Flokkulering

Kontrol af partikelstørrelsesfordeling for sikker procesudvikling

Ring for tilbud

Hvad er forskellen mellem flokkulering og koagulation?

Flokkulering og koagulering er to processer, der ofte bruges sammen til at fjerne urenheder og forurenende stoffer.

Koagulation involverer tilsætning af kemikalier, kendt som koaguleringsmidler, til vand, buffer eller opløsningsmidler, der destabiliserer partiklerne og får dem til at klumpe sammen. Denne proces involverer typisk dannelsen af partikler kaldet "flokke", men mere præcist karakteriseret som aggregater. Aggregater adskilles lettere fra opløselige komponenter (ofte vand) gennem sedimentering eller filtrering.

Flokkulering tager disse mindre aggregater skabt under koagulation og kombinerer dem til endnu større aggregater kendt som "flokkulering". Denne proces opnås typisk ved tilsætning af flokkuleringsmidler, som er specialiserede kemikalier, der fremmer agglomerering af partikler.

I det væsentlige er koagulation det første trin i partikelaggregering, mens flokkulering er et efterfølgende trin, der skaber større og lettere aftagelige agglomererede flokke. Begge processer er kritiske for fjernelse af urenheder og forurenende stoffer fra vand eller andre opløselige kilder.

Trin 1: Koagulation

Et koaguleringsmiddel er et middel, der bruges til at fremme aggregering eller sammenklumpning af fine partikler suspenderet i en væske. Koagulation er en kemisk proces, der involverer tilsætning af et koaguleringsmiddel for at neutralisere ladningen af dispergerede partikler. Små, submikron biologiske og kemiske molekyler bærer ofte negative overfladeladninger, der forhindrer aggregering og bundfældning (1a).

Koagulerende kemikalier kan adsorbere til partiklerne og neutralisere de negative ladninger. Neutralisering, eller undertiden titrering til en sur pH, gør det muligt for partikler at klæbe sammen, hvilket resulterer i dannelsen af stabile og velsuspenderede submikron koagulerende partikler kendt som mikroflokkulere (1b).

Hurtig blanding er nødvendig for korrekt spredning af koaguleringskemikalier for at fremme partikelkollisioner og klumpdannelse (1c). De sammenføjede partikler er stadig ret små og ikke synlige for det blotte øje.

Trin 2: Flokkulering

Flokkulering øger størrelsen af de stadig submikron koagulerende klumper, hvilket gør dem lettere at adskille. Dette kræver generelt skånsom blanding og anvendelse af polymere eller andre ioniske flokkuleringsmidler med høj molekylvægt. Flokkuleringsmidlet adsorberer koaguleringspartiklerne, ændrer overfladeegenskaber og bygger bro over huller for at lette flokkuleringsdannelser (2a). Ved at bringe partikler tæt på øges det effektive område af van der Waals tiltrækningskræfter, hvorved energibarrieren for flokkulering reduceres. Dette muliggør dannelsen af løst pakkede grupper af flokke.

Agglomerering, binding og forstærkning af flokke fortsætter, indtil synligt suspenderede makroflokke dannes (2b). Sedimentering vil forekomme givet den rigtige partikelvægt, størrelse og styrke af interaktion. De store makroflokke er meget følsomme over for blanding, og når de først er revet fra hinanden af stærk forskydning, er det svært eller umuligt for dem at reformere.

Flokkulering sker naturligt under dannelsen af snefnug og undersøiske sedimenter, men anvendes også bevidst inden for bioteknologi, olie, papirmasse og papir, spildevand og minedrift.  

Hvorfor er flokkulering vigtig?

Applikationer i industrien

Biofarmaceutiske produkter
Hele pattedyrceller med høj levedygtighed er ofte lette at filtrere på grund af deres størrelse og fordeling. Imidlertid har mikrobielle celler fra bakterie- og gærsystemer meget mindre monomere celleenheder. Biomassebyrden af mikrobielle celler eller pattedyrceller med lav levedygtighed og lille median partikelstørrelse kan skabe masser af små cellefragmenter, som tilstopper filtre og bremser filtreringshastigheden. Flokkulering anvendes til at reducere det samlede antal partikler og samtidig øge partikelstørrelsesfordelingen, hvilket forbedrer filtreringen og sikrer en effektiv og omkostningseffektiv adskillelse af cellemateriale fra supernatanten . Flokkulering kan også anvendes, hvis cellekulturen producerer flere produkter og/eller biprodukter, der udtrykkes inden for forskellige cellulære strukturer eller mikromiljøer i fermenteringsmatrixen. Eksempler omfatter membranbundet, intermembranrum eller supernatantekspression samt produkter, der adsorberes til polymerer eller endda i en flerfaseindfangning, såsom en emulsion. 

Vand- og spildevandsrensning
Spildevand kan indeholde betydelige mængder suspenderede partikler, som ofte tager lang tid at bundfælde sig. Flokkuleringsvandbehandling fremskynder sedimentering og sikrer effektiv adskillelse af fast stof og væske. Store mængder brugt vand kan behandles hurtigt, hvilket minimerer miljøpåvirkningen ved at reducere den tid og plads, der kræves til opbevaring af brugt vand. 

Papirmasse og papir
Cellulosefiber er en af hovedingredienserne i papirmasse og papir, men det kræver også lim, imprægnering og fyldstoffer for at opnå de krævede arkegenskaber for et acceptabelt papirprodukt. Flokkulering anvendes ofte under afvandingsprocessen for at kombinere fibre, fyldstoffer og andre tilsætningsstoffer på en måde, der sikrer, at det faste materiale adskilles hurtigt og kan produceres i store mængder. 

Minedrift af ædle metaller
Produktstrømme indeholder ofte en lang række forskellige metaller, der skal adskilles for at opnå et rent produkt. Selektiv udfældning af individuelle metaller ledsages sædvanligvis af flokkulering og sedimentering for at sikre hurtig adskillelse fra den resterende væske.

Partikelstørrelsesanalyse til procesoptimering

Vigtige overvejelser i forbindelse med effektive flokkuleringsprocesser

Procesparametre og downstream-ydeevne

Flokkulering er en vigtig enhedsoperation, der kræver udvikling og optimering for at køre effektivt. De vigtigste overvejelser og procesparametre omfatter: 

  1. Flokuleringsmiddel eller koaguleringstype og koncentration
  2. Blandingsintensitet, forskydningsspænding og blandingstid
  3. Doseringshastighed, placering og temperatur 
  4. Koncentration af faste stoffer
  5. Partikelstørrelse og -antal
  6. Downstream-præstationsanalyse:
    • Fuldstændighed af flokkulering (kinetik)
    • Behandlingstid og indsats for solid fjernelse
    • Renhed i væskefasen (herunder måling af restflokkuleringsmiddel)
    • Filtreringskapacitet og effektivitet
    • Filtermembrangennembrud af affald eller biprodukter

Væsker i flokkulering

Flokkuleringsmidler, buffere og overfladeaktive stoffer

Tilsætning af flokkuleringsmiddel
Flokkulering drives primært af typen og doseringen af kemiske agenser, der tilsættes for at initiere koagulering og partikelflokkulering. Sekundære drivere omfatter mere traditionelle fysiske parametre (f.eks. blanding, temperatur osv.). Karakterisering af flydende flokkuleringsstabilitet, blandingskinetik, homogenitet og den endelige koncentration er lige så vigtig under proceskarakterisering som under mere åbenlyse partikeltekniske mål (f.eks. Partikelstørrelsesfordeling og tællinger). Tilsatte flokkuleringsmidler eller hjælpestoffer bør også karakteriseres for deres indvirkning på flokkuleringsresultatet samt proceskinetik og regulatoriske konsekvenser. 

In-situ ATR-FTIR og Raman-spektroskopi er kraftfulde multiattributmetoder, der samtidig kan spore og kvantificere flere flokkuleringsmidler eller hjælpestoffer i realtid. Ved at kombinere disse spektroskopiske data med oplysninger om partikelfordeling og kinetik kan det hjælpe med at bestemme den ideelle og ofte minimale mængde flokkuleringsmiddel, der er nødvendig, hvilket minimerer byrden ved nedstrøms fjernelse. Buffere og overfladeaktive stoffer kan også karakteriseres og kontrolleres nøjagtigt i realtid.

Fjernelse af flokkuleringsmiddel
Beslutningen om at inkludere flokkulering i en proces kommer med den betydelige afvejning af et nedstrømskrav om fuldstændigt at fjerne tilsatte flokkuleringsmidler, overfladeaktive stoffer eller procesmellemprodukter. Dette krav resulterer ofte i ekstra procestid og yderligere analysemetoder, der er nødvendige for at kvantificere eller verificere fraværet af tilsatte forarbejdningshjælpestoffer. Som sådan er det fordelagtigt at minimere mængden af flokkuleringsmiddel, koaguleringsmiddel, overfladeaktivt middel eller andre tilsatte komponenter.

Når inline-metoder som ATR-FTIR-spektroskopi  eller Raman-spektroskopi integreres før og efter kromatografi, kan kvantitative masseoverførselsmålinger af produktet, flokkuleringsmidlet og hjælpestofferne også bestemmes. Dette kan tjene som et potentielt supplement til offline analysemetoder.

Floc brud kinetik
In-situ partikelstørrelsesanalysator viser flokkuler fuldt udviklet og flokkebrud bliver den dominerende proces
Sådan vælger du det bedste flokkuleringsmiddel
Understøttelse af flokkuleringsprogrammer
Flokkuleringslaboratorieinstrumenter

Citater og referencer

Ofte stillede spørgsmål

Ofte stillede spørgsmål om flokkulering

Hvad er definitionen af flokkulering?

Flokkulering er en proces, hvorved små partikler i en væske kommer sammen for at danne større, klumpede masser kaldet flokke. Dette kan forekomme naturligt eller ved tilsætning af visse kemikalier kaldet flokkuleringsmidler. Ved naturlig flokkulering kan små partikler i en væske komme sammen på grund af en række faktorer såsom tyngdekraften, brunsk bevægelse eller elektrostatiske kræfter. Når disse partikler kolliderer og klæber sammen, begynder de at danne større masser, der til sidst kan slå sig ud af væsken.

Flokkulering kan også induceres ved tilsætning af flokkuleringsmidler, som er stoffer, der fremmer dannelsen af flokkulering. Disse kemikalier virker ved at neutralisere de elektriske ladninger på overfladen af partiklerne, hvilket får dem til at tiltrække hinanden og danne større klumper. Flokkuleringsmidler anvendes almindeligvis i spildevandsbehandling, minedrift og andre industrier, hvor adskillelse af faste stoffer fra væsker er nødvendig. Når flokkene er dannet, kan de adskilles fra væsken gennem en række forskellige metoder, såsom sedimentering, filtrering eller centrifugering. Den resulterende væske er ofte meget klarere og lettere at håndtere end før flokkulering.

Hvad er flokkulering i vandbehandling?

Koagulationsflokkuleringsprocessen anvendes almindeligvis i spildevandsbehandling for at fjerne turbiditet og bakterier. Flokkulering tilskynder suspenderede partikler til at binde sammen og danne store agglomeratpartikler kendt som "flokke". Disse flokke flyder let til overfladen eller sediment i bunden, hvilket giver et effektivt og omkostningseffektivt middel til at fremskynde deres adskillelse.

Hvad er forskellen mellem koagulation og flokkulering?

Koagulation og flokkulering er to forskellige processer, der anvendes efter hinanden for at overvinde de kræfter, der holder de suspenderede partikler stabile. Partiklernes ladninger neutraliseres ved koagulation, men de kan binde sammen og vokse ved flokkulering, hvilket gør det lettere at fjerne dem fra væsken. Læs mere om flokkulering vs koagulation.

Hvad er en flokkuleret suspension?

En flokkuleret suspension refererer til en blanding eller dispersion af faste partikler i en væske, hvor partiklerne er kommet sammen og dannet større klynger eller aggregater kaldet flokke. Disse flokke holdes sammen af svage fysiske kræfter, såsom van der Waals-kræfter eller brobygning mellem partikler, snarere end at være ensartet fordelt i væsken. Dannelsen af flokke i en suspension fører til bundfældning eller adskillelse af de faste partikler, hvilket gør dem lettere at fjerne eller filtrere fra væskefasen. Flokkulering er almindeligt anvendt i forskellige industrier, herunder spildevandsbehandling, minedrift og kemisk behandling, for at lette adskillelsen og afklaringen af suspenderede faste stoffer fra væsker.