Непрерывное разделение пены — это химический процесс, тесно связанный с фракционированием пены , в котором пена используется для разделения компонентов раствора, когда они различаются по поверхностной активности. В любом растворе поверхностно-активные компоненты имеют тенденцию адсорбироваться на границах раздела газ-жидкость, в то время как поверхностно-неактивные компоненты остаются в объеме раствора. Когда раствор вспенивается, большинство поверхностно-активных компонентов собираются в пене, и пену можно легко извлечь. Этот процесс обычно используется в крупномасштабных проектах, таких как очистка сточных вод, из-за непрерывного потока газа в растворе.
В результате этого процесса может образоваться два типа пены. Это влажная пена (или kugelschaum ) и сухая пена (или polyederschaum ). Влажная пена имеет тенденцию образовываться в нижней части столба пены, в то время как сухая пена имеет тенденцию образовываться в верхней части. Влажная пена более сферическая и вязкая, а сухая пена имеет тенденцию быть больше в диаметре и менее вязкой. [1] Влажная пена образуется ближе к исходной жидкости, в то время как сухая пена образуется на внешних границах. Таким образом, то, что большинство людей обычно понимают под пеной, на самом деле является только сухой пеной.
Установка для непрерывного разделения пены состоит из закрепления колонны в верхней части контейнера с раствором, который должен быть вспенен. Воздух или определенный газ рассеивается в растворе через барботер. Сборная колонна в верхней части собирает образующуюся пену. Затем пена собирается и разрушается в другом контейнере.
В процессе непрерывного разделения пены непрерывная линия газа подается в раствор, тем самым вызывая непрерывное пенообразование. Непрерывное разделение пены может быть не столь эффективным при разделении растворенных веществ, как разделение фиксированного количества раствора.
Процессы, подобные непрерывному разделению пены, широко использовались в течение десятилетий. Белковые скиммеры являются одним из примеров разделения пены, используемого в морских аквариумах. Самые ранние документы, относящиеся к разделению пены, датируются 1959 годом, когда Роберт Шнепф и Элмер Гаден-младший изучали влияние pH и концентрации на разделение бычьего сывороточного альбумина из раствора. [2] Другое исследование, проведенное Р. Б. Гривзом и Р. К. Вудсом [3] в 1964 году, было сосредоточено на различных эффектах разделения, основанных на изменениях определенных переменных (например, температуры, положения введения корма и т. д.). В 1965 году Роберт Лемлих [4] из Университета Цинциннати провел еще одно исследование фракционирования пены. Лемлих исследовал науку, лежащую в основе фракционирования пены, с помощью теории и уравнений.
Как было сказано ранее, непрерывное разделение пены тесно связано с фракционированием пены , при котором гидрофобные растворенные вещества прикрепляются к поверхностям пузырьков и поднимаются, образуя пену. Фракционирование пены используется в меньших масштабах, тогда как непрерывное разделение пены реализуется в более крупных масштабах, таких как очистка воды для города. В статье, опубликованной Федерацией водной среды [5] в 1969 году, обсуждалась идея использования фракционирования пены для очистки загрязнений в реках и других водных ресурсах в городах. С тех пор было проведено мало исследований для дальнейшего понимания этого процесса. Все еще существует много исследований, которые применяют этот процесс для своих исследований, таких как разделение биомолекул в медицинской области.
Непрерывное отделение пены зависит от способности загрязняющего вещества адсорбироваться на поверхности растворителя на основе его химического потенциала . Если химический потенциал способствует поверхностной адсорбции, загрязняющее вещество будет перемещаться из объема растворителя и образовывать пленку на поверхности пузырька пены. Образовавшаяся пленка считается монослоем .
По мере того как концентрация загрязняющих веществ или поверхностно-активных веществ в объеме уменьшается, поверхностная концентрация увеличивается; это увеличивает поверхностное натяжение на границе раздела жидкость-пар. Поверхностное натяжение описывает, насколько трудно расширить площадь поверхности. Если поверхностное натяжение высокое, для увеличения площади поверхности требуется большая свободная энергия. Поверхность пузырьков будет сокращаться из-за этого увеличенного поверхностного натяжения. Это сокращение способствует образованию пены.
Пена — это тип коллоидной дисперсии, где газ диспергирован в жидкой фазе. Жидкая фаза также называется непрерывной фазой, поскольку она непрерывна, в отличие от газовой фазы. [1]
По мере образования пены ее структура меняется. Когда жидкость вспенивается в газе, пузырьки пены начинаются как упакованные однородные сферы. Эта фаза является влажной фазой. Чем дальше вверх по колонне движется пена, тем пузырьки воздуха деформируются, образуя многогранные формы, сухую фазу. Жидкость, которая разделяет плоские грани между двумя многогранными пузырьками, называется ламеллами; это непрерывная жидкая фаза. Области, где встречаются три ламеллы, называются границами плато . Когда пузырьки в пене имеют одинаковый размер, ламеллы на границах плато встречаются под углом 120 градусов. Поскольку ламелла слегка изогнута, область плато находится под низким давлением. Непрерывная жидкая фаза удерживается на поверхностях пузырьков молекулами поверхностно-активного вещества, которые составляют вспениваемый раствор. Эта фиксация важна, потому что в противном случае пена становится очень нестабильной, поскольку жидкость стекает в область плато, делая ламеллы тонкими. Как только ламеллы становятся слишком тонкими, они разрываются. [6]
При образовании пузырьков пара в жидком растворителе межфазное натяжение вызывает разницу давлений Δ p на поверхности, определяемую уравнением Юнга–Лапласа . Давление больше на вогнутой стороне жидких пластинок (внутри пузырька) с радиусом R, зависящим от перепада давления. Для сферических пузырьков во влажной пене и стандартного поверхностного натяжения γ° уравнение изменения давления выглядит следующим образом:
Поскольку пузырьки пара деформируются и принимают форму более сложной геометрии, чем простая сфера, два главных радиуса кривизны R 1 и R 2 будут использоваться в следующем уравнении: [1]
По мере роста давления внутри пузырьков жидкие пластинки, показанные на рисунке выше, будут вынуждены двигаться к границам плато, что приведет к их разрушению.
Изотерму адсорбции Гиббса можно использовать для определения изменения поверхностного натяжения при изменении концентрации. Поскольку химический потенциал изменяется при изменении концентрации, для оценки изменения поверхностного натяжения можно использовать следующее уравнение, где d γ — изменение поверхностного натяжения интерфейса, Γ 1 — поверхностный избыток растворителя, Γ 2 — поверхностный избыток растворенного вещества (ПАВ), d μ 1 — изменение химического потенциала растворителя, а d μ 2 — изменение химического потенциала растворенного вещества: [7]
Для идеальных случаев Γ 1 = 0 и создаваемая пена зависит от изменения химического потенциала растворенного вещества. Во время вспенивания растворенное вещество испытывает изменение химического потенциала по мере того, как оно переходит из объема раствора на поверхность пены. В этом случае можно применить следующее уравнение, где a — активность поверхностно-активного вещества, R — газовая постоянная, а T — абсолютная температура:
Для определения площади поверхности пены, занимаемой одной адсорбированной молекулой, A s , можно использовать следующее уравнение, где N A — постоянная Авогадро .
Непрерывное отделение пены используется при очистке сточных вод для удаления пенообразующих веществ, полученных из моющих средств, таких как ABS , которые стали обычным явлением в сточных водах к 1950-м годам. [8] В 1959 году было показано, что путем добавления 2-октана к вспененным сточным водам 94% ABS можно удалить из активированного ила с помощью методов отделения пены. [9] Пена, образующаяся при очистке сточных вод, может быть либо возвращена обратно в резервуар активированного ила на очистных сооружениях, бактериальные организмы, которые там живут, как было обнаружено, разрушают ABS, когда им дают достаточно времени, либо извлечена и разрушена для утилизации. [10] Также было обнаружено, что отделение пены снижает химическую потребность в кислороде при использовании в качестве метода вторичной очистки сточных вод. [11]
Удаление ионов тяжелых металлов из сточных вод важно, поскольку они легко накапливаются в пищевой цепочке, заканчиваясь в животных, таких как рыба-меч , которую едят люди. Пенное разделение может использоваться для удаления ионов тяжелых металлов из сточных вод с низкими затратами, особенно при использовании в многоступенчатых системах. При выполнении ионного пенного разделения необходимо соблюдать три рабочих условия для оптимального производства пены для удаления ионов: образование пены, затопление и просачивание/сброс. [12]
Пенное разделение может использоваться для извлечения белков из раствора, особенно для концентрирования белка из разбавленного раствора. При очистке белков из раствора в промышленных масштабах желателен наиболее экономически эффективный метод. Таким образом, пенное разделение предлагает метод с низкими капитальными и эксплуатационными затратами благодаря простой механической конструкции; эта конструкция также обеспечивает простоту эксплуатации. [13] Однако есть две причины, по которым использование пенного разделения для извлечения белка из раствора не получило широкого распространения: во-первых, некоторые белки денатурируют при прохождении процесса вспенивания, а во-вторых, контроль и прогнозирование вспенивания обычно трудно рассчитать. Чтобы определить успешность извлечения белка посредством вспенивания, используются три расчета. [14]
Коэффициент обогащения показывает, насколько эффективно вспенивание извлекает белок из раствора в пену: чем выше число, тем выше сродство белка к пенному состоянию.
Коэффициент разделения аналогичен коэффициенту обогащения в том смысле, что чем эффективнее извлечение белка из раствора в пену, тем выше будет это число.
Восстановление показывает, насколько эффективно белок переводится из раствора в пенообразное состояние. Чем выше процент, тем лучше идет процесс восстановления белка из растворенного вещества в пенообразное состояние.
Гидродинамика пены, а также многие переменные, которые влияют на успешность вспенивания, имеют ограниченное понимание. Это усложняет использование математических расчетов для прогнозирования восстановления белка путем вспенивания. Однако были определены некоторые тенденции; высокие показатели восстановления были связаны с высокими концентрациями белка в исходном растворе, высокими скоростями потока газа и высокими скоростями потока подачи. Также известно, что обогащение увеличивается, когда вспенивание выполняется с использованием неглубоких бассейнов. Использование бассейнов с низкой высотой позволяет только небольшому количеству белка адсорбироваться из раствора на поверхность пузырьков в пене, что приводит к снижению поверхностной вязкости. Это приводит к коалесценции нестабильной пены выше в колонне, вызывая увеличение размера пузырьков и увеличение обратного потока белка в пене. Однако было показано, что повышенная скорость газа, закачиваемого в систему, приводит к снижению коэффициента обогащения. [15] Поскольку эти расчеты трудно предсказать, часто проводятся лабораторные, а затем и пилотные эксперименты, чтобы определить, является ли вспенивание жизнеспособным методом экстракции в промышленных масштабах.
Разделение клеток обычно осуществляется с помощью центрифугирования , однако разделение пены также использовалось как более энергоэффективный метод. Этот метод использовался для многих видов клеток бактерий, таких как Hansenula polymorph , Saccharomyces carlsbergensis , Bacillus polymyxa , Escherichia coli и Bacillus subtilis , будучи наиболее эффективным для клеток с гидрофобными поверхностями. [16]
Непрерывная пенная экстракция изначально использовалась в отношении очистки сточных вод в 1960-х годах. С тех пор не проводилось большого количества исследований вспенивания как метода экстракции. Однако в последние годы вспенивание для экстракции белков и фармацевтических препаратов привлекло повышенный интерес исследователей. Очистка продуктов является самой дорогой частью производства продукта в биотехнологии, вспенивание предлагает альтернативный метод, который менее затратен, чем некоторые современные методы.
Непрерывное разделение пены является одним из двух основных режимов разделения пены, а другой является разделением порций пены. Разница между двумя режимами заключается в том, что в непрерывном режиме раствор поверхностно-активного вещества непрерывно подается через подачу в пенную колонну, а раствор, извлеченный из поверхностно-активного вещества, также непрерывно выходит из нижней части аппарата. На рисунке справа показана схема базового непрерывного сепаратора пены. Процесс является стационарным (или находится в устойчивом состоянии) до тех пор, пока объем жидкости остается постоянным как функция времени. Пока процесс находится в устойчивом состоянии, жидкость не будет переливаться в пенную колонну. В зависимости от конструкции сепаратора пены местоположение подачи может варьироваться от верхней части жидкого раствора до верхней части пенной колонны. [17]
Создание пены начинается с потока газа в нижнюю часть столба жидкости. Количество потока газа в аппарат измеряется и поддерживается с помощью расходомера. По мере того, как пена поднимается и сливается с жидкостью, она отводится в отдельный контейнер для сбора пены. Высота столба пены зависит от применения. Отведенная пена разжижается путем схлопывания пузырьков пены. Обычно это можно сделать механическими средствами или путем снижения давления в емкости для сбора пены. Сепараторы пены для различных типов применений используют базовую установку, показанную на схеме, но могут меняться в зависимости от размещения и добавления оборудования.
Дополнительное оборудование на базовой форме аппарата для отделения пены может использоваться для достижения других желаемых эффектов, которые соответствуют типу применения, но лежащий в основе процесс разделения остается тем же. Добавление оборудования используется для оптимизации параметров, обогащения E или восстановления R. Обычно обогащение и восстановление являются противоположными параметрами, но были некоторые недавние исследования, показывающие возможность одновременной оптимизации обоих параметров. [17] Изменение скорости потока на входе газа, а также другие настройки оборудования оказывают влияние на оптимизацию параметров. В таблице сравнивается отделение пены с другими методами, используемыми для отделения белка, α-лактальбумина, от раствора сывороточного белка.
Разделение пены (полупериодическое) [18] | Разделение пены (партия) [19] | Катионообменная хроматография [20] | Ультрафильтрация (режим CC-DC) [21] | |
---|---|---|---|---|
Восстановление (%) | 86,2 [18] | 64,5 [19] | 90 [20] | 80 [21] |
Исходная/начальная концентрация (мг/мл) | 0,075 [18] | 0,49 [19] | 0,72 [20] | 1,75 [21] |
Начальный объем (мл) | 145 [18] | - | - | - |
Скорость потока газа (мл/мин) | 2.7 [18] | 20 [19] | - | - |
Объем колонки (мл) [20] | - | - | 80 [20] | - |
Буфер (мМ) [20] | - | - | 100 [20] | - |
Площадь мембраны (м 2 ) [21] | - | - | - | 0,045 [21] |
Поток проницаемости (м 2 /ч) [21] | - | - | - | 70 [21] |
Значение pH | 4.9 [18] | 2 [19] | 4 [20] | 7 [21] |
pH является важным фактором в пенообразовании, поскольку он определяет, сможет ли поверхностно-активное вещество перейти в пенную фазу из объемной жидкой фазы. Изоэлектрическая точка является одним из факторов, который необходимо учитывать, когда поверхностно-активные вещества имеют нейтральные заряды, они более благоприятны для адсорбции на границе раздела жидкость-газ. pH представляет собой уникальную проблему для белков из-за того, что они будут денатурировать при слишком высоких или низких значениях pH. Хотя изоэлектрическая точка идеальна для адсорбции поверхностно-активного вещества, было обнаружено, что пена наиболее стабильна при pH 4, а объем пены максимален при pH 10. [17]
Длина цепи неполярных частей поверхностно-активных веществ будет определять, насколько легко молекулы могут адсорбироваться в пену, и, следовательно, будет определять, насколько эффективным будет отделение поверхностно-активного вещества от раствора. Более длинные цепи поверхностно-активных веществ имеют тенденцию объединяться в мицеллы на поверхности твердого тела-жидкости. Концентрация поверхностно-активного вещества также играет роль в процентном удалении поверхностно-активного вещества. [6]
Некоторые другие факторы, которые влияют на эффективность пенообразования, включают скорость потока газа, размер и распределение пузырьков, температуру раствора и перемешивание раствора. [6] Известно, что моющие средства влияют на пенообразование. Они увеличивают способность раствора к пенообразованию, увеличивая количество белка, восстановленного в пене. Некоторые моющие средства действуют как стабилизаторы пены, такие как бромистый цетилтриметиламмоний (CTAB). [17]