Procesy rozdzelania w biotechnologii Wykad nr 3 Filtracja

Procesy rozdzelania w biotechnologii Wykład nr 3 Filtracja. Zastrzeżenie Niektóre materiały graficzne zamieszczone w tym dokumencie oraz w łączach zewnętrznych mogą być chronione prawem autorskim i jako takie są przeznaczone jedynie do użytku wewnętrznego na WIChi. P PW dla celów edukacyjnych Disclaimer Selected graphics in this document and external links can be copyright protected, and as such they are intended only for educational use at WIChi. P PW Materiały wykładowe opracowane w ramach projektu „Program Rozwojowy Politechniki Warszawskiej” współfinansowanego ze środków Unii Europejskiej

Wytwarzamy związek aktywny Wydzielamy z roztworu Filtracja PRWB Wykład 3

Znaczącą grupę farmaceutyków stanowią – białka produkcja Ludzkie osocze krwi Makro molekuły bakterie (Escherichia coli) inżynieria genetyczna (Wprowadzenie do Organizmu Chomika Genów lub anty ciał ludzkich CHO) PRWB Wykład 3

Przy zmianie skali procesu staramy się zachowywać te same wartość Liczb kryterialnych : Reynoldsa, Nusselta, Newtona itp. . Optymalizację procesy wytwarzania substancji czynnej w kulturze bakteryjnej Oczyszczanie i wydzielanie substancji czynnej po zakończonym procesie PRWB Wykład 3

Dlaczego biologiczne procesy są unikatowe z punktu widzenia wymiany masy Ciepła i pędu ? Układy bardzo złożone i wrażliwe na zmiany warunków Masa cząsteczkowa : 5 – 30 k. Da Jednostka masy atomowej, dalton (Da) – jednostka masy używana przez chemików, która w przybliżeniu jest równa masie atomu wodoru, ale ze względów praktycznych została zdefiniowana jako 1/12 masy atomu węgla 12 C. Nazwa dalton pochodzi od nazwiska twórcy współczesnej teorii atomowej, Johna Daltona. 6 k Da - insulina PRWB 22 k. Da – ludzki hormon wrostu Wykład 3

Białka zbudowane są z aminokwasów których układ determinowany jest przez kod genetyczny zawarty w DNA. Synteza białek zachodzi w rybosomach. Aminokwasy połączone są wiązaniami peptydowymi – łańcuch polipeptydowy stanowiący szkielet białka. Struktura trój wymiarowa o charakterystycznym rozkładzie W przestrzeni. 4 rzędy 1 – sekwencja aminokwasów 2 – przestrzenny rozkład aminokwasów w strukturze liniowej 3 - przestrzenny rozkład aminokwasów odległych W strukturze liniowej 4 – wzajemne położenie łańcuchów peptydowych PRWB Wykład 3

PRWB Wykład 3

Duża cześć molekuł terapeutycznych to glikoproteiny Dołączone łańcuchy Wodorowęglowe ( cukry) Struktura trójwymiarowa ma ogromne znaczenie na funkcjonalność Molekuł i ostatecznie osiągany efekt terapeutyczny Każda zmiana struktury molekuły może powodować utrata jej biologicznej aktywności !!! Warunki prowadzenia procesu: p. H, temperatura, pole naprężeń mechnicznych PRWB Wykład 3

Filtracja PRWB Wykład 3

PRWB Wykład 3

CEDZENI E PRWB Wykład 3

KRATY PRWB Wykład 3

Krata łukowa skratki PRWB Wykład 3

FILTRACJA Jedną z podstawowych metod separacji jest FILTRACJA Polega ona na przepływie przesączu przez warstwę porowatego osadu zawiesina klarowna ciecz przegroda filtracyjna PRWB osad Wykład 3

Podczas filtracji przepływ przesączu przez warstwę osadu ma z reguły charakter laminarny. Jest więc aktualne równanie przepuszczalności : przepuszczalność prędkość pozorna grubość warstwy filtracyjnej lepkość przesączu PRWB Wykład 3

Mnożąc u przez powierzchnię warstwy filtrującej F otrzymamy szybkość filtracji [m 3/s]: objętość przesączu stosunek PRWB określany jest mianem oporu właściwego. Wykład 3

Stąd analogicznie do pojęć elektrotechnicznych opór filtracyjny można zdefiniować następująco: Wykorzystując tą definicję równanie szybkości filtracji przyjmuje postać: analogiczne do prawa Ohma szybkość filtracji jest więc proporcjonalna do spadku ciśnienia w warstwie filtracyjnej PRWB Wykład 3

opór właściwy osadu a więc i opór całkowity jest proporcjonalny do lepkości przesączu. Stąd podwyższenie temperatury procesu będzie powodować redukcję wartości oporu a co za tym idzie przyspieszenie przebiegu filtracji. Opór filtracyjny spowodowany jest warstwą materiału ziarnistego i tkaniną filtracyjną (podkładem) utrzymującą tę warstwę. Dla tkaniny jej grubość L jest stała, a jej opór R da się wyznaczyć z zależności: stała charakterystyczna dla tkaniny określana doświadczalnie PRWB Wykład 3

Opory w przegrodzie filtracyjnej występują szeregowo ( tkaniny + osadu ). Wówczas: spadek ciśnienia w tkaninie spadek ciśnienia w osadzie czyli całkowity spadek ciśnienia wyniesie: czyli: całkowity opór układu PRWB Wykład 3

Własności osadu Najczęściej podczas filtracji mamy do czynienia z przypadkiem gdy warstwą filtracyjną jest własny osad, a tkanina filtracyjna odgrywa tylko rolę mechanicznego podkładu. W miarę trwania procesu grubość warstwy osadu rosną a więc rośnie i opór filtracyjny. Ciśnienie cieczy podczas przepływu przez osad spada od wartości P 1 do P 2. W przekroju gdzie ciśnienie cieczy spada do P, na ziarna osadu działa ciśnienie lub „zgniot”: PRWB Wykład 3

Pod wpływem „zgniotu” p osad przybiera określoną porowatość. Przy tkaninie będzie bardziej zbity, a na powierzchni bardziej luźny (więcej porowaty). Przepuszczalność osadu może być przedstawiona jako funkcja „zgniotu”: gdzie b i s to stałe dla danego materiału. Wykładnik s jest współczynnikiem ściśliwości osadu. W przypadku granicznym s=0, mamy osad nieściśliwy, który ma jednakową porowatość na całej swej grubości. PRWB Wykład 3

Opór osadu ściśliwego Stosownie do definicji oporu właściwego oraz wyrażenia opór właściwy osadu ściśliwego można przedstawić następująco: Stąd dla różniczkowej warstwy osadu o grubości d. L i powierzchni F opór filtracyjny wyniesie: PRWB Wykład 3

Szybkość filtracji przez tę warstwę różniczkową jest taka sama jak i przez całą Grubość osadu (bilans masy): spadek ciśnienia w osadzie opór całej warstwy osadu Z zależności na „zgniot” osadu: wynika że spadek ciśnienia cieczy wosadzie d. P jest równy wartości Zgniot w osadzie dp. Po podstawieniu tego do równania na szybkość filtracji, otrzymujemy równanie różniczkowe: PRWB Wykład 3

Można to równanie scałkować: powierzchnia osadu od strony cieczy „zgniot” =0 , grubość maksymalna L powierzchnia osadu od strony tkaniny „zgniot” maksymalny, grubość 0 Całkowity opór osadu PRWB Wykład 3

Równanie szybkości filtracji przy zmiennej grubości osadu: Jeżeli powierzchnia filtrująca wynosi F, to objętość osadu wynosi F*L, a przy jego średniej porowatości ε masa ciała stałego w osadzie wyniesie: gęstość ciała stałego  Masa tego ciała jest związana z objętością przesączu V przez stężenie (dla niezbyt stężonej zawiesiny) : uwzględniając to w równaniu na opór filtracyjny: PRWB Wykład 3

otrzymamy: stała a Opór osadu w funkcji objętości uzyskanego przesączu: PRWB Wykład 3

Opór tkaniny filtracyjnej : Opór osadu : Szybkość filtracji : PRWB Wykład 3

Jest to ogólne równanie różniczkowe szybkości filtracji z jednostki powierzchni filtracyjnej w zależności od stosowanego ciśnienia filtracyjnego ΔP i od objętości przesączu uzyskanej do danego momentu. Wyróżniamy dwa sposoby prowadzenia procesu filtracji: Filtracja pod stałym ciśnieniem PRWB Filtracja ze stałą szybkością Wykład 3

Filtracja pod stałym ciśnieniem: Stałe ciśnienie może być otrzymane za pomocą pompy o odpowiedniej charakterystyce lub przez zastosowanie zbiornika ciśnieniowego dla zawiesiny surowej. Dla tego przypadku ΔP = const można łatwo scałkować ostatnie równanie otrzymując: Wprowadźmy następujące wyrażenia : są to „stałe filtracyjne” PRWB Wykład 3

Uwzględniając „stałe filtracyjne” ogólne równanie filtracji pod stałym ciśnieniem przyjmuje postać: Podaje ono zależność objętości uzyskanego przesączu od czasu podczas filtracji pod stałym ciśnieniem. szybkość chwilowa filtracji wierzchołek paraboli PRWB Wykład 3

Równanie to wskazuje, że w miarę wzrostu objętości przesączu V maleje prędkość filtracji. W momencie początkowym V=0 prędkość filtracji jest maksymalna i uwarunkowana tylko oporem tkaniny filtracyjnej. PRWB Wykład 3

Wartości stałych K i C określa się na filtrze o określonej powierzchni filtracyjnej F. Przy zmianie powierzchni filtracyjnej na inną wielkość np. . F 1 i zachowaniu innych parametrów prowadzenia procesu wynikną inne wartości stałych stosownie do definicji: PRWB Wykład 3

Przy zmianie ciśnienia do wartości ΔP 1 wówczas nowe stałe filtracyjne wyniosą: Stąd też pomiar filtracji pod kilkoma ciśnieniami pozwala określić współczynnik ściśliwości s. PRWB Wykład 3

Zmiana temperatury prowadzenia procesu wpłynie na wartość lepkości przesączu. Nowa stała filtracyjna wyniesie: PRWB Wykład 3

Filtracja ze stałą szybkością : Stosując pompę o odpowiedniej charakterystyce, można uzyskać stała szybkość filtracji V/t. W miarę narastania osadu, a więc wzrostu oporu filtracyjnego, ciśnienie ΔP musi rosnąć. załóżmy że dla osadów nieściśliwych s=0 PRWB Wykład 3

Filtracja dwustopniowa : Podczas filtracji pod stałym ciśnieniem szybkość jej na początku jest bardzo duża wskutek braku osadu na tkaninie. Może to spowodować utrudnienia tworzenia się osadu a w konsekwencji mętny przesącz. W przypadku osadu niejednorodnego małe ziarna mogą zatykać pory między ziarnami dużymi tworząc osad nieprzepuszczalny, co szybko hamuje proces. Aby uniknąć tych ujemnych skutków, stosuje się proces dwustopniowy : początkowo prowadzi się filtrację z umiarkowaną szybkością, której towarzyszy wzrost ciśnienia. Gdy ciśnienie to osiągnie wartość pożądaną, proces prowadzony jest pod stałym ciśnieniem. PRWB Wykład 3

Proces dwustopniowy: W ostatnim momencie pierwszego okresu szybkość (V/t) jest równa szybkości początkowego momentu okresu drugiego stałe ciśnienie stała szybkość PRWB Wykład 3

Znając wartości „stałych filtracyjnych” K i C dla wybranego ciśnienia ΔP oraz znając prędkość pierwszego okresu (V/t)1 możemy znaleźć objętość przesączu V 1 otrzymanego w pierwszym okresie. stosownie do wykresu : PRWB a stąd możemy wyznaczyć czas trwania pierwszego okresu filtracji: Wykład 3

Równanie może być stosowane dla II okresu filtracji gdyż było ono wyprowadzone przez scałkowanie równania na szybkość filtracji od stanu początkowego t = 0 V = 0. Obecnie stan początkowy charakteryzowany jest parametrami t 1 i V 1 Całkując równanie prędkości filtracji od tej granicy otrzymamy: Stąd równanie dla drugiego okresu filtracji przyjmuje postać: PRWB Wykład 3

Zwykle dwustopniowość filtracji osiąga się przez zastosowanie pompy o odpowiedniej charakterystyce: Charakterystykę można przybliżyć dwoma prostymi: Początkowo pompa pracuje dając małe ciśnienie ale stałą wydajność Następnie ciśnienie wzrasta i ustala się mimo spadku prędkości filtracji PRWB Wykład 3

Zbieranie komórek lub odzyskiwanie biomasy jest ważnym krokiem każdego procesu fermentacyjnego, zwłaszcza przy produkcji takich półproduktów jak antybiotyki. Filtracja membranowa zastąpiła metody separacji takie jak obrotowe filtry próżniowe lub odwirowywanie, znacząco zwiększając wydajność instalacji i zmniejszając zaangażowanie operatorów oraz koszty serwisu. Membrany stanowią również podstawowy element linii produkcyjnych enzymów przemysłowych zagęszczających enzymy przed poddaniem ich dalszym krokom procesowym. PRWB Procesy membranowe Wykład 3