Separační, purifikační a izolační techniky I. Membránové procesy v gradientu elektrického pole II. Potravinářské aplikace membránových technik Andrea Hinková, Ústav sacharidů, B 45, tel.: 22044 3111 mail: hinkovaa@vscht.cz
7. Membránové separace v gradientu elektrického potenciálu. Princip: 1. Pohyb nabitých částic (vzniklé disociací ve vodě) ve stejnosměrném elektrickém poli (jedna z látek musí mít charakter elektrolytu) 2. Transport částic membránou nazvanou: Iontově aktivní (iontově výměnné) nebo elektrodialyzační Membrána obsahuje jeden druh iontů Protiiont Koiont Hnací síla: rozdíl elektrických potenciálů (napětí)
Iontově aktivní membrány Kationaktivní pohyb kationtů (sulfonová skupina SO3 2-, karboxylová skupina COO - ) Anionaktivní pohyb aniontů (terciální aminy N+ (CH3) 3 ) Bipolární (amfoterní) obsahují ionogenní skupiny obou druhů; uspořádání v kompartmentech či mozaikové Heterogenní Homogenní Vlastnosti membrán: Vysoká iontová selektivita Mechanické vlastnosti Zanesení membrány
Princip transportu iontů + + - Elektrické pole - - - + - - + + - + - + Pohyblivé ionty Vázané ionty Koncentrace iontů v membráně dána Donnanovou rovnováhou: c FIX + c - = c + + - c = pohyblivé ionty Neideální membrána obsahuje i volné c - ionty ideální membrána Při transportu platí princip elektroneutrality Proudová (coulometrická) účinnost membrány dána transportními čísly: Průnik koiontů zhoršení účinnosti separace t 1 t
. Tok Q na iontově aktivní membráně Závislost mezi Q a proudovou hustotou i: Vyjádření pomocí napětí U (V): = Účinnost z F c i A I Q z F c U Q R N Složka proudu odporu membrán, roztoků, celé aparatury Dosažení vysokého toku Q: vysoké napětí, proud Ale! Limitní proud: + I > I lim roste R (teplo, rozklad vody) c + - ionty membrána
Elektrodialýza Průmyslové využití nízkomolekulární iontové látky (důlní vody odsolení - NaCl, pitná voda odsolení, půdy odsolení - Na 2 SO 4, výroba kuchyňská sůl, regenerace oplachovacích lázní Ni, odsolení mořské vody) oddělováni anorganických kyselin od organických, snižování kyselosti ovocných šťáv a koncentrátů bílkoviny (čištění sér, vakcín, proteinů) regenerace reagencí http://w3.bgu.ac.il/ziwr/desalination/images/electrodialysis.gif
NaCl (VSTUP) Princip elektrodialýzy: + - + Na + Na + Na + - + Anoda + - + Cl - Cl - Cl - - - Katoda + AA - KA + AA - KA Koncentrát Odsolený roztok AA = anion aktivní membrána KA = kation aktivní membrána
Membránová elektrolýza (ME) Elektrochemický proces využívající membrány Anodový a katodový prostor oddělen membránou Redoxní reakce probíhají přímo s elektrony u dané elektrody: Nespotřebovávají se žádná redoxní činidla Nevznikají odpadní redoxní činidla, která by se musela likvidovat Rychlost reakce se snadno reguluje elektrickým proudem Obvykle mírné reakční podmínky Energeticky náročné reakce probíhají při vyšším potenciálu Použití: Výroby nasycených roztoků (např. NaOH z NaCl) Výroba organických kyselin z jejich solí přítomných v fermentační zápaře (kys. mléčná, glukonová, octová, citrónová, atd.) Výroba minerálních kyselin z jejich solí (HCl, HNO 3, H 2 SO 4 )
Membránová cela pro elektrolýzu Výroba Cl 2,H 2 a NaOH z NaCl: Anoda Chloridové ionty oxidovány na Cl 2 Katoda z vody se uvolňuje H 2 a OH - ionty Na + procházejí membránou do katodového prostoru, kde reagují s OH - Reaktanty: NaCl a voda Produkty: plyny Cl 2,H 2, NaOH a vyčerpaný NaCl http://wps.prenhall. com/wps/media/ob jects/602/616516/ Chapter_18.html
Membránová elektrolýza Cl - ionty přecházejí do anodového prostoru: vysoká koncentrace Cl - je zajištěna přídavkem soli - CaCl 2. Katodový prostor: i nízká koncentrace HCl je dostatečná jako zdroj Cl - iontů Anionselektivní membrány jsou obvykle zničeny oxidačními činidly ALE v současné době se vyvíjejí nové odolné vůči chloru. http://www.bci.uni-dortmund.de/tca/web/de/textonly/content/mitarb/akad_oberrat/pics/fig_4.gif
Recyklace solí a jejich rozdělení mezi příslušné kyseliny a zásady Příklad: Uzavření okruhů v chemických procesech - Síran sodný do roztoku kyseliny sírové a hydroxidu sodného Kombinace elektrolýzy a elektro-dialýzy s využitím anionselektivní membrány http://www.bci.unidortmund.de/tca/web/de/textonly/content/mitarb/akad_oberrat /akad_oberrat.html
8. Preparativní separace v gradientu elektrického pole. Využívající membránu: Ochuzování transportem Elektrogravitace Elektroosmóza Elektroforéza - s nuceným tokem Elektrokinetické procesy: Elektroforéza zónová Elektroforéza s pohyblivým rozhraním Isoelektrická fokusace Izotachoforéza Separační procesy využívající iontově aktivní membrány Není aplikováno vnější el. pole: Donnanova dialýza Dialýza s iontově aktivními membránami Difúzní dialýza
Ochuzování transportem (transport depletion) Princip: Elektrodialýza s elektroneutrálními membránami AA membrány nelze použít fouling, malá účinnost Použití: Separace organických látek, koloidů Princip: Elektrogravitace Membrána neumožňuje transport daných iontů KA Zakoncentrování produktů v těsné blízkosti membrány Použití: Zahušťování roztoků elektrolytů (KA membrány) - - + Zřeďováni suspenze koloidů (neutrální membrány) produkt
Kationaktivní membrány - např. tavený křemík, obsahují silanolové skupiny (Si-OH), které jsou negativně nabity (Si-O-). Douvrstva blízko povrchu membrány. Kationty přitahovány katodou a začnou se pohybovat přes membránu, s tím že díky solvataci strhávají s sebou část rozpouštědla (vody). nízké ph kapilára svůj záporný náboj ztrácí dvouvrstva se ztenčuje. Elektroosmóza
Electroosmotický tok v kapiláře z taveného křemíku Princip jevu elektroosmóza: Kapilára z taveného křemíku naplněná vodou: dochází k vytvoření elektrické dvouvrstvy na fázovém rozhraní kapalina - pevná látka. Aplikace elektrického napětí podél kapiláry způsobí pohyb některých H+ iontů směrem ke katodě v kapalné fázi elektrické dvouvrstvy. Viskózní interakce mezi těmito ionty a zbytkový tok v kapiláře způsobí tok stržených iontů. Použití: v mikrompumpách (použ. farmaucetický průmysl, nízký objem a průtok, vysoká přesnost) http://www.stanford.edu/~dlaser/electrokinetics_and_eof/electrokinetics_and_eof.htm
Elektroforéza s nuceným tokem Více membrán o různé velikosti pórů Řazeno za sebou (sítový efekt) Obvykle tříkompartmentová cela + - Elektroforéza zónová Založena na rozdílné pohyblivosti iontů v elektrickém poli i Elektrické pole hnací síla, zvyšuje rychlost Pohyblivost velikost náboje, velikost molekuly, tvar molekuly, teplota a koncentrace Nosič: papír, gel (polyakrylamid) + vzorek - pufr pufr + - pufr pufr pufr
Elektroforéza s pohyblivým rozhraním Podmínka separace: různá pohyblivost iontů L > A > i > 0 L vedoucí elektrolyt Kvantitativní i kvalitativní analýza šířka zóny, vzdálenost zóny L A, B C, D.. L A B C D E F G Isoelektrická fokusace Dělení polyamfolytů v gradientu ph a elektrického pole Vzorek rozptýlen v celém prostředí Dělení podle isoelektrického bodu - Zásaditější prostředí - + růst ph + Kyselejší prostředí
Obdoba elektroforézy s pohyblivým rozhraním ALE dva elektrolyty: vedoucí L a koncový T Kapilára Kvalitativní i kvantitativní analýza Pohyb iontů v konstantním el. poli Izotachoforéza Použití: Anorganické ionty (anionty, kationty alkalické kovy, kovy alkalických zemin, těžké kovy) Organické kyseliny (vyšší mastné kyseliny, amino-kyseliny) Aminy Další: aspartám, hnojiva, pesticidy, konzervační látky, barviva, léčiva, alkaloidy...
Izotachoforéza - analýza Detekce: elektrická vodivost, UV, teplotní
Izotachoforéza - přístroj
Separační procesy využívající iontově aktivní membrány Dialýza s iontově aktivními membránami Oddělování elektrolytů od neelektrolytů: močovina CaCl 2, formaldehyd Na 2 SO 4, aceton H 2 SO 4 KA membrána neprochází anionty Princip elektroneutrality neprochází ani kationty (není vnější el. pole) Průchod jen elektroneutrálních molekul Donnanova dialýza Iontově aktivní membrány propustné jen pro ionty Koncentrují se na jedné straně membrány Vysoké zakoncentrování látek (až 25-násobné) Difúzní dialýza Obdoba dialýzy s iontově aktivní membránou Odsolování kyselin
9. Aplikace membránových procesů v potravinářském průmyslu a biotechnologiích Použití: odstranění vysokomolekulárních látek čištění a odbarvování předčištění a zahuštění před dalším technologickým krokem separace produktů a dalších cenných látek z odpadních proudů, které se dají následně zpracovat studená sterilaci produktů čištění odpadních vod nahrazení tradičních filtračních postupů využívajících přídavek filtračních prostředků (např. křemeliny) Výhoda: nedochází ve většině případů ke změnám senzorických vlastností zůstává zachována aktivita u biologicky aktivních látek (potraviny) nemění se nutriční hodnota snížení provozních nákladů při produkci potravin (např. nahrazením tepelně náročných procesů jako je destilace, odpařování, apod.)
Mlékárenství Největší aplikační možnosti MSP z potravinářských technologií Odhad používané filtrační plochy 300 tis. m 2 ve světě Nejčastěji UF a RO ale možnosti i pro MF Profil velikostí látek a částic v mléku a syrovátce Cheryan M.: Ultrafiltration and Microfiltration Handbook, Technomic Pub. Co., 1998
Možné použití MF a UF v mlékárenství Odstranění bakterií a tuku z mléka a syrovátky Oddělení a zkoncentrování vysokomolekulárních složek mléka - UF (retentát - proteiny, tuk a na proteiny vázané soli) Cheryan M.: Ultrafiltration and Microfiltration Handbook, Technomic Pub. Co., 1998
Možné použití MF, UF a RO v mlékárenství Výroba koncentrátu syrovátkového proteinu - odtučněná syrovátka se koncentruje pomocí UF; membrána zachytí protein a zbylý tuk, propustí laktózu, soli a jiné nízkomolekulární složky do permeátu. RO syrovátky 1.úspěšná průmyslová aplikace Zahušťování kapalných frakcí: mléko, syrovátka (WPC = Whey Protein Concentrate; 82-85%, WPI = Whey Protein Isolate; 90%) Odsolení slané syrovátky nanofiltrací. Izolace laktózy Cheryan M.: Ultrafiltration and Microfiltration Handbook, Technomic Pub. Co., 1998
Možné aplikace membránových technologií v mlékárenství Výhodné je také použít ultrafiltraci mléka před srážením mléka syřidlem a srážet až vzniklý retentát, což v důsledku znamená snížení spotřeby mléka, syřidla a startovací kultury. Negativa: Vyšší obsah proteinů - vyšší viskozita mléka horší vmíchání syřidla a start. kultury - vliv na texturu sýru Recyklace retentátu - částečná homogenizace tuku zhoršení textury tvrdých syrů Cheryan M.: Ultrafiltration and Microfiltration Handbook, Technomic Pub. Co., 1998
Možné aplikace membránových technologíí v mlékárenství Z filtrovaného mléka se vyrábí řada dalších produktů kondenzované a sušené mléko, sýry, tvaroh, jogurt, zmrzlina atd. UF základ pro výrobu sýrů Standardizace obsahu proteinů a tuků pomocí UF vyrovnání kvality Cheryan M.: Ultrafiltration and Microfiltration Handbook, Technomic Pub. Co., 1998
Výroba zeleninových a ovocných šťáv Sled technologických kroků při výrobě ovocných šťáv a jejich možné nahrazení ultrafiltrací Cheryan M.: Ultrafiltration and Microfiltration Handbook, Technomic Pub. Co., 1998
Nápojový průmysl Výroba zeleninových a ovocných šťáv UF: studená sterilizace a čiření šťáv Filtrace pektinasy Odstranění zákalu Příklad: jablečný džus keramické membrány Cheryan M.: Ultrafiltration and Microfiltration Handbook, Technomic Pub. Co., 1998
Výroba koncentrátu ovocných šťáv Kombinace UF a RO: UF - studená sterilizace a čiření šťáv RO - zakoncentrování před odpařováním; případně se permeát z UF následně pouze zahušťuje RO Zahušťování kapalných frakcí: ovocné šťávy, kávový extrakt (RO) Vliv filtrace na kvalitu šťáv Cheryan M.: Ultrafiltration and Microfiltration Handbook, Technomic Pub. Co., 1998
Masný průmysl a konzervárenství UF - koncentrace krevního séra z krve hospodářských zvířat Ultrafiltrace ochranné atmosféry pro balení masných výrobků (odstranění MO, vlhkosti, pevných částic) Odstranění kyslíku a jeho náhrada dusíkem (permeace) - zvýšení trvanlivosti balených masných výrobků Čištění a odstranění bílkovin z roztoků na nakládání masa Zahušťování vaječných bílků a celých vajec UF koncentrování a odsolení želatinového proteinu před odpařováním Cheryan M.: Ultrafiltration and Microfiltration Handbook, Technomic Pub. Co., 1998
Škrobárenství Zpracování škrobových sirupů (hydrolýza škrobu na glukosu a isomerace glukosy na fruktosu pomocí enzymů) UF - separace a koncentrování enzymů - dají se znovu použít. Rafinace hydrolyzátů - čištění, odbarvování, odstranění tuku (kukuřičné sirupy), bílkovin, koloidních částic, suspendovaných částic. Čištění odpadních vod Paolucci-Jeanjean D. et al. (1999): Starch/Stärke 51, No. 1, pp. 25-32.
Možné použití membránových procesů pro čištění škrobových sirupů Cheryan M.: Ultrafiltration and Microfiltration Handbook, Technomic Pub. Co., 1998
Mikrofiltrace pro čištění škrobových sirupů parametry: škrobový sirup 95 DE filtrační plocha 2x 442 m 2 investiční náklady: 2,08 mil. $ Singh N., Cheryan M. (1998): Journal of food Engineering 38, pp. 57-67. srovnání provozních nákladů
Membránový reaktor pro hydrolýzu škrobu Membránový reaktor - výroba HFCS (high fructose corn syrups) hollow fibres a-amylasa a glukoamylasa přidány do substrátu a filtrovány Nevýhody tradiční (vsádkové) výroby: nízká výtěžnost vysoké objemy reakčních směsí (vysoké investiční náklady) variabilita produktu vsádka od vsádky nízké využití enzymu Paolucci-Jeanjean D. et al. (1999): Starch/Stärke 51, No. 1, pp. 25-32.
Cheryan M.: Ultrafiltration and Microfiltration Handbook, Technomic Pub. Co., 1998 Pekařství Izolace a koncentrování proteinů ze sóji, ovsa a pšenice Získávání lepku: Lepek = směs proteinů obsažená v obilném zrnu Méně kvalitní lepek (slaný, s obilným aroma nebo zabarvený) musí být upraven odstraněním nežádoucích složek po extrakci alkalickým roztokem, roztokem alkoholu a nebo směsí obou. Extrakt UF (nežádoucí nízkomolekulární látky přecházejí do permeátu).
Cukrovarnictví Výroba cukru = energeticky náročný proces membrány by přinesly vysoké energetické úspory ALE limitace: vysoká viskozita a vysoký osmotický tlak cukerných šťáv UF čištění lehké šťávy (sterilita, nižší barevnost) RO zakoncentrování lehké šťávy před odparkou (energetic. úspory) RO - vody získané lisováním vyextrahované řepné drtě po průchodu extraktorem (řízkolisová voda) sterilita, odstranění řepné drtě, koloidů, bílkovin
Možné aplikace membrán v cukrovarnictví
Čištění a zkoncentrování řízkolisových vod
Sušení ŘEPA CUKROVKA Extrakce VYSLAZENÉ ŘÍZKY Schéma navržené bezodpadové technologie spojení výroby cukru a fermentační technologie Filtrace surové šťávy (Separace řízků) Rafinace Mikrofiltrace PERMEÁT SUROVÝ CUKR MELASA Fermentace melasy BÍLÝ CUKR SUROVÁ ŠŤÁVA Řízky RETENTÁT Odparka (zahuštění permeátu) Chladící krystalizace (během kampaně) MATEČNÝ SIROB Skladování matečného sirobu (během kampaně) Ředění a fermentace matečného sirobu (mimo kampaň) Fermentace Částečná recyklace výpalků ETHANOL Rafinace Destilace VÝPALKY BIOETHANOL Krystalizace Na2SO4, K2SO4 Zahuštění výpalků Sušení SUŠENÉ ŘÍZKY KRMNÉ PELTY
Pivovarství a vinařství UF přečištění moštu před fermentací (= odstranění koloidů, vysokomolekulárních taninů, polysacharidů, zákalu, proteinů, suspendovaných pevných látek, polyfenolů, mikroorganismů) Cross-flow filtrace mladiny (doplněk k vířivým kádím) MF po fermentaci (= odstranění kvasinek, náhrada svíčkových filtrů a filtrace s křemelinou) UF vína i piva zvýšení stability produktu (nahrazení svíčkových filtrů, filtrace s křemelinou) Pervaporace - nealkoholická piva
Odstranění přebytečného CO 2 z piva Čištění, sušení a skladování CO 2 Aerace mladiny permeace plynů (husté polymerní membrány) O Shaughnessy C., McKechnie M. (1996): The Brewer, March 1996, pp. 105-110.
Aplikace membrán při čištění vína Cheryan M.: Ultrafiltration and Microfiltration Handbook, Technomic Pub. Co., 1998
Biotechnologie, medicína, biochemie Ohromný potenciál pro využití MSP!! Předpokládaný nárůst obratu na trhu aplikací membránových technologií v přírodních vědách v letech 2002-2009 (miliony $)
Biotechnologie Bioreaktory enzymová a mikrobiální konverze (imobilizace) Reaktory pro tkáňové kultury Produkce vysoce čisté (tzv. ultračisté) vody Filtrace plynů vstupujících do bioreaktorů (sterilita) Filtrace výstupních plynů z bioprocesů Sterilizace médií buněčných kultur Cheryan M.: Ultrafiltration and Microfiltration Handbook, Technomic Pub. Co., 1998
Imobilizace buněk na dutých vláknech v biorektoru Cheryan M.: Ultrafiltration and Microfiltration Handbook, Technomic Pub. Co., 1998
Biotechnologie a farmaceutický průmysl Separace mikroorganismů a proteinů (MF, UF): Izolace buněk a biomasy z fermentačního média Purifikace produktů po fermentaci (MF, UF, NF, RO, membránová elektrolýza = odstranění org. kyselin, ED): Iozolace metabolitů z média výroba antibiotik (Penicillin, Bacitracin, Cefalosporin, Streptomycin, Tetracyklin; náhrada rotačních vakuových filtrů zvýšení výtěžností, snižení výrobních nákladů) Průmyslová výroba enzymů (Celulasy, peroxidasy, proteasy; zakoncentrování enzymů před dalšími downstream procesy) Čištění a zkoncentrování aminokyselin Výroba a čištění proteinů Výroba organických kyselin (k. mléčná, máselná, citrónová, octová) Výroba vitaminů, vakcín, monoklonálních protilátek a léčiv Odstranění virů při výrobě léčiv Zahuštění a demineralizace krevní plasmy Zahuštění peptidů Další aplikace membrán: Zachycení vzorků na membránu při mikroskopii Přenos, imobilizace a detekce DNA, RNA a proteinů
Použití membrán pro snížení rizika kontaminace BSE Řada biologických materiálů a léčiv se vyrábí kultivací na médiích obsahujících hovězí sérum Riziko přítomnosti peptidových struktur (tzv. prionů) způsobujících BSE (Nemoc šílených krav) Firma Pall Co. vyvinula membránový systém pro filtraci, který je schopen tyto struktury odstranit z - živočišných růstových faktorů - sér (používaných na výrobu léčiv) - krve pro transfúzi - ústních roušek, apod. Používá se ultrafiltrační systém Pall Ultipor VF doposud používaný pro odstranění virů, bakterií a izolaci imunoglobulinu