Flokulacija je temeljni proces, ki se uporablja za lažje združevanje majhnih delcev v tekočini ali raztopini, da se tvorijo večje skupine, znane kot kocke.
Ta proces se običajno doseže z dodajanjem specializiranih kemikalij, znanih kot flokulanti, ki služijo za spodbujanje zlepljanja delcev in pomoč pri trčenju in pritrjevanju delcev. Flokulacija je pomembna v številnih industrijah in naravnih sistemih, saj omogoča ločevanje trdnih snovi od tekočin ter čiščenje vode in drugih tekočin.
Flokulacija in koagulacija sta dva procesa, ki se pogosto uporabljata skupaj za odstranjevanje nečistoč in onesnaževalcev.
Koagulacija vključuje dodajanje kemikalij, znanih kot koagulanti, vodi, pufru ali topilom, ki destabilizirajo delce in povzročijo, da se združijo. Ta proces običajno vključuje ustvarjanje delcev, imenovanih "kocke", vendar natančneje označenih kot agregati. Agregate lažje ločimo od topnih sestavin (pogosto vode) s sedimentacijo ali filtracijo.
Flokulacija vzame te manjše agregate, ki nastanejo med koagulacijo, in jih združi v še večje agregate, znane kot "kocke". Ta proces se običajno doseže z dodajanjem flokulantov, ki so specializirane kemikalije, ki spodbujajo aglomeracijo delcev.
V bistvu je koagulacija začetni korak pri agregaciji delcev, medtem ko je flokulacija naslednji korak, ki ustvarja večje in lažje odstranljive aglomerirane kocke. Oba procesa sta ključna pri odstranjevanju nečistoč in onesnaževalcev iz vode ali drugih topnih virov.
Koagulant je sredstvo, ki se uporablja za spodbujanje združevanja ali zlepljanja drobnih delcev, suspendiranih v tekočini. Koagulacija je kemični proces, ki vključuje dodajanje koagulanta za nevtralizacijo naboja razpršenih delcev. Majhne, submikronske biološke in kemične molekule pogosto nosijo negativne površinske naboje, ki ovirajo združevanje in usedanje (1a).
Koagulantne kemikalije lahko adsorbirajo na delce in nevtralizirajo negativne naboje. Nevtralizacija ali včasih titracija na kisli pH omogoča, da se delci držijo skupaj, kar povzroči nastanek stabilnih in dobro suspendiranih submikronskih koagulantnih delcev, znanih kot mikroloki (1b).
Za pravilno disperzijo koagulantnih kemikalij je potrebno hitro mešanje za spodbujanje trkov delcev in nastajanja grudic (1c). Združeni delci so še vedno precej majhni in niso vidni s prostim očesom.
Flokulacija poveča velikost še vedno submikronskih koagulantnih grudic, zaradi česar jih je lažje ločiti. To na splošno zahteva nežno mešanje in uporabo polimernih ali drugih ionskih flokulantov z visoko molekulsko maso. Flokulant adsorbira koagulantne delce, spreminja površinske lastnosti in premošča reže, da olajša nastanek kokolov (2a). Z bližino delcev se poveča efektivni razpon van der Waalsovih privlačnih sil, s čimer se zmanjša energijska pregrada za flokulacijo. To omogoča oblikovanje ohlapno zapakiranih skupin kock.
Aglomeracija, vezava in krepitev kock se nadaljujejo, dokler se ne oblikujejo vidno suspendirani makrobloki (2b). Sedimentacija se bo pojavila glede na pravo težo delcev, velikost in moč interakcije. Veliki makrofloki so zelo občutljivi na mešanje in ko jih raztrga močna striženje, jim je težko ali nemogoče reformirati.
Flokulacija se naravno dogaja med nastajanjem snežink in podmorskih sedimentov, namerno pa se uporablja tudi v biotehnologiji, naftni industriji, industriji celuloze in papirja, odpadnih vodah in rudarstvu.
Biofarmacevtski izdelki
Cele celice sesalcev z visoko sposobnostjo preživetja je pogosto enostavno filtrirati zaradi svoje velikosti in porazdelitve. Vendar pa imajo mikrobne celice iz bakterijskih in kvasnih sistemov veliko manjše monomerne celične enote. Obremenitev biomase mikrobnih celic ali celic sesalcev z nizko sposobnostjo preživetja in majhno srednjo velikostjo delcev lahko ustvari veliko drobcev majhnih celic, ki zamašijo filtre in upočasnijo hitrost filtracije. Flokulacija se uporablja za zmanjšanje skupnega števila delcev ob hkratnem povečanju porazdelitve velikosti delcev, s čimer se izboljša filtracija in zagotovi učinkovita in stroškovno učinkovita ločitev celičnega materiala od supernatanta. Flokulacija se lahko uporabi tudi, če celična kultura proizvaja več produktov in/ali stranskih produktov, ki so izraženi v različnih celičnih strukturah ali mikrookoljih fermentacijskega matriksa. Primeri vključujejo membransko vezan, intermembranski prostor ali ekspresijo supernatanta, pa tudi izdelke, ki se adsorbirajo na polimere ali celo v večfaznem zajemanju, kot je emulzija.
Čiščenje vode in odpadnih voda
Odpadna voda lahko vsebuje znatne količine suspendiranih delcev, ki se pogosto usedejo dolgo časa. Čiščenje flokulacijske vode pospeši sedimentacijo in zagotavlja učinkovito ločevanje trdnih snovi / tekočine. Velike količine porabljene vode je mogoče hitro obdelati, kar zmanjšuje vpliv na okolje z zmanjšanjem časa in prostora, potrebnega za shranjevanje uporabljene vode.
Celuloza in papir
Celulozna vlakna so ena glavnih sestavin v celulozi in papirju, vendar zahtevajo tudi lepilo, impregnacijo in polnila, da dosežejo zahtevane lastnosti listov za sprejemljiv papirni izdelek. Flokulacija se med postopkom odvajanja vode pogosto uporablja za kombiniranje vlaken, polnil in drugih dodatkov na način, ki zagotavlja, da se trdni material hitro loči in se lahko proizvaja v velikih količinah.
Rudarstvo plemenitih kovin
Tokovi izdelkov pogosto vsebujejo široko paleto različnih kovin, ki jih je treba ločiti, da dobimo čisti izdelek. Selektivne padavine posameznih kovin običajno spremlja flokulacija in sedimentacija, da se zagotovi hitra ločitev od preostale tekočine.
Delci, kristali in kapljice lahko povzročijo težave znanstvenikom na vseh stopnjah, od raziskav do proizvodnje. Analitika brez povezave je ključnega pomena za nadzor kakovosti, vendar se nadzor nad delci lahko zgodi le, če razumete, kako procesni parametri vplivajo na velikost, obliko in število delcev.
Ta prispevek, Analiza velikosti delcev za optimizacijo procesov, uvaja omejitve analize brez povezave za optimizacijo procesov in ponuja praktične tehnike za:
Flokulacija je pomembna operacija enote, ki zahteva razvoj in optimizacijo za učinkovito delovanje. Ključni premisleki in procesni parametri vključujejo:
Dodatek flokulanta
Flokulacijo poganja predvsem vrsta in odmerek kemičnih snovi, dodanih za sprožitev koagulacije in flokulacije delcev. Sekundarni gonilniki vključujejo bolj tradicionalne fizikalne parametre (npr. mešanje, temperatura itd.). Karakterizacija stabilnosti tekočega flokulanta, mešalne kinetike, homogenosti in končne koncentracije je prav tako pomembna med karakterizacijo procesa kot med bolj očitnimi cilji inženiringa delcev (npr. porazdelitev velikosti delcev in štetje). Dodane flokulante ali pomožne snovi je treba označiti tudi zaradi njihovega vpliva na rezultat flokulacije, pa tudi kinetike procesov in regulativnih posledic.
In-situ ATR-FTIR in Ramanska spektroskopija sta močni metodi z več atributi, ki lahko hkrati sledita in kvantificirata več flokulantov ali pomožnih snovi v realnem času. Združevanje teh spektroskopskih podatkov z informacijami o porazdelitvi delcev in kinetiki lahko pomaga določiti idealno in pogosto minimalno količino potrebnega flokulanta, kar zmanjša obremenitev nadaljnjega odstranjevanja. Pufre in površinsko aktivne snovi je mogoče natančno označiti in nadzorovati tudi v realnem času.
Odstranjevanje flokulanta
Odločitev o vključitvi flokulacije v proces prihaja s pomembnim kompromisom zahteve po spodnjem delu oskrbne verige, da se v celoti odstranijo dodani flokulanti, površinsko aktivne snovi ali procesni intermediati. Ta zahteva pogosto povzroči dodaten čas postopka in dodatne analitske metode, potrebne za količinsko opredelitev ali preverjanje odsotnosti kakršnih koli dodanih pomožnih snovi pri predelavi. Zato je koristno zmanjšati količino flokulanta, koagulanta, površinsko aktivne snovi ali drugih dodanih sestavin.
Kadar so inline metode, kot sta ATR-FTIR spektroskopija ali Ramanska spektroskopija , integrirane pred kromatografijo in po njej, se lahko določijo tudi kvantitativne meritve prenosa mase izdelka, flokulanta in pomožnih snovi. To lahko služi kot potencialno dopolnilo analitskim metodam brez povezave.
Orodja za porazdelitev velikosti delcev na kraju samem omogočajo znanstvenikom, da spremljajo trende v posameznih velikostnih razredih in opazujejo obnašanje delcev, mešanih v stanju dinamičnega ravnovesja v realnem času. Ko dodamo flokulant, se število glob znatno zmanjša in število velikih blokov se močno poveča. Sčasoma bo striž mešala začel uničevati kocke. Veliko število delcev se bo zmanjšalo, majhno število pa se bo ponovno povečalo.
Razumevanje mehanizmov flokulacijskih delcev pomaga prepoznati temeljne vzroke za neoptimalno delovanje procesa, proizvodne izzive v nadaljnjem proizvodnem procesu in izdelke, ki niso specifikacije. Pridobivanje podrobnih podatkov o delcih na kraju samem je prvi korak k učinkoviti optimizaciji procesov, vgrajeni kakovosti (QbD) in učinkoviti proizvodnji.
Flokulacija zahteva nežno mešanje. Ker imajo posamezne vrste blokov različne prednosti, je pomembno razumeti, kaj je območje vrtljajev nežno za določen sistem floc. Orodja za porazdelitev velikosti delcev na kraju samem omogočajo vpogled v to, kako se razred velikosti majhnih delcev spreminja, ko se kocke ustvarijo in mešajo z različnimi hitrostmi. Hitro mešanje, prelomi, kocke in število glob se lahko povečajo na skoraj enako raven kot pred flokulacijo. Počasno mešanje pušča večino blokov nedotaknjenih. Slike iz analizatorjev velikosti delcev na kraju samem podpirajo te ugotovitve in prikazujejo večje kocke pri nizkih vrtljajih.
Intenzivnost mešanja in strižna optimizacija je uspešna strategija za preprečevanje preloma bloka. Izogibati se je treba lomljenju kock, ker premaga namen flokulacije in poveča čas filtracije. Stopnje filtracije in odvajanje vode iz torte so najhitrejše na točki optimalne flokulacije. Vsako odstopanje od te točke vpliva na poslovanje, kakovost izdelkov in proizvodne stroške.
V različnih panogah se flokulacijski procesi izvajajo v serijskem ali neprekinjenem načinu z dinamičnimi ali statičnimi mešalniki. Eden ključnih procesnih parametrov v obeh načinih je čas zadrževanja mešalne cone (MZRT). Točka optimalne flokulacije se v tem primeru nahaja na 1:38 min po injekciji flokulanta.
Z uporabo analizatorja velikosti delcev na kraju samem to orodje kaže, da so se kocke popolnoma razvile in da bo prelom bloka kmalu postal prevladujoči proces. Vidimo lahko tudi trende v posameznih velikostnih razredih, vizualiziramo točko optimalne flokulacije in definiramo okno MZRT, v katerem število majhnih delcev doseže sprejemljiv minimum.
Delovanje zunaj okna MZRT pomeni, da kocke še niso v celoti oblikovane ali da prelom bloka že ogroža velikost kosa in optimalno zmogljivost procesa. Oba primera sta neoptimalna zaradi velikega števila prostih majhnih delcev in samo okno MZRT zagotavlja želeno zmogljivost izdelka in procesa. Okno MZRT se razlikuje za vsak sistem delcev/flokulantov in ga je treba prilagoditi glede na sestavo vzmetenja, intenzivnost mešanja in vrsto flokulanta.
Kemična podjetja nenehno razvijajo nove in inovativne flokulante z izboljšano flokulacijsko zmogljivostjo. Vendar pa ni vsak flokulant primeren za vsak sistem delcev. Testiranje in potrjevanje zmogljivosti v določenem sistemu bo zagotovilo uporabo najboljšega flokulanta. Analizatorji velikosti delcev razkrivajo, da:
Analizatorji velikosti delcev na kraju samem lahko spremljajo flokulacijsko zmogljivost različnih flokulantov v realnem času. To omogoča znanstvenikom in inženirjem, da sprejemajo odločitve na podlagi dejstev med izbiro flokulantov in optimizacijo procesa flokulacije.
Zajemite slike delcev visoke ločljivosti na kraju samem, da pridobite globoko razumevanje procesa za kompleksne sisteme. Več
Vstavljen neposredno v laboratorijske reaktorje za sledenje spreminjajoči se velikosti delcev in štetje v realnem času pri polnih procesnih koncentracijah. Več
Povečajte produktivnost v vašem laboratoriju z reaktorji za kemično sintezo z vgrajenimi orodji za avtomatizacijo. Več
Ocenite kinetične parametre in modeliranje in silico za razvoj optimalnih reakcijskih pogojev. Več
Poenoten pristop podpira laboratorijsko-rastlinske aplikacije za spektroskopijo, karakterizacijo sistema delcev, natančno kontrolo reaktorja in kalorimetrijo. Več
Preden se lahko uresniči popolnoma neprekinjen in integriran vlak izdelkov, je treba razviti učinkovite, prilagodljive in stroškovno učinkovite metode za neprekinjeno in stroškovno učinkovito odstranjevanje celic. Avtorji opisujejo razvoj in testiranje takšne integrirane, neprekinjene in enkratne postavitve za ločevanje celic s flokulacijo v kombinaciji z globinsko filtracijo.
Meritve ParticleTrack so bile izvedene v vrsti, po dodatku 0,0375% pDADMAC, in nameščene na izhodu iz cevastega reaktorja (statično mešanje). ParticleTrack (FBRM) spremlja velikost flocca in pri prekrivanju s časovno ločenim tlakom označuje pristop k nasičenosti filtra in trende s tlačnimi dogodki. Različne ocenjene metode in tip flokulanta so privedli do različnih rezultatov glede skupne donosnosti zdravilne učinkovine, čistosti in indeksa visoke molekulske mase (HMWI). Ti rezultati so pokazali tudi korelacijo z različnimi porazdelitvami velikosti delcev, ki izhajajo iz izbranega tipa floc.
Ti podatki temeljijo na prejšnjih publikacijah, ki prikazujejo korelacijo z drugimi parametri flokulacije, kot so koncentracija flocc reagenta, mešalna sila ali striženje, čas mešanja resonance, temperatura ter začetno stanje in sestava celocelične juhe. Z uporabo flokulacije so bila zahtevana območja globinske filtracije uspešno zmanjšana za faktor 4 v primerjavi s konvencionalnim filtrirnim vlakom, za katerega je bil ParticleTrack (FBRM) zelo primeren za neprekinjeno pridobivanje protiteles.
Burgstaller, D., Krepper, W., Haas, J., Maszelin, M., Mohoric, J., Pajnic, K., Jungbauer, A., & Satzer, P. (2018b). Kontinuirana flokulacija celic za pridobivanje rekombinantnih protiteles. Časopis za kemijsko tehnologijo in biotehnologijo, 93(7), 1881–1890. https://doi.org/10.1002/jctb.5500
Flokulacija je proces, s katerim se majhni delci v tekočini združijo in tvorijo večje, grudaste mase, imenovane kocke. To se lahko zgodi naravno ali z dodajanjem nekaterih kemikalij, imenovanih flokulanti. Pri naravni flokulaciji se lahko majhni delci v tekočini združijo zaradi različnih dejavnikov, kot so gravitacija, Brownovo gibanje ali elektrostatične sile. Ko ti delci trčijo in se držijo skupaj, začnejo tvoriti večje mase, ki se lahko sčasoma usedejo iz tekočine.
Flokulacijo lahko sprožimo tudi z dodajanjem flokulantov, ki so snovi, ki spodbujajo nastanek kock. Te kemikalije delujejo tako, da nevtralizirajo električne naboje na površini delcev, zaradi česar se privlačijo in tvorijo večje grude. Flokulanti se običajno uporabljajo v čistilnih vodah, rudarstvu in drugih industrijah, kjer je potrebno ločevanje trdnih snovi od tekočin. Ko se kocke oblikujejo, jih je mogoče ločiti od tekočine z različnimi metodami, kot so sedimentacija, filtracija ali centrifugiranje. Nastala tekočina je pogosto veliko jasnejša in lažja za rokovanje kot pred flokulacijo.
Postopek koagulacije-flokulacije se običajno uporablja pri čiščenju odpadne vode za odstranjevanje motnosti in bakterij. Flokulacija spodbuja suspendirane delce, da se vežejo skupaj in tvorijo velike, aglomeratne delce, znane kot "kocke". Ti kosi zlahka plavajo na površino ali usedline na dnu, kar zagotavlja učinkovito in stroškovno učinkovito sredstvo za pospešitev njihovega ločevanja.
Koagulacija in flokulacija sta dva različna procesa, ki se uporabljata eden za drugim za premagovanje sil, ki ohranjajo suspendirane delce stabilne. Naboji delcev so nevtralizirani s koagulacijo, vendar se lahko vežejo skupaj in rastejo s flokulacijo, kar olajša njihovo odstranjevanje iz tekočine. Preberite več o flokulaciji proti koagulaciji.
Flockulirana suspenzija se nanaša na mešanico ali disperzijo trdnih delcev v tekočini, kjer so se delci združili in tvorili večje skupine ali agregate, imenovane kocke. Te bloke držijo skupaj šibke fizične sile, kot so van der Waalsove sile ali premostitve med delci, namesto da bi bile enakomerno porazdeljene po tekočini. Nastajanje komoljev v suspenziji vodi do usedanja ali ločevanja trdnih delcev, zaradi česar jih je lažje odstraniti ali filtrirati iz tekoče faze. Flokulacija se običajno uporablja v različnih panogah, vključno s čiščenjem odpadnih voda, rudarstvom in kemično predelavo, da se olajša ločevanje in čiščenje suspendiranih trdnih snovi iz tekočin.
