Filtracja Membranowa Wody: Zasada Działania i Zastosowania
- Szczegóły
Filtracja membranowa to skuteczna i popularna technika separacji składników, stosowana w różnych dziedzinach nauki i przemysłu, w tym w mikrobiologii. Jest to zaawansowana metoda separacji składników, która zyskuje coraz większe uznanie ze względu na swoją skuteczność, precyzję oraz możliwość zastosowania w różnorodnych badaniach naukowych i kontrolnych.
Zasada Działania Filtracji Membranowej
Filtracja membranowa to technika separacji, która wykorzystuje półprzepuszczalne membrany do separacji substancji na podstawie wielkości cząsteczek i różnicy ciśnień. Proces separacji jest oparty na obecności membran półprzepuszczalnych. Zasada działania jest całkiem prosta: membrana odgrywa rolę bardzo specyficznego filtra, który pozwala na przepływanie przez niego wody, podczas gdy substancja zawieszona i inne substancje zostają zatrzymane na membranie.
Istnieją różne metody, aby umożliwić substancji penetrację membrany. Są to np. zastosowanie wysokiego ciśnienia, utrzymywanie różnicy stężeń po obu stronach membrany oraz aplikowanie potencjału elektrycznego. Membrany tworzą selektywną ścianę separacji. Określone substancje mogą przechodzić przez membranę, podczas gdy inne są zatrzymywane.
Istnieją dwa czynniki określające efektywność procesu filtracji przez membrany; selektywność i produktywność. Selektywność jest wyrażona przez parametr zwany współczynnikiem retencji lub separacji. Produktywność jest wyrażona jako parametr nazywany strumieniem ("flux") (wyrażonym w jednostkach l/m2·h). Selektywność i produktywność są zależne od membrany.
Rodzaje Filtracji Membranowej
Filtracja przez membrany z jednej strony może być podzielona na mikro- i ultrafiltracje, z drugiej zaś na nanofiltrację i Osmozę Odwróconą (RO lub hyper-filtracja). W zależności od wielkości cząstek i wymagań konkretnej aplikacji, wykorzystywane są różne metody filtracji.
Przeczytaj także: Definicja i pomiar filtracji kłębuszkowej
- Mikrofiltracja (MF): Stosowana do separacji cząstek o wielkości od 0,1 do 10 mikronów. Mechanizm separacji opiera się na działaniu sitowym, a siłą napędową jest różnica ciśnień od 0,05 do 0,3 MPa.
- Ultrafiltracja (UF): Wykorzystuje membranę o wielkości porów 0,01 μm i jest przeznaczona do skutecznego usuwania wirusów i mikroorganizmów. Ciśnienie robocze do 0,5 MPa.
- Nanofiltracja (NF): Oprócz wirusów usuwane są również jony dwuwartościowe za pomocą drobniejszej wielkości porów 0,001 μm. Wymaga wyższych ciśnień.
- Odwrócona Osmoza (RO): Stosowana, gdy sole muszą być usunięte z wody. Separacja zachodzi poprzez dyfuzję przez membranę. Ciśnienie wymagane jest znacznie wyższe niż to wymagane do zachodzenia mikrofiltracji i nanofiltracji, podczas gdy produktywność jest znacznie niższa.
Kiedy filtracja przez membranę używana jest do usuwania większych cząsteczek, mikrofiltracja i ultrafiltracja są stosowane. Ze względu na otwarty charakter membran produktywność jest wysoka gdy różnice ciśnienia są niskie. Membrany nanofiltracji i Osmozy Odwróconej nie działają na zasadzie porów; separacja zachodzi poprzez dyfuzję przez membranę.
Zastosowania Filtracji Membranowej
Filtracja membranowa ma szerokie zastosowanie w różnych gałęziach przemysłu i w ochronie środowiska. Membrany są coraz częściej używane do przekształcania wody ściekowej, wody ze zbiorników powierzchniowych i wody gruntowej w wodę używaną do różnych procesów produkcyjnych. Membrany są teraz konkurencyjne dla innych konwencjonalnych technik.
Przykłady zastosowań:
- Odsalanie wody morskiej
- Ponowne wykorzystanie wody
- Przemysł farmaceutyczny, spożywczy, chemiczny oraz biotechnologiczny
- Kontrola jakości wody pitnej, powierzchniowej oraz ścieków
- Badania mikrobiologiczne żywności
Filtracja membranowa jest wykorzystywana do odsalania wody morskiej, ponownego wykorzystania wody, a także w innych nowoczesnych procesach gospodarki wodnej. W ten sposób nie tylko pomagamy zapewnić dyspozycyjność i wysoką jakość systemu uzdatniania wody metodą filtracji membranowej, lecz także obniżyć koszty konserwacji i wzorcowania.
Zalety Filtracji Membranowej
Filtracja przez membrany ma szereg zalet w porównaniu z istniejącymi technikami oczyszczania wody:
Przeczytaj także: Webber AP8400 - wymiana filtrów
- Jest to proces zachodzący podczas gdy temperatury są niskie. Jest to ważne, ponieważ umożliwia ona oczyszczanie materii wrażliwej na ciepło. Dlatego też jest szeroko stosowana w produkcji żywności.
- Jest to proces o niskich kosztach energii. Większość energii wymaganej jest używana do przepompowywania cieczy przez membranę. Całkowita ilość energii używanej jest niewielka w porównaniu do metod alternatywnych, takich jak parowanie.
- Proces może by łatwo rozszerzany.
- Przyjazne dla środowiska: Filtr membranowy pomaga w redukcji emisji CO2 i innych obciążeń środowiskowych.
Systemy Filtracji Membranowej
Systemy filtracji przez membrany mogą być zarządzane (zachodzić) na dwa sposoby: jako tzw. "dead-end flow" lub "cross-flow". Celem optymalizacji techniki membran jest osiągniecie jak najwyższej możliwej produkcji przez długi okres czasu, dając akceptowane stężenia zanieczyszczenia.
W filtracji ślepej, zasilanie przeprowadzane jest przez membranę i zatrzymywane na końcu. To sprawia, że woda przechodzi przez membranę, a zanieczyszczenia zaczynają się gromadzić. Aby usunąć zanieczyszczenia, okresowo przeprowadza się płukanie zwrotne. Polega to na przeprowadzeniu płynu pod ciśnieniem w odwrotnym kierunku przez membranę. Pomaga to usunąć zanieczyszczenia, które gromadzą się na powierzchni membrany i w jej porach. Przedłuża to również żywotność membran. Filtry RO nie są jednak odpowiednie do płukania zwrotnego, wymagają one czyszczenia chemicznego (CIP).
Filtry strugiowe są szeroko stosowane, gdzie strumień zasilania przemieszcza się równolegle do membrany. Pomaga to w zmniejszeniu zanieczyszczenia na powierzchni membrany, ponieważ przepływ myje zanieczyszczenia do odpływu.
Zagniwanie (blokowanie) na membranie
Podczas procesu filtracji zatykanie się membran jest nieuniknione, nawet z odpowiednim oczyszczaniem wstępnym. Rodzaje i wielkość zablokowania zależą od wielu rożnych czynników, takich jak jakość wody doprowadzanej do filtracji, rodzaj membrany, materiał membrany oraz zaprojektowanie procesu oraz jego kontrola. Nagromadzenie się cząsteczek, rozwój biologiczny oraz tworzenie się kamienia to trzy rożne typu blokowania się membran. Zanieczyszczenia te powodują, że wymagany jest większy nakład pracy aby zapewnić ciągłość działania (pojemność) membran. W pewnym momencie ciśnienie wzrośnie do tego stopnia, że proces nie będzie już ekonomicznie oraz technicznie wydajny.
Czyszczenie membran
Istnieje wiele technik czyszczenia membran w celu usunięcia wyżej wymienionych czynników powodujących zapychanie membran. Techniki te to "forward flushing" (spłukiwanie w przód), backward flushing (płukanie zwrotne), "spłukiwanie" powietrzem i czyszczenie chemiczne, oraz każda kombinacja tych metod.
Przeczytaj także: Optymalne rozcieńczenie bimbru
Filtracja Membranowa w Mikrobiologii
W mikrobiologii wykorzystuje się głównie filtry o średnicy porów rzędu 0,22 µm lub 0,45 µm, które pozwalają na wychwytywanie bakterii i innych drobnoustrojów. Mogą być wykonane z różnych materiałów, m.in. mieszaniny estrów celulozy (MCE) czy mikrofibry szklanej. Zasada działania filtrów membranowych polega na przepuszczeniu przez nie roztworu zawierającego badane mikroorganizmy, które zostają zatrzymane na powierzchni filtra.
Jednym z najważniejszych zastosowań filtrów membranowych w mikrobiologii jest kontrola jakości wody pitnej, powierzchniowej oraz ścieków. Dzięki nim możliwe jest szybkie i precyzyjne wykrywanie w wodzie obecności drobnoustrojów chorobotwórczych. Filtracja membranowa jest również wykorzystywana w badaniach mikrobiologicznych żywności, zwłaszcza w kontroli jakości produktów spożywczych pod kątem obecności bakterii chorobotwórczych czy pleśni.
Filtry membranowe stosowane do kontroli mikrobiologicznej posiadają tzw. walidację, spełniają normy HIMA i cGMP.
Procedury Filtracji Membranowej w Mikrobiologii
Technika filtracji membranowej może być wykonywana przy użyciu sprzętu wielokrotnego użytku. Krążek membrany jest umieszczany w lejku wielokrotnego użytku, który został wcześniej autoklawowany. W dalszej kolejności próbka jest filtrowana, a membrana przenoszona na szalkę Petriego. Jeśli wymagana jest kolejna analiza tej samej próbki, można ponownie użyć tego samego lejka. Natomiast przy zastosowaniu nowej próbki należy użyć świeżo autoklawowanego lejka, tak by zapobiec zanieczyszczeniu między próbkami.
Częściowo jednorazowa procedura wykorzystuje wstępnie wysterylizowany lejek. Lejek i krążek membrany są aseptycznie umieszczane na ławie filtracyjnej, próbka filtrowana, a membrana przenoszona na płytkę Petriego. Jeśli wymagana jest kolejna analiza tej samej próbki, można ponownie użyć tego samego lejka. Lejek jest wyrzucany po użyciu. Dla nowej próbki należy użyć nowy lejek i odkazić support ławy filtracyjnej. Lejki zawierają hermetyczną membranę i są sterylnie pakowane. Lejek można umieścić bezpośrednio na ławie, a próbkę wlać bezpośrednio do lejka. Próbka jest filtrowana, a następnie membrana przenoszona na szalkę Petriego. Taki schemat pracy zmniejsza ilość wymaganych kroków przygotowawczych, a użycie pojedynczych lejków jednorazowego użytku minimalizuje możliwość wystąpienia zanieczyszczenia krzyżowego między próbkami.
Ergonomia w Laboratorium Mikrobiologicznym
Powtarzalny charakter rutynowej pracy laboratoryjnej naraża mikrobiologów na ryzyko urazów związanych z powtarzającym się wysiłkiem fizycznym (RSI). Rutynowe czynności często obejmują wielokrotne powtarzanie tych samych ruchów, co może mieć negatywny wpływ na dłonie, nadgarstki i ramiona i prowadzić do poważnych obrażeń. RSI może skutkować zmęczeniem i spadkiem pewności działania laborantów, co z kolei prowadzi do niewłaściwej techniki pracy, błędów i zwiększonego ryzyka wystąpienia zanieczyszczenia krzyżowego. W laboratoriach mikrobiologicznych istnieje wiele sposobów na zmniejszenie stresu poprzez pracę w bardziej ergonomiczny sposób.
Nasze wysokowydajne membrany, lejki filtracyjne, zestawy, pompy i akcesoria zostały zaprojektowane z myślą o prostej obsłudze, łatwości analizy i zminimalizowaniu ryzyka zanieczyszczenia w celu uzyskania wiarygodnych wyników badań.
Podsumowanie
Filtracja membranowa to wszechstronna i szeroko stosowana technologia, która umożliwia skuteczne oczyszczanie, separację i zagęszczanie w różnorodnych procesach przemysłowych. Dzięki różnicy ciśnień oraz precyzyjnie dobranym membranom, możliwe jest spełnienie nawet najbardziej wymagających norm w przemyśle farmaceutycznym, spożywczym, biotechnologicznym i chemicznym.
| Rodzaj Filtracji Membranowej | Zakres Wielkości Porów | Typowe Zastosowania | Ciśnienie Robocze |
|---|---|---|---|
| Mikrofiltracja | 0,1 - 10 µm | Klarowanie napojów, piwa, sterylizacja mleka, usuwanie bakterii i zawiesin w przemyśle spożywczym i biotechnologicznym | 0,05 - 0,3 MPa |
| Ultrafiltracja | 0,01 - 0,1 µm | Oczyszczanie soków, piwa, produkcja skrobi, wydzielanie białek z mleka i serwatki, oczyszczanie antybiotyków | do 0,5 MPa |
| Nanofiltracja | 0,001 - 0,01 µm | Zagęszczanie półproduktów biotechnologicznych, usuwanie białek z serwatki, odsalania wody | wyższe ciśnienia |
tags: #filtracja #membranowa #wody #zasada #działania
