›
›

Giáo trình Thu hồi sản phẩm trong các quá trình ứng dụng công nghệ sinh học - Vũ Hồng Thắng

pdf 105 trang huongle 4480
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Thu hồi sản phẩm trong các quá trình ứng dụng công nghệ sinh học - Vũ Hồng Thắng", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfgiao_trinh_thu_hoi_san_pham_trong_cac_qua_trinh_ung_dung_con.pdf

Nội dung text: Giáo trình Thu hồi sản phẩm trong các quá trình ứng dụng công nghệ sinh học - Vũ Hồng Thắng

  1. THU HỒI SẢN PHẨM TRONG CÁC QUÁ TRÌNH ỨNG D ỤNG CÔNG NGHỆ SINH HỌC TS. VŨ HỒNG THẮNG Bộ môn CN Lên men , Tr ường ĐHBK Hà N ội
  2. 4. Phân tách lỏng-rắn ƒ Phương pháp lọc thông thường ƒ Phương pháp lắng gạn và ly tâm
  3. Phân tách lỏng – rắn „ Trong r ấttnnhiềuutrtrường hợp, bước đầuuttiênntrongtrong quá trìhình thu hồiissảnnphphẩmmlàlàphân tách lỏng ––rrắn, m ộttphphương pháp phân tách cơ học để phân tách 1 hệ dị thể. „ Phương pppháp phân tách dựa vào sự khác nhau về tính chất vật lý củaaphapha rắnnvàvàpha lỏng như kích th ước, hình dạng và t ỉ trọngng HaiHainguyên lý sau đây th ường đượccápáp dụngng:: GiGiữ lạiiphapha rắnnbbằng rây, sàng ho ặc vậttliliệuullọcc;; SSử dụng s ự khác nhau về tốc độ lắng c ủaahhạttrrắnnkhikhidi chuyển trong pha lỏng. Quá trình này có thể được thực hiệnnnhnhờ trọng lựcc(l(lắng) hay tác động 1ngo 1 ngoạiillựcc(ly(ly tâm)tâm)
  4. Phân tách lỏng –r– rắn bằng phương pháp lọc -Lọc là kỹ thuật phân tách lỏng – rắn ra thành 2 pha riêng biệt: pha rắn – bã (cake) và pha lỏng – dịch lọc (filtrate) - Khi lọc dịch lên men thì sinh khối tế bào vi sinh vật cũng chính là 1 lớp trợ lọc.
  5. Các loại vật liệu lọc Vật liệu lọccVíVí dụ Tấm kim loạiiKimKim loại nung có lỗ; sợi kim loại dệt Vải dệt Vải bông, vải tổng hợp Tấm không dệttGiGiấy (cellulose), sợi thủy tinh Sứ Silica, oxyt nhôm Tấm tổng hợppMàngMàng tổng hợp
  6. Nguyên lý cơ bản của quá trình lọc '' „ Địnhlh luật Darcy: Δ p = η ( r c + r m ) Φ V ()(1) „ Trong đó: Δp là chênh lệc áp suất (Nm-2); η là độ nhớt động học; -1 rc , r m là trở lực lọc của bã và vật liệu lọc (m ); '' -1 ΦV là lưu lượng (ms ) và được biểu diễn như sau: dV 1 Φ '' = (2) V dt A với A là diện tích bề mặt lọc (m2) và V là thể tích dịch lọc (m3)
  7. Nguyên lý cơ bản của quá trình lọc „ Trở lựclọctỉ lệ vớilượng bã tạo thành nên có thể biểudiễn: rc = αw (3) vớiwlàlượng bã trên 1 đơnvị diệntích(kgm-2)vàα là trở lựclọcriêng(mkg-1). „ Thay vào (1) và (2) ta có: dV ΔpA = (4) dt αηw +ηrm Phương tìtrìn h(4) biểu diễn lượng bã tạo thàn h têtrên 1 đơn vị diện tíc h bề mặtlọctheothờigian.Khibiếtnồng độ chấtrắnCtrongdịch cần lọc thì ta có thể biểudiễn: wA = CV, do đó(4)cóthể biểudiễnnhư sau: dt αηCV ηr = + m (5) dV A2 Δp AΔp
  8. Nguyên lý cơ bản của quá trình lọc „ Giảiphương trình (5) ta được: αηC ηr t = V 2 + m V 2A2 Δp AΔp t hay = aV + b V αηC với,a = 2A2Δp ηr b = m AΔp
  9. Lọc trốnggq qua y chân khôn g „ Thường đượccssử dụng để xử lý dịch lên men dùng nấm men và n ấmmmmốcc „ Trống quay có 11phphần điiquaquad ịch huy ềnnphù,phù,ph ầnnbãbãr ắn bị giữ lại trên vải lọc còn phần dịch lọc trong được hút chân không vào phía trong đếnnbbộ phậnnthuthugom. gom. „ Bã s ẽ bị khô và đượcctáchtách ra b ằng bộ phậnnccạoobãbãv ớiikikiểu trục quay hoặc sợi cho bã khô và kiểu dao cạo cho bã dínhdính
  10. Máy lọc trốnggg hút chân không
  11. Các kiểu lấy bã
  12. Máy lọc khung bản Feed
  13. Máy lọc ép khung bản
  14. Các yếu tốốảảnh hưởng đến trở lực lọc riêng „ Loại tế bào sử dụng trong lên men; „ Kích thước tế bào; „ pH dịch lên men; „ Thời gian lên men; „ Nhiệt độ dịch lên men. ) Trong thực tế,,ttrở lực lọc đượccxácxác định bằng thực nghiệm như là kết quả tác động củaattấttccả các y ếuuttố trên
  15. Xử lý dịch lên men ƒ Nếuutrtrở lựccllọccriêngriêngc ủaallớppbãbãquá cao ( α>1014 mkg-1) thì dịch lên men phải đượcxử lý sơ bộ bằng cáhách bổ sung chất trợ lọc (0.5 – 5%, w/w) hoặcchấtkếtlắng (0.1 – 2%, w/w) vào. ƒ Chấttrợ lọc, ví dụ như diatomit, perlite hay than hoạttínhcótác dụng hình thành 1 lớpbãítbị nén chặtvàchấtlỏng dễ thấmqua trong quá trình lọc. ƒ Chất kết lắng là những chất điện ly (sulfat nhôm, polyacrylic hay polyamine) là những chấtcóđiệntíchdương nên tế bào, thường có điệntíchâmhoặc trung tính sẽ dễ dàng bị kếtlắng khi bổ sung chất kếtlắng. ƒ Sau khi kết thúcquá tìtrìn hlọc, bã lọccó thể được tái sử dụng bằng cách loạibỏ tạpchất, rửavàlàmkhô.
  16. Mở rộng quy mô (scale up) thiết bị lọc khung bản „ Hai yếutố chủ yếu ảnh hưởng đếnquátrìnhmở rộng quy mô thiết bị là trở lựclớpbãvàthể tích lớpbã. „ Xác định hệ số a, b trong phương trình lọc. „ Tính toán hiệusuấtquátrìnhlọc ở quy mô lớndựavàophương trình lọc. Coi như các yếutố khác không đổi, diệntíchbề mặtlọccó thể mở rộng gấp 15 – 1000 lần. „ Thể tích bã lọc cũng có thể được sử dụng làm tiêu chí scale up (để tính thể tích và số lượng khung bảnhoặcsố lầnlọc).
  17. Phân tách lỏng ––rrắn bằng phương pháp lắng gạn và ly tâm „ Khichấtrắn dichuyểntrongmôitrường lỏng dướitác động củatrọng lựcthìsau1khoảng thờigiannhất định chúng sẽ đạt được 1 tốc độ không đổi lắng. „ Ứng dụng của lắng trong thu hồi sản phẩm của CNSH là hạnchế do thờigiantiếnhànhrấtlâuvàthiếtbị lắng đòi hỏikíchthướcrấtlớn. „ Nếu thay thế trọng lực bằng lực ly tâm thì thời gian xử lý dịch rút ngắnrấtnhiềucũng như thiếtbị có kích thướcnhỏ hơnnhiềuthiếtbị lắng.
  18. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lắng Fd „ Các lựctác động lên hạtrắn (i(giả thiết là hình cầu) gồm: π 3 Trọng lực:F = d ρ g (1) F g 6 p s b π Lực đẩy:(2)F = d 3 ρ g b 6 p L Lựckéo:Fd = 3πd pηvg (3) Trong đó: dp là đường kính hạt(m);ρs là khốilượng riêng chấtrắn (kg/m3); g là hằng số trọng trường (m/s2); ρ là khốilượng riêng chất L Fg lỏng ((g/kg/m3); η là độ nhớt động học (N/m2); vg là tốc độ lắng ((/s)m/s). „ Ta có: Fg = Fd + Fb (4) „ Thay 1, 2, 3 vào 4 ta có: d 2 v = p (ρ − ρ )g g 18η s L
  19. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lắng
  20. Các yếu tốốảảnh hưởng đến quá trình lắng „ Nếuquátrìnhlắng thựchiệnliêntụcvớivậntốcvtrong1thiếtbị có chiềucaoH()(m), dài L ()(m) vàà rộng W ()(m) thì thời gian lưucủachất rắntđượctínhnhư sau: V L.W .H t = tan k = ΦV ΦV 3 Trong đó ΦV là lưu lượng dịch chảy qua thiết bị (m /)/s). „ Trong cùng thờigianthìcáchạtrắnphảichạm đáy thiếtbị nên ta có: H t = v do đótacó: g d 2 g(ρ − ρ ) Φ = v .A = p s L .A V g 18η vớiAlàdiệntíchbề mặtlắng.
  21. Các yếu tốảnh hưởng đến quá trình ly tâm Traditionally named "relative centrifugal force" (RCF), it is the measurement of the acceleration applied to a sample within a centrifuge and it is measured in units of gravity (times gravity or × "g"). It is given by g is earth's gravitational acceleration r is is the rotational radius N is is the rotational speed, measured in revolutions per unit of time.
  22. Ưu nhược điểm của phươnggp pháp ly tâm ƒ Ưu điểm: -Tiếnhànhliêntụcvớilượng dịch xử lý lớn/mẻ; - Năng suất lớnvà thời gian sử dụng máy ít; -Cóthể thựchiện thanh trùng đồng thời; - Có thể phân tách trong điều kiện vô trùng. ƒ Nhược điểm: -Chiphíđầutư ban đầucao; - Chi phí bảo dưỡng cao; -Tiêuhaonăng lượng tương đốilớn; -Bãlàdạng bùn (5 –20%, w//)w); -Dịch lọcvẫnchứatế bào vi sinh vật(103-105 tế bào/ml)
  23. Một số loại thiết bị ly tâm „ Thiếttbbị ly tâm d ạng ốngng::ggồmm11 ống dài, hẹppvàvàcó th ể tích nh ỏ nhưng có lựcclyly tâm r ấttllớnn LoLoạiinànày đượccssử dụng chủ yếu ở quy mô pilot. pilot.BãBãr ắnnphphải đượccllấy ra ngoài b ằng ph ương pháp thủ công còn dịch được thu nhận liên tục. „ Thiếttbbị ly tâm nhi ềuungngănn::cócónguyên lý như thiếttbbị ly tâm d ạng ống nh ưng chứa nhiều ống đồng tâm được sắp xếp sao cho dòng d ịch lên men chảyytheotheo đường „zigzag“ qua các ngănn LLựcclyly tâmmssẽ tăng dần theo phía từ trong ra ngoài do đóócáccác chấttrrắnncócókh ốiillượng bé nh ấttssẽ nằm ở ngănnngoàingoàicùng. cùng.BãBã rắnnpphải được lấy ra ngo ài bằng phương pháp thủ công còn d ịch đượccthuthu nhận liên t ụcc Thiếttbbị dạng này hay đượccssử dụng để phân tách huyếttthanhthanh từ máu ng ườii
  24. 1. Cylindroconical bowl 2. Helical extraction screw (scroll) 3. Feed 4. Dis tr ibu tor 5. Ring space 6. Settled product 77q. Liquid level 8. Drying zone 9. Clarified liquid 10. Adjustable tresholds „ Thiếttbbị ly tâm d ạng đĩaa::làlà loại đượccssử dụng phổ biếnnnhnhấtttrongtrong CNSH và CNTPCNTP Thiếttbbị gồmmcáccác đĩaachóchóp cụttrrỗng xếp chồng lên nhau nh ằmmttăng diệnntíchtíchvùn g làm trong. trong.CácCácthanh ng ănngigiữ cho các đĩaacáchcáchnhau 11khokhoảng 00 44 22mmmm GócGóc nghiêng của đĩaakhokhoảng 4040 5050°°phphụ thuộccvàovàotính chấttccủaaddịch cầnnxxử lýlý Thiết bị nàày có thể xả bã và thuunnhận dịch trong liênnttụcc „ Thiết bị ly tâm kiểu „Decanter“: thường được sử dụng khi dịch cần xử lý có hàm lượng ch ấttrrắnncaocao Thi ếttbbị bao g ồmm11bubuồng n ằmmngangngangcó th ể quay đượccbênbên trong g ắnn11vítvítt ảiicócó thể quay v ớiittốc độ lớnnhhơnnttốc độ quay củaabubuồngng CácCác hạt rắnnssẽ bám lên thành bu ồng và b ị vít t ải đẩy ra ngoài. ngoài.ChChấttllỏng thoát ra ngoài qua 11ccửaachchảyytràntràn
  25. Thiết bị ly tâm dạng đĩa
  26. Thiết bị lyy tâm dạng đĩa
  27. Thiết bị ly tâm dạng Decanter
  28. Tiêu chí lựa chọn thiết bị lyy tâm * Việclựachọnthiếtbị ly tâm phụ thuộc đầutiênvàotínhchấtvậtlý củadịch lên men, chủ yếulàthể tích và kích thướccủachấtrắn.
  29. Tiêu chí lựa chọn thiết bị ly tâm * Một tiêu chí quan trọng khác để lựa chọn thiết bị ly tâm là lực ly tâm (RCF), được định nghĩa là F = rω2/g Máy ly tâm PTN RCF Máy để bàn loại nhỏ 5 000 Máy ly tâm tốc độ cao 50 000 Máyyy siêu ly tâm 500 000 Máy ly tâm công nghiệp Dạng ống 13 000 – 17 000 Dạng đĩa 5 000 – 13 000 Decanter 1 500 – 4 500
  30. Tóm tắt chương 4: Những điểm cần lưu ý „ Phân tách lỏng-rắnlàbước đầutiêntrongđasố các quá trình thu hồi sản phẩm của CNSH trong đó kỹ thuật lọc và ly tâm được sử dụng chủ yếu. „ Việclựachọnphương pháp phân tách thích hợpphụ thuộcvào tính chấtcủadịch lên men (độ nhớt, tính chấtvàkíchthướctế bào sử dụng, etc.) cũng như các yêu cầu an toàn và thanh trùng. „ Lọcépkhungbảnvàlọckiểutrống quay chân không đượcsử dụng chủ yếutronglọcdịch lên men. Trở lựclọccủabãvà vật liệulọccũng như thể tích bã là tiêu chí quan trọng trong quá trình tính toán mở rộng quy mô thiết bị. „ Tuy nhiên, không có 1 quy tắccố định nào cho việclựachọnthiết bị phân lly lỏng-rắn. Cácthử nghiệm ở quy mô nhỏ vàà quy mô pilot là cầnthiết.
  31. 5. Thu hồiis sảnnph phẩmmd dạng thô ƒ Giới thiệu ƒ Động học quá trình tách loại nước ƒ Phương pháp bốc hơi ƒ Phương pháp sử dụng màng ƒ Phương pháp chiết ƒ Phương pháp kết tủa
  32. Giới thiệu „ Sau khi tách tế bào vi sinh vậtkhỏidịch lên men thì phầndịch trong thường chứa khoảng 85 – 98% nước. Việc loại bỏ lượng nước này là bắt buộc nhằm thu đượcsảnphẩmtinhkhiết. „ Quá trìhình loạinướccó thể đượcthực hiện bằng 1 trong cácphương phápsau: -Bốchơi (evaporation); -Phântáchbằng màng (membrane processes; -Chiếtlỏng – lỏng (liquid –liquid extraction); -Kếttủa. „ Quá trình loạibỏ lượng nướcnàyrấttốnkémdođòi hỏi1lượng lớnthiếtbị và năng lượng nhưng các quá trình này đềudễ dàng thựchiện được ở quy mô lớn. „ Hiện nay, các quá trình phân tách bằng màng hiện đang đượcsử dụng rộng rãi vì tiêu tốnítnăng lượng và khả năng phân tách tốttương đương 1 bướctinh chế sảnphẩm.
  33. Nhiệt động học quá trình tách nước khỏi dung dịch (1) „ Để cô đặc1sảnphẩmbằng cách loạibỏ nước, 1 pha bổ sung sẽ đượcsử dụng để dễ dàng loạinướchơnsovớichấthòatan.Khichấthòatankhôngbayhơithìhơi nước đượcsử dụng như pha bổ sung. Quá trình này đượcthựchiệnhoặcbằng cách bốchơisử dụng nhiệthoặc đông lạnh dung dịch để loạinướcdướidạng đá. „ Màng bán thấmcũng có thể đượcsử dụng như là 1 pha bổ sung cho quá trình loại nước. Bằng cách áp dụng 1 áp suấtcaolêndungdịch thì nướccóthể điquamàng bán thấm. „ Quá trình loạinướckhỏidungdịch luôn đòi hỏi1sự cung cấpnăng lượng. Năng lượng này được biểu diễn dưới dạng thế nhiệt động của nước trong dung dịch: o μ w (P,T ) = μ w (P,T ) + RT lnγ w xw 0 -Vớiµw(P,T) và µw (P,T) là thế nhiệt động củanước trong dung dịch và nướcnguyênchấtdướiápsuấtPvànhiệt độ T. - R là hằng số khí (kJ.mol-1K-1) - γw là hoạt độ nướcvàxw là nồng độ phầnmolcủanước trong dung dịch
  34. Nhiệt động học quá trình tách nước khỏi dung dịch (2) „ Sự chênh lệch về thế nhiệt động của nước nguyên chất và nước trong dung dịch là: 0 Δμ w = μ w − μ w = −RT lnγ w xw „ Vớidungdịch 2 cấutử thì: Δμ w = −RT ln(1− xs ) „ Nếu dung dịch có nồng độ lãloãng tacó thể rút gọn: Δμ w = RT ln xs „ Ví dụ:tínhnăng lượng cầnthiết để loại1kgnướckhỏidungdịch saccharose có nồng độ 0.15 kg/kg nước. 0.15 „ Ta có: −3 0.438 x = 342.10 = = 0.00782 s 0.15 1 0.438 + 55.56 + 342.10−3 18.10−3 −1 −1 „ Do đó: Δμ w = RT ln xs = 8.3.293.0.00782 = 19.02Jmol = 1.057kJkg
  35. Nhiệt động học quá trình tách nước khỏi dung dịch (3) „ Trong trường hợpnày,nướcmớichỉ đượcloạiraở dạng lỏng. Tuy nhiên nếu loạinướcradướidạng hơi, cầnphảicungcấpthêm1lượng nhiệt để hóa hơinước (2257 kJ.kg-1). Tứclànếuloạinướcbằng bốchơi thì 99% năng lượng tiêu hao là để hóa hơinước. „ Khi loạinướcbằng màng, trướctiêncầnchúýđếnápsuấtthẩmthấucủadung -3 dịch:π = RTCs với π là áp suấtthẩmthấu; Cs là nồng độ chất tan (mol.m ). „ Cs có thể biểudiễnnhư sau: Cs =Cw.xs vớiCw là mật độ mol củadungdịch. Khi 4 -3 dung dịch loãng thì Cw = 5,5.10 mol.m .Dođótacó: 4 6 π = RTC w xs = 8,3.293.5,5.10 .0.00782 = 1,05.10 Pa „ Nếu 1kg nước được loại khỏi dung dịch thì năng lượng cần thiết là: E = π.Vw với -3 3 Vw là thể tích dung dịch chứa1kgnước(10 m ). Do đó: E=1,05.106.10-3 Jkg-1 = 1050 Jkg-1 =1.05kJkg-1.
  36. Bốcch hơi „ Bốchơilàquátrìnhđòi hỏinhiệt để loạibỏ nướckhỏidungdịch. Nhiệtcung cấpthường dưới dạng hơi nước. Nướcsaukhi bốc hơi sẽ đượcngưng tụ. „ Thiếtbị bốchơithôngthường gồm4bộ phậnchính: - Bộ phận đun nóng (là nơi chất tải nhiệt đi và)ào); - Bộ phậncôđặcvàtáchpha(lànơichấthòatanvàhơinước được phân tách); - Bộ phận ngưng tụ (là nơi hơi nước bốc ra được ngưng tụ lại); - Bơmsảnphẩmra,bơm hút chân không, thiếtbị đolường điềukhiển. „ Trong thực tế, các loại thiết bị bốc hơi có công suất từ 0.5-1.0 l/h (thiết bị PTN) đến150m3/h (thiếtbị bốchơinướcbiển). „ Việc lựa chọn thiết bị bốc hơi cho CNSH phải thỏa mãn các tiêu chí: - Có thể làm việc đượcvớicácchấtlỏng có độ nhớttừ 1 đến10000 mPas; - Xử lý đượccácchấtkémbềnnhiệt; - Ít tạothànhcặnhaybọt
  37. Thiết bị bốc hơi tuần hoàn tự nhiên (Natural circulation evaporator) „ Trong thiếtbị này sản phẩm đượctuầnhoàntự nhiên do sự chênh lệch về tỉ trọng (tạora trong quá trình đun nóng). „ Mức độ bốchơiphụ thuộc nhiềuvàochênhlệch nhiệt độ giữachất lỏng đang sôivà nhiệt độ củahơicấp. „ Bơm được lắp thêm để đạt đượchiệuquả tuầnhoàncần thiết. „ Thiếtbị dạng này có thờigian lưucủadịch ít nên tiêu tốn nhiều hơi cấp. Hiệu quả truyền nhiệttốtvàgiáthànhrẻ.
  38. Thiết bị bốc hơi tuần hoàn dạng chảy màng (Falling film evaporator) „ Thiếtbị này bao gồm1số lượng lớncácống dài từ 4-8m được bao quanh bởiáohơi. Dung dịch loãng đivàotừ phía trên và đượcbộ phận phân phối chia thành các dòng chảytràntrênbề mặt ống dướidạng màng mỏng. „ Thích hợp để làm việcvớicác loạichấtlỏng có độ nhớtcao. „ Các chấtkémbềnnhiệtcũng có thể đượccôđặctrongđiều kiện áp suất thấp.
  39. Thiết bị cô đặc dạng tấm bản (plate evaporator) - Thể tíhích thiết bị nhỏ nhưng diệntíchbề mặt bốchơilớn. -Thường đượcsử dụng trong CN sữavàCNlên men do khả năng sử dụng linh hoạtchocácứng dụng khác nhau. -Bị hạnchế khi dùng cho các chấtlỏng có độ nhớt và chứa nhiều chất rắn.
  40. Thiết bị cô đặc dạng đa cấp (multistage evaporator) „ Trong thiết bị bốc hơi đơn (single effect evaporator), tiêu hao năng lượng (hơi nước) rất cao: cần khoảng 1kg hơi nước để loại 1 kg nước khỏi dung dịch. „ Để giảm tiêu hao năng lượng, các thiết bị bốc hơi đa cấp (tối đa là 7 cấp). Phần năng lượng tiết kiệm được tính theo công thức: ⎛ N ⎞ saving% = ⎜1− ⎟.100% ⎝ N + M ⎠ N là số cấp ban đầu và M là số cấp bổ sung.
  41. Thiết bị bốc hơi chân không
  42. Các quá trình phân tách bằng màng „ Phân tách bằng màng đặcbiệtpháttriểnkhoảng 15 nămlại đây. Trong CNSH và CNTP quá trình này đượcsử dụng để phân tách và cô đặccácdungdịch. „ Các thiếtbị phản ứng có thể đượckếthợpvớicácmàng(membrane bioreactor)tạo thành quá trình sảnxuấtcóthuhồisảnphẩmtạichỗ (in situ). „ Phân tách bằng màng có nhiều ưu điểmsovới các quá trình cô đặckhác: -Khôngcầnphabổ sung; - Không cần cấp nhiệt và bổ sung hóa chất -Hoạt động ở nhiệt độ môi trường bình thường; -Cóthể hoạt động liên tục hay gián đoạn; -Dễ dàng mở rộng qqyuy mô; „ Các yếutố cần chú ý khi thiếtlập1hệ thống phân tách bằng màng gồm: -Lưulượng lọc; -Mức độ tắcmàng; -Khả năng làm sạch màng; -Tuổithọ màng và chi phí; -Khả năng dễ dàng thay thế; -Khả năng thanh thanh/tiệttrùng; -Chi phí đầutư ban đầu.
  43. Ứng dụng chủ yếu của công nghệ phân tách màng trong công nghiệp „ Phân tách các chất rắn kích thước nhỏ (μm) ra khỏi chất lỏng; „ Phân tách các ch ấttcaocaophân tử hoặccchchấttkeokeo ra kh ỏiidungdung dịchch;; „ Phân tách hỗnnhhợppchchấttllỏngng;; „ Phân tách khí kh ỏiihhỗnnhhợp khíkhí;; „ Phânnttáhách chọn lọccccác ion;
  44. Nguyên lý phân tách bằng công nghệ màng „ Màng lọccótácdụng như mộtlớpngăncóchọnlọc. Màng lọcchophépmộtsố cấutử đi qua nhưng giữ lạimộtsố cấutử khác. Bằng cách đó, hoặclàphađượclọc(permeat)hay pha không đượclọc(retentate)sẽ đượclàmgiàumộtcấutử nào đósovớihỗnhợp ban đầu. „ Quá trình phân tách bằng màng có thể đượcphânbiệtdựatrênlựctácđộng chính đến quá trình lọc để chuyểncáccấutử qua màng.Têncácquá trình lọcthường được đặt theo kích thướclỗ củamànglọc. „ Độ chọnlọccủamànglọcthường đượcthể hiệntheokíchthướcphântử củacấutử mà nó có thể phân tách. (molecular weight cut off -MWCO).
  45. CrossCross flowflow filtration versus DeadDead endend filtration
  46. Phổ phân tách củaacáccác loạiimàngmàngl ọcckháckhácnhau pore diameter 0.0001 µm 0.001 µm 0.02 µm 10 µm Gas RiReverse osmosis Ultrafilt rati on Micro filtrati on Separartion RO UF MF ∆p 20-100 bar ∆p 2-10 bar ∆p 0.5-2 bar 9 Độ chọnlọccủamànglàđặctínhquan trọng nhấtcủamànglọc. Độ chọnlọcbị ảnh hưởng chủ yếutừ kích thướclỗ lọc nhưng cũng bịảnh hưởng củatương tác kị nước/ưanướchoặc điệntíchcủa màng. 9 Since the pores of a membrane are not uniform in size the selectivity shows a certain variation. The smaller the pore size distribution, the better the selectivity.
  47. Phân lo ạiimmộttssố quá trình phân tách màng Phân loạiLựcphântách Ứng dụng Vi lọc (Microfiltration -MF) Hydrostatic pressure Clarification, sterile filtration Siêu lọc (Ultrafiltration -UF) Hydrostatic pressure Separation of macromolecular solutions Lọc phân tử (Nanofiltration - Hydrostatic pressure Separation of small organic NF) compounds and selected salts from solutions Thẩm thấu ngược (Reverse Hydrostatic pressure Separation of microsolutes and salts osmosis -RO) from solutions Dialysis Concentration Separation of microsolutes and salts gradient from macromolecular solutions Thấm bay hơi Concentration Separation of mixtures of volatile (Pervaporation -PV) gradient, liquids Vapour pressure Thẩmtáchđiện Electrical potential Separation of ions from water and (Electrodialysis -ED) non-ionic solutes Thẩm tách điện dùng màng Electrical potential Separation of water from non-volatile lưỡng cực(Bipolar solutes membrane electrodialysis (EDB)
  48. Membrane materials (1) 9 Membranes are manufactured from a large variety of materials, but they can all be generally classified into two categories: symmetric (or homogenous) and asymmetric membranes. In homogeneous membranes, the diameter of pores are almost constant over the entire cross section of the membrane. Consequently, the entire membrane thickness acts as a selective barrier. This differs from asymmetric membranes, where only a thin top layer determines the selectivebarrier. 9 Generally speaking, membranes should have the following properties: - high selectivity to provide a proper rejection; - high mechanical strength; - resistance to: fouling, solvents, high temperatures (sterilisable), low and high pH.
  49. Membrane materials (2) „ Cellulose acetate (()CA) is used for RO, NF and UF applications. The membranes are formed from blends of cellulose diacetate and cellulose triacetate by the phase inversion technique. The main advantage of CA is that it is relatively inexpensive and that it is hydrophilic, which results in a good resistance to fouling. The disadvantage is a tendency to hydrolysis outside a narrow pH and temperature range. An inherent weakness of CA is that is can be destroyed by microorganisms (Merry, 1996). „ Polyamide (PA) is used for RO and NF membranes. The thin film is a dense layer of polidlyamide approxitlimately 0.1 mm thic k tha t is fdformed at the top surface of membranes by polymerizing two or more monomers in situ. This membrane has higher water fluxes than CA membrane. Working temperature for thismaterilial isupto70°CinapHrangeof 2-12. The disadvantage is that this membrane is easily fouled.
  50. Membrane materials (3) „ Polysulfone (PSO) can be used for UF and MF membranes, with the UF membrane bibeing availa blewith nomilinal molllecular weihtight cut-off (NMWCO) in the range of 2-100 kDa. The main advantage of this material is its exceptional temperature (up to 80°C) and pH resistance (from 1.5 to 12). PSO is practically the only membrane material used in high quantity for a number of food and dairy applications. As a rule, PSO membranes do not tolerate oil, fat and polar solvents (Wagner, 2001). „ Ceramic membranes normally have an asymmetrical structure composed of at least two, mostly three, different ppyorosity levels. The most common membranes are made of Al, Si, Ti or Zr oxides (Vankelekom et al.,2005). The major advantage of ceramic membrane is that they are chemically extremely inert and can be used at high temperature, where polymeric membranes fail. The working pHs are in the range of 1 to 14. They compete with polymeric membranes in various fields where the economics of long membrane life or perceived robustness of the ceramic, are seen to favour the ceramic system.
  51. Process configurations „ Membrane housings are generally modular so several may be combined to produce aadesireddesired effecteffect HousingsHousingsprovide support and protection against operating pressures and daily wear and tear of a production environmentenvironment „ PlatePlate andand frame,frame, spiral wound, tubular and hollow fiber systems are the most common configurationsconfigurations „ CrossCross flowflow filtration versus Dead- Dead- end filtration
  52. Principle of a plate-and-frame membrane module 9 Theadtdvantages of pltlate-and-frame modlduleareability to accommodate low levels of suspended solids and viscous fluids and the ability to change out membranes if needed. 9 The disadvantages are relatively low packing density, high initial cost, and difficult disassembly for cleaning. The use of this module is now generally limited to electrodialysis and pervaporation systems or small UF/RO systems (Baker, 1991a).
  53. Construction of a spiral–wound membrane module 9 The advantages of spiral-wound configuration are high packing density and relatively low cost. 9 The disadvantages are problems handling suspended solids, difficulty in cleaning and, in high-temperature applications, plastic components may deform.
  54. Construction of a hollow fiber membrane system 9 The advantages of hollow fiber configuration include low pumping power, very high packing density, cleaning can be accomplished with back flushing, and ability to achieve high concentrations in the retentate. 9 The disadvantages include the fragility of the fibers, inability to handle suspended solids well, difficult cleaning and, in the straight-throughdesign, damage of one fiber requires replacement of the entire module.
  55. Construction of a tubular membrane module 9 The advantages of tubular configuration are: turbulent flow that provides good membrane/solution contact and remove retentate film buildup; relatively easy cleaning; easy handling of suspended solids and viscous fluids; and ability to replace or plug a failed tube while the rest of the system runs. 9 The disa dvantages ildinclude: high capilital cost, low packing didensity, high pumping costs, and limited achievable concentrations.
  56. Module selection Someofmodulesmayworkbetterthanothersforaparticularapplication,dependingon such factors as viscosity, concentration of suspended solids, particle size, and temperature. The characteristics of interest are: ƒ Packing density (m2 membrane/m3 module volume) influences system size and footprint as well as cost. ƒ Energy consumption influences costs and is related to operating pressure, flow- rate, flow resistance and flow regime (turbulent is less energy efficient than laminar). ƒ Fluid management and fouling control influence attainable flux and therefore determine membrane area requirements and capital cost. ƒ Standardization allows flexibility and choice of membrane replacement. ƒ Replacement influences maintenance and labour costs. ƒ Cleaning is required for restoration of fouled membranes. Ease of cleaning influences system availability and the time - average flux. ƒ Ease of manufacture can influence the cost of module.
  57. Comparison of cross-flow membrane configuration (Ba ker, 1991a) Module design Parameter Hollow Spiral- Plate-and-Frame Tubular fiber wound Cost Low Moderate High High Packing density High Moderate Low Low Resistance to fouling Very poor Moderate Good Very good Parasitic pressure drops High Moderate Moderate Low Suitable for high Yes Yes Can be done with Can be done with pressure operation difficulty difficulty Cleanability Moderate Good Good Very good Limited to specific Yes Yes No No types of membranes
  58. Modes of operation: Batch mode „ In a batch mode of operation the retentate is returned to the feed tank to be recycled to the module again. Depending on the required capacity the membrane system may consist of one module or a number of parallel modules. (See Figure). „ The concentration in the feed tank will increase during processing. When the final concentration has been reached the circulation is stopped.
  59. Modes of operation: Continuous mode In the single-stage continuous modeof operation the fdfeed is brought to the required concentration in s single pass and then removed as retentate (concentrate). A more efficient way of concentrating is to increase the concentration stagewise. In each subsequent stagethe concentration is brought to a higher level. In the final stage the required conceitration will have been reached.
  60. Some important formulas (1) „ For membrane separation processes, the most ittimportant parameters are mass transport through the membrane and the rejection of the solutes of interest. For a particular solute, the rejection coefficient R (retention) is defined as: C R = 1− P CF where Cp is the solute concentration in the feed and Cf is the solute concenttitration in thepermeate
  61. Some important formulas (2) Feed _ flow ΦV ,F „ The concentration factor: α=Vf/Vr (batch mode) or α = = Retentate _ flow ΦV ,R (continuous mode) Permeate_ volume V „ The permeate yield: Δ = = P Feed _ volume VF „ Example 1: determine the membrane rejection coefficient if the concentration of product in the retentate is 4 times higher than that in permeate? R=1–Cp/Cr =1-1/4=0.75 „ Example 2: If the initial feed volume of a batch process was 4 m3 and the retentate volume was 1 m3, what was the concentration factor? α = Vf/Vr = 4/1 = 4
  62. Some important formulas (3) „ One of themostimportant parameters inmembrane separation isthemass transport through membrane. There are two models that are often used to calculate the mass flux: the pore – flux model and the solution – diffusion modldel . „ The pore–flux model is developed to calculate the flux through a porous membrane such as in microfiltration and ultrafiltration. The Carman- Kozeny equation is used in this case as follows: ε 3 ρ Δp m* = 2 2 K cηa (1− ε) ΔL where ε is porosity; ρ is the density of solution; Δp is the pressure difference; Kc is Carman-Kozeny constant; η is the dynamic viscosity of solution; a is specific internal surface of pores; ΔL is the thickness of membrane.
  63. Some important formulas (4) „ The solution–diffusion model is developed to calculate the flux through a hooogeeousmogeneous meebaembrane such as in reeeseverse osm osi s, perv apor ati on , eectc.The formulas are as follows: c m ν m* = sol,M sol,M sol (Δp − Δπ ) = A(Δp − Δπ ) sol Δx c m ⎛ Δc ⎞ * s,M s,M ⎜ s ⎟ ms = ⎜ RT ⎟ = BΔcs Δx ⎝ cs ⎠ where msol is themassflux of thesoltlvent; ms is themassflux of thesoltlute; csol is concentration of the solvent in the membrane; cs is concentration of solute in the membrane; msol, M is the mobility of the solvent in the membrane; msol, S is the mobilitbility of thesoltlute in themembrane; νsol ispartially ll molar volume of thesoltlvent; Δx is the thickness of membrane; Δπ is the osmotic pressure difference between two sides of the membrane; Δcs is concentration difference of component of interest; A, B are membrane constants.
  64. Membrane fouling „ Fouling is the term used to describe the loss of throughput of a membrane due to its ccehemi cal or ppyscahysical ccageshanges.Meebaembrane foulin g result s in a decrease in perf orm an ce of a membrane, caused by the deposition of suspended or dissolved solids on the external membrane surface, on the membrane pores, or within the membrane pores (Koros et al., 1996). „ The fouling mechanisms include phenomena as concentration polarization, osmotic pressure, adsorption, gel layer formation, cake formation and pore blocking. „ In membrane, a loss of flux is irreversible under normal process conditions. Normally a decrease in flux will result from an increase in concentration or viscosity, or a decrease in flu id velitlocity. This dlidecline isreversible bby achange inoperation conditions such as restoring concentration, velocity, etc.topriorvalues. „ In irreversible fouling, however, restoration to prior conditions will not restore the flux (Eykamp, 1991b). Irreversible fouling can only be removed by cleaning or not at all. Irreversible fouling is caused by chemical or physical adsorption, pore plugging, or solute gelation on the membrane. A membrane fouling causes a higher energy use, a higher cleaning frequency and a shorter lifetime of the membrane.
  65. Current and future applications of membrane processes (1) Field of application Application Dairy industry Milk fat separation (MF); bacterial removal (MF); casein concentration (MF); pre-treatment for UF of whey (MF); pre- concentration of milk for cheese production (UF); recovery of protein from cheese whey (UF); Ultrafiltration of milk for modified products. Sugar idtindustry DtDextrose clifitilarification (MF);clifitilarification of thinand thic k jijuices (MF and UF). Production of vegetable proteins Useful for recovery of soybean protein and grass protein (UF); corn protein separation (MF and UF). Edible oil industry Degumming (UF); deacidification (UF); bleaching (UF); dewaxing (MF). Biotechnology Separation and concentration of bioactive compounds from broths (MF and UF), etc. Fruit juice industry Clarification of juices (MF and UF). Alcoholic beverages Removal of colloids, tannin, polysaccharides, proteins etc from grape mustsand wines (UF);removal of yeast after fttifermentation in wine and beer production (MF); Other potentials Gelatine concentration (UF); many applications in food areas based on the ability to change protein and starch//g,sugar, salt and water ratios; Treatment of wastewater: recovery of blood fractions (UF).
  66. Current and future applications of membrane processes (2) Industry Application Dairy industry Demineralisation and concentration of whey; skim milk modification; recovery of Cleaning-In-Place solutions; effluent treatment; continuous cheese production. Sugar industry Demineralisation of sugar solutions; treatment of elution effluent from sugar decolorisation resin; concentration and purification of dextrose syrup; concentration of thin juice; recovery of regeneration liquid from decolouring resins in sugar industry; production of alternative sweeteners; production of oligosaccharides; starch recovery from pasta blanch water. Beverage Apple juice production; production of prune-flavoured beverage from spent prune brine. Edible oil industry Degumming; deacidification. Pharmaceutical Separation of amino acids and salts; production of cephalosporin-C; clavulanic acid; erythromiycin; daunomycin; penicillin G; vitamin B12. Biotechnology Recycle of nutrients in fermentation processes; purification of organic acids; separation of amino acids from protein hydrolysates; desalination of peptide fractions; grape juice concentration for wine processing; lactic acid separation from fermentation broths; isolation and concentration of flavour components.
  67. Thiết bị phân tách màng
  68. Thiết bị ppghân tách màng
  69. Other membrane processes „ Electrodialysis (ED): is an electrochemical process used to separate charged particles from an aqueous solution or other solutions of neutral solutes
  70. Current and future applications of electrodialysis in industries Application Prospects for realization BkihBrackish water dliidesalination EllExcellent Seawater desalination Good Nitrate removal Good Desalination of special effluent (glycerine) Good Desalting of whey Excellent Desalting of molasses Excellent Desalting of proteins Very good Deacidification of fruit juices Good Salt removal from fermentation broths Good Potassium removal from wine Good Organic acid removal from wines Good Organic acid removal from fermentation broths Good Separation of amino acids Good Recovery of organic acids from salts Very good
  71. Other membrane processes „ Pervaporation (PV) is a membrane process for the separation of miscible liquid mixture into more concentrated products of the constituents. The separation is achieved by applying lower pressure ()(vacuum) to thepermeateside ofthemembranewhilethe other side is exposed to the liquid to be separated. The partial pressure of the permeate is kept lower than the saturation pressure and provides the necessary force for separation. pressure would berequired (Scott, 1996).
  72. 6. Tinh chế sảnphn phẩm „ Giới thiệu „ Lý thuyết về sự tương tác bề mặt „ Phân loại các quá trình tương tác bề mặt „ Tinh chế sản phẩm bằng phương pháp táhtách sắc ký
  73. Một số khái niệm về tinh chế sản phẩm „ Tinh chế sảnphẩmlàbướccuốicùngvàcótầmquantrọng đặcbiệttrongdâychuyềnsảnxuất1sảnphẩm CNSH. „ Trong nhiềutrường hợp, quá trình tinh chế là các quá trình thấmhútbề mặttrongđódiễnsự tương tác giữapha rắnvàphalỏng đượcsử dụng để phân tách các cấutử.Có 2 loại thấm hút bề mặt là: hấp thụ và sắc ký. „ Với quá trình hấp phụ, nồng độ của cấu tử trên bề mặt pha rắnquyết định hiệntượng phân tách trong khi phân tách sắc ký được gây ra bởi ái lực khác nhau của các cấu tử khác nhau đốivớipharắn.
  74. Mechanisms of sorption The mechanisms of sorption can be divided into 5 categories: size exclusion, Van der Waals force, polar binding, ionic interaction and affinity.
  75. Sorption materials „ The sorption materials (mesium, immobile phase, matrix, sorbent) can be classified into 3 main groups: inorganic (silica, carbon); organic (dextran, polystyrene) and composite (silica, dextran). „ Inoogargani csorbe n t aaere riggd,id, stable aadnd aaaabevailable in many sharpes and sizes but the selectivity is low and the regeneration is difficult. They are apllied in decolorisation and in the removal of low molecular weight impurities. „ Polymeric sorbent are available in a gel type and a sponge- like structure. They are applied in a wide range of application. However, their machanical strenght limits their applicability in large scale processes. „ Compositesorbentcombinetheadvantagesofthe inorganic rigid carrier with the favorable adsorption behaviour of polymeric sorbent. They can be applied in the recovery of proteins.
  76. Media used in protein purification Medium Application Cellulose Gel permeation Agarose Gel permeation/ion exchange PlPolyacryl am ide GlGel permeation Dextran Gel permeation/ion exchange Porous glass HPLC Silica Adsorppption of proteins Polystyrene Ion exchange
  77. Sorption fundamentals The Freundlich sorption isotherm, however/ is limited to highly diluted solutions and simple molecules. The curve can be described mathematically by the Freundlich equation: n q=KFC where: q=solidloading(kg.m-3; mol.m-3); KF =Freundlichequilibrium constant C = concentration (kg.m-3; mol.l-1); n = exponent.
  78. Sorption fundamentals „ Langmuir derived an equation giving a good description for many cases of protein sorption: C q = qmax C + K L where: KL = Langmuir equilibrium constant „ Since qmax is the maximum loading of the sorbent and is the number of moles or grams of solute adsorbed per unit of weight of sorbent, it depends on the sorbent (specific area) and solute (size of molecule) types. „ KL depends on the strength of binding forces on the surface and its value is always greater than zero. In the case of proteins, KL depends on the isoelectric point of the protein, the pH and the ionic strength of the solution.
  79. Modes of operation in sorption processes „ In bio tec hno logy, there are two types of operation insorption processes: stirred tank and packed bed. „ Stirred tank sorption: in this mode, a measured quanities of sorbent are added to the fermentation broth or filtrate and the mixture is mixed nutil equilibrium is reached. „ Packed bed sorpttion: is the most common way to carry out sorption processes. A packed bed is a column with a d:L ratio of 1:5 to 1:20 filled with rigid sorbent material. Usually the feed enters at the top of the column. The upper part of the packed bed is contacted with fresh feed and the sorbent in thispartis saturated first. A sorption front will slllowly move dddownwards through the column. When the front reaches the exit of the column, the sorbate „break through“. Once the column is loaded, it needs to be eluted.
  80. Performance of sorption column „ The performance of a sorption column depends on many factors such as medium used, superficial velocity of eluent, column porosity, permeability of the medium, distribution coeeficient between stationary and mobile phase, capacity factor. „ Two phenomena play an important role during the sorption process: zone separation and peak broadening. „ Adsorption is the phenomenon in which a component concentrates on a solid surface without chemical change. The adsorbent usually is a porous material with high internal surface area. The main binding forces are the Van der Waals forces and polarity. In ion exchange, the electrostatic interaction between a charged molecule and an opposite charge on the surface of adsorbent is governing binding force. Ion exchangers are crosslinked polymers (resins) to which charged groups are attached. „ In chromatography, differences in migration velocity for the different components presents in the feed are exploited to cause separation.
  81. Basic principle of chromatography: different in migration velocity causing separation As the components migrate through the packed bed, they tend to spread out, a process known as peak or zone broadening.
  82. Peak broadening in sorption columns 9 As the components migrate through the packed bed, they tend to spread out, a process known as peak or zone broadening. 9 lf themitiigration process proceeds sufficiently fast the zone separation is faster than thezonebroadening. Separafion can be achievdd but dilution is the result. 9 Peak or front broadening is an important phenomenon that contributes negatively to the separation
  83. Van Deemter Theory „ According to this concept the column is considered to be subdivided into a number of theoretical plates. The mobile phase is transported from one plate to another. For each plate, solid and liquid are assumed to be in equilibrium. In fact the number of plates for a certain column is a measure of efficiency. „ The lhlength of thecolumn is diddetermined bby thenumber number of plates multiplied by their height H or HETP (Height Equivalent to a Theoretical Plate). 2 L ⎛ tr ⎞ H = N = 16⎜ ⎟ N ⎝ wb ⎠ where H is plate height (m); L is column length (m) and N is number of plates, tr is the residence time (s).
  84. Van Deemter Theory „ Asafirst approxiiimation to therelilation of plate hihheightand operatilional variablessuchasflowrateandmediumproperties,theVanDeemter equation can be used: H=A+B/vs +Cvs where H is plate hight (m), vs is superficial velocity (m/s), A, B, C are constant. A relates to axial dispersion, B relates to longitudinal dispersion aadnd C reeateslates to resista n ce to mass ttaran sesfer.
  85. Van Deemter Theory: Axial dispersion or Eddy diffusion „ Axial dispersion is phenomenon caused by differences in the distance covered for different molecules. Some molecules have a more or less linear path others take a more random used route. Dispersion causes peak broadening. „ A=2λdp where λ is particle ordering factor; dp = particle diameter (m). „ λ is a factor which takes the particle ordering (ie the way in which the immobile particles are arranged) into account. The larger the particle diameter dp of the stationaiy phase material, the stronger the peak broadening.
  86. Van Deemter Theory: Longitudinal diffusion „ The factor B in Van Deemter Equat ion ta kes t he long itu dina l diffus ion o f the component in the mobile phase into account as follows: 2 „ B = 2Dm/τ, where Dm is diffusion coefficient in the mobile phase m /s and τ is obstruction factor. KT Dm = 6πηrm „ K is Bolzmann‘s constant (1,38 .10 -2 JK-1); T is absolute temperature (°K); η is viscosity of mobile phase (Pas); rm is molecular radius (m)
  87. Van Deemter Theory: Resistance to mass transfer „ Any stationary phase material exerts a resistance to mass transfer. It takes time to reach equilibrium. The delay between actual contact time and time to reach equilibrium causes peak broadening. „ Two phenomena contributes to mass transferr resistance is the transfer from mobile phase through the boundary layer to the stationary layer and the transfer into the stationary phase. 2 2 2 ⎛ K ⎞ d p K δ C = ⎜ ⎟ + 2 ⎝ K +1⎠ Dm (K +1) Ds mass transport mass transfer in solid in boundary layer
  88. Van Deemter Theory „ A is independent of the flow rate. „ B (the longitudinal dispersion in inversly proportional to the flow rate). „ C (the dispension due to incomplete mass transfer) is a linear function of the flow rate.
  89. Peak broadening reflects a lower number of theoretical plates in a given column and this makes the column less efficient!
  90. Classification of chromatographic methods: Classification according to the physical state of the mobile phase
  91. Classification of chromatographic methods: Classiffgication according to the development method (()1) „ Elution development is the technique most widely used in various methods of chromatography. A sample mixture is introduced on to the column and is eluted with a mobile phase, which has lesser affinity for the stationary phase than the sample components. The components therefore move along at a rate determined by their relative affinity for the stationary phase but at slower rate than the eluent. The components are eluted in order of their affinities but their migration is determined by the ternary interaction between components, stationary phase and mobile phase. In simple elution chromatography, the column is eluted with the same solvent all the time. This issuitabl ewhen thecomponents have siilimilar affin ities for the stationary phase and therefore eluted rapidly, one after another. „ Stepwise elution is carried out by changing the eluent after a predetermined period of time. The eluents are chosen to have increasing power, that is, increasing affinity of the mobile phase for the components remaining on the column, and therefore releasing them from the stationary phase, enabling them to move through the system.
  92. Classification of chromatoggpraphic methods: Classification according to the development method (2) „ Gradient elution uses a gradual change in composition of the eluting solvent to achieve separation of components of widely varyyging affinities for the stationary phase. The ratio of two or more solvents is gradually changed to increase slowly the eluting power of the mobile phase. The composition gradient may be linear, steadily increasing or decreasing, and may be a concentration, pH, polarity or ionic strength gradient. „ Displacement development consists of elution by a solvent, which has a great affinity for the stationary phase than the sample components. The mixture is first introduced onto the column, and adheres to the stationary phase. Elution occurs when a displacing solvent is passed through the column, displacing the components on the stationary phase that also separate due to their varyyging partition or adsorption ppproperties.
  93. Classification of chromatographic methods: Classifi cati on according to the mechan ism of separation ()(1) „ Adsorption chromatography. Separation is based mainly on differences between the adsorption affinities of the sample components for the surface of an active solid. In adsorption chromatography, solute and solvent molecules compete for ‘site’ on the adsorbent; to be adsorbed, the solute molecules must first displace a solvent molecule. Since the forces between the solute and adsorbent molecules depend on polarity effects, it follows that adsorption chromatography is better suited to the separation of a mixture into molecular types than for the separation of molecules having similar politlarity. „ Exclusion chromatography. Separation is based mainly on exclusion effects, such as differences in molecular size and/or shape or in charge. The term size-exclusion chromatography may also be used when separation is based on molecular size. The column is filled with material having precisely controlled pore sizes, and the sample is simply screened or filtered according to its molecular size. Larger molecules are rapidly washed through the column while smaller molecules penetrate inside the porous of the packing particles and elute later. The terms gel filtration and gel permeation chromatography are earlier used to describe this process when the stationary phase is a swollen gel. The term ion-exclusion chromatography is specifically used for the separation of ions in an aqueous phase.
  94. Classification of chromatographic methods: Classifi cati on according to the mechan ism of separation (()2) „ Ion-exchange chromatography. Separation is based mainly on differences in the ion exchange affinities of the sample components. The stationary phase has a charged surface of opposite charge to the sample ions. This technique is used almost exclusively with ionic or ionizable samples. Depending on charge, the stronger the charge on the sample, the stronger it will be attracted to the ionic surface and thus, the longer it will take to elute. Both pH and ionic strength of mobile phase are used to control elution time. „ Affinity chromatography. This expression characterizes the particular variant of chromatoggpyraphy in which the unique biological sppyecificity of the compound and ligand interaction is utilized for the separation. „ Partition chromatoggpyraphy.Separation is based mainly on differences between the solubility of the sample components in the stationary phase (gas chromatography), or on differences between the solubility of the components in the mobile and stationary phases (liquid chromatography). In partition chromatography, the solid adsorbent is replaced by a liquid stationary phase.
  95. Some considerations in process chromatography „ The difference between analytical and preparative chromatography concerns the aim of the separation. In analytical chromatography the aim is to separate all individual components of a mixture as completely as possible with subsequent identification of the peaks. Thus analytical chromatography often requires maximum separation efficiency of a column. Due to the small inner diameter, expenses for solvents and packing are low. In analytical chromatography costs for separation time or solvent consumption and packing material can be almost neglected for method development. „ On the contrary, in industrial chromatography development of a separation often involves detailed economical-chemical optimization calculations. Due to the column dimensions, costs for solvents and packing or prepacked columns become more and more important with increasing column diameters. The aim of industrial chromatography now is isolation of the desired product with defined purity, in maximum amounts and with minimum time. The important parameter is called throug hpu t (dti(production rateorprodtiit)ductivity). In thiscase,seltiitlectivity, effic iency and resolution are optimized for the productivity.
  96. Some considerations in process chromatography Criteria Analy tical Industrial chromatography chromatography Sample loading As less as possible As much as possible Productivity Cycle per hour kg or tone per hour Resolution Number of peaks Recovery
  97. Productivity in process chromatography The user has to define the minimum resolution of the product peak from neighbor peaks. Proper choice of column and eluent will produce the required selectivity and resolution of the chromatographic system for the sample to be separated. In practice, one often has to use a non-optimal system, e.g.becauseof sample solubility or because of incompatibility of a chromatographically desirable eluent with the following work-up or application steps of the isolated product after chromatography.
  98. Mass overload in process chromatography „ For maxiiiimizing theprodtiitductivity, thecolumns are often overlddloaded. Themass loadability of a column, can be described as follows: d 2 M = C πr 2 LKdA C P 1 S 2 L where M is maximum sample mass; C1, C2 are constants; r is column radius; L is column length; K is partition coefficient; d is packing density, As is adsorbent surface, dP is particle diameter „ The volume loadability of a column, can be described as follows: ⎡ ' 2 ' ' ⎤ VL = V0 ⎢(α −1)k A − (2 + k A + k B )⎥ ⎣ N ⎦ where V0 is dead volume, VL is maximum overload volume, α is relative retention, N is plate number, are capacity factors.
  99. Column length and particle size in process chromatography