вещества с молекулами диаметром от 10 до 500—1000 Ậ с помощью ультрафильтрации можно сконцентрировать (т. е. частично удалить растворитель) и очистить от низкомолекулярных примесей.

Если концентрационная поляризация обусловлена макромолекулами (т. е. значение MW велико), то обычно в соответствии с уравнением (11.24) осмотическое давление мало. В то же время накопление поляризационного слоя высокомолекулярного растворенного вещества может оказывать сопротивление массопереносу.

Для анализа процессов ультрафильтрации в зависимости от конкретной ситуации применялось несколько подходов:

1. Для очень разбавленных растворов скорость переноса растворителя через мембрану определяется собственным сопротивлением мембраны в соответствии с упрощенными уравнениями, описывающими обратный осмос при пренебрежимо малом осмотическом давлении, т. е.

2. Накапливающийся поляризационный слой макромолекул при благоприятных обстоятельствах может привести к образованию гелевой фазы, которая может оказывать заметное или даже решающее влияние на скорость процесса ультрафильтрации.

РИС. 11.29. Зависимость скорости переноса растворителя через ультрафильтрационную мембрану типа HFA-300 от отражения амилазы (верхняя шкала), рН и присутствия р-лактоглобулина; данные относятся к раствору амилазы при рН 6,0 (1): при рН 5,2 (2) и к раствору смеси амилазы с β-лактоглобулином при рН 6,0 (3) и рН 5,2 (4). Другие параметры системы: температура 30 °C; скорость вращения мешалки 900 об/мин (Re=50000); p = 0,35—1,41 кг/см² (раствор амилазы), 1,055 кг/см² (амилаза в присутствии β -лактоглобулина); 0,01 М ацетатный буфер, содержащий 0,002 М CaCl₂. [Из работы: Butterworth Т. А., Wang D. 1. е., in Fermentation Technology Today, Terui G. (ed.), p. 195, Soc. Perm, Technol., Japan, 1972.]

 

Если мы введем параметр молекулярнго сита ø = c_p/c_w, а наблюдаемый коэффициент отражения растворенного вещества R примем равным (c_f—c_p)/c_f, где c_w, c_f и c_p — концентрации вещества в геле, исходной смеси и в прошедщем через мембрану растворе соответственно, то

(11.28)

где k — коэффициент массопереноса жидкой фазы, а ρ_M — молярная плотность растворителя. Приведенные на рис. 11.29 экспериментальные данные, относящиеся к амилазе, подтверждают линейную зависимость ln[(1—R)/R] от N₁. Добавление второго высокомолекулярного соединения, β-лактоглобулина, опять приводит к линейной зависимости ln[(1—R)/R] от N₁, но величина (1— ø)/ø в этом случае больше. Следовательно, при данной скорости переноса растворителя коэффициент отражения R амилазы при диализе смеси высокомолекулярных веществ возрастает. Обратите внимание на то, что наклоны соответствующих кривых также несколько различаются, что обусловлено зависимостью сопротивления слоя геля от его состава.

Другое доказательство сопротивления геля массопереносу представлено на рис. 11.30; приведенные данные показывают, что диализ при рН 5,2, равном pК β-лактоглобулина, приводит к максимальной концентрации геля. Интуитивно можно было бы предположить, что более плотный гель скорее будет формироваться из нейтральных (т. е. находящихся в изоэлектрической точке) молекул, чем из молекул, несущих определенный результирующий заряд.

РИС. 11.30. Зависимость скорости переноса растворителя через мембрану от разности концентраций β-лактоглобулина c_f—c_p (%). Параметры системы: скорость вращения мешалки 900 об/мин, p= 1,055 кг/см² 0,01 М ацетатный буфер, содержащий 0,002 М. CaCl₂ [Из работы: Butterworth Т. А., Wang D. I. С., іn Fermentation Technology Today, Terui G. (ed.), p. 195, Soc. Ferm. Technol., Japan, 1972.]

 

Это предположение подтверждается очень резким повыщением коэффициента отражения α-амилазы при увеличении концентрации р-лактоглобулина, если рН равен pK последнего (рис. 11.31).

Эти результаты показывают, что для данного фильтрующего материала скорость переноса растворителя и отражение растворенного вещества могут быть описаны уравнением (11.28). В то же время наклон кривой ρ_Mk и отсекаемый на оси абсцисс отрезок ρ_Mkln[(1—ø)/ø] зависят от концентрации, а эффективность ультрафильтрации определяется не только величиной молекулярной массы веществ.

РИС. 11.31. Зависимость коэффициента отражения амилазы R от концентрации β-лактоглобулина в исходной смеси. Параметры системы: скорость вращения мешалки 900 об/мин; р= 1,055 кг/см²; 0,01 М ацетатный буфер, содержащий 0,002 М CaCl₂. [Из работы: Butterworth Т. А., Wang D. I. С., in Fermentation Technology Today, Terui G, (ed.), p. 195, Soc. Perm. Technol., Japan, 1972.]

 

Действительно, в приведенном выше примере более высокомолекулярная а-амилаза (молекулярная масса 48000) при низкой концентрация проникает через мембрану быстрее, чем гелеобразующий лактоглобулин (молекулярная масса 36 000) при более высокой концентрации. (Это только кажущееся противоречие; на самом деле молекулярная масса геля представляет собой довольно неопределенную величину.)