INŻYNIERIA BIOPROCESOWA
część 3
Andrzej Kołtuniewicz
INŻYNIERIA BIOPROCESOWA
część 3
Andrzej Kołtuniewicz
INŻYNIERIA BIOPROCESOWA
BIOREAKTOR
UP-STREAM
DOWN-STREAM
natlenianie
mieszanie
dozowanie
monitorowanie
ogrzewanie
chłodzenie
sterowanie
rozdrabnianie
mieszanie
oczyszczanie
sterylizacja
frakcjonowanie
oczyszczanie
koncentrowanie
PRZYGOTOWANIE SUROWCÓW
WYODRĘBNIANIE PRODUKTÓW
UTRZYMYWANIE
WARUNKÓW
REAKCJI
DOWN-STREAM PROCESSING
• FRAKCJONOWANIE
• OCZYSZCZANIE
• KONCENTROWANIE
• SUSZENIE
Stosuje się procesy separacyjne należące do
tzw.
PROCESÓW JEDNOSTKOWYCH
Wszystkie procesy związane z
wyodrębnianiem czystych produktów z
bioreaktora.
Produkty są rozcieńczone w
wieloskładnikowym i heterogeniczym płynie
fermentacyjnym dlatego trzeba zastosować
separację:
PROCESY JEDNOSTKOWE
Proces (ogólnie) to uporządkowany w czasie ciąg
zmian i stanów zachodzących po sobie.
Jakakolwiek zmiana stanu z jednego na drugi
nazywana jest procesem.
Z termodynamicznego punktu widzenia procesy
dzielimy na odwracalne, nieodwracalne
samorzutne i quasi-statyczne.
Każdą technologię można przedstawić w
ujęciu systemowym jako sieć utworzoną przez
strumienie: materiałowe, energetyczne i
informatyczne połączone w blokach którym
odpowiadają
Procesy Jednostkowe
PROCESY JEDNOSTKOWE
PROCESY FIZYCZNE PROCESY CHEMICZNE
DYNAMICZNE CIEPLNE
przepływy
mieszanie
rozdrabnianie
filtrowanie
sedymentacja
fluidyzacja
przesiewanie
odpylanie
przewodzenie
konwekcja wym.
konwekcja nat.
promieniowanie
wrzenie
skraplanie
mikrofiltracja
destylacja mem.
ELEKTRYCZNE
Elektroliza
Elektrodializa
Elektroosmoza
PROCESY BIOLOGICZNE
destylacja
rektyfikacja
absorpcja
adsorpcja
desorpcja
ekstrakcja
ługowanie
krystalizacja
chromatografia
dializa
ultrafiltracja
nanofiltracja
odwrócona osmoza
perwaporacja
ekstrakcja mem.
absorpcja mem.
DYFUZYJNE
PROCESY DYFUZYJNE
c
x
substrtes
microorganism
wall layer
c
x
products, metabolites
microorganism
Boundary layer
Czas przebiegu wielu procesów np. w bioreaktorach
(biokonwersji mikrobiologicznej czy enzymatycznej)
zależy nie tylko od szybkości reakcji biochemicznej ale
jest limitowana szybkością doprowadzania produktów i
odprowadzania
substratów
z
otoczenia
mikroorganizmu.
PROCESY DYFUZYJNE
Warstewka przyścienna izoluje mikroorganizm od środowiska
bioreaktora i od dostępu do substratów np. tlenu oraz ogranicza
wydalanie metabolitów, które są często inhibitorami reakcji
biochemicznej. Stężenia produktów i substratów w tej warstewce, a
nie w rdzeniu (bioreaktorze) decydują o przebiegu i szybkości
reakcji. Intensywne mieszanie pozwala zredukować grubość tej
warstewki ale jej nigdy nie wyeliminuje.
PROCESY DYFUZYJNE
• Warstewką przyścienną nazywamy obszar w otoczeniu
powierzchni międzyfazowej, w którym występuje gradient
odpowiedniego potencjału a więc stężenia, temperatury lub
prędkości. Możliwe jest więc występowanie niezależnie warstewki
stężeniowej, temperaturowej czy hydrodynamicznej.
• Rdzeniem nazywamy obszar w którym występuje pełne
przemieszanie skutkiem, którego temperatura, koncentracja czy
prędkość są stałe. Transport masy, pędu lub ciepła w rdzeniu
przebiega zawsze z nieskończenie dużą szybkością.
Faza
1
Faza 2
Warstewka
Przyścienna 2
Powierzchnia
międzyfazowa
Stężenie 2
Faza 1
rdzeń
Faza ciekła
Faza gazowa
Faza ciekła
Faza gazowa
Faza ciekła
Faza gazowa
faza stała
faza gazowa
faza ciekła
faza ciekła
faza gazowa
faza gazowa
faza stała
faza ciekła
faza ciekła
faza stała
faza ciekła
faza ciekła
faza gazowa
faza ciekła
faza gazowa
faza stała
faza ciekła
faza ciekła
faza ciekła
faza ciekła
faza ciekła
faza stała
faza ciekła
faza gazowa
faza stała
faza ciekła
faza stała
faza stała
destylacja,
odparowanie,
suszenie, desorpcja
absorpcja,
skraplanie,
chemisorpcja
rektyfikacja
adsorpcja,
chromatografia
ekstrakcja
kontrolowane
dozowanie
faza stała
faza ciekła
ługowanie
(ekstrakcja z ciała
stałego)
separacja gazów
odwrócona osmoza,
ultrafiltracja, nanofiltracja,
mikrofiltracja
destylacja
membranowa
perwaporacja
membrany ciekłe
DYFUZYJNE PROCESY
JEDNOSTKOWE
dializa, elektrodializa,
ekstrakcja
membranowa
absorpcja
membranowa
PROCESY
y
dopływając
strumień
m
d
masy
akumulacja
dt
dm
y
odpływając
strumień
m
o
ciepła
akumulacja
dt
dQ
y
odpływając
strumień
Q
o
y
dopływając
strumień
Q
d
POCES DYFUZYJNY
POCES CIEPLNY
DYFUZJA
dx
A
dV
objętość elementu kontrolnego
masa zakumulowana w elemencie objętości
ak
m
dt
A
N
m
i
dop
dt
A
dx
x
N
N
m
i
i
od
dt
t
C
dV
m
i
ak
A- powierzchnia przekroju poprzecznego do kierunku ruchu (x)
s
m
"
i
"
kmol
dt
dm
A
1
N
2
i
i
s
m
i
kmol
x
C
D
N
2
i
i
i
"
"
Strumień masy
Prawo Ficka
dt
t
C
dV
dt
A
dx
x
N
N
dt
A
N
i
i
i
i
t
C
x
C
D
i
2
i
2
i
t
C
x
N
i
i
DYFUZJA RÓWNOMOLOWA
PRZECIWKIERUNKOWA
ciecz
para
skraplanie składnika Bparowanie składnika A
Q
skr
=Q
par
1 mol B
1 mol A
P
x
P
x
A
B
0
P V n R T
A
A
T
R
C
P
A
A
C
x
C
x
A
B
0
B
B
BA
B
AB
A
AB
A
N
x
C
D
x
C
D
x
C
D
N
N
D
C
C
x
x
A
AB
A
A
1
2
1
2
DYFUZJA JEDNEGO SKŁADNIKA A PRZEZ
SKŁADNIK INERTNY
B
strumeń dyfuzyjny składnika A
strumeń dyfuzyjny składnika
B
strumeń konwekcyjny składnika B
strumeń konwekcyjny składnika A
C
A
C
B
C
T
N
D
C
x
DA
AB
A
N
D
C
x
DB
BA
B
N
N
D
C
x
KB
DB
BA
B
N
N
C
C
KA
KB
B
A
N
N
N
N
N
T
DA
KA
DB
KB
N
D
C
x
N
C
C
A
AB
A
KB
B
A
N
D
C
x
D
C
x
C
C
A
AB
A
BA
B
B
A
D
D
AB
BA
2
B
1
B
2
1
T
AB
2
A
T
1
A
T
2
1
T
AB
A
C
C
ln
x
x
C
D
C
C
C
C
ln
x
x
C
D
N
2
B
1
B
2
B
1
B
Bm
C
C
ln
C
C
C
N
D
C
C
x
x
C
C
A
AB
B
B
T
Bm
1
2
1
2
powierzchnia absorbująca składnik A
DYFUZJA JEDNEGO SKŁADNIKA
A
PRZEZ
MIESZANINĘ INERTÓW
N
B
i
Ai
AD
AC
AB
A
x
P
...
x
P
x
P
x
P
dx
dP
C
C
D
D
A
D
B
B
B
B
B
C
D
C
B
B
D
i
A
i
A
Ai
Ai
u
u
C
C
F
x
P
ZAŁOŻENIA
GRADIENT CAŁKOWITY
F
R T
D C
Ai
Ai
T
i
A
T
Ai
i
A
i
A
i
A
Ai
Ai
u
u
C
D
C
C
u
u
C
C
RT
F
x
C
GRADIENT CZĄSTKOWY
dC
dx
C C
D C
u
Ai
A
i
Ai
T
A
u
N
C
A
A
A
i
i
C
0
def
u
i
u
dC
dx
C
x
C
D C
N
A
Ai
i B
N
Ai
Ai
T
i B
N
A
N
C
C
D
dC
dx
A
T
Ai
Ai
i B
N
A
N
B
i
Ai
i
N
B
i
Ai
Ai
T
ZA
D
y
1
D
C
C
D
WYZNACZANIE WSPÓŁCZYNNIKÓW DYFUZJI
METODĄ WINKELMAN'A
gaz inertny
h
l
1
2
C
A1
C
A2
dyfuzja
par
zmniejszająca się
wysokość
słupa
cieczy w kapilarze
droga dyfuzji
składnika A
(składnik B)
składnik A
wypełniająca kapilarę
- ciecz
koncentracja składnika A
na powierzchni międzyfazowej
składnika A
=0
(stężenie nasycenia)
0
A
A
T
An
Bm
AB
0
0
L
L
M
C
C
C
D
L
L
t
t
Współczynniki dyfuzji w wodzie
układ (składnik A - składnik B)
współczynnik dyfuzji
D
AB
jednostki
tlen - woda
1.80 10
-9
m
2
/s
dwutlenek węgla - woda
1.50 10-9
m
2
/s
amoniak-woda
1.76 10-9
m
2
/s
siarkowodór-woda
1.41 10-9
m
2
/s
metanol - woda
1.28 10-9
m
2
/s
propanol - woda
0.87 10-9
m
2
/s
butanol - woda
0.77 10-9
m
2
/s
laktoza - woda
0.43 10-9
m
2
/s
glukoza - woda
0.60 10-9
m
2
/s
maltoza - woda
0.43 10-9
m
2
/s
sacharoza - woda
0.45 10-9
m
2
/s
rafinoza - woda
0.37 10-9
m
2
/s
układ (składnik A - składnik B)
współczynnik dyfuzji
DAB
jednostki
wodór - powietrze
41 10--6
m
2
/s
woda - powietrze
25 10--6
m
2
/s
amoniak - powietrze
23 10--6
m
2
/s
tlen - powietrze
23 10--6
m
2
/s
dwutlenek węgla - powietrze
20 10--6
m
2
/s
metanol - powietrze
16 10--6
m
2
/s
etanol - powietrze
12 10--6
m
2
/s
propanol - powietrze
10 10--6
m
2
/s
butanol - powietrze
9 10--6
m
2
/s
pentanol - powietrze
7 10--6
m
2
/s
heksanol - powietrze
6 10--6
m
2
/s
FAZA 1
FAZA 2
rdzeń
fazy
pierwszej
rdzeń
fazy
drugiej
C
C
C
C
r1
w1
w2
r2
przenikanie masy składnika A
warstewka
przyścienna
fazy
pierwszej
warstewka
przyścienna
fazy
drugiej
d
d
1
2
powierzchnia międzyfazowa
G
A
r
w
C
C
A
k
dt
dn
G
r
w
C
C
k
dt
dn
A
G
N
2
1
m
1
k
1
WPŁYW WARUNKÓW HYDRODYNAMICZNYCH
NA TRANSPORT MASY
APARATY TYPU
MIESZALNIKOWEGO
APARATY TYPU
KOLUMNOWEGO
KLASYCZNY MODEL WARSTEWKOWY
NERNST'A
u
w
u
b
w
b
C
w
C
b
rdzeń
warstwa
przyścienna
=0
=0
turbulentny
laminarna
1. Opory transportu masy są skoncentrowane w obszarze warstwy przyściennej.
2. Transport masy w jej obszarze odbywa się drogą dyfuzji,
3. Gradient stężenia jest stały w obrębie warstewki.
4. Poza warstewką znajduje się obszar rdzenia, w którym panują warunki zupełnego przemieszania (koncentracja
w rdzeniu jest stała).
5. Grubość warstewki () zależy od warunków hydrodynamicznych w rdzeniu
6. Prędkość przy samej powierzchni jest równa zeru (a w rdzeniu jest stała).
7. W warstwie przyściennej naprężenia ścinające są stałe
w
b
du
dy
u
dla
y
y
dla
C
C
D
dy
dC
D
N
w
b
2
u
2
w
N
C
C
i
i
wi
bi
(
)
u
b
w
D
i
b
u
D
0 5
.
Sh
0 5
.
Re
Naprężenie ścinające ze wzoru Newton’a
Strumień masy z prawa Ficka
Naprężenie ścinające ze wzoru Darcy’ego
Strumień masy z definicji strumienia
Grubość warstewki
Współczynnik wnikania masy
KLASYCZNY MODEL PENETRACYJNY
REYNOLDS'A
u
w
u
b
m
w
b
C
w
C
b
rdzeń
warstwa
przyścienna
w
b
w
u
u
m
n
Naprężenie ścinające
2
u
2
w
Naprężenie ścinające ze wzoru Darcy’ego
wi
bi
i
C
C
m
n
N
N
C
C
i
i
wi
bi
(
)
Strumień masy z definicji strumienia
Strumień masy z interpretacji Reynoldsa
i
b
u
0 5
.
Sh
Sc
0 5
.
Re
MODEL PENETRACYJNY HIGHBIEGO
C
t
D
C
x
2
2
0
C C
dla
t
b
0
C C
dla
y
w
0
C C
dla
y
b
Dt
2
x
erf
C
C
t
,
x
C
w
b
N t
D
C
t
x
( )
( , )
0
e
t
0
e
dt
)
t
(
N
t
1
N
b
w
e
C
C
t
D
2
N
2
D
t
e
II prawo Fick’a opisuje stężenia
Warunki brzegowe
Zmiana stężenia w czasoprzestrzeni
Strumień masy
Średni strumień masy w czasie ekspozycji t
e
Podstawowym założeniem modelu jest przyjęcie jednakowego czasu
ekspozycji dla wszystkich elementów na powierzchni. Nieustalony
transport masy w elemencie podczas kontaktu z powierzchnią opisuje
równanie ciągłości dla składnika rozpuszczonego.
MODEL ODNAWIANIA POWIERZCHNI
DANCKWERTS'A
1. wystąpienie zjawiska odnowienia powierzchni jest niezależne od wieku elementu i od
jego położenia,
2. szybkość odnawiania powierzchni (s) jest jednakowa dla wszystkich frakcji wieku
występujących na powierzchni. Parametr s został zdefiniowany jako udział powierzchni
odnowionej w pewnej frakcji wiekowej oraz w jednostce czasu:
s
f t dt dt f t dt
f t dt dt
(
)
( )
( )
1
dt
)
t
(
f
0
f t
s e
st
( )
0
dt
)
t
(
f
)
t
(
N
N
b
w
C
C
s
D
N
PORÓWNANIE MODELI TRANSPORTU MASY
NA GRANICY FAZ
MODEL
TRANSPORTU
MASY
STRUMIEŃ
MASY
WSPÓŁCZYNNIK
WNIKANIA
PARAMETR
KINETYCZNY
Warstewkowy
grubość
warstewki
Penetracyjny
czas ekspozycji
Odnawiania
powierzchni
szybkość
odnawiania
powierzchni -
s
N
D
C
C
i
i
wi
bi
(
)
D
i
b
w
e
i
C
C
t
D
2
N
2
D
t
e
b
w
i
C
C
s
D
N
s
D
e
t
EKSTRAKCJA
EKSTRAKCJA
S=A+B
A -rozpuszczalnik pierwotny R - rafinat
C - rozpuszczalnik wtórny E - ekstrakt
R
C
E
Rozpuszczalnik wtórny
• Różnica gęstości
• Mała rozpuszczalność w rafinacie
• Selektywność
• Duża wartość współczynnika podziału
• Napięcie powierzchniowe
• Obojętność chemiczna
• Nietoksyczność
• Cena
WODNE UKŁADY DWUFAZOWE
ATPS – aqueous two phase systems
Faza górna
Faza dolna
Glikol polietylenowy (PEG)
Alkohol poliwinylowy
Dekstran
Fosforany, siarczany, cytryniany
Glikol polipropylenowy (PPG)
Glikol polietylenowy
Alkohol poliwinylowy
Dekstran
Alkohol poliwinylowy
Dekstran
Metyloceluloza
Metyloceluloza
Dekstran
Hydroksypropylodekstran
WODNE UKŁADY DWUFAZOWE
ekstrakcyjna biokonwersja
Fosforan potasu
PEG
Penicylina G
acylaza penicylanowa
6-APA
Wykres trójkątny równoboczny
A
C
B
x
B
x
B
x
A
x
C
x
C
x
A
x
C
x
A
x
B
A
C
B
R
1
R
2
M
Ciecze o ograniczonej mieszalności
A
C
Nasycony roztwór C w A
Nasycony roztwór A w C
Zakres dwufazowy
WYKRES FAZOWY EKSTRAKCJI
A
B
C
A – rozpuszczalnik pierwotny
B – substancja ekstrahowana
C – rozpuszczalnik wtórny
Obszar
jednofazowy
Obszar dwufazowy
CIĘCIWY RÓWNOWAGI
A
B
C
EKSTRAKCJA RÓWNOWAGOWA
A
B
C
S
C
R
E
S
E
R
S
gr
R
E
S
x
R
y
E
x
S
R
E
C
S
EKSTRAKCJA WIELOSTOPNIOWA
1
2
3
n
S
C
E
1
E
2
E
3
E
n
R
n
R
1
R
2
R
3
. . . .
x
S
x
R1
x
R2
x
R3
C
C
C
i
S
i
)
1
(
x
x
S
C
K
D
Ekstrakcja wielostopniowa
A
B
C
x
S
R
1
R
2
R
3
E
1
E
2
E
3
M
1
M
2
M
3
EKSTRAKCJA WIELOSTOPNIOWA
PRZECIWPRĄDOWA
3
2
1
S
C
E
3
E
2
E
1
R
2
R
1
R
3
i
D
i
x
K
y
3
3
1
1
C
S
x
R
y
E
y
C
x
S
EKSTRAKCJA WIELOSTOPNIOWA
PRZECIWPRĄDOWA
S
S, x
S
C, y
c
C, y
1
x
R
n
i+1
1
i
X
i-1
X
i
y
i+1
y
i
1
1
i
i
s
y
C
x
S
y
C
x
S
s
1
i
1
i
x
x
C
S
y
y
R
1
i
C
i
x
x
C
S
y
y
1
1
x
x
1
n
S
n
S
C
K
D
BILANS EKSTRAKCJI PRZECIWPRĄDOWEJ
A
B
C
S
E
R
O
E
n
E
n-1
EKSTRAKCJA CIĄGŁA
t
ETP
n
H
h
Ciecze nadkrytyczne
P
T
ciało
stałe
ciecz
gaz
P
K
T
K
płyn
nadkrytyczny
mała lepkość
duża
dyfuzyjność
Parametry krytyczne
Gaz
T
K
[K]
P
K
[MPa]
k
[kg/m
3
]
CO
2
304
7,38
468
N
2
O
309
7,10
457
Etan
305
4,88
203
Etylen
282
5,03
218
Propan
370
4,24
211
Propylen
365
4,62
233
Ekstrakcja nadkrytyczna
Q
Q
elektroforeza
Elektrofiltr
separator elektrostatyczny
(-)
(+)
u
p
p
2
p
p
d
~
d
3
E
d
d
3
E
q
u
Elektroforeza
q
F
e
= qE
F
s
= 3d
p
u
p
d
3
E
q
u
Elektroforeza
opłaszczanie białek
SO
3
-
-
3
OS
p
p
d
1
~
d
3
E
q
u
Przenikalność elektryczna ε
e
-etanol, aceton
-rozpuszczalne w wodzie polimery (PEG)
B, K
e
– stałe
e
e
K
B
)
S
(
Ln
Punkt izoelektryczny
białko
pI
białko
pI
Pepsyna
1
Hemoglobina
6,8
Albumina jajek
4,6
Myoglobulina
7,0
Albumina
surowicy krwi
4,
9
Chymotrypsyn
a
9,5
Ureaza
5,0
Cytochrom c
10,65
-globulina
6,6
Lizozym
11,0
PRECYPITACJA
• Strącanie w wyniku reakcji chemicznej
• Wytrącanie w wyniku dodania
rozpuszczalnika (etanol, izopropanol)
• Precypitacja białek
– Wysalanie (siarczan amonu)
– Zmiana pH
– Dodatek niejonowych polimerów (PEG)
– Dodatek polielektrolitów (polisacharydy,
polifosforany, poliakrylany)
– Dodatek wielowartościowych jonów metali
PRECYPITACJA
wysalanie (salting out)
Siła jonowa roztworu
Rozpuszczalność (S)
C
i
– stężenie jonu
Z
i
– wartościowość jonu
, k
s
- stałe charakterystyczne dla białka
i
i
2
i
C
z
2
1
I
I
k
)
S
ln(
s
WYSALANIE
Początkowe stężenie 15 g/dm
3
. Stężenie białka przy stężeniach
siarczanu amonu 0,5 M i 1,0 M w cieczy wyniosły 13,5 g/dm
3
, 5,0 g/dm
3
.
Obliczyć stężenie przy którym uzyska się 95% wytrącenie białka
C
K
S
ln
'
99
,
1
K
60
,
3
M
95
,
1
99
,
1
15
05
,
0
ln
60
,
3
K
S
ln
C
'
ROZPUSZCZALNOŚĆ BIAŁEK
Log(S)
I
fibrynogen
hemoglobina
albumina C
myoglobina
Skuteczność precypitacji
• Aniony
– cytrynowy
3-
, bursztynowy
2-
, PO
43-
, SO
42-
,
octowy
1-
, Cl
1-
, NO
31-
• Kationy
– Th
4+
, Al
3+
, H
+
, Ba
2+
, Ca
2+
, Mg
2+
, NH
4+
,
K
+
,Na
+
suszenie
SUSZENIE
SUSZARKA ROZPYŁOWA
SUSZARNIA BĘBNOWA
SUSZARNIA FLUIDALNA
SUSZARNIE TUNELOWO - TAŚMOWE
SUSZARNIA
SUSZARNIA
WILGOTNOŚĆ POWIETRZA
wilgotność bezwzględna
wilgotność względna
T
o
C
p
s
kPa
Y
s
kg/kg
20
2,34
0,0146
8
30
4,24
0,0271
60
19,9
0,1517
29
18
p
P
p
powietrza
suchego
masa
wody
masa
Y
nas
p
p
WYKRES FAZOWY
para wodna - powietrze
T
Y
= 100 %
= 60 %
= 40 %
= 20 %
punkt rosy
POMIAR PSYCHROMETRYCZNY
T
Y
= 100 %
= 40 %
T
W
)
T
T
(
A
r
Y
Y
A
k
W
S
W
'
g
'
S
W
W
k
r
T
T
Y
Y
SUSZENIE PRZECIWPRĄDOWE
T
powietrze
materiał suszony
t
SUSZENIE WSPÓŁPRĄDOWE
T
powietrze
materiał suszony
SUSZARNIE
powietrze
roztwór
komorowa
bębnowa
rozpyłowa
Liofilizacja
T
P
ciało stałe
para
ciecz
Punkt potrójny wody:
T = 0,01
o
C
P = 610 Pa
chromatografia
Adsorpcja
• Węgle aktywne
• Zeolity
MeO AL
2
O
3
SiO
2
nH
2
O
(K,Na,Ca,Mg)
• Żele krzemionkowe
SiO
2
n·H
2
O
RÓWNOWAGA SORPCYJNA
C
S
C
L
Izoterma Langmuira
Izoterma
Freundlicha
L
S
C
K
C
L
S
L
S
C
K
C
C
L
S
C
K
C
ZASADA CHROMATOGRAFII
TECHNIKI CHROMATOGRAFICZNE
• Filtracja żelowa
• Chromatografia jonowymienna
• Chromatografia sorpcyjna
• Chromatografia kowalencyjna
• Chromatografia hydrofobowa
• Chromatografia afinitywna
(powinowactwa)
Złoża chromatograficzne
• Silikażele
– substancje hydrofilowe
• Polimery
– styreno diwinylobenzen
– poliakryloamid (hydrożel)
– agaroza, dekstran
• Wymieniacze jonowe
– grupy: (SO
3
), (COO
-
),(DEAE , R
3
N
+
), (R
4
N
+
)
CHROMATOGRAFIA I FILTRACJA ŻELOWA
CHROMATOGRAFIA SORPCYJNA
Roztwór białek
w buforze
Sorpcja białek na wypełnieniu
Roztwór
wymywający 1
Roztwór
wymywający 2
wymywanie
Bilans adsorpcji
U
c
, C
i
x
u
c
– prędkość pozorna cieczy
- porowatość złoża
t
,
x
C
t
t
,
x
C
x
1
A
t
,
x
C
t
t
,
x
C
x
A
t
x
x
C
u
A
t
x
C
u
A
S
S
L
L
L
c
L
c
0
t
C
1
t
C
x
C
u
s
L
L
c
Model równowagowy
0
x
C
C
d
C
d
1
u
t
C
L
i
s
c
L
t
C
C
d
C
d
t
C
L
L
S
S
L
s
c
i
C
d
C
d
1
u
u
Płaski front adsorpcji
i
s
C
K
C
K
)
1
(
u
u
c
i
c
i
u
u
0
K
0
u
K
i
Chromatografia sorpcyjna
• Dwa związki o liniowych równowagach adsorpcyjnych: K
1
= 7,5; K
2
= 7,8. Kolumna o średnicy 63 cm. Natężenie przepływu 1,5
dm
3
/min. Porowatość złożą 0,33. Obliczyć niezbędną długość
kolumny dla uzyskania różnicy czasów retencji 5 min.
Prędkość pozorna płynu
Prędkość ruchu substancji
Czas retencji
min
m
10
81
,
4
)
63
,
0
(
10
5
,
1
4
u
3
2
3
c
min
m
10
98
,
8
5
,
7
)
33
,
0
1
(
33
,
0
10
81
,
4
K
)
1
(
u
u
4
3
1
c
1
min
m
10
66
,
8
8
,
7
)
33
,
0
1
(
33
,
0
10
81
,
4
K
)
1
(
u
u
4
3
2
c
2
1
2
u
l
u
l
t
m
12
,
0
10
66
,
8
1
10
98
,
8
1
5
u
1
u
1
t
l
4
4
1
2
Zjawiska transportowe w chromatografii
I I
I I I
I
q
A 0
q
A
1
1
2
2
3
3
C
A 0
C
A
1
2
3
z
z
z = H
z = 0
C
A 0
*
L
L
c
S
C
C
k
t
C
DYNAMIKA KOLUMNY ADSOPRCYJNEJ
t
C/C
Czas przebicia
Czas przebywania
Przepływ idealny
1
CHROMATOGRAFIA JONOWYMIENNA
Kationit
Anionit
Rodzaj
silnie kwaśny
słabo kwaśny
silnie zasadowy
słabo zasadowy
Główne
grupy
funkcyjn
e
-SO
3
-
(sulfonowa)
-COO
-
(karboksylowa)
-NR
3
+
(typ I)
(aminy IV rzędu)
-NR
2
+
(aminy II rzędu)
-PO
3
H
-
(fosforanowa)
-S
-
(tiolowa)
-NROH
R
2
+
(typ II)
-NHR
+
(aminy I rzędu)
Wpływ
pH na
wymian
ę jonów
wymiana stała
w całym
zakresie pH
wymiana maleje,
gdy pH się
zmniejsza
wymiana stała
w całym
zakresie pH
wymiana maleje,
gdy pH się
zwiększa
Szybkość
wymiany
duża
mała, gdy pH < 7
duża
mała, gdy pH > 7
Warunki
regener
acji
Wymagany
nadmiar
mocnego
kwasu
Przebiega łatwo
Wymagany
nadmiar
mocnej
zasady
Przebiega łatwo
CHROMATOGRAFIA MEMBRANOWA