Wydzielanie

Wydzielanie

produktów

produktów

biotechnologicznyc

biotechnologicznyc

h metodą

h metodą

perwaporacji.

perwaporacji.

Karolina Jakołcewicz

Karolina Jakołcewicz

Biotechnologia CM

Biotechnologia CM

UMK

UMK

Gr.IV

Gr.IV

Perwaporacja

(lub perwapolacja, proces

membranowy) - technika rozdziału

mieszanin ciekłych związków

chemicznych, wykorzystująca

przeważnie polimerowe membrany

nieporowate określane potocznie jako

gęste. Rozpoczęto także stosowanie

membran ceramicznych, o średnicy

porów poniżej 5 nm. Jest to proces

alternatywny do odwróconej osmozy.

Wymaga zastosowania niższych ciśnień.

Podstawą rozdziału są różnice zdolności

składników mieszaniny do penetrowania

nieporowatej błony półprzepuszczalnej i

różnice w ich lotności.



W procesie perwaporacji stosuje
się najczęściej membrany:



Hydrofilowe wykonane np. z:



Polimerów alkoholu poliwinylowego



Octanu celulozy



Hydrofobowe wykonane np. z:



Poli(chlorku winylu)



Polietylenu



Polidimetylosiloksanu



polipropylenu



Meoda perwaporacji doskonale zdaje egzamin

podczas izolacji składników lotnych (np. kwasów

organicznych) z płynu hodowlanego bądź

składników smakowo zapachowych, odwadniania

rozpuszczalników organicznych, rozdzielania

mieszanin azeotropowych (rozdział w

perwaporacji nie zależy od równowagi ciecz-para).



Azeotrop - ciekła mieszanina (roztwór) dwóch lub

więcej związków chemicznych, która jest w równowadze

termodynamicznej z parą nasyconą powstającą z tej

mieszaniny



Szczególnie interesujące są zastosowania

perwaporacji w usuwaniu alkoholu bądź jego

odwadnianiu, co ma zastosowanie zarówno

podczas prowadzenia fermentacji alkoholowej

(tzw. Fermentacja ekstraktywna) jak i podczas

producji piwa, wina oraz alkoholu bezwodnego.



Perwaporację wykorzystuje się również

do rozdziału mieszanin związków

organicznych, różniących się polarnością

(np. metanol - eter metylowo t-butylowy,

czy węglowodory aromatyczne -

węglowodory alifatyczne).



W związku z koniecznością stosowania

paliw odnawialnych, perwaporacja od

kilku lat znajduje zastosowanie jako

najtańsza i najmniej skomplikowana

metoda stosowana do odwadniania

etanolu.

Perwaporacja w porównaniu z innymi

metodami jest wysoce selektywna,

efektywna dla roztworów

rozcieńczonych, przyjazna środowisku,

przy produkcji bezwodnego etanolu

pozwala obniżyć koszty o 25-50% w

porównaniu z destylacją z dodatkiem

czynnika azeotropującego głównie

dzięki mniejszym wymaganiom

energetycznym.



Perwaporacja należy do
membranowych metod rozdzielania
mieszanin. W tej metodzie ciekła
mieszanina podlegająca rozdziałowi
styka się z ciągłą (nieporowatą)
membraną polimerową, po drugiej
stronie której, w przestreni parowej,
panuje ciśnienie mniejsze od ciśnienia
pary nasyconej odpowiedającego
aktualnemu składowi i temperaturze
mieszaniny ciekłej.

Podstawowe rodzaje

Podstawowe rodzaje

perwaporacji.

perwaporacji.



Perwaporacja polega na realizacji przepływu

Perwaporacja polega na realizacji przepływu

nadawy z jednej strony nieporowatej

nadawy z jednej strony nieporowatej

liofilowej cienkiej membrany i odparowaniu

liofilowej cienkiej membrany i odparowaniu

penetrantu z drugiej strony membrany, gdzie

penetrantu z drugiej strony membrany, gdzie

najczęściej przepływa gaz (perwaporacja z

najczęściej przepływa gaz (perwaporacja z

gazem nośnym), bądź na stosowaniu

gazem nośnym), bądź na stosowaniu

podciśnienia (perwaporacja próżniowa)

podciśnienia (perwaporacja próżniowa)



Proces perwaporacji jest związany z

Proces perwaporacji jest związany z

przemianą fazową oraz transportem masy

przemianą fazową oraz transportem masy

przez membranę.

przez membranę.



Siłą napędową procesu jest różnica

potencjałów składników chemicznych

po obu stronach membrany,

wynikająca z różnicy ich ciśnień.



Selektywność rozdziału z

zastosowaniem perwaporacji polega

natomiast na różnicy

rozpuszczalności składników nadawy

w membranie oraz różnicy w

szybkości dyfuzji przez membranę.



Nadawa - ilość surowca jednorazowo
umieszczona w maszynie w celu jego
przetworzenia.



Retentat – strumień zawierający te
same składniki, które tworzą
permeat, wzbogacony o składniki
zatrzymane na membranie



Permeat (filtrat) - rozpuszczalnik i
znikome ilości substancji
rozpuszczonych

Perwaporacja próżniowa

Perwaporacja próżniowa

Moduł
membrano
wy

Perwaporacja próżniowa

Perwaporacja próżniowa

Perwaporacja z gazem

Perwaporacja z gazem

nośnym

nośnym

Kondenso
r

Moduł
membranowy

PERWAPORACJA PRZEZ

PERWAPORACJA PRZEZ

MEMBRANY

MEMBRANY

HYDROFOBOWE

HYDROFOBOWE



Transport masy poprzez gładkie
hydrofobowe membrany perwaporacyjne
jest opisywany przez mechanizm
składający się z sekwencji pięciu etapów:

1.

dyfuzji cząsteczek z głębi roztworu do warstwy
przymembranowej

2.

2.

sorpcji na membranie

sorpcji na membranie

3.

3.

dyfuzji cząsteczek przez membranę

dyfuzji cząsteczek przez membranę

4.

4.

desorpcji po stronie permeatowej membrany

desorpcji po stronie permeatowej membrany

5.

5.

dyfuzji czšstek penetranta w głšb fazy gazowej

dyfuzji czšstek penetranta w głšb fazy gazowej

PERWAPORACJA PRZEZ

PERWAPORACJA PRZEZ

MEMBRANY

MEMBRANY

HYDROFOBOWE

HYDROFOBOWE



Przeprowadzono doświadczenie w

Przeprowadzono doświadczenie w

celu pełniejszego odzwierciedlenia

celu pełniejszego odzwierciedlenia

zjawisk zachodzących w przypadku

zjawisk zachodzących w przypadku

perwaporacji z wykorzystaniem

perwaporacji z wykorzystaniem

membran hydrofobowych,

membran hydrofobowych,

wyodrębniono osiem stref o różnym

wyodrębniono osiem stref o różnym

mechanizmie transportu masy.

mechanizmie transportu masy.

Zostały one przedstawione w tabeli

Zostały one przedstawione w tabeli

nr

nazwa warstwy

opis kinetyczny

opis

matematyczny

transportu

masy

A

głębia roztworu

konwekcja (faza ciekła)

-

B

warstwa dyfuzyjna

dyfuzja cząsteczek

penetranta w cieczy

C

warstwa oddziaływań

hydrofobowych

oddziaływania hydrofobowe

dalekiego i krótkiego

zasięgu

D

monowarstwa adsorpcyjna

adsorpcja fizyczna

(hydrofobowa)

D, E

powierzchnia styku fazy

ciekłej i gładkiej

powierzchni membrany

wnikanie cząsteczek

penetranta z powierzchni

membrany do materiału

membrany

E

nieporowata membrana

perwaporacyjna

dyfuzja cząsteczek

penetranta w ciele stałym

E, F

powierzchnia styku

gładkiej membrany

perwaporacyjnej i

porowatego supportu

wynoszenie cząsteczek

penetranta na powierzchnię

membrany gładkiej

F

monowarstwa desorpcyjna

desorpcja

G

porowaty support

dyfuzja w porach supportu

membrany, dyfuzja

Knudsena

H

faza gazowa

konwekcja (faza gazowa)

-



Szerszego omówienia wymaga warstwa

Szerszego omówienia wymaga warstwa

przymembranowa C, w której cząsteczki

przymembranowa C, w której cząsteczki

hydrofilowe przemieszczają się w kierunku ich

hydrofilowe przemieszczają się w kierunku ich

wyższego stężenia. Jest to efekt oddziaływań

wyższego stężenia. Jest to efekt oddziaływań

hydrofobowych krótkiego (siły van der Waals’a) i

hydrofobowych krótkiego (siły van der Waals’a) i

dalekiego zasięgu oraz zmiany struktury wody z

dalekiego zasięgu oraz zmiany struktury wody z

objętościowej na powierzchniową. Obecność

objętościowej na powierzchniową. Obecność

hydrofobowej powierzchni membrany wpływa na

hydrofobowej powierzchni membrany wpływa na

naturalną zdolność wody do tworzenia klasterów, co

naturalną zdolność wody do tworzenia klasterów, co

powoduje wzrost wolnej energii cząsteczek wody

powoduje wzrost wolnej energii cząsteczek wody

przy powierzchni hydrofobowej w porównaniu do

przy powierzchni hydrofobowej w porównaniu do

cząsteczek wody oddalonych od tej powierzchni.

cząsteczek wody oddalonych od tej powierzchni.

Efektem tego jest migracja cząstek wody poza

Efektem tego jest migracja cząstek wody poza

zasięg oddziaływań hydrofobowych oraz wzrost

zasięg oddziaływań hydrofobowych oraz wzrost

stężenia w powierzchni hydrofobowej cząsteczek

stężenia w powierzchni hydrofobowej cząsteczek

nie wykazujących ujemnej interakcji z powierzchnią

nie wykazujących ujemnej interakcji z powierzchnią

hydrofobową. Skutkiem tego jest wzrost stężenia

hydrofobową. Skutkiem tego jest wzrost stężenia

substancji hydrofilowych przy membranie

substancji hydrofilowych przy membranie

hydrofobowej.

hydrofobowej.

Bibliografia



W. Bednarski , A. Reps red.: Biotechnologia

żywności. WNT, Warszawa 2003, str. 192-193



http://pl.wikipedia.org/wiki/Perwaporacja



http://pl.wikipedia.org/wiki/Azeotrop



http://www.chem.uw.edu.pl/people/AChajewski/spr

ze.htm



http://www.uwm.edu.pl/kiap/dydaktyka/techniki_m

embranowe.pdf



http://www.ichtj.waw.pl/ichtj/market/m-

pol/dep_06/membrane.htm



http://www.ch.pwr.wroc.pl/dtp/pw/publikacje/p98/

krakow.html