Содержание:
Введение
1. Конструкция и принципы работы мембранных системБИОКОН.
2. Применений мембранных систем БИОКОН.
Введение
Мембранные процессы фильтрации и,в частности, ультрафильтрация и микрофильтрация являются сепарационнымипроцессами, которые протекают под давлением с использованием пористыхполимерных или неорганических материалов. Эти процессы за последние 30 лет нашлиширокое применение в различных отраслях промышленности для очистки иликонцентрирования жидких сред.
Объем продаж мембран имембранного оборудования непрерывно увеличивается с ежегодным темпом ростапримерно на 10-12 %. Например, в 1986г. мембранный рынок составлял $3,2 млрд.,в 1990г. – $6,1 млрд., а в конце 90-х годов должен был составить по оценкамэкспертов около $10-11 млрд. /1, 2, 3/.
Производство мембран иоборудования на их основе сосредоточено главным образом в трех регионах: США,Западная Европа и Япония, на долю которых приходится около 97 % всегопроизводства и 75 % закупок, связанных с мембранной техникой. В настоящее времяв этих регионах в мембранной промышленности занято около 100 фирм ипредприятий, причем только 60 из них производят собственно мембраны и мембранныемодули, а остальные осуществляют проектирование оборудования с использованиеммембран в качестве элементов промышленных установок /4, 5/.
Россия,главным образом, импортирует мембранную технику, таких западных фирм как,«Миллипор» (США), Палл (Германия), «Кюно» (Франция), «Мембрафлоу» (Германия) инекоторых других компаний.
Однаков России имеется, хотя и недостаточно развитая, отечественная мембраннаяотрасль промышленности. Из производителей полимерных мембран в России следуетотметить, в первую очередь, ЗАО НТЦ «Владипор» (г. Владимир, листовые и рулонныемембраны), ГП ВНИИПВ (г. Мытищи, полые волокна), ГНИИ «Кристалл» (г. Дзержинск,трубчатые мембраны).
Конкурентноспособное производство мембранного оборудования в России относится, в основном,к процессам водоподготовки, где часто используются зарубежные мембраны икомпоненты мембранного оборудования (компании «Национальные водные ресурсы» г.Москва, «Медиано-Фильтр» г. Москва и др.) а также к процессам ультрафильтрациис использованием полимерных мембран в медицинской промышленности, например,фирмы «Владисарт» (г. Владимир).
В70-х годах на рынке мембран Европы, США и Японии появились керамическиемембраны. Керамические мембраны, создаваемые обычно на основе оксидов, нитридови карбидов ряда металлов, предназначались для микро- и ультрафильтрацииразличных жидкостей, агрессивных по своей природе или требующих дляосуществления эффективных процессов разделения их нагрева до температур свыше100 градусов Цельсия, где полимерные (органические) мембраны теряют своисвойства или разрушаются. Кроме высокой температурной стабильности, существуетеще целый ряд характерных для керамических мембран свойств, которые позволяютвыделить их в отдельное направление коммерческой и научно-техническойдеятельности, получившее за рубежом название «бизнес керамическихмембран».
Средитаких свойств следует в первую очередь отметить:
— механическую стабильность;
— стойкость к химическому и микробиологическому воздействию;
— стабильность создаваемых структурных пор и возможность активного управления имив процессе производства мембран;
— возможность использования обратных потоков через мембрану;
— высокая пропускная способность мембран;
— большой срок службы.
Засчет перечисленных преимуществ использование керамических мембран по сравнениюс полимерными мембранами позволяет снизить эксплуатационные расходы (в основномза счет большего срока службы), уменьшить габариты и вес фильтровальнойустановки, что также несколько снижает величину капитальных затрат.
Несмотряна доминирующие позиции полимерных мембран в биотехнологических секторахпромышленности на Западе, керамические мембраны начинают постепенно проникать вэти отрасли благодаря тому, что они в меньшей степени воздействуют насвертывание белков на поверхности мембран, а также позволяют многократнопроводить их стерилизацию паром. Широкое применения керамические мембранынаходят при фильтрации промышленных сточных вод, в частности в Германии, гдесильно развита металлообрабатывающая промышленность.
Объемпродаж керамических мембран в 1988г. составил $32 млн., в 1993г. — $40 млн. В1991г. эксперты предсказывали в 90-е годы бурный рост объемов продаж неорганическихмембран. Ожидалось, что объем продаж должен был составить в 1999г. около $450млн. Однако этого не произошло, что было обусловлено высокой стоимостьюкерамических мембран, превышавшей в 3-5 раз стоимость полимерных мембран (длякерамических мембран цены составляли — $1800 — $2500 за 1 кв. метр поверхностимембраны). Последующие оценки были более скромные. Предсказывают, что объемпродаж неорганических мембран в 2003г. составит $228 млн. при доле керамическихмембран 70 %
В России в настоящее времясуществуют небольшие производства (300-500 м2/год) конкурентноспособных по качеству неорганических мембран, например, ООО «НПО«Керамикфильтр» (г. Москва, трубчатые керамические мембраны) и ГУП НПЦ«Ультрам» (г. Москва, листовые металлокерамические мембраны).
1. Конструкция и принципы работы мембранных системБИОКОН
Базовыефильтрационные системы БИОКОН представляет собой два вида однотипных изделий — фильтрационные аппараты и фильтрационные модули, отличающиеся, главным образом,своими масштабными показателями (размером и весом).
В качестве фильтрующегоматериала (фильтрационного элемента) используются полимерные мембраны в видерулонных мембранных элементов (тип ЭРУ-100-1016, ЗАО «Владипор», г. Владимир)или керамические мембраны в виде одноканальных трубчатых керамических элементов(типа КМФЭ, ООО «НПО «Керамикфильтр», г. Москва). Размер пор или порог задержкифильтрующего материала составляет:
для керамических мембран:0.03 мкм, 0.2 мкм, 0.8 мкм, 1.2 мкм,
для полимерных мембран: 500,10000, 20000, 50000 дальтон.
Керамические мембранытипа КМФЭпредставляют собой трубки длиной 800 мм с внутренним диаметром 6 мм и внешнимдиаметром 10 мм, выполненные из пористого оксида алюминия, на внутреннейповерхности которых нанесен селективный слой их нитевидных кристаллов карбидакремния (толщина кристаллов около 0.1 мкм).
Полимерные мембранытипа ЭРУ-100-1016представляют собой мембранные элементы рулонного типа длиной 1016 мм и внешнимдиаметром 100 мм с мембраной из полисульфонамида.
Фильтрационный аппарат состоит из цилиндрического корпуса сторцевыми фланцами, выполненными из нержавеющей стали. Внутрь корпуса вставляютсятрубчатые керамические фильтрующие элементы или рулонные мембранные элементы.Герметизация фильтрующих элементов в аппарате осуществляется в торцевых фланцахза счет резиновых колец. На корпусе фильтрационного аппарата и торцевых фланцахимеются патрубки и штуцера для подвода фильтруемой среды, отвода фильтрата иконцентрата.
Фильтрационный модуль состоит из одного или несколькихфильтрационных аппаратов, циркуляционного насоса (центробежного типа),питающего насоса, теплообменного устройства, входного и выходного коллекторов,несущей рамы, вентилей, манометров, расходомеров, вспомогательной емкости (понеобходимости), соединительной быстросъемной арматуры, силового пульта.
Фильтрационныймодуль построен по принципу циркуляционной петли для создания режима фильтрациив поперечном потоке (тангенциальной фильтрации).
Фильтруемая жидкостьподается в модуль питающим насосом. Внутри модуля фильтруемая жидкость поддействием циркуляционного насоса непрерывно прокачивается по циркуляционномуконтуру, образуемому соединенными последовательно (для керамических мембран)или параллельно (для полимерных мембран) несколькими фильтрационнымиаппаратами, теплообменником и циркуляционным насосом.
Часть жидкости и частицы,размер которых меньше размера пор, под действием давления (0,5 – 3,5 кгс/см2)проходят через мембранную поверхность фильтрационных элементов и непрерывновыводятся из модуля. Эта часть жидкости называется пермеатом. Дефицитжидкости в модуле восполняется постоянной подпиткой новой фильтруемойжидкостью.
Частицы, размер которыхбольше размера пор, задерживаются селективным слоем и накапливаются внутрициркуляционного контура. Эта часть потока называется концентратом.Осадок, образующийся над мембраной, непрерывно смывается циркуляционнымпотоком, скорость которого составляет 4-7 м/с для керамических мембран и 1-1,5м/с для полимерных мембран.
Промышленныесистемы БИОКОН проектируются из нескольких фильтрационных модулей, управляющихвентилей и системы автоматического контроля. Компания БИОКОН располагает«ноу-хау» по проектированию крупных промышленных систем с учетом оптимальноговыбора типа мембраны и масштабов фильтрационной системы для конкретногопродукта. Компания БИОКОН производит широкую гамму фильтрационных систем.
Поверхность фильтрациибазовых модулей составляет:
- для керамических мембран: 0,5; 1,1;4; 8; 10; 20 м2;
- для рулонных мембран: 5, 10, 20, 40,80, 90, 150, 240 м2.
Накопленный опытприменения керамических мембран и рулонных элементов показывает, что онинаиболее эффективны при высоких температурах:
- для керамических мембран: 40-90 0С;
- для рулонных элементов: 40-55 0С,
при этом срок службысоставляет для керамических мембран – 3-5 лет, для рулонных элементов – 0,5 – 1год.
2. Применениймембранных систем БИОКОН
2.1 Фармацевтическаяи микробиологическая промышленности
2.1.1 Рибофлавин. Культуральнаяжидкость продуцента витамина В12 (рибофлавина) подвергаетсямикрофильтрации на керамических мембранах размером пор 0,2 мкм при температуреболее 110 0С для отделения биомассы от растворенного при такойтемпературе витамина В12. Скорость фильтрации составляет 400 л/м2/ч.Используется установка с поверхностью фильтрации 20 м2.
2.1.2 Эритромицин.Культуральная жидкость продуцента эритромицина разбавляется в два раза водойзатем подвергается микрофильтрации на керамических мембранах с размером пор 0,2мкм при температуре 40 0С. Скорость фильтрации составляет 60-80 л/м2/ч.Выход антибиотика на стадии микрофильтрации увеличивается на 17-21 % посравнению с прежней заводской технологией с использованием фильтр-прессов.Продолжительность процесса мойки и регенерации керамических мембран составляет30 мин. В настоящее время используется установка с поверхностью фильтрации 110м2. Полная проектная мощность установки составит 290 м2.
2.1.3 Витамин В2..Очищенный от биомассы раствор культуральной жидкости концентрируется путемнанофильтрации с использованием рулонных элементов ЭРН-100-1016 в 40 раз.Скорость фильтрации составляет 8-10 л/м2/ч.
2.1.4 Лизин. Дляполучения кристаллического лизина культуральная жидкость продуцента лизинаподвергается процессу предварительной очистки от биомассы путем микрофильтрациина керамических мембранах с размером пор 0,2 мкм при температуре 50 0С.Скорость фильтрации составляет 120-160 л/м2/ч. По технологии 75 %получаемого очищенного раствора направляется для получения кристаллическоголизина, а концентрат биомассы (25 %) направляется для производства кормовоголизина. Проектная мощность установки составляет 160 м2.
2.1.5Ферменты. Спиртовой(70%) экстракт белков и ферментов очищается на установке с поверхностьюфильтрации 1,1 м2 с использованием керамических мембран с размеромпор 0,2 мкм. Скорость фильтрации составляет 130 л/м2/ч.Разделение / концентрированиеорганических компонентов технологических потоков при помощи ультрафильтрационныхэлементов
Ультрафильтрационныеэлементы G-серии успешно используются для фракционирования и концентрированиякомпонентов технологического потока в нескольких отраслях промышленности.Ультрафильтрационные мембраны G-серии идеально подходят для этой задачиблагодаря своим достаточно точным характеристикам по отсечке молекулярной массыи химической стойкости.
Химическая,фармацевтическая и биотехническая отрасли промышленности используют ультрафильтрационныеэлементы G-серии для разделения компонентов собственных технологическихпотоков. Существует много потенциальных видов применения в других отрасляхпромышленности.