分离的策略处理稀释液体流

文摘

处理稀释液体流在工业如食品、农业、生物技术、制药、环境等需要特殊战略所需的产品的分离和净化,环境友好处置废物流。采用的分离策略实现的目标是非常重要的经济和环境的观点。摘要我们已经回顾了一些选择的普遍分离策略的各个方面如吸附、膜分离、电泳、色谱分离和电渗行使稀释液体流的处理。

1。介绍

处理稀释液体流发生在数量的单元过程和单元操作在化工行业。而这些行业采用的分离策略有时遵循传统的蒸馏等过程,结晶,干燥,等等,由于几十年以来的操作熟悉。在工业、稀释液体流需要特殊的处理策略所需的分离和净化产品和环保处置废物流。采用的分离策略是极其重要的经济和环境的观点。分离技术的适用性取决于许多因素,包括:(我)改进的选择性,(2)提高能源效率,(3)开发新流程配置和集成,(iv)经济可行性,(v)环境安全与兼容性(vi)可持续性(回收和重用)。

行使了许多新的/修改技术工程师和科学家来提高效率和降低成本的传统分离技术。商业利益的分离过程可以根据阶段涉及的分类(我)固相固相分离(筛选、分类、浮选、絮凝和实地),(2)固液分离(增厚、离心、过滤、干燥和结晶),(3)相分离(旋风分离器、过滤器、吸附等),(iv)液-液分离(蒸馏、萃取、膜和吸附),(v)气相分离(吸收、剥离和渗透蒸发),(vi)气气分离(膜)(七)solid-liquid-gas分离。

每一类有几种不同的方法来实现分离。然而,它是不可能看所有这些可能的策略单帧内详尽。在本文中,我们希望研究的各个方面的不同的普遍分离策略用于处理稀释液体流,如吸附、膜分离、电泳、色谱分离和电渗。

2。分离方法

2.1。吸附

吸附是一种热力学自发的表面现象。当一个多组分液体混合物与固体表面接触(吸附剂),某些组件的混合物(吸附物)都集中在固体的表面之间由于分子间作用力的区别吸引液体混合物的组件和固体。这种形成的固体吸附剂表面的吸附阶段有一个成分不同于大部分液相形式被吸附分离技术的基础。吸附是一个放热的过程虽然逆转现象,也就是说,解吸,是一个吸热现象。吸附和解吸形式同样重要的步骤在一个实际的吸附过程中,吸附剂重复用于分离。

吸附分离技术被认为是一个选项,当高度的纯度是必需的。吸附分离可以提供另一种选择(我)系统对能源密集型低温蒸馏和液化,(2)传统的蒸馏系统,(3)系统需要最低inprocess空气和水的使用,和(iv)复杂的分离高沸点或热不稳定的化合物。

吸附技术的发展主要取决于开发利用各种各样的微-介孔吸附剂在不同孔隙结构和表面性质,负责从液体混合物的选择性吸附特定的组件。吸附剂在分离和净化的作用过程是一个函数的组成、孔隙结构和表面性质,表面官能团的存在和类型,其程度的极性,其亲水/疏水特性。吸附剂不应受到污染或退化的原料流的组件。常用的吸附剂包括硅酸铝(沸石分子筛)、活性炭、天然和合成粘土、激活和浸渍氧化铝,二氧化硅凝胶,离子交换树脂,biopolymeric吸附剂。每一个组的吸附剂包含子组的材料的数量。开发新的吸附剂材料和物理化学修改现有吸附剂的研究人员不断研究。

一个特定的吸附效率adsorbent-adsorbate系统取决于许多因素:(我)adsorbent-chemical成分的物理化学性质、表面性质、孔隙结构,(2)被吸附物的性质如pKa、官能团,极性,分子量,和大小(3)解决方案条件如溶液的pH值、离子强度、吸附物浓度。

2.1.1。吸附过程的操作模式

吸附分离过程可以通过各种方式进行。

批量吸附过程
批处理过程的直观的方式学习的效率的吸附剂吸附特定的分子或离子的分离。在这里,一个固定数量的吸附剂吸附物的体积与一个固定的联系已知浓度恒定温度的解决方案。被吸附物浓度的变化在一个固定的时间间隔为吸附剂的吸附容量选择的吸附物。这是设计一个吸附分离过程的第一步。

连续流吸附过程
在这个过程中,原料流扩散通过固定床列挤满了吸附剂在连续流模式。在接近饱和的吸附剂,通过吸附物的突破,列删除,重新生成。有两种基本模式操作的床上或列类型吸附剂与疲惫和吸附剂的再生,即固定床和脉冲床。高浓度系统典型的某些工业废物,脉动床系统通常是有效的和有效的。在连续流动过程中,反应堆可以在上升气流或向下流方向。固定床吸附器可减少压降上升气流模式,引导和污染的吸附剂。此外,上升气流设计和操作允许较小的粒子大小的吸附剂用来增加吸附率,从而减少吸附器的大小。

吸附层析法
在这个过程中,介绍了原料流脉冲在清洗流,类似于液相色谱法。这种方法已申请小规模生产精细化学品。有限制大规模由吸附色谱分离。

2.1.2。应用程序的吸附分离和净化

吸附领域的技术已经广泛在过去的几年中,它将继续增长在未来的未来,因为它巨大的适用性。无休止的选择吸附剂材料和使用的设计创新分离过程提供光明的未来这种技术作为一种分离工具。吸附技术已经发现了许多应用稀释液体混合物的分离和净化和产品复苏的化工、石油化工、生化产业,在生物技术和生物医学应用和水处理(地面/地表水和废水)。技术已被用于olefin-paraffin分离,分离果糖和葡萄糖,异构体分离(二甲苯、甲酚和甲基异丙基苯),对共沸混合物,复苏的抗生素,去除微生物的净化和恢复的生物分子(蛋白质、维生素和酶),微量杂质去除、市政和工业废物处理,地面和表面水处理,等等,不一而足。新吸附剂的开发和先进的专业成分吸附方法,结构,功能,特点使这项技术适合满足现代的工业需求。

概述不同的有价值的产品的分离和纯化从稀溶液和去除各种污染物稀释过程流吸附技术已被提出。

工业应用
大规模的工业分离稀释液体流,吸附技术被发现更可持续的替代能源成本低和经济过程。一个组件可以选择性地吸附在吸附剂颗粒的床上,而另一个经过。吸附组件可以通过热恢复之后吸附(TSA)或变压吸附(PSA)取决于吸附剂和被吸附物的性质。通过这种方式,可以在环境温度下实现分离。由于size-selective吸附特征、不同形式的沸石分子筛有相当大的兴趣对他们的工业应用1)轻烯烃/烷烃分离的混合物(2),glucose-fructose混合物(3)、异构体分离(4,5),打破共沸混合物(6]芳烃为目的的分离净化的化学物质(7),等等。除了各种形式的沸石,高分子吸附剂和先进材料含有有机框架(MOF)已经开发了吸附分离脂肪族和芳香族的同分异构体(8]。
连续分离烯烃/烷烃混合物的化学工业的高需求。Herden及其coresearchers广泛研究的分离烯烃/烷烃混合物使用不同的修改形式的X -和引水系统沸石(2,9,10]。研究表明,x型沸石(Si /阿尔比1.3)更适合烯烃/烷烃分离。最近在这个领域发展表明吸附剂含有过渡金属盐分散在高表面积基质,如沸石,氧化铝、离子交换树脂、二氧化硅、粘土和活性炭更有效提高散装分离烯烃/烷烃混合物(11- - - - - -13]。这种类型的吸附剂包括过渡金属盐支持高表面积基质(沸石、活性氧化铝和二氧化硅)还发现有用的商业柴油脱硫(14,15)和芳烃的吸附去除16在行业。

生物技术和生物医学应用
生物分子分离纯化方面的,蛋白质、维生素、酶和抗生素的稀溶液在bimedical和生物技术的应用是一个重要的任务。在这一领域的应用,重点给出了特定分子的选择性吸附剂以及吸附剂的分子容易复苏。研究报告的使用各种吸附剂包括无机介孔硅,铝硅酸盐,碳纳米管,自然和人工合成的聚合物吸附剂,高分子树脂等进行了综述。吸附过程的不同的模式选择批处理和连续流过程实现所需的产品的分离和纯化。
作为一个低能量消耗和高收益的过程,吸附生物分子的分离和回收,即抗生素和维生素,从发酵肉汤是大工业重要的。吸附剂等非离子聚合物树脂(17),离子交换树脂(18,19)、活性炭、分子筛等已报告是有效的隔离和恢复这些生物分子。的分离-lectum抗生素,如阿莫西林、氨苄西林、头孢氨苄和cefadroxil,甲氧苄氨嘧啶,从生物反应器通过吸附在高分子树脂、活性炭和biopolymeric吸附剂(20.,21]。
DNA分离吸附在纯/改性二氧化硅及其复合材料是新技术的一个重要方法,它使用巩膜(22]。这种类型的分离的原理依赖于DNA分子绑定到硅表面在一定的盐和pH值在一定条件(23]。其他吸附剂用于分离DNA分子的吸附是自然/改性粘土[24),硅酸铝、氧化矿物质像针铁矿24]和磁性纳米颗粒和碳纳米管(25]。
分离和纯化的蛋白质通常是由吸附在色谱柱不同吸附剂材料包装。吸附剂如聚合物/复合离子交换剂(26),磁性纳米颗粒(27],cryogel [28),polypyrrole-based吸附剂(29日,介孔SBA-15 [30.)已经开发出来,用于蛋白质的分离。无机和有机高分子膜也学了蛋白质分子的吸附分离研究[31日,32]。净化的一个新概念蛋白胶束溶液两相系统中使用磁性吸附剂被贝克报告等。33]。

水处理
吸附技术是广泛利用一些研究人员对水处理及其净化(34]。虽然各种水处理的研究了吸附剂吸附,在实践中,其中一些几乎被利用为目的。吸附剂的成本是关键,而选择这个特定的应用程序的吸附剂。吸附剂的选择是主要的基础上完成所需的水的质量(喝废水/行业/环境安全)和吸附剂的成本。活性炭(AcC)来自不同来源(35,36),激活和浸渍氧化铝37,38),natural-modified粘土(39)和矿物质(40,41),合成粘土(42,43[],合成和改性沸石44,45)、聚合物和离子交换树脂(46,47)是最利用水处理吸附剂。低成本和吸附能力的有机和无机污染物,活性炭吸附剂及其化学改性形式出色的地面/地表水和废水处理(48,49]。活性炭(AcC)通常是在四个不同的形式,粉(PAC),颗粒(GAC),纤维(ACF)、穿(AcC)。所有这四种形式的活性炭从各种来源的调查已经获得饮用水和废水净化。活性炭的吸附能力对各种污染物在水介质(如文献报道的)列在表中1。一个广泛的调查文献从水中无机污染物的去除表明,活性炭吸附剂不是很有效地去除无机污染包括重金属从水/废水。在这种情况下,大量的低成本的材料,包括农业废物,天然生物聚合物(壳聚糖、海藻酸、纤维素),工业废物/ biproducts,天然粘土、土壤和矿物质,和他们的化学修改的形式研究了一些研究人员发现显示优良的吸附性能对重金属去除以及着色剂/染料的去除水/废水[65年- - - - - -68年]。自然土壤的研究人员已经成功地用于无机污染物的去除,氟化物(69年)、砷(70年,71年碘酸],[72年],磷酸盐[73年),从地表水/地下水的等等。不幸的是,很少的信息可以在文献中关于经济复苏的污染物从这些低成本吸附剂材料,花了吸附剂的再生,吸着剂的稳定性和重现性。因此,需要进一步研究这些低成本吸附剂的实际适用性。
除了传统的吸附剂,研究发展的新的有效的吸附剂,可再生和分离过程的重用。许多先进的吸附剂材料,如carbon-natural沸石复合(74年),aluminium-loaded shirasu沸石(75年),碳纳米管(76年),alumina-supported碳纳米管(77年),zeolite-portland水泥混合物(78年],zeolite-vermiculite复合[79年),cellulose-supported合成粘土(80年],carbon-fly灰复合,thiol-functionalized二氧化硅涂层活性氧化铝(81年],Ce-Ti氧化物[82年]等等与改善吸附特性正在开发和测试在水处理中的应用。
在过去的十年里,已经取得了很大进展的过程开发这项技术,但是,不幸的是,开发领域的吸附剂材料并不重要。成功实现技术的工业加工分离流需要相当好的吸附和吸附过程的基本原理的理解,也就是说,部队负责吸附,吸附平衡,其依赖于温度,吸附热,过程成本,等等。技术在这一领域进一步发展的挑战是成本效益的质量分离,这需要更多的有效途径和重用吸附剂再生,改善我们的理解裁剪吸附剂对于复杂系统,为传质改善预测模型,吸附,平衡,和其他物理数据。

2.2。膜分离

在过去的几十年中,膜分离过程开发和优化大规模工业应用的分离和净化所需的产品出现在稀溶液。在这个分离技术,通过液体流膜模块当溶剂分子通过膜离开所需产品/分子在另一边。这种技术一般用于批量而不是精确的分离。

最重要的优势比其他现有的膜基分离系统分离过程的消耗更少的能量。除了节能、膜系统是紧凑,模块化,便于系统的简单改造现有的工业过程。这项技术是广泛应用于食品和饮料行业83年,84年)、制药行业、生物技术(85年,86年),在环境、污水的处理和流程流(87年),和能源的应用。不同的膜基分离过程的应用用于各行业讨论如下。

2.2.1。微滤和超滤(MF和佛罗里达大学)

这是一个过程分离胶体大小的材料和更大的使用聚合物膜从真正的解决方案。用于净化的水流、浓度、净化和回收有价值的产品。这是所有其他膜过程中使用最广泛的。

微滤/超滤(MF / UF)技术主要是用于水液治疗。净化的应用机制包括拒绝的杂质(如净化的水),保留和浓度的贵重物品(净化的生物分子),通过渗透和净化的贵重物品(净化发酵流体)。

成功的两个最重要的特征MF / UF过程中膜的孔隙大小和经济效率。对于工业应用,膜的孔隙大小必须适合分离的目的,和经济效益必须足以允许所需的孔隙大小的变化。

MF / UF过程主要是用于水处理治疗自然水、饮用水(88年,89年)、废水、水库水(90年),和油污水91年]。这项技术也用于治疗algae-rich水(92年),病毒从水和废水的去除93年),胶体和天然有机物的去除地表水,等等。几种有效的水处理技术,包括MF / UF过程和其他过程降水/凝固(94年],electroperoxidation [95年),臭氧化(96年],光致氧化[97年]等等也被开发出来。MF / UF预处理的过程也是一个广泛使用的方法在反渗透或纳滤水。蔡et al。98年]报道electromicrofiltration方法去除天然有机物和无机粒子从自然地表水。在这种方法中,执行微量过滤应用电场下当一个增强去除天然有机物和无机微粒获得由于电泳和电渗效应。

在食品加工行业,MF / UF分离技术用于处理乳制品(99年,One hundred.),蜂蜜101年),水果/蔬菜果汁(102年,103年),葡萄酒的澄清,脱色甘蔗的解决方案(104年]。

MF / UF技术也被用于恢复生物分子如蛋白质、酶、维生素和碳水化合物从奶制品105年),植物油(106年)、渔业产品(107年],家禽加工废水[108年),发酵产品(109年),柑橘类水果的皮110年]。

然而,MF / UF过程的主要问题是通量减少浓差极化和膜污染造成的。几个进程已经被研究者试图防止/减少膜污染。

2.2.2。反渗透(RO)

这是液/液分离过程使用密集的半透膜,高渗透水和高度的微生物,胶体、溶解盐和有机物。这是第一个膜基分离过程是广泛的商业化。这种技术主要是用于水处理(111年,112年),即软化或饮用水的生产,海水淡化的海水、微咸水、和纯锅炉水化妆品在工业领域,在食品加工行业,污水处理和重用。

最大的单一应用领域的反渗透海水淡化的海水,咸咸的海水113年,114年]。醋酸纤维素膜和薄膜复合膜制成的芳香聚酰胺(115年,116年)被广泛用于此目的。几个预处理方法,如絮凝、沉淀、MF / UF [117年)、纳滤(118年),吸附、电凝法(119年海水反渗透)等等是试图增加膜的寿命,减少膜污染。RO分离海水、微咸水含有高总溶解固体(TDS)被认为是能源消耗比电渗析。它也用于移除从水中硼(120年]。

除了水的淡化,RO技术也被用于生产饮用水、锅炉水处理,给水处理的工业使用,有机和无机污染物的去除水、废水处理和重用121年- - - - - -124年]。

反渗透分离技术的其他应用程序包括净化的乳酸发酵肉汤(125年),有机/无机化合物的水溶液的分离(126年,127年),从多组分混合物的分离有机物128年],硼酸复苏[129年),等等。

2.2.3。电渗析(ED)

这是一个电化学分离过程中离子物种分离水溶液中或从其他卸货组件使用带电膜电位差的驱动力。虽然首次分离技术开发的海水淡化苦咸水的近期作品可以看出Sadrzadeh和穆罕默130年,131年)和许多其他研究小组,但目前最重要的工业应用电渗析是饮用水的生产。这种技术被广泛用于去除溶解的金属离子与固体工业/废水处理和金属离子的浓度从他们的解决方案132年,133年]。等无机污染物的去除氟化物(),硝酸()[134年],[硼从稀溶液流也由电渗析方法(135年通过不同的离子交换膜[]136年]。它也可以用于分离和盐浓度(137年),酸(无机和有机)[138年- - - - - -140年从水解决方案)和基地,单价从多个带电离子分离组件(141年),从无电荷的分子和离子化合物的分离142年]。由于这项技术的多样性和实用性,它可以是一个多功能的工具来满足特定的需求从化学143年],生化[144年)、生物技术(145年)、食品(146年),医药行业(147年,148年]。徐Electrodialysis-based分离技术进行了审查,和黄149年]。最近几天,稍微修改的形式与超滤膜电渗析分离了宝贵的biolmolecules [150年)的基础上他们的电荷和分子量大小或。在这个过程中,传统的电渗析单元使用,一些离子交换膜超滤膜(取代151年),化合物的分子量高于膜截止可以分离,电渗析的应用领域扩展到生物带电分子。

2.2.4。渗透蒸发

渗透蒸发膜基分离技术用于分离液体混合物的浓度,特别是aqueous-organic共沸混合物(152年]。在这个技术,液体混合物分离得到膜的一侧联系,删除和渗透作为蒸汽从另一侧。膜作为选择性两个阶段之间的屏障,液体饲料的解决方案和汽相渗透。运输通过膜组件的分压差引起的双方(饲料的解决方案和渗透气相)的膜。跨膜运输质量包括三个连续的步骤。(我)上游分区之间的饲料成分流动液体饲料和上游膜的表层。(2)通过膜扩散的组件。(3)解吸组件的渗透膜。

交通系统稳态质量取决于参数,像,上游压力,下游压力,温度和膜厚度。下游压力较低时,通量的膜厚度成反比。虽然第一工业应用渗透蒸发脱水的醇/水共沸混合物,目前的技术发现广泛的工业应用和恢复从各种液体混合物的分离。经济,安全,环保的过程中,渗透蒸发分离被认为是一个有前途的替代传统能源密集型的分离技术,如萃取或共沸蒸馏液体混合物。渗透蒸发可以被认为是所谓的“清洁技术”,尤其是对挥发性有机化合物的分离153年,154年]。技术是高度用于有机物的分离脂肪族和芳香族醇、酸、苯、甲苯、四氢呋喃、乙二醇等从稀释水的解决方案155年,156年]。它也广泛用于有机/有机混合物的分离157年),有机共沸混合物157年- - - - - -159年),和同分异构体的分离160年,161年]。这项技术已经研究了天然芳香化合物在食品行业的复苏162年]。

天然生物高分子壳聚糖和海藻酸钠在过去的十年里引起了相当大的关注作为渗透蒸发分离膜材料(163年- - - - - -165年]。由于亲水特性和能力修改/调整结构来实现所需的分离,海藻酸钠组研究人员广泛着迷。海藻酸钠是广泛研究膜的渗透蒸发脱水工业溶剂如乙醇、异丙醇、醋酸、四氢呋喃等。钠的表演alginate-based膜报道突出在脱水aqueous-organic有机物的混合物。使用海藻酸钠膜的渗透蒸发脱水研究及其各种改进形式一直在增加。图1显示的趋势发表文献的使用钠alginate-based膜的渗透蒸发分离aqueous-organic混合物在过去的几年里。

Aminabhavi和他的研究小组已经广泛研究了海藻酸钠的应用及其改性膜的渗透蒸发分离aqueous-organic混合物。不同类型的混合、嫁接和混合矩阵海藻酸钠膜制备和测试他们的Aminabhavi渗透蒸发性能的研究小组。钠alginate-based膜渗透蒸发性能的比较与其他聚合物膜water-isopropanol混合物分离的30°C被列在表中2。给出的数据是基于Aminabhavi和他的研究小组的报告工作。

表2显示,虽然异丙醇分离产生了与纯海藻酸钠膜选择性差,但大改进观察用填充物像MCM-41将海藻酸钠,SBA-15, Na⁺MMT, AlPO₄5,等等。然而,使用海藻酸钠膜分离organic-organic混合物的渗透蒸发是罕见的。

尽管通过聚合物渗透蒸发膜是最剥削,一些无机高分子复合膜与高热量和机械稳定性也已由研究人员在渗透蒸发更快地使传输过程(168年]。除了复合膜、无机沸石和硅基陶瓷膜(169年)也在近年来吸引了研究人员的注意,因为他们定制的选择性、高通量和低能耗除了提供一个范围reaction-separation系统相结合。

不同的混合渗透蒸发技术渗透蒸发等吸附(170年],蒸馏渗透蒸发[171年]等等也练习改善分离和加强经济复苏。

同时与化学反应相结合的渗透蒸发分离反应堆已经成为一个有趣的替代传统的过程。在渗透蒸发反应堆,产品从反应系统中分离提高转化率,因此产品产量(172年]。的产品在渗透蒸发反应堆反应抑制副产物的形成。渗透蒸发膜反应器就是这样一个reaction-separation系统实现对酯化反应(172年),生产丁醇、萃取发酵反应器的香气成分,树脂生产(173年),废水处理,等等174年]。混合渗透蒸发膜反应器系统的新概念所描述的公园和辛厚文[175年)于一体的渗透蒸发与吸附反应器系统渗透。公园和辛厚文验证混合渗透蒸发膜反应器系统通过执行醋酸酯化的乙醇。

实际应用的主要制约膜技术处理的稀释液体流膜能有效工作的需要在实际应用在复杂的矩阵的处理流和高按比例增长的大型应用程序的成本。

当前需要进一步发展的膜技术包括以下。(我)开发低成本的膜具有高表面积单位体积。(2)发展高温膜(陶瓷/金属),纳米复合材料,针对特定的商业应用。(3)增加膜的生活和防污抗焊剂方案。(iv)膜的再生/低成本维护。(v)膜分离技术与其他技术的集成。(vi)改进设计和信息工具预测膜性能。(七)按比例增长的过程。

2.3。电泳

电泳分离可能是主要的分子分离技术在今天的分析以及细胞生物学实验室制备的目的。这是一个便宜的和强大的技术,在分子水平上分离。电泳分离技术是基于微分迁移带电粒子在电场。因此,这种技术只适用于离子或可离子化的材料。生化应用程序通常水解决方案中使用的媒介,悬浮液或凝胶。

电泳的关键机制理论是双电层,它是由大分子的固定支出(或胶体)的相对移动反离子周围的流体。双电层的厚度通常是由Debye-Huckel常数的倒数κ 在哪里e是电子电荷,k玻耳兹曼常量,每个离子物种的体积浓度,z电解液的价,是介电常数。

双电层的总电荷为零;然而,收费的空间分布不是随机的,因此产生的电势。移动反离子注定足够紧密的大分子,在电泳过程中,移动反离子大分子一起移动。

可以一维(即电泳。,oneplane of separation) or two dimensional. One-dimensional electrophoresis is used for most routine protein and nucleic acid separations. Two-dimensional separation of proteins is used for finger printing. Alternatively, the electrophoretic technique may be of the following types: moving boundary electrophoresis (MBE), zone electrophoresis (ZE), disc electrophoresis, isoelectric focusing (IEF), sodium dodecyl sulphate/polyacrylamide gel electrophoresis (SDS/PAGE), isotacophoresis (ITP), DNA sequencing, immobilized pH gradients (IPG), pulsed-field gel electrophoresis, and capillary zone electrophoresis. The latest addition in the list is chromatophoresis, which is direct coupling of HPLC with SDS/PAGE and thus provide a new type of 2-D map. Moving boundary electrophoresis, capillary electrophoresis, and zone electrophoresis are the separation techniques primarily used in analytical methods. While most of the electrophoresis techniques have been used for analytical purposes, zone electrophoresis and isoelectric focusing are the two variations, which are also useful for preparative separations of protein mixtures.

区带电泳特点是完整的带电溶质分离成独立的区域。很多这种类型的分离进行了早些时候在硬质细胞使用滤纸。毛细管电泳技术已经用于DNA的分离、蛋白质、生物技术和细胞生物学的应用程序(176年,177年]。这项技术也可以用于手性分离在制药行业178年]。戏剧性的色谱技术的改进,之前连续电泳流行净化蛋白质如酶和氨基酸(179年,180年]。电泳分析规模的仍然是无价的,但大规模的电泳分离并不成立,因为技术不翻译大尺寸,主要是因为删除生成的热量在分离的困难,也因为这个过程是非常缓慢。在最近的十年中,大量的电泳分离技术的进展。

2.4。色谱技术

不同形式的色谱分离技术广泛应用于工业过程的分离和净化流,如地下水的净化,分离手性化合物在制药行业,和分离的生物分子生化/生物医学应用。色谱技术大致分为两类根据物理状态的流动相,气相色谱法(GC)和液相色谱(LC)。本文处理分离的解决方案;因此,讨论限制在液相色谱。

2.4.1。液相色谱(LC)

这是流动相的色谱技术是一种液体。根据液相色谱分离机制,可以分为下面的子目录。

高效液相色谱法(HPLC)
这是一个高度改进形式的柱层析法。在这个技术,随着样品被分离液体流动相移动通过固定相(填充柱)的帮助下在高压泵。材料更小的粒度,因此非常高的表面积可以用于列包装。这允许一个更好的分离组件的混合物。最常见的应用高效液相色谱法是在分析181年]。

离子交换色谱法(IEC)
IEC通常应用于酸性或碱性样品的分离,其电荷随博士在这个技术,分离通过交换或发生离子交换样品溶液和固体固定相。主要是离子交换色谱法是由离子交换之间的静电相互作用(移动离子样本)和固定离子共价相连的分子晶格离子交换。

亲和色谱法
这种技术主要用于分离和净化的生物材料、蛋白质、酶、抗体、抗原、病毒,和完整的与特定的固定化细胞的反应性物质。这种色谱技术的原理是基于分子纯化可以形成一个与另一个分子的选择性但可逆交互物种固定在一个合适的色谱的支持。膜色谱的支持时,称为亲和膜色谱法。微孔和大孔膜包含功能配体连接到他们的内部孔隙表面被用作吸附剂。亲和膜色谱法是一种很有前途的大规模分离过程的分离,纯化,复苏的蛋白质和酶(182年- - - - - -184年]。Immobilized-metal亲和色谱法是相对较新的和先进的技术适合蛋白质纯化(185年]。冯et al。186年)合成一个新的immobilized-metal亲和色谱法与顺磁性吸附剂分离和纯化的蛋白质。通过亲和色谱法分离可以通过两种不同的技术,进行柱层析法和批处理方法,批处理方法通常适用于大规模的制备分离。亲和色谱法在批处理模式与生物技术产业的发展越来越受欢迎。

尺寸排阻色谱法(SEC)
分离和保留在证券交易委员会是由溶质分子的水动力直径相对于毛孔的大小列的包装。因此,在证券交易委员会,溶质是筛选了根据减少分子大小和最大可用容量等于分离的总孔隙体积包装中。这个技术是流行的净化蛋白质分子(187年,188年因为高恢复和删除不良总量的能力(从蛋白二聚体,低聚物等)产品(189年]。技术改善交会高性能交会(HPSEC)导致更快速分离和提高分辨率190年]。

反相色谱法(RPC)
这是最受欢迎的液相色谱分离技术。在这种技术中,一个水/有机溶剂混合物常用的流动相,高表面积非极性固体(通常一个烃键二氧化硅填料)作为固定相。

手性色谱法
这种色谱技术主要用于分离立体异构体,即手性化合物。

薄层色谱法(TLC)
这是一个平面色谱的流动相移动的固定相薄层吸附剂(如硅胶、氧化铝、或纤维素,在平坦和惰性基质。溶剂系统的驱动力和固定相的缓凝作用是负责在TLC分离。与其他平面色谱技术相比,它的优势快速跑,更好的分离,各种吸附剂的选择。高性能薄层色谱还被应用于分辨率越好。薄层色谱是一种分离实验室技术用于有机化合物的分离的解决方案。
的色谱分离可以执行批处理以及在连续模式(191年]。在所有上述色谱技术,不同形式的柱层析法在连续模式模拟移动床色谱(SMBC)是使用最广泛的工业分离技术。模拟移动床色谱(SMBC)是使用最广泛的技术,因为它需要更少的产品洗脱溶剂,将强化成本低于批色谱法(191年]。
连续模拟移动床色谱反应堆都已经被广泛地研究过了许多不同的分离方案产生的精细化工、制药、生物技术、和石化行业。典型的成功的例子包括p二甲苯C8同分异构体的分离,n石蜡从分支和循环碳氢化合物、烯烃从石蜡,制糖工业、手性对映体的异氟烷、安氟醚、稀释二元气体,和其他多组分系统。
模拟移动床的操作实际上提供了一个方便的方式来模拟真实的移动床收购产生的所有优点,同时又消除了缺点由于固体运动。多年来,许多改进SMB操作模式等在气相,超临界条件下,等等都是为特定的应用程序。SMBC分离系统的通用设计策略始于知识的平衡和动力学参数,确定操作参数,吸附剂,压力限制,列几何等等获得最大效率值。结果提供了一个评估过程是否合理。连续模型占传质、传热、压降的影响等等解决提供分离地区分析。然后,实现过程的优化来提高分离效率对于一个给定的吸附剂/ desorbant消费、进料流速,不断的列数,和安排。然后详细的优化解决方案和模拟一个不连续的模型。
一个典型案例研究使用的SMBC重组蛋白的下游处理使用两步盐梯度three-zone开环连续逆流过程重组链激酶的净化。可能的工艺参数,通过仿真得到有效的分离条件。SMBC的基于模型的设计单位要求的知识吸附剂的性质相如粒度、密度、孔隙度、孔隙半径,热容,等等。同样的模型需要的数据组件流体相平衡吸附在吸附剂材料参数如最大承载能力,吸附平衡常数,等排的吸附热的组件。此外,亨利常数的知识在不同的温度下和传质参数(孔隙扩散、轴向色散和外部质量传递系数)和传热(导热、组件流体热容和毕奥数)参数是至关重要的。
模拟移动床色谱(SMBC)是最受欢迎的工业光学异构体的分离方法(192年- - - - - -194年),列数连接在系列进口/出口线列之间的连接。最近,一个多列连续色谱分离方法命名为“VARICOL”已经由Ludemann-Hombourger和他的同事(195年,196年)基于异步的原则转变的进口/出口行多列系统回收循环。新开发的方法提出了“Varicol”更有效率比传统的模拟移动床技术。手性分离的解决过程的另一种形式的外消旋混合物difluoromethylornithine(盐酸DFMO)在工业规模提出了佩兰et al。197年)涉及多列连续拆分色谱过程加上拆分结晶过程。其他色谱技术用于手性分离是高效液相色谱法(HPLC),气相色谱(GC)、超临界流体色谱(SFC),薄层色谱法(TLC)和毛细管电色谱(CEC)。
SMBC技术涉及各种分离机制(吸附、离子交换等)也被成功地用于分离p二甲苯异构体(198年和分离的葡萄糖和果糖199年- - - - - -201年]。SMB的新的挑战技术是生物分子分离纯化方面的应用(202年]。产品考虑的例子SMBC分离和纯化蛋白(203年,204年),氨基酸(205年),抗体(206年),核苷(207年],质粒DNA (208年]。
杜et al。209年)已经开发出一种系统的低速旋转逆流色谱法利用复杂的多层螺旋管用于工业分离。高性能离心分配色谱法(HPCPC)也是一个实际的和合适的方法分离的生物分子如蛋白质、酶、等等,特别是在制备规模(210年]。

2.5。电渗

也叫电渗,电渗是极性液体通过多孔膜的运动或其他多孔结构的影响下应用电场。如果一个解决方案是由多孔隔膜和电极之间的应用e.m.f.放在两边的隔膜,将会有一个流动的液体从一边到另一边。液体的运动也被称为电渗流量。多孔隔膜的表现就像大量的小毛细血管。玻璃毛细管还可用于电渗流量观测。在每种情况下,带电层附着在固体不能移动,所以液相中的扩散层的液体在电场的影响下移动。电渗流量的方向取决于扩散双电层的一部分。在适度纯水,大多数固体收购一个负电荷,扩散层合成正电荷,因此,水的流动一般是向阴极。

电渗技术分离工业胶体悬浮液的分离水的重要性,因为它消耗更少的能量比传统技术如蒸发。最近发展这项技术涉及到提高混合效率通过引入非均匀电动电势,在混合和增强实验观察到赫尔et al。211年]。1930年,巴托和Jebens [212年通过隔膜]报道水净化的电渗。水净化是自称是相当于蒸馏水,可以获得更低的成本。电渗分离技术应用以及真空分离技术分离的铁氧化物超细(213年]。阳离子表面活性剂CTAB被用来维持ζ电位的电渗分离以达到无电荷的超细氧化铁悬浮液。污泥(水处理过程污泥)治疗方法,提出了电渗脱水Buijs et al。214年]。Buijs和同事表现电渗脱水的商业污泥试验厂规模和真实的过程。脱水的能耗的范围内被发现kJ - 40公斤⁻¹。的水来自食物悬浮液在食品技术的极大兴趣。Al-Asheh et al。215年]报道直流电电渗透脱水技术集中番茄常规粘贴悬挂。据称过程节省70%的能源比蒸发技术。几个研究人员所使用的电渗技术已经去除水溶性有机物从土壤对土壤修复的目的216年),脱水滤饼的活性污泥(217年),等等。

2.6。混合分离技术

除了上述分离技术,多种形式的混合分离流程开发和应用来实现所需的分离在稀释液体流。这些混合过程通常涉及两个或两个以上不同的分离技术。Sarangi和Pattanaik开发了这种分离过程组成的反渗透(RO)和溶剂萃取技术从稀溶液中铜复苏(218年]。一个coagulation-adsorption一体化膜生物反应器是由田et al。219年)去除饮用水中有机物的治疗。许多新颖的分离过程包括电泳和溶剂萃取等分离技术、色谱法、等电点聚焦开发离子分离的生物分子和无机离子(180年,220年]。痕迹等。221年]报道中试规模消电离电镍使用混合离子交换、电渗析系统解决方案。活性染料的脱色从水溶液中结合凝固/ micellar-enhanced超滤过程已经被艾哈迈德和Puasa报道222年]。窝和王223年)建议微咸水的混合分离方法进行治疗。预处理的方法包括微咸水的电凝法(去除二氧化硅)反渗透紧随其后。根据窝和Wang预处理微咸水的电凝法防止RO膜的污染,因此增加了膜的生活。Nataraj等人开发了混合分离技术结合纳滤(NF)和反渗透(RO)、微滤(MF)与电渗析(ED)和高达半工业规模的技术水平对水/废水处理。Nataraj et al。224年]报道半工业规模橇装系统组成的纳滤(NF)和反渗透膜处理酒厂废水的处理。商业NF膜和复合薄膜(交通)聚酰胺反渗透膜缠绕配置过程中使用。同样的NF-RO过程被成功地用于去除染料和盐从模拟水的中试规模Nataraj et al。225年]。试验厂的混合微滤(MF)、电渗析(ED)系统也设计,建造,采用成功Nataraj et al。226年为造纸工业废水的处理。在这种混合MF-ED过程,Nataraj等人使用微滤陶瓷膜的预处理模块一步电渗析半工业规模的单元操作。电渗析半工业规模装置由他们设计由一系列阳离子交换膜堆和阴离子交换膜。混合MF-ED过程可以恢复80%的废水。

3所示。讨论和未来需求

分离和净化技术的发展为处理稀液流与特别关注了吸附、膜基技术,色谱法,electrokinetic-based分离技术(电渗、电泳)。

因为巨大的吸附技术的适用性,它已广泛地在过去的几年中,还有新的/修改后的吸附剂被添加到列表中。近年来,大量的新型吸附过程已被开发出来的增强的分离和净化处理流。尽管大量的发展新/改性吸附剂,他们当中很少有设置为他们的实际应用在工业处理流。成功实现吸附剂和吸附需要良好的理解过程的基础。先进材料的合成化学和热稳定性、高成本效益的过程中,改进的大规模转移预测模型,吸附,平衡,和其他物理数据是这项技术的进一步发展面临的挑战。

膜分离的大量文献表明,利用膜分离和净化过程是稳步增长,并且相信膜分离可以发挥重要作用在减少对环境的影响很大。广泛的膜材料已被研究人员调查达到增强和质量分离。然而,有限的应用这一技术的主要限制是大规模应用程序按比例扩大的成本高。应开发健壮的功能定制材料机械和热稳定性高、渗透性和选择性增强,经济过程按比例扩大技术的广泛和通用的应用程序,以满足未来的需求。

色谱分离以批处理模式被认为是非常昂贵的技术。然而,连续色谱在批处理模式显示相当大的优势,因为它更好地利用吸附剂材料,减少溶剂消耗,提高生产率。模拟移动床色谱法是最受欢迎的在所有现有分离技术分离手性化合物在生化制药行业和生物分子的分离和生物医学应用。在一个广泛的现有材料,只有很少几乎可以作为特定的完美材料分离在工业应用作为固定相。因此,有必要开发/识别材料适用于固定相,流动相。也有迫切需要开发灵活,快速的按比例增长,增强和经济上可行的过程分离。

尽管差异策略分离,分离技术的研究需要进一步的改进可以覆盖常见类别(下227年)以下。(我)合成新型先进材料(吸附剂、膜材料、特种材料、功能性聚合物,等等),提高了性能。(2)他们的物理化学数据基地(热力学和动力学参数)。(3)理解不确定性在拟议机制的作用和效果(如成核、生长,表面相互作用,运输,等等)。(iv)理解界面的交换过程的动力学。(v)感兴趣的缺乏直接测量的变量(例如,原位采样、分析和流动可视化)。(vi)传感器和其他分析测量仪器的发展。(七)发展更好的预测建模工具覆盖感兴趣的病程长短的尺度。(八)使用模型的产品质量控制和过程系统的优化。(第九)杂交:分离操作或反应与分离相结合。(x)分子识别为基础分离。(十一)基本了解,新设备和测试设备。

承认

作者希望承认金融支持科学和工业研究理事会,印度。

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