CC BY
46
УДК 66.081.6
А. Д. Коломкина, В. О. Шитова *, Е. Н. Фарносова, Г. Г. Каграманов
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия. 125047, Москва, Миусская пл., 9 (1-я Миусская ул. 3)
* e-mail: [email protected]
МЕМБРАННЫЕ МЕТОДЫ РАЗДЕЛЕНИЯ КУЛЬТУРАЛЬНОЙ ЖИДКОСТИ
Аннотация
Определены основные рабочие характеристики мембран - селективность и удельная производительность. А также зависимости удельной производительности от определяющих технологических параметров: давления и температуры.
Ключевые слова: мембраны, нанофильтрация, диафильтрация, селективность, удельная производительность, культуральная жидкость.
1.Введение
В результате ферментативного брожения бактерий в культуральной жидкости образуются, помимо целевого компонента, побочные продукты (пептиды, органические кислоты и
высокомолекулярные соединения), которые в дальнейшем требуется отделить от раствора лактата аммония [1].
Для решения данной задачи использовался процесс нанофильтрации [2].
На кафедре мембранной технологии РХТУ им. Д. И. Менделеева были проведены исследования эффективности разделения культуральной жидкости (лактата аммония) на нанофильтрационных и обратноосмотических мембранах; получены зависимости удельной производительности мембран от времени проведения процесса и величины рН исходного раствора. Эксперименты проводились на рулонных промышленно производимых модулях.
Логичным продолжением этих работа стало исследование по определению влияния основных технологических параметров на удельную производительность и селективность мембран (от высокомолекулярных соединений), а также степень извлечения целевого продукта (лактата аммония)
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
- максимально очистить культуральную жидкость от примесей;
- максимально извлечь целевой компонент из исходного раствора;
- выбрать оптимальный режим работы установки.
2. Материалы и методы исследования
Нанофильтрация - баромембранный процесс
разделения, эффективность которого определяется как зарядом мембраны, так и размером пор. [3, 4].
Для проведения экспериментов использовалась нанофильтрационная пиперазинамидная мембрана, а также рулонный модуль промышленного производства на ее основе
Опыты проводились на двух установках:
1) С рулонным мембранным элементом;
Установка включает в себя две накопительные емкости (исходная, и емкость для пермеата), насосы, манометры, ротаметры и змеевиковый теплообменник. Концентрат возвращали в исходную емкость, что позволило увеличить степень извлечения целевого компонента.
2) С плоской мембранной ячейкой;
Особенность данной установки состоит в том, что разделяемая жидкость движется по узкому щелевому каналу, что позволяет изучить гидродинамические особенности разделения. На мембранной ячейке находятся несколько пробоотборников концентрата и пермеата, что позволяет определять профиль концентраций целевого компонента и скоростей по длине ячейки. Установка также работает в циркуляционном режиме.
3. Результаты и обсуждение
На первом этапе исследований опыты проводили на установке с мембранным рулонным модулем. Определили коэффициент извлечения и селективность нанофильтрационной мембраны при разделении культуральной жидкости (рН=3,8), содержащей янтарную кислоту. Мембрана селективна по высокомолекулярным соединениям (по глюкозе, лейцину, тиамину). Данные эффективности нанофильтрационной очистки представлены в табл.1.
Где С1 и С2 - концентрации целевого компонента в исходном растворе и в пермеате, соответственно.
На втором этапе исследований опыты проводили на установке с мембранной ячейкой на нанофильтрационной мембране, разделяя культуральную жидкость, содержащую лактат аммония. Определили зависимость удельной производительности от рабочего давления (рис.1) и времени проведения процесса (рис.2).
Очевидно, что удельная производительность растет с увеличением давления, так как увеличивается движущая сила процесса. С течением же времени производительность падает при постоянном давлении, так как производился отбор пермеата и исходная концентрация росла.
Таблица.1. Эффективность нанофильтрационной очистки раствора янтарной кислоты.
Наименование компонентов Коэффициент извлечения, % с2 к£ 100% ч Селективность, % Ф = (1 - * 100%
Янтарная к-та 95,3 4,7
А-кетоглуаровая к-та 77,7 22,3
Лимонная к-та 79,7 20,3
Пировиноградная к-та 74,2 25,8
Высокомолекулярные примеси 12,8 87,2
40 „ 30 ■ а г | 20 ■ ^ 100 ■ 50 1 30 ■ X Ч 20 ■ У -1-1-1 0 ■
7
17
27
37
2 2,5
Р, бар 1, час
Рис.1. Зависимость удельной производительности от давления Рис.2. Зависимость удельной производительности от времени проведения процесса (Р=15)
Температура выбиралась, исходя из имеющихся данных по разделению лактата аммония (Т=20 0С). Хотя удельная производительность растет с увеличением температуры, нагревать лактат аммония не рекомендуется, так как снижается срок его хранения.
Продолжением данных работ будет выявление требуемого количества стадий диафильтрации для увеличения степени извлечения основного компонента, определение профиля изменений концентрации и скорости в напорном канале и пермеате.
4. Выводы.
Установлено, оптимальным
что нанофильтрация является баромембранным процессом,
позволяющим максимально извлекать целевой компонент культуральной жидкости (лактат аммония или янтарную кислоту) и одновременно очищать его от примесей высокомолекулярных соединений.
Определено, что оптимальной температурой проведения процесса является Т=293К, поскольку при этой температуре не происходит разложения целевого компонента, а удельная производительность мембраны максимальна.
Оптимальным с технико-экономической точки зрения рабочим давлением процесса является Р=25.
Для увеличения степени извлечения целевого компонента рекомендуется проводить
диафильтрацию чистой водой с применением нанофильтрационных пиперазинамидных мембран.
Коломкина Анастасия Дмитриевна студентка V курса кафедры мембранной технологии ФГБОУ ВПО «Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева», Россия, Москва
Шитова Вероника Олеговна аспирантка 1-го года обучения кафедры мембранной технологии ФГБОУ ВПО «Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева», Россия, Москва
Фарносова Елена Николаевна к. т. н., доцент кафедры мембранной технологии ФГБОУ ВПО «Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева», Россия, Москва
Каграманов Георгий Гайкович д. т. н., проф., заведующий кафедрой мембранной технологии ФГБОУ ВПО «Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева», Россия, Москва
3
Литература
1. Caixia Wang, Wei Ming, Daojiang Yan, Novel membrane-based biotechnological alternative process for succinic acid production and chemical synthesis of bio-based poly, Bioresource Technology, Volume 156, March 2014, рр: 6-13;
2. Hee-Geun Nam, Min-Gyeong Han, Sung Chul Yi, Optimization of productivity in a four-zone simulated moving bed process for separation of succinic acid and lactic acid, Chemical Engineering Journal, Volume 171, Issue 1, 15 June 2011, pp: 92-103;
3. Н. В. Голованева, Е. Н. Фарносова, Г. Г. Каграманов, Особенности механизма и влияние основных технологических параметров на характеристики нанофильтрации : Часть 1. Механизм мембранного разделения в процессе нанофильтрации, Химическая промышленность сегодня, 2014г., N 1, С.47-52;
4. Г.Г. Каграманов, Е.Н. Фарносова, Волчек К.А, Инновационные технологии в водоподготовке и очистке сточных вод, Водоочистка, водоподготовка, водоснабжение, 2009, №12, С. 36-43.
Kolomkina AnastasiaDmitrievna, Shitova Veronika Olegovna*, FarnosovaElenaNikolaevna, Kagramanov George Gaikovich
D.I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia. * e-mail: [email protected]
MEMBRANE SEPARATION METHODS CULTURE FLUID
Abstract
The main characteristics - rejection and flux of nanofiltration membrane have been determined. Influence of temperature and pressure on membrane flux has been described.
Key words: membranes, nanofiltration, diafiltration, rejection, flux, the culture liquid.
