Upload
others
View
0
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Bioipari elválasztási műveletekPM
Oktatási célralipo 1
Dr. Pécs Miklós
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Mezőgazdasági Kémiai Technológia Tanszék
7. fejezet7. fejezet
MEMBRMEMBRÁÁNMNMŰŰVELETEKVELETEK
(Oktatási célra)
2
Információk
Biomérnök hallgatók számára3 + 0 + 0 óra, vizsga, 4 kredit
Előadó: dr. Pécs Miklós egyetemi docensElérhetőség: F épület, FE lépcsőház földszint 1
(463-) [email protected]
Írásos segédanyag található a: http://intranet.ch.bme.hu címenOktatási segédanyagok/oktatas/ konyvek/ mezgaz/ bioelv
Bioipari elválasztási műveletekPM
Oktatási célralipo 2
3
Bevezetés
A membrán közbenső fázis két fluidum köztött, amelyen szelektív anyagtranszport folyik.
Gondolatkísérlet:
µi = µi0 + SiT + Vip + RTlnai + ziFϕ + ...
4
A membrános elválasztások csoportosítása
makro-részecskék
kolloid részecskék
nyomásszuszpenziószuszpenzióSzűrés
kolloid részecskék
nagymol. anyagok
nyomásoldatszuszpenzióMikroszűrés
nagymol. anyagok
kismol. anyagok
nyomásoldatoldatUltraszűrés
oldószernyomásoldatoldatReverz omózis
ionokelektromos téroldatoldatElektrodialízis
nagymol. anyagok
kismol. anyagok
koncentrációkülönbség
oldatoldatDialízis
gázkoncentráció v. parciális nyomás
gázoldatPervaporáció
gázkoncentráció v. parciális nyomás
gázgázGázpermeáció
Vissza-marad
ÁtlépHajtóerőKilépőfluidum
Belépőfluidum
Bioipari elválasztási műveletekPM
Oktatási célralipo 3
5
Membránműveletek mérettartománya
6
Membránműveletek mérettartománya
Ionok, kis fordított molekulák (reverz)
ozmózis
Makromolekulák ultraszűrés
Lebegő, szilárd mikroszűrésrészecskék
Bioipari elválasztási műveletekPM
Oktatási célralipo 4
7
Az ultraszűrő membrán keresztmetszete és a különböző részecskék méretviszonyai
8
Membránműveletek jellemzéseGázpermeáció
- gázelegyben egyes komponensek feldúsítása, „molekulaszita”
Pervaporáció- folyadék komponensei anyagi minőségüktől függőmértékben oldódnak be a membrán anyagába és a túloldalon gőz formájában lépnek ki- hajtóerő: komponens egyensúlyi gőznyomása és a gáztér nyomása közti különbség vákuum- biotechnológiai alkalmazása: etanol fermentáció- analitikai alkalmazása: közvetlen mintavételezés a fermentorból tömegspektrometriás méréshez
Bioipari elválasztási műveletekPM
Oktatási célralipo 5
9
Membránműveletek jellemzése
Dialízis
- hajtóerő: koncentráció-különbség- mechanizmus: diffúzió- fehérjék kis molekulatömegű szennyezéseinek eltávolítása (pl. kisózás után)- laboratóriumi alkalmazás: dializáló hüvely- orvosi alkalmazás: művese
10
Membránműveletek jellemzéseElektrodialízis
- hajtóerő: elektromos tér – egyenfeszültség- mechanizmus: diffúzió- szelektivitás: az anion- és kationcserélő membránok csak a kötődő ionokat engedik át. - elektromos ellenállás: 3 - 20 Ω/cm2 (0.5 M NaCl oldattal egyensúlyban) - iontranszportszám: 0.85 - 0.95- elektroozmózis: 100 - 200 cm3 víz/szállított ekvivalens ion - ellenirányú diffúzió
Bioipari elválasztási műveletekPM
Oktatási célralipo 6
11
(Hagyományos) elektrodialízis
12
Bipoláris elektrodialízis
Bipoláris membránok: anion- és kati-oncserélő réte-get tartalmaz-nak.
Áram hatására a víz disszociál→ H+ és OH-
ionokat ad le.
Bioipari elválasztási műveletekPM
Oktatási célralipo 7
13
Membránműveletek jellemzése
Az elektrodialízis alkalmazásai: nagytisztaságú víz előállításához előkezeléskéntbrakkvizek sótalanítása só előállítása tengervízből tejipari alkalmazások fermentációs felhasználások
Bipoláris elektrodialízis:savak felszabadítása sókból (pl. tejsav)borok savcsökkentése
14
Membránműveletek jellemzése
Fordított (reverz) ozmózis (RO)
- hajtóerő: nyomás (20 - 100 bar)- mérettartománya: 20 - 500 Dalton- membrán: nincs valódi pórus- alkalmazások:
tengervíz sótalanításakazántápvíz előkészítésekülönlegesen tiszta vizek előállítása(szövettenyésztés, oltóanyagkészítés)
Bioipari elválasztási műveletekPM
Oktatási célralipo 8
15
Membránműveletek jellemzése
Nanoszűrés:Újabban a reverz ozmózison belül megkülönböztetik a 100-
500 Daltonos tartományt- hajtóerő: nyomás (kisebb, 10 - 30 bar)- alkalmazások: kis molekulák közötti szelektív elválasztás, pl. savak és cukrok
16
Membránműveletek jellemzése
Ultraszűrés (UF)
- mérettartománya: 500 – 100 000 Da- valódi pórusok: 1 – 1000 nm- méret szerinti elválasztás- hajtóerő: nyomás (2 - 20 bar)
Bioipari elválasztási műveletekPM
Oktatási célralipo 9
17
Membránműveletek jellemzése
Mikroszűrés
- lebegő, szilárd részecskék elválasztása- jól definiált pórusok: 0,1 – 1 µm- szitahatás- élő sejtek visszatartása- élelmiszeripari alkalmazása: oldatok sterilezése
18
A membrános elválasztások elmélete
Koncentrációkülönbség hatására létrejövő komponens áram
Fick törvény:
Megoszlási hányados:
Bioipari elválasztási műveletekPM
Oktatási célralipo 10
19
Az ideális koncentrációprofil
A diffundáló közegárama:
20
A membrános elválasztások elmélete
Nyomáskülönbség hatására létrejövő komponens áram
D’Arcy törvénye:
Hagen-Poiseuille törvény:
Bioipari elválasztási műveletekPM
Oktatási célralipo 11
21
A membrános elválasztások elmélete
Ozmózisnyomás-különbség hatására létrejövő komponens áram
Van’t Hoff törvény:
Eredő szűrletáram:
Visszatartóképesség:
22
A membrános elválasztások elmélete
Anyagáram
az oldószerre:
az oldott komponensekre:
diffúziós konvekcióstranszport transzport
Bioipari elválasztási műveletekPM
Oktatási célralipo 12
23
Eltérések az ideális koncentrációprofiltól
Koncentrációs polarizáció
24
Eltérések az ideális koncentrációprofiltól
Állandósult állapotban:
a konvekció a membrán felületére = ellenirányú diffúzió a főtömegbe
Bioipari elválasztási műveletekPM
Oktatási célralipo 13
25
Eltérések az ideális koncentrációprofiltól
Gélpolarizáció
26
Eltérések az ideális koncentrációprofiltól
A határrétegben:
Ellenállásokkal felírva:
Bioipari elválasztási műveletekPM
Oktatási célralipo 14
27
Eltérések az ideális koncentrációprofiltól
Dialízisnél: csak akkor fordul elő, ha a diffúzió a membrán-ban sokkal gyorsabb, mint a felületi határrétegben
28
Eltérések az ideális koncentrációprofiltól
Anyagáram:
Korrigálva:
Bioipari elválasztási műveletekPM
Oktatási célralipo 15
29
A technológiai paraméterek hatása
A membrán (ifjú)kora
A vadonatúj membrán tulajdonságai a legelső használatba vételnél erősen megváltoznak.A membrán öregedésére ható legfontosabb tényezők:
• a fehérjék adszorpciója a membrán felületén • (irreverzibilis) gél vagy rétegképződés a felületen• szilárd részecskék (sejttörmelékek), vagy fehérjék
"beszorulása" a membrán pórusaiba
30
Az új membrán tulajdonságainak változása
Bioipari elválasztási műveletekPM
Oktatási célralipo 16
31
A membrán “előéletének” hatása
32
A technológiai paraméterek hatása
Káros hatások minimalizálása:
• koncentrációs polarizáció csökkentése• adszorpció és aggregáció minimalizálása
Tisztítás, regenerálás:
• mosás • kémiai kezelés (erős savak és/vagy bázisok) • proteolítikus enzimekkel
Bioipari elválasztási műveletekPM
Oktatási célralipo 17
33
A technológiai paraméterek hatása
Tangenciális sebesség(keresztáramú szűrés, tangenciális szűrés)
Optimális áramlási sebesség meghatározása:az áramlás gyorsítása növeli a szűrési sebességet és a retenciót de nő a szivattyúzás energiaigénye és a rendszer melegedése.A turbulencia jellemezhető: Re szám
P/Vnyírósebesség
34
A permeát fluxus és a nyírósebesség összefüggése
Bioipari elválasztási műveletekPM
Oktatási célralipo 18
35
A technológiai paraméterek hatása
Nyomáskülönbség
hajtóerő:
36
A nyomáskülönbség hatása a membránszűrés sebességére
nyomáskülönbség
J, f
luxu
s
Bioipari elválasztási műveletekPM
Oktatási célralipo 19
37
A technológiai paraméterek hatása
Hőmérséklet
• viszkozitás,• adszorpciós folyamatok egyensúlyi viszonyai, • molekulák diffúziós állandói, • membrán anyagának tulajdonságai változnak.
38
A hőmérséklet hatása a retencióra
hômérséklet
rete
nció
Bioipari elválasztási műveletekPM
Oktatási célralipo 20
39
A fehérjekoncentráció hatása a membránszűrés sebességére
40
A rejekciós tényező változása a fehérjekoncentráció függvényében
Bioipari elválasztási műveletekPM
Oktatási célralipo 21
41
A membránszűrés anyagmérlegei
Alapfogalmak
– membrán szelektivitása:
– vágási (cutoff) érték: az a molekulatömeg, amelyet az adott membrán 90 %-ban (más konvenció szerint 50 %-ban) visszatart.
42
Vágási görbék
Bioipari elválasztási műveletekPM
Oktatási célralipo 22
43
A membránszűrés anyagmérlegei
– permeabilitás (LP) vagy vízérték: a tiszta oldószer (ionmentes víz) fluxusa a membránon üzemi nyomáson és hőmérsékleten. [m3/m2×h] vagy [m3/m2×h×bar]
– folyadékáramok:• betáplálás (feladás, input) ( V0 ; c0 ) • membránon áthaladó anyag: szűrlet = permeátum (
VP ; cP ) • visszatartott anyag: koncentrátum = retentát (Vr ; cr)
44
Membránszűrő berendezés folyamatábrája
Bioipari elválasztási műveletekPM
Oktatási célralipo 23
45
A membránszűrés anyagmérlegei
– koncentrációs faktor (CF): a visszatartott komponensek betöményítésének mértékét adhatjuk meg vele.
– kihozatal (recovery): a megszűrt, megtisztított oldat mennyiségére jellemző.
– összefüggés:
46
A membránszűrés anyagmérlegei
Koncentrálás membránnal
Az oldat keringetése során az oldószer és a vissza nem tartott komponensek folyamatosan távoznak a rendszerből, ezáltal a térfogat csökken, azaz a visszatartott komponensek koncentrációja növekszik.
Anyagmérleg:
Bioipari elválasztási műveletekPM
Oktatási célralipo 24
47
Membrános koncentrálás folyamatábrája
48
A membránszűrés anyagmérlegei
A koncentrálás differenciális anyagmérlege:
ahol:
integrálva:
Bioipari elválasztási műveletekPM
Oktatási célralipo 25
49
A membránszűrés anyagmérlegei
Elválasztás membránszűrésselA különböző visszatartást az eltérő σ értékek
számszerűsítik. Azonos σ értékek esetén az elválasztás nem valósítható meg.
Elválasztás vizsgálatához:
50
A membránszűrés anyagmérlegei
DiaszűrésVíz hozzáadásával és szűrlet formájában való
elvételével a kis molekulatömegű anyagokat szelektíven eltávolítják, kimossák az oldatból.
Állandó retentát térfogat.
Bioipari elválasztási műveletekPM
Oktatási célralipo 26
51
A diaszűrés folyamatábrája
52
A membránszűrés anyagmérlegei
Anyagmérleg:
mivel VR = V0 = állandó:
integrálva:
Bioipari elválasztási műveletekPM
Oktatási célralipo 27
53
A membránszűrés anyagmérlegei
Teljes visszatartás esetén (nagy molekulatömeg, σ = 1):
a koncentráció nem csökken.
Kis molekulájú anyagoknál (σ = 0):
a koncentráció exponenciálisan csökken.
54
Diaszűrés
Diaszűrés
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
0 2 4 6 8 10
Vvíz/Vo
Cr/Co nincs visszatartás
teljes visszatartás
VVvíz
0
99.999510
99.32625
98.16844
95.02133
86.46652
63.21211
Eltávolítás, %
Bioipari elválasztási műveletekPM
Oktatási célralipo 28
55
A membránszűrés anyagmérlegei
Elválasztás, tisztítás diaszűréssel
két komponensre:
56
A membránszűrés anyagmérlegei
Az ultraszűrés munkavonala
konstansokkal felírva:
Bioipari elválasztási műveletekPM
Oktatási célralipo 29
57
Az ultraszűrés munkavonala
58
A membránszűrés anyagmérlegei
Térfogatáram:
Átlagos fluxus:
Szűrési idő:
Bioipari elválasztási műveletekPM
Oktatási célralipo 30
59
A folyamatos membránszűrés folyamatábrája
60
A membránszűrés anyagmérlegei
A koncentrációs faktor értelmezése megváltozik:
Folyamatos működés állandósult állapot A paraméterek az idővel alig változnak csak a
membrán "öregedése„ miattÁllandó retentát oldali koncentráció állandó fluxus
a munkapont nem vándorol a berendezés állandóan a legkisebb fluxus értéken működik
állandóWW
amtérfogatárumkoncentrátamtérfogatárbetápláltCF
r
=== 0
Bioipari elválasztási műveletekPM
Oktatási célralipo 31
61
Teljes és szűrt fermentlémembránszűrésének összehasonlítása
62
A membránok jellemzői
Membránok csoportosításaSzerkezet szerint: izotróp vagy anizotróp
Bioipari elválasztási műveletekPM
Oktatási célralipo 32
63
A membránok jellemzői
Ha a membrán rétegei eltérő anyagból készülnek, akkor beszélünk összetett, vagy kompozit membránról.
Hagyományos szénalapú polimer hártyát szinte bármely hordozóra fel lehet vinni, de előfordulnak teljesen szervetlen rendszerek is, pl. fémoxid bevonat szinterelt kerámián.
A folyadékmembránok nem elegyedő folyadékréteget képeznek, amely szelektíven engedi át a különbözőkomponenseket két permeábilis film között, folyadék felszínén, emulgeáló szerekkel vagy anélkül is létrehozható
64
A membránok jellemzői
Membránok előállítása
Alapanyagok:• regenerált cellulóz • polimerek (teflon, poliszulfon, poliakrilnitril, PVC,
poliészter, polietilén, polipropilén)• kerámia • fémek
Tendencia: egyre ellenállóbb, magasabb hőmérsékleten és extrém pH értékeken is használható membránok.
Bioipari elválasztási műveletekPM
Oktatási célralipo 33
65
A membránok jellemzői
Módszerek:• vizes kicsapás (lap, cső-, és üregesszál
membránok előállítására)• illékony oldószerben oldott polimerek esetében a
felületről elpárolgó oldószerből filmréteg marad vissza
• kicsapás hűtéssel• szintereléssel (porkohászati úton) (kerámia, fémek,
teflon)• extrudálással ill. húzással
66
A membránok jellemzői
Pórusok utólagos létrehozásának eszközei:
• nyújtás (a pórusok közel azonos méretűek, de nem kör keresztmetszetűek)
• lézersugaras perforálás • bombázás elemi részecskékkel (a besugárzás
következtében létrejött szerkezeti hibákat maratófürdőben tágítják pórusokká)
Bioipari elválasztási műveletekPM
Oktatási célralipo 34
67
A membránok jellemzői
MembránmodulokHordozóval, távtartókkal, csatlakozókkal, burkolattal ellátott cserélhető egységek az un. membránmodulok.
Főbb kialakítási típusaik:– sík formájú membránok (csak lamináris áramlás)
• lapmembránok (legrégebbi, több rétegű lehet, eltömődésre hajlamos, könnyen javítható)
68
Lapmembrán modulok
Bioipari elválasztási műveletekPM
Oktatási célralipo 35
69
Csőmembrán modulok
– cső formájú membránok (turbulens áramlás is lehet)• csőmembránok (belméret 12-25 mm, belső és
külső merevítésűek, 6-20 cső egy modulban, egyszerű tisztítás, nagy helyigény)
70
Membránmodulok
• üregesszál (hollow fiber) membránok (belméret0,5-1,5 mm, üzemi nyomás korlátozott, több száz szál egy modulban
Bioipari elválasztási műveletekPM
Oktatási célralipo 36
71
Membránmodulok
• mikrokapilláris membránok (belméret 5-20 µm, több millió kapilláris egy modulban, nagy nyomásesés, kis áramlási sebesség
72
Membránmodulok
spirális membránmodulok: feltekercselt zsákszerűmembránokból áll. Távtartó hálók. Nem javítható.
Bioipari elválasztási műveletekPM
Oktatási célralipo 37
73
Membránszűrő telep
74
Szervetlen (kerámia, fém) modulok
Szinterelés : porkohászati formázás. Az elválasztás a já-ratok belső felületén kialakított vékony, szűkebb póru-sú kerámiarétegen történik.
Bioipari elválasztási műveletekPM
Oktatási célralipo 38
75
Szinterelt membránok
A permeátum a kerámia test pórusaiban vándorolva a hasáb külső felületén jelenik meg.
76
Szinterelt membránok
Szinterelt kerámia hasáb, amelyben párhuzamosan csőszerű járatok futnak.
Bioipari elválasztási műveletekPM
Oktatási célralipo 39
77
Üzemközi membránvizsgálat. Buborékpont meghatározása
Mikor kell cserélni a használt membránt? üzemközi vizsgálatok vízérték,
integritásvizsgálat.
Vízérték: fehérjék adszorpciója irreverzibilis változásokat okoz vizsgálat: köbözés
78
Üzemközi membránvizsgálat. Buborékpont meghatározása
Integritásvizsgálat: buborékpont meghatározás
elsősorban hidrofil, mikropórusos membránoknál használható
alapelv: ha egy telt kapillárisból gáznyomással szorítjuk ki a folyadékfázist, a nyomás és a kapilláris átmérője fordítottan arányos egymással.
Bioipari elválasztási műveletekPM
Oktatási célralipo 40
79
A gáz-folyadék határfelület kapillárisban
80
Üzemközi membránvizsgálat. Buborékpont meghatározása
Az erőegyensúly:
Ha fokozatosan növeljük a gáz nyomását, akkor el-sőként a legnagyobb átmérőjű pórusból szorul ki a folya-dék, tehát az áttörési nyomás (buborékpont) jellemző a legnagyobb pórus méretére.
Bioipari elválasztási műveletekPM
Oktatási célralipo 41
81
A buborékpont meghatározás térfogatáram-görbéje