Curs PMS_master CPA 2016_partea a Doua

8/16/2019 Curs PMS_master CPA 2016_partea a Doua

1/48

19‐May‐

Powerpoint Templates 185

SEPARAREA CU AJUTORUL

SCHIMBĂTORILOR DE IONI

Powerpoint Templates


SCHIMBATORILOR DE IONI

• Reacţ ie de dublu schimb - poate avea loc însisteme eterogene

R-H+ + M+X- R-M+ + H+X-

R+OH - + M+X- R+X- + M+OH-

Schimbul ionic este definit ca o substituţ ie a unui ion legat de o matriceinertă cu un alt ion prin desfacerea unei legături ionice şi formarea uneinoi legături ionice, f ăr ă alte modificări structurale semnificative.


2/48

19‐May‐


Clasificarea schimbătorilor de ioni

proveniență: - naturali

- sintetici specia ionic ă schimbat ă: - cationiti

- anioniti- amfoterici

starea de agregare: - solizi- geluri- lichizi

structura chimic ă: - anorganici- organici- r ășini schimbătoare de ioni

structura chimic ă a grupării active: cationiti carboxilici, sulfonici,aminici etc.

caracterul acido - bazic: - cationiti slab sau puternic acizi- anioniti slab sau puternic bazici


Alumino-silicați (Al2SiO5): zeoliti

- Schimbători de ioni naturali

Lignina

- Schimbători de ioni sintetici

Polistiren sulfonat


SCHIMBATORILOR DE IONI


3/48

19‐May‐


Aplicații1. Dedurizarea si demineralizarea apelor industriale (retinerea cationilor Ca2+, Mg2+, a anionilor HCO3-

, SO42-

, SiO32-

). (alimentarea cazanelor, a circuitelor primare ale reactoarelor, ca ape tehnologicepentru industria chimica, textila, a hartiei, la prepararea unor bauturi alcoolice si nealcoolice).2. Separarea si recuperarea unor ioni din solutiile diluate de electroliti, aplicata la recuperarea unor

metale, a unor metale rare sau radioactive (germaniu, uraniu), la regenerarea solutiilor utilizate ingalvanotehnica (solutii de nichelare, cromare, decapare), la izolarea si recuperarea compusilor toxici din apele reziduale, la decontaminarea apelor reziduale din industria combustibilor nucleari.

3. Industria chimică:- purificarea avansata a reactivilor anorganici si organici, a solventilor, prepararea acizilor sibazelor libere din sarurile lor - procese catalitice: alchilari, esterificari,hidratareaolefinelor, suporturi pentru catalizatori

4. Industria farmaceutică: separarea antibioticelor, acizilor carboxilici, aminoacizilor, vitaminelor,alcaloizilor, hormonilor, purificarea solutiilor.

5. Industria alimentar ă:- industria zaharului (purificarea melasei, a solutiilor de zahar, recuperarea zaharului)- purificarea solutiilor de glucoza, glicerinei, fenolilor, gelatinelor - separarea acizilor carboxilici (acid lactic, citric, tartric), aminoacizilor, vitaminelor - innobilarea vinurilor si a sucurilor de fructe.

6. Tehnica de laborator: analize calitative si cantitative, separari analitice ale izotopilor, aminoacizilor,metalelor etc., purificarea solutiilor, prepararea reactivilor puri.

7. Determinări biologice: dozari si purificari de componenti ai sangelui, ai plasmei si ai altor lichide

biologice.8. Practica terapeutică: tratamentul hiperaciditatii, ameliorarea regimului alimentar fara sare,

mentinerea calitatii sangelui utilizat in transfuzii, sterilizare, efectuarea unor analize etc.


Schimbători de ioni anorganici

Posedă o structur ă de tip alumino - silicat, dar pot fi întâlnite și structuri diferite (fosfo -molibdenica,

heteropoliacida).

Pot fi fiind naturali sau sintetici.

Structura ioniților minerali poate fi cristalină sauamorf ă.

Sunt în principal cationiți. Au o capacitate de schimb redusă.


4/48

19‐May‐


Schimbatori de ioni anorganici naturali

Glauconit: alumino - silicat care contine diferiti oxizi metalici in proportii variabileGlauconitul este primul cationit folosit la dedurizarea apelor, schimband cu usurinta cationul

K +, din structura sa, cu Mg2+ si Ca2+. Datorita provenientei sale naturale, ionitul estesaturat cu ionii Ca2+ si Mg2+, ceea ce impune tratarea sa preliminara cu o sol. de NaCl pentru introducerea ionului Na+ in retea.

Zeoliti: alumino - silicati hidratati, fiind primele materiale minerale folosite in schimbulionic.

Structura generala: MeO.Al2O3.nSiO2.mH2O (Me: Na+, K +, Ca2+, Sr 2+, Ba2+, Mg2+, Mn2+)Structura cristalina, sub forma unor retele tridimensionale ce prezinta cavitati in care

difuzeaza si este retinuta apa. Acest fenomen permite adsorbtia unor cantitati apreciabiledin solutiile de electroliti, favorizand schimbul cationilor.

Zeolitii reprezinta cationiti extrem de selectivi, deoarece, datorita dimensiunii canalelor dinretea, permit difuzia anumitor ioni din solutie. De asemenea, zeolitii pot retine diferitemolecule: NH3, H2S,CO2, SiCl4, I2, Br 2, C2H5OH

Ex. In functie de structura retelei cristaline, ca si de continutul in Na2O, Al2O3 si SiO2, suntanalcit, philipsit, harmoton, mordenit, chabazit, fiecare retinand preferential anumiticationi sau molecule.

Montmorillonitul: mineral cu structura cristalina stratificata, formata din straturi de

Al2O3 si SiO2 unite prin cationii Na+, K +, Ca2+, Mg2+. Aceasta structura permite marireavolumului, datorita difuziei apei intre straturile retelei cristaline. Din acest motiv,montmorillonitul se utilizeaza ca absorbant in industria alimentara, farmaceutica,cosmetica, la rafinarea uleiurilor, la obtinerea sapunurilor, decolorare (pamanturidecolorante).


Schimbători de ioni organici Cărbuni: carbunii de pamint tineri, turbele si unele varietati de lignit, manifesta

capacitate de schimb ionic, ca rezultat al prezentei grupelor active -COOH si -OHfenolic. Aceste materiale pot retine unii cationi din solutiile de electroliti, eliberindprotoni. Astfel, retin cationii Ca2+, Mg2+, Fe2+ din sarurile cu acizii slabi, procesaplicat la dedurizarea apelor. Capacitatea de schimb ionic poate fi modificatasemnificativ prin tratamente chimice specifice.

Cărbuni modificati chimic: sint obtinuti prin oxidare cu HNO3, H2SO4, SO3 etc.,in scopul cresterii numarului grupelor -COOH si -OH fenolic. Acesti ioniti retinselectiv cationii bivalenti din solutii foarte diluate si cu un continut ridicat din alticationi (de exemplu, Ca2+ aflat intr-un raport masic de 1/150 - 200.000 cu alticationi bi- si trivalenti intr-o solutie).

Schimbători de ioni cu structura celulozica: celuloza si l ignina nu posedacapacitate de schimb ionic. Insa, prin introducerea in structura acestor compusi aunor grupari polare, se obtine o gama larga de ioniti cu aplicatii diverse.

Prin modificarea chimica a ligninei, cu obtinerea acizilor l ignin - sulfonici,aceasta poate retine cationii, fiind utilizata pentru purificarea apelor reziduale dinindustria nucleara.

Schimbători de ioni pe baza de dextran: dextranul, un polizaharid, poate deveniun ionit prin tratamente chimice care urmaresc reticularea sa (agentul dereticulare este epiclorhidrina) si introducerea unor grupari active. Ionitii rezultatipoarta denumirea generica de Sephadex si retin atit cationii, cit si anionii.


5/48

19‐May‐


R ășini schimbătoare de ioni

Rășinile schimbătoare de ioni sunt compusi macromoleculari sinteticicare conțin grupări polare ionizabile ce favorizează schimbul ionic.Rășinile schimbătoare de ioni pot fi sub formă de particule solide saugeluri.

Datorită structurii tridimensionale, r ășinile solide permit difuzia internă aionilor din soluția unui electrolit, proces facilitat de caracterul hidrofil alacestor ioniți (la contactul cu apa, apare fenomenul de umflare alr ăsinii). Pătrunderea apei accelerează difuzia ionilor în interiorulparticulei de r ășină.

Rășinile sintetice au forma unor granule cu dimensiuni cuprinse între0,02 - 1,5 mm, fiind obținute prin policondensarea sau polimerizarea ș igrefarea pe structura matriceală a polimerului de bază a grupărilor funcționale. Capacitatea de schimb ionic este marita prin crestereanumarului de grupari polare, insa aceasta poate cauza accentuareatendintei de dizolvare a rasinii in apa sau ingreunarea elutiei.

R ășinile sub formă de gel nu posedă o porozitate reala, ionii difuzândprin structura gelului catre centrii de schimb ionic. Pentru aceste r ășinise definește o porozitate aparenta, determinata de distanteleintermoleculare si care nu depaseste 40 Å.


Metode de obținere a rășinilor

schimbătoare de ioni

1. Rășini schimbătoare de ioni cationiți

a. policondensarea formaldehidei cu acizi fenolsulfonici(sulfocationiti) sau fenolcarboxilici (carbocationiti).

Sulfocationiții conțin în structur ă grupări -SO3H și grupări -OH fenolice:

Cationiții slab acizi conțin grupări -COOH și, eventual, -OH fenolic

OH

CH2

CH2SO3H

CH2

OH

CH2

OH

CH2

CH2

CH2

CH2

OH

CH2

CH2

OCH2COOH

CH2

CH2

OCH2COOH


6/48


7/48

19‐May‐


Sorbtia se considera incheiata, respectiv schimbatorul de ioni saturat, atunci cind la iesire solutia are oanumita valoare a concentratiei speciei chimice care se dorestea fi separata, de circa 80% din concentratiasa in solutia initiala (in general, se constata o crestere brusca a concentratiei acesteia in efluent, fenomencare poarta denumireade strapungere).

Elutia reprezinta eliberarea ionilor retinuti si retrecerea lor in solutie, si se realizeaza cu reactivi specifici ioniloreluati sau schimbatorilor de ioni folositi. Cationitii se trateaza cu solutii acide de concentratie 2 - 8% (HCl, H2SO4),iar anionitii cu solutii alcaline de concentratie 2 - 5% (NaOH, mai rar Na2CO3 sau NH4OH). In anumite situatii, infunctie de structura chimica a gruparii active (de exemplu, cationit in forma acida H sau sodica Na), prin elutie seobtine si regenerarea schimbatorului de ioni.

Regenerare - ionitul este readus in forma sa activa. Aceasta etapa se realizeaza cu reactivi specifici tipului derasina utilizata si a ionului care va fi retinut. Astfel, pentru cationiti sub forma acida H, prin elutie cu o solutie acidase produce si regenerarea. Daca se utilizeaza sub forma Na, dupa elutie cu o solutie acida, cationitul se trateazacu o solutie 4% NaCl sau NaOH. Anionitii se trateaza pentru elutie cu o solutie 2 - 5% NaOH si, apoi, cu o solutie5 - 7% HCl, daca anionitul este sub forma Cl.

In anumite procese de separare, dupa elutia ionului principal retinut, se poate proceda si la elutia altor speciiionice similare, inainte de regenerare. De exemplu, in cazul separarii streptomicinei pe cationiti, elutia antibioticuluise face cu o solutie 3 - 4% H2SO4. Ionii de Ca, Mg, Fe, retinuti de rasina din filtratul supus prelucrarii, seindeparteaza de pe cationit cu o solutie 5 - 7% HCl, dupa care rasina se regenereaza (cationitul se utilizeaza subforma Na).

Regenerarea se poate face fara spalarea prealabila a ionitului sau concomitent cu elutia, iar etapa de afinare poate fieliminata. In schimb, in special in cazul produselor care impun restrictii privind sterilitatea, se realizeaza sisterilizarea schimbatorului de ioni (de exemplu, cu o solutie 1% formol) inaintea retinerii ionilor.

In coloanele cu schimbatori de ioni dispusi in straturi fixe, inaintea unui nou ciclu de sorbtie, se procedeaza laafinare. Operatia are rolul de a indeparta impuritatile mecanice si bulele de aer din stratul de rasina, in scopulreasezarii particulelor de schimbatori de ioni pentru o distribuire uniforma si o c irculatie corespunzatoare a solutieide prelucrat prin stratul de rasina. Afinarea se realizeaza introducind apa distilata sau demineralizata de jos in susprin coloana cu rasina. Operatia se opreste atunci cind apa care paraseste coloana pe la partea superioara devinelimpede (durata poate fi de pina la 2 ore).

In timpul afinarii, volumul stratului de ionit se poate mari considerabil, de aceea se impune existenta unui spatiu gol lapartea superioara a coloanei.


Mecanismul separarii prin sorbție pe

schimbători de ioniMecanismul procesului de schimb ionic constă în trecerea ionilor din soluție în

r ășină si a ionilor corespondenți din r ășină în soluție.Viteza procesului global poate fi controlata de trei tipuri de rezistente (etape

limitative): difuzia ionilor prin filmul de lichid de la suprafata particulei de schimbator de

ioni difuzia ionilor prin particula de schimbator de ioni reactia chimica de schimb ionic

specie ionica

solutie granula de schimbator de ioni

1

2 3

Etapele retinerii speciilor ionice pe schimbatorii de ioni


8/48

19‐May‐


specie ionica

solutie granula de schimbator de ioni

1

2 3

Etapele reținerii speciilor ionicepe schimbătorii de ioni

Mecanismul separarii prin sorbție pe

schimbători de ioni


0

3

6

9

12

0 20 30 40 50 60

Timp, min

C o n c e n t r a ] i e , g / l

regim stati c

regim dinamic

a

0

3

6

9

12

0 20 30 40 50 60

C o n c e n t r a ] i e , g / l

Timp, min

regim static sidinamic

b

0

3

6

9

12

0 20 30 40 50 60

Timp, min

C o n c e n t r a ] i e , g / l c

Stabilirea naturii etapei limitative a unui proces de separare prin sorbtie pe

schimbători de ioni:a - difuzia prin filmul de lichid este etapa limitativab - difuzia prin filmul de lichid nu este etapa limitativac - difuzia interna este etapa limitativa.

Mecanismul separării prin sorbție pe



9/48

19‐May‐


Mecanismul schimbului ionic este determinat de: valoarea concentratiei solutiei, regimul hidrodinamic, dimensiunea particulei de rasina, porozitatea si dimensiunea porilor particulei, coeficientii de difuzie in rasina etc. valoarea coeficientului de difuzie in particula, difuzie interna, caracteristicile ionilor participanti la procesul de schimb structura rasinii,Se obtin viteze ridicate de difuzie in cazul ionilor putin voluminosi si rasini cu

porozitate ridicata. Coeficientii de difuzie interna ai ionilor monovalenti sintde circa 1/10 - 1/3 din valoarea coeficientilor de difuzie in apa, iar a ionilorbivalenti de 1/100 - 1/5.

difuzia in particula, daca valoarea concentratiei solutiei este de peste 0,1M,pentru concentratii sub 0,01M fiind controlat de difuzia prin filmul de lichid.


Eluția Regenerarea schimbătorilor de ioni, cu refacerea

structurii inițiale a acestora și retrecerea ionilor retinuti însoluție, se realizează diferențiat:

Cationiții se tratează cu soluții acide (HCl, H2SO4)RM + HCl RH + MCl

Anioniții se tratează cu soluții alcalineRX + MOH ROH + MX

Există situații în care reacțiile de schimb ionic nu sunt reversibile, șianume atunci cand din proces rezulta apa:RH + MOH RM + H2O

ROH + HX RX + H2O

Regenerarea schimbatorilor de ioni se face și in aceste cazuri printratare cu agentii de regenerare mentionati anterior.


10/48

19‐May‐


Sisteme de operare la separarea prin sorbție pe


Sisteme: - discontinue- continue

Contactarea soluției supusă prelucr ării cu r ășinaschimbătoare de ioni se poate realiza prin:

- trecerea soluției peste stratul fix de r ășină,- fluidizarea r ășinii- circulația în contracurent a celor două faze.

Instalația de separare poate fi alcătuită dintr-o

singura coloană cu schimbători de ioni sau dintr-obaterie de astfel de coloane legate în serie.


1. Operarea în sistem continuu cu rășina în strat fix

consta in circulatia continua a solutiei, de sus in jos, prin coloana cu rasina. Acest sistem de operare este descris de urmatorul model matematic:

ecuatia continuitatii transferul de masa al speciei

Pe baza modelului matematic anterior se realizeaza proiectarea sitranspunerea la scara superioara a acestor procese de separare. Operarea

in conditii optime impune determinarea urmatoarelor marimi caracteristice:- cantitatea de rasina, M- diametrul coloanei, D, si inaltimea stratului de rasina, H- durata procesului de sorbtie, T- viteza de curgere a solutiei prin stratul de rasina.

t

C

t

C

h

Cv ivs

*CCKt

Ci

vS - viteza superficiala a solutiei prin stratul de rasina - fractia de goluri a stratului de rasinaC - concentratia speciei chimice retinute in solutia din exteriorul

particulei de rasinaCi - concentratia speciei chimice retinute la suprafata sau in

interiorul particulei de rasinah - pozitia in interiorul stratului de rasinaV - densitateavolumica a rasiniiK - coeficient global de transfer de masa.


11/48

19‐May‐


2. Operarea cu rășina în strat fluidizat

Avantajele unei amestecari intense, respectiv o suprafata de contactridicata si accelerarea transferului de masa. In plus, in cazulproduselor de biosinteza, acest sistem permite retinereacomponentului util fara filtrarea prealabila a biomasei.

Comparativ cu stratul fix, dimensiunile particulelor de rasina pot fi maireduse (0,2 mm), deoarece nu apar probleme create de rezistentahidraulica a fazei solide.

Dezavantaje:• antrenarea particulelor de rasina de dimensiuni reduse• distrugerea mecanica a particulelor de rasina• aparitia rezistentei hidraulice ridicate pentru straturile inalte de

rasina.

• timp de contact redus intre solutie si rasina.


Clasificarea utilajelor folosite în operarea în strat fluidizat

a. regimul de funcționare:- discontinue- continue

b. forma:- cilindrice- conice- prismatice

c. sistemul de distribuție a agentului de fluidizare:- aparate fara site: - cu difuzori

- cu insertii conice- aparate cu site: - pulsatoare

- vibratoare- mobile- cu dispozitiv de prea-plin


12/48

19‐May‐


Aparate conice, fara site, in care distributia agentului de

fluidizare se realizeaza prin difuzoare de constructie speciala

Folosirea acestor aparate coniceconduce la o fluidizare maiuniforma, la o erodare mai redusaa particulelor de rasina (datoritaunei amestecari mai putin intense,comparativ cu utilajele tip coloana),la diminuarea fenomenului deantrenare a granulelor de ionit.

Absenta sitelor permite prelucrarealichidelor de fermentatie nefiltratesau opalescente (fara indepartareaprealabila a proteinelor din lichidulde fermentatie).

Solutieepuizata

Solutie deprelucrat

Rasina

Agent defluidizare

Aparat conic cu r ășina în

strat fluidizat.


3. Operarea în contracurent

Consta in circulatia continua in contracurent asolutiei de prelucrat si a rasinii, sistem carese aplica atit elutiei, cit si regenerariischimbatorilor de ioni.

Utilajele folosite sunt orizontale, transportulrasinii realizindu-se cu ajutorul unuitransportor cu palete.


13/48

19‐May‐


Aplicații ale separarii prin sorbție pe


Separarea streptomicinei

HO O

CH2OH

C

HO

HN

C

NH2HN

OH

CH

CH

CH

CH3

OHO=CH

O

O CH

CH

OH

OHC

HNC

HN

H2N NHCH3

HC

CH

HO


Separarea streptomicinei

Pentru separarea si purificarea antibioticului, lichidul de fermentatie,filtrat, in prealabil, in scopul indepartarii biomasei si a proteinelor coagulate dupa deproteinare, este trecut printr-o baterie de coloanecu schimbatori de ioni.

Separarea streptomicinei din filtrat se face prin sorbtie pe cationiticarboxilici slab acizi in forma Na. Retinerea antibioticului esteposibila datorita disocierii sale in solutia apoasa, mecanismulprocesului de separare prin schimb ionic fiind descris de reactiile:

Str-NH2 + H2O Str-NH3+HO-

R-COO-Na+ + Str-NH3+HO- R-COO-H3N

+-Str + NaOH


14/48

19‐May‐


Sorbtia se realizeaza intr-o baterie de coloane cu schimbatori decationi in strat fix (IRC-50, KB-4-P2), in utilajele (1) - (3), la un pH = 7

- 7,5, debitul filtratului fiind de 800 - 1200 l/h. Prima coloana dinbaterie se considera saturata atunci cind concentratia antibioticului laiesire este de circa 80% din concentratia sa din filtrat. Coloana seizoleaza de baterie, iar rasina se supune elutiei si regenerarii.

Elutia streptomicinei se realizeaza cu o solutie de 3-4% H2SO4 sidecurge conform mecanismului:

R-COO-H3N+-Str + 3/2 H2SO4 Str-NH2.3/2H2SO4 + R-COOH

filtratsol. H2SO4

apa +formol

654321

eluatconditionare

apespalare


Extracția prin micele inverse


15/48

19‐May‐


Micele inverse: asociaţ ii sferice de molecule de compuşitensioactivi (surfactanţ i) care încorporează un mediu apos şicare se găsesc dispersate într-un solvent nepolar .


Micelă inversăMicelă normală


Structura şi proprietăţile micelelor inverse

Compuşii tensioactivi (surfactanţi) = molecule amfifile constituite din: – un „cap” polar hidrofil – o „coadă” hidrofobă = o catenă hidrocarbonată


Structura unei molecule amfifile


16/48

19‐May‐


Se clasifică în funcţ ie de sarcina restului hidrofil rezultatdupă disocierea în apă:

– compuşi tensioactivi neionici – compuşi tensioactivi ionici:

• anionici,• cationici,• amfiionici.

Compuşi tensioactivi trebuie să fie compatibili cu sistemelebiochimice în care acţ ionează.

Numeroşi surfactanţ i formează micele inverse în medii nepolare, cei maimulţ i dintre ei necesitând însă şi prezenţ a unui co-surfactant. Unul dintre puţ inii surfactanţ i care poate forma micele inverse f ăr ă co-surfactant este bis(2-etilhexil) sulfosuccinatul de sodiu (AOT).


Compuşii tensioactivi


Anionici

Cationici

Amfionici

Neionici

N+

Br -

SO-Na+

O

Ododecilsulfat de sodiu (SDS)

bromur ă de cetilpirimidina

O

OP

O

OO

OCH2CH2N(CH3)3+O-

dipalmitoilfosfatidilcolina (lecitina)

O O O O OH

polioxietilen (4) lauril eter

Clasificarea compuşilor tensioactivi


17/48

19‐May‐


Moleculele tind să se asocieze sferic, cucatenele formând un miez interior, nepolar,

înconjurat de o suprafaţă exterioar ă alcătuitădin capetele polare = micelă normală(microemulsie de tip U/A).

În contact cu apa, păr ţ ile hidrofobe alesurfactantului tind să se asocieze astfel încâtcontactul cu apa să fie minim.




Moleculele se asociază într-un agregatsferic în care miezul este format dincapetele polare şi suprafaţ a externă dincatenele hidrofobe, agregat numit micelăinversă (microemulsie de tip A/U).

Spre deosebire demicelele normale, mărimea

micelelor inverse creşteliniar cu cantitatea de apăadăugată în sistem.




18/48

19‐May‐


4 nm

Unimer Micele normale

Sferică

Cilindrică

Lamela bistratificată (plană)

Micele inverse

Faza hexagonală inversă

Cilindri interconectaţi Fază lamelar ă spaţială

Agregate supramoleculare de surfactanţi


0

2

4

6

8

10

12

14

0 1Concentrația surfactantului

CCM

CMC

• Dacă concentrațiasurfactanților < CCM sunt

prezenți doar unimeri

• Dacă concentrațiasurfactanților este > CCM sunt

prezente micele în echilibru cuunimeri

Concentrația critică a micelelor

Variația tensiunii superficiale a apei cuconcentrația surfactanților



19/48

19‐May‐


Solution PropertiesSolution Properties

02468

101214

0 1Surfactant concentration

CMC

C o n c e n t r a t i o n

unimers

micelles

02468

101214


CMC

Osmotic pressure

0246

8101214


CMC

Isc Light scattering


• Transferul spontan al unui compus insolubil în solvent în soluție ca urmare a încorpor ăriiacestuia în miceliile de compuși tensioactivi

Compus polar

Micele inverse

Compus nepolar

Micelă normală

Compus amfifilic

Solubilizarea prin micele inverse


20/48

19‐May‐


Solubilitatea unui compus slab solubil crește carezultat al includerii în micele.

0

2

4

6

8

10

12

14

0 1Concentratia compusului tensioactiv

CMC S o l u b i l i t a t e


Alegerea compușilor tensioactivi

224

- Selectarea tipului de compus tensioactiv: anionic, cationic,amfoteric, neionic- Selectarea compusului tensioactiv sau perechii de compușicu solubiliatea optimă pentru aplicația dorită- În general compușii tensioactivi:

- anionicii sunt ușor solubili în apă și greu solubili înuleiuri

- cationici și amfoterici sunt ușor solubili în apă- neionici: solubilitatea poate fi determinata prin HLB


21/48

19‐May‐


Determinarea HLB

225

HLB = Balanța Hidrofil-Lipofil

H.L.B. = Σa +nb +7

Σ este numărul de grup al păr ţii hidrofile a moleculei, b numărul de grup al radicalilor CH2 – sau –CH3 – n este numărul atomilor de carbon din moleculă

HLB exte un indicator al solubilității surfactantului și se calculează doar pentru surfactanții neionici.

Substanţele cu valoare HLB mai mică decât 10 caracterizează substanţe cu caracter predominant lipofil, mai uşor solubile în lichidenepolare (uleiuri), iar valori peste 10 indică un caracter hidrofil al

substanţei, care va fi mai uşor solubilă în apă.



Interacţ iunea dintre micelele inverse ş i apă prezintă o importanţădeosebită. Datorită miezului polar ele pot îngloba apa, „dizolvând-o” în solvenţ ii organici nepolari.

• Raportul molar apă – surfactant (w 0 ) influenţ ează puternicproprietăţ ile micelelor inverse.

• Apa din interiorul micelei inverse este par ţ ial legată de capetelehidrofile ale surfactantului; numai peste anumite valori w 0 aceastase comportă ca şi apa liber ă.

Exemplu: – în micelele inverse formate de AOT:• până la w 0 = 6 ÷ 8 apa este legată de capetele hidrofile alesurfactantului;

• la valori w 0 > 6 ÷ 8 apa se comportă ca şi apa liber ă



22/48

19‐May‐


Propriet ăţ ile apei înglobate în micele inverse:a – schema unei micele inverse de AOT;

b – variaţ ia propriet ăţ ilor fizice ale apei în micele inverse



Mecanismul extracţiei prin micele inverse

228



23/48

19‐May‐


Mecanisme posibile de transfer a solutului între micelele inverse:

(a) fuziunea tranzitorie a douămicele inverse ;

(b) difuziunea moleculelor solutuluiprin stratul dublu de surfactantformat la punctul de contact dintredouă micele inverse care nufuzionează ;

(c) migrarea solutului prin fazaorganică dintre două micele inverse.



Factorii care influenţează transferulbiomoleculelor în micelele inverse

230

Principalii factori care influenţ ează repartiţ iabiomoleculelor între faza apoasă externă şi faza apoasăinternă din micelele inverse:

pH-ul,

tăria ionică,

tipul electrolitului din faza apoasă,

tipul şi natura surfactantului, tipul solventului organic

caracterul hidrofob sau hidrofil al moleculei extrase

temperatura.


24/48

19‐May‐


Efectul pH-ului şi al t ăriei ionice a soluţ iei asupra solubiliz ării unor

biomolecule: ( ) – citocrom C; ( ) – lizozima; ( ∆ ) – ribonucleaza A;a – sistem AOT – izooctan cu 0,1 M KCl;

b – sistem AOT – izooctan f ăr ă control de pH

ba


Prin modificarea controlată a pH-ului şi a tăriei ionice se poate

realiza separarea unor proteine în funcţ ie de mărimea acestora


Reextracţia (extracţia inversă) = operaţ ia princare biomoleculele înglobate în microfaza apoasăinternă din micelele inverse sunt trecute din nou învolumul unei faze apoase.

Reextracţia din micele inverse


25/48


26/48

19‐May‐


Temperatura influenţ ează proprietăţ ile fizico-chimiceale micelelor inverse și are un rol important în special

în procesele de reextracţ ie a biomoleculelor .

Eficienţ a reextracţ iei poate fi îmbunătăţ ită prin creşterea temperaturii

Mărirea temperaturii duce la creşterea raportului w 0 , în finalajungându-se la distrugerea micelelor inverse, cu formarea unei fazeapoase distincte în care sunt concentrate majoritatea biomoleculelor extrase. Această fază este separată apoi prin centrifugare.

La creşterea temperaturii se produce inactivarea termică aenzimelor;

Efectul temperaturii depinde de structura compusului reextras șitrebuie corelat cu labilitatea termică a acestuia.



Valorile comparative ale activității finale a amilazei separată prin miceleinverse și reextrasă cu și f ăr ă modificarea temperaturii

236

Comparativ cu alte metodalități (modificarea pH-ului), reextracţ iaprin modificarea temperaturii este deocamdată cea mai eficientă modalitate de recuperare a biomoleculelor.



27/48

19‐May‐


Aplicaţii ale extrac

ţiei prin micele inverse

237

Extracţ ia prin micele inverse este utilizată pentrurecuperarea unor produse de biosinteză intra- şiextracelulare:

– proteine, – peptide, – acizi nucleici, – acizi organici, – antibiotice, – steroizi.


Utilizarea extracţ iei prin micele inverse în sistemede separare cuplate cu tehnicile membranare.


Tehnici combinate de separare prin micele inverse

Membranele solide pot fi utilizate pentru:

• imobilizarea unei interfețe între două lichide diferite• interpunerea unui strat de solvet organic între două solușii apoase.

Comparativ cu materialele solide folosite în sistemele de extracție prin SLM,porii acestor membrane trebuie să fie suficient de largi pentru a permite difuziaproteinelor și enzimelor din soluția inițială în faza micelelor inverse.



28/48

19‐May‐


Factorii care influenţează eficiența extracției însistemele combinate

Stabilitatea și localizarea interfeței dintre faza apoasă și faza micelelor inverse depinde semnificativ de diferența de presiune dintre faze.

Un alt factor care afectează eficiența acestor sisteme de separare ilreprezintă depunerea pe suprafața membranei a unor compuși insolubili.

Influența diferenței de presiune, P, dintre fazeasupra coeficientului total de transfer al enzimei

Efectul acumulării compușilor insolubili asupraconcentrației solutului în faza organică, Co


Procesul de extracţ ie cu micele inverse - limitări:

– dificultatea reextracţ iei proteinelor în faza apoasă,

– imposibilitatea reutilizării micelelor inverse datorităpierderilor importante de surfactant în faza apoasă,

– prezenţ a în soluţ iile apoase reale rezultate ladezagregarea masei celulare, a unor compuşiimpurificatori (acizi nucleici, zaharuri, peptide etc.) acăror comportare este puţ in cunoscută.



29/48

19‐May‐


Extracția în sisteme bifazice apoase

241


Aplicabilitatea metodelor de extracție cu solvențieste limitată în cazul moleculelor de natur ă proteică:

- moleculele proteice sunt polare- solubilitate redusă în solvenți organici- solvenții organici pot provoca denatur ări ale moleculelor proteice în timpul extracției

242

Pentru separarea prin extracţ ie lichid – lichid aproteinelor, este necesar un sistem de extracție care săconțină două faze apoase nemiscibile, între care serealizează distribuția proteinelor.



30/48

19‐May‐


Aplicații ale sistemelor bifazice apoase- separarea:

- proteine- enzime- acizi nucleici-organite celulare



1.Sisteme de extracție a moleculelor proteice

244

Obținerea sistemele apoase bifazice (SAB) sebazează pe:

– incompatibilitatea a doi polimeri hidrofili,

– incompatibilitatea dintre un polimer hidrofil şielectroliți,

– termoseparare,

– extracția bazată pe afinitate.Pentru separarea din faza apoasă a proteinelor prin extracţ ie lichid – lichid, estenecesar un solvent care:

– să aibă capacitate mare de solubilizare pentru proteine, – să nu denatureze proteinele, – să producă o tensiune interfacială scăzută.



31/48

19‐May‐


• Metoxi-polietilenglicol• Polietilenglicol• Alcool polivinilic• Polivinilpirolidonă• Hidroxi-propildextran• Dextran

Polipropilenglicol

PPG

• Alcoolpolivinilic• Polivinilpirolidonă• Dextran

Polietilenglicol

PEG

• Metilceluloză• Hidroxi-propildextran• Dextran

Alcoolpolivinilic

• Metilceluloză• Hidroxi-propildextran• Dextran

Polivinilpirolidonă

• Hidroxi-propildextran• DextranMetilceluloza

• DextranEtil-hidroxietilceluloză

Hidroxi-propildextran

• Dextran

SAB frecvent utilizate

• Fosfat de potasiu• Sulfat de amoniu• Sulfat de magneziu• Sulfat de sodiu

• Fosfat de potasiu

• Sulfat de amoniu


• Extracţ ia biopolimerilor = prin interacţ iuni de tip van der Waals între:

– molecula proteică şi polimerul hidrofil; – grupările proteinelor, cu solubilizarea acestora într-o

anumită fază.

• Un sistem de extracţ ie este proiectat a.î.: – proteina dorită să treacă în faza superioar ă (PEG, de ex.), – materialul care trebuie îndepărtat, inclusiv celulele şi

resturile celulare, să treacă în faza inferioar ă (sare sau dextran).

2. Mecanismul extracţiei moleculelor proteice în SAB



32/48

19‐May‐


Diagrama de echilibru pentru un sistem (a) polimer-polimer si (b) polimer-sare



Diagrame de echilibru PEG - Dextran



33/48

19‐May‐


Diagrama de echilibru PEG 4000 – Fosfat de potasiu



Puterea de separar e a unui sistem este caracterizată de:

- gradul de extrac ţ ie (Y)

- factorul de separare (F)

dependenţ i de raportul volumelor fazelor (R) şi decoeficientul de distribuţ ie (K N ).



34/48

19‐May‐


Principalii factori care influenţ ează valoareaconstantei de distribuţ ie sunt:

– componenţ ii care formează cele două faze,respectiv natura, concentraţ ia şi masamolecular ă a polimerilor,

– tipul şi concentraţ ia ionilor din sistem, – pH-ul, – temperatura, – adaosul de alţ i componenţ i (de ex. agenţ i

haotropici),

– concentraţ ia celulelor şi a resturilor celulare



Interdependenţ a dintre gradul de extrac ţ ie (Ysup), coeficientul dedistribuţ ie (K N ) şi raportul volumic al fazelor (R)



35/48

19‐May‐


Factori care influențează extracția moleculelor proteice:- natura polimerilor - masa molecular ă a polimerilor - tăria ionică - concentrația proteinelor - valoarea pH-ului- temperatura

253



Selectarea sistemelor de extracție amoleculelor proteice

254

- stabilirea caracteristicilor moleculelor proteice – prepararea unor sisteme de extracție cu componenti identici, dar caresadifere prin compozitie si caracteristici- selectarea mai multor SAB capabile de a realiza separarea componentuluidorit;

– alegerea dintre acestea a sistemului de extracţ ie adecvat, în funcţ ie deinfluenţ a diver şilor factori (natura soluţ iei proteice iniţ iale, tărie ionică, pH,temperatur ă etc);

– stabilirea schemei de flux a procesului de extracţ ie necesare pentru

obţ inerea purităţ ii dorite, în condiţ iile eliminării compuşilor cu activitateconcurentă (enzime care pot transforma un substrat

într-un mod nedorit, de ex.).


36/48

19‐May‐


Aplicații ale sistemelor bifazice

255

Majoritatea proceselor biotehnologice care utilizează SAB se bazează pe sisteme PEG – sare, pentrusepararea şi purificarea:

enzimelor, antigenului hepatitei B, interferonului, lactalbuminelor, lactoglobulinelor, hemoglobinei,

altor proteine terapeutic active.


Separarea unor enzime prin SAB

256


37/48

19‐May‐


Etapele procesul tehnologic de purificare a proteinelor intracelulare:

257

– dezagregarea celulelor, – adăugarea componenţ ilor SAB (PEG, dextran,fosfat etc.)

– ajustarea pH-ului, – amestecarea suspensiei pentru atingereaechilibrului de faze.

– separarea fazelor = gravitaţ ional sau centrifugal

– concentrare si condiționare


Extracţ ia în SAB se realizează: în şarje (cel mai uzual) în flux continuu :

– extracţ ia în echicurent (a), – extracţ ia în contracurent (c), – extracţ ia în curent încrucişat (b).

F- alimentareS – solvent

E- extractR - rafinat


38/48

19‐May‐


Practical strategy to ATPE process development and scale-up for the downstream processing of biopharmaceuticals

(TP, top phase; BP, bottom phase; MW, molecular weight; K P, partition coefficient; MSB, mixer-settler battery)


• Din fluxurile lipsite de fază solidă fosfatul poate fi recuperat princristalizare la 6 °C.

• Pentru recircularea PEG s-a propus:

– extracţ ia cu cloroform, – reextracţ ia salină a proteinelor din faza bogată în PEG, cuformarea unei soluţ ii reciclabile de PEG liber ă de proteină

• Separarea PEG de enzimele extrase: – ultrafiltrarea, dializa, sau reţ inerea enzimei pe un adsorbantadecvat.

• Recircularea detergenţ ilor: – extracţ ie cu alcooli alifatici inferiori

• Recuperarea sărurilor: – exploatarea lacunelor de miscibilitate în sistemele ternareapă –sare – alcooli alifatici inferior

Recuperarea a polimerilor şi sărurilor utilizate în extracţ ia cu SAB


39/48

19‐May‐

Powerpoint Templates 261Cell separation by an aqueous two-phase system in a microfluidic device


Schematic diagram illustrating the behaviour of antibodies (IgG) and contaminant proteins (impurities) in a PEG–salt

ATPS and the strategies used to enhance the partitioning of antibodies towards the PEG-rich phase: addition of NaCl(right) or decreasing the molecular weight (MW) of PEG (left).


40/48

19‐May‐


Schematic diagram illustrating the principles of a temperature-separating ATPS.(a) First, antibodies are partitioned to the EOPO-rich phase in the presence of a free ligand.

(b) This phase is then isolated and heated above the polymer cloud point (CP) temperature.(c) A new ATPS is formed from which the antibodies can be easily recovered form the water-rich (upper) phase.

Powerpoint Templates 264Obţ inerea α-amilazei din Bacillus sp.:

a – procedeul convenţ ional; b - procedeul prin extracţ ie în SAB


41/48

19‐May‐


Extracţ ia în SAB avantaje si dezavantaje: – consumuri energetice scăzute, – investiţ ii minime, – cheltuieli mari cu for ţ a de muncă – cheltuieli mari cu materialele.

Reducerea costurilor materialelor: – alegerea corespunzătoare a rapoartelor volumice ale fazelor, – introducerea de noi SAB, – perfecţ ionarea proceselor de recuperare – recirculare.

Reducerea duratei procesului: – utilizarea separ ării centrifugale;

• obţ inerea unor randamente superioare,• obţ inerea unor produse calitativ superioare, datorită absenţ eiunei degradări proteolitice semnificative.



42/48

19‐May‐


Extracția cu fluide supercritice

267

Fluidele supercritice:Compuși ai căror temperatur ă și presiune sunt la valori mai mari devalorile critice

Caracteristici: - caracter nepolar

- capacitate de a solubiliza doar compușiinepolari și slab polarizabili

Aplicații

Extracție:- parafine, eteri, esteri, lactone, gliceride- uleiuri esențiale- compuși de biosinteză

Reacții chimice:- oxidare, sinteză, degradare utilizând apă supercritică

- reacții enzimatice Separare și purificare:

- izolarea unor compuși chirali- analiza polimerilor și a compușilor hidrofobi



Starea supercritica


43/48

19‐May‐



Starea supercritica


Comparativ cu solvenții lichizi, fluidelesupercritice prezintă:

– difuzivitate ridicată

– viscozitate scazută

– tensiune superficiala scazuta; – constanta dielectrica joasa; – densitate continuu variabila.

• Sistemele supercritice combină calitățilelichidelor și gazelor, rezultând un fluid foarte“elastic”, un solvent cu “geometrie variabilă”.



44/48

19‐May‐


Parametrii punctului critic pentru o serie de compuși chimici



Solvenți supercritici



45/48

19‐May‐


Diagrama de faze a CO2

În jurul punctului critic,modificari mici ale P si Tconduc la variatii substantialeale densității.

• Puterea de solvatare -solubilitatea creste cucresterea densității;

• Extractia = la densități mari;• Separarea solutului = ladensități mici



Componentele unui proces de prelucrare a probelor bazat pe SFE



46/48

19‐May‐


1. Extracție cu fluide supercritice într-un singur stadiu


Sisteme de operare în extracția cu fluide supercritice


2. Extracție cu fluide supercritice în mai multe stadii



47/48

19‐May‐


3. Extracție continuă cu fluide supercritice în contracurent




278

Aplicații

Extracție:- parafine, eteri, esteri, lactone, gliceride- uleiuri esențiale- compuși de biosinteză ( acizi carboxilici cu masă molecular ă redusă, alcooli, antibiotice, vitamine liposolubile)- extracția de compuși colorați și arome vegetale- extracția cofeinei din boabele de cafea

Reacții chimice:- oxidare, sinteză, degradare utilizând apă supercritică

- reacții enzimatice Separare și purificare:

- izolarea unor compuși chirali- analiza polimerilor și a compușilor hidrofobi


48/48

19‐May‐


Exemple de aplicaţ ii analitice ale extracţ iei cu fluide supercritice

P i t T l t 280

Avantajele și dezavantajeleextracției cu fluide supercritice

Avantaje: - eficiență ridicată- extracție la temperatur ă scăzută- viscozitate redusă - coeficienți de difuzie ai solutului ridicați- absența toxicității- regenerare ușoar ă- preț de cost scăzut- cantitate redus

ă de reziduuri

Dezavantaje: - capacitate de extracție redusă, mai ales pentrucompușii polari

- instalațiile de extracțiew trebuie să funcționeze la presiuniridicate și presupun echipamente de construcție specială


Documents

Curs PMS_master CPA 2016_partea a Doua