Kontinuální oddělování pěny - Continuous foam separation

Kontinuální oddělování pěny je chemický proces úzce souvisí s frakcionace pěny ve kterém se pěna používá k oddělení složek roztoku, pokud se liší v povrchové aktivitě. V jakémkoli řešení mají povrchově aktivní složky tendenci adsorbovat se na rozhraní plyn-kapalina, zatímco povrchově neaktivní složky zůstávají v objemovém roztoku. Když je roztok napěněn, většina povrchově aktivních složek se hromadí v pěně a pěna může být snadno extrahována. Tento proces se běžně používá ve velkých projektech, jako je čištění odpadních vod v důsledku kontinuálního toku plynu v roztoku.

Z tohoto procesu mohou vzniknout dva typy pěny. Jsou to mokrá pěna (nebo kugelschaum) a suchou pěnu (nebo polyederschaum). Mokrá pěna má tendenci se tvořit ve spodní části pěnové kolony, zatímco suchá pěna má tendenci se tvořit v horní části. Vlhká pěna je více sférická a viskózní a suchá pěna má tendenci mít větší průměr a méně viskózní.[1] Mokrá pěna se tvoří blíže k původní kapalině, zatímco suchá pěna se vyvíjí na vnějších hranicích. To, co většina lidí obvykle chápe jako pěnu, je vlastně jen suchá pěna.

Nastavení pro kontinuální oddělování pěny spočívá v zajištění kolony v horní části nádoby s roztokem, která má být napěněna. Vzduch nebo konkrétní plyn se v roztoku disperguje pomocí rozdělovače. Sběrná kolona v horní části shromažďuje produkovanou pěnu. Pěna se poté shromáždí a zhroutí do jiné nádoby.

V procesu kontinuální separace pěny je do roztoku přiváděno kontinuální potrubí plynu, což způsobuje kontinuální pěnění. Kontinuální oddělování pěny nemusí být při oddělování rozpuštěných látek tak účinné jako oddělování fixního množství roztoku.

Dějiny

Procesy podobné kontinuální separaci pěny se běžně používají po celá desetiletí. Příkladem jsou odstraňovače bílkovin separace pěny používá se v mořských akváriích. Nejstarší dokumenty týkající se oddělování pěny pocházejí z roku 1959, kdy Robert Schnepf a Elmer Gaden, Jr. studoval vlivy pH a koncentrace na separaci hovězího sérového albuminu z roztoku.[2] Jiná studie, kterou provedli R.B. Grieves a R. K. Woods[3] v roce 1964 se zaměřil na různé efekty separace založené na změnách určitých proměnných (tj. teplota, poloha zavedení krmiva atd.). V roce 1965 Robert Lemlich[4] z University of Cincinnati provedl další studii o frakcionaci pěny. Lemlich zkoumal vědu za frakcionací pěny pomocí teorie a rovnic.

Jak bylo uvedeno výše, kontinuální separace pěny úzce souvisí s frakcionace pěny kde hydrofobní rozpuštěné látky se připevňují k povrchu bublin a stoupají za vzniku pěny. Pěnová frakcionace se používá v menším měřítku, zatímco kontinuální separace pěny se provádí ve větším měřítku, jako je úprava vody pro město. Článek publikovaný Federace vodního prostředí[5] v roce 1969 diskutovali o myšlence využití frakcionace pěny k léčbě znečištění řek a jiných vodních zdrojů ve městech. Od té doby byl proveden malý výzkum k dalšímu pochopení tohoto procesu. Stále existuje mnoho studií, které implementují tento proces pro svůj výzkum, jako je separace biomolekul v lékařské oblasti.

Pozadí

Povrchová chemie

Kontinuální separace pěny závisí na schopnosti kontaminantu adsorbovat na povrch rozpouštědla na základě jejich chemické potenciály. Pokud chemické potenciály podporují povrchovou adsorpci, kontaminující látka se bude pohybovat od většiny rozpouštědla a vytvoří film na povrchu pěnové bubliny. Výsledný film je považován za jednovrstvá.

Jako kontaminující látky, nebo povrchově aktivní látky ', koncentrace v objemu klesá, povrchová koncentrace se zvyšuje; toto se zvyšuje povrchové napětí na rozhraní kapalina-pára. Povrchové napětí popisuje, jak obtížné je rozšířit plochu povrchu. Pokud je povrchové napětí vysoké, je zapotřebí velká volná energie ke zvětšení povrchové plochy. Povrch bublin se smrští v důsledku tohoto zvýšeného povrchového napětí. Tato kontrakce podporuje tvorbu pěny.

Diagram znázorňuje akumulaci molekul povrchově aktivní látky na rozhraní kapalina-pára, což způsobuje kontrakci povrchu za vzniku pěny.

Pěny

Definice

Pěna je typ koloidní disperze, kde je plyn dispergován v kapalné fázi. Kapalná fáze se také nazývá kontinuální fáze, protože na rozdíl od plynné fáze je nepřerušovaná.[1]

Struktura

Při vytváření pěny se mění její struktura. Když kapalina pění nahoru do plynu, bubliny pěny začínají jako sbalené uniformní koule. Tato fáze je mokrá fáze. Čím dále po sloupci pěna cestuje, vzduchové bubliny se deformují a vytvářejí polyedrické tvary, suchou fázi. Kapalina, která odděluje ploché plochy mezi dvěma polyedrickými bublinami, se nazývá lamely; je to kontinuální kapalná fáze. Nazývají se oblasti, kde se setkávají tři lamely hranice náhorní plošiny. Když jsou bubliny v pěně stejné velikosti, lamely v hranicích plošiny se setkávají v úhlech 120 stupňů. Protože lamela je mírně zakřivená, je plošina pod nízkým tlakem. Kontinuální kapalná fáze je držena na povrchu bublin molekulami povrchově aktivní látky, které tvoří pěněný roztok. Tato fixace je důležitá, protože jinak se pěna stává velmi nestabilní, když kapalina odtéká do oblasti plató, čímž se lamely stávají tenkými. Jakmile jsou lamely příliš tenké, prasknou.[6]

Teorie

Young-Laplaceova rovnice

Protože se bubliny páry tvoří v kapalném rozpouštědle, mezipovrchové napětí způsobuje tlakový rozdíl, Δstr, přes povrch daný Young-Laplaceova rovnice. Tlak je větší na konkávní straně kapalných lamel (uvnitř bubliny) s poloměrem, R, v závislosti na tlakovém rozdílu. Pro sférické bubliny ve vlhké pěně a standardní povrchové napětí γ °, je rovnice pro změnu tlaku následující:

Jak se bubliny páry zkreslují a mají podobu složitější geometrie než jednoduchá koule, dva hlavní poloměry zakřivení R1 a R2 by bylo použito v následující rovnici:[1]

Jak tlak uvnitř bublin roste, kapalné lamely zobrazené na obrázku výše budou nuceny se pohybovat směrem k hranicím plató, což způsobí zhroucení lamel.

Gibbsova adsorpční izoterma

The Gibbsova adsorpční izoterma lze použít ke stanovení změny povrchového napětí se změnou koncentrace. Protože chemický potenciál se mění se změnou koncentrace, lze použít následující rovnici k odhadu změny povrchového napětí kde dγ je změna povrchového napětí rozhraní, Γ1 je povrchový přebytek rozpouštědla, Γ2 je povrchový přebytek rozpuštěné látky (povrchově aktivní látky), dμ1 je změna chemického potenciálu rozpouštědla a dμ2 je změna chemického potenciálu rozpuštěné látky:[7]

Pro ideální případy Γ1= 0 a vytvořená pěna je závislá na změně chemického potenciálu rozpuštěné látky. Během pěnění dochází v rozpuštěné látce ke změně chemického potenciálu při přechodu z objemového roztoku na povrch pěny. V tomto případě lze použít následující rovnici kde A je aktivita povrchově aktivní látky, R je plynová konstanta a T je absolutní teplota:

Aby bylo možné vyřešit oblast na povrchu pěny obsazenou jednou adsorbovanou molekulou, As, lze použít následující rovnici kde NA je Avogadro číslo.

Aplikace

Čištění odpadních vod

Toto schéma zobrazuje základní čistírnu odpadních vod, která využívá pěnění jako extrakční techniku. Pěnidlo lze jak extrahovat, tak zlikvidovat, pokud se používá k odstranění těžkých kovů, nebo se může vrátit do nádrže s aktivovaným kalem, pokud obsahuje detergenty, které mohou organismy v nádrži časem degradovat.

Kontinuální separace pěny se používá v čištění odpadních vod k odstranění pěnivých látek odvozených od detergentů, jako jsou břišní svaly, které se v odpadních vodách staly běžnými do 50. let.[8] V roce 1959 se ukázalo, že přidáním 2-oktanu do napěněné odpadní vody lze pomocí aktivního oddělování pěny odstranit 94% ABS z aktivovaného kalu.[9] Pěna produkovaná během čištění odpadních vod může být buď recyklována zpět do nádrže s aktivovaným kalem v čistírně odpadních vod, bylo zjištěno, že bakteriální organismy, které tam žijí, rozkládají ABS, pokud je k dispozici dostatek času, nebo extrahovány a zhrouteny k likvidaci.[10] Bylo také zjištěno, že separace pěny snižuje chemická spotřeba kyslíku při použití jako technika sekundárního čištění odpadních vod.[11]

Odstranění těžkých kovů

Odstranění iontů těžkých kovů z odpadních vod je důležité, protože se snadno hromadí v potravinovém řetězci a končí u zvířat, jako jsou mečoun že lidé jedí. Separaci pěny lze použít k odstranění iontů těžkých kovů z odpadních vod při nízkých nákladech, zejména při použití ve vícestupňových systémech. Při provádění separace iontové pěny existují tři provozní podmínky, které musí být splněny pro optimální produkci pěny pro odstranění iontů: tvorba pěny, zaplavení a pláč / vysypání.[12]

Extrakce bílkovin

K extrakci lze použít pěnovou separaci bílkoviny z roztoku, zejména k koncentrování proteinu ze zředěného roztoku. Při čištění proteinů z roztoku v průmyslovém měřítku je žádoucí nákladově nejefektivnější způsob. Pěnová separace jako taková nabízí způsob s nízkými náklady na kapitál a údržbu díky jednoduché mechanické konstrukci; tento design také umožňuje snadné ovládání.[13] Existují však dva důvody, proč použití separace pěny k extrakci proteinu z roztoku nebylo rozšířené: zaprvé některé proteiny denaturace při procházení procesem pěnění a za druhé je obvykle obtížné vypočítat kontrolu a předpověď pěnění. K určení úspěšnosti extrakce bílkovin pěnou se používají tři výpočty.[14]

Poměr obohacení ukazuje, jak efektivní je pěnění při extrakci proteinu z roztoku do pěny, čím vyšší číslo, tím lepší afinita má protein pro stav pěny.

Separační poměr je podobný poměru obohacení v tom, že čím účinnější bude extrakce proteinu z roztoku do pěny, tím vyšší bude jeho počet.

Obnova je to, jak efektivně je protein odstraněn z roztoku do pěnového stavu, čím vyšší procento, tím lepší je proces při získávání proteinu z rozpuštěné látky do pěnového stavu.

Pěna hydrodynamika stejně jako mnoho proměnných, které ovlivňují úspěch pěnění, mají omezené porozumění. To komplikuje použití matematických výpočtů k předpovědi regenerace bílkovin pěnou. Některé trendy však byly určeny; vysoké výtěžnosti byly spojeny s vysokými koncentracemi proteinu v počátečním roztoku, vysokými průtoky plynu a vysokými průtoky nástřiku. Je také známo, že obohacení se zvyšuje, když se pěnění provádí pomocí mělkých bazénů. Použití bazénů s nízkou výškou umožňuje adsorpci pouze malého množství proteinu z roztoku na povrch bublin v pěně, což vede k nižší povrchové viskozitě. Tohle vede k srůstání nestabilní pěny výše ve sloupci, což způsobuje zvětšení velikosti bublin a zvětšení reflux bílkoviny v pěně. Ukázalo se však, že zvýšená rychlost plynu čerpaného do systému vede ke snížení poměru obohacování.[15] Vzhledem k tomu, že je obtížné tyto výpočty předvídat, jsou často prováděny experimenty na zkušebním a pilotním měřítku, aby se zjistilo, zda je pěnění životaschopnou technikou pro těžbu v průmyslovém měřítku.

Extrakce bakteriálních buněk

Oddělení buněk se obvykle provádí pomocí centrifugace, nicméně separace pěny byla také použita jako energeticky účinnější technika. Tato metoda byla použita na mnoha druzích bakteriálních buněk, jako jsou Hansenula polymorf, Saccharomyces carlsbergensis, Bacillus polymyxa, Escherichia coli, a Bacillus subtilis, nejúčinnější na buňkách, které mají hydrofobní povrchy.[16]

Aktuální a budoucí směry

Kontinuální těžba pěny byla původně používána v souvislosti s čištěním odpadních vod v 60. letech. Od té doby nedošlo k velkému výzkumu pěnění jako extrakční techniky. V posledních letech však pěnění pro extrakci proteinů a farmaceutických přípravků vzrostlo o výzkumné pracovníky. Čištění produktů je nejdražší částí výroby produktů v biotechnologiích, pěnění nabízí alternativní metodu, která je levnější než některé současné techniky.

Separační zařízení

Pěnící zařízení

Základní kontinuální oddělovač pěny obsahuje přívodní tok dovnitř, přívodní tok ven a přívod plynu dovnitř. Pěnová kolona stoupá a je odváděna do oddělené nádoby, která má být shromažďována.

Kontinuální separace pěny je jedním ze dvou hlavních způsobů separace pěny, přičemž druhým je separace vsádkové pěny. Rozdíl mezi těmito dvěma režimy spočívá v tom, že v kontinuálním režimu je roztok povrchově aktivní látky kontinuálně přiváděn přes nástřik do pěnové kolony a roztok extrahovaný z povrchově aktivní látky rovněž kontinuálně vystupuje ze spodní části zařízení. Obrázek vpravo ukazuje schéma základního separátoru kontinuální pěny. Proces je stacionární (nebo v ustáleném stavu), pokud je objem kapaliny konstantní jako funkce času. Pokud je proces v ustáleném stavu, kapalina nebude přetékat do pěnicí kolony. V závislosti na konstrukci oddělovače pěny se může umístění přiváděného přívodu měnit od vrcholu kapalného roztoku po horní část pěnové kolony.[17]

Tvorba pěny začíná tokem plynu do spodní části sloupce kapaliny. Množství toku plynu do přístroje se měří a udržuje pomocí průtokoměru. Jak pěna stoupá a je vypouštěna z kapaliny, je odváděna do samostatné nádoby pro shromažďování pěny. Výška pěnového sloupu závisí na aplikaci. Odkloněná pěna se zkapalní zhroucením pěnových bublin. Toho lze obvykle dosáhnout mechanickými prostředky nebo snížením tlaku ve sběrné nádobě na pěnu. Oddělovače pěny pro různé typy aplikací používají základní nastavení zobrazené na obrázku, ale mohou se lišit v závislosti na umístění a přidání vybavení.

Úvahy o návrhu

K dosažení dalších požadovaných účinků, které vyhovují typu aplikace, lze použít další zařízení na základní formě odlučovače pěny, ale základní proces oddělování zůstává stejný. Přidání zařízení se používá k optimalizaci parametrů, obohacení E nebo obnova R. Typicky jsou obohacení a zotavení protichůdné parametry, ale byly provedeny některé nedávné studie ukazující schopnost simultánně optimalizovat oba parametry.[17] Změny průtoků na vstupu plynu a také další nastavení zařízení má vliv na optimalizaci parametrů. Tabulka porovnává separaci pěny s jinými technikami používanými k oddělení proteinu, α-laktalbuminu, od roztoku syrovátkové bílkoviny.

Separace pěny (semi-batch)[18]Separace pěny (šarže)[19]Kationtoměničová chromatografie[20]Ultrafiltrace (režim CC-DC)[21]
Obnova (%)86.2[18]64.5[19]90[20]80[21]
Krmivo / počáteční koncentrace (mg / ml)0.075[18]0.49[19]0.72[20]1.75[21]
Počáteční objem (ml)145[18]---
Průtok plynu (ml / min)2.7[18]20[19]--
Objem kolony (ml)[20]--80[20]-
Vyrovnávací paměť (mM)[20]--100[20]-
Membránová plocha (m2)[21]---0.045[21]
Tok permeace (m2/ h)[21]---70[21]
hodnota PH4.9[18]2[19]4[20]7[21]

pH

pH je důležitým faktorem při tvorbě pěny, protože určuje, zda bude povrchově aktivní látka schopna se pohybovat do pěnové fáze z objemové kapalné fáze. The izoelektrický bod je jedním z faktorů, které je třeba vzít v úvahu, když povrchově aktivní látky mají neutrální náboje, jsou příznivější pro adsorpci na rozhraní kapalina-plyn. pH nabízí proteinům jedinečný problém díky skutečnosti, že se denaturují při příliš vysokých nebo nízkých hodnotách pH. I když je izoelektrický bod ideální pro adsorpci povrchově aktivních látek, bylo zjištěno, že pěna je nejstabilnější při pH 4 a že objem pěny je maximalizován při pH 10.[17]

Povrchově aktivní látky

Délka řetězce nepolárních částí povrchově aktivních látek bude určovat, jak snadno se molekuly mohou adsorbovat na pěnu, a bude tedy určovat, jak účinná bude separace povrchově aktivní látky od roztoku. Povrchově aktivní látky s delšími řetězci mají tendenci se sdružovat do micel na povrchu pevné látky-kapaliny. Koncentrace povrchově aktivní látky také hraje faktor v procentu odstranění povrchově aktivní látky.[6]

jiný

Některé další faktory, které ovlivňují účinnost pěnění, zahrnují průtok plynu, velikost a distribuci bublin, teplotu roztoku a míchání roztoku.[6] Je známo, že čisticí prostředky ovlivňují pěnění. Zvyšují schopnost roztoku pěnit a zvyšují množství bílkoviny získané v pěně. Některé detergenty působí jako stabilizátory pěny, jako je cetyltrimethylamoniumbromid (CTAB).[17]

externí odkazy

Reference

  1. ^ A b C [Schramm, Laurier L. a Fred Wassmuth. „Pěny: základní principy.“ In Foams: Fundamentals and Applications in the Petroleum Industry. Petroleum Recovery Institute, 15. října 1994. Web. 23. května 2012. <http://people.ucalgary.ca/~schramm/book4.htm >.].
  2. ^ Grieves, R.B .; Wood, R.K. (1964). "Kontinuální frakcionace pěny: Vliv provozních proměnných na separaci". AIChE Journal. 10 (4): 1–11. doi:10,1002 / jbmte.390010102.
  3. ^ Schnepf, R.W .; Gaden, E.L. (1959). „Pěnová frakcionace proteinů: Koncentrace vodných roztoků hovězího sérového albuminu“. Časopis biochemických a mikrobiologických technologií a inženýrství. 1 (1): 456–460. doi:10,1002 / aic.690100409.
  4. ^ Leonard, R.A .; Lemlich, R. (1965). „Studie proudění intersticiální kapaliny v pěně. Část I. Teoretický model a aplikace na frakcionaci pěny“. AIChE Journal. 11 (1): 18–25. doi:10,1002 / aic.690110108.
  5. ^ Stander, G. J .; Van Vuuren, L. R. J. (1969). „Rekultivace pitné vody z odpadních vod“. Journal (Water Pollution Control Federation). 41 (3): 355–367. JSTOR  25036271.
  6. ^ A b C Arzhavitina, A .; Steckel, H. (2010). "Pěny pro farmaceutické a kosmetické aplikace". International Journal of Pharmaceutics. 394 (1–2): 1–17. doi:10.1016 / j.ijpharm.2010.04.028. PMID  20434532.
  7. ^ [Butt, Hans-Jürgen, Karlheinz Graf a Michael Kappl. Fyzika a chemie rozhraní. Weinheim: WILEY-VCH, 2010. Tisk.].
  8. ^ Polkowski, L. B .; Rohlich, G. A .; Simpson, J. R. (září 1859). "Hodnocení pěnění v čistírnách odpadních vod". Šít. A Ind. Odpady. 31 (9): 1004. JSTOR  25033967.
  9. ^ McGauhey, P. H., Klein, S. A. a Palmer, P. B., „Studie provozních proměnných ovlivňujících odstraňování ABS čistírnami odpadních vod.“ Sanitary Engineering Research Lab., Univ. of California, Berkeley, Kalifornie (říjen 1959).,
  10. ^ Jenkins, David (listopad 1966). "Aplikace frakcionace pěny na čištění odpadních vod". Federace pro kontrolu znečištění vody. 38 (11): 1737–1766. JSTOR  25035669. PMID  5979387.
  11. ^ Grieves, Robert B .; Bhattacharyya, Dibakar (červenec 1965). „Proces separace pěny: model pro zpracování odpadu“. Federace pro kontrolu znečištění vody. 37 (7): 980–989. JSTOR  25035325.
  12. ^ Rujirawanich, Visarut; Chavadej, Sumaeth; o’Haver, John H .; Rujiravanit, Ratana (2010). „Odstranění stopového Cd2 + pomocí kontinuální vícestupňové iontové pěnové frakcionace: Část I - Účinek molárního poměru nástřiku SDS / Cd“. Journal of Hazardous Materials. 182 (1–3): 812–9. doi:10.1016 / j.jhazmat.2010.06.111. PMID  20667426.
  13. ^ Banerjee, Rintu; Agnihotri, Rajeev; Bhattacharyya, B. C. (1993). „Čištění alkalické proteázy Rhizopus oryzae frakcionací pěnou“. Bioprocesní inženýrství. 9 (6): 245. doi:10.1007 / BF01061529. S2CID  84813878.
  14. ^ Brown, A. K .; Kaul, A .; Varley, J. (1999). "Kontinuální pěnění pro regeneraci bílkovin: Část I. Obnova? -Kaseinu". Biotechnologie a bioinženýrství. 62 (3): 278–90. doi:10.1002 / (SICI) 1097-0290 (19990205) 62: 3 <278 :: AID-BIT4> 3.0.CO; 2-D. PMID  10099539.
  15. ^ Santana, C.C., Liping Due, Robert D. Tanner. „Následné zpracování proteinů pomocí frakcionace pěny.“ Biotechnology sv. IV. http://www.eolss.net/Sample-Chapters/C17/E6-58-04-03.pdf
  16. ^ Parthasarathy, S .; Das, T. R .; Kumar, R .; Gopalakrishnan, K. S. (1988). "Pěnová separace mikrobiálních buněk" (PDF). Biotechnologie a bioinženýrství. 32 (2): 174–83. doi:10,1002 / bit. 260320207. PMID  18584733. S2CID  22576414.
  17. ^ A b C d Burghoff, B (2012). "Aplikace frakcionace pěny". Journal of Biotechnology. 161 (2): 126–37. doi:10.1016 / j.jbiotec.2012.03.008. PMID  22484126.
  18. ^ A b C d E F Shea, A. P .; Crofcheck, C. L .; Payne, F. A .; Xiong, Y. L. (2009). „Pěnová frakcionace α-laktalbuminu a β-laktoglobulinu ze syrovátkového roztoku“. Asia-Pacific Journal of Chemical Engineering. 4 (2): 191. doi:10.1002 / apj.221.
  19. ^ A b C d E Ekici, P; Backleh-Sohrt, M; Parlar, H (2005). "Vysoce účinné obohacení celkových a jednotlivých syrovátkových proteinů frakcionací pěny s řízeným pH". International Journal of Food Sciences and Nutrition. 56 (3): 223–9. doi:10.1080/09637480500146549. PMID  16009637. S2CID  24206730.
  20. ^ A b C d E F G h Turhan, K.N. a M.R. Etzel. „Izolát syrovátkových proteinů a regenerace -laktalbuminu ze syrovátky kyseliny mléčné pomocí kationtoměničové chromatografie.“ Journal of Food Science 69,2 (2004): 66-70. Tisk.
  21. ^ A b C d E F G h Muller, Arabelle, George Daufin a Bernard Chaufer. „Ultrafiltrační provozní režimy pro oddělení A-laktalbuminu od kyselé kaseinové syrovátky.“ Journal of Membrane Science 153 (199): 9-21. Tisk.