Sürekli köpük ayırma - Continuous foam separation

Sürekli köpük ayırma a, kimyasal işlem ile yakından ilgilidir köpük parçalama , yüzey aktivitesi farklıdır, köpüğün, bir çözeltinin ayrı ayrı bileşenleri için kullanıldığı. Herhangi bir çözümde, yüzey aktif bileşenler gaz-sıvı arayüzlerine adsorbe olma eğilimindeyken, yüzey aktif olmayan bileşenler toplu çözelti içinde kalır. Bir çözelti köpürtüldüğünde, en yüzey aktif bileşenler köpükte toplanır ve köpük kolayca çıkarılabilir. Bu işlem, çözeltideki sürekli gaz akışı nedeniyle su atığı arıtma gibi büyük ölçekli projelerde yaygın olarak kullanılmaktadır.

Bu işlemden oluşabilecek iki tür köpük vardır. Islak köpük (veya kugelschaum ) ve kuru köpüktür (veya poliederschaum ). Islak köpük, köpük sütununun alt kısmında oluşma eğilimi gösterirken, kuru köpük üst kısımda oluşma eğilimindedir. Islak köpük daha küresel ve viskozdur ve kuru köpük, çap olarak daha büyük ve daha az viskoz olma eğilimindedir. Islak köpük, çıkan sıvıya daha yakın şekilde oluşurken, dış sınırlarda kuru köpük gelişir. Bu nedenle, çoğu insanın genellikle köpük olarak anladığı şey aslında sadece kuru köpüktür.

Sürekli köpük ayırma düzeneği, köpüklenecek çözelti kabının tepesine bir kolonun sabitlenmesinden oluşur. Hava veya belirli bir gaz, bir sparger aracılığıyla çözelti içinde dağıtılır. Üstteki bir toplama sütunu, üretilen köpüğü toplar. Köpük daha sonra başka bir kapta toplanır ve çöker.

Sürekli köpük ayırma işleminde, çözeltiye sürekli bir gaz hattı beslenir ve bu nedenle sürekli köpük oluşmasına neden olur. Sürekli köpük ayırma, sabit bir çözelti miktarını ayırmanın tersine, eriyikleri ayırmada o kadar verimli olmayabilir.

Tarih

Sürekli köpük ayırmaya benzer işlemler, onlarca yıldır yaygın olarak kullanılmaktadır. Protein süzgeçleri, tuzlu su akvaryumlarında kullanılan köpük ayırma örneklerinden biridir . Köpük ayırma ile ilgili en eski belgeler, Robert Schnepf ve Elmer Gaden, Jr.'ın pH ve konsantrasyonun sığır serum albümininin çözeltiden ayrılması üzerindeki etkilerini inceledikleri 1959 yılına dayanıyor . RB Grieves ve RK Woods tarafından 1964 yılında gerçekleştirilen farklı bir çalışma, belirli değişkenlerdeki değişikliklere (yani sıcaklık, yem giriş konumu vb.) Dayalı olarak ayırmanın çeşitli etkilerine odaklanmıştır. 1965 yılında, Cincinnati Üniversitesi'nden Robert Lemlich , köpük fraksiyonasyonu üzerine başka bir çalışma yaptı. Lemlich, teori ve denklemler yoluyla köpük ayrıştırmanın arkasındaki bilimi araştırdı.

Daha önce belirtildiği gibi, sürekli köpük ayırma yakından ilgilidir köpük parçalama hidrofobik çözücüler kabarcıkların yüzeylere bağlanmasına ve form köpüğe yükselir. Köpük fraksiyonlama daha küçük ölçekte kullanılırken, bir şehir için su arıtımı gibi daha büyük ölçekte sürekli köpük ayırma uygulanır. Su Çevre Federasyonu tarafından 1969'da yayınlanan bir makale , şehirlerdeki nehirlerdeki ve diğer su kaynaklarındaki kirliliği tedavi etmek için köpük ayrıştırmanın kullanılması fikrini tartıştı. O zamandan beri, bu süreci daha iyi anlamak için çok az araştırma yapıldı. Tıp alanında biyomoleküllerin ayrılması gibi bu süreci araştırmaları için uygulayan hala birçok çalışma var.

Arka fon

Yüzey kimyası

Sürekli köpük ayırma, kirletici maddenin kimyasal potansiyellerine bağlı olarak çözücü yüzeyine adsorbe olma kabiliyetine bağlıdır . Kimyasal potansiyeller yüzey adsorpsiyonunu teşvik ederse, kirletici çözücü yığınından hareket edecek ve köpük kabarcığının yüzeyinde bir film oluşturacaktır. Ortaya çıkan film tek tabakalı olarak kabul edilir .

Kirleticiler 'veya yüzey aktif maddeler ' yığın içindeki konsantrasyon azaldıkça, yüzey konsantrasyonu artar; bu , sıvı-buhar arayüzündeki yüzey gerilimini artırır . Yüzey gerilimi, bir yüzeyin alanını genişletmenin ne kadar zor olduğunu açıklar. Yüzey gerilimi yüksekse, yüzey alanını arttırmak için gereken büyük bir serbest enerji vardır. Bu artan yüzey gerilimi nedeniyle kabarcıkların yüzeyi büzülür. Bu kasılma köpük oluşumunu teşvik eder.

Diyagram, yüzey aktif madde moleküllerinin sıvı-buhar arayüzünde birikmesini ve bir köpük oluşturmak için yüzeyin büzülmesine neden olduğunu göstermektedir.

Köpükler

Tanım

Köpük, gazın sıvı faz boyunca dağıldığı bir tür koloidal dispersiyondur. Sıvı faz, gaz fazının aksine kesintisiz olduğu için sürekli faz olarak da adlandırılır.

Yapısı

Köpük oluştukça yapısı değişir. Sıvı gaza köpürürken, köpük kabarcıkları paketlenmiş tek biçimli küreler olarak başlar. Bu aşama ıslak aşamadır. Köpük kolonun yukarısına gittikçe, hava kabarcıkları çok yüzlü şekiller, kuru faz oluşturmak için deforme olur. İki çok yüzlü kabarcık arasındaki düz yüzleri ayıran sıvıya lameller denir; sürekli bir sıvı fazdır. Üç lamelin birleştiği alanlara plato sınırları denir . Köpükteki kabarcıklar aynı boyutta olduğunda plato sınırlarındaki lameller 120 derecelik açılarla buluşur. Lamel hafif kavisli olduğu için plato bölgesi düşük basınçtadır. Sürekli sıvı faz, köpüklenen çözeltiyi oluşturan yüzey aktif madde molekülleri tarafından kabarcık yüzeylerinde tutulur. Bu sabitleme önemlidir çünkü aksi takdirde sıvı, lamelleri inceltecek şekilde plato bölgesine akarken köpük çok dengesiz hale gelir. Lameller çok ince hale geldiğinde kırılırlar.

Teori

Young-Laplace denklemi

Sıvı bir çözücü içinde buhar kabarcıkları oluştuğunda, arayüzey gerilimi Young-Laplace denklemi tarafından verilen yüzey boyunca bir basınç farkına, p neden olur . Basınç, basınç farkına bağlı olarak R yarıçapı ile sıvı lamellerin içbükey tarafında (baloncuğun içi) daha büyüktür. Islak köpükteki küresel kabarcıklar ve standart yüzey gerilimi γ ° için basınçtaki değişim denklemi aşağıdaki gibidir:

${\ displaystyle \ Delta P = {\ frac {2 \ gamma ^ {\ circ}} {R}}}$

Buhar kabarcıkları olarak deforme eder ve, eğrilik yarıçapları iki ana basit bir küre daha karmaşık bir geometriye şeklinde de R ₁ ve R ₂ , aşağıdaki denklemde kullanılacaktır:

${\ displaystyle \ Delta P = \ gamma ^ {\ circ} ({\ frac {1} {R_ {1}}} + {\ frac {1} {R_ {2}}})}$

Kabarcıkların içinde basınç büyüdükçe, yukarıdaki şekilde gösterilen sıvı lameller, lamellerin çökmesine neden olacak şekilde plato sınırlarına doğru hareket etmeye zorlanacaktır.

Gibbs adsorpsiyon izotermi

Gibbs adsorpsiyon izotermi konsantrasyonunun değiştirilmesi ile yüzey gerilimi değişimini saptamak için kullanılabilir. Kimyasal potansiyel, konsantrasyondaki bir değişiklikle değiştiğinden, yüzey gerilimindeki değişikliği tahmin etmek için aşağıdaki denklem kullanılabilir; burada dγ arayüzün yüzey gerilimindeki değişimdir, Γ ₁ çözücünün yüzey fazlalığıdır, Γ ₂ yüzeydir çözünen maddenin fazlalığı (yüzey aktif madde), dμ ₁ çözücünün kimyasal potansiyelindeki değişiklik ve dμ ₂ çözünen maddenin kimyasal potansiyelindeki değişikliktir:

${\ displaystyle \ mathrm {d} \ gamma = \ Gamma _ {1} \ mathrm {d} \ mu _ {1} + \ Gamma _ {2} \ mathrm {d} \ mu _ {2}}$

İdeal durumlar için, Γ ₁ = 0 ve oluşturulan köpük, çözünen maddenin kimyasal potansiyelindeki değişime bağlıdır. Köpüklenme sırasında, çözünen madde, yığın çözeltiden köpük yüzeyine giderken kimyasal potansiyelde bir değişiklik yaşar. Bu durumda, aşağıdaki denklem uygulanabilir burada a yüzey aktif maddenin aktivitesi, R gaz sabiti ve T mutlak sıcaklıktır:

${\ displaystyle \ Gama _ {2} = - {\ frac {{a} \,} {RT}} \, \ sol ({\ frac {\ kısmi \ gamma} {\ kısmi a}} \ sağ) _ { T} \,}$

Köpük yüzeyi, bir adsorbe edilen molekül tarafından işgal ilgili amacıyla alanı için çözmek bir _s , burada, aşağıdaki denklem kullanılabilir K _bir olan Avogadro sayısı .

${\ displaystyle A_ {s} = {\ frac {{1} \,} {N_ {A} \ Gama _ {2}}}}$

Uygulamalar

Atık su arıtma

Bu şematik, bir ekstraksiyon tekniği olarak köpürmeyi kullanan temel bir atık su arıtma tesisini göstermektedir. Köpük, ağır metali uzaklaştırmak için kullanılıyorsa hem ekstrakte edilebilir hem de atılabilir veya tanktaki organizmaların zamanla bozunabileceği deterjanlar içeriyorsa aktif çamur tankına geri gönderilebilir.

1950'lerde atık suda yaygınlaşan ABS gibi deterjan türevi köpürtücü maddeleri gidermek için atık su arıtmada sürekli köpük ayırma kullanılır . 1959'da köpüklü atık suya 2-oktan eklenerek ABS'nin% 94'ünün köpük ayırma teknikleri kullanılarak aktif çamurdan çıkarılabileceği gösterildi. Atık su arıtımı sırasında üretilen köpük, ya bir atık arıtma tesisinde bulunan aktif çamur tankına geri dönüştürülebilir, orada yaşayan bakteriyel organizmaların yeterli zamana izin verildiğinde ABS'yi parçaladığı ya da bertaraf için ekstrakte edilip çöktüğü bulunmuştur. Atık su için ikincil arıtma tekniği olarak kullanıldığında köpük ayırmanın kimyasal oksijen talebini azalttığı da bulunmuştur .

Ağır metal kaldırma

Ağır metal iyonlarının atık sudan uzaklaştırılması önemlidir, çünkü bunlar besin zincirinde kolayca birikir ve insanların yediği kılıç balığı gibi hayvanlarda son bulur . Köpük ayırma, özellikle çok aşamalı sistemlerde kullanıldığında, ağır metal iyonlarını atık sudan düşük maliyetlerle çıkarmak için kullanılabilir. İyon köpüğü ayırma işlemi gerçekleştirilirken, iyon giderme için optimum köpük üretimi için karşılanması gereken üç çalışma koşulu vardır: köpük oluşumu, taşma ve ağlama / boşaltma.

Protein ekstraksiyonu

Köpük ayırma, özellikle proteini seyreltik bir çözeltiden konsantre etmek için bir çözeltiden proteinlerin ekstraksiyonu için kullanılabilir . Proteinleri endüstriyel ölçekte çözeltiden arındırırken, en uygun maliyetli yöntem istenir. Bu nedenle, köpük ayırma, basit mekanik tasarım nedeniyle düşük sermaye ve bakım maliyetleri olan bir yöntem sunar; bu tasarım aynı zamanda kolay kullanım sağlar. Bununla birlikte, çözeltiden proteini özütlemek için köpük ayırmanın kullanılmasının yaygın olmamasının iki nedeni vardır: birincisi , köpürtme işleminden geçerken bazı proteinler denatüre olur ve ikinci olarak, köpürmenin kontrolü ve tahmininin hesaplanması tipik olarak zordur. Köpürtme yoluyla protein ekstraksiyonunun başarısını belirlemek için üç hesaplama yapılır.

${\ displaystyle {\ text {Zenginleştirme oranı}} = \ left ({\ frac {\ text {Köpükteki protein konsantrasyonu}} {\ text {İlk beslemedeki protein konsantrasyonu}}} \ sağ)}$

Zenginleştirme oranı, köpüğün çözeltiden proteinin köpüğe çıkarılmasında ne kadar etkili olduğunu gösterir, sayı arttıkça proteinin köpük hali için afinitesi artar.

${\ displaystyle {\ text {Ayırma oranı}} = \ left ({\ frac {\ text {Köpükteki protein konsantrasyonu}} {\ text {Çıkış akışındaki protein konsantrasyonu}}} \ sağ)}$

Ayırma oranı, çözeltiden köpüğe protein ekstraksiyonu ne kadar etkili olursa, sayı o kadar yüksek olacağı için zenginleştirme oranına benzerdir.

${\ displaystyle {\ text {Recovery}} = \ left ({\ frac {\ text {Köpükteki protein kütlesi}} {\ text {İlk beslemedeki protein kütlesi}}} \ sağ) \ times 100 \$

Geri kazanım, proteinin çözeltiden köpük durumuna ne kadar verimli bir şekilde çıkarıldığıdır, yüzde ne kadar yüksekse, işlem proteini çözünen maddeden köpük durumuna geri kazanmada o kadar iyi olur.

Köpük hidrodinamiği ve köpürmenin başarısını etkileyen değişkenlerin çoğu, sınırlı anlayışa sahiptir. Bu, köpüklenme yoluyla protein geri kazanımını tahmin etmek için matematiksel hesaplamaları kullanmayı zorlaştırır. Ancak bazı eğilimler belirlendi; yüksek geri kazanım oranları, başlangıç ​​çözeltisindeki yüksek protein konsantrasyonları, yüksek gaz akış hızları ve yüksek besleme akış hızları ile ilişkilendirilmiştir. Sığ havuzlar kullanılarak köpüklendirme yapıldığında zenginleşmenin de arttığı bilinmektedir. Düşük yüksekliğe sahip havuzların kullanılması, çözeltiden köpükteki kabarcıkların yüzeyine yalnızca küçük bir miktar proteinin adsorbe olmasına izin vererek daha düşük yüzey viskozitesi sağlar. Bu , dengesiz köpüğün sütunun üst kısmında birleşmesine neden olarak kabarcık boyutunda bir artışa ve köpükteki proteinin geri akışında bir artışa neden olur . Bununla birlikte, sisteme pompalanan gazın hızının artmasının, zenginleştirme oranında bir azalmaya yol açtığı gösterilmiştir. Bu hesaplamaların tahmin edilmesi zor olduğundan, köpürmenin endüstriyel ölçekte ekstraksiyon için uygun bir teknik olup olmadığını belirlemek için genellikle tezgah ve ardından pilot ölçekli deneyler gerçekleştirilir.

Bakteriyel hücre ekstraksiyonu

Hücrelerin ayrılması tipik olarak santrifüj kullanılarak yapılır , ancak köpük ayırma da daha enerji verimli bir teknik olarak kullanılmıştır. Bu yöntem, en çok hidrofobik yüzeylere sahip hücreler üzerinde etkili olan Hansenula polymorph , Saccharomyces carlsbergensis , Bacillus polymyxa , Escherichia coli ve Bacillus subtilis gibi birçok bakteri hücresi türünde kullanılmıştır .

Mevcut ve Gelecek Yönler

1960'larda atık su arıtımı için başlangıçta sürekli köpük ekstraksiyonu kullanıldı. O zamandan beri bir ekstraksiyon tekniği olarak köpürme konusunda çok fazla araştırma yapılmamıştır. Bununla birlikte, son yıllarda protein ve farmasötik ekstraksiyon için köpürme araştırmacıların ilgisini artırmıştır. Ürünlerin saflaştırılması biyoteknolojide ürün üretiminin en pahalı kısmıdır, köpürtme mevcut bazı tekniklerden daha ucuz olan alternatif bir yöntem sunar.

Ayırma ekipmanı

Köpük aparatı

Temel sürekli köpük ayırıcı, bir besleme akışı, bir besleme akışı ve bir gaz akışı içerir. Köpük sütunu yükselir ve toplanmak üzere ayrı bir kaba yönlendirilir.

Sürekli köpük ayırma, iki ana köpük ayırma modundan biridir, diğeri ise yığın köpük ayırmasıdır. İki mod arasındaki fark, sürekli modda, yüzey aktif madde çözeltisinin sürekli olarak köpük kolonuna bir besleme yoluyla beslenmesi ve yüzey aktif maddeden ekstrakte edilen bir çözeltinin de sürekli olarak aparatın altından çıkmasıdır. Sağdaki şekil, temel bir sürekli köpük ayırıcının bir diyagramını göstermektedir. Süreç, sıvının hacmi zamanın bir fonksiyonu olarak sabit olduğu sürece sabittir (veya sabit durumda). İşlem sabit durumda olduğu sürece, sıvı köpük kolonuna taşmayacaktır. Köpük ayırıcının tasarımına bağlı olarak, içeri akan beslemenin konumu sıvı çözeltinin tepesinden köpük sütununun tepesine kadar değişebilir.

Köpüğün oluşumu, sıvı kolonun dibine gazın akışı ile başlar. Aparata giren gaz akışı miktarı ölçülür ve bir akış ölçer vasıtasıyla korunur. Köpük yükseldikçe ve sıvıyı boşalttıkça, köpüğü toplamak için ayrı bir kaba yönlendirilir. Köpük kolonunun yüksekliği uygulamaya bağlıdır. Yönlendirilen köpük, köpük kabarcıklarının çökmesiyle sıvılaştırılır. Bu genellikle mekanik yollarla veya köpükat toplama kabındaki basıncı düşürerek elde edilebilir. Farklı uygulama türleri için köpük ayırıcılar, şemada gösterilen temel kurulumu kullanır, ancak yerleşimlere ve ekipmanın eklenmesine göre değişebilir.

Tasarım konuları

Bir köpük ayırma aparatının temel formu üzerindeki ek ekipman, uygulama tipine uyan diğer istenen etkileri elde etmek için kullanılabilir, ancak temelde yatan ayırma işlemi aynı kalır. Ekipman ilavesi, parametreleri, zenginleştirme E'yi veya kurtarma R'yi optimize etmek için kullanılır. Tipik olarak, zenginleştirme ve geri kazanım karşıt parametrelerdir, ancak her iki parametreyi aynı anda optimize etme yeteneğini gösteren bazı yeni çalışmalar yapılmıştır. Gaz girişindeki akış hızlarının değişimi ve diğer ekipman ayarları, parametrelerin optimizasyonu üzerinde etkiye sahiptir. Tablo, köpük ayırmayı, protein, a-laktalbümini bir peynir altı suyu protein çözeltisinden ayırmak için kullanılan diğer tekniklerle karşılaştırır.

pH

pH , köpüklenmede önemli bir faktördür, çünkü bir yüzey aktif maddenin dökme sıvı fazından köpük fazına geçip geçemeyeceğini belirleyecektir. İzoelektrik nokta yüzey aktif maddeler, sıvı-gaz ara adsorpsiyon için daha elverişli olan, nötr ücretleri olduğunda, dikkate alınması gereken bir faktördür. pH, çok yüksek veya düşük pH'larda denatüre olacakları gerçeğinden dolayı proteinler için benzersiz bir problem sunar. İzoelektrik nokta yüzey aktif madde adsorpsiyonu için ideal iken, köpüğün en stabil olduğu 4 pH'ta ve köpük hacminin pH 10'da maksimize edildiği bulunmuştur.

Yüzey aktif maddeler

Yüzey aktif cisimlerinin polar olmayan kısımlarının zincir uzunluğu, moleküllerin köpüğe ne kadar kolay adsorbe edilebileceğini belirleyecek ve bu nedenle yüzey aktif cisminin çözeltiden ayrılmasının ne kadar etkili olacağını belirleyecektir. Daha uzun zincirli yüzey aktif cisimleri, katı-sıvı yüzeyinde misellerle birleşmeye meyillidir. Sürfaktanın konsantrasyonu aynı zamanda sürfaktanın uzaklaştırılma yüzdesinde bir faktör oynar.

Diğer

Köpürmenin etkililiğini etkileyen bazı diğer faktörler arasında gazın akış hızı, kabarcık boyutu ve dağılımı, çözeltinin sıcaklığı ve çözeltinin çalkalanması yer alır. Deterjanların köpürmeyi etkilediği bilinmektedir. Çözeltinin köpürme kabiliyetini artırarak köpükte geri kazanılan protein miktarını arttırırlar. Setiltrimetilamonyum bromür (CTAB) gibi bazı deterjanlar köpük için stabilizatör görevi görür.

Dış bağlantılar

• Biyosurfaktan Köpük Ayırma
• Metal Köpük Oluşturma Videosu
• Çöken Metal Köpük Videosu

Referanslar