Использование мембран и мембранных технологий для биотехнологических производств

УДК 66.063:532.5-278

Э. Д. Латыпов, М. Ф. Шавалиев

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕМБРАН И МЕМБРАННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ДЛЯ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ

Ключевые слова: мембрана, мембранныйбиореактор, мебранные технологии.

В статье описаны современные исследования и достижения в области мембранных технологий, материалов применяемых мембран, использования мембранных биореакторов, в том числе в асептических условиях, для различных целей, таких, как получение биогаза,этанола, а так же использование биореакторов для очистки сточных вод и для отходов сельского хозяйства

Key words: membrane, membrane bioreactor, membrane technology.

The article describes the current research and advances in membrane technology, materials used membranes, the use of membrane bioreactors, including asepticconditions for a variety ofpurposes, such as biogas, ethanol, as well as the use of bioreactors for waste water treatment andagriculture waste products.

Введение

Значение мембранной технологии в последние годы резко возросло, прежде всего, как технологии, способной навести мост через пропасть, разделяющую промышленность и экологию. Жизненная необходимость широкомасштабного внедрения мембранных процессов определяется многими факторами и, прежде всего, их применением в области обеспечения национальной безопасности, решения наиболее острых социально-экономических и экологических проблем. Указанные направления развития и применения мембранных технологий определяют перспективы практического использования мембран в ближайшие десятилетия.

Направления развития мембранной техники и мембранных технологических процессов разнообразны - это мембранные процессы селективного массопереноса с использованием мембран для извлечения и концентрирования химических продуктов из различных сред, процессы очистки сточных вод, использование в медицине, переработка вторичного сырья с выделением ценных компонентов, получение биогаза и этанола. И это далеко не весь список использования мембранных технологий [1].

Основными аппаратами в биотехнологической и фармацевтической промышленности являются ферментеры - аппараты для культивирования микроорганизмов. При создании ферментеров, для той или иной цели, надо учитывать возможные риски во время эксплуатации аппаратов. Риски можно условно разделить на две группы:

1) риск заражения культуры посторонней микрофлорой;

2) риск потери управления процессом культивирования, в том числе:

- риск недостатка кислорода для аэробных культур,

- риск перегрева культуры [2].

Один из основных источников заражения - это недостаточно стерилизованное газовое питание. Для уменьшения данного фактора заражения можно воспользоваться заменой барботера на современные

мембраны, которые не пропускают микробы, такие как наномембраны или мембраны растворимости. Для того, чтобы мембраны не пропускали микробы, условный диаметр пор мембран должен быть не больше размеров микроорганизмов.

Значительную длину (до 50 мкм) имеют нитчатые бактерии, размеры дрожжевых клеток составляют 8-10 мкм. Бактерии и бациллы считают крупными, если они имеют длину 5-8 мкм, средними — 3-4 мкм, мелкими — 1-2 мкм [3].

С точки зрения технологических возможностей различают мембраны для ультрафильтрации, нанофильтрации и обратного осмоса. В этом ряду размер пор уменьшается, а рабочее давление растет.

Ультрафильтрационные мембраны имеют наиболее крупные поры диаметром от 1 до 0,05 микрон (1 мкм= 10-6 м) и работают обычно при давлениях 2-5 бар.

Нанофильтрационные элементы имеют поры 550 нм, или 0,05-0,005 мкм. Обратноосмотические мембраны имеют поры диаметром менее 10 нанометров (менее 0,01 мкм), работают при давлениях до 100 бар [4].

Также существуют газоселективные мембраны. Обычно они представляет собой технологическую перегородку, обеспечивающую вследствие селективной проницаемости разделение газовых смесей без химических превращений. Перспективным материалом для создания газоселективных мембран является анодный оксид алюминия, который обладает рядом уникальных свойств, таких как узкое распределение пор по размерам, малая извилистость пор, а также возможность варьирования параметров пористой структуры в зависимости от условий получения. [5]. Диффузионные (непористые) мембраны применяют для разделения газов и жидких смесей методом испарения через мембрану. Они представляют собой квазигомогенные гели, через которые растворитель и растворенные вещества проникают под действием градиента концентраций (молекулярная диффузия). Для изготовления мембран применяют различные материалы: полимерные пленки, стекло, металлическую фольгу и др. [6].

Высокоэффективными и перспективными для целей газодиффузионного разделения являются асимметричные мембраны, которые изготавливают, как правило, из одного полимера или смеси полимеров [7].

Пористые мембраны достаточно широко распространены, однако не гарантируют стерильности и имеют низкую селективность. Кроме того, пористые мембраны подвержены зарастанию, что может полностью остановить процесс отведения газов [8].

Для биотехнологических процессов в последнее время используются мембраны на основе поливинилтриметилсилана, полидиметилсилоксана и политриметилсилилпропина [9-12].

В работе [13] по превращению органических отходов сельского хозяйства в топливо для альтернативной энергетики, для изготовления мембранного десорбера исследовали возможность использования мембраны из

поливинилтриметилсилана (ПВТМС). На базе ПВТМС-мембраны был изготовлен мембранный модуль, состоящий из четырех двусторонних мембранных картриджей, помещенных в пластиковый контейнер. Диаметр картриджей составлял 120 мм, суммарная площадь мембран — 1200 см2. Мембранный модуль был объединен с лабораторным ферментером объемом 1,5 л, в котором происходила анаэробная микробная конверсия органических целлюлозосодержащих отходов в водород.

Газоразделительные мембраны являются одними из самых часто используемых мембран и их можно подразделить на мембраны с высокими проницаемостями и мембраны с низкими проницаемостями. Мембраны с высокими проницаемостями можно использовать в тех случаях, когда не требуется высокая селективность. Когда требуется обеспечить высокую селективность, должны использоваться материалы с низкими проницаемостями на основе стеклообразных полимеров [14].

Мебранные биореакторы

Разработками мембранных биореакторов и самих мембран, занимаются, как российские так и зарубежные ученые. Цель мембраны в биореакторе -либо сохранить клетки внутри ферментера или удалить ингибиторы или продукты из культуральной жидкости. Одним из таких аппаратов является биореактор с многослойными мембранами для производства биогаза. Реактор был разработан с целью удержания бактериальных клеток в потоке через узкий тоннель между мембранными слоями, в которомобеспечивается максимальный

массоперенос молекул газов в биореакторе. Были рассмотрены гидрофобные полиамидные мембраны 46 (РА), мембраны из гидроксиэтилированного полиамида 46, а также мембрана из поливинилиденфторида. Использование реактора, содержащего поливинилиденфторидамембраны, приводило к увеличению производительности

биогаза по сравнению с обычными системами со свободными клетками [15].

Одним из вариантов получение биогаза, является его производство из отходов цитрусовых с помощью мембранного биореактора.

Быстрое подкислениеи ингибирование Б-лимонена является основной проблемой производства биогаза из отходов цитрусовых. Эта проблема была обнаружена с помощью гидрофильногополивинилидендифторида мембранном биогазовом реакторе. В этом мембранном биореакторе бактерии расщепляют цитрусовые отходы и производят растворимые соединения, которые могут проходить через мембрану и преобразовываться в биогаз с помощью инкапсулированных клеток. Эксперименты проводились при температуре 55 °С, и времени гидравлического удержания 30 дней. Результаты показывают, что приблизительно 73% от теоретического выхода метана было достигнуто за счет использования мембранного биореактора [16].

Мембранные биореакторы часто используют для производства этанола. Пяйви Улитеро из Чалмерского технологического университета, для производства этанола, использовал две разных конструкции МБР, в которых разделение происходит под действием давления или вакуума.

Первый вариант - это мембранный биореактор с поперечным течением жидкости, работающий в непрерывном режиме при средней скорости разбавления, проточный мембранный модуль которого был размещен снаружи биореактора. Во втором варианте автором был использован погружной МБР, где имелись три плоские мембраные панели, погруженные в дрожжевую культуральную жидкость [17].

Другой вариант производства этанола - это выделение этанола из жидкости в результате процесса мембранной дистилляции (МД). Были использованы пористые капиллярные мембраны из полипропилена для разделения летучих соединений, которые образуются в результате ферментации. Устранение этих соединений, являющихся ингибиторами роста и биосинтеза, позволяет существенно увеличить скорость превращения сахара в этанол и, соответственно, производительность биореактора[18].

Этанол можно получить из молочной сыворотки в мембранном биореакторе с рециркуляцией потока. В работе [19] было рассмотрено производство этанола из подкисленной сыворотки, полученной с помощью культуры К1иууеготусе&тагх1апш' У-113 в мембранном биореакторе. За счет более полного использования лактозы и повышения скорости разбавления произошло увеличение концентрации биомассы и производительности биореактора по этанолу. При этом концентрация субстрата в выходном потоке заметно снизилась. Ученые из Сычуанского технологического университета исследовали производительность ферментационной системы с помощью непрерывного спиртового броженияв биореакторе с силиконовыми мембранами. Во время непрерывной работы,

плотность клеток составляла от 10 ~ 24,8 г-л-1 и производительность по этанолу 2.33 ~ 3.99 г-л-1-ч-1. Результаты были достигнуты с использованием подачи 30 ~ 50 г-л-1 глюкозы [20].

Авторы [21] рассмотрели кинетику брожения этанола в непрерывной и закрытой циркулирующей системе в первапорационном мембранном биореакторе.

Кинетика брожения этанола, полученного дрожжами ЗассИаготусе^'сегеуг^чае, исследовалась в качестве непрерывного и замкнутого циркуляционного брожения с системой полидиметилсилоксана в первопарационном мембранном биореакторе

В работе [22] авторы для производства этанола занимались разработкой текстильного анаэробного биореактора, с использованием хлопьевидных дрожжей. Была разработана и исследована система перемешивания, которая работает без аэраторов, пульверизаторов или мешалок, но содержащая жидкость в биореакторе, которая образует псевдоожиженный слой, для приостановления образования хлопьевидных дрожжей. Были определены условия, необходимые для поддержания псевдоожиженного слоя.

Помимо предложенных двух вариантов мембранных биореакторов Пяйви Улитеро с коллегами, предложил использовать совместную утилизацию глюкозы и ксилозы для повышения производства лигноцеллюлозного этанола в мембранном биореакторе. Был использован генетически-модифицированный штамм

ЗассИаготусе^' Сегеуг^чае (Т0936), с возможностью ферментировать ксилозу. В «обратном» мембранном биореакторе глюкозаиксилоза использовались полностью, в результате чего образовывалось 86% от теоретического выхода этанола, при использовании синтетической питательной среды [23].

Мембранные биореакторы с различными конфигурациями были реализованы для одновременного разделения ферментированных продуктов с использованием техники первапорации. По литературным данным, в которых обсуждают непрерывное производство этанола с помощью первопарации, с использованием различных культур, мембран и конфигураций.Чен и соавторыисследовали производство

дрожжейЗассИаготусе^'сегеушае в непрерывной и замкнутой циркуляционной системе брожения (СССР). Производительность по этанолу составляла 1,39 г / л и была получена в третьем цикле, со скоростью протока 0,13 ч -1. Номура и другие изучили удаление этанола из культуральной жидкости с помощью силикатно-цеолитовой мембраны. Кегами и соавторы показали, что при сочетании процесса брожения/первопарации с использованием силикатно-цеолитовой мембраны, селективной для этанола, может быть получен раствор этанола приувеличении срабатывания глюкозы в среднем на 20% [24].

Помимо использования биореактора для получения этанола или биогаза, мембранные

биореакторы также используются для очистки сточных вод. Экономически выгодным методом отделения воды от активного ила считался метод отстаивания, с дальнейшей доочисткой, которая имела свои недостатки. Главное отличие предложенного авторами мебранногобиореактора от систем очистки в аэротенках, заключается в наличии мембранного модуля. Мембранный модуль состоит из 10 - 20 кассет с мембранами, в каждой из которых находятся от 5 до 15 пучков мембранных волокон. Эффективность удаления бактерий составляет 99,999%, вирусов - 99,9%. Это объясняется тем, что поры мембран имеют меньший размер, чем размеры клеток микроорганизмов, в том числе и бактерий, в результате чего происходит частичное обеззараживание воды [25].

Многолетние работы ведутся на кафедре химической кибернетики КНИТУ, во главе с В.М.Емельяновым, по созданию мембранных биореакторов и интенсификации

биотехнологических процессов [26-29].

Одной из важных задач при культивировании микроорганизмов является обеспечение требования высокойасептики процесса. Главная задача работы по созданию биотехнологического комплекса участка чистой культуры спиртовых дрожжей - это разработка интенсивной аэробной технологии дрожжегенерации в мембранном биореакторе. Авторами, были поставлены следующие задачи: исследование переноса кислорода через гомогенную полимерную мембрану; определение

закономерностей массопереноса в системе газ-мембрана-жидкость; разработка конструкции мембранного биореактора для культивирования спиртовых дрожжей; изучение массообменных характеристик мембранного биореактора; изучение роста спиртовых дрожжей при периодическом, отьемно-доливном и непрерывном культивировании дрожжей в мембранном биореакторе; математическое моделирование процесса ферментации в мембранном биореакторе; расчет системы обогащения воздуха кислородом с использованием жидких перфторуглеродов.

В результате проведения работы, был разработан технологический процесс аэробной генерации спиртовых дрожжей с высокими асептическими характеристиками, а также предложены мероприятия по реконструкции без значительных затрат участков дрожжегенерации спиртовых заводов и повышением выхода чистой культуры спиртовых дрожжей.

Одним из предлагаемых аппаратов является биореактор с мембранным аэрирующим устройством на основе трубчатых силоксановых мембран. В аппарате мембрана закреплена на несущем перфорированном цилидре, внутри которого находится привод многоярусной мешалки. В полость мембраны подавался технический кислород с избыточным давлением до 0,25 Мпа. Также в работе предполагалось увеличение давления до 0,5 Мпа, но при увеличении давления происходило неравномерное по длине увеличение

диаметра полимерной трубчатой мембраны, что объясняется достижением предела упругости.

Для снижения риска заражения культуры, через устройство уплотнения вала перемешивающего устройства, созданы аппараты вытеснения. В таких аппаратах мешалка убирается. Но, при переходе на такие биореакторы необходимо сохранить главный показатель - сульфитное число(сколько грамм кислорода поступает за единицу времени в литр жидкости), в целях чего следует обеспечить достаточно большую удельную площадь поверхности мембран. Одним из таких аппаратов является лабораторный биореактор с мембранным устройством подвода кислорода А-1-1ме, №1/0032010. Данный аппарат может быть предельно заполнен мембранными элементами, вследствие отсутствия встроенного оборудования, в том числе перемешивающего устройства.

Данный аппарат является аналогом продукции зарубежных производителей, таких как лабораторный биореактор Biostat-B фирмы Braun, которая производила лабораторные мембранные биореакторы, как с мешалками, так и без. Фирма осуществила разработку и выпуск лабораторных биореакторов с трубчатыми мембранами, селективными по отношению к транспорту кислорода. Основное отличие биореактора А-1-1ме, №1/003-2010 с мембранным устройством подвода кислорода от зарубежных - это более низкая стоимость в расчете на единицу переносимого кислорода.

Большой вклад в развитие конструктивного оформления мембранных реакторов внесен группой В.В. Бирюкова. В работе [29] описана конструкция реактора с трубчатой мембраной, заполненной биокатализатором, при этом подчеркнуто то обстоятельство, что «массопередача кислорода за счет диффузии через стенку трубки недостаточна по сравнению с прямой массопередачей жидкость-газ с интенсивным перемешиванием».

Так как сульфитное число является одним из главных показателей во всех аппаратах, приведем несколько примеров:

- инокулятор с мембранным устройством подвода газового питания и осевым по отношению к мембранам движением жидкостного пототока-0,257 гО2/л-ч-атм [30];

- колонный инокулятор непрерывного действия с аналогичным движением потока - 0,76 г/л.час [31];

- инокулятор со спиральным движением жидкостного потока перпендикулярно к оси мембран - 1,2 г/л.час [32].

В настоящее время разработки и исследование различных конструкций мембранных биореакторов продолжаются на кафедре химической кибернетики КНИТУ. Данные о новых аналогичных разработках зарубежных исследователей и фирм в научной литературе и буклетах фирм-производителей биореакторного оборудования отсутствуют.

Литература

1. С.Т.Хванг, Мембранные процессы разделения.

К.Каммермейер М.: Химия, 1981

2. А.Ю. Попов. Ферментеры — анализ и управление рисками. «Чистые помещения и технологические среды», № 3, 2005

3. Н.Н. Фирсов Словарь терминов микробиологии. Дрофа. М., 2006

4. М.Н. Бредихин, Журнал «Инновации. Технологии. Решения» Мембранные методы очистки воды [Электронный ресурс] /М.НБредихин-Режим доступа^йр^/^^^^^ш.ги/тетЬгап^е-те!!^!-ochistki-vodyi.html свободный. - Проверено 30.01.2016

5. Д. И Петухов Газоселективные мембраны и мембранные катализаторы на основе пленок пористого оксида алюминия / Д. А. Булдаков, Р.В.Азиев, А.А.Елисеев //Факультет наук о материалах МГУ имени М.В. Ломоносова.

6. Курс лекций [Электронный ресурс] / Режим доступа: htt p://freeref.ru/wievjob.php?id=23386, свободный. -Проверено 30.01.2016

7. Газоселективные материалы для создания модифицированной газовой среды [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://www.valleyflora.ru/gazoselektivnye-materialy.html, свободный. - Проверено 30.01.2016

8. Н.Наттоп, KErnst, R.NewtonNoble gas permeability of polymer films and coatings // J. Appl. Polym. Sci. 1977. № 21.

9. L.G Gasanova., A.I., Netrusov V. V Teplyakov. and Modigell M. Fuel gases from organic waste by using membrane biore- actors 11 Desalination. 2006. № 198.

10. A.P.Korikov., K.K.SirkarMembrane gas permeance in gasliquid membrane contactor systems for solutions containing a highly reactive absorbent //J. Membr. Sci. 2005. № 246.

11.L.Gasanova, ^Mitrofanova., N. Zotova V. Teplyakov A. Netrusov., M. Modigell. Separation of fuel gases of microbial origin by using active membrane systems // Desalination. 2006. № 200.

12. V. V.Teplyakov, L.G. Gasanova., E.G.Sostina., E. V.Slepova., M.Modigell, A.I.Netrusov. Lab-scale bioreactor integrated with active membrane system for hydrogen production: experience and prospects: Int. J. Hydrogen Energy. 2002. № 27.

13. С. М Абрамов. Превращение органических отходов сельского хозяйства в топливо для альтернативной энергетики / С.М. Абрамов, Э.Р. Садраддинова, А.И.Шестаков, А. И.Нетрусов // Хранение и переработка сельхозсырья - 2010.-№1. с. 8-11.

14. И. Н. Бекманкурс лекций [Электронный ресурс] /И. Н Бекман - Режим доступа:http://profbeckman.narod.ru/MedMemb.files/medm emb14.pdf , свободный. - Проверено 29.01.2016

15. Y.Supansa, B.Hamidreza, K.Sudip, J.Mohammad «Rapid biogas production by compact multi-layer membrane bioreactor: efficiency of synthetic polymeric membranes» //Energies 2013, 6, 6211-6224

16. W.Rachma, M.Ria, N. С. Muhammad, «Biogas Production from Citrus Waste by Membrane Bioreactor»//Membranes2014, 4, 596-607;

17. Y.Paivi, Thesis for the degree of doctor of philosophy «Concepts for improving ethanol productivity From lignocellulosic materials: Encapsulated yeast and membrane bioreactors»// Department of Chemical and Biological Engineering chalmers university of technology Gothenburg, Sweden 2014.

18. G. Marek, W. Antoni M., T. Maria. Ethanol production in membrane distillation bioreactor//Catalysis Today ,Volume 56, Issues 1-3, 25 February 2000, Pages 159-165

19. C.S.F. Tin, A.J. Mawson «Ethanol production from whey in a membrane recycle bioreactor» // Process Biochemistry. Volume 28, Issue 4, 1993, Pages 217-221

20. Er. Shi, Ze-yi. Xiao, Wei-xing. Huang, Jin. Yang, Quan. Jiang, Jian. TAO «Scale-up of Continuous Ethanol Fermentation in a Silicone Rubber Membrane Bioreactor and Study on its Fermentation System Performance». (School of Chemical Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065, China). «Journal of Chemical Engineering of Chinese Universities)) 2007-02

21. Ch. Chunyan, T. Xiaoyu, X Zeyi,Z Yihui, J Yue, Fu. Shengwei «Ethanol fermentation kinetics in a continuous and closed-circulating fermentation system with a pervaporation membrane bioreactor» // Bioresource Technology. Volume 114, June 2012, Pages 707-71

22. A. O.Osagie, R. L.Patrik., J. Mohammad., «Development of Novel Textile Bioreactor for Anaerobic Utilization of Flocculating Yeast for Ethanol Production»// Swedish Centre for Resource Recovery, University of Borâs, SE 50190 Borâs, Sweden; Fermentation 2015, 1, 98-112

23. M.Mofoluwake, Y.Päivi, J.Mohammad «Co-Utilization of Glucose and Xylose for Enhanced Lignocellulosic Ethanol Production with Reverse Membrane Bioreactors» // Membranes 2015, 5, 844-856;

24. J.Anjali, P.Satyendra, «Bioethanol Production in Membrane Bioreactor (MBR)» // International Journal of Environmental Research and Development. Volume 4, Number 4 (2014), pp. 387-394

25. Е.В. Гладкова, Ю.В. Демьянова, А.М. Николаева., Д.К. Кутузов., Вест. РГАЗУ ч.2,39-48 (2013).

26. Биотехнологический комплекс участка чистой культуры спиртовых дрожжей/ В.М. Емельянов, И.С. Владимирова, Ю.П. Александровская и др.// Биотехнология состояние и перспективы развития: Матер. Междунар. конгресса. Москва, 2002. С. 96-98.

27. Ю. П. Александровская, Аэробное культивирование спиртовых дрожжей в биореакторе с мембранным аэрирующим устройством [Текст] : дис. ... канд. техн. наук : 03.00.23 / Александровская Юлия Павловна. -Казань, 2004. - 173 с

28. Пат. РФ 2446205 (2010).

29. Бирюков, В.В. Основы промышленной биотехнологии / В. В. Бирюков. - М.: КолосС, 2004. - 296 с.

30. М.Ф. Шавалиев, С.Г. Мухачев., Д.С. Виноградов, В.М. Емельянов. Вест. Каз. технол. ун-та 5, 150-154

31. Э.Д.Латыпов, М.Ф Шавалиев, С.Г. Мухачев., И.В.Шагивалиев. Научная сессия КНИТУ (Казань, 3 -7 февраля, 2014). Казань, 2014

32. Э.Д.Латыпов., М.Ф Шавалиев., С.Г. Мухачев., И.В.Шагивалиев. Научная сессия к 100 - летию академика П.А. Кирпичникова (Казань, 5-8 февраля, 2013). Казань, 2013 С. 85.

© Э. Д. Латыпов - аспирант каф. химической кибернетики КНИТУ, emil1989-89@mail.ru; М. Ф. Шавалиев - к. т. н. каф. химической кибернетики КНИТУ.

© E. D. Latypov - postgraduate of Chemical cybernetics department of Kazan National Research Technological University, emil1989-89@mail.ru; M. F. Shavaliev - PhD in Technical Sciencesof Chemical cybernetics department of Kazan National Research Technological University.