Elektrofiltracja

Nie mylić z elektrofiltrem .

Elektrofiltracja to metoda, która łączy filtrację membranową i elektroforezę w procesie ślepym zaułku.

Elektrofiltracja jest uważana za odpowiednią technikę do zatężania i frakcjonowania biopolimerów . Tworzenie filmu na membranie filtra, który utrudnia filtrację, można zminimalizować lub całkowicie wyeliminować poprzez zastosowanie pola elektrycznego , poprawiając wydajność filtracji i zwiększając selektywność w przypadku frakcjonowania. Takie podejście znacznie zmniejsza nakłady na dalszą obróbkę w bioprocesach.

Technika

Rysunek 1: Schematyczne przedstawienie komory elektrofiltracyjnej

Elektrofiltracja to technika oddzielania i zatężania substancji koloidalnych – np. biopolimerów . Zasada elektrofiltracji opiera się na nałożeniu pola elektrycznego na standardową filtrację ślepą . W ten sposób wytworzona polaryzacja ułatwia działanie siły elektroforetycznej przeciwnej do siły oporu przepływu filtratu i ukierunkowuje naładowane biopolimery . Zapewnia to ekstremalne zmniejszenie tworzenia się filmu na membranach mikro- lub ultrafiltracyjnych oraz skrócenie czasu filtracji z kilku godzin przy standardowej filtracji do kilku minut przy elektrofiltracji. W porównaniu z filtracją krzyżową elektrofiltracja charakteryzuje się nie tylko zwiększonym przepływem permeatu, ale także gwarantuje zmniejszenie naprężeń ścinających, co kwalifikuje ją jako szczególnie łagodną technikę separacji biopolimerów zwykle niestabilnych.

Obiecujące zastosowanie w oczyszczaniu produktów biotechnologicznych opiera się na fakcie, że biopolimery są trudne do filtracji, ale z drugiej strony zazwyczaj są naładowane w wyniku obecności grup aminowych i karboksylowych. Celem elektrofiltracji jest zapobieganie tworzeniu się placka filtracyjnego oraz poprawa kinetyki filtracji produktów trudnych do odsączenia.

Elektroforeza cząstek i elektroosmoza stają się niezbędne, gdy na proces filtracji nakłada się pole elektryczne . Podczas elektrofiltracji na konwencjonalną filtrację nakłada się pole elektryczne (DC), które działa równolegle do kierunku przepływu filtratu. Gdy siła elektroforetyczna F _{E ,} FW _skierowana przeciwnie do przepływu, przekroczy siłę oporu hydrodynamicznego , naładowane cząstki migrują z ośrodka filtracyjnego, zmniejszając w ten sposób znacznie grubość placka filtracyjnego na membranie.

Gdy cząstki stałe podlegające separacji są naładowane ujemnie, migrują w kierunku anody (biegun dodatni) i osadzają się na znajdującej się tam tkaninie filtracyjnej. W efekcie na katody (biegun ujemny) znajduje się tylko bardzo cienka warstewka pozwalająca na wypłynięcie prawie całego filtratu przez tę membranę.

Na rysunku 1 przedstawiono schematyczny opis komory elektrofiltracyjnej wraz z elektrodami płuczącymi . Do obiegu płuczącego używany jest roztwór buforowy . To podejście zostało opatentowane.

Fundamentalny

Rysunek 2: Placek filtracyjny z ksantanem na płytce filtracyjnej

Siłę oporu hydrodynamicznego oblicza się zgodnie z prawem Stokesa .

${\ Displaystyle F_ {W} = 6 \ cdot \ pi \ cdot \ eta \ cdot {\ tekst {r}} _ {H} \ cdot \ nu}$

Siłę elektroforetyczną ocenia się zgodnie z prawem Coulomba .

${\ Displaystyle F_ {E} = 4 \ cdot \ pi \ cdot \ varepsilon _ {0} \ cdot \ varepsilon _ {r} \ cdot { \text{r}}_{H}\cdot \zeta \cdot {\text{E}}}$

W tych równaniach r _H $\ varepsilon _ { 0}}$ promień hydrodynamiczny koloidów , - prędkość migracji elektroforetycznej, $-$$lepkość$ dynamiczna roztworów, $,$ stała dielektryczna w próżni, to względna stała dielektryczna wody w temperaturze 298 K, $.$ potencjał E to pole elektryczne Promień hydrodynamiczny jest sumą promieni cząstek i stacjonarnej granicy faz rozpuszczalnika.

Dzięki migracji elektroforetycznej w stanie ustalonym naładowanych koloidów siła elektroforetyczna i siła oporu hydrodynamicznego są w równowadze, opisane przez:

fa _W + fa _mi = 0

Efekty te wpływają na elektrofiltrację biopolimerów , które mogą być również naładowane nie tylko siłą oporu hydrodynamicznego, ale także siłą pola elektrycznego. Skupienie się na katody ujawnia, że ​​na ujemnie naładowane cząstki oddziałuje siła pola elektrycznego, która jest przeciwna do siły oporu hydrodynamicznego. W ten sposób tworzenie się placka filtracyjnego po tej stronie jest utrudnione lub w sytuacji idealnej placek filtracyjny nie powstaje w ogóle. W tym przypadku pole elektryczne jest określane jako krytyczne _pole elektryczne Ecrit . W wyniku zrównoważenia tych sił ciecze poddane działaniu siły elektrycznej zostają naładowane. Oprócz zastosowanego ciśnienia hydraulicznego ∆pH na przebieg procesu wpływa również ciśnienie elektroosmotyczne P _e .

Modyfikując podstawowe równanie Darcy'ego , opisujące Pe _powstawanie placka filtracyjnego, z efektami elektrokinetycznymi przez całkowanie przy założeniu wykorzystania stałych ciśnienia elektroosmotycznego , krytycznego pola elektrycznego E _krit i pola elektrycznego E wyniki: Dotychczasowe prace naukowe prowadzone w Wydział Inżynierii Bioprocesowej Instytutu Inżynierii Nauk Przyrodniczych Uniwersytetu w Karlsruhe wykazał, że elektrofiltracja jest skuteczna w zatężaniu naładowanych biopolimerów . Uzyskano już bardzo obiecujące wyniki dotyczące oczyszczania naładowanego polisacharydu ksantanowego . Figura 2 przedstawia ksantanowy placek filtracyjny.

Literatura

•   Vorobiev E., Lebovka N., (2008). Elektrotechnologie do ekstrakcji z roślin spożywczych i biomateriałów, ISBN 978-0-387-79373-3 .