التلبد هو عملية أساسية تستخدم لتسهيل تجميع الجسيمات الصغيرة في سائل أو محلول لتشكيل مجموعات أكبر ، تعرف باسم الكتل.
يتم تحقيق هذه العملية عادة من خلال إضافة مواد كيميائية متخصصة تعرف باسم المواد الندفية ، والتي تعمل على تعزيز تكتل الجسيمات والمساعدة في تصادم الجسيمات وتعلقها. التلبد مهم في العديد من الصناعات والأنظمة الطبيعية ، مما يسمح بفصل المواد الصلبة عن السوائل وتنقية المياه والسوائل الأخرى.
التلبد والتخثر هما عمليتان تستخدمان غالبا معا لإزالة الشوائب والملوثات.
يتضمن التخثر إضافة مواد كيميائية ، تعرف باسم مواد التخثر ، إلى الماء أو المخزن المؤقت أو المذيبات التي تزعزع استقرار الجسيمات وتتسبب في تكتل بعضها البعض. تتضمن هذه العملية عادة إنشاء جسيمات يشار إليها باسم "الكتل" ، ولكن يتم وصفها بشكل أكثر دقة على أنها مجاميع. يتم فصل الركام بسهولة أكبر عن المكونات القابلة للذوبان (غالبا الماء) من خلال الترسيب أو الترشيح.
يأخذ التلبد هذه الركام الأصغر التي تم إنشاؤها أثناء التخثر ويجمعها في مجاميع أكبر تعرف باسم "الكتل". يتم تحقيق هذه العملية عادة من خلال إضافة مواد الندف ، وهي مواد كيميائية متخصصة تعزز تكتل الجسيمات.
في جوهرها ، التخثر هو الخطوة الأولى في تجميع الجسيمات ، في حين أن التلبد هو خطوة لاحقة تخلق كتلا متكتلة أكبر وأكثر سهولة في الإزالة. كلتا العمليتين حاسمتان في إزالة الشوائب والملوثات من الماء أو المصادر الأخرى القابلة للذوبان.
مادة التخثر هي عامل يستخدم لتعزيز تجميع أو تكتل الجسيمات الدقيقة المعلقة في السائل. التخثر هو عملية كيميائية تتضمن إضافة مادة تخثر لتحييد شحنة الجسيمات المشتتة. غالبا ما تحمل الجزيئات البيولوجية والكيميائية الصغيرة دون الميكرون شحنات سطحية سالبة تعيق التجميع والاستقرار (1 أ).
يمكن للمواد الكيميائية المخثرة أن تمتز للجزيئات وتحييد الشحنات السالبة. يمكن التحييد ، أو في بعض الأحيان المعايرة بالتحليل الحجمي إلى درجة حموضة حمضية ، الجسيمات من الالتصاق ببعضها البعض ، مما يؤدي إلى تكوين جزيئات تخثر شبه ميكرون مستقرة ومعلقة جيدا تعرف باسم microflocs (1b).
الخلط السريع مطلوب للتشتت المناسب للمواد الكيميائية المخثرة لتعزيز تصادم الجسيمات وتشكيل التكتل (1 ج). لا تزال الجسيمات المرتبطة صغيرة جدا وغير مرئية للعين المجردة.
يزيد التلبد من حجم كتل التخثر التي لا تزال تحت الميكرون مما يسهل فصلها. يتطلب هذا عموما خلطا لطيفا واستخدام مواد ندفية بوليمرية عالية الوزن الجزيئي أو مواد ندفية أيونية أخرى. يمتص الندف جزيئات التخثر ، ويعدل خصائص السطح ويسد الفجوات لتسهيل تكوينات الكتل (2 أ). من خلال تقريب الجسيمات ، يتم زيادة النطاق الفعال لقوى جذب فان دير فال ، وبالتالي تقليل حاجز الطاقة للتلبد. وهذا يتيح تشكيل مجموعات معبأة بشكل فضفاض من الكتل.
يستمر التكتل والربط والتقوية للكتل حتى تتشكل البلاعط المعلقة بشكل واضح (2 ب). سيحدث الترسيب بالنظر إلى وزن الجسيمات المناسب وحجمها وقوة التفاعل. إن الكتل الكبيرة حساسة للغاية للخلط ، وبمجرد تمزيقها بواسطة القص القوي ، يكون من الصعب أو المستحيل عليها الإصلاح.
يحدث التلبد بشكل طبيعي أثناء تكوين رقاقات الثلج والرواسب تحت سطح البحر ولكن يتم تطبيقه أيضا بشكل متعمد في صناعات التكنولوجيا الحيوية والبترول واللب والورق ومياه الصرف الصحي والتعدين.
المستحضرات الصيدلانية الحيوية
غالبا ما يكون من السهل ترشيح خلايا الثدييات الكاملة عالية الصلاحية بسبب حجمها وتوزيعها. ومع ذلك ، فإن الخلايا الميكروبية من الأنظمة البكتيرية والخميرة لها وحدات خلايا أحادية أصغر بكثير. يمكن أن يؤدي عبء الكتلة الحيوية للخلايا الميكروبية أو خلايا الثدييات ذات الصلاحية المنخفضة وحجم الجسيمات المتوسطة الصغيرة إلى إنشاء الكثير من شظايا الخلايا الصغيرة ، والتي تسد المرشحات وتبطئ معدلات الترشيح. يستخدم التلبد لتقليل العدد الإجمالي للجزيئات مع زيادة توزيع حجم الجسيمات ، وبالتالي تحسين الترشيح وضمان فصل فعال وفعال من حيث التكلفة لمواد الخلية عن المادة الطافية. يمكن أيضا تطبيق التلبد إذا كانت زراعة الخلية تنتج منتجات متعددة و / أو منتجات ثانوية يتم التعبير عنها داخل هياكل خلوية مختلفة أو بيئات دقيقة لمصفوفة التخمير. ومن الأمثلة على ذلك الفضاء المرتبط بالغشاء أو الفراغ بين الأغشية أو التعبير الطافي ، بالإضافة إلى المنتجات التي يتم امتصاصها في البوليمرات أو حتى في التقاط متعدد المراحل مثل المستحلب.
معالجة المياه ومياه الصرف الصحي
يمكن أن تحتوي مياه الصرف الصحي على كميات كبيرة من الجسيمات العالقة ، والتي غالبا ما تستغرق وقتا طويلا حتى تستقر. تعمل معالجة مياه التلبد على تسريع الترسيب وتضمن الفصل الفعال بين المواد الصلبة والسائلة. يمكن معالجة كميات كبيرة من المياه المستخدمة بسرعة ، مما يقلل من التأثير البيئي عن طريق تقليل مقدار الوقت والمساحة اللازمين لتخزين المياه المستخدمة.
اللب والورق
تعد ألياف السليلوز أحد المكونات الرئيسية في اللب والورق ، ولكنها تتطلب أيضا الغراء والتشريب والحشو لتحقيق خصائص الورقة المطلوبة لمنتج ورقي مقبول. يتم تطبيق التلبد بشكل متكرر أثناء عملية نزح المياه للجمع بين الألياف والمواد المالئة والمواد المضافة الأخرى بطريقة تضمن فصل المواد الصلبة بسرعة ويمكن إنتاجها بكميات كبيرة.
تعدين المعادن الثمينة
غالبا ما تحتوي تدفقات المنتج على مجموعة واسعة من المعادن المختلفة التي يجب فصلها للحصول على منتج نقي. عادة ما يكون الترسيب الانتقائي للمعادن الفردية مصحوبا بالتلبد والترسيب لضمان الفصل السريع عن السائل المتبقي.
يمكن أن تسبب الجسيمات والبلورات والقطرات مشاكل للعلماء في كل مرحلة من مراحل البحث وحتى التصنيع. تعد التحليلات غير المتصلة بالإنترنت أمرا حيويا لمراقبة الجودة ، ولكن التحكم في الجسيمات لا يمكن أن يحدث إلا عندما تفهم كيف تؤثر معلمات العملية على حجم الجسيمات وشكلها وعددها.
تقدم هذه الورقة ، تحليل حجم الجسيمات لتحسين العملية ، قيود التحليل دون اتصال بالإنترنت لتحسين العملية وتوفر تقنيات عملية من أجل:
التلبد هو عملية وحدة مهمة تتطلب التطوير والتحسين لتعمل بكفاءة. تشمل الاعتبارات الرئيسية ومعلمات العملية ما يلي:
إضافة الندف
التلبد مدفوع في المقام الأول بنوع وجرعة العوامل الكيميائية المضافة لبدء التخثر وتلبد الجسيمات. تتضمن المحركات الثانوية معلمات فيزيائية أكثر تقليدية (مثل الخلط ودرجة الحرارة وما إلى ذلك). إن توصيف استقرار المواد الندفية السائلة ، وحركية الخلط ، والتجانس ، والتركيز النهائي لا يقل أهمية أثناء توصيف العملية كما هو الحال خلال أهداف هندسة الجسيمات الأكثر وضوحا (على سبيل المثال ، توزيع حجم الجسيمات وعددها). يجب أيضا تمييز المواد الندفية أو السواغات المضافة لتأثيرها على نتائج التلبد ، وكذلك حركية العملية والآثار التنظيمية.
يعد التحليل الطيفي ATR-FTIR و Raman في الموقع طرقا قوية متعددة السمات يمكنها تتبع وتحديد العديد من المواد الندفية أو السواغات في الوقت الفعلي في وقت واحد. يمكن أن يساعد الجمع بين هذه البيانات الطيفية والمعلومات حول توزيع الجسيمات والحركية في تحديد الكمية المثالية ، وغالبا ما تكون ضئيلة ، من مادة الندف اللازمة ، مما يقلل من العبء على إزالة المصب. يمكن أيضا توصيف المخازن المؤقتة والمواد الخافضة للتوتر السطحي بدقة والتحكم فيها في الوقت الفعلي.
إزالة الندف
يأتي قرار تضمين التلبد في عملية ما مع المفاضلة الكبيرة لمتطلبات المصب لإزالة المواد الوسيطة المضافة أو الفاعل بالسطح أو العملية تماما. غالبا ما يؤدي هذا المطلب إلى وقت معالجة إضافي وطرق تحليلية إضافية مطلوبة لتحديد أو التحقق من عدم وجود أي سواغ معالجة مضافة. على هذا النحو ، من المفيد تقليل كمية المواد الندفية أو المخثرة أو الفاعل بالسطح أو المكونات الأخرى المضافة.
عندما يتم دمج الطرق المضمنة مثل التحليل الطيفي ATR-FTIR أو التحليل الطيفي Raman قبل وبعد الكروماتوغرافيا ، يمكن أيضا تحديد قياسات نقل الكتلة الكمية للمنتج والندف والسواغات. قد يكون هذا بمثابة مكمل محتمل للطرق التحليلية غير المتصلة بالإنترنت.
تسمح أدوات توزيع حجم الجسيمات في الموقع للعلماء بتتبع الاتجاهات في فئات الحجم الفردية ومراقبة سلوك الجسيمات التي يتم تحريكها في حالة مستقرة في الوقت الفعلي. عند إضافة الندف ، ينخفض عدد الغرامات بشكل كبير ويزداد عدد الكتل الكبيرة بشكل حاد. في النهاية ، سيبدأ قص النمام في تدمير الكتل. سينخفض عدد الجسيمات الكبيرة ، وسيزداد عدد الجسيمات الصغيرة مرة أخرى.
يساعد فهم آليات جسيمات التلبد على تحديد الأسباب الجذرية لأداء العملية دون المستوى الأمثل ، وتحديات الإنتاج النهائية ، والمنتجات غير المطابقة. يعد الحصول على بيانات مفصلة عن الجسيمات في الموقع الخطوة الأولى لتحسين العملية الفعالة والجودة حسب التصميم (QbD) والتصنيع الفعال.
يتطلب التلبد التحريك اللطيف. نظرا لأن أنواع الكتل الفردية لها نقاط قوة مختلفة ، فمن المهم أن نفهم نطاق عدد الدورات في الدقيقة الذي يشكل لطيفا لنظام كتل معين. توفر أدوات توزيع حجم الجسيمات في الموقع نظرة ثاقبة حول كيفية تغير فئة حجم الجسيمات الصغيرة عند إنشاء الكتل وتحريكها بسرعات مختلفة. التحريك السريع يكسر الكتل ويمكن أن يزيد عدد الغرامات إلى نفس المستوى تقريبا كما كان قبل التلبد. التحريك البطيء يترك معظم الكتل سليمة. تدعم الصور المأخوذة من أجهزة تحليل حجم الجسيمات في الموقع هذه النتائج وتظهر كتلا أكبر عند عدد دورات منخفض في الدقيقة.
تعد كثافة الخلط وتحسين القص استراتيجية ناجحة لمنع كسر الفلوك. يجب تجنب كسر الكتل لأنه يهزم الغرض من التلبد ويزيد من أوقات الترشيح. معدلات الترشيح ونزح المياه من الكيك هي الأسرع عند نقطة التلبد الأمثل. يؤثر أي انحراف عن هذه النقطة على العمليات وجودة المنتج وتكاليف التصنيع.
في مجموعة متنوعة من الصناعات ، يتم تشغيل عمليات التلبد في وضع الدفعات أو الوضع المستمر إما مع الخلاطات الديناميكية أو الثابتة. أحد معلمات العملية الرئيسية في كلا الوضعين هو وقت إقامة منطقة الخلط (MZRT). تقع نقطة التلبد الأمثل في 1:38 دقيقة بعد حقن الندف في هذه الحالة.
باستخدام محلل حجم الجسيمات في الموقع ، تظهر هذه الأداة أن الكتل قد تطورت بالكامل وأن كسر floc على وشك أن يصبح العملية السائدة. يمكننا أيضا رؤية الاتجاهات في فئات الحجم الفردية ، وتصور نقطة التلبد الأمثل ، وتحديد نافذة MZRT التي يصل فيها عدد الجسيمات الصغيرة إلى الحد الأدنى المقبول.
العمل خارج نافذة MZRT إما يعني أن الكتل لم تتشكل بالكامل بعد أو أن كسر floc يضر بالفعل بحجم floc والأداء الأمثل للعملية. كلتا الحالتين دون المستوى الأمثل بسبب العدد الكبير من الجسيمات الصغيرة الحرة ونافذة MZRT فقط هي التي تضمن أداء المنتج والعملية المطلوبين. تختلف نافذة MZRT لكل نظام جسيم / ندف وتتطلب تعديلا اعتمادا على تركيبة التعليق وشدة الخلط ونوع الندف.
تقوم الشركات الكيميائية باستمرار بتطوير مواد ندف جديدة ومبتكرة مع تحسين أداء التلبد. ومع ذلك ، ليس كل ندف مناسب لكل نظام جسيمات. سيضمن اختبار الأداء وتأكيده داخل نظام معين استخدام أفضل مادة ندف. تكشف أجهزة تحليل حجم الجسيمات ما يلي:
يمكن لمحللات حجم الجسيمات في الموقع مراقبة أداء التلبد لمواد الندف المختلفة في الوقت الفعلي. وهذا يمكن العلماء والمهندسين من اتخاذ قرارات قائمة على الحقائق أثناء اختيار الندف وتحسين عملية التلبد.
يجب تطوير طرق فعالة ومرنة وفعالة من حيث التكلفة لإزالة الخلايا المستمرة قبل تحقيق مجموعة منتجات مستمرة ومتكاملة تماما. يصف المؤلفون تطوير واختبار مثل هذا الإعداد المتكامل المستمر والذي يمكن التخلص منه لفصل الخلايا عن طريق التلبد جنبا إلى جنب مع ترشيح العمق.
تم إجراء قياسات ParticleTrack مضمنة ، بعد إضافة 0.0375٪ pDADMAC ، ووضعها عند مخرج المفاعل الأنبوبي (خلط ثابت). يراقب ParticleTrack (FBRM) حجم flocc ، وعندما يتم تراكبه بضغط تم حله بمرور الوقت ، يشير إلى نهج تشبع المرشح والاتجاهات مع أحداث الضغط. أدت الطرق المختلفة ونوع الندف الذي تم تقييمه إلى نتائج مختلفة لإجمالي إنتاجية مادة الدواء ونقاوتها ومؤشر الوزن الجزيئي العالي (HMWI). أظهرت هذه النتائج أيضا وجود ارتباط بتوزيعات حجم الجسيمات المتباينة الناتجة عن نوع flocc المختار.
تعتمد هذه البيانات على المنشورات السابقة التي تظهر الارتباط بمعلمات التلبد الأخرى مثل تركيز كاشف flocc ، وقوة الخلط أو القص ، ووقت رنين الخلط ، ودرجة الحرارة ، وحالة البدء وتكوين مرق الخلية الكاملة. باستخدام التلبد ، تم تقليل مناطق ترشيح العمق المطلوبة بنجاح بعامل 4 مقارنة بقطار الترشيح التقليدي الذي كان ParticleTrack (FBRM) مناسبا تماما لتمكين الحصاد المستمر للأجسام المضادة.
بورغستالر ، دي ، كريبر ، دبليو ، هاس ، جي ، مازيلين ، إم ، موهوريك ، جي ، باجنيك ، ك. ، جونغباور ، إيه ، وساتزر ، ب. (2018 ب). التلبد المستمر للخلايا لحصاد الأجسام المضادة المؤتلفة. مجلة التكنولوجيا الكيميائية والتكنولوجيا الحيوية ، 93 (7) ، 1881-1890. https://doi.org/10.1002/jctb.5500
التلبد هو عملية تتجمع من خلالها الجسيمات الصغيرة في السائل معا لتكوين كتل أكبر متكتلة تسمى الكتل. يمكن أن يحدث هذا بشكل طبيعي أو من خلال إضافة مواد كيميائية معينة تسمى المواد الندفية. في التلبد الطبيعي ، قد تتجمع الجسيمات الصغيرة في السائل بسبب مجموعة متنوعة من العوامل مثل الجاذبية أو الحركة البراونية أو القوى الكهروستاتيكية. عندما تصطدم هذه الجسيمات وتلتصق ببعضها البعض ، فإنها تبدأ في تكوين كتل أكبر يمكن أن تستقر في النهاية خارج السائل.
يمكن أيضا إحداث التلبد من خلال إضافة مواد الندف ، وهي مواد تعزز تكوين الكتل. تعمل هذه المواد الكيميائية عن طريق تحييد الشحنات الكهربائية على سطح الجسيمات ، مما يجعلها تجذب بعضها البعض وتشكل كتلا أكبر. تستخدم المواد الندفية بشكل شائع في معالجة مياه الصرف الصحي والتعدين والصناعات الأخرى التي يكون فيها فصل المواد الصلبة عن السوائل ضروريا. بمجرد تكوين الكتل ، يمكن فصلها عن السائل من خلال مجموعة متنوعة من الطرق ، مثل الترسيب أو الترشيح أو الطرد المركزي. غالبا ما يكون السائل الناتج أكثر وضوحا وأسهل في التعامل معه مما كان عليه قبل التلبد.
تستخدم عملية التخثر والتلبد بشكل شائع في معالجة مياه الصرف الصحي لإزالة التعكر والبكتيريا. يشجع التلبد الجسيمات العالقة على الارتباط معا وتكوين جسيمات كبيرة متكتلة تعرف باسم «الكتل». تطفو هذه الكتل بسهولة على السطح أو الرواسب في القاع ، مما يوفر وسيلة فعالة وفعالة من حيث التكلفة لتسريع فصلها.
التخثر والتلبد عمليتان متميزتان تستخدمان واحدة تلو الأخرى للتغلب على القوى التي تحافظ على استقرار الجسيمات العالقة. يتم تحييد شحنات الجسيمات عن طريق التخثر ، لكنها يمكن أن ترتبط معا وتنمو عن طريق التلبد ، مما يسهل إزالتها من السائل. اقرأ المزيد عن التلبد مقابل التخثر.
يشير المعلق الملبد إلى خليط أو تشتت الجسيمات الصلبة في سائل حيث تتجمع الجسيمات وتشكل مجموعات أو مجاميع أكبر تسمى الكتل. يتم تثبيت هذه الكتل معا بواسطة قوى فيزيائية ضعيفة ، مثل قوى فان دير فال أو الجسور بين الجسيمات ، بدلا من توزيعها بشكل موحد في جميع أنحاء السائل. يؤدي تكوين الكتل في التعليق إلى ترسب أو فصل الجسيمات الصلبة ، مما يسهل إزالتها أو تصفيتها من الطور السائل. يستخدم التلبد بشكل شائع في العديد من الصناعات ، بما في ذلك معالجة مياه الصرف الصحي والتعدين والمعالجة الكيميائية ، لتسهيل فصل وتوضيح المواد الصلبة العالقة من السوائل.
