Izolace složek potravin chromatografickými a membránovými procesy

Transkript

1 Návody na laboratorní úlohu Z1, Technologický projekt N352015, 2016/2017, místnost BS41 Ing. Simona Gillarová, Ing. Svatopluk Henke, Ph.D., Ing. Vladimír Pour, CSc. Izolace složek potravin chromatografickými a membránovými procesy CHROMATOGRAFICKÉ PROCESY Chromatografická metoda dle terminologie IUPAC je fyzikální metoda separace, při níž se dělené složky rozdělují mezi dvě fáze. Jedna z těchto fází je stacionární (stacionární fáze, nehybná), zatímco druhá fáze (mobilní fáze, pohyblivá) se pohybuje ve stanoveném směru. Stacionární fází je v tomto případě pevná fáze, kterou zde představuje sorbent (adsorbent) ve formě polymerních sférických částic (běžně polystyren/divinylbenzenová matrice v rozměrech řádově desítky až stovky mikrometrů). Sorbent je umístěný zpravidla v trubce kruhového průřezu (tzv. kolona, z německého die Kolonne, sloupec) a vytváří tak geometricky válec o určitém průměru a výšce vrstvy. Mobilní fáze je v tomto případě kapalná, představuje ji demineralizovaná voda (měrná elektrická vodivost do 1 µs.cm -1 ). Tok mobilní fáze zpravidla zajišťuje dávkovací čerpadlo nebo je využito pouze gravitačního spádu. Chromatografické separační procesy patří do skupiny procesů, u kterých se na separaci podílí jak rovnováha, tak kinetika jednotlivých dílčích dějů. Rozpuštěné složky jsou unášeny konvektivním tokem mobilní fáze okolo částic sorbentu, z tohoto toku přestupují do nehybné vrstvy okolo částic (tzv. filmu), odtud do pórů částic sorbentu, dále směrem k povrchu pevné fáze a vytvářejí vazbu se sorbentem směrem k rovnováze. Celkovou rychlost složky kolonou potom ovlivňuje součet jednotlivých časových úseků dílčích dějů a míra rovnováhy. Chromatografie se podle spojitosti vstupního toku (tzv. feed neboli surovina) dělí na diskontinuální a kontinuální. V diskontinuálním režimu je surovina přiváděna v určitém časově omezeném úseku nebo omezeném množství, v kontinuálním režimu se přivádí surovina do systému nepřetržitě. Účinnost separace závisí na typu sorbentu (chemická povaha, struktura a distribuce velikosti částic) a jeho vhodné regeneraci, typu kolony (geometrie) a rozdělení vstupního toku, rozdělení teplot a toků ve vrstvě sorbentu a na typu chromatografického režimu a udržování jeho optimálních parametrů. V potravinářském průmyslu se tyto metody v zásadě používají k frakcionaci vícesložkových směsí z přírodních zdrojů, produktů, meziproduktů eventuálně odpadů chemických či biochemických výrob. Používají se k výrobě: glukosy, fruktosy, glukosových a fruktosových sirupů frakcionaci směsí monosacharidů směsí mono- a oligosacharidů inverzi sacharosy a následné separaci popř. isomeraci produktů frakcionaci zápar a výpalků (izolace organických kyselin, aminokyselin a polyfenolů) vycukerňování melasy či izolaci betainu z melasy odsolování a přečišťování roztoků či separaci optických izomerů Bezpečnost práce: Používat laboratorní plášť a vhodnou obuv. Při práci s roztokem hydroxidu sodného používat ochranné brýle. V případě překročení tlaku 300 kpa v systému, vypnout dávkovací čerpadlo.

2 MEMBRÁNOVÉ PROCESY V posledních letech doznaly membránové separační techniky značného rozšíření v nejrůznějších oblastech potravinářského průmyslu a biotechnologií. Výhodou těchto separačních procesů zůstávají nízké provozní náklady a jednoduchost zařízení, na druhou stranu dalšímu rozšíření i nadále brání vysoké ceny membrán, snižování výkonu během separačního procesu způsobené zanášením membrán a tím i vysoké nároky na jejich čištění. Pro optimalizaci filtračního procesu je třeba provést poloprovozní testy s reálnými médii, k čemuž slouží filtrační vybavení technologické haly, které zahrnuje širokou škálu tlakových separačních procesů od mikrofiltrace až po reverzní osmózu (viz. Tab. I). Tabulka I. Proces Tlakově hnané membránové procesy Velikost separovaných částic Pracovní tlak Produkt Mikrofiltrace 0,2 µm 0,2-5 bar Užitková voda bakteriálně zabezpečená Ultrafiltrace 0,1-0,05 µm 0,2-10 bar Pitná voda, užitková voda Nanifiltrace 0,01-0,001 µm 5-10 bar Pitná voda částečně odsolená Reverzní 0,001-0,0001 µm bar Odsolená voda osmoza (demineralizovaná) Zachycená částice Zooplankton, zákal, fytoplankton, bakterie, koloidy Makromolekuly, viry, koloidy Dvojmocné a trojmocné ionty, organické kyseliny Ionty jednomocné Úspěšný a dlouhodobý provoz membránových zařízení závisí zejména na: vhodném výběru, typu a materiálu membrány geometrii modulu selektivní předúpravě média před vstupem do zařízení stanovení optimálních pracovních podmínek procesu (tlakový rozdíl, rychlost proudění retentátu, úrovni koncentrací a zapojení modulů) vhodném způsobu čištění membrány a četnosti čištění dodržování optimálního pracovního režimu Bezpečnost práce Na laboratorní práci je nutné mít laboratorní plášť a vhodnou obuv do technologické haly. V laboratoři se bude pracovat s horkými dezinfekčními prostředky (podle pokynů vyučujícího: chlornan sodný, hydroxid sodný nebo kyselina dusičná) při potřísnění opláchnout vodou, případně neutralizovat. Opatrně manipulovat s chemikáliemi. Pokud dojde k úniku kapalin mimo filtrační modul, vypnout čerpadlo. Při filtraci se zvyšuje teplota filtrované směsi, při dlouhodobé filtraci může být teplota vyšší než 70 C pozor na popálení. Je potřeba sledovat teplotu a zapnout chlazení modulu Při filtraci se také zvyšuje tlak sledovat tlak v modulu a regulovat, aby nepřesáhl maximální povolené hodnoty, hrozí zničení modulu a únik kapalin mimo modul. Hnací čerpadlo by nemělo nikdy dlouhodobě běžet naprázdno hrozí zadření a zničení čerpadla.

3 ÚLOHA Č SEPARACE NA PREPARATIVNÍM CHROMATOGRAFU Obrázek 1. Chromatografická separační stanice diskontinuální (vlevo), kontinuální (vpravo) POPIS ZAŘÍZENÍ Diskontinuální chromatografická separace (stanice viz Obr. 1 vlevo) bude provedena na dvou kolonách: jedna je naplněna katexem Amberjet 1500H (Rohm und Haas, Německo), druhá anexem Dowex 550A (Dow, USA). Ke koloně je připojeno vzdáleně ovládané čerpadlo a 3/2-cestný elektromagnetický pro přepínání mezi surovinou a elučním činidlem (demineralizovaná voda) ovládání je přístupné přes operátorský panel chromatografického separátoru KCHS-SMB-8-N (Obr. 1 vpravo). Uspořádání pro diskontinuální chromatografii je na Obr. 2. SCHÉMA CHROMATOGRAFIE LI 73 Chromatographic Column Feed Eluent Sample Collection H O 03 Demineralized Water Station Thermostat V04 V03 Retentate O 02 Pressure Indicator PI 01 QI 02 Refractometer V2.3 Pump Obrázek 2. Schéma diskontinuální chromatografie

4 ROZTOKY PRO CHROMATOGRAFICKOU SEPARACI - hydrolyzát guarové gumy (guarová guma - Vega Provita s.r.o., 0,5 % roztok), ph=7 o známém monosacharidovém složení - modelové roztoky hydrolyzátu (vodné roztoky galaktosy, mannosy a případně glukosy) METODIKA Vstupní roztok se nadávkuje pomocí třícestného ventilu a čerpadla do kolony. Pomocí nastaveného toku mobilní fáze bude zajištěn jeho průchod kolonou. V přesných časových intervalech (3-5 min) se budou odebírat vzorky na výstupu z chromatografické kolony. Složení vzorků bude určeno analytickou kapalinou chromatografií HPAEC. Během měření se bude zaznamenávat průtok, tlaková ztráta, teplota kolony, detektoru a časová závislost signálu z refraktometrického detektoru. Ze složení odebraných vzorků se rekonstruují jednotlivé chromatogramy, tj. časové závislosti koncentrace složek v roztoku na výstupu z kolony. Vyhodnocením chromatogramů se pak určí separační účinnost a čistoty jednotlivých složek, které se porovnají s čistotou na vstupu. POSTUP PRÁCE A - Příprava Zapne se PLC Siemens S7-400, nastaví se připojení k stanici KCH-SMB-8-N, spustí se prostředí Matlab pro převod signálů z detektorů a nastaví se ukládání do databáze. Toto bude provedeno za asistence vyučujících na počátku práce. Po připojení jakéhokoliv roztoku k sací větvi suroviny je nutné nejdříve propláchnout celou dopravní cestu roztokem tak, aby neobsahovala žádné vzduchové bubliny, které by se mohly dostat do kolony a snižovat tak kapacitu sorbentu. To se provede tak, že se kolona nejprve odpojí za manometrem od výtlačné větve čerpadla, sepne se ventil V2.3 do pozice nástřiku (šedivá barva), čerpadlo se zapne, bubliny se vytlačí společně s roztokem do odpadu, a teprve poté se připojí výtlačná větev na kolonu. Před jakýmkoliv rozpojováním či připojováním dopravních cest musí být čerpadlo vypnuté. B - Regenerace sorbentů Společný postup pro oba sorbenty 1) Vypne se čerpadlo na operátorském panelu (čerpadlo pro cirkulaci). 2) Výstup z čerpadla se za manometrem odpojí od kolony a na operátorském panelu se nastaví průtok na 100 %, tj ml/h. Ventil V2.3 se přepne do polohy nástřiku (v panelu šedivá barva). 3) Na sací větev pro surovinu se napojí kádinka s demi vodou, sepne se čerpadlo na operátorském panelu a provede se odstranění vzduchových bublin v dopravních cestách. Čerpadlo se vypne. Připojí se výstup z čerpadla na kolonu. 4) Provede se regenerace sorbentu, opět při každé změně nátoku je nutné zajistit, aby se případné vzduchové bubliny nedostaly do kolony. V obou případech ionexu se kolona promyje nejprve 250 g demineralizované vody. Pro anex: Regenerace se provede 250 g 200 mm NaCl a následně se sorbent modifikuje 250 g 10 mm NaOH. Pro katex: Regenerace se provede 250 g 1% CaCl2. 5) Finálně se kolona promyje 250 g demineralizované vody. C - Vlastní měření 1) Výstup z čerpadla se odpojí od kolony. 2) Poté se ventil V2.3 otevře pro nástřik.

5 3) Na sací větev se připojí kádinka se vzorkem a provede se proplach dopravních cest. 4) Poté se ventil V2.3 otevře na eluent (zelená) a cesty se proplachují 30 s. 5) Výstup z čerpadla se připojí na kolonu. 6) Nastaví se průtok 150 ml/h a čerpadlo se zapne. 7) Dávkování suroviny: ventil V2.3 se zapne jedním kliknutím na nástřikovou větev (v panelu bude šedivý) a při průtoku 150 ml/h se bude nastřikovat přesně 24 s (cca 1 ml vzorku). Poté se přepne ventil V2.3 opět do polohy pro tok čistého eluentu (v panelu bude zelený). 8) Vzorky se odebírají v intervalech upřesněných vyučujícím a zápis o měření se vždy provede dle Tab. III v Příloze. D - Proplach kolon po měření Po skončení měření se nástřiková větev propláchne demineralizovanou vodou. ÚLOHA Č MIKRO A NANOFILTRACE NA MODULU TIA Obrázek 3. Filtrační stanice TIA SCHÉMA FILTRACE Obrázek 4. Schéma vsádkové membránové filtrace POPIS ZAŘÍZENÍ Francouzská jednotka TIA Bollene vybavená dvěma keramickými membránami o různé porozitě 1400, 800, 200, 100, 20 nm a 5 kda. Filtrační plocha 0,24 m 2 / jedna membrána. Základní a všeobecné vztahy: tlak hnací síla procesu

6 teplota je funkcí viskozity a tudíž ovlivňuje tokové vlastnosti média, s rostoucí teplotou klesá viskozita, a tudíž roste rychlost doba filtrace po určité době dojde k částečnému zanášení pórů membrány a zpomalení filtrace vlastnosti média složení, velikost částic, hustota METODIKA Při pokusech se bude měřit kinetika procesu (tj. závislost průtoku permeátu na čase, teplotě a pracovním tlaku vztažena na jednotku filtrační plochy), dále se bude sledovat složení retentátu během filtrace. Průtok permeátu V (l.h -1.m -2.bar -1 ) - měří se objem permeátu odebíraný po dobu sekund a přepočítaný na vstupní tlak, teplotu 20 C a jednotkovou plochu membrány podle vzorce: V = P.KT S.p [l. h 1. m 2. bar 1 ], kde P je průtok permeátu (l.h -1 ), S je plocha filtrační membrány (m 2 ), p je tlakový rozdíl (bar) a KT je teplotní koeficient (viz. Tab II.) POSTUP PRÁCE A - Příprava Před započetím práce je nutno nejprve filtrační modul důkladně vypláchnout od roztoku z předchozího čištění či stabilizaci. Pak se změří a spočítá počáteční hodnota vodního výkonu, která se po skončení práce a vyčištění membrány musí měřit znovu. Obě hodnoty se pak porovnají. Pokud se vodní výkon naměřený po skončení práce liší od počátečního více než o 20 % (je nižší), je třeba: znovu opakovat čištění použít silnější čisticí prostředky B - Měření vodního výkonu Měří se průtok permeátu při filtraci vody DE (l.h -1.m -2.bar -1 ) jako objem permeátu odebíraný po dobu sekund a přepočítaný na vstupní tlak, teplotu 20 C a jednotkovou plochu membrány Výpočet vodního výkonu: Vodní výkon (DE) je vyjadřován v l.h -1.m -2.bar -1 při tlaku 1 bar a teplotě 20 C. Vypočítá se ze vztahu: DE = P.KT S.p [l. h 1. m 2. bar 1 ], kde: P je průtok permeátu (l.h -1 ), S je plocha membrány (m 2 ), p je tlak (bar), KT je koeficient teploty (dán pro každou teplotu, viz příloha Tab. II.). Zahuštění roztoku je dáno objemovým koncentračním faktorem VCR, kde V0 je počáteční objem nátoku a VR je objem získaného retentátu: VCR = V 0 V R [1].

7 C - Vlastní filtrace 1) Připravte si suspenzi sušené syrovátky ve vodě o celkovém objemu 30 litrů a přibližné koncentraci 15 g/l 2) Filtrace probíhá v režimu s recyklem retentátu s udržovaným konstantním tlakovým rozdílem (1 bar) 3) Dobře promíchanou suspenzi nalijte do napájecí nádoby (BL). Pusťte vodu do chladiče a spusťte filtraci. Během filtrace odebírejte všechny potřebné vzorky (retentát) a měřte, případně regulujte požadované veličiny (tlak, teplota, průtok permeátu). 4) Filtruje se pouze na jedné membráně. 5) Po ustálení procesu odebírejte v pravidelných 2-3minutových intervalech vzorky suspenze vracející se zpět do napájecí nádoby (retentát), odečítejte hodnoty teploty, rozdílu tlaku před a za membránou a měřte rychlost výtoku permeátu (v ml / 10 s). Měření provádějte tak dlouho, dokud to bude možné. (POZOR! Čerpadla nesmějí běžet naprázdno bez vody!!!) Údaje zapisujte do tabulky. 6) Po nabrání posledního vzorku filtraci zastavte a modul vyprázdněte. Vypnutím čerpadla PA se automaticky vypne i čerpadlo PC. 7) U odebraných vzorků retentátu stanovte obsah sušiny. Obsah sušiny v jednotlivých vzorcích se stanoví vážkovou metodou. Před sušením je nutné sušit misky i s vloženým filtrem asi 20 minut. Po vychladnutí misek v exikátoru se s přesností na 4 desetinná místa zváží. Z dobře promíchané suspenze se odebere pipetou 10 ml vzorku a zfiltruje se přes membránový filtr tak, aby se vrstva filtračního koláče na filtru co nejvíce vysušila. Filtr s koláčem se pak vloží do příslušné misky a nechá se při teplotě 70 C sušit. Po dvou hodinách se misky ze sušárny vyjmou a po vychladnutí se opět zjistí hmotnost váženky s vloženým filtrem. 8) Rozdíl hmotností před a po sušení udává hmotnost syrovátky v 10 ml retentátu. Tento údaj je nutno přepočítat na kg sušiny v litru retentátu. 9) Po skončení filtrace se musí modul důkladně vypláchnout a vyčistit: Postup čištění a vyplachování: Alkalický postup, kyselý postup, podmínky určí vedoucí práce. 10) Na závěr změřte konečný vodní výkon a jeho hodnotu porovnejte s počáteční. 11) Do grafů vyneste průběh filtrace, tj. závislost vodního výkonu na čase a obsahu sušiny také na čase. 12) Porovnejte hodnoty DE, zhodnoťte průběhy křivek a tím i průběh filtrace. 13) Zjistěte velikost koncentračního faktoru VCR.

8 Obrázek 5. TIA - Schéma filtrační stanice ÚLOHA Č NANOFILTRACE ROZTOKŮ NA MEMBRÁNOVÉ STANICI SE SPIRÁLNĚ VINUTÝMI MEMBRÁNAMI Obrázek 6. Filtrační stanice TIA se spirálově vinutými membránovými moduly Poloprovozní membránová stanice se spirálně vinutými membránovými moduly (RO/NF System TIA, Francie). filtrační plocha 2 x 2,5 m 2 maximální tlak 40 bar maximální teplota 50 C MEMBRÁNY NTR-7450-S2F (Nitto Denko, Japonsko). Plocha membrány 2,5 m 2. FILMTEC NF (Dow, USA). Plocha membrány 2,6 m 2.

9 POSTUP PRÁCE Filtruje se v režimu s recyklem retentátu při konstantním tlaku a teplotě (20 nebo 35 C, tlak 15 barů). Přesné podmínky určí vedoucí práce. V pravidelných intervalech se měřil průtok permeátu a sleduje se i separační účinnost modulu. ROZTOKY PRO NANOFILTRACI NA SPIRÁLNĚ VINUTÝCH MODULECH: - Sušená sladká syrovátka (Whey powder spray; MORAVIA Lacto a.s, MORAVIA, Jihlava, Česká republika. Obsah syrovátky v nátoku 15 g/l. - Naturální slaná syrovátka z mlékárny Dolní Přím. Střední výkon J [l.h -1.m -2 ] zjištěný při daném tlaku (15 bar). Vodní výkon [l.h -1.m -2 ] na spirálně vinutých membránách se měří jako průtok permeátu při NF destilované vody při teplotě 25 C a tlaku 15 bar. Zjišťuje se závislost výkonu na čase při nanofiltraci na spirálně vinutém modulu. VÝPOČTY PŘI VYHODNOCOVÁNÍ MEMBRÁNOVÝCH SEPARACÍ Měření vodního výkonu Vodní výkon se měří před filtrací a po promytí modulu a membrány tak, že se provádí filtrační experimenty s destilovanou vodou při teplotě C a tlaku stejném jako je tlak při prováděné filtraci. Vodní výkon (JV) je pak spočítán jako průtok permeátu při filtraci vody za teploty 20 C podle vzorce: J V = J P KT S [l. h 1. m 2 ], kde: JP je průtok permeátu [l.h -1 ], S je filtrační plocha [m 2 ], KT je viskozitní koeficient pro přepočet na teplotu 20 C. Procentuální rozdíl ve vodních výkonech před filtrací a po čištění se pak vyjádří jako: J V = (J V,PŘED J V,PO) J V,PŘED. 100 [%], kde: JV,před je vodní výkon před filtrací a JV,po je vodní výkon po čištění membrány [l.h -1.m -2 ]. BILANCE A HMOTNOSTNÍ KONCENTRAČNÍ FAKTOR Před každou filtrací je vážen nátok a po jejím skončení permeát a retentát. Hmotnostní ztráty retentátu jsou způsobeny plněním a vyprazdňováním stanice a skutečná hmotnost retentátu je proto dopočítávána z hmotnostní bilance: m R = m N m P [kg], kde: mn je hmotnost nátoku [kg], mp je hmotnost permeátu [kg], mr je hmotnost nátoku [kg]. Tyto hodnoty dále slouží k výpočtu hmotnostního koncentračního faktoru MCF, který je dán poměrem hmotností nátoku a retentátu:

10 MCF = m N m R [1]. PRŮMĚRNÝ VÝKON FILTRACE Vzhledem k tomu, že rychlost toku permeátu v čase má u všech filtrací odlišný charakter a získaná data většinou není možné proložit jednotnou závislostí, která by vedla jednak k přehlednému porovnání všech experimentů, případně umožnila spočítání výkonu v ustáleném stavu (častokrát k ustálení toku permeátu nedojde ani u experimentů s delší dobou filtrace). V těchto případech nelze matematicky proložit naměřená data a grafy pak zobrazují pouze naměřené hodnoty. Pro porovnání výkonu jednotlivých filtrací se pak počítá s průměrným výkonem, který se spočítá jako matematický průměr naměřených výkonů. Rejekce Rejekce Ri látek membránou se počítá podle vztahu: R i = 1 c P,i c N,i [1], kde cp,i je koncentrace složky i v permeátu [g/l] a cn,i je koncentrace složky i v nátoku [g/l].

11 PŘÍLOHA Tabulka II. Korelační koeficient KT v závislosti na teplotě

12 Tabulka III. Tabulka pro zápis měřených hodnot z chromatografie Měřené hodnoty z preparativní chromatografie Datum: Skupina: Vstupní vzorek Teplota kolony Vstupní koncentrace Teplota detektoru Typ sorbentu Regenerace Čas Koncentrace Čistota Vzorek Absolutní Relativní Galaktosa Mannosa Galaktosa Mannosa hh:mm:ss min mg/l mg/l % % Pozn.