8.13. Szőrési gyakorlat laboratóriumi membránszőrı berendezésen I. Ultraszőrés (ultrafiltration, UF) 8.13.1. Elméleti összefoglaló Az ultraszőrı 5...500 nm átmérıjő makromolekulák, kolloid részecskék (molekulatömeg 500 és 100000 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 0.1...1 µm vastagságú pórusos hártya, amely 0.3...0.5 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. 8.13.1.1. Oldószertranszport a membránon át 8.13.1.1.1. 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
Tiszta desztillált vízzel 24 óra üzemeltetés után, amikor a szőrlet térfogatárama már állandó, mért adatokat mutat a 8.13-1. ábra. 8.13-1. 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 (8.13-2. ábra) 8.13-2. ábra Tiszta víz szőrése 205
8.13.1.1.2. 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 (8.13-3. ábra). R 206 molekulatömeg vágási érték: 54000 molekulatömeg vágási érték: 11500 8.13-3. 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
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. 8.13.1.1.3. 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 8.13-4. 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 8.13-4. ábra. Gélréteg kialakulása x 207
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 (8.13-5. ábra). A membrán e viszonylag alacsony nyomásnál még nem nyomódik össze. 8.13-5. 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
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