Мембрана из фторопласта-4 – новые возможности в микрофильтрации

Главная » Публикации » Мембрана из фторопласта-4 – новые возможности в микрофильтрации

«Медицинский бизнес», апрель 2006 года

Рис.1 - Гофрированные элементы марки ЭКОПОР

Продукция, выпускаемая ООО «НПП Экспресс-Эко» в течение 15 лет, завоевала прочные пози-ции на рынке микрофильтрационной продукции. Глубинные фильтрующие элементы из фторопласта-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 «НПП 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 «НПП Экспресс-Эко».

Рис.2 - Гофрированные элементы марки ЭКОПОР

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 обеспече-нии высокой эффективности фильтрации. Фильтровальная пленка из ПТФЭ производства «НПП 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).

Рис.3 - Сравнение производительности патронных элементов на основе мембран из ПТФЭ

Близка к завершению подготовка производства к двухосному ориентированию пленки с целью увеличения ее пористости (табл. 1).

Таблица1. Диапазон технических характеристик мембран из ПТФЭ

Характеристика	Сегодня	Завтра (вытяжка)
Толщина, мм	0.3-0.4	0.15-0.2
Ширина, мм	300	300
Общая пористость, %	53-60	55-70
Размер пор, мкм
максимальный	1-5	1-20
средний (среднепотолковый)	0.3-3	0.5-10
Производительность:
по воде, м³/(м²*час*атм.)	20-450	50-1000
по воздуху, м³/(м²*час*кПа.)	15-300	30-600

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).

Сегодня Неориентированная пленка-мембрана	Завтра Ориентированная двойная пленка-мембрана
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 100ОС, чего недостаточно;
• барботированием отработанного воздуха через объем 0.5 м3 раствора формалина, но при данных соотношениях расхода воздуха и объема дез раствора 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 выращивании 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 загрузки.

Специалистами ООО «НПП 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 ( σ ) в пору диаметром (d ), равно

Р = 4 • σ • cosφ / d

(1)

где φ – угол смачивания ПТФЭ водой, равный 108°. 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 фильтрэлементов 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 /.

Рис.5 - Принципиальная схема фильтра-сепаратора ферментатора

Как было показано выше, необходимость создания некоторого избыточного давле-ния 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, по-скольку присутствие в растворе даже небольшого количества спирта или другого гидрофилизующего агента уменьшает начальное гидростатическое сопротивление материала практически до нуля (рис. 6).

	Красная кривая – без гидрофилизации при t=20°С Линия зеленого цвета – без гидрофилизации при t=80°С Линия синего цвета – после гидрофилизации в изопропаноле.
Рис.6 - Гидравлическая характеристика элемента ЭФП-Ф4Г-1-250

Кроме того, повышение температуры воды до 80°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 80°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.

	Размер пор мембран: ♦ – 0.2 мкм, Ο – 0.65 мкм, Δ – 1 мкм.
Рис.7 - Зависимость перепада давления на мембранах 2-ой ступени от объема водопроводной воды после фильтрации воды на ЭФП-Ф4Г-1-250 (сплошные линии) и на ЭФП-ПА-1.0-250(пунктирные линии)

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

А.А.Горшков, к.х.н., зам. директора по маркетингу ООО «НПП Экспресс-Эко»,
Е.Ю. Астахов, к.х.н., зам. директора по научной работе ООО «НПП Экспресс-Эко»,
А.Ю.Котова, к.б.н., нач. отдела маркетинга ООО «НПП Экспресс-Эко».