Ultrafiltracija

Ultrafiltracija (UF) je način membranske filtracije u kojoj sile poput pritiska ili gradijenta koncentracije dovode do razdvajanja kroz polupropusnu membranu. Suspendovane čvrste materije i rastvorene supstance sa visokom molekulskom težinom zadržavaju se u takozvanom retentatu, dok voda i rastvorene supstance male molekulske mase prolaze kroz membranu u permeat (filtrat). Ovaj postupak odvajanja koristi se u industriji i istraživanjima za pročišćavanje i koncentriranje makromolekularnih (10³–10 ⁶Da) rastvora, posebno proteina.^[1]

Tretman pitke vode od 300 m³/h, primjenom ultrafiltracije u Grundmühleu (Njemačka)

Ultrafiltracija se u osnovi ne razlikuje od mikrofiltracije. Obje razdvajaju na osnovu izuzimanja veličine ili hvatanja čestica. Suštinski se razlikuje od membranskog razdvajanja plinova, koji se razdvaja na osnovu različitih količina apsorpcije i različitih brzina difuzije. Ultrafiltracijske membrane definirane su graničnim vrijednostima molekulske težine (MWCO) korištene membrane. Ultrafiltracija se primjenjuje u protočoj filtraciji ili slijepom modusu.^[2] UF processes are currently preferred over traditional treatment methods for the following reasons:

Principi

Ultrafiltracija je postupak razdvajanja koji razdvaja molekule na osnovu veličine rastvorenih molekula.^[3] Može se napraviti membrana koja povezuje male molekule i dopušta prolaz velikih molekula, što se naziva obrnuta ili reverzna selektivnost.^[3]

Osnovni princip ultrafiltracije koristi razdvajanje rastvorenih supstanci od rastvarača kroz polupropusnu membranu. Odnos između pritiska na otopinu koja se odvaja i fluksa kroz membranu najčešće opisuje Darcyjeva:

${\displaystyle J={TMP \over \mu R_{t}}}$

gdje je

• J= protok (brzina protoka po površini membrane),
• TMP = transmembranski pritisak (razlika pritiska između dovoda i struje permeata),
• μ = viskoznost rastvarača,
• R _t = ukupni otpor (zbir otpora membrane i otpora prema česticama).

Primjena

Ultrafiltracija ima široku i raznorodnu primjenu, u rasponu od obrade bioloških makromolekula do obrade otpadnih voda.^[3] S operativnog gledišta, ultrafiltracija se koristi za stvaranje koncentriranog spoja (smanjujući količinu rastvarača), uklanja soli (desalinacija ) koja se obično koristi za uklanjanje čestica male molekulske težine iz rastvora proteina ili za prosvjetljavanje i pročišćavanje spoja, a potonje se zove frakcioniranje ili odvajanje određenih dijelova spoja.

Najčešći postupci primjene su za slijedeće potrebe:

* Filtracija otpadnih voda iz mlinova za papirnu celulozu;

* Proizvodnja sira (ultrafiltrirano mlijeko);

* Uklanjanje nekih bakterija iz mlijeko|mlijeka]];

* Pročišćavanje procesnih i otpadnih voda;

* Oporavak enzima;

* Koncentriranje i bistrenje voćnog soka;

* Dijaliza i drugi tretmani krvi;

* Desaltizacija i razmjena rastvarača proteina (putem dijafiltracije);

* Laboratorijska proizvodnja;

*Datirane koštanog kolagen metodom radiougljika i sl.

Dijagram osnovnih fizioloških mehanizama ultafiltracije u bubregu

U fiziologiji bubrega, ultrafiltracija se javlja na barijeri između krvi i filtrata u glomerulskoj kapsuli (Bowmanova čahura). Kao u nebiološkim primjerima ultrafiltracije, pritisak (u ovom slučaju krvni pritisak) i gradijenti koncentracije dovode do razdvajanja kroz polupropusnu membranu ( koje omogućavaju podociti). Bowmanova čahura sadrži gustu kapilarnu mrežu koja se naziva glomerul. Krv teče u ove kapilare kroz aferentne arteriole i odlazi kroz eferentne arteriole.

Visok hidrostatski pritisak prisiljava male molekule u tubulskoj tečnosti kao što su voda, glukoza, aminokiseline, natrij-hlorid i urea, kroz filter, od krvi u glomerulskoj kapsuli preko bazne membrane Bowmanove čahure do bubrežne tubule. Ovaj proces se naziva ultrafiltracija; rezultirajuća tekućina, gotovo bez velikih proteina i krvnih ćelija, naziva se glomerulski filtrat ili ultrafiltrat.^[4] Further modification of ultrafiltrate, by reabsorption and secretion, transforms it into urine.

Glomerulski pritisak je oko 75 milimetara žive (10 kPa). Suprotstavljaju mu se osmotski pritisak (30 mmHg, 4,0 kPa) i hidrostatski pritisak (20 mmHg, 2,7 kPa) rastvorenih supstanci prisutnih u kapsulskom prostoru. Ova razlika u pritisku naziva se efektivni pritisak (25 mmHg, 3,3 kPa).

U hemodijaliznim centrima, ultrafiltracija se odvija u hemofilteru, na aparatima za hemodijalizu, kada je krvni pritisak veći od pritiska dijalizata (razlika = transmembranski pritisak (TMP)). Ovo uklanja tečnost iz krvi, a istovremeno zadržava krvne ćelije u sebi netaknutima.

Prednosti

Prednost ultrafiltracije u usporedbi s drugim metodima je ta što je količina dobijenog proizvoda prilično velika, instalacija alata je relativno lahka, a ultrafiltracijski alat je lahko čistiti i održavati.^[3]

Reference

1. Clever, M.; Jordt, F.; Knauf, R.; Räbiger, N.; Rüdebusch, M.; Hilker-Scheibel, R. (1. 12. 2000). "Process water production from river water by ultrafiltration and reverse osmosis". Desalination. 131 (1–3): 325–336. doi:10.1016/S0011-9164(00)90031-6.
2. Laîné, J.-M.; Vial, D.; Moulart, Pierre (1. 12. 2000). "Status after 10 years of operation — overview of UF technology today". Desalination. 131 (1–3): 17–25. doi:10.1016/S0011-9164(00)90002-X.
3. Pabby AK, Rizvi SSH, Sastre AM. 2009. Handbook of Membrane Separations: Chemical, Pharmaceutical, Food, and Biotechnological Applications. Boca Raton: Taylor & Francis.
4. Koushanpour, Esmail (1986). Renal Physiology. New York: Springer-Verlag. str. 53-72. ISBN 978-0-387-96304-4.