Dr. Pécs Miklós Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Mezőgazdasági Kémiai Technológia Tanszék 7. fejezet 7. fejezet MEMBR MEMBRÁ NM NMŰ VELETEK VELETEK (Oktatási célra) 2 Információk Biomérnök hallgatók számára 3 + 0 + 0 óra, vizsga, 4 kredit Előadó: dr. Pécs Miklós egyetemi docens Elérhetőség: F épület, FE lépcsőház földszint 1 (463-) 40-31 [email protected]Írásos segédanyag található a: http://intranet.ch.bme.hu címen Oktatási segédanyagok/ oktatas/ konyvek/ mezgaz/ bioelv
41
Embed
7. fejezet Bioipari elválasztási m veletekPM ...membrane-guide.com/download/membranmuveletek.pdf– vágási (cutoff) érték: az a molekulatömeg, amelyet az adott membrán 90 %-ban
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Bioipari elválasztási műveletekPM
Oktatási célralipo 1
Dr. Pécs Miklós
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Mezőgazdasági Kémiai Technológia Tanszék
Írásos segédanyag található a: http://intranet.ch.bme.hu címenOktatási segédanyagok/oktatas/ konyvek/ mezgaz/ bioelv
Bioipari elválasztási műveletekPM
Oktatási célralipo 2
3
Bevezetés
A membrán közbenső fázis két fluidum köztött, amelyen szelektív anyagtranszport folyik.
Gondolatkísérlet:
µi = µi0 + SiT + Vip + RTlnai + ziFϕ + ...
4
A membrános elválasztások csoportosítása
makro-részecskék
kolloid részecskék
nyomásszuszpenziószuszpenzióSzűrés
kolloid részecskék
nagymol. anyagok
nyomásoldatszuszpenzióMikroszűrés
nagymol. anyagok
kismol. anyagok
nyomásoldatoldatUltraszűrés
oldószernyomásoldatoldatReverz omózis
ionokelektromos téroldatoldatElektrodialízis
nagymol. anyagok
kismol. anyagok
koncentrációkülönbség
oldatoldatDialízis
gázkoncentráció v. parciális nyomás
gázoldatPervaporáció
gázkoncentráció v. parciális nyomás
gázgázGázpermeáció
Vissza-marad
ÁtlépHajtóerőKilépőfluidum
Belépőfluidum
Bioipari elválasztási műveletekPM
Oktatási célralipo 3
5
Membránműveletek mérettartománya
6
Membránműveletek mérettartománya
Ionok, kis fordított molekulák (reverz)
ozmózis
Makromolekulák ultraszűrés
Lebegő, szilárd mikroszűrésrészecskék
Bioipari elválasztási műveletekPM
Oktatási célralipo 4
7
Az ultraszűrő membrán keresztmetszete és a különböző részecskék méretviszonyai
8
Membránműveletek jellemzéseGázpermeáció
- gázelegyben egyes komponensek feldúsítása, „molekulaszita”
Pervaporáció- folyadék komponensei anyagi minőségüktől függőmértékben oldódnak be a membrán anyagába és a túloldalon gőz formájában lépnek ki- hajtóerő: komponens egyensúlyi gőznyomása és a gáztér nyomása közti különbség vákuum- biotechnológiai alkalmazása: etanol fermentáció- analitikai alkalmazása: közvetlen mintavételezés a fermentorból tömegspektrometriás méréshez
Bioipari elválasztási műveletekPM
Oktatási célralipo 5
9
Membránműveletek jellemzése
Dialízis
- hajtóerő: koncentráció-különbség- mechanizmus: diffúzió- fehérjék kis molekulatömegű szennyezéseinek eltávolítása (pl. kisózás után)- laboratóriumi alkalmazás: dializáló hüvely- orvosi alkalmazás: művese
10
Membránműveletek jellemzéseElektrodialízis
- hajtóerő: elektromos tér – egyenfeszültség- mechanizmus: diffúzió- szelektivitás: az anion- és kationcserélő membránok csak a kötődő ionokat engedik át. - elektromos ellenállás: 3 - 20 Ω/cm2 (0.5 M NaCl oldattal egyensúlyban) - iontranszportszám: 0.85 - 0.95- elektroozmózis: 100 - 200 cm3 víz/szállított ekvivalens ion - ellenirányú diffúzió
Bioipari elválasztási műveletekPM
Oktatási célralipo 6
11
(Hagyományos) elektrodialízis
12
Bipoláris elektrodialízis
Bipoláris membránok: anion- és kati-oncserélő réte-get tartalmaz-nak.
Áram hatására a víz disszociál→ H+ és OH-
ionokat ad le.
Bioipari elválasztási műveletekPM
Oktatási célralipo 7
13
Membránműveletek jellemzése
Az elektrodialízis alkalmazásai: nagytisztaságú víz előállításához előkezeléskéntbrakkvizek sótalanítása só előállítása tengervízből tejipari alkalmazások fermentációs felhasználások
Bipoláris elektrodialízis:savak felszabadítása sókból (pl. tejsav)borok savcsökkentése
14
Membránműveletek jellemzése
Fordított (reverz) ozmózis (RO)
- hajtóerő: nyomás (20 - 100 bar)- mérettartománya: 20 - 500 Dalton- membrán: nincs valódi pórus- alkalmazások:
tengervíz sótalanításakazántápvíz előkészítésekülönlegesen tiszta vizek előállítása(szövettenyésztés, oltóanyagkészítés)
Bioipari elválasztási műveletekPM
Oktatási célralipo 8
15
Membránműveletek jellemzése
Nanoszűrés:Újabban a reverz ozmózison belül megkülönböztetik a 100-
500 Daltonos tartományt- hajtóerő: nyomás (kisebb, 10 - 30 bar)- alkalmazások: kis molekulák közötti szelektív elválasztás, pl. savak és cukrok
- lebegő, szilárd részecskék elválasztása- jól definiált pórusok: 0,1 – 1 µm- szitahatás- élő sejtek visszatartása- élelmiszeripari alkalmazása: oldatok sterilezése
18
A membrános elválasztások elmélete
Koncentrációkülönbség hatására létrejövő komponens áram
Fick törvény:
Megoszlási hányados:
Bioipari elválasztási műveletekPM
Oktatási célralipo 10
19
Az ideális koncentrációprofil
A diffundáló közegárama:
20
A membrános elválasztások elmélete
Nyomáskülönbség hatására létrejövő komponens áram
D’Arcy törvénye:
Hagen-Poiseuille törvény:
Bioipari elválasztási műveletekPM
Oktatási célralipo 11
21
A membrános elválasztások elmélete
Ozmózisnyomás-különbség hatására létrejövő komponens áram
Van’t Hoff törvény:
Eredő szűrletáram:
Visszatartóképesség:
22
A membrános elválasztások elmélete
Anyagáram
az oldószerre:
az oldott komponensekre:
diffúziós konvekcióstranszport transzport
Bioipari elválasztási műveletekPM
Oktatási célralipo 12
23
Eltérések az ideális koncentrációprofiltól
Koncentrációs polarizáció
24
Eltérések az ideális koncentrációprofiltól
Állandósult állapotban:
a konvekció a membrán felületére = ellenirányú diffúzió a főtömegbe
Bioipari elválasztási műveletekPM
Oktatási célralipo 13
25
Eltérések az ideális koncentrációprofiltól
Gélpolarizáció
26
Eltérések az ideális koncentrációprofiltól
A határrétegben:
Ellenállásokkal felírva:
Bioipari elválasztási műveletekPM
Oktatási célralipo 14
27
Eltérések az ideális koncentrációprofiltól
Dialízisnél: csak akkor fordul elő, ha a diffúzió a membrán-ban sokkal gyorsabb, mint a felületi határrétegben
28
Eltérések az ideális koncentrációprofiltól
Anyagáram:
Korrigálva:
Bioipari elválasztási műveletekPM
Oktatási célralipo 15
29
A technológiai paraméterek hatása
A membrán (ifjú)kora
A vadonatúj membrán tulajdonságai a legelső használatba vételnél erősen megváltoznak.A membrán öregedésére ható legfontosabb tényezők:
• a fehérjék adszorpciója a membrán felületén • (irreverzibilis) gél vagy rétegképződés a felületen• szilárd részecskék (sejttörmelékek), vagy fehérjék
"beszorulása" a membrán pórusaiba
30
Az új membrán tulajdonságainak változása
Bioipari elválasztási műveletekPM
Oktatási célralipo 16
31
A membrán “előéletének” hatása
32
A technológiai paraméterek hatása
Káros hatások minimalizálása:
• koncentrációs polarizáció csökkentése• adszorpció és aggregáció minimalizálása
Optimális áramlási sebesség meghatározása:az áramlás gyorsítása növeli a szűrési sebességet és a retenciót de nő a szivattyúzás energiaigénye és a rendszer melegedése.A turbulencia jellemezhető: Re szám
P/Vnyírósebesség
34
A permeát fluxus és a nyírósebesség összefüggése
Bioipari elválasztási műveletekPM
Oktatási célralipo 18
35
A technológiai paraméterek hatása
Nyomáskülönbség
hajtóerő:
36
A nyomáskülönbség hatása a membránszűrés sebességére
A fehérjekoncentráció hatása a membránszűrés sebességére
40
A rejekciós tényező változása a fehérjekoncentráció függvényében
Bioipari elválasztási műveletekPM
Oktatási célralipo 21
41
A membránszűrés anyagmérlegei
Alapfogalmak
– membrán szelektivitása:
– vágási (cutoff) érték: az a molekulatömeg, amelyet az adott membrán 90 %-ban (más konvenció szerint 50 %-ban) visszatart.
42
Vágási görbék
Bioipari elválasztási műveletekPM
Oktatási célralipo 22
43
A membránszűrés anyagmérlegei
– permeabilitás (LP) vagy vízérték: a tiszta oldószer (ionmentes víz) fluxusa a membránon üzemi nyomáson és hőmérsékleten. [m3/m2×h] vagy [m3/m2×h×bar]
– koncentrációs faktor (CF): a visszatartott komponensek betöményítésének mértékét adhatjuk meg vele.
– kihozatal (recovery): a megszűrt, megtisztított oldat mennyiségére jellemző.
– összefüggés:
46
A membránszűrés anyagmérlegei
Koncentrálás membránnal
Az oldat keringetése során az oldószer és a vissza nem tartott komponensek folyamatosan távoznak a rendszerből, ezáltal a térfogat csökken, azaz a visszatartott komponensek koncentrációja növekszik.
Anyagmérleg:
Bioipari elválasztási műveletekPM
Oktatási célralipo 24
47
Membrános koncentrálás folyamatábrája
48
A membránszűrés anyagmérlegei
A koncentrálás differenciális anyagmérlege:
ahol:
integrálva:
Bioipari elválasztási műveletekPM
Oktatási célralipo 25
49
A membránszűrés anyagmérlegei
Elválasztás membránszűrésselA különböző visszatartást az eltérő σ értékek
számszerűsítik. Azonos σ értékek esetén az elválasztás nem valósítható meg.
Elválasztás vizsgálatához:
50
A membránszűrés anyagmérlegei
DiaszűrésVíz hozzáadásával és szűrlet formájában való
elvételével a kis molekulatömegű anyagokat szelektíven eltávolítják, kimossák az oldatból.
Állandó retentát térfogat.
Bioipari elválasztási műveletekPM
Oktatási célralipo 26
51
A diaszűrés folyamatábrája
52
A membránszűrés anyagmérlegei
Anyagmérleg:
mivel VR = V0 = állandó:
integrálva:
Bioipari elválasztási műveletekPM
Oktatási célralipo 27
53
A membránszűrés anyagmérlegei
Teljes visszatartás esetén (nagy molekulatömeg, σ = 1):
a koncentráció nem csökken.
Kis molekulájú anyagoknál (σ = 0):
a koncentráció exponenciálisan csökken.
54
Diaszűrés
Diaszűrés
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
0 2 4 6 8 10
Vvíz/Vo
Cr/Co nincs visszatartás
teljes visszatartás
VVvíz
0
99.999510
99.32625
98.16844
95.02133
86.46652
63.21211
Eltávolítás, %
Bioipari elválasztási műveletekPM
Oktatási célralipo 28
55
A membránszűrés anyagmérlegei
Elválasztás, tisztítás diaszűréssel
két komponensre:
56
A membránszűrés anyagmérlegei
Az ultraszűrés munkavonala
konstansokkal felírva:
Bioipari elválasztási műveletekPM
Oktatási célralipo 29
57
Az ultraszűrés munkavonala
58
A membránszűrés anyagmérlegei
Térfogatáram:
Átlagos fluxus:
Szűrési idő:
Bioipari elválasztási műveletekPM
Oktatási célralipo 30
59
A folyamatos membránszűrés folyamatábrája
60
A membránszűrés anyagmérlegei
A koncentrációs faktor értelmezése megváltozik:
Folyamatos működés állandósult állapot A paraméterek az idővel alig változnak csak a
membrán "öregedése„ miattÁllandó retentát oldali koncentráció állandó fluxus
a munkapont nem vándorol a berendezés állandóan a legkisebb fluxus értéken működik
állandóWW
amtérfogatárumkoncentrátamtérfogatárbetápláltCF
r
=== 0
Bioipari elválasztási műveletekPM
Oktatási célralipo 31
61
Teljes és szűrt fermentlémembránszűrésének összehasonlítása
62
A membránok jellemzői
Membránok csoportosításaSzerkezet szerint: izotróp vagy anizotróp
Bioipari elválasztási műveletekPM
Oktatási célralipo 32
63
A membránok jellemzői
Ha a membrán rétegei eltérő anyagból készülnek, akkor beszélünk összetett, vagy kompozit membránról.
Hagyományos szénalapú polimer hártyát szinte bármely hordozóra fel lehet vinni, de előfordulnak teljesen szervetlen rendszerek is, pl. fémoxid bevonat szinterelt kerámián.
A folyadékmembránok nem elegyedő folyadékréteget képeznek, amely szelektíven engedi át a különbözőkomponenseket két permeábilis film között, folyadék felszínén, emulgeáló szerekkel vagy anélkül is létrehozható
Ha fokozatosan növeljük a gáz nyomását, akkor el-sőként a legnagyobb átmérőjű pórusból szorul ki a folya-dék, tehát az áttörési nyomás (buborékpont) jellemző a legnagyobb pórus méretére.