УСТРОЙСТВО ДЛЯ УЛЬТРАФИЛЬТРАЦИИ ЖИДКОСТЕЙ

Полезная модель относится к фильтрации и ультрафильтрации жидкостей и может быть использована в клинической и лабораторной диагностике, фармацевтике и в аналитической химии для очистки малых объемов растворов от высокомолекулярных соединений при пробоподготовке сред для анализа, а также для концентрации высокомолекулярных соединений из малых объемов растворов.
Известны и широко применяются в технике мембранные аппараты (или мембранные фильтры), представляющие собой камерные конструкции с одной или несколькими полупроницаемыми мембранами. При этом фильтрация жидкости может проводиться по принципу фильтрования из тангенциального потока и фронтального (тупикового) фильтрования. При фильтровании в так называемом "тангенциальном потоке" очищаемая жидкость профильтровывается, непрерывно двигаясь по одной поверхности мембраны, а очищенная жидкость отводится с ее противоположной стороны. Этот принцип фильтрования позволяет производить самоочистку полупроницаемых мембран за счет снижения уровня концентрационной поляризации под воздействием скоростного потока жидкости, чем обеспечивается достаточно большой ресурс работы аппарата и возможность очистки сильно загрязненных растворов.
Известен роторный мембранный фильтр, состоящий из цилиндрического корпуса с вмонтированным полым валом, ротора, системы подачи разделяемого раствора и системы вывода концентрата и фильтрата, дисковых фильтрующих элементов, имеющих центральные установочные отверстия, снабженных полупроницаемыми мембранами. (RU №2246980, B01D 63/16, опубл. 27.02.2005 г.).
Недостатком известной конструкции, как и любых других конструкций, работающих по принципу фильтрования в "тангенциальном потоке", является невозможность очистки малых объемов жидкости, так как для осуществления непрерывного потока необходимы объемы фильтруемой жидкости, значительно превосходящие объем самой фильтрационной камеры.
Известен полимерный фильтр для микрофильтрации, содержащий мембрану, размещенную между двумя дренажными подложками внутри камеры, образованной верхней и нижней крышками со штуцерами. (RU №2038138, B01D 63/08, опубл. 27.06.1995 г.).
Недостатком известной конструкции является низкая эффективность при фильтрации растворов, содержащих большое количество примесей. В указанном случае происходит блокирование пор фильтра примесями, что ведет к быстрому снижению скорости фильтрации, а затем - к ее прекращению.
Технический результат заключается в увеличении пропускной способности и ресурса работы устройства при фильтрации высококонцентрированных растворов за счет создания на поверхности мембраны турбулентных потоков фильтруемой жидкости путем постоянного перемещения по поверхности мембраны перемешивающего элемента в процессе шейкирования, что приводит к снижению концентрационной поляризации загрязнений и очистке мембраны в процессе фильтрации.
Технический результат достигается тем, что устройство включает корпус и ультрафильтрационную мембрану. В корпусе последовательно размещены собирательная воронка, поддерживающая сетка, ультрафильтрационная мембрана, ультрафильтрационная ячейка с перемешивающим элементом и уплотнительными прокладками, уплотнительная втулка с патрубком, фиксируемые прижимной гайкой. К нижней части корпуса прикреплена емкость для сбора ультрафильтрата, расположенная в держателе, установленном на платформу с возможностью шейкирования в горизонтальной плоскости.
На (фиг1) изображена конструкция устройства, содержащее корпус 1, в котором последовательно расположены собирательная воронка 2, поддерживающая сетка 3, ультрафильтрационная мембрана 4, ультрафильтрационная ячейка 5 с перемешивающим элементом 6 и уплотнительными прокладками 7, уплотнительная втулка с патрубком 8, фиксируемые прижимной гайкой 9. К нижней части корпуса 1 прикреплена емкость для сбора ультрафильтрата 10, расположенная в держателе 11, установленном на платформу 12 с возможностью шейкирования в горизонтальной плоскости. Плотность перемешивающего элемента 6 должна быть больше плотности фильтруемого раствора. Корпус 1 и прижимная гайка 9 изготавливаются из алюминия или любого другого материала, обеспечивающего достаточную прочность резьбовых соединений, и устойчивого к коррозии при соприкосновении с водой. Ультрафильтрационная ячейка 5, собирательная воронка 2, уплотнительная втулка с патрубком 8 изготавливаются из фторопласта марки Ф-4 или любого другого материала, химически инертного, коррозионно устойчивого и обеспечивающего легкость удаления органических загрязнений и возможность стерилизации водяным паром. В торцевых поверхностях стенок ультрафильтрационной ячейки 5 выполнены углубления для установки уплотнительных прокладок 7. Поддерживающая сетка 3 выполняется из капрона или любого другого материала, имеющего сетчатую структуру с размером ячеек не более 1 мм и необходимую прочность на разрыв. Ультрафильтрационная мембрана 4 может быть выполнена из полимера (например, купрофана). Перемешивающий элемент 6 представляет собой шарик из стекла или любого другого химически инертного материала. Материал, из которого изготовлен перемешивающий элемент 6, должен иметь большую плотность, чем фильтруемый раствор, что обеспечит соприкосновение перемешивающего элемента 6 с ультрафильтрационной мембраной 4. В качестве емкости для сбора ультрафильтрата может быть использована пробирка типа «эппендорф» или другая.
Устройство работает следующим образом. Выполняется сборка устройства. В корпус 1 последовательно вставляются: собирательная воронка 2, поддерживающая сетка 3, ультрафильтрационная мембрана 4, ультрафильтрационная ячейка 5 с уплотнительными прокладками 7, уплотнительная втулка с патрубком 8. После этого уплотнительная втулка с патрубком 8 фиксируется прижимной гайкой 9. На корпусе 1 закрепляется держатель 11 для сбора ультрафильтрата с емкостью 10. Устройство закрепляется в вертикальном положении, после чего в ультрафильтрационную ячейку 5 через уплотнительную втулку с патрубком 8 вводится разделяемый раствор или смесь и вносится перемешивающий элемент 6. К уплотнительной втулке с патрубком 8 с помощью гибкого шланга герметично присоединяется источник сжатого газа с давлением до 4 атмосфер. В качестве последнего в зависимости от химического состава разделяемой смеси может быть использован углекислый газ, азот, аргон или другой газ. Устройство закрепляется вертикально на платформе 12 вортекса или любого источника горизонтальных колебаний и подвергается шейкированию в горизонтальной плоскости с частотой 100-200 Гц и амплитудой 2-5 мм в течение времени, необходимого для проведения ультрафильтрации. По окончании процедуры фильтрации последовательно отключается источник колебаний, источник сжатого газа, отсоединяется держатель 11, и из него извлекается емкость для сбора ультрафильтрата 10.
Таким образом, по сравнению с известным решением предлагаемое позволяет увеличить пропускную способность и ресурса работы устройства при фильтрации высококонцентрированных растворов за счет создания на поверхности мембраны турбулентных потоков фильтруемой жидкости путем постоянного перемещения по поверхности мембраны перемешивающего элемента в процессе шейкирования, что приводит к снижению концентрационной поляризации загрязнений и очистке мембраны в процессе фильтрации. Заявляемая полезная модель показала высокую эффективность в разделении малых объемов высококонцентрированных белковых растворов, в частности плазмы человеческой крови. Она была использована при получении ультрафильтрата для проведения анализа концентрации лекарственных препаратов в крови методом высокоэффективной жидкостной хроматографии. Выход ультрафильтрата достигал 60% от исходного объема плазмы, причем последний составлял от 0,5 до 1,0 мл.