Wydzielanie
Wydzielanie
produktów
produktów
biotechnologicznyc
biotechnologicznyc
h metodą
h metodą
perwaporacji.
perwaporacji.
Karolina Jakołcewicz
Karolina Jakołcewicz
Biotechnologia CM
Biotechnologia CM
UMK
UMK
Gr.IV
Gr.IV
Wydzielanie
Wydzielanie
produktów
produktów
biotechnologicznyc
biotechnologicznyc
h metodą
h metodą
perwaporacji.
perwaporacji.
Karolina Jakołcewicz
Karolina Jakołcewicz
Biotechnologia CM
Biotechnologia CM
UMK
UMK
Gr.IV
Gr.IV
Perwaporacja
(lub perwapolacja, proces
membranowy) - technika rozdziału
mieszanin ciekłych związków
chemicznych, wykorzystująca
przeważnie polimerowe membrany
nieporowate określane potocznie jako
gęste. Rozpoczęto także stosowanie
membran ceramicznych, o średnicy
porów poniżej 5 nm. Jest to proces
alternatywny do odwróconej osmozy.
Wymaga zastosowania niższych ciśnień.
Podstawą rozdziału są różnice zdolności
składników mieszaniny do penetrowania
nieporowatej błony półprzepuszczalnej i
różnice w ich lotności.
W procesie perwaporacji stosuje
się najczęściej membrany:
Hydrofilowe wykonane np. z:
Polimerów alkoholu poliwinylowego
Octanu celulozy
Hydrofobowe wykonane np. z:
Poli(chlorku winylu)
Polietylenu
Polidimetylosiloksanu
polipropylenu
Meoda perwaporacji doskonale zdaje egzamin
podczas izolacji składników lotnych (np. kwasów
organicznych) z płynu hodowlanego bądź
składników smakowo zapachowych, odwadniania
rozpuszczalników organicznych, rozdzielania
mieszanin azeotropowych (rozdział w
perwaporacji nie zależy od równowagi ciecz-para).
Azeotrop - ciekła mieszanina (roztwór) dwóch lub
więcej związków chemicznych, która jest w równowadze
termodynamicznej z parą nasyconą powstającą z tej
mieszaniny
Szczególnie interesujące są zastosowania
perwaporacji w usuwaniu alkoholu bądź jego
odwadnianiu, co ma zastosowanie zarówno
podczas prowadzenia fermentacji alkoholowej
(tzw. Fermentacja ekstraktywna) jak i podczas
producji piwa, wina oraz alkoholu bezwodnego.
Perwaporację wykorzystuje się również
do rozdziału mieszanin związków
organicznych, różniących się polarnością
(np. metanol - eter metylowo t-butylowy,
czy węglowodory aromatyczne -
węglowodory alifatyczne).
W związku z koniecznością stosowania
paliw odnawialnych, perwaporacja od
kilku lat znajduje zastosowanie jako
najtańsza i najmniej skomplikowana
metoda stosowana do odwadniania
etanolu.
Perwaporacja w porównaniu z innymi
metodami jest wysoce selektywna,
efektywna dla roztworów
rozcieńczonych, przyjazna środowisku,
przy produkcji bezwodnego etanolu
pozwala obniżyć koszty o 25-50% w
porównaniu z destylacją z dodatkiem
czynnika azeotropującego głównie
dzięki mniejszym wymaganiom
energetycznym.
Perwaporacja należy do
membranowych metod rozdzielania
mieszanin. W tej metodzie ciekła
mieszanina podlegająca rozdziałowi
styka się z ciągłą (nieporowatą)
membraną polimerową, po drugiej
stronie której, w przestreni parowej,
panuje ciśnienie mniejsze od ciśnienia
pary nasyconej odpowiedającego
aktualnemu składowi i temperaturze
mieszaniny ciekłej.
Podstawowe rodzaje
Podstawowe rodzaje
perwaporacji.
perwaporacji.
Perwaporacja polega na realizacji przepływu
Perwaporacja polega na realizacji przepływu
nadawy z jednej strony nieporowatej
nadawy z jednej strony nieporowatej
liofilowej cienkiej membrany i odparowaniu
liofilowej cienkiej membrany i odparowaniu
penetrantu z drugiej strony membrany, gdzie
penetrantu z drugiej strony membrany, gdzie
najczęściej przepływa gaz (perwaporacja z
najczęściej przepływa gaz (perwaporacja z
gazem nośnym), bądź na stosowaniu
gazem nośnym), bądź na stosowaniu
podciśnienia (perwaporacja próżniowa)
podciśnienia (perwaporacja próżniowa)
Proces perwaporacji jest związany z
Proces perwaporacji jest związany z
przemianą fazową oraz transportem masy
przemianą fazową oraz transportem masy
przez membranę.
przez membranę.
Siłą napędową procesu jest różnica
potencjałów składników chemicznych
po obu stronach membrany,
wynikająca z różnicy ich ciśnień.
Selektywność rozdziału z
zastosowaniem perwaporacji polega
natomiast na różnicy
rozpuszczalności składników nadawy
w membranie oraz różnicy w
szybkości dyfuzji przez membranę.
Nadawa - ilość surowca jednorazowo
umieszczona w maszynie w celu jego
przetworzenia.
Retentat – strumień zawierający te
same składniki, które tworzą
permeat, wzbogacony o składniki
zatrzymane na membranie
Permeat (filtrat) - rozpuszczalnik i
znikome ilości substancji
rozpuszczonych
Perwaporacja próżniowa
Perwaporacja próżniowa
Moduł
membrano
wy
Perwaporacja próżniowa
Perwaporacja próżniowa
Perwaporacja z gazem
Perwaporacja z gazem
nośnym
nośnym
Kondenso
r
Moduł
membranowy
PERWAPORACJA PRZEZ
PERWAPORACJA PRZEZ
MEMBRANY
MEMBRANY
HYDROFOBOWE
HYDROFOBOWE
Transport masy poprzez gładkie
hydrofobowe membrany perwaporacyjne
jest opisywany przez mechanizm
składający się z sekwencji pięciu etapów:
1.
dyfuzji cząsteczek z głębi roztworu do warstwy
przymembranowej
2.
2.
sorpcji na membranie
sorpcji na membranie
3.
3.
dyfuzji cząsteczek przez membranę
dyfuzji cząsteczek przez membranę
4.
4.
desorpcji po stronie permeatowej membrany
desorpcji po stronie permeatowej membrany
5.
5.
dyfuzji czšstek penetranta w głšb fazy gazowej
dyfuzji czšstek penetranta w głšb fazy gazowej
PERWAPORACJA PRZEZ
PERWAPORACJA PRZEZ
MEMBRANY
MEMBRANY
HYDROFOBOWE
HYDROFOBOWE
Przeprowadzono doświadczenie w
Przeprowadzono doświadczenie w
celu pełniejszego odzwierciedlenia
celu pełniejszego odzwierciedlenia
zjawisk zachodzących w przypadku
zjawisk zachodzących w przypadku
perwaporacji z wykorzystaniem
perwaporacji z wykorzystaniem
membran hydrofobowych,
membran hydrofobowych,
wyodrębniono osiem stref o różnym
wyodrębniono osiem stref o różnym
mechanizmie transportu masy.
mechanizmie transportu masy.
Zostały one przedstawione w tabeli
Zostały one przedstawione w tabeli
nr
nazwa warstwy
opis kinetyczny
opis
matematyczny
transportu
masy
A
głębia roztworu
konwekcja (faza ciekła)
-
B
warstwa dyfuzyjna
dyfuzja cząsteczek
penetranta w cieczy
C
warstwa oddziaływań
hydrofobowych
oddziaływania hydrofobowe
dalekiego i krótkiego
zasięgu
D
monowarstwa adsorpcyjna
adsorpcja fizyczna
(hydrofobowa)
D, E
powierzchnia styku fazy
ciekłej i gładkiej
powierzchni membrany
wnikanie cząsteczek
penetranta z powierzchni
membrany do materiału
membrany
E
nieporowata membrana
perwaporacyjna
dyfuzja cząsteczek
penetranta w ciele stałym
E, F
powierzchnia styku
gładkiej membrany
perwaporacyjnej i
porowatego supportu
wynoszenie cząsteczek
penetranta na powierzchnię
membrany gładkiej
F
monowarstwa desorpcyjna
desorpcja
G
porowaty support
dyfuzja w porach supportu
membrany, dyfuzja
Knudsena
H
faza gazowa
konwekcja (faza gazowa)
-
Szerszego omówienia wymaga warstwa
Szerszego omówienia wymaga warstwa
przymembranowa C, w której cząsteczki
przymembranowa C, w której cząsteczki
hydrofilowe przemieszczają się w kierunku ich
hydrofilowe przemieszczają się w kierunku ich
wyższego stężenia. Jest to efekt oddziaływań
wyższego stężenia. Jest to efekt oddziaływań
hydrofobowych krótkiego (siły van der Waals’a) i
hydrofobowych krótkiego (siły van der Waals’a) i
dalekiego zasięgu oraz zmiany struktury wody z
dalekiego zasięgu oraz zmiany struktury wody z
objętościowej na powierzchniową. Obecność
objętościowej na powierzchniową. Obecność
hydrofobowej powierzchni membrany wpływa na
hydrofobowej powierzchni membrany wpływa na
naturalną zdolność wody do tworzenia klasterów, co
naturalną zdolność wody do tworzenia klasterów, co
powoduje wzrost wolnej energii cząsteczek wody
powoduje wzrost wolnej energii cząsteczek wody
przy powierzchni hydrofobowej w porównaniu do
przy powierzchni hydrofobowej w porównaniu do
cząsteczek wody oddalonych od tej powierzchni.
cząsteczek wody oddalonych od tej powierzchni.
Efektem tego jest migracja cząstek wody poza
Efektem tego jest migracja cząstek wody poza
zasięg oddziaływań hydrofobowych oraz wzrost
zasięg oddziaływań hydrofobowych oraz wzrost
stężenia w powierzchni hydrofobowej cząsteczek
stężenia w powierzchni hydrofobowej cząsteczek
nie wykazujących ujemnej interakcji z powierzchnią
nie wykazujących ujemnej interakcji z powierzchnią
hydrofobową. Skutkiem tego jest wzrost stężenia
hydrofobową. Skutkiem tego jest wzrost stężenia
substancji hydrofilowych przy membranie
substancji hydrofilowych przy membranie
hydrofobowej.
hydrofobowej.
Bibliografia
W. Bednarski , A. Reps red.: Biotechnologia
żywności. WNT, Warszawa 2003, str. 192-193
http://pl.wikipedia.org/wiki/Perwaporacja
http://pl.wikipedia.org/wiki/Azeotrop
http://www.chem.uw.edu.pl/people/AChajewski/spr
ze.htm
http://www.uwm.edu.pl/kiap/dydaktyka/techniki_m
embranowe.pdf
http://www.ichtj.waw.pl/ichtj/market/m-
pol/dep_06/membrane.htm
http://www.ch.pwr.wroc.pl/dtp/pw/publikacje/p98/
krakow.html