Kontinuerlig skumseparation

Kontinuerlig skumseparation är en kemisk process som är nära relaterad till skumfraktionering där skum används för att separera komponenter i en lösning när de skiljer sig i ytaktivitet. I vilken lösning som helst tenderar ytaktiva komponenter att adsorberas till gas-vätskegränssnitt medan ytinaktiva komponenter stannar i bulklösningen. När en lösning skummas samlas de mest ytaktiva komponenterna i skummet och skummet kan lätt extraheras. Denna process används ofta i storskaliga projekt såsom behandling av vattenavfall på grund av ett kontinuerligt gasflöde i lösningen.

Det finns två typer av skum som kan bildas från denna process. De är vått skum (eller kugelschaum ) och torrt skum (eller polyederschaum ). Vått skum tenderar att bildas vid den nedre delen av skumkolonnen, medan torrt skum tenderar att bildas vid den övre delen. Det våta skummet är mer sfäriskt och trögflytande, och det torra skummet tenderar att vara större i diameter och mindre trögflytande. Vått skum bildas närmare ursprungsvätskan, medan torrt skum utvecklas vid de yttre gränserna. Som sådan är det som de flesta brukar förstå som skum faktiskt bara torrt skum.

Upplägget för kontinuerlig skumseparering består av att fästa en kolonn på toppen av behållaren med lösning som ska skummas. Luft eller en specifik gas dispergeras i lösningen genom en spridare. En uppsamlingskolonn i toppen samlar upp skummet som produceras. Skummet samlas sedan upp och kollapsar i en annan behållare.

I den kontinuerliga skumseparationsprocessen matas en kontinuerlig gasledning in i lösningen, vilket gör att kontinuerlig skumning uppstår. Kontinuerlig skumseparation kanske inte är lika effektiv för att separera lösta ämnen i motsats till att separera en fast mängd lösning.

Historia

Processer som liknar kontinuerlig skumseparation har använts i decennier. Proteinskummare är ett exempel på skumseparering som används i saltvattensakvarier. De tidigaste dokumenten som hänför sig till skumseparation går tillbaka till 1959, då Robert Schnepf och Elmer Gaden, Jr. studerade effekterna av pH och koncentration på separationen av bovint serumalbumin från lösning. En annan studie utförd av RB Grieves och RK Woods 1964 fokuserade på de olika effekterna av separation baserat på förändringar av vissa variabler (t.ex. temperatur, position för foderinföring, etc.). 1965 gjorde Robert Lemlich från University of Cincinnati en annan studie om skumfraktionering. Lemlich undersökte vetenskapen bakom skumfraktionering genom teorier och ekvationer.

Som nämnts tidigare är kontinuerlig skumseparation nära besläktad med skumfraktionering där hydrofoba lösta ämnen fäster vid bubblornas ytor och stiger för att bilda skum. Skumfraktionering används i mindre skala medan kontinuerlig skumseparering implementeras i större skala, såsom vattenrening för en stad. En artikel publicerad av Water Environment Federation 1969 diskuterade idén att använda skumfraktionering för att behandla föroreningar i floder och andra vattenresurser i städer. Sedan dess har lite forskning gjorts för att ytterligare förstå denna process. Det finns fortfarande många studier som implementerar denna process för sin forskning, såsom separation av biomolekyler inom det medicinska området.

Bakgrund

Ytkemi

Kontinuerlig skumseparation är beroende av föroreningens förmåga att adsorbera till lösningsmedlets yta baserat på deras kemiska potential . Om de kemiska potentialerna främjar ytadsorption kommer föroreningen att flytta sig från huvuddelen av lösningsmedlet och bilda en film på skumbubblans yta. Den resulterande filmen betraktas som ett monolager .

När föroreningar, eller ytaktiva ämnen , minskar koncentrationen i bulken, ökar ytkoncentrationen; detta ökar ytspänningen vid vätske-ånga-gränsytan. Ytspänning beskriver hur svårt det är att förlänga en yta. Om ytspänningen är hög krävs en stor fri energi för att öka ytarean. Bubblornas yta kommer att dra ihop sig på grund av denna ökade ytspänning. Denna sammandragning uppmuntrar bildandet av ett skum.

Diagrammet visar ackumuleringen av ytaktiva molekyler vid vätske-ånga-gränsytan som orsakar en sammandragning av ytan för att bilda ett skum.

Skum

Definition

Skum är en typ av kolloidal dispersion där gas sprids genom en vätskefas. Den flytande fasen kallas också den kontinuerliga fasen eftersom den är en oavbruten, till skillnad från gasfasen.

Strukturera

När skummet bildas ändras det i struktur. När vätskan skummar upp i gasen börjar skumbubblorna som packade enhetliga sfärer. Denna fas är den våta fasen. Ju längre upp i kolonnen skummet rör sig, deformeras luftbubblorna för att bilda polyedriska former, den torra fasen. Vätskan som skiljer de platta ytorna mellan två polyedriska bubblor kallas lamellerna; det är en kontinuerlig flytande fas. De områden där tre lameller möts kallas platågränser . När bubblorna i skummet är lika stora möts lamellerna i platåkanterna i 120 graders vinkel. Eftersom lamellen är lätt krökt är platåområdet under lågt tryck. Den kontinuerliga vätskefasen hålls mot bubbelytorna av de ytaktiva molekylerna som utgör lösningen som skummas. Denna fixering är viktig eftersom skummet annars blir mycket instabilt eftersom vätskan rinner in i platåområdet och gör lamellerna tunna. När lamellerna blir för tunna kommer de att spricka.

Teori

Young-Laplace ekvation

När ångbubblor bildas i ett flytande lösningsmedel orsakar gränsytspänningen en tryckskillnad, Δ p , över ytan som ges av Young-Laplace-ekvationen . Trycket är större på den konkava sidan av vätskelamellerna (bubblans insida) med radie, R, beroende på tryckskillnaden. För sfäriska bubblor i ett vått skum och standardytspänning $γ°$ , är ekvationen för tryckförändringen följande:

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

Eftersom ångbubblorna förvrängs och tar formen av en mer komplex geometri än en enkel sfär, skulle de två huvudsakliga krökningsradierna $R 1$ och $R 2$ användas i följande ekvation:

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

När trycket växer inuti bubblorna kommer de flytande lamellerna som visas i figuren ovan att tvingas röra sig mot platågränserna vilket orsakar en kollaps av lamellerna.

Gibbs adsorptionsisoterm

Gibbs adsorptionsisoterm kan användas för att bestämma förändringen i ytspänning med ändrad koncentration. Eftersom den kemiska potentialen varierar med en förändring i koncentrationen kan följande ekvation användas för att uppskatta förändringen i ytspänning där $d γ$ är förändringen i ytspänningen för gränsytan, $Γ 1$ är lösningsmedlets ytöverskott, $Γ 2$ är ytöverskott av det lösta ämnet (tensid), $d μ 1$ är förändringen i lösningsmedlets kemiska potential, och $d μ 2$ är förändringen i det lösta ämnets kemiska potential:

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

I idealiska fall är $Γ 1 = 0$ och det skapade skummet beroende av förändringen i kemisk potential hos det lösta ämnet. Under skumning upplever det lösta ämnet en förändring i kemisk potential när det går från bulklösningen till skumytan. I detta fall kan följande ekvation tillämpas där $a$ är aktiviteten för det ytaktiva medlet, $R$ är gaskonstanten och $T$ är den absoluta temperaturen:

\Gamma _{2}=-{\frac {{a}\,}{RT}}\,\left({\frac {\partial \gamma }{\partial a}}\right)_{T}\,

För att lösa arean på skumytan som upptas av en adsorberad molekyl, $A s$ , kan följande ekvation användas där $N A$ är Avogadro-konstanten .

A_{\text{s}}={\frac {{1}\,}{N_{\text{A}}\Gamma _{2}}}

Ansökningar

Avloppsrening

Detta schema visar ett grundläggande reningsverk för avloppsvatten som använder skumning som en extraktionsteknik. Skummatet kan både utvinnas och kasseras om det används för att avlägsna tungmetall, eller så kan det återföras till aktivslamtanken om det innehåller rengöringsmedel som organismerna i tanken kan bryta ned över tid.

Kontinuerlig skumseparering används vid rening av avloppsvatten för att avlägsna tvättmedelshärledda skumbildningsmedel som ABS , som blev vanligt i avloppsvatten på 1950-talet. 1959 visades det att genom att tillsätta 2-oktan till skummat avloppsvatten kunde 94 % av ABS avlägsnas från det aktiverade slammet genom att använda skumseparationstekniker. Skummet som produceras under rening av avloppsvatten kan antingen återvinnas tillbaka till den aktiva slamtanken i ett avfallsreningsverk, de bakteriella organismerna som lever där har visat sig bryta ner ABS när de får tillräckligt med tid, eller extraheras och kollapsade för bortskaffande. Skumseparation har också visat sig minska det kemiska syrebehovet när det används som sekundär reningsteknik för avloppsvatten.

Tungmetallborttagning

Avlägsnandet av tungmetalljoner från avloppsvatten är viktigt eftersom de ackumuleras lätt i näringskedjan och slutar i djur som svärdfisk som människor äter. Skumseparering kan användas för att avlägsna tungmetalljoner från avloppsvatten till låga kostnader, särskilt när det används i flerstegssystem. När man utför jonskumseparation finns det tre driftsvillkor som måste uppfyllas för optimal produktion av skum för jonavlägsnande: skumbildning, översvämning och gråt/dumpning.

Proteinextraktion

Skumseparation kan användas för extraktion av proteiner från en lösning, speciellt för att koncentrera proteinet från en utspädd lösning. Vid rening av proteiner från lösning i industriell skala önskas den mest kostnadseffektiva metoden. Som sådan erbjuder skumseparering en metod med låga kapital- och underhållskostnader på grund av den enkla mekaniska konstruktionen; denna design möjliggör också enkel användning. Det finns dock två anledningar till varför användningen av skumseparation för att extrahera protein från lösningen inte har varit utbredd: för det första denaturerar vissa proteiner när de går igenom skumningsprocessen och för det andra är kontroll och förutsägelse av skumbildning vanligtvis svåra att beräkna. För att bestämma framgången med proteinextraktion genom skumning används tre beräkningar.

${\text{ Anrikningsförhållande}}=\left({\frac {\text{Proteinkoncentration i skummet}}{\text{Protein koncentration i det initiala flödet}}}\right)$

Anrikningsförhållandet visar hur effektiv skumningen är för att extrahera proteinet från lösningen till skummet, ju högre siffra desto bättre affinitet har proteinet för skumtillståndet.

${\text{ Separationsförhållande}}=\left({\frac {\text{Proteinkoncentration i skummet}}{\text{Protein koncentration i utloppsströmmen}}}\right)$

Separationsförhållandet liknar anrikningsförhållandet genom att ju effektivare extraktionen av protein från lösningen till skummet är, desto högre blir siffran.

${\text{ Återhämtning}}=\left({\frac {\text{Mass av protein i skummet}}{ \text{Mass av protein i det initiala fodret}}}\right)\ gånger 100\%$

Återvinning är hur effektivt proteinet avlägsnas från lösningen till skumtillståndet, ju högre procentandel, desto bättre är processen för att återvinna protein från löst ämne till skumtillstånd.

Skumhydrodynamik såväl som många av de variabler som påverkar framgången med skumning har begränsad förståelse . Detta komplicerar att använda matematiska beräkningar för att förutsäga proteinåtervinning genom skumning. Vissa trender har dock fastställts; höga återvinningshastigheter har kopplats till höga koncentrationer av protein i den initiala lösningen, höga gasflödeshastigheter och höga matningsflöden. Anrikning är också känd för att öka när skumning utförs med grunda pooler. Genom att använda pooler med låg höjd kan endast en liten mängd protein adsorberas från lösningen till ytan av bubblorna i skummet, vilket resulterar i lägre ytviskositet. Detta leder till koalescens av det instabila skummet högre upp i kolonnen vilket orsakar en ökning av bubbelstorleken och en ökning av återflödet av proteinet i skummet. En ökad hastighet hos gasen som pumpas in i systemet har dock visat sig leda till en minskning av anrikningsförhållandet. Eftersom dessa beräkningar är svåra att förutsäga, utförs ofta bänk- och sedan pilotskalaexperiment för att avgöra om skumning är en användbar teknik för extraktion i industriell skala.

Bakteriecellextraktion

Separation av celler görs vanligtvis med centrifugering , men skumseparation har också använts som en mer energieffektiv teknik. Denna metod har använts på många arter av bakterieceller såsom Hansenula polymorph , Saccharomyces carlsbergensis , Bacillus polymyxa , Escherichia coli och Bacillus subtilis , och är mest effektiv på celler som har hydrofoba ytor.

Nuvarande och framtida riktningar

Kontinuerlig skumextraktion användes ursprungligen för rening av avloppsvatten på 1960-talet. Sedan dess har det inte gjorts mycket forskning inom skumning som extraktionsteknik. Under de senaste åren har dock skumning för protein- och läkemedelsextraktion fått ett ökat intresse för forskare. Rening av produkter är den dyraste delen av produktproduktion inom bioteknik, skumning erbjuder en alternativ metod som är billigare än vissa nuvarande tekniker.

Separationsutrustning

Skumningsapparat

Den grundläggande kontinuerliga skumseparatorn innehåller ett matningsflöde in, ett matningsflöde ut och ett gasflöde in. Skumkolonnen stiger och avleds till ett separat kärl för att samlas upp.

Kontinuerlig skumseparation är ett av två huvudsätt för skumseparering, medan det andra är satsvis skumseparation. Skillnaden mellan de två sätten är att i kontinuerligt läge matas lösningen av ytaktivt medel kontinuerligt genom en inmatning in i skumkolonnen och en lösning, extraherad från ytaktivt ämne, kommer också kontinuerligt ut från botten av apparaten. Bilden till höger visar ett diagram över en grundläggande kontinuerlig skumseparator. Processen är stationär (eller i steady state) så länge som vätskevolymen är konstant som en funktion av tiden. Så länge som processen är i stationärt tillstånd kommer vätskan inte att svämma över i den skummande kolonnen. Beroende på utformningen av skumseparatorn kan platsen för inflödet av inmatning variera från toppen av vätskelösningen till toppen av skumkolonnen.

Skapandet av skummet börjar med flödet av gas till botten av vätskekolonnen. Mängden gasflöde in i apparaten mäts och upprätthålls genom en flödesmätare. När skummet stiger och töms på vätskan, avleds det till en separat behållare för att samla upp skummet. Höjden på skumpelaren är beroende av applikationen. Det avledda skummet görs flytande genom att skumbubblorna kollapsar. Detta kan vanligtvis uppnås med mekaniska medel eller genom att sänka trycket i skummatuppsamlingskärlet. Skumavskiljare för olika typer av applikationer använder den grundläggande uppsättningen som visas i diagrammet, men kan variera med placeringar och tillägg av utrustning.

Designöverväganden

Ytterligare utrustning på grundformen av en skumseparator kan användas för att uppnå andra önskade effekter som passar typen av applikation, men den underliggande separationsprocessen förblir densamma. Tillägget av utrustning används för att optimera parametrarna, anrikning E eller återvinning R. Vanligtvis är anrikning och återhämtning motsatta parametrar, men det har gjorts några nyare studier som visar möjligheten att optimera båda parametrarna samtidigt. Variationen av flödeshastigheter på gasinmatningen såväl som andra utrustningsinställningar har effekter på optimeringen av parametrarna. Tabellen jämför skumseparation med andra tekniker som används för att separera proteinet, α-laktalbumin, från en vassleproteinlösning.

	Skumseparation (semi-batch)	Skumseparering (sats)	Katjonbyteskromatografi	Ultrafiltrering (CC-DC-läge)
Återhämtning (%)	86,2	64,5	90	80
Foder/initial koncentration (mg/ml)	0,075	0,49	0,72	1,75
Startvolym (ml)	145	-	-	-
Gasflödeshastighet (ml/min)	2.7	20	-	-
Kolumnvolym (ml)	-	-	80	-
Buffert (mM)	-	-	100	-
Membranarea (m ² )	-	-	-	0,045
Permeationsflöde (m ² /h)	-	-	-	70
PH värde	4.9	2	4	7

pH

pH är en viktig faktor vid skumning eftersom det kommer att avgöra om ett ytaktivt ämne kommer att kunna flytta in i skumfasen från bulkvätskefas. Den isoelektriska punkten är en faktor som måste tas i beaktande, när ytaktiva ämnen har neutrala laddningar är de mer gynnsamma för adsorption till vätske-gasgränsytan. pH erbjuder ett unikt problem för proteiner på grund av det faktum att de kommer att denaturera i pH-värden som är för höga eller låga. Även om den isoelektriska punkten är idealisk för adsorption av ytaktiva ämnen, har det visat sig att skum är mest stabilt vid ett pH på 4 och att skumvolymen är maximerad vid pH 10.

Ytaktiva ämnen

Kedjelängden av opolära delar av ytaktiva ämnen kommer att avgöra hur lätt molekylerna kan adsorberas till skummet, och kommer därför att avgöra hur effektiv separationen av det ytaktiva medlet från lösningen kommer att vara. Ytaktiva ämnen med längre kedjor tenderar att associeras till miceller vid fast-vätskeytan. Koncentrationen av det ytaktiva medlet spelar också en faktor för det procentuella avlägsnandet av det ytaktiva medlet.

Övrig

Några andra faktorer som påverkar effektiviteten av skumning inkluderar gasens flödeshastighet, bubblans storlek och fördelning, lösningens temperatur och omrörningen av lösningen. Rengöringsmedel är kända för att påverka skumbildning. De ökar lösningens förmåga att skumma, vilket ökar mängden protein som återvinns i skummet. Vissa tvättmedel fungerar som stabilisatorer för skummet, såsom cetyltrimetylammoniumbromid (CTAB).

externa länkar