Sökförslag
  • konduktivitet
  • IND570
  • golvvåg
  • ph
Alla kategorier
  • Alla kategorier
  • Produkter
  • Support
  • Expertis
  • Events & Webinars
  • Annat
Filter
Hem Efter applikation AutoChem Applications Particle Size Distribution Flockulering

Flockulering

Kontrollera partikelstorleksfördelningen för säker processutveckling

Ring för offert

Vad är flockning?

Flockning är en grundläggande process som används för att underlätta aggregering av små partiklar i en vätska eller lösning för att bilda större kluster, så kallade flockar.

Denna process uppnås vanligtvis genom tillsats av specialiserade kemikalier som kallas flockningsmedel, som tjänar till att främja partikelklumpning och hjälpa till vid kollision och fastsättning av partiklar. Flockning är viktigt i många industrier och naturliga system, vilket möjliggör separering av fasta ämnen från vätskor och rening av vatten och andra vätskor.

Snabba länkar

Vad är skillnaden mellan flockning och koagulation?

Flockning och koagulering är två processer som ofta används tillsammans för att avlägsna föroreningar och föroreningar.

Koagulering innebär tillsats av kemikalier, så kallade koaguleringsmedel, till vatten, buffert eller lösningsmedel som destabiliserar partiklarna och får dem att klumpa ihop sig. Denna process innebär vanligtvis att partiklar skapas som kallas "flockar", men mer exakt karakteriseras som aggregat. Ballast separeras lättare från lösliga komponenter (ofta vatten) genom sedimentering eller filtrering.

Flockning tar dessa mindre aggregat som skapas under koagulering och kombinerar dem till ännu större aggregat som kallas "flockar". Denna process uppnås vanligtvis genom tillsats av flockningsmedel, som är specialiserade kemikalier som främjar agglomerering av partiklar.

I huvudsak är koagulering det första steget i partikelaggregering, medan flockning är ett efterföljande steg som skapar större och lättare avtagbara agglomererade flockar. Båda processerna är avgörande för att avlägsna föroreningar och föroreningar från vatten eller andra lösliga källor.

Steg 1: Koagulering

Ett koaguleringsmedel är ett medel som används för att främja aggregering eller klumpning av fina partiklar suspenderade i en vätska. Koagulering är en kemisk process som innebär tillsats av ett koaguleringsmedel för att neutralisera laddningen av dispergerade partiklar. Små, submikrona biologiska och kemiska molekyler har ofta negativa ytladdningar som hindrar aggregering och sedimentering (1a).

Koaguleringskemikalier kan adsorbera till partiklarna och neutralisera de negativa laddningarna. Neutralisering, eller ibland titrering till ett surt pH, gör det möjligt för partiklar att hålla ihop, vilket resulterar i bildandet av stabila och välsuspenderade submikrona koaguleringspartiklar som kallas mikroflockar (1b).

Snabb blandning krävs för korrekt spridning av koaguleringskemikalier för att främja partikelkollisioner och klumpbildning (1c). De sammanfogade partiklarna är fortfarande ganska små och inte synliga för blotta ögat.

Steg 2: Flockning

Flockning ökar storleken på de fortfarande submikrona koaguleringsklumparna, vilket gör dem lättare att separera. Detta kräver i allmänhet skonsam blandning och användning av polymera eller andra jonflockningsmedel med hög molekylvikt. Flockningsmedlet adsorberar koaguleringspartiklarna, modifierar ytegenskaperna och överbryggar luckor för att underlätta flockbildningar (2a). Genom att föra partiklar i närheten ökas det effektiva området för van der Waals attraktionskrafter, vilket minskar energibarriären för flockning. Detta gör det möjligt att bilda löst packade grupper av flockar.

Agglomerering, bindning och förstärkning av flockarna fortsätter tills synligt svävande makroflockar bildas (2b). Sedimentering kommer att ske givet rätt partikelvikt, storlek och interaktionsstyrka. De stora makroflockarna är mycket känsliga för blandning, och när de väl har slitits sönder av stark skjuvning är det svårt eller omöjligt för dem att återbildas.

Flockning sker naturligt under bildandet av snöflingor och undervattenssediment men används också medvetet inom bioteknik-, petroleum-, massa- och pappers-, avloppsvatten- och gruvindustrin.  

Varför är flockning viktigt?

Tillämpningar inom industrin

Biologiska läkemedel
Hela däggdjursceller med hög livskraft är ofta lätta att filtrera på grund av sin storlek och utbredning. Mikrobiella celler från bakterie- och jästsystem har dock mycket mindre monomera cellenheter. Biomassabördan av mikrobiella celler eller däggdjursceller med låg livsduglighet och liten medianpartikelstorlek kan skapa massor av små cellfragment, som täpper till filtren och saktar ner filtreringshastigheten. Flockning används för att minska det totala antalet partiklar samtidigt som partikelstorleksfördelningen ökar, vilket förbättrar filtreringen och säkerställer en effektiv och kostnadseffektiv separation av cellmaterial från supernatanten. Flockning kan också tillämpas om cellkulturen producerar flera produkter och/eller biprodukter som uttrycks i olika cellulära strukturer eller mikromiljöer i fermenteringsmatrisen. Exempel på detta är membranbundet, intermembranutrymme eller supernatantuttryck, samt produkter som adsorberas till polymerer eller till och med i en flerfasinfångning såsom en emulsion. 

Vatten- och avloppsrening
Avloppsvatten kan innehålla betydande mängder suspenderade partiklar, som ofta tar lång tid att sedimentera. Flockningsvattenbehandling påskyndar sedimenteringen och säkerställer effektiv separering av fasta ämnen och vätskor. Stora volymer använt vatten kan behandlas snabbt, vilket minimerar miljöpåverkan genom att minska mängden tid och utrymme som behövs för lagring av använt vatten. 

Massa och papper
Cellulosafiber är en av huvudingredienserna i massa och papper, men det krävs också lim, impregnering och fyllmedel för att uppnå de arkegenskaper som krävs för en acceptabel pappersprodukt. Flockning appliceras ofta under avvattningsprocessen för att kombinera fibrer, fyllmedel och andra tillsatser på ett sätt som säkerställer att det fasta materialet separeras snabbt och kan produceras i stora mängder. 

Brytning av ädelmetaller
Produktströmmar innehåller ofta ett brett spektrum av olika metaller som behöver separeras för att få en ren produkt. Selektiv utfällning av enskilda metaller åtföljs vanligtvis av flockning och sedimentering för att säkerställa snabb separation från den återstående vätskan.

Partikelstorleksanalys för processoptimering

Ta kontroll över partiklarna

Partiklar, kristaller och droppar kan orsaka problem för forskare i alla steg från forskning till tillverkning. Offlineanalys är avgörande för kvalitetskontroll, men att ta kontroll över partiklar kan bara ske när du förstår hur processparametrar påverkar partikelstorlek, form och antal.

Det här dokumentet, Particle Size Analysis for Process Optimization, introducerar begränsningarna med offlineanalys för processoptimering och ger praktiska tekniker för att:

  • Förbättra grundläggande processförståelse
  • Problem med attackdesign med omfattande data
  • Förbättra säkerheten och produktiviteten med obemannad drift

Viktiga överväganden för effektiva flockningsprocesser

Processparametrar och nedströmsprestanda

Flockning är en viktig enhetsoperation som kräver utveckling och optimering för att fungera effektivt. Viktiga överväganden och processparametrar är: 

  1. Flockningsmedels- eller koaguleringstyp och koncentration
  2. Blandningsintensitet, skjuvspänning och blandningstid
  3. Doseringshastighet, plats och temperatur 
  4. Koncentration av fasta ämnen
  5. Partikelstorlek och antal
  6. Prestandaanalys nedströms:
    • Flockningens fullständighet (kinetik)
    • Bearbetningstid och ansträngningar för borttagning av fasta ämnen
    • Renhet i vätskefas (inklusive mätning av flockningsrester)
    • Filtreringskapacitet och effektivitet
    • Filtermembrangenombrott av skräp eller biprodukter

Vätskor i flockning

Flockningsmedel, buffertar och ytaktiva ämnen

Tillsats av flockningsmedel
Flockning drivs främst av typen och doseringen av kemiska medel som tillsätts för att initiera koagulering och partikelflockning. Sekundära drivkrafter inkluderar mer traditionella fysiska parametrar (t.ex. blandning, temperatur, etc.). Karakterisering av flytande flockningsmedelsstabilitet, blandningskinetik, homogenitet och den slutliga koncentrationen är lika viktig under processkarakterisering som under mer uppenbara partikeltekniska mål (t.ex. partikelstorleksfördelning och antal). Tillsatta flockningsmedel eller hjälpämnen bör också karakteriseras för deras inverkan på flockningsresultatet, såväl som processkinetik och regulatoriska konsekvenser. 

In-situ ATR-FTIR och Raman-spektroskopi är kraftfulla metoder med flera attribut som samtidigt kan spåra och kvantifiera flera flockningsmedel eller hjälpämnen i realtid. Genom att kombinera dessa spektroskopiska data med information om partikelfördelning och kinetik kan man fastställa den ideala, och ofta minimala, mängden flockningsmedel som behövs, vilket minimerar belastningen på nedströms avlägsnande. Buffertar och ytaktiva ämnen kan också karakteriseras och kontrolleras noggrant i realtid.

Avlägsnande av flockningsmedel
Beslutet att inkludera flockning i en process kommer med den betydande kompromissen av ett nedströms krav på att helt ta bort tillsatt flockningsmedel, ytaktivt ämne eller processintermediärer. Detta krav leder ofta till ökad processtid och ytterligare analysmetoder som behövs för att kvantifiera eller verifiera frånvaron av tillsatta processhjälpämnen. Som sådan är det fördelaktigt att minimera mängden flockningsmedel, koaguleringsmedel, ytaktivt ämne eller andra komponenter som tillsätts.

När inline-metoder som ATR-FTIR-spektroskopi  eller Raman-spektroskopi integreras före och efter kromatografi kan kvantitativa massöverföringsmätningar av produkten, flockningsmedlet och hjälpämnena också bestämmas. Detta kan fungera som ett potentiellt komplement till offlineanalysmetoder.

Förstå partikelmekanismer

Flockning och brott

In-situ partikelstorleksfördelningsverktyg gör det möjligt för forskare att spåra trender i enskilda storleksklasser och observera beteendet hos partiklar som rörs om i ett stabilt tillstånd i realtid. När flockningsmedlet tillsätts minskar antalet finmaterial avsevärt och antalet stora flockar ökar kraftigt. Så småningom kommer omrörarens skjuvning att börja förstöra flockarna. Antalet stora partiklar kommer att minska och antalet små partiklar kommer att öka igen.  

Att förstå flockningspartikelmekanismer hjälper till att identifiera grundorsakerna till suboptimal processprestanda, produktionsutmaningar nedströms och produkter som inte uppfyller specifikationerna. Att få detaljerade partikeldata på plats är det första steget mot effektiv processoptimering, kvalitet genom design (QbD) och effektiv tillverkning.

Kinetik för floc-brott

Blanda intensitet och skjuvning

Kinetik för floc-brott

Flockning kräver försiktig omrörning. Eftersom enskilda flocktyper har olika styrkor är det viktigt att förstå vilket varvtalsområde som är skonsamt för ett specifikt flocksystem. In-situ partikelstorleksfördelningsverktyg ger insikt i hur den lilla partikelstorleksklassen förändras när flockar skapas och rörs om med olika hastigheter. Snabb omrörning bryter flockar och antalet finkorn kan öka till nästan samma nivå som före flockning. Långsam omrörning lämnar de flesta flockar intakta. Bilder från in-situ partikelstorleksanalysatorer stöder dessa fynd och visar större flockar vid låga varvtal.

Optimering av blandningsintensitet och skjuvning är en framgångsrik strategi för att förhindra att flocken går sönder. Att bryta flockar bör undvikas eftersom det motverkar syftet med flockning och ökar filtreringstiderna. Filtreringshastigheter och avvattning av kakor är snabbast vid den optimala flockningen. Varje avvikelse från denna punkt påverkar verksamheten, produktkvaliteten och tillverkningskostnaderna.

In-situ partikelstorleksanalysator visar flockar fullt utvecklade och flockbrott blir den dominerande processen

Uppehållstid för blandningszon (MZRT)

Det perfekta fönstret

I en mängd olika branscher körs flockningsprocesser i batch- eller kontinuerligt läge med antingen dynamiska eller statiska blandare. En av de viktigaste processparametrarna i båda lägena är Mixing Zone Residence Time (MZRT). Punkten för optimal flockning ligger i detta fall vid 1:38 minuter efter flockningsmedelsinjektion.

Med hjälp av en in-situ partikelstorleksanalysator visar detta verktyg att flockarna har utvecklats fullt ut och att flockbrott är på väg att bli den dominerande processen. Vi kan också se trender i enskilda storleksklasser, visualisera punkten för optimal flockning och definiera MZRT-fönstret där antalet små partiklar når ett acceptabelt minimum.

Att arbeta utanför MZRT-fönstret innebär antingen att flockarna ännu inte har bildats helt eller att flockbrotten redan äventyrar flockstorleken och den optimala processprestandan. Båda fallen är suboptimala på grund av ett stort antal fria små partiklar och endast MZRT-fönstret säkerställer önskad produkt- och processprestanda. MZRT-fönstret är olika för varje partikel-/flockningsmedelssystem och kräver justering beroende på suspensionens sammansättning, blandningsintensitet och flockningsmedelstyp.

Hur man väljer det bästa flockningsmedlet

Hur väljer man det bästa flockningsmedlet?

Screening av flockningsmedel

Kemiföretag utvecklar kontinuerligt nya och innovativa flockningsmedel med förbättrad flockningsprestanda. Det är dock inte alla flockningsmedel som passar för alla partikelsystem. Genom att testa och bekräfta prestanda inom ett specifikt system kan du säkerställa att det bästa flockningsmedlet används. Partikelstorleksanalysatorer visar att:

  • Flockningsmedel A uppvisar en svag flockningsförmåga och kan knappast minska antalet små partiklar i systemet.
  • Flockningsmedel B fångar upp en betydande mängd små partiklar. Flockningskinetiken är dock långsam, och flockbrotthastigheten är högre än punkten för optimal flockning.
  • Flockningsmedel C uppvisar en bra övergripande prestanda med snabb flockningskinetik, nästan fullständig fångst av finmaterial och imponerande flockstabilitet bortom den punkt där den optimala flockningen är optimal.

Partikelstorleksanalysatorer på plats kan övervaka flockningsprestanda för olika flockningsmedel i realtid. Detta gör det möjligt för forskare och ingenjörer att fatta faktabaserade beslut under val av flockningsmedel och optimering av flockningsprocessen.

Stöd för flockningsapplikationer

Behöver du hjälp med din ansökan?

Våra experter är redo att hjälpa dig

Om du har frågor eller behöver hjälp med din tekniska applikation är vårt team av tekniska applikationskonsulter redo att guida dig i rätt riktning.

Laboratorieinstrument för flockning

Instrument för optimering av flockningsprocesser

Utvald applikation: Kontinuerlig flockning – antikroppsskörd

Processåterkoppling och ortogonal analys

Effektiva, flexibla och kostnadseffektiva metoder för kontinuerlig cellborttagning måste utvecklas innan ett helt kontinuerligt och integrerat produkttåg kan realiseras. Författarna beskriver utvecklingen och testningen av en sådan integrerad kontinuerlig och engångsuppsättning för cellseparation genom flockning i kombination med djupfiltrering.

ParticleTrack-mätningar utfördes inline, efter tillsats av 0,0375 % pDADMAC, och placerades vid utloppet av den rörformiga reaktorn (statisk blandning). ParticleTrack (FBRM) övervakar flockstorleken, och när den överlagras med tidsupplöst tryck indikerar den tillvägagångssättet för filtermättnad och trender med tryckhändelser. De olika metoderna och flockningsmedelstypen som utvärderades resulterade i olika resultat för totalt utbyte av läkemedelssubstanser, renhet och High Molecular Weight Index (HMWI). Dessa resultat visade också en korrelation till divergerande partikelstorleksfördelningar till följd av den valda flocktypen.

Dessa data bygger på tidigare publikationer som visar korrelation till andra flockningsparametrar såsom flockreagenskoncentration, blandningskraft eller skjuvning, blandningsresonanstid, temperatur och starttillstånd och sammansättning av helcellsbuljong. Genom att använda flockning kunde de nödvändiga djupfiltreringsområdena minskas med en faktor 4 jämfört med ett konventionellt filtreringståg för vilket ParticleTrack (FBRM) var väl lämpat för att möjliggöra kontinuerlig antikroppsskörd.

Burgstaller, D., Krepper, W., Haas, J., Maszelin, M., Mohoric, J., Pajnic, K., Jungbauer, A., & Satzer, P. (2018b). Kontinuerlig cellflockning för rekombinant antikroppsskörd. Journal of Chemical Technology & Biotechnology, 93(7), 1881–1890. https://doi.org/10.1002/jctb.5500

Applikationer

Citat och referenser

Flockning i tidskriftspublikationer

  • Zhang, C., Zhu, Z., & Liu, R. (2023c). Det inneboende sambandet mellan flockningseffekt och skenbar viskositet hos färsk flytgödsel. Konstruktion och byggnadsmaterial, 371, 130769. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2023.130769
  • Jokinen, L. (2022). Optimering av flockning och cellseparation av fermenteringsbuljong med in-situ partikelstorleksanalys. Theseus. https://www.theseus.fi/handle/10024/744426
  • Costine, A., Fawell, P. D., Chryss, A., Dahl, S., & Bellwood, J. (2020b). Utveckling av testprocedurer baserade på kaotisk advektion för att bedöma polymerprestanda i applikationer med hög torrhalt. Processer, 8(6), 731. https://doi.org/10.3390/pr8060731
  • Grabsch, A., Yahyaei, M., & Fawell, P. D. (2020b). Antalskänsliga partikelstorleksmätningar för övervakning av flockningsrespons på olika malningsförhållanden. Mineralteknik, 145, 106088. https://doi.org/10.1016/j.mineng.2019.106088
  • Vajihinejad, V., & Soares, J. B. P. (2018). Övervakning av polymerflockning i anrikningssand av oljesand: En modell för populationsbalans. Tidskrift för kemiteknik, 346, 447–457. https://doi.org/10.1016/j.cej.2018.04.039
  • Burgstaller, D., Krepper, W., Haas, J., Maszelin, M., Mohoric, J., Pajnic, K., Jungbauer, A., & Satzer, P. (2018c). Kontinuerlig cellflockning för rekombinant antikroppsskörd. Journal of Chemical Technology & Biotechnology, 93(7), 1881–1890. https://doi.org/10.1002/jctb.5500
  • Senczuk, A., Petty, K., Thomas, A. L., McNerney, T. M., Moscariello, J., & Yigzaw, Y. (2016b). Utvärdering av prediktiva verktyg för klargörande av cellodling. Bioteknik och bioteknik. https://doi.org/10.1002/bit.25819
  • McNerney, T. M., Thomas, A. L., Senczuk, A., Petty, K., Zhao, X., Piper, R., Carvalho, J. G., Hammond, M. D., Sawant, S. G., & Bussiere, J. L. (2015c). PDADMAC-flockning av äggstocksceller från kinesisk hamster: möjliggör en centrifuglös skördeprocess för monoklonala antikroppar. mAbs, 7(2), 413–428. https://doi.org/10.1080/19420862.2015.1007824
  • Cobbledick, J., Nguyen, A. K., & Latulippe, D. R. (2014). Demonstration av FBRM som processanalytiskt tekniskt verktyg för avvattningsprocesser via CST-korrelation. Vattenforskning, 58, 132–140. https://doi.org/10.1016/j.watres.2014.03.068
  • Li, Z. J., Pizzelli, K., Romero, J., Chrostowski, J., Evangelist, G., Hamzik, J., Soice, N., & Cheng, K. W. E. (2013a). Klarning av rekombinanta proteiner från däggdjurscellodlingssystem med hög celltäthet med hjälp av nya förbättrade djupfilter. Bioteknik och bioteknik, 110(7), 1964–1972. https://doi.org/10.1002/bit.24848
  • Senaputra, A., Jones, F., Fawell, P. D., & Smith, P. (2014). Fokuserad strålreflektansmätning för övervakning av flockningens omfattning och effektivitet i mineralsystem. Aiche Journal, 60(1), 251–265. https://doi.org/10.1002/aic.14256
  • Govoni, S., & Keiser, B. (2001b). Övervakning av flockning av tidningspapper i laboratorium och på pappersmaskin. ResearchGate. https://www.researchgate.net/publication/289334218_Monitoring_Flocculation_of_Newsprint_in_the_Laboratory_and_on_a_Paper_Machine
  • Blanco, A., Fuente, E., Alonso, A., & Negro, C. (2010). Optimal användning av flockningsmedel vid tillverkning av fibercementmaterial genom Hatschek-processen. Konstruktion och byggnadsmaterial, 24(2), 158–164. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2007.06.017
  • Uncles, R., Bale, A., Stephens, J., Frickers, P., & Harris, C. (2010). Observationer av flockstorlekar i en lerig flodmynning. Flodmynningens kust- och kontinentalsockelvetenskap, 87(2), 186–196. https://doi.org/10.1016/j.ecss.2009.12.018
  • Owen, A., Fawell, P. D., & Swift, J. (2007). Beredning och åldring av flockningsmedelslösningar av akrylamid/akrylatsampolymer. International Journal of Mineral Processing, 84 (1–4), 3–14. https://doi.org/10.1016/j.minpro.2007.05.003

Vanliga frågor

Vanliga frågor om flockning

Vad är definitionen av flockning?

Flockning är en process genom vilken små partiklar i en vätska samlas för att bilda större, klumpade massor som kallas flockar. Detta kan ske naturligt eller genom tillsats av vissa kemikalier som kallas flockningsmedel. Vid naturlig flockning kan små partiklar i en vätska samlas på grund av en mängd olika faktorer som gravitation, Brownsk rörelse eller elektrostatiska krafter. När dessa partiklar kolliderar och klibbar ihop börjar de bilda större massor som så småningom kan sedimentera ut ur vätskan.

Flockning kan också induceras genom tillsats av flockningsmedel, som är ämnen som främjar bildandet av flockar. Dessa kemikalier fungerar genom att neutralisera de elektriska laddningarna på partiklarnas yta, vilket gör att de attraherar varandra och bildar större klumpar. Flockningsmedel används ofta inom avloppsrening, gruvdrift och andra industrier där separering av fasta ämnen från vätskor är nödvändig. När flockarna har bildats kan de separeras från vätskan genom en mängd olika metoder, såsom sedimentering, filtrering eller centrifugering. Den resulterande vätskan är ofta mycket klarare och lättare att hantera än före flockning.

Vad är flockning vid vattenbehandling?

Koaguleringsflockningsprocessen används ofta vid avloppsrening för att avlägsna grumlighet och bakterier. Flockning uppmuntrar suspenderade partiklar att binda ihop sig och bilda stora, agglomererade partiklar som kallas "flockar". Dessa flockar flyter lätt upp till ytan eller sedimenterar på botten, vilket ger ett effektivt och kostnadseffektivt sätt att påskynda separationen.

Vad är skillnaden mellan koagulering och flockning?

Koagulering och flockning är två distinkta processer som används efter varandra för att övervinna de krafter som håller de suspenderade partiklarna stabila. Partiklarnas laddningar neutraliseras genom koagulering, men de kan binda ihop och växa genom flockning, vilket gör det lättare att ta bort dem från vätskan. Läs mer om flockning vs koagulering.

Vad är en flockulerad suspension?

En flockulerad suspension avser en blandning eller dispersion av fasta partiklar i en vätska där partiklarna har samlats och bildat större kluster eller aggregat som kallas flockar. Dessa flockar hålls samman av svaga fysiska krafter, såsom van der Waals-krafter eller överbryggning mellan partiklar, snarare än att vara jämnt fördelade i vätskan. Bildandet av flockar i en suspension leder till sedimentering eller separation av de fasta partiklarna, vilket gör dem lättare att avlägsna eller filtrera från vätskefasen. Flockning används ofta i olika industrier, inklusive avloppsrening, gruvdrift och kemisk bearbetning, för att underlätta separering och klarning av suspenderade fasta ämnen från vätskor.