연속 폼 분리

연속 폼 분리는 폼 분리와 밀접한 관련이 있는 화학 프로세스로, 표면 활성도가 다를 때 폼을 사용하여 용액의 성분을 분리합니다.어떤 솔루션에서든 표면 활성 구성요소는 기액 계면에 흡착되는 경향이 있으며 표면 비활성 구성요소는 벌크 용액 내에 있습니다.용액이 발포되면 가장 표면 활성 성분이 발포체 안에 모여 쉽게 거품을 추출할 수 있습니다.이 공정은 용액의 지속적인 가스 흐름으로 인해 물쓰레기 처리와 같은 대규모 프로젝트에서 일반적으로 사용됩니다.

이 공정에서 두 가지 유형의 거품이 형성될 수 있습니다.습식 폼(또는 kugelschaum)과 건조 폼(또는 polyederschaum)입니다.젖은 거품은 폼 칼럼의 하부에 형성되는 경향이 있으며 마른 거품은 상부에 형성되는 경향이 있습니다.습식 폼은 더 구체적이고 점성이 있으며, 건조 폼은 직경이 크고 ^[1]점성이 떨어지는 경향이 있습니다.습식 거품은 원액에 가깝게 형성되는 반면 건조 거품은 외부 경계에서 형성됩니다.이와 같이, 대부분의 사람들이 보통 거품이라고 이해하는 것은 사실 마른 거품일 뿐이다.

연속 폼 분리를 위한 설정은 발포할 용액 용기 상단에 기둥을 고정하는 것으로 구성됩니다.공기 또는 특정 가스가 스파거를 통해 용액 중에 분산된다.상단의 포집 칼럼은 생산 중인 폼을 포집합니다.그런 다음 거품을 모아 다른 용기에 담는다.

연속포말분리공정에서는 연속가스선이 용액중에 공급되어 연속포말이 발생한다.연속 폼 분리는 용질을 분리할 때 일정한 양의 용액을 분리할 때보다 효율적이지 않을 수 있습니다.

역사

연속 폼 분리와 유사한 프로세스는 수십 년 동안 일반적으로 사용되어 왔습니다.단백질 스키머는 바닷물 수족관에서 사용되는 거품 분리의 한 예이다.거품 분리에 관한 최초의 문서는 1959년으로 거슬러 올라가며, 로버트 슈네프와 엘머 가덴 주니어는 pH와 농도의 영향을 연구하여 소 혈청 알부민을 ^[2]용액에서 분리했다.1964년 R.B. 그리브스와 R. K. 우즈가^[3] 수행한 다른 연구는 특정 변수(온도, 사료 도입 위치 등)의 변화에 기초한 분리의 다양한 효과에 초점을 맞췄다.1965년, 신시내티 대학의 로버트 렘리치는^[4] 거품 분류에 대한 또 다른 연구를 했다.렘리히는 이론과 방정식을 통해 거품 분류의 이면에 있는 과학을 연구했다.

앞에서 설명한 바와 같이 연속 폼 분리는 소수성 용질이 기포 표면에 부착되어 상승하여 폼을 형성하는 폼 분리와 밀접한 관련이 있습니다.거품 분리는 소규모로 사용되는 반면 연속 거품 분리는 도시의 수처리 등 대규모로 구현됩니다.1969년 물 환경 연맹에^[5] 의해 발행된 한 기사는 도시의 강이나 다른 수자원의 오염을 처리하기 위해 거품 분리를 사용하는 아이디어를 논의했다.그 이후로 이 과정을 더 이해하기 위한 연구는 거의 이루어지지 않았다.의학 분야에서의 생체 분자의 분리 등, 그들의 연구를 위해서 이 과정을 실행하는 많은 연구들이 여전히 있다.

배경

표면화학

지속적인 폼 분리는 화학적 잠재력에 따라 오염물질이 용매 표면에 흡착되는 능력에 따라 달라집니다.화학적 전위가 표면 흡착을 촉진할 경우 오염 물질이 용제의 대부분에서 이동하여 폼 버블 표면에 막을 형성합니다.그 결과 발생하는 필름은 단분자로 간주됩니다.

오염물질 또는 계면활성물질의 농도가 감소하면 표면 농도가 증가하며, 이는 액체-증기 계면의 표면 장력을 증가시킵니다.표면 장력은 표면의 영역을 확장하는 것이 얼마나 어려운지를 나타냅니다.표면 장력이 높으면 표면적을 늘리는 데 필요한 큰 자유 에너지가 있습니다.이렇게 표면 장력이 증가하면 기포의 표면이 수축합니다.이 수축은 거품 형성을 촉진합니다.

거품

정의.

거품은 기체가 액상 전체에 분산되는 콜로이드 분산의 한 종류입니다.액상은 기상과 ^[1]달리 연속상이라고 불리기도 합니다.

구조.

거품이 생기면서 구조가 변합니다.액체가 기체에 거품을 일으키면서, 거품은 채워진 균일한 구체에서 시작됩니다.이 단계는 습기 단계입니다.거품이 기둥 위로 이동할수록 기포가 변형되어 다면체 형태인 건조상을 형성합니다.두 개의 다면체 기포 사이의 평평한 면을 분리하는 액체는 층상이라고 불리며, 연속적인 액상입니다.세 개의 라멜라가 만나는 지역을 고원 경계라고 합니다.거품 속의 거품이 같은 크기일 때, 고원 테두리의 층이 120도의 각도로 만난다.라멜라가 약간 구부러져 있기 때문에, 고원 영역은 낮은 압력에 있습니다.연속적인 액체상은 거품이 일어나는 용액을 구성하는 계면활성제 분자에 의해 거품 표면에 고정됩니다.그렇지 않으면 액체가 고원 지대로 흘러들어 층층이 얇아지면서 거품이 매우 불안정해지기 때문에 이 고정은 중요합니다.일단 얇은 막이 너무 얇아지면 그들은 ^[6]파열될 것이다.

이론.

영-라플라스 방정식

액체 용매에 증기 기포가 형성되면 계면 장력에 의해 영-라플라스 방정식에 의해 표면 전체에 압력차 δp가 발생한다.압력은 압력 차이에 따라 반경 R인 액체 층(거품 내부)의 오목한 쪽에서 더 커집니다.습식 거품과 표준 표면장력 θ°의 구면기포에 대하여 압력변화방정식은 다음과 같다.

${\displaystyle \Delta P=syslogfrac {2\syslog ^{\syslog }}{R}}$

증기 기포가 왜곡되어 단순한 구면보다 더 복잡한 기하학적 형태를 취하기 때문에 곡률₁ R과₂ R의 두 가지 주요 반지름이 다음 ^[1]방정식에 사용됩니다.

$\displaystyle \Delta P=\gamma ^{\gamma }({\frac {1}{1}+{\frac {1}{R_{2}})})$

기포 내부에서 압력이 커지면 위 그림에 표시된 액체 층이 고원 경계 쪽으로 이동하게 되어 층이 무너지게 됩니다.

깁스 흡착 등온선

Gibbs 흡착 등온선은 농도 변화에 따른 표면 장력의 변화를 결정하기 위해 사용될 수 있다.농도를 변화가 화학적 잠재력마다 다를 경우 다음 방정식은 solvent,의 화학의 용매의, Γ1은 표면, 초과분은 용질(계면 활성제)의 Γ2은 표면을 배출해 표면 장력에서 인터페이스의 표면 장력의 dγ 변화하는 것은 변화를 대략 추정 dμ1 변화하는 것 사용될 수 있다.and₂ dμ는 ^[7]용질의 화학적 전위 변화이다.

$\displaystyle \mathrm {d} \Gamma _{1} \mathrm {d} \mu _{1} + \Gamma _{2} \mu _{2}$

이상적인 경우 δ₁=0 및 생성된 폼은 용질의 화학적 전위 변화에 따라 달라집니다.발포하는 동안 용질은 벌크 용액에서 발포 표면으로 이동하면서 화학적 전위 변화를 경험합니다.이 경우 a는 계면활성제의 활성, R은 기체 상수, T는 절대온도일 때 다음 방정식을 적용할 수 있다.

${\displaystyle \Gamma _{2}=-{\frac {{a},}{RT}},\left({\frac \flac \flac }{\flac a}}}\right)_{T},$

하나의 흡착 분자_s A가 차지하는 발포면적을 풀기 위해 N이 아보가드로의 수일 때 다음_A 식을 사용할 수 있다.

${{displaystyle A_{s}=sq{1},}{N_{A}\Gamma_{2}}}}$

적용들

폐수 처리

1950년대까지 ^[8]폐수에서 보편화된 ABS와 같은 세제 유래 발포제를 제거하기 위해 폐수 처리에 연속 폼 분리가 사용됩니다.1959년에는 발포 ^[9]폐수에 2-옥탄을 첨가함으로써 발포 분리 기술을 사용하여 활성 슬러지에서 ABS의 94%를 제거할 수 있는 것으로 나타났다.폐수 처리 중에 생성된 거품은 폐수 처리장 내에서 활성화된 슬러지 탱크에 재활용되거나, 충분한 시간이 주어지면 ABS를 분해하는 세균이 발견되거나,^[10] 추출되어 폐기될 수 있습니다.또한 폼 분리는 폐수의 ^[11]2차 처리 기술로 사용될 때 화학적 산소 요구량을 감소시키는 것으로 밝혀졌다.

중금속 제거

폐수에서 중금속 이온을 제거하는 것은 먹이사슬에 쉽게 축적되어 사람이 먹는 황새치와 같은 동물로 끝나기 때문에 중요하다.폼 분리는 특히 다단계 시스템에서 사용할 경우 폐수에서 중금속 이온을 저렴한 비용으로 제거하는 데 사용할 수 있습니다.이온 폼 분리를 수행할 때 이온 제거를 위한 폼의 최적 생산을 위해 폼 형성, 플래딩 및 울음/^[12]덤핑의 세 가지 작동 조건이 충족되어야 합니다.

단백질 추출

거품 분리는 용액에서 단백질을 추출하기 위해, 특히 희석 용액에서 단백질을 농축하기 위해 사용될 수 있다.산업적 규모의 용액에서 단백질을 정제할 때 가장 비용 효율적인 방법이 바람직하다.따라서, 폼 분리는 단순한 기계 설계로 자본 비용과 유지 보수 비용이 적게 드는 방법을 제공하며,^[13] 조작도 용이합니다.그러나 용액에서 단백질을 추출하기 위해 거품 분리를 사용하는 것이 널리 퍼지지 않은 두 가지 이유가 있습니다. 첫째, 일부 단백질은 발포 과정을 거치면 변성되고 둘째, 일반적으로 거품의 제어와 예측이 어렵습니다.포밍을 통한 단백질 추출의 성공 여부를 판단하기 위해 세 가지 계산을 사용한다.^[14]

${\displaystyle {농축비}=frac {\text {폼 속 단백질 농도}}{\text {초기 피드 속 단백질 농도}}\오른쪽}}$

농축비는 거품이 용액에서 거품으로 단백질을 추출하는 데 얼마나 효과적인지 보여주며, 수치가 높을수록 단백질이 거품 상태에 대한 친화력이 더 우수합니다.

${\displaystyle {분리비}=frac {\text {폼 속 단백질 농도}}{\text {배출구 스트림 속 단백질 농도}}\오른쪽}}$

분리율은 용액에서 거품으로 단백질을 추출하는 데 효과적일수록 수치가 높아진다는 점에서 농축비와 유사합니다.

${\displaystyle {\text{복구}}=왼쪽({\frac {\text{초기 사료 속 단백질 질량}}\오른쪽)}\배 100$

회수란 단백질이 용액에서 폼 상태로 얼마나 효율적으로 제거되는지를 의미합니다. 비율이 높을수록 단백질이 용질에서 폼 상태로 더 잘 회수됩니다.

거품 유체역학뿐만 아니라 발포의 성공에 영향을 미치는 많은 변수들은 제한된 이해를 가지고 있다.이것은 거품에 의한 단백질 회복을 예측하기 위해 수학적 계산을 사용하는 것을 복잡하게 한다.그러나 일부 추세가 확인되었습니다. 즉, 높은 회수율은 초기 용액에 고농도의 단백질, 높은 가스 유량 및 높은 사료 유량과 관련이 있습니다.얕은 웅덩이를 사용하여 발포하면 농축도 증가하는 것으로 알려져 있습니다.높이가 낮은 풀을 사용하면 적은 양의 단백질만 용액에서 거품 표면에 흡착되어 표면 점도가 낮아집니다.이로 인해 컬럼 상부의 불안정한 거품이 응집되어 거품의 크기가 증가하고 거품의 단백질 역류가 증가합니다.그러나 시스템에 주입되는 가스의 속도가 증가하면 농축비가 ^[15]감소하는 것으로 나타났습니다.이러한 계산은 예측하기 어렵기 때문에 종종 거품이 산업 규모에서 추출을 위한 실행 가능한 기술인지 여부를 결정하기 위해 벤치 및 파일럿 스케일 실험을 수행한다.

세균세포 추출

셀의 분리는 일반적으로 원심분리를 사용하여 이루어지지만, 폼 분리는 에너지 효율이 더 높은 기술로 사용되어 왔습니다.이 방법은 Hansenula polymorph, Saccharomyces Carlsbergensis, Bacillus polymyxa, Escherichia coli, Bacillus subtilis 등 많은 종류의 박테리아 세포에 사용되었으며,^[16] 소수성 표면을 가진 세포에 가장 효과적이다.

현재 및 미래 방향

1960년대에 폐수 처리와 관련하여 지속적인 거품 추출이 최초로 사용되었습니다.그 후, 추출 기술로서 발포에 관한 연구는 그다지 행해지지 않았다.그러나 최근 몇 년 동안 단백질 거품과 약품 추출에 대한 연구자들의 관심이 높아지고 있다.제품의 정화는 생명공학에서 제품 생산의 가장 비용이 많이 드는 부분이며, 발포는 일부 현재 기술보다 비용이 적게 드는 대체 방법을 제공한다.

분리 장치

발포 장치

연속 폼 분리는 폼 분리의 두 가지 주요 모드 중 하나이며, 다른 하나는 배치 폼 분리다.두 모드의 차이점은 연속 모드에서는 계면활성제 용액이 폼 칼럼에 공급되고 계면활성제 추출액도 장치 하단에서 연속적으로 배출된다는 것이다.오른쪽 그림은 기본 연속 폼 분리기의 다이어그램입니다.액체의 부피가 시간의 함수로 일정하다면 공정은 정지(또는 정상 상태)되어 있습니다.공정이 안정된 상태이면 액체가 발포 컬럼으로 넘치지 않습니다.폼 세퍼레이터의 설계에 따라 유입되는 피드의 위치는 액체 용액 위부터 폼 칼럼 ^[17]위까지 다를 수 있습니다.

거품의 생성은 기체가 액체 기둥의 바닥으로 유입되면서 시작됩니다.기기로 유입되는 가스의 양은 유량계를 통해 측정 및 유지된다.거품이 올라가고 액체가 빠지면, 거품을 모으기 위해 별도의 용기로 전환됩니다.폼 칼럼의 높이는 용도에 따라 달라집니다.우회된 거품은 거품을 붕괴시킴으로써 액화된다.이는 일반적으로 기계적인 방법으로 또는 포말 포집 용기의 압력을 낮추는 방법으로 달성할 수 있습니다.다양한 용도용 폼 분리기는 다이어그램에 표시된 기본 설정을 사용하지만 장비의 배치 및 추가에 따라 달라질 수 있습니다.

설계에 관한 고려 사항

폼 세퍼레이터 장치의 기본 형태에 관한 추가 기기를 사용하여 응용 유형에 맞는 다른 원하는 효과를 얻을 수 있지만, 기본적인 분리 프로세스는 동일하다.장비의 추가는 매개변수, 농축 E 또는 복구 R을 최적화하기 위해 사용됩니다.일반적으로 농축과 복구는 상반되는 매개 변수이지만, 두 매개 ^[17]변수를 동시에 최적화할 수 있는 능력을 보여주는 몇 가지 최근 연구가 있습니다.가스 입력 및 기타 장비 설정에 대한 유량의 변동은 파라미터의 최적화에 영향을 미칩니다.표에서는 폼 분리를 유청 단백질 용액에서 단백질인 α-락탈부민을 분리하는 데 사용되는 다른 기술과 비교합니다.

	폼 분리(세미 배치)[18]	폼 분리(배치)[19]	양이온 교환 크로마토그래피[20]	울트라필터레이션(CC-DC [21]모드)
회수율(%)	86.2[18]	64.5[19]	90[20]	팔십[21]
이송/초기 농도(mg/mL)	0.075[18]	0.49[19]	0.72[20]	1.75[21]
시작 볼륨(mL)	145[18]	-	-	-
가스 유량(mL/min)	2.7[18]	이십[19]	-	-
컬럼 볼륨(mL)[20]	-	-	팔십[20]	-
버퍼(mM)[20]	-	-	백[20]	-
막면적(m2)[21]	-	-	-	0.045[21]
투과 플럭스(m2/h)[21]	-	-	-	우리에게 더 움츠러드는 것을 보여주다
pH값	4.9[18]	2개[19]	4개[20]	7개[21]

pH

pH는 계면활성제가 벌크 액체상에서 발포상으로 이동할 수 있는지 여부를 결정하기 때문에 발포 시 중요한 요소입니다.등전점은 고려해야 할 요소 중 하나로 계면활성제가 중성전하를 가지고 있을 때 액체 가스 계면에 흡착하는 데 더 유리하다. pH는 너무 높거나 낮은 pH로 변성되기 때문에 단백질에 고유한 문제를 제공한다.등전점은 계면활성제 흡착에 이상적이지만, pH 4에서 가장 안정적이고 pH 10에서 ^[17]폼 부피가 최대인 것으로 밝혀졌다.

계면활성제

계면활성제의 비극성 부분의 사슬 길이는 분자가 얼마나 쉽게 거품에 흡착될 수 있는지를 결정하며, 따라서 용액에서 계면활성제를 분리하는 것이 얼마나 효과적인지를 결정합니다.긴 사슬 계면활성제는 고액 표면에서 미셀과 결합하는 경향이 있다.계면활성제의 농도 또한 계면활성제의 ^[6]비율 제거에 영향을 미친다.

다른.

기포의 효과에 영향을 미치는 다른 요인으로는 기체의 유량, 기포의 크기와 분포, 용액의 온도,^[6] 용액의 교반 등이 있습니다.세제는 거품에 영향을 미치는 것으로 알려져 있다.용액의 거품 발생 능력을 증가시켜 거품 발생 시 회수되는 단백질의 양을 증가시킵니다.세틸트리메틸암모늄 브롬화물(CTAB)^[17]과 같은 일부 세제는 폼의 안정제 역할을 합니다.

외부 링크

• 생체활성제 폼 분리
• 메탈 폼 만들기 비디오
• 금속 발포 비디오 접기

레퍼런스