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

= 3d

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