Массообмен через полупроницаемую мембрану в фармацевтической технологии

Мембраны с анизотропной структурой характеризуются высокой удельной производительностью, более медленной  закупоркой пор в процессе эксплуатации. Для мембран с изотропной структурой характерно быстрое снижение проницаемости  вследствие быстрой закупорки пор  коллоидными или взвешенными  частицами, часто содержащимися  в разделяемых растворах (5).

В нашей стране выпускаются ультрафильтрационные мембраны ацетатцеллюлозные – УАМ 100м – 75А, УАМ 150м – 125А, УАМ 200м  – 175А, УАМ 300м – 250А и УАМ 500м  – более 300А (14).

Непористые (диффузионные) мембраны обычно применяют для разделения газов, жидких смесей методами испарения через  мембрану, диализа. Они представляют собой квазигомогенные гели. через  которые растворитель и растворенные вещества проникают под действием  градиента концентраций (молекулярная диффузия).

Скорость, с которой через мембрану проходят отдельные компоненты, зависит  от энергии активации при взаимодействии переносимых частиц с материалом мембраны, а так же от подвижности отдельных звеньев мембранной матрицы и от свойств диффундирующих компонентов разделяемой смеси. Следует отметить, что скорость диффузии тем выше, чем слабее связаны между собой отдельные звенья полимерной цепи в гелевом слое, т.е. чем сильнее набухает мембрана. Поэтому для изготовления диффузионных мембран наиболее приемлемы полимерные лиофильные материалы (5).

В нашей стране выпускаются гиперфильтрационные  ацетатцеллюлозные мембраны МГА-80, МГА-90, МГА-95, МГА-100 (14).

В мембранах, получивших название жидких, основное сопротивление переносу вещества связано с диффузией этого  вещества через жидкую пленку. Вещество, проходящее через жидкую мембрану, растворяется в ней, в растворенном состоянии диффундирует через мембрану и затем переходит в другую жидкую фазу Чем тоньше мембрана, тем  быстрее протекает перенос вещества.

Процесс разделения с помощью жидких мембран может быть осуществлен в аппаратах для проведения жидкостной экстракции, например, в распылительной колонке или в роторно-дисковом экстракторе. Разрушение эмульсии после завершения процесса разделения с целью выделения из внутренней (дисперсной) фазы перенесенного вещества может быть осуществлено термическим или электростатическим методом (5, 17).

Исходя из вышесказанного понятно, что все представленные виды мембран  используются в фармацевтической технологии.

 

 

 

 

 

 

 

4. Характеристика мембранных методов  разделения

 

4.1. Обратный осмос

Обратный осмос (гиперфильтрация) относится к баромембранным процессам. Этот метод разделения был впервые  предложен в 1953 году Ч.Е. Рейдом для обессоливания воды. Процесс заключается в фильтровании растворов под давлением через полупроницаемую мембрану, пропускающие растворитель и задерживающие молекулы или ионы растворенных веществ. Давление должно превышать осмотическое во много раз (14, 16).

В основе описываемого метода лежит  явление осмоса – самопроизвольного  переноса растворителя через полупроницаемую  мембрану в раствор до достижения равновесия. Давление, при котором  устанавливается равновесие, называется осмотическим. Если со стороны раствора приложить давление, превышающее  осмотическое, то перенос растворителя будет происходить в обратном направлении, что нашло отражение  в названии процесса «обратный осмос» (5).

Осмотические давления растворов  могут достигать десятков мегапаскалей. Рабочее давление в обратноосмотических  установках должно быть значительно  больше, поскольку их производительность определяется движущей силой процесса – разностью между рабочим  давлением и осмотическим.

Формула для определения движущей силы в случае применения идеально селективной мембраны:

Δ Р = Р – П₃, где

Δ Р – движущая сила процесса, мПа;

Р – рабочее давление процесса, мПа;

П₃ – осмотическое давление раствора, мПа.

Так как мембраны не обладают идеальной  селективностью и наблюдается некоторый  переход через них растворенного  вещества, при расчете движущей силы учитывают осмотическое давление П₂ пермеата:

 Δ Р = Р – (П₃ – П₂) = Р – Δ П (6).

Достоинства данного метода заключаются  в следующем: очистка воды осуществляется без фазовых превращений, без  больших затрат энергии, в простоте аппаратурного оформления, низких экономических затратах.

Возможные недостатки: разрыв мембраны, засорение. Чтобы их избежать, процесс очистки проводят как многоступенчатый. Еще из недостатков можно отметить образование на поверхности мембраны слоя связанной воды, что затрудняет переход электролитов плохо растворимых в воде (13).

 

4.2. Ультра- и микрофильтрация

Ультрафильтрация относится к  баромембранным методам. Это процесс  разделения растворов высокомолекулярных и низкомолекулярных соединений, а также фракционирования и концентрирования высокомолекулярных соединений. Он протекает  под действием разности давлений до и после мембраны (5).

Ультрафильтрация в отличие  от мембранного процесса (обратного  осмоса) используют для разделения систем, в которых молекулярная масса  растворенных компонентов намного  больше молекулярной массы растворителя. Поскольку осмотическое давление высокомолекулярных соединений мало (не превышает десятых долей мегапаскаля), при расчете движущей силы процесса ультрафильтрации им можно пренебречь. Поэтому ультрафильтрацию проводят при сравнительно невысоких давлениях (0,2-1,0 мПа) (14).

Если же ультрафильтрации подвергают раствор достаточно высокой концентрации или если происходит отложение на мембране задерживаемого вещества, то при расчете движущей силы процесса следует учитывать осмотическое давление раствора высокомолекулярных веществ у поверхности мембраны (4).

Если мембранный процесс применяют для отделения от раствора крупных коллоидных частиц или взвешенных микрочастиц (размером порядка 0,1-10 мкм), то его называют микрофильтрацией (иногда мембранной фильтрацией). Он протекает под действием разности давлений по обе стороны мембраны (10).

Микрофильтрацию проводят при очень  небольших рабочих давлениях (порядка  десятых и даже сотых долей  мегапаскаля). Этот процесс занимает промежуточное положение между  ультрафильтрацией и обычной  фильтрацией без резко выраженных границ. Он получил широкое распространение  в электронной, медицинской, химической, микробиологической и других отраслях промышленности для концентрирования тонких суспензий (латексов), осветления (удаления взвешенных частиц) различных  растворов, очистки сточных и  природных вод. Применение микрофильтрации эффективно для подготовки жидкостей перед проведением процесса обратного осмоса и ультрафильтрации.

Ультрафильтрация является одним  из методов, широко применяемых для  выделения и очистки ферментов. В технологическом процессе получения  ферментных препаратов ее используют как для очистки ферментов  от низкомолекулярных примесей, так  и для концентрирования ферментных растворов, что сокращает объем  перерабатываемой жидкости, обеспечивая  более высокую эффективность  сушильного и другого оборудования, применяемого на последующих стадиях  процесса (5, 14).

Метод ультрафильтрации широко применяется  в очистке растворов технических  кристаллов аминокислот (лецитин). Так как концентрированные водно-аммиачные растворы технических кристаллических аминокислот содержат окрашенные балластные соединения, которые затрудняют дальнейшее выделение лецитина. При применении метода ультрафильтрации используют долгоживущие ультрафильтрационные мембраны со сроком эксплуатации до нескольких лет (1).

В промышленности часто приходится разделять разбавленные растворы, содержащие ионы электролитов с близкими свойствами. Для выделения из многокомпонентных  растворов нужного электролита  перспективно использовать комбинированный  метод, включающий комплексообразование и ультрафильтрацию. Метод состоит  в том, что ионы электролита, подлежащего  выделению, образуют с введенным  в разделяемый раствор высокомолекулярным полиэлектролитом (так называемым комплексообразователем) координационные соединения – полимерные комплексы. Размер этих комплексов намного  больше размера несвязанных ионов, поэтому при продавливании раствора через ультрафильтрационную мембрану последние вместе с растворителем  проходят через нее, образуя пермеат, а полимерный комплекс остается в  ретанте.(продукт, оставшийся над мембраной) (3).

Основные преимущества комбинированного метода – высокая избирательность, большая производительность при  незначительных энергозатратах.

Процесс можно осуществлять в условиях непрерывного режима, возможности автоматизации (4).

 

4.3. Диализ

Этот процесс основан на различии скоростей диффузии веществ через  полупроницаемую мембрану, разделяющую  концентрированный и разбавленный растворы. Поэтому его обычно применяют  для разделения веществ, значительно  различающихся по молекулярным массам (10).

Вследствие возникновения градиента  концентраций между растворами (концентрированным  и разбавленным) растворенные вещества с различными скоростями диффундируют через мембрану в сторону разбавленного  раствора. Растворитель (вода) при этом перемещается в обратном направлении. Тем самым снижая скорость переноса растворенных веществ. Скорость диализа  определяется по закону Фика. Диализ проводят в мембранных аппаратах, в основном плоско-камерного типа, а также в аппаратах с полыми волокнами. В этом случае количество вещества М, проходящего через мембрану, может быть определено по уравнению массопередачи:

М = К_g × F × ΔC_ср × τ, где

ΔC_ср – средняя движущая сила процесса;

К_g – коэффициент массопередачи (коэффициент диализа);

τ – время диализа.

К_g обычно определяют экспериментально.

В качестве полупроницаемых мембран  для диализа используют целлофан, пленки из нитратов и ацетатов целлюлозы, микропористый поливинилхлорид. Диализ обычно применяют для извлечения из растворов низкомолекулярных  соединений в медицинской и химической промышленности, производстве ряда биохимических  препаратов. В ряде случаев, особенно если допустимо применение повышенного  давления над разделяемым раствором, диализ вытесняется более интенсивным  мембранным методом – ультрафильтрацией. Диализ относится к диффузно-мембранным процессам (5).

 

4.4. Испарение через мембрану

Данный метод относится к  диффузно-мембранным процессам.

Испарение через мембрану – процесс  разделения жидких смесей, основанный на различной скорости переноса компонентов  смеси через полупроницаемую  мембрану вследствие различных значений их коэффициентов диффузии (8).

Из исходного раствора через  мембрану в токе инертного газа или  путем вакуумирования отводятся  пары, которые затем конденсируются в конденсаторе. При разделении происходит растворение вещества в материале  мембраны (сорбция), диффузия его через  мембрану и десорбция в паровую  фазу с другой стороны мембраны. Состав паров зависит от температуры процесса, материала мембраны, состава разделяемой смеси. Для увеличения скорости процесса раствор нагревают до 30-60⁰С, а в паровой зоне создают разрежение (11).

Для процесса разделения испарением через мембрану применяют пористые и непористые мембраны, обычно на основе различных полимеров (полипропилена, полиэтилена), неорганических материалов (керамика). Эти мембраны обладают большим  гидродинамическим сопротивлением, поэтому их целесообразно изготовлять  композитными – в виде закрепленных на пористых подложках ультратонких селективных пленок. Наибольшая селективность  и проницаемость наблюдается  у лиофильных систем, т.е. когда полярность мембраны и компонента совпадают. Наиболее перспективно применение данного метода для разделения азеотропных смесей (10).

Испарение через мембрану перспективно для разделения углеводородов различных  классов, водных растворов органических кислот, очистки сточных вод, смещения равновесия в химических реакциях путем удаления одного из продуктов (воды при этерификации) (9).

 

4.5. Электродиализ

Данный процесс является электромембранным.

Электродиализ – разделение растворов  под действием электродвижущей  силы, создаваемой в растворе по обе стороны разделяющей его  перегородки – мембраны. Эти мембраны изготовлены из полимерных или неорганических материалов, проницаемых для любых  ионов; служат для отделения электролитов от неэлектролитов. Ионообменные мембраны применяют для обессоливания  растворов электролитов или фракционирования ионов.

Кроме разделения электролитов по знаку  зарядов их ионов электродиализ  можно использовать для разделения одноименных ионов на основе различных  скоростей их переноса через мембрану. В последние годы электродиализ широко применяют для извлечения минерального сырья из природных соляных вод (5).