Электрофильтрация

Не путать с электрофильтром .

Электрофильтрация – это метод, сочетающий в себе мембранную фильтрацию и электрофорез в тупиковом процессе.

Электрофильтрация считается подходящим методом концентрирования и фракционирования биополимеров . Образование пленки на мембране фильтра, которая препятствует фильтрации, можно свести к минимуму или полностью избежать путем применения электрического поля , улучшая производительность фильтрации и увеличивая селективность в случае фракционирования. Такой подход значительно снижает затраты на последующую переработку в биопроцессах.

Техника

Рисунок 1: Схематическое изображение камеры электрофильтрации.

Электрофильтрация — это метод разделения и концентрирования коллоидных веществ, например биополимеров . Принцип электрофильтрации основан на наложении электрического поля на стандартную тупиковую фильтрацию . Таким образом, созданная полярность способствует возникновению электрофоретической силы, которая противоположна силе сопротивления потока фильтрата и направляет заряженные биополимеры . Это обеспечивает резкое снижение пленкообразования на микро- или ультрафильтрационных мембранах и сокращение времени фильтрации с нескольких часов при стандартной фильтрации до нескольких минут при электрофильтрации. По сравнению с фильтрацией с перекрестным потоком электрофильтрация не только обеспечивает увеличенный поток пермеата, но также гарантирует снижение напряжения сдвигающей силы, что делает ее особенно мягким методом разделения биополимеров , которые обычно нестабильны.

Перспективное применение при очистке биотехнологических продуктов основано на том, что биополимеры трудно фильтруются, но, с другой стороны, они обычно заряжены за счет присутствия амино- и карбоксильных групп. Целью электрофильтрации является предотвращение образования осадка на фильтре и улучшение кинетики фильтрации труднофильтруемых продуктов.

Электрофорез становятся необходимыми , частиц и электроосмос когда процесс фильтрации накладывается на электрическое поле . При электрофильтрации на традиционную фильтрацию накладывается электрическое поле (постоянный ток), которое действует параллельно направлению потока фильтрата. Когда электрофоретическая сила F _E , противоположно направленная потоку, превосходит силу гидродинамического сопротивления F _W , заряженные частицы мигрируют из фильтрующего материала, тем самым значительно уменьшая толщину фильтрационного осадка на мембране.

Когда твердые частицы, подлежащие сепарации, заряжаются отрицательно, они мигрируют к аноду (положительному полюсу) и оседают на расположенной там фильтровальной ткани. В результате на мембране со стороны катода (отрицательный полюс) образуется лишь очень тонкая пленка, позволяющая почти всему фильтрату вытекать через эту мембрану.

На рис. 1 представлено схематическое описание камеры электрофильтрации с промывочными электродами . Для промывочной циркуляции буферный раствор используется . Этот подход запатентован.

Фундаментальный

Рисунок 2. Фильтровальный осадок ксантана на фильтрующей пластине.

Сила гидродинамического сопротивления рассчитывается по закону Стокса .

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

Электрофоретическая сила оценивается по закону Кулона .

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

В этих уравнениях r _H представляет гидродинамический радиус коллоидов , $\nu$ – скорость электрофоретической миграции, $\eta$ – динамическая вязкость растворов, $\varepsilon _{0}$ – диэлектрическая проницаемость в вакууме, $\varepsilon _{r}$ - относительная диэлектрическая проницаемость воды при 298 К, $\zeta$ – дзета-потенциал , E – электрическое поле . Гидродинамический радиус представляет собой сумму радиусов частиц и стационарной границы раздела растворителей.

При стационарной электрофоретической миграции заряженных коллоидов электрофоретическая сила и сила гидродинамического сопротивления находятся в равновесии, что описывается формулой:

Ф _Ж + Ф _Э = 0

Эти эффекты влияют на электрофильтрацию биополимеров , которые также могут заряжаться не только силой гидродинамического сопротивления, но и силой электрического поля. Фокусирование на стороне катода показывает, что на отрицательно заряженные частицы действует сила электрического поля, противоположная силе гидродинамического сопротивления. Таким образом, образование фильтрационной корки на этой стороне затрудняется или в идеальной ситуации фильтрационная корка вообще не образуется. В этом случае электрическое поле называется критическим электрическим полем E _crit . В результате равновесия этих сил жидкости, подвергнутые воздействию электрической силы, становятся заряженными. Помимо приложенного гидравлического давления ∆pH на процесс также влияет электроосмотическое давление P _e .

Модификация основного уравнения Дарси , описывающего образование фильтрационной корки, с электрокинетическими эффектами путем интегрирования в предположении использования констант электроосмотического давления P _e , критического электрического поля E _krit и электрического поля E приводит к следующим результатам:Предыдущие научные работы, проведенные на кафедре биотехнологической инженерии Института инженерии биологических наук Университета Карлсруэ, продемонстрировали, что электрофильтрация эффективна для концентрации заряженных биополимеров . весьма многообещающие результаты по очистке заряженного полисахарида ксантана . Уже получены На рис. 2 представлен ксантановый осадок на фильтре.

Литература

• Воробьев Е., Лебовка Н., (2008). Электротехнологии экстракции из пищевых растений и биоматериалов, ISBN   978-0-387-79373-3 .