INŻYNIERIA BIOPROCESOWA - wybrane tematy egzaminacyjne
Opracowane w 2004 A.D. przez U&E&K
Bilans elementarny wzrostu
Co to jest węglomol
Zasada całkowego bilansu wzrosty drobnoustrojów
Współczynniki wydajności
Stopień redukcji i jego interpretacja
Ograniczenia bilansowe wzrostu drobnoustrojów
Bilanse energetyczne wzrostu drobnoustrojów
Bilans entalpowy ,ilość wydzielanego ciepła
Termodynamiczne ograniczenia wzrostu drobnoustrojów
Bilanse różniczkowe wzrostu
Zasada bilansu różniczkowego
Przemiana podstawowa
Graniczne współczynniki wydajności
Kinetyka reakcji enzymatycznej
Mechanizmy reakcji enzymatycznej
Mechanizm Michaelisa --Menten
Mechanizmy hamowania reakcji enzymatycznej
Wpływ temperatury i pH na szybkość reakcji enzymatycznej
Modele wzrostu drobnoustrojów
Niestrukturalne modele wzrostu
Strukturalne modele wzrostu
Hodowle drobnoustrojów
Hodowle okresowe
Hodowle okresowe z ciągłym zasilaniem
Hodowle ciągłe
Bioreaktory
Bioreaktory zbiornikowe z idealnym wymieszaniem
Bioreaktory kolumnowe z przepływem tłokowym
Bioreaktory membranowe
Procesy przenoszenia w bioreaktorach
Przepływ laminarny i przepływ burzliwy
Opory przepływu
Ruch pęcherza gazowego w cieczy
Opadanie swobodne
Ruch masy przez dyfuzje
Konwekcyjny ruch masy
Wnikanie masy i przenikanie masy
Szybkość absorpcji tlenu
Mechanizmy transportu ciepła
Przenikanie ciepła, intensyfikacja wymiany ciepła
Sterylizacja pożywek
Metody sterylizacji
Kinetyka sterylizacji termicznej
Sterylizacja okresowa i ciągła
Optymalizacja składu pożywek
Rozdrabnianie i mieszanie materiałów ziarnistych
Charakterystyka materiałów ziarnistych
Metody rozdrabniania materiałów stałych
Metody mieszania materiałów ziarnistych
Metody filtracji, zasada, podział ,zastosowania
Filtracja
Filtracja przy stałej grubości warstwy
Filtracja przy stałej różnicy ciśnień
Filtracja ze stała prędkością
Filtracja dwustopniowa
Wydajność cyklu filtracyjnego
Zasada separacji hydraulicznej
Precypitacja
Metody precypitacji
Zasada frakcjonowania przez precypitację
Procesy membranowe
Mechanizm rozdzielania membranowego
Zjawisko polaryzacji stężeniowej
Zasada rozdzielania przez dializę ,elektrodializę ,ultrafiltracje,
osmozę odwróconą
Zasada procesu diafiltracji
Chromatograficzne metody rozdzielania
Zasada rozdzielania chromatograficznego
Typy metod chromatograficznych
Czynniki określające efektywność metod chromatograficznych
Suszenie bioproduktów..
Wykres fazowy para wodna powietrze
Zasada pomiaru psychrometrycznego
Suszenie adiabatyczne
Szybkość suszenia, czynniki wpływające na szybkość suszenia
Suszenie współprądowe i przeciwprądowe
Techniczne realizacje suszenia materiałów biologicznych
Destylacja i rektyfikacja
Zasada rozdzielania przez destylacje
Destylacja równowagowa
Destylacja różniczkowa
Zasada działania kolumny rektyfikacyjnej
Co to jest węglomol.
Węglomol to masa molowa danej substancji przypadająca na jeden węgiel w tym związku.
Ilość C,H,O,N w 100g (np. w biomasie) przeliczam na mole ,a następnie obliczam współczynniki do wzoru składu standardowego przeliczając na zawartość tylko jednego mola węgla. Masa węglomola biomasy uwzględnia takie przeliczenie oraz to ,że 4 główne rozważane pierwiastki stanowią 95% masy, czyli masa będzie nieco większa niż wynika z zawartości C,O,H,N.
Zasada całkowitego bilansu wzrostu.
S+N+O=X+P+C+W
Dla każdego z 4 bilansowych pierwiastków ustala się oddzielne równania uwzględniające ich zawartość węglomolową oraz wynikającą z natury procesu określoną przez współczynnik ( [ni] - stałe dla danych warunków ,dla danego organizmu itd.).
W przypadku zawartości wodoru w wodzie oraz tlenu w wodzie i dwutlenku węgla uwzględnia się liczbę ich atomów w cząsteczce oraz współczynnik . Dla węgla zawartość węglomolowa jest zawsze 1 (co wynika z definicji węglomola).
C: S+N=X+P+C
H: S+N=X+P+W
O: S+N+O=X+P+C+W
N: S+N=X+P
Współczynniki wydajności.
Powyższe 4 równania dostarczają 7 niewiadomych . Aby rozwiązać ten układ równań ustala się dodatkowe 3 równania będące powiązaniami niewiadomych
współczynnik wydajności X/S=X/S
współczynnik wydajności P/S=X/P
zużycie N/X=N/X - rozwinięcie wynika z bilansu azotu
Współczynniki wydajności mogą mieć postać uwzględniającą masę molową związków i dają wtedy wynik masowy [g].
Stopień redukcji i jego interpretacja.
Aby dokonać bilansu tlenu trzeba uwzględnić zależności elektronowe:
[gamma drukowana] -bezwzględny stopień redukcji- ilość elektronów oddawanych ze związku przy pełnym utlenieniu , uwzględniając ,że węgiel oddaje 4 ,wodór oddaje 1 ,zaś tlen w związku pobiera 2 elektrony.
γ [gamma mała] - względny stopień redukcji - wprowadza stan odniesienia będący stopniem redukcji źródła azotu ,pozwala pominąć w obliczeniach N ( określając jego stopień redukcji za zerowy).
i γ są identyczne dla związków bez azotu , w przypadku związku zawierającego azot jego względna redukcja będzie mniejsza od bezwzględnej (bo wlicza teoretycznie zdolność redukcyjną źródła azotu czyniąc ją punktem odniesienia).
Przy obliczaniu zapotrzebowania na tlen należy podzielić bilans elektronowy przez 4 ,bo 4 elektrony przypadają na 1 cząsteczkę tlenu.
Ograniczenia bilansowe wzrostu drobnoustrojów.
Istnieją ograniczenia węglowe i tlenowe wydajności biomasy względem substratu:
węglowe - węgiel w substracie jest jedynym źródłem węgla dla biomasy (i ewentualnie produktu), czyli wydajność X/S oraz P/S musi być mniejsza, równa 1
tlenowe - wydajność X/S i P/S z uwzględnieniem stopni redukcji (X/S i P/X!) musi być mniejsza, równa 1.
Im większy stopień redukcji substratu (wzg. Biomasy) ,tym większą ilością elektronów dysponuje- nadmiar przeznacza na katabolizm ,a ilość biomasy ograniczona jest ilością węgla w substracie (bo współczynnik wydajności elektronowy = tlenowy wynosi nawet więcej niż 1). Dla dużych stopni redukcji substratu wydajność utrzymuje się na stałym poziomie węglozależnym.
Im niższy stopień redukcji substratu (wzg. Biomasy),tym mniejszą ilością elektronów dysponuje -część musi przeznaczyć na katabolizm ,część na biomasę i generalnie więcej substratu będzie trzeba zużyć by dostarczyć odpowiednią ilość elektronów do bardziej zredukowanej biomasy. Ograniczenie jest tlenowe - bo oddychanie wymagając elektronów z substratu obniża wydajność. W tym zakresie wydajność jest wzrastająca wraz z wzrostem zredukowania substratu -aż do momentu gdy mowa już o zredukowanym substracie i ograniczeniu węglowym stałym.
Dla wzrostu beztlenowego ograniczenie ma charakter tlenowy- elektronowy. Wydajność P/S ograniczona jest stosunkiem względnych stopni redukcji S/P ,ale nie może być mniejsza niż wynika z ogólnej liczby elektronów pochodzących z substratu, a nie zmagazynowanych w biomasie.
Bilans entalpowy ,ilość wydzielanego ciepła.
Ciepło to różnica między energią dostarczoną w źródłach węgla, azotu ,a zmagazynowaną w biomasie i produkcie (zapisaną ilościowo w formie entalpii spalania). Entalpia to funkcja stanu nie zależna od stanu odniesienia.
Stosuje się entalpie spalania (energia uwolniona przy utlenieniu całkowitym danego związku), bo pozwalają uniknąć uwzględniania dwutlenku węgla i wody ,które są produktami spalania i podają dane dla temperatury standardowej ,czyli zbliżonej do rzeczywistej prowadzenia hodowli.
Im bardziej związek jest zredukowany tym większą ma entalpię spalania ,czyli jest większym potencjalnym źródłem ciepła. Entalpia spalania jest wprost proporcjonalna do bezwzględnego stopnia redukcji (zależność liniowa).
Efekt cieplny wzrostu jest ściśle związany z bilansem elektronowym ilości tlenu. Można prosto określić ciepło przypadające na zużytą ilość tlenu.
Termodynamiczne ograniczenia wzrostu drobnoustrojów.
Potencjał termodynamiczny ,czyli En. Gibbsa zależy od entalpii , temperatury i entropii. Termodynamiczne ograniczenia zapisuje się w używając potencjałów termodynamicznych bioutleniania (związku względem źródła azotu), które analogicznie do względnych stopni redukcji pozwalają pominąć w obliczeniach źródło azotu. Potencjały te są wprost proporcjonalne do stopni redukcji (jest to ponownie zależność liniowa).
Wydajność X/S ma górną granicę w postaci energetycznego współczynnika efektywności czyli ilorazu potencjałów bioutleniania S/X (im bardziej energetyczny substrat -wzg. Biomasy- tym większa jest teoretyczna wydajność). Im większa dyssypacja tym rzeczywista wydajność jest mniejsza od granicznej.
W przypadku stałego stosunku dyssypacji i ilości biomasy (), wydajność X/S zależy od stałej empirycznej i stopnia zredukowania substratu. Stałe empiryczne są właściwe dla danych organizmów, reakcji itd.
Zależność wydajności X/S od stopnia zredukowania substratu wykazuje ,że ograniczenie termodynamiczne jest najsilniejsze. W pierwszej fazie ,dla słabo zredukowanego substratu spełnione jest kryterium Ds./ x =const (bo jest stałe zapotrzebowanie na tlen) i wzrost wydajności ma charakter liniowy ,zależny od stałej k. W drugiej fazie warunek nie jest spełniony ,bo zwiększyło się zapotrzebowanie na tlen i silniejsze są procesy cieple (więc większa dyssypacja), więc wydajność osiągnęła wartość graniczną.
Wydajność termodynamiczna: wydajność X/S i P/S poprawiona o współczynniki efektywności jest mniejsza, równa 1.
Istnieją więc 3 ograniczenia hodowli - węglowe ,tlenowe i termodynamiczne. Dla różnych reakcji stosunek wydajności X/S i P/S wynika z różnych ograniczeń -raz silniejsze jest tlenowe ,raz termodynamiczne...
Zasada bilansu różniczkowego.
Bilans różniczkowy nie jest bilansem ilościowym (jak uprzednie całkowe) lecz odzwierciedla zmiany w czasie (szybkości). Bilans różniczkowy określa wydajność definiowaną jako szybkość przyrostu biomasy do szybkości asymilacji substratu. Szybkość asymilacji tlenu jest tu zależna od szybkość asymilacji substratu ,a pomniejszona o szybkość wzrostu biomasy i produkcji produktu i uwzględnia stopnie redukcji. Na tej podstawie określona jest szybkość dyssypacji jako różnica między szybkością asymilacji substratu ,a szybkością wzrostu biomasy i produkcji produktu, ale przy uwzględnieniu potencjałów bioutleniania ,bo obliczenie ma charakter energetyczny (dyssypacja to energia).
Przemiana podstawowa.
Określa podtrzymanie funkcji życiowych z czym związane są straty energii z punktu widzenia produkcji X/S.
Herbert: biomasa zużywana jest na przemianę endogenną ,czyli część substratu ulega pośredniemu rozproszeniu. Zmniejsza to wydajność X/S. Im więcej biomasy tym większe straty (w stosunku do zużywanego substratu).
Pirt: substrat częściowo zużywany jest na biomasę ,częściowo na przemianę podstawową. Równanie Pirta jest równaniem energii ,uwzględnia graniczne współczynniki wydajności.
Graniczne współczynniki wydajności.
Dotyczą wydajności X/S i P/S i pochodzą z bilansu różniczkowego.
Uwzględniają rozproszenie energii we wzorach w postaci współczynnika proporcjonalności z obliczeń szybkości dyssypacji. Na ich podstawie można określić różniczkową wydajność X/S ,czyli szybkość przyrostu biomasy do szybkości asymilacji substratu. Współczynniki wydajności występują w koncepcji Pirta gdzie szybkość asymilacji substratu odzwierciedla szybkość wzrostu biomasy ,produkcji produktu przemiany podstawowej i jest analogicznie zapisana do szybkości dyssypacji.
Przy wzroście beztlenowym szybkość dyssypacji zależy od szybkości asymilacji substratu pomniejszonej o szybkość powstawania biomasy (zastosowano względne stopnie redukcji S/P i X/P) Współczynnik wydajności P/S ma charakter elektronowo-energetyczny.
Mechanizmy reakcji enzymatycznych
Istnieje przejściowy etap reakcji enzymatycznej, w której powstaje kompleks substrat-enzym. Powstaje on by obniżyć energię aktywacji przekształcenia ,nie zmienia energii S ,ani P oraz nie zmienia stanu równowagi.
Uproszczenia teoretyczne służące do obliczeń kinetycznych:
K (stała równowagi) - pozwala pominąć jedno k w równaniu.
stan pseudoustalony - kompleks SE ma stałe stężenie ,czyli r1=r2 (z tą samą prędkością kompleks powstaje co się rozpada) ,pozwala to pominąć w obliczeniach stężenie SE i przyjmować całkowite stężenie enzymu.
przewaga substratu nad enzymem - pomijamy enzym w obliczeniach bo jest go bardzo mało ,o szybkości reakcji decyduje oddalenie od stanu równowagi.
stan pseudorównowagi - analog pseudoustalonego - zakłada równowagę S+E i SE ,wyznaczone szybkości reakcji są tu wyższe niż dla MM ( k+2 nie uwzględnione w liczniku stałej K1).
Mechanizm Michaelisa-Menten
Jest to koncepcja stanu pseudoustalonego z założeniem nieodwracalnego tworzenia produktu. Przy niskim stężeniu substratu zakłada liniowy wzrost szybkości reakcji ,przy dużych stężeniach zakłada wysycenie i szybkość zbliżoną do maksymalnej. Km - stężenie substratu pozwalające osiągnąć połowę szybkości maksymalnej. Im większą ma wartość tym więcej potrzebuje substratu ,a reakcja zachodzi powoli. Jeśli jest małe to reakcja zachodzi szybko i potrzeba niewiele substratu.
Aby wyznaczyć parametry z równania MM (Km ,rm ) stosuje się linearyzacje stworzone metodą najmniejszych kwadratów błędu.
Linweavera-Burke : 1/rs (1/Cs)- duże błędy przy pomiarach dla bardzo małych stężeń i szybkości
Woolfa : Cs/ rs (Cs) - pomiary dla dużych Cs mają wpływ na postać funkcji i dają mały błąd
Hofsteego : rs (rs /Cs) - równomierny wpływ wszystkich zmiennych
Kinetyka MM uwzględnia sytuacje aktywowania i inhibowania substratem.
Mechanizmy hamowania reakcji enzymatycznej
Hamowanie współzawodniczące: inhibitor wiąże się z wolnym enzymem tak samo jak substrat.
Hamowanie niewspółzawodniczące: inhibitor wiąże się do kompleksu substrat-enzym.
|
Współzawodniczące |
Niewspółzawodniczące |
Stałe |
rm |
Km/ rm |
Zmienne |
Km/ rm „wzrost” |
rm „spadek” |
Wzrost ci powoduje faktycznie |
Wzrost wyrażenia Km(1+Ci/Ki) |
Wzrost wyrażenia Cs(1+ Ci/Ki) |
konsekwencje |
Potrzeba dużo substratu |
Dodatek substratu nic nie da |
Wpływ T i pH
rm - ma optimum termiczne - wzrost temperatury powoduje wzrost szybkości reakcji ,ale po pewnej granicy niszczy enzym degradując jego konformację.
W przypadku dezaktywacji nieodwracalnej zmienną jest czas ekspozycji temperaturowej na enzym. Procesy przeprowadza się zazwyczaj w zmiennych warunkach temperaturowych.
Ze względu na pH też istnieje optymalny zakres działania związany z aktywacją protonową enzymu. Działanie stężenia jonów wodoru ma charakter inhibicji substratowej (małe stężenie uaktywnia ,duże inhibuje)
Niestrukturalne modele wzrostu
Określane jako modele czarnej skrzynki nie analizują fizjologii ,lecz przyjmują szybkość wzrostu za efekt głównie stężenia podanego substratu limitującego. Mogą być modelami niesegregowalnymi (średnia) lub segregowalnymi (pojedyncze osobniki). Większość jest oczywiście modelem uśrednionym.
Monod -na bazie MM ,można analogicznie go zlinearyzować (szybkość wzrostu uzależniona od szybkości maksymalnej ,stężenia substratu i stałej Ks)
Ulepszenia Monod:
Blackman -określa Cs graniczne poniżej którego szybkość wzrostu jest proporcjonalna do Cs, a powyżej którego jest stała
Andrews -efekt hamowania przez substrat /więcej substratów
Jeruzalimski -efekt hamowania produktem
Strukturalne modele wzrostu
Najpopularniejszym jest uśredniony model fizjologiczny Williamsa ,który zakłada wytworzenie odpowiednich metabolitów pośrednich ,które dadzą początek tak produktom ,jak i różnym strukturom funkcjonalnym ,które będą niezbędne do wytwarzania innych produktów.
Hodowle okresowe
W takiej hodowli pożywka dostarczana jest do reaktora ,ma miejsce sterylizacja ,zaszczepienie inokulum i etap namnażania. Drobnoustroje przechodzą wszystkie fazy życiowe -od adaptacji ,przez przyspieszenie ,wzrost wykładniczy ,hamowanie ,po fazę stacjonarną. Wzrost zachodzi na ograniczonej ilości pożywki (ilość biomasy zależeć będzie od stężenia substratu limitującego). Czas prowadzenia hodowli zależeć będzie od ilości inokulum i przyrostu bomasy z właściwą dla niej [mi], w praktyce stosuje się czas podwojenia biomasy. Przy stałej objętości można w obliczeniach posługiwać się stężeniami. Stosowane do otrzymywania biomasy ,metabolitów pośrednich (faza wykładnicza) ,metabolitów wtórnych (faza stacjonarna). Zaletą hodowli jest łatwe utrzymanie jałowości, wadami niska produkcyjność i brak możliwości regulacji stężenia substratu.
Hodowle półokresowe
Okresowa hodowla z ciągłym dozowaniem pożywki ,bez odbioru. Największą trudnością jest tu utrzymanie warunków jałowych. Ma miejsce stały wzrost objętości przy dozowaniu pożywki ,co przy wzroście biomasy łączy się ze stałym spadkiem stężenia substratu. Przyrost biomasy jest równy doprowadzaniu pożywki z substratem. Wzrost biomasy jest wykładniczy ,ale tutaj ogranicza go objętość pożywki.
Można utrzymywać stałe natężenie przepływu- towarzyszyć temu będzie stały spadek stężenia substratu ,zakłada się dlatego, że cały zużyty zostaje na biomasę (przemianę podstawową pomija się), szybkość przyrostu biomasy jest proporcjonalna do stężenia substratu -ale im jest szybsza ,tym więcej gromadzi się biomasy ,substratu braknie ,szybkość przyrostu maleje ,ale całkowita ilość biomasy jest imponująca. Ma tu miejsce liniowy przyrost biomasy.
Można utrzymywać stałe stężenie substratu -wtedy wraz z wykładniczym wzrostem biomasy ,wykładniczo wzrasta natężenie przepływu pożywki.
Hodowla ciągła
Zakładamy idealne wymieszanie i identyczne natężenie przepływu/odpływu pożywki. Biomasa w reaktorze będzie różnicą między tym co przyrosło ,a tym co odpłynęło. Dostarczony substrat będzie się znajdować w biomasie lub w odcieku z reaktora.
Rozcieńczenie w hodowli ciągłej nie może być większe od szybkości przyrostu biomasy ,bo groziłoby to wymyciem ( wraz z wzrostem rozcieńczania wzrasta stężenie substratu ,a maleje ilość biomasy ,aż do krytycznego momentu wypłukania biomasy).
Korzystne czasem jest prowadzenie hodowli w warunkach gdy D= -np.w celu pozyskiwania biomasy i metabolitów końcowych. Są to warunki selekcyjne, które jednak sprzyjają degradacji szczepów ,więc nie stosuje się tego do produkcji metabolitów wtórnych.
Przy małych natężeniach przepływu dostarczane jest mało substratu ,więc ma miejsce podtrzymywanie procesów życiowych ,nie produkcja. Dlatego korzystne są duże przepływy ,ale wyjątkiem jest sytuacja gdy drobnoustrój charakteryzuje się małym przyrostem biomasy (czyli dużą przemianą podstawową) i duże ilości substratu nie dają opłacalnej ilości biomasy.
Dla procesu inhibicji substratowej możliwe są 2 stany równowagi ,gdy D=, jednak tylko jeden jest stabilny i daje dużą wydajność.
Recyrkulacja biomasy to zawracanie z osadnika części odprowadzonej uprzednio z reaktora. Powoduje to wzrost zawartości biomasy w reaktorze ,ale i zagrożenie obecnością biomasy nieaktywnej. Realne jest tu prowadzenie hodowli ciągłej przy D> , bo mamy więcej biomasy niż wynika z przyrostu ( a duże natężenia przepływu są korzystne ). Bilans biomasy zakłada ,że przyrost biomasy i stopień recyrkulacji równy jest odpływowi biomasy.
Bioreaktory zbiornikowe z idealnym wymieszaniem
Stężenie substratu jest stałe w całej objętości. Wymieszanie powoduje duże czasy przebywania ( dla założonej zmiany stężenia substratu). Szybkość reakcji przyjmuje wartość dla najmniejszego stężenia substratu w zbiorniku. Optymalizacja polega na zwiększaniu objętości bioreaktora. Rozwiązanie idealne dla procesu inhibicji substratem -w całej objętości otrzymuje się jego minimalne stężenie ,które wystarczy do dobrej aktywacji ,nie inhibicji.
Bioreaktory kolumnowe z przepływem tłokowym
Stężenie substratu jest maksymalne u wejścia słupa cieczy, a następnie stale się zmniejsza. W ten sam sposób zmienia się szybkość reakcji. Stosunkowo krótki czas przebywania. Rozwiązanie dla procesów inhibicji produktem - początkowo idealne warunki pozwalają osiągnąć szybkość maksymalną reakcji ,z czasem ilość produktu się zwiększa i ma miejsce wyhamowanie. Bilans jest jednak korzystny.
Bioreaktory membranowe
Główne funkcje membran:
Separacja biomasy
Wydzielanie produktów ,substratów
Unieruchomienie materiału biologicznego
Rozdzielenie przestrzeni reakcyjnych
sztuczne narządy - rusztowanie obniżające wpływ ciśnienia hydrodynamicznego o funkcji ścinającej
Wyróżniamy tu reaktory mikrobiologiczne i enzymatyczne.
Reaktory mikrobiologiczne. Zastosowania:
separacja biomasy do zawracania przy oczyszczaniu ścieków
wydzielanie produktów przy fermentacjach (mleczanowa, etanolowa)
rozdzielenie przestrzeni reakcyjnych dając przedział do denitryfikacji ścieku
dostarczanie substratu (napowietrzanie)
Reaktory enzymatyczne. Dzielą się na separacyjne (reakcja w obrębie reaktora lub modułu membranowego) i katalityczne (enzym w porach lub w polimerze lub w żelu na jego powierzchni). Zastosowania:
reaktor dyfuzyjny -rozdzielenie faz rozpuszczalników ,transport monomerów przez membranę (hydroliza biopolimerów)
przesuwanie stanu równowagi przez usuwanie produktu (regeneracja koenzymu ,odbiór estrów KT)
rozdzielanie faz (hydroliza tłuszczów)
zabezpieczenie bakterii (nośnik enzymu ,nie drobnoustrój w ujęciu) przed rozpuszczalnikiem (ekstrakcja aldehydu izowalerianowego)
hydroliza penicyliny, synteza polisacharydów, czystych enancjomerów
W membranie katalitycznej enzym może być na powierzchni (zaadsorbowany ,kowalencyjnie/jonowo związany) lub wewnątrz membrany(w porach lub usieciowany). Membrany stabilizują enzymy ,lecz proces ich wytwarzania powoduje duże straty w enzymie i jego aktywności.
Przepływ laminarny (uwarstwiony) i burzliwy
Laminarny |
stosunek |
Burzliwy |
|
U |
< |
u |
Szybkość liniowa |
|
> |
|
Lepkość |
NRe |
< |
NRe |
Bezwładność/lepkość-burzliwość |
Przepływ laminarny to model zakładający warstewkowy ,uporządkowany ruch wody ,natomiast ruch burzliwy dopuszcza różne zawirowania i chaotyczne ruchy. Granicę między nimi wyznacza NRe o wartości 2100.
Opory przepływu
Opory przepływowe otrzymuje się z podstawienia różnic spadków ciśnień dla dwóch typów ruchu -chodzi o równanie Poiseuille'a (ruch laminarny) i Darcy-Weisbacha (ruch burzliwy).
Dla ruchu laminarnego ,który charakteryzuje wolna szybkość liniowa ,opory są duże ,ale wraz z wzrostem liczby Reynoldsa -czyli burzliwością -ma miejsce liniowy spadek oporów (64/ NRe) . O oporach decyduje tu głównie lepkość.
Dla ruchu burzliwego( o dużej szybkości liniowej) opory są małe i zbliżone do stałej wartości- jest to funkcja z NRe . Opory mają tutaj charakter objętościowy ,są związane z bezwładnością ruchu.
Ruch pęcherza
Powstawanie - zależy od pokonania krytycznego stosunku siły wyporu i siły napięcia powierzchniowego. Siła wyporu zależy od różnicy gęstości cieczy i gazu , grawitacji i objętości pęcherza (średnicy). Siła napięcia powierzchniowego zależy głównie od średnicy otworu produkującego bąbelki. Tak samo liczy się te siły dla ruchu laminarnego i burzliwego.
Im większa gęstość cieczy tym mniejsze będą bąbelki , jeśli duży będzie otwór je wydzielający ,to bąble też będą duże. W praktyce określa się optymalny stosunek średnicy pęcherza do średnicy otworu poprzez liczbę Webera i odpowiednie współczynniki empiryczne (im większy pęcherz tym większe siły wyporu, ale jednocześnie im większy otwór go produkujący tym większe będą siły napięcia powierzchniowego).
Substancje wpływające na napięcie powierzchniowe: detergenty-spadek napięcia ,surfaktanty -wzrost napięcia.
Zakresy Stokes'a i Newtona opisują siły oporu ośrodka dla poszczególnych typów ruchu i dzięki temu można z nich otrzymać współczynnik oporu ruchu.
W ruchu laminarnym mówi się o zakresie Stokes'a. Opory w tym ruchu są duże i liniowo zmniejszają się z wzrostem liczby NRe.
Dla przepływu burzliwego - zakres Newtona - opory są małe i mają stałą wartość liczbową.
Opadanie swobodne ciała stałego/pęcherza
Różnica gęstości cieczy i ciała będzie mówić o kierunku ruchu bezwładnego tego ciała-czy będzie się unosić czy opadać oraz jest siłą napędową spadania (ciężar). Poniżej rozważania dla tej samej gęstości.
Przy małych pęcherzach charakterystyczny będzie ruch powolny (laminarny zakres Stokes'a) zależny w kwadracie od średnicy pęcherza i odwrotnie od lepkości cieczy.
Dla ruchu burzliwego (zakres Newtona) szybkości są duże ,ale w miarę stałe i odpowiadają największym pęcherzom (szybkość w ruchu burzliwym zależy od pierwiastka z średnicy).
Ruch masy przez dyfuzję
Ruch dyfuzyjny wywołany jest różnicą stężeń w określonej przestrzeni i odpowiedniego dla danych warunków współczynnika dyfuzji D.
Gazy: D wzrasta z wzrostem T i spadkiem ciśnienia.
Ciecze: D wzrasta z wzrostem T i spadkiem lepkości (mniejsza warstwa dyfuzyjna)-brak wpływu ciśnienia.
Ruch dyfuzyjny jest modelem dla nieruchomego ośrodka z ustaloną różnicą stężeń.
Konwekcyjny ruch masy
Zazwyczaj w rzeczywistości ciecz jest ruchliwa ,więc trudno tu o dyfuzyjny ruch masy. Rozważa się wtedy model konwekcyjny mówiący o transporcie w wyniku odbierania substancji przez ruch mas cieczy.
Ruch będzie zależał od różnicy stężeń w rdzeniu wody i przy powierzchni np. pęcherza i dość trudno wyznaczalnego współczynnika wnikania masy.
Wnikanie i przenikanie masy
Model warstewkowy wnikania masy. Zakłada kombinację modeli dyfuzyjnego i konwekcyjnego (nieruchoma warstwa dyfuzyjna wokół pęcherza omywanego przez prądy wodne). Trudności związane z wyznaczaniem współczynnika wnikania masy omijane są dzięki uzależnieniu go od stałej dyfuzji D i grubości warstwy dyfuzyjnej.
Wraz z wzrostem lepkości zwiększa się grubość warstwy dyfuzyjnej i utrudniona zostaję dyfuzja. Spadek lepkości cieczy daje efekt odwrotny.
Są 2 punkty widzenia-wnikanie masy do pęcherza i wnikanie masy do cieczy. Odpowiednie współczynniki ( Sherwooda ,Reynoldsa ,Schmidta )opisują je dla poszczególnych wariantów.
Wnikanie masy po stronie pęcherza - liczba Sherwooda jest stała. Jeśli jest duża oznacza to duży współczynnik wnikania masy po stronie gazu. Wraz z malejącym rozmiarem pęcherzy wzrastają współczynniki wnikania masy i dyfuzja. Jeśli chcemy manipulować współczynnikami po stronie pęcherza zmieniamy średnicę pęcherzy.
Wnikanie masy po stronie cieczy - liczba Sherwooda zależy od sześciennego pierwiastka z iloczynu liczb Reynoldsa i Schmidta. oznacza to, że potrzeba ogromnie zwiększyć liczbę Reynoldsa (burzliwość) aby zwiększyć niewiele współczynniki wnikania masy po stronie cieczy. Jeśli chcemy manipulować współczynnikami po stronie cieczy możemy zmieniać burzliwość (głównie prędkość).
Przenikanie masy. Przenikanie uwzględnia wnikanie w obydwu kierunkach. Współczynniki przenikania mas uwzględniają współczynniki wnikania po stronie cieczy i pęcherza skorygowane na jednolite jednostki dzięki stałej Henriego i można dzięki nim sumować opory.
Przenikanie masy zakłada istnienie pewnej powierzchni międzyfazowej w której ma miejsce różnica ciśnień wywołująca transport i właśnie w tej przestrzeni działają opory - mogą działać tak po stronie cieczy jak i gazu.
Strumień masy będzie zależeć od różnicy stężeń/ciśnień będącej siłą napędową wnikania ( jest to różnica między ilością w rdzeniu i we wnętrzu powierzchni międzyfazowej) i współczynników wnikania. Stężenia i ciśnienia ,tak samo jak współczynniki wnikania, przelicza się na jednolite jednostki dzięki stałej Henriego.
Słaba rozpuszczalność. H małe. Opory są po stronie cieczy ,bo tutaj ma miejsce największa różnica stężeń.
Dobra rozpuszczalność. H duże. Opory są po stronie gazu ,bo tu ma miejsce największa różnica ciśnień.
Wpływ T/p na zwiększanie transportu.
Wpływ T/p polega głównie na przesunięciu równowagi fazowej.
Wzrost ciśnienia jest zawsze korzystny bo powoduje wzrost różnicy ciśnień (po stronie gazu) ,czyli siły napędowej. Jest to bardzo istotne gdy mamy opory po stronie gazu ,czyli dobrą rozpuszczalność ,mniej istotne w układzie z silniejszymi oporami po stronie cieczy ,ale zawsze korzystne.
Wzrost ciśnienia oprócz tego powoduje w gazie spadek D i spadek współczynnika wnikania masy po stronie gazu ,ale wzrost siły napędowej jest i tak ważniejszy.
Wzrost ciśnienia nie ma wpływu na dyfuzyjność w cieczy.
Wzrost temperatury inaczej wpływa na ciecz i gaz. Generalnie powoduje spadek siły napędowej (różnicy stężeń/ciśnień) ,ale dla gazu zwiększa lepkość (oznacza to zwiększenie warstwy dyfuzyjnej), dla cieczy zmniejsza lepkość (czyli zmniejsza warstwę dyfuzyjną ,a więc zwiększa współczynniki wnikania).
Bilans wpływu T dla dobrej rozpuszczalności (opory gazowe trzeba pokonać) oznacza radykalne zmniejszenie siły napędowej po stronie gazu przy wzroście T, co jest niekorzystne ,więc stosuje się tu niskie temperatury ( i koniecznie wysokie ciśnienie).
Dla słabej rozpuszczalności (gdy pokonuje się opory w cieczy) zwiększenie T jednocześnie zmniejsza siłę napędową i zwiększa dyfuzję ,więc korzystne będą T optymalne uwzględniające obydwa te czynniki. Wysokie ciśnienie jest korzystne.
Szybkość absorpcji tlenu
Zależy od siły napędowej, powierzchni i Kc (współczynnik przenikania mas po stronie cieczy). Można manipulować tą szybkością.
Zwiększać siłę napędową poprzez zwiększanie ciśnienia lub stężenia tlenu w powietrzu.
Zwiększać powierzchnię fazową zmniejszając pęcherze lub zatrzymując je w obiegu.
Zmniejszać opory wnikania masy po stronie cieczy zwiększając burzliwość.
Mechanizmy transportu ciepła
Fourier : wpływ ma gradient temperatur w przestrzeni i współczynniki przewodzenia ciepła
Model zakłada opory w warstwie dyfuzyjnej ,która ma przekazać ciepło
konwekcja : gradient temperaturowy i współczynnik wnikania ciepła
jest to konwekcja swobodna bo wynika z różnicy gęstości ,które powstają w wyniku różnicy temperatur ( w przeciwieństwie do k. wymuszonej w wyniku różnicy ciśnień, czyli przepływu)
model zakłada konwekcyjne porywanie z masą wody ilości ciepła
Analogiczne do współczynników wnikania mas ,tutaj występują też 3 liczby kryterialne (Nusselta ,Reynoldsa ,Prandtla). Ustalają one stosunki hydro/termodynamiczne mające wpływ na transport ciepła w różnych układach.
Przenikanie ciepła
Zakłada się 3 etapy przekazywania ciepła. W jednym ośrodku - wpływ ma gradient i wsp.wnikania ciepła substancji 1. Przez warstwę dyfuzyjną -wpływ ma gradient i wsp.przewodnictwa. W drugim ośrodku - wpływ ma gradient i wsp.wnikania ciepła substancji 2. wszystkie 3 etapy są sobie liczbowo równe. Opór przenikania ciepła sumuje się z odwrotności współczynników wnikania ciepła i współczynnika przewodnictwa (z uwzględnieniem grubości warstwy dyfuzyjnej). Transport ciepła można przedstawić wtedy jako różnicę gradientów rdzeniowych i opór zsumowany.
Intensyfikacja wymiany ciepła to:
zwiększanie różnicy temperatur (siły napędowej)
zwiększanie burzliwości
zwiększanie powierzchni po stronie oporów wnikania
Metody sterylizacji
termiczne :autoklaw (para o wysokim ciśnieniu) ,żywa para przewodami ,suche powietrze
filtracja
UV,X - UV jest nieprzenikliwe w przeciwieństwie do X
chemiczne : ozon ,etanol ,woda utleniona ,fenole
Efektami ubocznymi sterylizacji np. termicznej może być spadek jakości pożywki (hydroliza ,karmelizacja, denaturacja). Trudno jest się pozbyć niektórych chemikaliów np. fenoli.
Kinetyka sterylizacji termicznej
Liczba komórek zabijanych w czasie sterylizacji zależy od wyjściowej liczby komórek i stałej śmierci termicznej (wrażliwość na T). Stała śmierci termicznej ma charakter wykładniczy. Czas prowadzenia sterylizacji zależy od ilości komórek i ich stałej śmierci termicznej. Mówi się o czasie 10-krotnej redukcji. Stosuje się często metody statystyczne -prawdopodobieństwo niepowodzenia sterylizacji.
Sterylizacja okresowa i ciągła
Okresowa. Musi być powtarzana ze względu na obecność przetrwalników. Czas jej prowadzenia zależy od stałej śmierci termicznej ,ilości komórek i prawdopodobieństwa niepowodzenia sterylizacji. W przypadku reaktorów polega to na podgrzaniu całego sprzętu.
Ciągła. Ma miejsce stały przepływ pożywki - czas ekspozycji jest tu więc krótszy ,mniej energii jest zużywane ,mniejsza degradacja pożywki i lepsza kontrola nad procesem.
Optymalizacja składu pożywki
Optymalizacja dokonywana jest doświadczalnie -ważne jest więc dokonanie odpowiedniej wiarygodnej ilości pomiarów (należy uwzględnić błędy i ewentualną niezależność zmiennych).
Opisy:
graficzny - 2D wykres zmiennych
interpolacje - poszukiwanie funkcji zgodnej z wynikami doświadczeń o odpowiednim stopniu rzędowości (czasem funkcja jest znana -poszukuje się tylko współczynników empirycznych)
metody statystyczne - współczynnik korelacji może wykluczyć założoną zależność( dać wynik 0/1 lub określić charakter korelacji: malejący ,rosnący)
Charakterystyka materiałów ziarnistych
stopień rozdrobnienia
średnica zastępcza - średnica kuli o objętości ziarna
średnica frakcji sitowej - uśredniona średnica ziaren które przeszły przez sito o porach jednej wielkości ,a na porach mniejszej wielkości następnego sita się zatrzymały
czynnik kształtu - powierzchnia ziarna do powierzchni kuli o tej samej objętości
Metody rozdrabniania materiałów stałych
Zgniatanie ,ścieranie ,rozłupywanie ,ścinanie. Odbywa się to w przyrządach jak młyn kulkowy /udarowy. Otrzymywanie sypkiego jest wariantem rozdrabniania. Zachodzi przez mielenie ,suszenie rozpyłowe ,strącanie ,precypitację ,krystalizację.
Metody mieszania materiałów ziarnistych
Przy mieszaniu trzeba uważać by przypadkiem nie dokonać segregacji. Są 3 mechanizmy mieszania :
dyfuzyjne - wzajemne przemieszczanie cząstek
konwekcyjne - ruch skupisk
ścinanie - poprzez płaszczyzny ślizgające się po sobie
Rozwiązania techniczne to mieszalniki z komorą nieruchomą i ruchomą. Nieruchoma komora może mieć mieszadło ,gniotowniki lub ślimakowate mieszadło i wtedy proces zachodzi ciągle. Komory ruchome mogą mieć różny kształt ,różne nachylenie - ich ruch będzie powodować przesypywanie się materiału wewnątrz nich.
Metody filtracji ,zasada ,podział ,zastosowania
Jest filtracja membranowa (przez pory membrany- nie stosowana do zawiesin) lub objętościowa (dokonuje się w V włókniny, a dokładniej osadu).
Możliwa jest jeszcze filtracja w wirówce filtracyjnej gdzie różnica ciśnień wynika z obecności stałej siły odśrodkowej na stałą powierzchnię. Stałą siłę odśrodkową osiąga się przez stałą ilość obrotów i stały promień ,a stałą powierzchnię dzięki stałemu przepływowi ,w związku z czym poziom cieczy w wirówce jest stały ,więc stała powierzchnia cieczy od strony rdzenia jest zachowana. Jeśli chce się filtrować przy dużej różnicy ciśnień można zwiększać liczbę obrotów ,ale trzeba wtedy zmniejszać promień wirówki.
Wyróżniamy filtrację przyczołową -zachodzi zgodnie z grawitacją ,w objętości osadu na włókninie ,jej szybkość maleje z czasem.
Filtracja dynamiczna zachodzi pod wpływem nadanego przepływu. Osadu jest niewiele ,więc mamy stałą szybkość filtracji. Produktami jest filtrat i gęstwa.
Generalną zasadą filtracji jest przepływ spowodowany różnicą ciśnień i hamowany przez opory. Opory mogą pochodzić od tkaniny lub/i osadu. Szybkość przepływu zależy od współczynnika przepuszczalności tkaniny ,różnicy ciśnień ,lepkości i grubości warstwy osadu. Objętość filtratu będzie proporcjonalna do czasu i przepływu ,a zależeć będzie od różnicy ciśnień i oporów.
Nieszczelność charakterystyczna dla rozmiarów bakteryjnych wynika z 2 mechanizmów filtracji - małe cząstki osadzają się dzięki ruchom Browna = osadzenie ma charakter dyfuzyjny ,natomiast duże cząstki osadzają się dzięki siłom bezwładności (nie przelatują wraz z wodą miedzy włóknami ). Rozmiar bakteryjny jest pośredni i efektywność filtracji jest dla niego niska.
Filtracja przy stałej grubości warstwy
W tej koncepcji z czasem ma miejsce powstawanie coraz bardziej gęstego osadu (koncepcja osadu ściśliwego o tej samej ,stałej grubości) ,opory wzrastają i filtracja zachodzi wolniej. Dlatego aby zachować stałe wytwarzanie filtratu należałoby wraz z wzrostem oporów ,zwiększać różnicę ciśnień ,bo zwiększającym się oporom towarzyszy zmniejszanie się ich różnicy. Należy uważać by nie zastosować zbyt wysokiego ciśnienia ,bo będzie mogło mieć miejsce przepchanie nieczystości przez filtr.
Filtracja przy stałej różnicy ciśnień
Model ten zakłada nieścisliwy osad (nie zwiększający gęstości ,ale zwiększający z czasem grubość). Wraz z upływem czasu będą tu wzrastać opory w wyniku nagromadzania osadu ,dlatego ilość filtratu z czasem maleje przy zachowaniu stałej różnicy ciśnień. Przepływ w tym modelu opisany jest 2 stałymi - K(wprost proporcjonalna do różnicy ciśnień ,powierzchni filtru w kwadracie i odwrotnie do lepkości),C (stała odpowiada oporom tkaniny, powierzchni filtru) oraz 2 zmiennymi: V (objętość przesączy ,który musiał pozostawić osad po sobie na filtrze)oraz czasem t. Równanie Rutha opisuje zależność objętości przesączu od czasu, uwzględniając te stałe (filtrat jest proporcjonalny do pierwiastka z czasu). Wykres na jego podstawie daję wypłaszczającą się linię w czasie. Stałe filtracji dają możliwość przeliczania warunków na różne rozwiązania techniczne.
Filtracja z stałą prędkością
W tej koncepcji przepływ jest stały ,czyli objętość filtratu w czasie jest stała. Stosowany gdy brak jeszcze osadu na filtrze i niebezpieczne są duże różnice stężeń ,które mogłyby przepchnąć zanieczyszczenia. W wyniku tej filtracji odbiera się niewielkie wstępne ilości filtratu (przy małej ,ale wzrastającej liniowo z czasem różnicy ciśnień) i gromadzi się osad na filtrze.
Filtracja 2-stopniowa
Filtracja składająca się z 2 etapów - z stałą prędkością przepływu i stałym ciśnieniem przepływu. W pierwszej fazie ma miejsce gromadzenie osadu -objętość filtratu wzrasta liniowo ,stosuje się niewielkie różnice ciśnień bo działa tylko opór tkaniny. Druga faza to właściwa ,łatwa do kontroli, przy stałej różnicy ciśnień ,filtrat wzrasta w czasie z mniejszą szybkością.
Wydajność cyklu filtracyjnego
Określana jest przez czas potrzebny to obsługi i filtracji oraz ilość otrzymanego filtratu. tg kąta daje styczną do krzywej filtracji i pozwala wyznaczyć opłacalną długość filtracji przy uwzględnieniu czasu kiedy maszyna nie pracuje (obsługa) przy danej objętości filtratu. Czas obsługi wydłuża filtrację właściwą by uczynić ją opłacalną. Im dłuższy czas obsługi tym bardziej opłaca się dłużej przeprowadzać filtrację (czas obsługi to ogromna strata).
Zasada separacji hydraulicznej
Rozdział na bazie wielkości i gęstości. Na cząstki działają siły: grawitacyjna i pozioma przepływu cieczy. Cząstki o tym samym ciężarze mają ten sam wektor ruchu i są odbierane przez komory zbiorcze w odpowiednich miejscach wzdłuż kierunku przepływu cieczy. Ten sam ciężar oznacza ten sam stosunek wielkości i gęstości ,czyli przy wybranej prędkości cząstek ,to co będzie w zbiorniku będzie miało: dużą gęstość i mały wymiar oraz małą gęstość i duży wymiar - w każdym razie ciężar będzie identyczny, a rozmiar inny co umożliwi wstępną segregację.
Przy zwykłej sedymentacji z zawiesiny wykształca się warstwa zawiesiny gęstej ,która stopniowo zacznie być warstwą osadu (towarzyszy temu zagęszczanie grawitacyjne). Dla sedymentacji też wyróżnia się zakresy: Stokesa i Newtona w zależności od średnicy cząsteczki oraz wpływ gęstości na szybkość opadania (opadanie swobodne). Można w ten sposób rozdzielić więc substancje o różnym ciężarze (ta sama wielkość różna gęstość ,ta sama gęstość różna wielkość).
Wirowanie sedymentacyjne oparte jest na zasadzie zbliżonej do wirowania filtracyjnego ,tu jednak nie doprowadza się cieczy. Biomasa pod wpływem siły odśrodkowej osadza się na ściankach wirówki i zagęszcza pod wpływem swojej masy w czasie. Jest to ulepszona sedymentacja - bo nie grawitacyjna.
Metody precypitacji
strącenie w wyniku reakcji chemicznej (zredukowanie ,przeprowadzenie w związek nierozpuszczalny)
wytrącenie w wyniku dodania rozpuszczalnika (etanol ,izopropanol)
precypitacja białek -zmienia rozpuszczalność białek i powoduje wytrącenie
wysalanie siarczanem amonu
zmiana pH
dodatek niejonowych polimerów PEG
dodatek polielektrolitów
dodatek wielowartościowych jonów metali
Frakcjonowanie przez precypitację
Białka różnią się rozpuszczalnościami w różnych roztworach. Zasada jest taka, że im większa siła jonowa roztworu (zależąca od wartościowości i stężenia jonu w roztworze) tym mniejsza jest rozpuszczalność białka .Jednak dla każdego białka siła roztworu jest względna.
Dodając do koloidu białkowego roztwory o coraz wyższej sile jonowej ,będzie się wytrącać białka o coraz większej rozpuszczalności. Niezbędne jest usunięcie precypitantu jonowego z otrzymanych roztworów rozdzielonych białek w następnym etapie.
Mechanizm rozdzielania membranowego
Membrany służą do rozdzielania substancji ze względu na rozmiar (membrany mikroporowate) lub zdolność dyfuzji (membrany jednorodne).
Transport przez membrany substancji rozpuszczonej zachodzi zgodnie z malejącym stężeniem ,zależy od oddziaływań składnika z membraną i transportu o charakterze przenikania masy. Przy małym wpływie przenikania masy na transport przepływ związany jest z zdolnością membrany do przepuszczania-zatrzymywania składnika. W sytuacji gdy membrana zatrzymuje wydajnie cząstki ,większe znaczenie będzie miał ruch w wyniku przenikania masy.
W przeciwną stronę do ruchu substancji rozpuszczonej odbywa się ruch rozpuszczalnika (zgodnie ze spadkiem ciśnienia rozpuszczalnika), ale ruch rozpuszczalnika odbywa się też w przeciwną stronę pod wpływem ciśnienia osmotycznego - dlatego faktyczny ruch rozpuszczalnika zależy od różnicy jego ciśnień i pomniejszony jest o ruch wynikający z ciśnienia osmotycznego.
W praktyce cechą membrany jest wartość cut-off mówiąca o średnicy cząstek zatrzymywanych w 50%. Technicznie transport aktywny jest nieosiągalny.
Zjawisko polaryzacji stężeniowej
Ma miejsce gromadzenie substratu przy błonie zgodnie z określonym gradientem. W przypadku białek może to powodować powstawanie żeli białkowych (spadek rozpuszczalności w wyniku przekroczenia stężenia). Jest też niekorzystne bo może zatykać pory , co zwiększy opory transportu. W określonej warstwie granicznej wzrost stężenia substancji wzrasta wykładniczo. Zakładając zmianę stężenia w danej warstwie przyjmuje się ,że powoduje ona transport dyfuzyjny substratu w kierunku rdzenia cieczy. Ilość doprowadzonej substancji z rozpuszczalnikiem jest równa ilości substancji, która oddyfundowuje, więc można założyć ,że powstaje ustalony rozkład stężeń. Równanie Ficka określa tu ruch dyfuzyjny. Aby wpływać na polaryzację stężeniową można zmieniać natężenie przepływu (grubość warstwy granicznej).
Przy filtracji roztworów rozcieńczonych gradient właściwie nie występuje. Duży gradient wytwarza się gdy strumień masy jest duży i gdy warstwa graniczna jest gruba. Ma miejsce spowalnianie przepływu lub wręcz jego brak oraz duże ciśnienie osmotyczne przy membranie (czyli powrót rozpuszczalnika przez membranę).
Korzystna jest cienka warstwa graniczna ,aby dyfuzyjny ruch zachodził na krótkiej drodze. Zwiększa się w tym celu burzliwość np. natężenie przepływu lub miesza.
Metody membranowe
Dzieli się je na stężeniowe - gdy wyłącznie gradient wpływa na rozdział ,jak w dializie ,ale już nie w dializie wspomaganej prądem (elektrodializie)- i ciśnieniowe - gdy trzeba przyłożyć ciśnienie by dokonać rozdziału ,np. nano/ultra/mikro-filtracje i osmoza odwrócona.
Dializa
Przez membranę kontaktuje się roztwór z substancją do usunięcia i dostarczany w miarę stałe czysty rozpuszczalnik. Transport zachodzi w wyniku różnicy stężeń po oby stronach błony. Siłą napędową jest różnica stężeń ,więc należy często zmieniać rozpuszczalnik na czysty ,zwłaszcza w końcowych stadiach oczyszczania gdy w roztworze dializowanym znajduje się niewiele substancji.
Elektrodializa
Idealna szybka i tania metoda oczyszczania, niezależna od stężenia. Oczyszczanie zachodzi dzięki polu elektrycznemu i może być pogarszane tylko w wyniku dyfuzyjnego ruchu cząstek, który jest niezwykle mały. Działanie różnicy stężeń zostało tu właściwie zastąpione przez pole elektryczne i umożliwia prawie 100% oczyszczenie. Znajdują się tu 2 membrany:
Kationowa - wysycona anionami (np.siarczanami) odgradza przestrzeń w której znajduje się katoda (-) ,umożliwia wnikanie kationów ,a blokuje wyjście ewentualnym anionom ,które dyfuzyjnie pokonały barierę
Anionowa - wysycona kationami (np. fenolami) odgradza przestrzeń w której znajduje się anoda (+), umożliwia wnikanie anionom i analogicznie blokuje wyjście przypadkowym kationom
Ultrafiltracja
Metoda wykorzystująca różnicę ciśnień ,ma charakter filtracji. Pozwala usunąć sole i drobne związki organiczne z roztworu przez odpowiednio dobrane pory. Dla roztworów rozcieńczonych przyjmuje się brak polaryzacji.
Osmoza odwrócona
Służy do odsalania roztworów np. wody morskiej. Zachodzi dzięki przyłożonemu ciśnieniu i polega na przepompowaniu wody i zatrzymaniu przez membranę soli. Strumień masy zależy od różnicy ciśnień pomniejszonej o ciśnienie osmotyczne, które jest tu duże i powoduje powrotny transport masy. W celu intensyfikacji ruchu masy należy zwiększać burzliwość zatężanego roztworu - mieszać ,zwiększać przeływ. Osmoza odwrócona - bo naturalna osmoza polega na wnikaniu wody za solami. Stosować tu można membranę jednolitą ,bo chodzi tylko o transport wody ,ale zaklasyfikowane jest do ultrafiltracji (przyłożone ciśnienie ,ruch wody).
Diafiltracja
Filtracja zachodząca przez pory polegająca na usuwaniu wraz z wodą niechcianych soli. Stosowane przy oczyszczaniu białek. Ma miejsce recyrkulacja białka i stały odpływ wody wraz z solami - towarzyszy temu dostarczanie wody do białek aby zachować objętość i zapobiec foulingowi (sorpcji do membrany ,depozycji warstwowej i wytrącaniu).
Z czasem białko jest coraz czystsze ,ale istnieje graniczne stężenie soli do którego ma miejsce doczyszczenie. Metoda również zaliczana do ultrafiltracji (przyłożone ciśnienie ,ruch wody).
Diafiltracja jest filtracją o bilansie dializy - do układu dostarczana jest woda ,a odbierany jest roztwór soli.
Zasada rozdzielania chromatograficznego
Składniki z rozdzielanej mieszaniny oddziałują ze złożem ,w wyniku czego różne są ich czasy retencji. Złoże może wybiórczo wiązać jeden składnik ,który w celu wymycia może potrzebować specjalnego roztworu. Dla poszczególnych składników czasy retencji są charakterystyczne ,natomiast otrzymywana wysokość piku zależy już od stężenia.
Typy metod chromatograficznych
Filtracja żelowa - rozdział ze względu na wielkość (np. białek od soli) -mniejsze cząsteczki hamowane są przez porowatość złoża ,duże wychodzą szybciej
Chromatografia jonowymienna - kolumna zawiera jonit ,oddziaływania elektrostatyczne powodują wybiórcze wiązanie ,wymywanie wymaga roztworów o różnej sile jonowej
Chromatografia sorpcyjna - kolumna zwiera sorbent wiążący związki
Chromatografia kowalencyjna - złoże posiada grupy funkcyjne tworzące wiązania z związkami
Chromatografia hydrofobowa - wykorzystuje się właściwości hydrofobowe białek
Chromatografia powinowactwa - np. wiązanie związku przez przeciwciała w kolumnie
Czynniki określające efektywność metod chromatograficznych
Równowaga sorpcyjna - stosunek składnika w roztworze do składnika osadzonego (może być zależność prostoliniowa dla roztworu rozcieńczonego ,zakrzywiona z nasyceniem złoża gdy warstwa substancji szczelnie pokryje złoże i nie wykazująca nasycenia w zakresie naszego badania).
Sprawność sorpcji - określa w jakim stopniu sorpcja odbiega od idealnej (gdy można określić dokładnie czas t gdy substancja zostaje zatrzymana). W rzeczywistości przepływ cieczy przez złoże nie daje idealnych warunków do pełnego zatrzymania substancji:
Są cząsteczki wolniejsze i szybsze niż zadany przepływ
Osadzanie ma charakter dyfuzyjny i zależy od równowagi między fazą stałą i ciekłą ,która wymaga czasu by się ustalić, a wymieszanie zachodzi w kierunku przepływu
Złoże jest niejednorodne- złoże powinno mieć równą wielkość ziaren i rozłożenie
Nie można stosować zbyt dużego przepływu bo wzrasta rozproszenie ,czyli czas idealnego przepływu, wymagany do pełnej sorpcji, ulega rozmyciu.
( przepływ ma większą prędkość niż zachodzi wymiana masy i dyfuzyjny mechanizm zatrzymywania cząstek na złożu nie nadąża ,zwiększenie przepływu powoduje też mieszanie na osi co również sprzyja rozproszeniu)
Wykres fazowy para wodna-powietrze
Wykres uwzględnia 3 parametry - na osiach - wilgotność bezwzględną i temperaturę i funkcję będącą względną wilgotnością.
Wilgotność bezwzględna - stosunek masowy wody w powietrzu do suchego powietrza
Wilgotność względna - stosunek ciśnienia cząstkowego pary wodnej w powietrzu do jej ciśnienia w powietrzu nasyconym parą wodną.
W niższych temperaturach nasycenie parą wodną wymaga mniejszych ilości wody ,w wyższych temperaturach większych, czyli z wzrostem T ,aby powietrze było nasycone parą wodną (względna wilgotność) wymaga większych ilości wody (bezwzględna wilgotność).
Przy powierzchni międzyfazowej powietrze posiada 100% względną wilgotność (nasycenie parą wodną).
Kształt wykresu jest wynikiem wzrastającego ciepła właściwego powietrza (bo zawiera coraz więcej wody).
Pomiar psychrometryczny wilgotności
Oparty jest na zasadzie nawilżania adiabatycznego tzn. że przy braku wymiany ciepła spoza układem wraz z spadkiem temperatury wzrasta względne i bezwzględne nawilżenie. Ciepło które wydziela się przy spadku temperatury posłużyło do odparowania wody. Proces ten nie zależy od przepływu - burzliwości ,lecz od warunków fizycznych - lepkość ,gęstość ,ciśnienie.
Pomiar psychrometryczny opiera się na zmierzeniu T suchego powietrza i temperatury powietrza z przestrzeni międzyfazowej. Różnica w wynikach pomiarów daje ciepło ,które powietrze z przestrzeni międzyfazowej oddało wodzie ,co wpłynęło na wzrost wilgotności do 100%.
Ma miejsce wymiana masy i ciepła: woda oddaje masę ,powietrze oddaje ciepło. Obydwie temperatury pozwalają określić względną wilgotność powietrza.
Suszenie adiabatyczne
Przy braku wymiany ciepła spoza układem nagrzane powietrze o stałej zawartości wody osiąga niski współczynnik nasycenia parą wodną. W kontakcie z mokrym przedmiotem odda mu ciepło ,które spowoduje odparowanie z niego wody ,dzięki temu współczynnik nasycenia parą wodną i faktyczna zawartość wody wzrośnie. Kłopotliwe jest duże ciepło właściwe wody - wymagane jest dużo energii do podgrzewania powietrza by przeprowadzić wodę w parę wodną. Ilość oddanej z ciała wilgoci zależeć będzie od natężenia przepływu suchego powietrza ,różnicy wilgotności (przed i po suszeniu). Nawilżenie powietrza nigdy nie osiąga 100%.
Można wykraplać parę wodną z nawilżonego powietrza i pozyskiwać w ten sposób ciepło do zagrzewania powietrza (cykliczne suszenie).
To czy będzie zachodzić suszenie czy nawilżanie zależy od stosunku wilgotności ciała i powietrza. Istnieje funkcja stanu równowagi rozdzielająca nawilżanie i suszenie.
Szybkość suszenia
1.okres suszenia - odparowanie wody z powierzchni - zależy od powierzchni , różnicy wilgotności powietrza: początkowej i równowagowej; i współczynnika wnikania masy po stronie gazu (jak łatwo będzie wnikać woda w powietrze).
Najczęściej zwiększa się też przepływ powietrza by przyspieszyć suszenie powierzchniowe.
Dla tego etapu suszenia utrata wilgotności jest stała w czasie.
2. okres suszenia - odparowanie wody z wnętrza - zależy od współczynnika szybkości dyfuzji wody w ciele (tu działają opory) i różnicy wilgotności ciała: początkowej i równowagowej. Dla tego etapu szybkość utraty wilgotności maleje w czasie wraz z spadkiem wilgotności materiału (mniejsza siła napędowa).
Wzrost temperatury jest tu korzystny ,bo zwiększa dyfuzję i zmniejsza wilgotność względną ,co powoduje zmniejszenie równowagowej wilgotności ciała przy powierzchni.
Można stosować cienkie warstwy materiału do suszenia.
Zwiększanie przepływu powietrza nie ma tutaj żadnego wpływu.
Suszenie współprądowe i przeciwprądowe
Przeciwprądowe.
Przez cały proces powietrze się schładza (oddając ciepło) i nawilża (odbierając wilgoć z materiału). Najsuchszy materiał styka się z najgorętszym powietrzem. Okres 2 suszenia wytwarza więc zabójcze temperatury dla niektórych substancji.
Współprądowe.
Najgorętsze powietrze działa na najwilgotniejszy materiał. Ciepło oddawane przez powietrze wpływa na odparowywanie wody (okres 1), a nie podgrzewanie materiału. W okresie 2 suszenia powietrze nie ma już dużo ciepła ,ale w tym okresie nie jest już ono potrzebne. Ma miejsce dosuszanie w łagodnych warunkach. Dobre dla substancji termolabilnych.
Techniczne realizacje suszenia materiałów biologicznych
Komorowe - faza stała nieruchoma ,okresowe suszenie
Bębnowe - ciągłe suszenie z doprowadzaniem i odprowadzaniem materiału
Rozpyłowa - układ przeciwprądowy , w którym roztwór rozpraszany jest przez powietrze na krople ,u dołu kolumny dosuszanie wpływa na jakość
Zasada rozdzielania przez destylację
Rozdziela się 2 (lub więcej) składników ze względu na różną lotność - temperatury wrzenia. Dla różnych temperatur inny będzie skład par - przewaga któregoś ze składników.
Lotność to dla danych warunków stosunek składnika w postaci pary do składnika w postaci cieczy. Im większa lotność tym więcej składnika jest w parze.
Destylacja równowagowa
Proces destylacji obejmuje dostarczenie substancji (S-surówka) ,wytworzenie układu ciecz-para nasycona ,odprowadzenie nasyconej pary i skroplenie w destylat (D). Pozostanie jeszcze ciecz wyczerpana jako pozostałość po destylacji.
Zawartość substancji w surówce jest równa zawartości w destylacie i cieczy wyczerpanej po procesie. Im wyższe T destylacji tym więcej destylatu się otrzymuje ,ale z dużą ilością wody. Jeśli T są niższe otrzymuje się czysty destylat ,ale bardzo mało. Dzieje się tak dlatego, że w wyższych T oba składniki chętniej przechodzą w parę, ale w niższych tylko etanol.
Destylacja różniczkowa
Proces destylacji obejmuje dostarczenie substancji (S-surówka) ,wytworzenie układu ciecz-para nasycona ,odprowadzenie nasyconej pary i skroplenie w destylat (D) i dalszą destylacje tego co jeszcze pozostało w postaci cieczy (W- ciecz wyczerpana).
Pierwsza destylacja ,tak jak powyżej ,dotyczy niewielkiego ułamka całego etanolu w surówce ,ale powstaje czysty destylat. Ciecz wyczerpana zawiera nadal sporo etanolu (to co w surówce minus destylat). Przy dalszym wzroście T ma miejsce jej destylacja ,która da sporą ilość destylatu z małą zawartością proporcjonalną etanolu (mały ułamek molowy). Operuje się tu chwilowymi stężeniami par w danych T.
Zasada działania kolumny rektyfikacyjnej
Kolumna posiada półki sitowe umożliwiające wymianę ciepła i masy. Część destylatu jest zawracana z powrotem do kolumny. Bilans musi więc być zgodny dla par - składnik w parze jest sumą składników w destylacie i zawróconej cieczy.
Pary poruszające się do góry na każdej półce stykają się ze spływającą cieczą ,wytwarza się stan równowagi ,który zdecyduje o składzie odprowadzonej w dół cieczy i w górę gazu na kolejne półki. Pary mają za zadanie na półce oddać ciepło w celu odparowania bardziej lotnego składnika (etanolu). Dlatego z każdej półki w górę będzie iść para coraz bogatsza w etanol ,zaś w dół ciecz coraz uboższa w etanol. Nad najwyższą półką ma miejsce sytuacja ,że skład pary i cieczy (zawracanego destylatu) jest identyczny. Zawracana ciecz będzie doczyszczana na każdej półce z etanolu, im niżej ,tym będzie czystszą wodą.
Na każdej półce wytwarza się stan równowagi i w przeciwne strony wychodzą strumienie pary i cieczy o różnych ułamkach molowych etanolu -odpowiednio zwiększonym ułamkiem molowym etanolu w parze (zwiększony o część etanolu zawartego w cieczy). Jednocześnie strumienie pary i cieczy wychodzące z jednej półki uznaje się za równomolowe.
Między półkami spotykają się strumienie pary i cieczy o różnej molowości ,ale o wspólnym identycznym ułamku molowym etanolu.
Analiza wykresu: punkty na brzuchu ryby oznaczają stany równowagowe ,natomiast krzywa poprowadzona w zależności od stopnia zawracania flegmy (destylatu) zawiera punkty określające ułamki molowe etanolu międzypółkowe (są identyczne ,bo dotyczą różnych ilości molowych cieczy i gazu).
Im większy powrót flegmy ,tym linia bardziej nachylona w kierunku przekątnej wykresu ,czego efektem jest lepszy rozdział (większy ułamek molowy etanolu w parach), niestety oznacza to gorszą wydajność produkcji destylatu.
11