8.13. Szőrési gyakorlat laboratóriumi membránszőrı berendezésen I. Ultraszőrés (ultrafiltration, UF)

Átírás

1 8.13. Szőrési gyakorlat laboratóriumi membránszőrı berendezésen I. Ultraszőrés (ultrafiltration, UF) Elméleti összefoglaló Az ultraszőrı nm átmérıjő makromolekulák, kolloid részecskék (molekulatömeg 500 és Dalton között) leválasztására, koncentrálására ill. frakcionálására szolgál. A membránon a víz molekulák, sók és a kisebb móltömegő molekulák is átjutnak. A hajtóerı a membrán két oldalán fellépı nyomáskülönbség, az ún. transzmembrán nyomás. Az alkalmazott membrántól függıen a nyomás 2 és 10 bar között van. Ultraszőréshez aszimmetrikus szerkezető membránokat használnak; a membrán mőködı rétege µm vastagságú pórusos hártya, amely mm vastagságú szivacsos szerkezető, szállal erısített hordozó réteg felületén helyezkedik el. Mőveleti szempontból a membránoknak két fontos jellemzıje van: a tiszta víz áteresztı képesség (pure water permeability) és az elválasztó képesség (elválasztási görbe, vágási érték). A membrán tiszta víz áteresztı képessége a pórusok méretétıl és felület egységre esı számától függ. A mőködı réteg pórusainak átlagos mérete a membrán elválasztóképességét, méretének szórása az elválasztás élességét szabja meg. Ultraszőrésnél a szőrendı oldat a membrán felülettel párhuzamosan áramlik. A szőrlet (permeatum) az áramlásra merılegesen jut át a membránon (keresztáramú szőrés, cross-flow filtration). A laboratóriumi szakaszos mérésnél a tangenciális áramlást a szőrıcellában a síkmembrán felett intenzív keveréssel biztosítjuk Oldószertranszport a membránon át Tiszta desztillált víz szőrése Kolloid részecskéket nem tartalmazó oldatok szőrésénél az oldószertranszport a membránon keresztül a HAGEN-POISEUILLE egyenlettel irható le: 2 JV = V Ft =εd p 32ηl (8.13-1) ahol J V szőrlet (víz) térfogatáram-sőrőség (m 3 /m 2 s), V szőrlet térfogat (m 3 ), F membránfelület (m 2 ), t idı (s), ε porozitás, pórusfelület hányad, p nyomáskülönbség (Pa), d pórus átmérı (m), η szőrlet dinamikai viszkozitása (Pas), l mőködı réteg vastagsága (m). Az (8.13-1) egyenlet a következı formában is irható: J = p η R (8.13-2) V m ahol R m a membrán ellenállás (m -1 ). 204

2 Tiszta desztillált vízzel 24 óra üzemeltetés után, amikor a szőrlet térfogatárama már állandó, mért adatokat mutat a ábra ábra Tiszta víz szőrése A linearitástól való eltérés oka, hogy a nyomás növelésével a membrán összenyomódik, ellenállása nı. A térfogatáram csökkenése a szőrési idıvel a membrán (az aktív- és a támasztóréteg) összenyomódására utal. A hımérséklet emelésével a membrán jobban összenyomódik ( ábra) ábra Tiszta víz szőrése 205

3 Makromolekulákat tartalmazó oldatok szőrése Szétválasztási határ A pórusos mikro- és ultraszőrı membránok a pórus átmérınél nagyobb részecskéket visszatartják (szitahatás). A visszatartás (retention) definíciója: cp R = 1 (8.13-3) cr ahol c P és c R az oldott anyag koncentrációja a szőrletben (permeátum) ill. a betöményített oldatban (koncentrátum, retentát). A visszatartás az oldott makromolekulák méretétıl (molekulatömegétıl: M [g/mol] = Dalton), alakjától és a pórusméret-eloszlástól függ. A visszatartást az oldott anyag molekulatömegének függvényében ábrázoljuk ( ábra). R 206 molekulatömeg vágási érték: molekulatömeg vágási érték: ábra. Visszatartás görbe A visszatartási görbe meredeksége a pórus méret eloszlástól függ, minél kisebb a szórás a pórus átmérıben, annál meredekebb a görbe. Az ultraszőrı membrán jellemzésére a tiszta vízzel mért áteresztıképesség mellet a 90%-os visszatartáshoz tartozó szétválasztási határt is megadják (molekulatömeg vágási érték, cut-off érték [g/mol]). A membrán a szétválasztási határnál nagyobb móltömegő anyagoknak legalább 90%-át visszatartja. A cut-off érték definíciószerően globuláris fehérjék visszatartására vonatkozik. A vizsgálathoz fehérjestandardokat használnak. Az adott móltömegő fehérjékkel külön-külön megmérik a visszatartást, mérve a koncentrátum és a szőrlet fehérje tartalmát. E módszer hátránya, hogy a mérés hosszadalmas, elınye viszont, hogy a koncentráció meghatározás (pl. spektrofotomeriával) viszonylag egyszerő. E

4 módszernél lényegesen gyorsabb eljárás a különbözı móltömegő fehérjék keverékével végzett membránszőrés, majd a minták gélkromatográfiás elemzése. E módszerrel követhetjük a visszatartás idıbeli változását is. A cut-off érték idıbeli változásából következtethetünk a membrán szorpciós tulajdonságára, összenyomhatóságára. A globuláris fehérjék mellet egyéb makromolekulákat (pl. polietilénglikolt, dextránt) is használnak a membránok tesztelésére. Mivel ezek az anyagok nem globulárisak, ezért visszatartásuk függ az alkalmazott nyomástól. A kapott mintákat gélkromatográfiásan analizálják. A betáplálás és a permeátum kromatogramjaiból számítógépes értékeléssel megkapjuk a visszatartást. E mérési módszer célja nem a cut-off érték meghatározása, hanem a különbözı típusú membránok szétválasztóképességének összehasonlítása és a membrán gyártás ellenırzése. A cut-off érték ismerete az alkalmazástechnikai kutatás kezdetén, a megfelelı membrán típus kiválasztásánál fontos. A membrán valódi visszatartására és szelektivitására csak a konkrét anyaggal végzett mérések során kapunk választ Koncentráció polarizáció, gélréteg képzıdés Az ultraszőrésnél a membrán szelektív áteresztıképessége miatt egy vagy több oldott komponens a betáplálási oldalon a membrán felület közelében a határrétegben feldúsul. Ezt a jelenséget koncentráció polarizációnak nevezik. Ha a makromolekulák koncentrációja eléri az oldhatósági határt ( c 1 g ), akkor gélréteg keletkezik a membrán felületén. A jelenséget a ábra szemlélteti, ahol c 1 g a gélképzıdési határkoncentráció, c 1 b az oldat belsejében mérhetı koncentráció. permeátum betáplálás c 1g J J c 1 D dc 1 dx c 1b c 2 = 0 0 σ membrán gél határréteg ábra. Gélréteg kialakulása x 207

5 A membránszőrés bevezetıjében a (8.13-4) egyenlettel megadtuk a koncentrációs polarizáció differenciálegyenletének általános megoldását. Olyan membránt feltételezve, ahol rendkívül éles az elválasztás (R=1), azaz a permeátumban mérhetı c 2 koncentráció zérusnak tekinthetı, a (8.13-4) összefüggés egyszerősödik: J = c w k ln 1. (8.13-4) c 1b Az UF mőveletére alkalmazva az egyenletet, olyan speciális esettel állunk szemben, ahol a mőveletre jellemzı térfogatáram (J) és anyagátadási tényezı (k) értékek egy viszonylag nagy értékő koncentráció hányadost eredményeznek. Ha a membrán felületénél a koncentráció meghaladja a gélképzıdési határkoncentrációt, az (8.13-4) egyenletben c 1w helyett c 1g szerepel. A gélréteg ellenállása a membránéhoz viszonyítva jelentıs. A makromolekulákat tartalmazó oldatok szőrésénél a koncentrációs polarizáció miatt a J- p összefüggés nem lineáris. Azonos áramlási sebesség esetén a nyomáskülönbség növelésével J aszimptotikusan elér egy határértéket (J ). Ez a határérték az oldat koncentrációjának (c 1b ) növelésével csökken ( ábra). A membrán e viszonylag alacsony nyomásnál még nem nyomódik össze ábra Protein oldat szőrése (Substrat: Bovalbumin) Mivel c 1g a szőrendı makromolekula anyagi tulajdonsága, adott c 1b esetén J értékét az anyagátadás sebessége határozza meg. 208

6 c ( J k) 1g = 1b exp (8.13-5) c Azonos áramlási sebességnél a különbözı c 1b oldatkoncentrációkkal meghatározott J értékeket log - log diagramban ábrázolva egyenest kapunk, melynek iránytangense a k anyagátadási koefficiens: ln J k ln c g k ln c (8.13-6) 1 1 b = Az anyagátadási tényezı a Re számtól és a Sc számtól függ [l. Elméleti összefoglalás a membránszétválasztó mőveletekhez (8.12-7) egyenlet], ebbıl következik, hogy az oldat tulajdonságai és az áramlási viszonyok nagy jelentıséggel rendelkeznek az ultraszőrés mőveletnél. Ezzel magyarázható tehát az oldatok ultraszőrési mőveleténél a magas térfogatáram értékeknél tapasztalható nyomástól független állandó térfogatáram érték, valamint az áramlási viszonyok befolyásoló szerepe. Az áramlási sebességet növelve nı a gélrétegre ható nyíró erı, és ezáltal csökken a gélréteg vastagsága. Gélréteg kialakulásra pektint, zselatint és proteint tartalmazó oldatok szőrésénél kell számítani. Az ultraszőrô modulokkal feldolgozható oldatok jellemzıi: A lapmembrán modullal viszkózusabb oldatok szőrhetık, mint a kapilláris modullal és nagyobb szilárd anyag koncentráció érhetı el. A spiráltekercses modul tiszta, szilárd anyagot nem tartalmazó, közepes viszkozitású oldatok szőrésére alkalmas. A szilárd anyag könnyen eltömheti az áramlási csatornákat, tisztítása nehéz. A csımembrán modul a legkevésbé érzékeny a szilárd részecskék méretére. A csımembrán modullal fermentlevek koncentrálhatók. Mikroorganizmus szuszpenzió szőrésénél 30% szilárd anyag tartalom érhetı el. Nagyviszkozitású oldatok is feldolgozhatók e modullal. A kapillárismodul közepes viszkozitású, finom szilárd részecskéket, mikroorganizmusokat tartalmazó oldatok koncentrálására, tisztítására alkalmas. 209