Мембрана из фторопласта-4 – новые возможности в микрофильтрации

- А.А. Горшков, канд. хим. наук, директор ООО НПП “Экспресс-Эко”

- Е.Ю. Астахов, канд. хим. наук, зам. директора ООО НПП “Экспресс-Эко”

- А.Ю. Котова, канд. биол. наук, нач. отдела маркетинга ООО НПП “Экспресс-Эко”

Продукция, выпускаемая ООО «Экспресс-Эко» в течение 15 лет, завоевала прочные позиции на рынке микрофильтрационной продукции. Глубинные фильтрующие элементы из фторо пласта-4 и высокомолекулярного полиэтилена являются уникальными по своей термической и химической стойкости и позволяют решать широкий спектр задач в сфере производства лекарственных препаратов. В 2005 году на базе ООО «Экспресс-Эко» создано два новых подразделения: производство принципиального нового продукта – микропористой фильтровальной пленки из фторопласта-4, а также собственное производство гофрированных фильтрующих элементов на основе мембран, пленочных материалов, фильтровальных картонов и пр. (рис. 1, 2.) Создание этих подразделений и начало серийного выпуска продукции увенчало более чем 10-летнюю работу научного отдела, инженерных и конструкторских подразделений ООО «Экспресс-Эко».

Специалисты предприятия продолжают вести активный научный поиск в области создания новых фильтровальных материалов. В первую очередь речь идет о производстве микропористой фильтровальной пленки из политетрафторэтилена марки фторопласт-4 (ПТФЭ марки Ф-4). Пленка изготавливается с применением технологии бумагоделания с отливом из спиртовых суспензий тонкоизмельченных порошков. Фильтровальную пленку из фторопласта-4 скорее можно назвать низкоселективной мембраной, т.к. толщина пленки составляет 200-350 мкм, что не намного превышает толщину мембран, которая составляет обычно 100-200 мкм. В некотором смысле гофрированные фильтроэлементы из фильтровальной пленки являются промежуточным вариантом: в них большая площадь фильтрации, характерная для мембранного элемента, сочетается с высокой прочностью и способностью к регенерации, присущими глубинному элементу.

Основным достоинством нового фильтрационного материала помимо его исключительной химической стойкости является его высокая производительность при обеспечении высокой эффективности фильтрации. Фильтровальная пленка из ПТФЭ производства «Экспресс-Эко» имеет производительность по воде от 20 до 450 м3/(м2*час*атм) в зависимости от размера пор, что не уступает показателям аналогичных фильтровальных материалов ведущих зарубежных производителей(рис. 3). Близка к завершению подготовка производства к двухосному ориентированию пленки с целью увеличения ее пористости (табл. 1). Это позволит получить высокопроизводительный, регенерируемый, химически и термически стойкий фильтровальный материал в диапазоне фильтрации от 0,5 до 20 мкм, имеющий показатель эффективности фильтрации выше 99% (рис.4).

Основная область применения фильтрующих элементов с пленкой из фторопласта-4 – фильтрация газообразных сред. В первую очередь речь идет о стерилизующей фильтрации воздуха, азота, углекислого газа и других газов, используемых в фармацевтическом производстве. Фильтрующие элементы очищают воздух от капельной жидкости за счет гидрофобности фторопласта-4 – свойства, которое не позволяет воде проникнуть в тонкие поры до достижения определенного избыточного давления. Пары влаги и масла имеют более высокие значения динамической вязкости, чем значения динамической вязкости воздуха и иных газов, и на поверхности гидрофобного фильтрующего слоя происходит эффективное сепарирование паров воды и масла, газ идет сухой и чистый. Поскольку основные загрязнения как органического, так и неорганического характера находятся в газах в аэрозольных частицах, то при фильтрационной очистке газов происходит одновременно их осушение и очистка от примесей различного характера. Гидрофобность фильтрующих материалов является существенным положительным отличием фильтрующих элементов из фторопласта-4 от используемых для этих же целей элементов из пористых металлов и металлокерамики. Несомненным достоинством фторопласта-4 является и его практически абсолютная инертность и нейтральность, т.е. материал никаким образом не влияет на фильтруемую среду и сам не изменяется под действием фильтруемой среды.

Также считаем необходимым акцентировать внимание потребителей на очистке отработанного воздуха ферментеров от микрофлоры. Эта проблема определяется важностью как экономических, так и социальных аспектов. Во-первых, экологической безопасностью, что связано с обеззараживанием ферментационного воздуха. Во-вторых, прямыми потерями дорогостоящей микробиологической продукции, вызванными ее выносом из ферментера с потоком отработанного воздуха, ввиду несовершенства системы очистки. В процессе выращивания культур возможно пенение и выброс капельной культуральной жидкости в выходной трубопровод, что является недопустимым, как с точки зрения техники безопасности производства, так и норматива потерь продукта. Основное внимание на производстве уделяется не предотвращению выброса культуральных продуктов, а их стерилизации, которая осуществляется следующими способами:

- добавлением в выходной трубопровод пара, но температура его близка к 100О С, чего недостаточно;

- барботированием отработанного воздуха через объем 0.5 м3 раствора формалина, но при данных соотношениях расхода воздуха и объема дезраствора эффекта не наблюдается;

- пропусканием отработанного воздуха через зону с повышенной температурой, но при данных расходах воздух не успевает достаточно прогреваться.

Исследования проводились на Мичуринском экспериментальном заводе. Для осахаривания крахмалистого сырья в спиртовом производстве используют ферментные препараты микромицетов (Aspergillus видов oryzae, usamii, awamori, niger batatae) и бактерий (Bac. mesentericus, Bac. Subtilis), дрожжеподобных грибов Endomycopsis и др. В качестве продуцентов амилолитических ферментов используются микроскопические грибы, реже – споровые бактерии и дрожжеподобные организмы. Размеры бактериальной культуры «Bucillus Subtilius – 82»: споры 0.6 – 0.84 мкм, клетки (0.6-0.84) х (2.5-3.5) мкм. Размеры грибковой культуры «Asp. Awamori»: споры 3.5 – 6.0 мкм, клетки (6-12) х (250-1200) мкм. Так, при отборе воздуха с расходом 5 м3 /ч в процессе выращивания грибковой культуры на стадии созревания теряется до 400 мл бульона с концентрацией 47% масс. Следовательно, по продукту с концентрацией 19% теряется 1000 мл в сутки. С одного ферментатора за 5 суток созревания при расходе 900 м3 /ч может быть потеряно до 1 тонны продукта из 15 тонн за-грузки.

Специалистами ООО «Экспресс-Эко» были проведены исследования возможности использования мембранной технологии по удержанию микроорганизмов, распределенных в газовой, паровой и мелкодисперсной жидкой фазе отработанного воздуха. При этом целью проведенных нами исследований являлось не только улавливание микробиологических культур из отработанного воздуха, но и возвращение их обратно в ферментатор. Выполнение данной задачи оказалось принципиально возможным при применении в качестве фильтрующего материала пористой пленки из

фторопласта-4, как наиболее гидрофобного полимера.

Давление необходимое для продавливания воды с поверхностным натяжением ( s) в пору диаметром (d ), равно

Р = 4 · s · cos j / d ( 1 )

где j – угол смачивания ПТФЭ водой, равный 108о С. Подставляя значение параметров в формулу и выражая d в [мкм], а P в [атм], получаем

Р ~ 0.9 / d ( 2 )

Из уравнения ( 2 ) получаем, что для пленок с максимальными размерами пор 0.5, 1.0 и 2.0 мкм вода начнет проникать в самые крупные поры при давлениях 0.9, 0.45 и 0.3 атм.

Таким образом, пленка ПТФЭ с максимальным размером пор 3 мкм играет роль сепаратора при давлениях меньше 0.3 атм, отделяя воздух от капельной жидкости при размерах капель более

3 мкм. Капли меньших размеров задерживаются в глубине материала. Минимальный размер спор грибковой культуры составляет 3,5 - 6 мкм, поэтому они будут задерживаться на поверхности любой из вышеназванных пленок. При очистке воздуха от бактериальной культуры удовлетворительные результаты были достигнуты с помощью элементов с максимальным размером пор 1.0 и 2.0 мкм.

По результатам выполненной работы для ферментаторов был разработан фильтр-сепаратор из нержавеющей стали (см. рис.5), на который подается отработанный после ферментатора воздух. В капиллярно - пористой структуре фильтроэлементов при давлении ниже точки пузырька происходит конденсация паровой фазы, сепарирование жидкой фазы и отделение продуцента. Жидкую фазу с продуцентом возвращают в ферментатор, а обеспложенный воздух выводится в окружающую атмосферу / Фильтр-сепаратор для очистки отработанного в ферментере воздуха. Патент на полезную модель № 35799 от 10.02.2004 /.

Как было показано выше, необходимость создания некоторого избыточного давления для продавливания жидкости в поры фильтровальной пленки из фторопласта-4 обусловливает некоторые ограничения в применении пленки для фильтрации водных растворов, однако отнюдь не исключает возможность использования данного материала для фильтрации жидких сред. Прежде всего, речь идет о спиртосодержащих жидкостях, поскольку присутствие в растворе даже небольшого количества спирта или другого гидрофилизующего агента уменьшает начальное гидростатическое сопротивление материала практически до нуля (рис. 6). Фторопласт-4 не имеет ограничений при фильтрации органических соединений, в том числе высокоагрессивных сред при повышенной температуре. Что касается водных растворов, то повышение температуры фильтруемой среды до 80о С позволяет существенно снизить давление продавливания воды за счет лучшего смачивания. Это свойство может быть использовано при фильтрации воды на ампуло-флакономоечных машинах, где температура обессоленной воды должна быть не ниже 80о С.

Высокая эффективность удержания загрязнений пленкой из фторопласта-4 хорошо иллюстрируется данными экспериментов с фильтрацией водопроводной воды с высоким содержанием коллоидного железа. Графики, изображенные на рисунке 7, показывают, что увеличение перепада давления на финишной мембране, установленной после полиамидной мембраны в качестве предфильтра, происходит быстрее. Высокая производительность и эффективность фильтрации, способность к многократной регенерации и механическая прочность материала позволяют новым фильтрующим элементам успешно конкурировать с другими используемыми для данной задачи фильтроэлементами.

В настоящее время ООО НПП «Экспресс-Эко» осуществляет собственное производство гофрированных фильтрующих элементов на основе:

1) химических мембран из полиамида и фторопласта-42 с эффективным размером пор от 0,15 до 1 мкм. В ближайшей перспективе намечается производство элементов на основе мембран из ацетата целлюлозы;

2) фильтровальных картонов с рейтингом фильтрации 1 мкм, в том числе наполненных сорбентами. В качестве сорбентов используются активированный уголь, диатомит (кизельгур) и минеральное волокно, что позволяет регулировать селективность удержания некоторых видов загрязнений;

3) пленки из фторопласта-4 с рейтингом фильтрации 0,5-5 мкм для жидких сред и 0,05- 5 мкм для газообразных сред.

Расширенный спектр фильтрационной продукции и возможности собственного производства позволяют специалистам ООО НПП

“Экспресс-Эко” подобрать систему фильтрации газообразных и жидких сред, исходя из каждой конкретной задачи, максимально учитывая все требования и пожелания заказчика.

ООО НПП «ЭКСПРЕСС-ЭКО»

Россия, 249039, Калужская обл.,

г. Обнинск, а/я 9086.

тел. (48439) 60708, 60224

e-mail: [email protected]

www.express-eco.ru