Elektrofiltration - Electrofiltration

Nicht zu verwechseln mit Elektrofilter .

Die Elektrofiltration ist eine Methode, die Membranfiltration und Elektrophorese in einer Sackgasse kombiniert .

Die Elektrofiltration wird als geeignete Technik zur Konzentration und Fraktionierung von Biopolymeren angesehen . Die Filmbildung auf der Filtermembran, die die Filtration behindert, kann durch Anlegen eines elektrischen Feldes minimiert oder vollständig vermieden werden , wodurch die Filtrationsleistung verbessert und die Selektivität im Falle einer Fraktionierung erhöht wird. Dieser Ansatz reduziert die Kosten für die Weiterverarbeitung in Bioprozessen erheblich .

Technik

Abbildung 1: Schematische Darstellung einer Elektrofiltrationskammer

Die Elektrofiltration ist eine Technik zur Trennung und Konzentration kolloidaler Substanzen - beispielsweise Biopolymere . Das Prinzip der Elektrofiltration basiert auf der Überlagerung eines elektrischen Feldes mit einer Standard- Sackgasse . Somit erleichtert die erzeugte Polarität die elektrophoretische Kraft, die der Widerstandskraft des Filtratstroms entgegengesetzt ist, und lenkt die geladenen Biopolymere . Dies sorgt für extreme Abnahme der Filmbildung auf den Mikro- oder Ultrafiltrationsmembranen und die Reduzierung der Filtrationszeit von mehreren Stunden durch Standardfiltration auf wenige Minuten mit dem Elektrofiltration . Im Vergleich zur Querstromfiltration zeigt die Elektrofiltration nicht nur einen erhöhten Permeatfluss, sondern garantiert auch eine verringerte Scherkraftspannung, was sie als besonders milde Technik zur Trennung von Biopolymeren qualifiziert , die normalerweise instabil sind.

Die vielversprechende Anwendung bei der Reinigung biotechnologischer Produkte beruht auf der Tatsache, dass Biopolymere schwer zu filtrieren sind, andererseits jedoch normalerweise aufgrund des Vorhandenseins von Amino- und Carboxylgruppen geladen werden. Das Ziel der Elektrofiltration besteht darin, die Bildung von Filterkuchen zu verhindern und die Filtrationskinetik von schwer zu filtrierenden Produkten zu verbessern.

Die Elektrophorese der Partikel und die Elektroosmose werden wesentlich, wenn der Filtrationsprozess mit einem elektrischen Feld überlagert wird . Durch Elektrofiltration wird die herkömmliche Filtration mit einem elektrischen Feld (DC) überlagert, das parallel zur Strömungsrichtung des Filtrats arbeitet. Wenn die entgegengesetzt zum Fließen gerichtete elektrophoretische Kraft F E die hydrodynamische Widerstandskraft F W überschreitet , wandern die geladenen Teilchen aus dem Filtermedium und verringern so die Dicke des Filterkuchens auf der Membran erheblich .

Wenn die festen Partikel, die einer Trennung unterliegen, negativ geladen sind, wandern sie zur Anode (positiver Pol) und lagern sich auf dem dort befindlichen Filtertuch ab. Infolgedessen befindet sich auf der Membran der Kathodenseite (negativer Pol) nur ein sehr dünner Film, so dass fast das gesamte Filtrat durch diese Membran abfließen kann.

Abbildung 1 zeigt schematische Beschreibung von Elektrofilterkammer mit Spülung Elektroden . Für den Spülkreislauf wird eine Pufferlösung verwendet. Dieser Ansatz wurde patentiert.

Grundlegend

Abbildung 2: Filterkuchen aus Xanthan auf der Filterplatte

Die hydrodynamische Widerstandskraft wird nach dem Stokes'schen Gesetz bewertet .

Die elektrophoretische Kraft wird nach dem Coulombschen Gesetz bewertet .

In diesen Gleichungen zeigt r H den hydrodynamischen Radius der Kolloide , - die Geschwindigkeit der elektrophoretischen Migration, - die dynamische Viskosität der Lösungen, - die Dielektrizitätskonstante im Vakuum, die relative Dielektrizitätskonstante von Wasser bei 298 K, das Zetapotential , E ist das elektrische Feld . Der hydrodynamische Radius ist die Summe der Partikelradien und der stationären Lösungsmittelgrenzfläche.

Durch stationäre elektrophoretische Migration geladener Kolloide befinden sich die elektrophoretische Kraft und die hydrodynamische Widerstandskraft im Gleichgewicht, beschrieben durch:

F W + F E = 0

Diese Effekte beeinflussen die Elektrofiltration von Biopolymeren , die auch nicht nur durch die hydrodynamische Widerstandskraft, sondern auch durch die elektrische Feldkraft geladen werden könnten. Die Fokussierung auf die Kathodenseite zeigt, dass die negativ geladenen Teilchen von der elektrischen Feldkraft beeinflusst werden, die der hydrodynamischen Widerstandskraft entgegengesetzt ist. Auf diese Weise wird die Bildung von Filterkuchen auf dieser Seite behindert oder im Idealfall wird überhaupt kein Filterkuchen gebildet. In diesem Fall wird das elektrische Feld als kritisches elektrisches Feld E krit bezeichnet . Infolge des Gleichgewichts dieser Kräfte werden Flüssigkeiten, die dem Einfluss elektrischer Kraft ausgesetzt sind, geladen. Neben dem angelegten Hydraulikdruck ∆pH wird der Prozess auch durch den elektroosmotischen Druck P e beeinflusst .

Modifizierung der Darcy-Grundgleichung zur Beschreibung der Filterkuchenbildung mit elektrokinetischen Effekten durch Integration unter der Annahme, dass die Konstanten des elektroosmotischen Drucks P e , des kritischen elektrischen Feldes E krit und des elektrischen Feldes E verwendet werden. Ergebnisse: Frühere wissenschaftliche Arbeiten in Die Abteilung für Bioverfahrenstechnik des Instituts für Ingenieurwissenschaften in den Biowissenschaften der Universität Karlsruhe hat gezeigt, dass die Elektrofiltration für die Konzentration geladener Biopolymere wirksam ist . Sehr vielversprechende Ergebnisse bezüglich der Reinigung des geladenen Polysaccharids Xanthan werden bereits erhalten. 2 zeigt einen Xanthan-Filterkuchen.

Verweise

  1. ^ WO 02051874  "Elektrofiltration von Biopolymeren"
  2. ^ Hofmann R., Posten C. (2003). "Verbesserung der Sackgasse-Filtration von Biopolymeren durch Druck-Elektrofiltration". Chemieingenieurwesen . 58 (17): 3847. doi : 10.1016 / S0009-2509 (03) 00271-9 .

Literatur

  • Vorobiev E., Lebovka N. (2008). Elektrotechnologien zur Extraktion aus Nahrungspflanzen und Biomaterialien, ISBN  978-0-387-79373-3 .