УЛЬТРАФИЛЬТРАЦИЯ

Ультрафильтрация — разновидность мембранной фильтрации, т. е. процесса фракционирования по размеру растворенных или суспендированных компонентов путем фильтрации через мембраны с ограниченной проницаемостью. Ультрафильтрация находит широкое применение в микробиологии (см.) и других медико-биологических науках, а также в медицинской и пищевой промышленности.

При Ультрафильтрации растворитель и растворенные или суспендированные в нем компоненты с размерами частиц, меньшими, чем диаметр пор мембраны фильтра, под действием избыточного давления сверху, разряжения снизу пли ускорения при Бактериальные фильтры).

Наличие положительного или отрицательного давления отличает У. от диффузия (см.), а направление движения молекул растворителя и мелких растворенных частиц определяется градиентом концентрации по обе стороны полупроницаемой мембраны. Однако при У., как и при диализе, процесс не сопровождается увеличением концентрации низкомолекулярных веществ и повышением ионной силы р-ра. Важной характеристикой ультрафильтров, часто определяющей возможность использования У. для решения той или иной экспериментальной или производственной задачи, является их производительность, т. е. скорость тока фильтруемой жидкости через ультрафильтр, выражаемая обычно в мл/мин/см². При прочих равных условиях величина производительности ультрафильтра возрастает с увеличением диаметра пор и их количества на единицу площади фильтра (степени порозности), уменьшением толщины ультрафильтра и возрастанием создаваемой разности давления. Однако указываемая в паспорте ультрафильтра его производительность устанавливается обычно при фильтровании абсолютно чистой воды. Эта операция дает возможность определить по скорости фильтрации пористость мембраны фильтра, т. к. количество воды, проходящее за единицу времени при определенном давлении через 1 см² ультрафильтра, прямо пропорционально квадрату диаметра его пор. Следует отметить, что при длительном прохождении через ультрафильтр обычной дистиллированной воды в конце концов наступает уменьшение производительности фильтра. При фильтровании биологических жидкостей, вирусных и микробных суспензий уменьшение производительности фильтра наступает значительно быстрее. Снижение производительности ультрафильтра объясняется тремя главными причинами: первичной адсорбцией (см.), т. е. молекулярной и ионной адсорбцией частиц на поверхности ультрафильтра и внутри его пор, что ведет к уменьшению их диаметра; так наз. блокировкой или кольматажем — механической задержкой фильтрующихся частиц и особенно их агрегатов внутри пор ультрафильтра, что ведет к забиванию пор и уменьшению степени порозности фильтра; механической задержкой более крупных частиц на поверхности фильтра, в результате чего образуется слой, закрывающий рабочую поверхность ультрафильтра и плохо проходимый или совсем непроходимый для жидкости. Поверхность пор на 1 см² лучших мембранных ультрафильтров достигает 50—100 м², что может обусловить адсорбцию 50—500 мг белка в виде монослоя. Ионная адсорбция на ультрафильтре зависит от величины заряда материала, из к-рого сделан ультрафильтр. Ионная и молекулярная адсорбция помимо замедления процесса фильтрации может также обусловить значительные потери целевого материала. Первичная адсорбция на ультрафильтре, как правило, уменьшается при увеличении разности давления по обе стороны мембраны благодаря так наз. эффекту сдувания адсорбированного слоя. Такой прием, однако, не помогает устранить блокировку пор, и положительный эффект в этом случае достигается лишь добавлением поверхностно-активных веществ (см. Детергенты). Образование плохо проницаемого поверхностного слоя балластных веществ может быть замедлено или предотвращено предварительным удалением этих веществ, а также использованием предфильтров — фильтров с большим диаметром пор, накладываемых на ультрафильтр, или созданием тока фильтруемой жидкости параллельно поверхности ультрафильтра.

Различают консервативные, или статичные, способы У., при к-рых фильтруемая жидкость движется через ультрафильтр перпендикулярно его рабочей поверхности в сторону более низкого давления, а также проточные способы У., при к-рых фильтруемая жидкость наряду с описанным движением через рабочую поверхность ультрафильтра перемещается еще и параллельно этой поверхности. Проточные ультрафильтры при промышленном использовании объединяются в целые батареи, при этом их суммарная рабочая поверхность может достигать нескольких тыс. м². При больших объемах фильтруемых р-ров фильтровальные камеры с фильтрами и предфильтрами могут соединяться параллельно или последовательно в батареи из 5—10 фильтровальных элементов. Избыточное давление в камере создается как за счет вакуума в приемнике, так и за счет действия насоса, подающего жидкость из резервуара в камеру. Благодаря работе насоса количество жидкости, поступающей в камеру, превосходит ее расход за счет фильтрования, в результате чего в камере создается обратный ток жидкости, частично возвращающейся в резервуар, направленный параллельно поверхности фильтра. Это движение жидкости делает минимальным образование плохо проходимого поверхностного слоя балластных веществ.

В лабораторных условиях проточное фильтрование осуществляют с помощью волоконных ультрафильтров. При этом концентрируемый р-р циркулирует внутри полых волокон фильтра, а фильтрат собирается снаружи.

Известны два варианта применения ультрафильтров. При первом из них интересующие исследователя частицы и макромолекулы проходят через ультрафильтр, а более крупные задерживаются на нем. Такой способ обеспечивает очистку и фракционирование суспензии частиц по размеру, а также стерилизацию фильтруемого р-ра в случае бактериальных загрязнений, но не его концентрирование. При втором способе интересующие исследователя частицы или макромолекулы по своим размерам превосходят диаметр пор ультрафильтра, в результате чего достигается их концентрирование и очистка, но не стерилизация.

Ввиду огромной поверхности пор в ультрафильтрах последние нередко используют для адсорбции из р-ра макромолекул и вирусов с их последующим элюированием. В этом отношении удобны растворихмые ультрафильтры, после растворения к-рых адсорбированное вещество переходит в р-р.

Область применения Ультрафильтрации в биологии и медицине весьма обширна. В микробиологии, вирусологии, а также в пищевой промышленности У. применяют для стерилизации р-ров и суспензий, очистки фаголизатов и вирусных суспензий от клеток и клеточных обломков. С помощью мембранных ультрафильтров осуществляют концентрирование и очистку вирусов и различного рода макромолекул как в лабораторных, так и в промышленных масштабах. У. все чаще используют при приготовлении вирусных и субвирусных вакцин. Напр., на стандартном фильтровальном оборудовании фирмы Millipore с общей поверхностью батарей ультрафильтров 2720 м² перерабатывают 150-литровые порции суспензии вируса ящура (после хлороформной депротеинизации) за 130 час. при 5°; при этом сохраняется ок. 90% инфекционности вируса, он концентрируется в 150 раз, из р-ра удаляется до 92% балластного белка. Ультрафильтрацию стали широко использовать также в биохимии, молекулярной биологии, вирусологии, микробиологии и др. при проведении различного рода исследований с применением радионуклидов, напр, при определении радиоактивности нуклеиновых кислот (см.), в экспериментах по гибридизации ДНК—ДНК и РНК—ДНК. Хотя и в ограниченных масштабах, но продолжает применяться определение размеров вирусов, белков и других макромолекул с помощью У. Благодаря У. были открыты все основные группы известных вирусов (см.): вирусы растений и животных, бактериофаги (см.). Долгое время Ультрафильтрация оставалась единственным способом очистки вирусов (вирусных суспензий).

В медицине стали применять конические ультрафильтры, позволяющие с помощью лаб. центрифуги концентрировать белки цереброспинальной и синовиальной жидкостей, белки мочи и др. для последующего анализа.

См. также Фильтрование.

Библиогр.: Тихоненко Т. И. Методические основы биохимии вирусов, М., 1973; Товарницкий В. И. и Глухарев Г. П. Ультрафильтры и ультрафильтрация, М., 1951; Strohmaier К. Virus concentration by ultrafiltration, в кн.: Meth. in virol., ed. by K. Maramorosch a. H. Koprowski, v. 2, p. 245, N. Y.— L., 1967.

Т. И. Тихоненко.