دانلود مقاله جداسازی بیولوژیک با فرمت ورد و در109 صفحه قابل ویرایش

فهرست مطالب

1. DNA 3
2. سانتریفوژ 6
3. فیلتراسیون 16
4. تخریب سلولی 32
5. جداسازی 37
6. رسوب دهی 55
7. جذب سطحی 59
8. کروماتوگرافی 64
9. الکتروفورز 75
10. الکترودیالیز 79
11. کریستالیزاسیون 82
12. خشک کردن 86
13. خشک کنها 91

 

قسمتی از متن پاورپوینت

 

 

فناوری DNA نوترکیب

 

 

مقدمه

تكنولوژی DNA نوتركیب یا Recombinant DNA Technology مجموعه‌ای از تكنیك‌های مرتبط با DNA است كه با وارد شدن به عرصة دانش بیولوژی در اوایل دهة ۱۹۷۰ میلادی، انقلابی در تحقیقات علوم پایه زیستی و نیز بیوتكنولوژی به وجود آورده است. تكنیك همانند سازی ژن یا Gene Cloning هستة مركزی تكنولوژی DNA نوتركیب را تشكیل می‌دهد كه با استفاده از آن می‌توان یك ژن بیگانه را در یك سلول زنده كپی و تكثیر كرد و سپس با بیان آن، پروتئین مرتبط با آن ژن را كه اصطلاحاً، پروتئین نوتركیب (Recombinant Protein) نامیده می‌شود، در مقادیر زیاد تولید كرد.

کلون سازي DNA شامل جداسازي قطعه موردنظر از DNA و تکثير دادن نسخه هاي متعددي از آن در يک ارگانيسم (معمولا يک باکتري) است که طي دوره اي طولاني در آزمايشگاه قابليت رشد دارد. اين کار به منظور توليد مقادير نسبتا بالايي از قطعه مورد نظر DNA است که امکان تجزيه و تحليل ساختار و عملکرد آن را فراهم مي کند.

با استفاه از اين تکنيک، توالي خاصي از DNA به نام DNAنوترکيب توليد مي شود. در اوايل دهه ۱۹۷۰ تشخيص داده شد که ميکروب هاي معيني واجد آنزيم هايي به نام آنزيم هاي محدود کننده هستند که قادرند DNA را در يک ناحيه خاص برش دهند.اين بخش هاي بريده شده در فرآيندهاي بعدي براي ساختن مولکول هاي DNA نوترکيب مفيدند. اين خاصيت آنزيم هاي محدود کننده در فناوري DNA و کاربرد آن در ژنتيک پزشکي نقش دارد.

 

 

 

 

رابطه ی بین DNA و پروتئین

از روی DNA و اطلاعات موجود در آن ، پلی پپتید ( پروتئین )ساخته می شود. از آنجائیکه جایگاه DNA در هسته و محل پروتئین سازی در سیتوپلاسم قرار دارد و توسط غشاء هسته از یکدیگر جدا می گردد بنابراین مولکولی بایستی ارتباط این دو را برقرار سازد ، بر اساس دلایل زیر این مولکول ، RNA می باشد.

1-مولکول RNAکوچک بوده وبه راحتی از غشاء عبور می کند.

2-مقدار RNA در سلول هایی که فعالیت پروتئین سازی زیادی دارند ، بالا می باشد.

3- RNA هم در سیتوپلاسم و هم در هسته وجود دارد.

4- مقدار RNA در سلولهایی با پروتئین سازی کم ، اندک می باشد.

این مولکول میانجی که اطلاعات را از DNA به ریبوزوم حمل می کند، RNA پیک نام دارد.

فرآیند ساخته شدن RNA از روی DNA رونویسی نام دارد ، که اولین قدم برای ساخته شدن پروتئین می باشد. این عمل توسط آنزیم RNA پلیمراز صورت می پذیرد.

ساختار پروتئین ها

پروتئینها از اتصال اسیدهای آمینه به یکدیگر از طریق پیوند پپتیدی بدست می‌آیند. تشکیل پیوند پپتیدی و قرار گرفتن ترتیب اسیدهای آمینه که برای هر پروتئین اختصاصی است، به سادگی امکان پذیر نیست. به همین دلیل می‌بایست در یاخته مکانیسم ویژه‌ای وجود داشته باشد که بتواند ویژگی پروتئینها را حفظ کند. بیوسنتز پروتئینها در واقع ترجمه ترتیب نوکلئوتیدی اسید نوکلئیک DNA در مولکول پروتئین است. انتقال اطلاعات از DNA به مولکول پروتئین بوسیله RNAها ، بویژه mRNA امکانپذیر است. بدین ترتیب برای هر پروتئین ، mRNA اختصاصی آن پروتئین وجود دارد. به عبارت دیگر هر پروتئین در روی DNA ، ژن اختصاصی دارد که اطلاعات آن ژن در mRNA رونویسی و در مولکول ترجمه می‌شود.

بیوسنتز پروتئین یا ترجمه ( (Translation mRNA

فرآیندی است که طی آن اطلاعات موجود در mRNA برای ساخت پروتئین مورد استفاده قرار می‌گیرد.

 

 

عوامل لازم برای ترجمه

عوامل لازم برای ترجمه : 1- الگو( mRNA) 2- مصالح ساختمانی 3- آنزیم‌ها 4- انرژی 5- فاکتورهای پروتئینی

فاکتورهای پروتئینی

به عوامل پروتئینی گفته می‌شود که در هریک از مراحل مختلف شروع، ادامه و خاتمة سنتز پروتئین شرکت می‌کنند. این فاکتورها برحسب مرحله‌ای که وارد آن می‌شوند به نام فاکتورهای شروع (IF) ادامه (EF) و خاتمه (RF) نامیده می‌شوند. تنوع فاکتورهای مختلف پروتئینی در یوکاریوت‌ها بسیار بیشتر از پروکاریوت‌ها است. به این ترتیب امکان تنظیم دقیق تر سنتز پروتئین در یوکاریوت‌ها وجود دارد. به طور کلی مراحل سنتز پروتئین در یوکاریوت‌ها و پروکاریوت‌ها بسیار شبیه به یکدیگر و شامل مراحل زیر است: 1- مرحله شروع 2- مرحلة ادامه 3- مرحلة خاتمه

1- تشکیل کمپلکس آغازگر اولین واقعه برای سنتز پروتئین محسوب می‌شود.

2- برای انجام این مرحله به دو فاکتور طویل کننده نیاز است.

3- عمل طویل شدن خاتمه ادامه می‌یابد. فاکتورهای ختمRF) ) وارد عمل می‌شوند.

کاربرد تكنولوژی نوتركیب

1- درمان بیماری های ژنتیکی ( ژن درمانی)

2- تولید فراورده های بیولوژیکی مفید ( انسولین)

3- تولید واکسن

4- بهبود گياهان زراعي ، برخورد با گونه هاي ميکروبي نوترکيب...

 

 

 

 

سانتریفیوژ

 

 

 

اولین باریک مهندس ارتش انگلیس به نام بنجامین روبینز ، دستگاه بازویی چرخشی برای شناسایی داروها ایجاد کرده بود . در سال 1879 ، انتونی پراندلنت، برای اولین بار سانتریفیوژهای امروزی را برای جداسازی خامه از شیر مورد استفاده قرار داد . در سال 1879 ، شخصی به نام گاستاف ، نشان داد که از سانتریفیوژ میتوان برای کارهای تجاری استفاده کرد . ابعاد مختلفی از سانتریفیوژ ها گسترش یافته است و طیف وسیعی از عملکردها را از میلی لیتر تا لیتر را می تواند مورد ارزیابی قرار دهد .

تصویرروبرواز یک سانتریفیوژ متعلق به قرن19 بوده که با دست می چرخید.

توجه به میکرو سانتریفیوژ ها ، در سال 1962 ، توسط یک شرکت آلمانی توسعه یافت و این شرکت سیستم میکرولیتری را برای اهداف ازمایشگاهی مورد استفاده قرار داد.

اصول سانتریفیوژ

چنانچه ذرات در يك نمونه داراي جرم هاي متفاوتي باشند، مي توان براساس اختلاف جرم و تأثير نيروي ثقل آنها را از يكديگر جدا کرد. براي تسريع اين عمل از روشي به نام سانتريفوژ يا ميان گريزش استفاده مي شود. مبناي اصلي سانتريفوژ، اصل گريز از مركز است كه يكي از اصول فيزيك دوران محسوب مي شود.

درحقيقت سانتريفوژ توسط نيروي گريز از مركز، ذرات سوسپانسيون را از مايع جدا مي كند. همچنين مي تواند باعث تفكيك دو مايع با تراكم متفاوت شود. اين مايعات مي توانند مايعات بدن باشند (مانند خون، سرم و ادرار).

سانتريفوژ با ايجاد نيرويي چندين برابر نيروي جاذبه، باعث افزايش سرعت طبيعي جدايي ذرات با تراكم متفاوت مي شود.

در یک نگاه، سانتريفوژ يك چرخنده فلزي است با حفره هايي كه در آن نمونه هاي مورد نظر قرار داده مي شود و داراي موتوري است كه با سرعت انتخاب شده مي چرخد.

سانتریفوژ چیست؟

سانتریفوژ یا دستگاه مرکزگریز دستگاهی است که در آن با استفاده از نیروی گریز از مرکز مواد را از یکدیگر جدا می‌کنند. در این دستگاه محفظه‌ای که مواد جداشدنی در آن قراردارد معمولاً به کمک یک موتور به سرعت حول یک محور می‌چرخدواز آن برای چرخاندن مواد با سرعت بالا استفاده می‌شود. دانشمندان معمولاً دستگاه سانتریفوژ را برای جدا کردن ذرات جامد از یک مایع یا تقسیم مخلوط مایعات به اجزای مختلف آن به کار می‌گیرند.

مخلوط را درون لوله‌ای قرار می‌دهند به طوری که با چرخش ، دستگاه به سمت خارج از مرکز حرکت می‌کند و به حالت افقی قرار می‌گیرد. در این حالت، نیروی گریز از مرکز می‌خواهد که مخلوط را برخلاف مرکز سانتریفوژ براند و از این نقطه دور کند.در این حال ذرات یا مایع سنگین تر بیش تر به سمت بیرون (یا ته مخلوط) رانده می‌شود. وقتی سانتریفوژ از حرکت باز می‌ایستد، مواد به حالت غیر مخلوط باقی می‌مانند. خون و سایر نمونه‌های بیولوژیکی را معمولاً به وسیله دستگاه سانتریفوژ جدا می‌کنند

انواع دستگاه‌های مرکز گریز برای مصارف گوناگون ساخته شده‌است. نمونه‌های خانگی این دستگاه برای جداکردن آب از سبزی‌ها مثل کاهو و غیره بکار می‌رود. در نمونه‌های آزمایشگاهی برای جداکردن گلوبول‌های خون از پلاسما استفاده می‌شود. دستگاههای صنعتی با موتورهای قوی و در ابعاد بزرگ برای جدا کردن مواد بکار می‌رود. در کار غنی‌سازی اورانیوم نیز از دستگاه‌های مرکزگریز گازی استفاده می‌شود

تقسیم بندی سانتریفوژها برحسب سرعت چرخش

1 سانتریفوژهای با دور بالا

2 سانتریفوژهای با دور پایین

3 سانتریفوژهای اولترا

 

سانتریفوژهای با دور بالا

دور دوران آن بینrpm24000-21000و حداکثر rpm 30000است.سانتریفوژهای دور بالا برای بیشتر فرآورده ها استفاده می شود . همگی یخچال دار می باشند.

دو نوع سانتریفوژ با دور بالا وجود دارد: کم ظرفیت و پرظرفیت.

سانتریفوژ کم ظرفیت :با نمونه برداری گسسته می تواند میکروارگانیزم ها، سلول ها، ویروس ها و ارگان های سلولی را جدا کند.

سانتریفوژ پرظرفیت:مدل پیوسته ای است برای به دست آوردن مخمر و باکتری ازمحیط کشت، پروتئین از نمونه ها و ویروس و باکتریوفاژ از نمونه های رقیق شده.(2)

سانتریفوژهای با دور پایین

دور دوران آن بین rpm 2000-6000 با حداکثر rpm 8000 در هر دو فرم یخچال دار و بدون یخچال موجود هستند.بیشتر برای سانتریفوژ کردن سلول های خونی یا ذرات حجیم استفاده شده و برای جداسازی ذرات ریز سرعت آن کافی نیست.

سانتریفوژهای اولترا

در اولترا rpm 100000-75000 با حداکثر rpm 120000 است.برای تفکیک مواد تشکیل دهنده سلولی کاربرد دارند. همگی دارای یخچال است. زیرا در دورهای بالا اصطحکاک(1) هوا باعث گرم شدن دستگاه و درنتیجه تخریب پروتئین ها می شود. اولتراها معمولا در مراکز تحقیقاتی استفاده می شوند.

خواص سانتریفیوژها بر اساس چرخش انها:(جدول1)

خواص	الترا سانتریفوژ	دور بالا	دور پایین
سرعت(rpm*1000)	120-75	30-21	8-2
یخچال	همگی	همگی	برخی مدل ها
سیستم خلا	همگی	برخی مدل ها	خیر
شتاب دهنده	اغلب	اغلب	برخی

در تقسیم بندی دیگر سانتریفوژ ها را به سه نوع شناور ،زاویه ثابت ومحوری تقسیم می کنند:

 

سانتریفوژهای شناور:

در این نوع سانتریفوژ، در حالت توقف وضعیت عمودی و در حالت دوران نمونه ها وضعیت افقی با سطح زمین دارند.

در این نوع سانتریفوژ، ذرات معلق بر اثر نیروی گریز از مرکز به بخش خارجی، یعنی انتهای لوله ها رانده می شوند و رسوب به صورت یک لایه تقریبا یکنواخت در ته لوله تشکیل می شود. در پایان عمل، لوله های حاوی نمونه مجددا به حالت عمودی درآمده، رسوب در ته لوله و محلول شفاف در بالای آن قرار می گیرد.

سانتریفوژهای زاویه ثابت:

در این نوع سانتریفوژ لوله حاوی نمونه نسبت به محور دوران یک زاویه ثابت دارد. این زاویه از 25 تا 45 درجه می تواند متغیر باشد و ذرات معلق براثر نیروی گریز از مرکز به سمت خارج محور دوران رانده می شوند اما برخلاف سانتریفوژهای شناور رسوب در جدار و بخشی از کف لوله که در قسمت خارجی محور دوران قرار دارد، رانده می شود.

البته هر قدر این زاویه نسبت به محور دوران کمتر باشد، رسوب بیشتر در جداره تشکیل می شود و اگر زاویه بیشتر باشد، رسوب بیشتر در کف تشکیل می شود.

شکل روتوردر این نوع سانتریفوژ اجازه دوران در دور بالاتر و رسوب ذرات ریزتر را می دهد. لذا میزان رسوب دهی این نوع سانتریفوژ از نوع شناور بالاتر است.

اگر در نوع شناور بخواهیم مانند زاویه ثابت، از دور بالاتر استفاده کنیم در اثر اصطکاک بیشتر با هوا، درجه حرارت افزایش خواهد یافت.

سانتریفوژهای محوری:

در اصل لوله حاوی نمونه در طول محور عمودی خود دوران می کند (برخلاف سانتریفوژهای معمولی که در طول محور افقی دوران می کنند).

 

 

 

 

کاربرد انواع مختلف سانتریفوژها:(جدول2)

جداسازی/نوع	الترا سانتریفوژ	دور بالا	دور پایین
سلول	بله	بله	بله
رسوب	همگی	اغلب	برخی
قطعات غشا	همگی	برخی	خیر
ریبوزوم-پلی زوم	همگی	برخی	خیر
ماکرو ملکول	همگی	برخی	خیر

اجزای دستگاه سانتریفیوژ:

1.موتور(پمپ) 2.روتور 3.یخچال 4.سیستم کنترل 5.محفظه دستگاه

روتور:

سانتریفوژ معمولی دارای محفظه ای بنام روتور یا سر است که با موتور کار می کند . روتور ها دارای انواع مختلفی هستند ولی انواعی که معمولا در آزمایشگاه ها مورد استفاده قرار می گیردبه دو دسته تقسیم می شود: دسته اول روتور هایی که در آنها لوله محتوی مایع محکم در یک زاویه ثابت نگاه داشته می شود و به همین جهت آنها را روتورهای با زاویه ثابت می گویند. دسته دوم آنهایی هستند که لوله هایشان در محفظه های فلزی قرار دارند و با چرخش روتور به خارج تاب خورده وبه صورت افقی قرار می گیرندو به این ترتیب مایع و مواد معلق درون این لوله ها در معرض نیروی گریز از مرکز واقع می شوند.این روتور ها را روتور با محفظه آویزان می گویند.

وقتی جسمی با شتاب می چرخد ،از لحاظ فنی ،نیروی مرکزگرا سبب حرکت جسم در مسیر دایره ای با شعاع ثابت می شود و این نیرو دائما جسم را به طرف مرکز دایره چرخش می کشاند.هنگامی که سرعت ثابت است، این نیرو فقط سبب تغییر جهت حرکت می شود.از طرفی جسم نیز با نیرویی به نام مرکز گریز در مقابل تغییر جهت حرکت به سمت خارج کشیده می شود که اندازه آن مساوی نیروی مرکزگرا است و موجب گرایش جسم به فرار از مسیر منحنی الخط دایره چرخش در راستای مستقیم و مماس بر دایره می شود

 

مشخصات روتور مناسب برای روش های مختلف سانتریفوژ در جدول3 ارائه شده است

نوع روتور	ایزوپیکریک	منطقه ای	رسوب دهی تمایزی
زاویه ثابت	خوب	ضعیف	عالی
عمودی	خوب	خوب	ضعیف
شناور	کافی	خوب	ناکارآمد
ناحیه ای	کافی	عالی	ضعیف

 

کاربرد سانتریفوژ

در شکر سازی شربت بسیار غلیظ ماسکوبیت از دو بخش جامد (بلورهای شکر) و مایع (بخش غیرکریستالی) تشکیل یافته است که در عمل سانتریفوژ این دو بخش از یکدیگر جدا می شوند. کریستالهای شکر شسته می شوند و در این صورت شکر با درجه خلوص بالا تولید می شود.

پس آب این بخش، بدلیل اینکه دارای مقادیر قابل توجهی شکر است طی چند مرحله مجددا کریستال گیری شده، در نهایت پس آبی که دیگر نمی توان از آن کریستال گرفت به عنوان ملاس از کارخانه خارج می شود. در برخی از کارخانجات این ملاس به واحد قندگیری از ملاس رفته و باکمک پودر آهک قند ملاس بازیافت می شود . در کارخانجاتی که تولید قند دارند، سانتریفوژهایی جهت تبدیل شکر به قند فعالیت دارند

سانتریفوژهادر تمام قسمت هایی که احتیاج به جداسازی باشد وجود دارند و مثال دیگر کاربرد آن در صنایع غذایی در کارخانه های فرآورده های لبنی است.

·در صنایع نشاسته سازی،رنگ رزی،بافندگی جهت خشک کردن مواد شیمیایی داروئی،لباس و غیره نیز کاربرد دارد.
· از سانتریفوژ می توان به عنوان کنترل کننده آلودگی هوا در محل تولید آن نیز بهره برد.

انواع سانتریفوژ های مورد استفاده که در منابع فاضلاب و لجن فعال کاربرد دارند

1-سانتریفوژهای جامد کاسه ای(استوانه ای)

2-سانتریفوژهای سبدی(سبدی سوراخ دار-سبدی بدون سوراخ)

3-سانتریفوژ دیسکی

 

 

سانتریفوژ استوانه ای

سانتریفوژ استوانه ای(کاسه لوله ای) یکی از انواع مهم است که در عین سادگی می تواند نیروی سانتریفوژ زیادی ایجاد کند .سانتریفوژهای استوانه ای را می توان سرد کرد که در کار کردن با پروتئین یک مزیت به حساب می اید .

در این نوع سوسپانسیون معمولا از انتهای لوله وارد می شود و مایع شفاف شده از بالای ان خارج می شود جامدات موجود در محلول به صورت یک لایه خمیر ضخیم بر روی دیواره لوله تشکیل می شوند تا زمانی که در خروجی جسم جامدی مشاهده نشود می توان به تزریق خوراک ادامه داد پس از این مرحله سانتریفوژ را خاموش کرده وتمیز می کنند. این وقفه در انجام عملیات یک ایراد مهم بحساب می اید

 

تحلیل کارایی سانتریفوژ

نیروی سانتریفوژ:

:نیروی گریز از مرکز

:جرم جسم

:شتاب گریز از مرکز

:فاصله جسم از محور چرخش

:سرعت چرخش (رادیان در واحد زمان)

 

 

سرعت ته نشینی ذرات در معرض نیروی گریز از مرکز

=سرعت ته نشینی

=قطر ذرات کروی

=چگالی مایع در حال چرخش

µ =چگالی مایع

=ویسکوزیته مایعات

 

سانتریفوژ استوانه ای

b=طول بخش استوانه ای

r= فاصله عمودی از محور چرخش

Rc= فاصله شعاعی از محور چرخش به لایه بالای کیک

RL=فاصله شعاعی از محور چرخش به سطح مایع

Rw= فاصله شعاعی از محور چرخش به دیوار سانتریفوژ

 

مدت زمان اقامت یک مایع در یک سانتریفوژ استوانه ای

V=حجم سانتریفوژ در دسترس مایع

Q=حجم میزان جریان مایع از طریق سانتریفوژ

 

معادله اصلی سانتریفوژ استوانه ای(دبی خوراک ورودی)

سرعت ته نشینی فقط تابعی از ذرات می باشد و مستقل از سانتریفوژ خاص مورد استفاده می باشد ولی مقدار موجود در کروشه که بد ان طول می باشد تابعی از ذرات نمی باشدو فقط به نوع سانتریفوژ وابسته است

 

فیلترسانتریفوژها و معادلات طراحی آنها

فيلتر سانتريفوژي (Centrifugal filter)

— اين فيلتر ها به دو نوع كلي پيوسته و ناپيوسته تقسيم مي شوند . به طور كلي معمولاً اين فيلتر ها در مورد جامداتي كه يك قالب متخلخل تشكيل مي دهند مورد استفاده قرار مي گيرد. براي اين كار دوغاب را وارد يك سبد چرخان مي كنند كه داراي يك ديواره شياردار يا مشبك است و يا محيط فيلتر با پارچه يا توري فلزي پوشانده شده است.

 

انواع فیلترسانتریفوژها

— فیلترسانتریفوژ ناپیوسته

— فیلترسانتریفوژ پیوسته

فیلترسانتریفوژ معلق از بالا(ناپیوسته)

 

فیلترسانتریفوژ با نوارنقاله رفت و برگشتی(پیوسته)

معادلات طراحی فیلتر سانتریفوژها:

 

 

شدت جریان حجمی:

افت فشار:

 

 

زمان مورد نیاز برای تشکیل کیک:

 

 

 

 

 

فیلتراسیون

 

 

 

مقدمه

فیلتراسیون بعنوان یک روش مکانیکی برای جداسازی یک یا چند ترکیب از یک سیال بر اساس اختلاف اندازه ،آنها شناخته میشود.

با توسعه غشاهای مورد استفاده در این فرایند از این تکنیک برای جداسازی مواد محلول در یک حلال یا جداسازی مخلوط گازها از یکدیگر استفاده میشود.غشا به عنوان یک جداکننده دو فاز عبوری وغیر عبوری مطرح است و میتوانند بر اساس خصوصیات زیر طبقه بندی شوند:[3]

1)طبیعت غشا (طبیعی یا مصنوعی )

2)ساختار غشا (متخلخل یا غیرمتخلخل )

3)کاربرد غشا (جداسازی فازهای گازی ،مایع و جامد )

4)مکانیزم فعالیت غشا (جذبی ،نفوذی ،تبادل یونی )

مزایای فرآیند فیلتراسیون:

1-عدم ایجاد تغییر در فاز یا حالت نمونه در طی فرآیند.

2-مصرف پایین انرژی.

3-تامین انرژی موردنیاز تنها با استفاده از الکتریسیته.

4-عدم نیاز به تجهیزات تغییر فاز همچون بخارسازها،کندانسورها و...

5-امکان اجرا در دماهای پایین.

6-عدم تغییرات PH و قدرت یونی در طی فرآیند

 

 

طبقه بندی انواع فرآیندهای فیلتراسیون:

انواع فرایندهای فیلتراسیون بر اساس اندازه ذرات و یا مولکولهای جداشونده طبقه بندی میشوند که مهمترین روشهای جداسازی غشایی عبارتند از :

اسمز معکوس ،نانو فیلتراسیون ،اولترافیلتراسیون ، میکروفیلتراسیون ،دیالیز و الکترودیالیز

 

جدول نیرومحرکه فرآیندهای غشایی :

روش های فیلتراسیون :

1-روش عمودی

در این روش خوراک بطور عمودی بر سطح فیلتر وارد میشود و از فیلتر عبور میکند،ذرات در روی سطح فیلتر ته نشین میشوند،به مرور زمان و در طی انجام فرایند ضخامت کیک تشکیل شده روی سطح فیلتر افزایش میابد که در اکثر موارد کیک تشکیل شده از نوع تراکم پذیر بوده ورابطه خطی بین ضخامت کیک و افت فشار وجود ندارد در نتیجه به مرور زمان سرعت فرایند فیلتراسیون کاهش شدیدی میابد و تخلیه کیک امری ضروری است وباعث افزایش زمان انجام فرایند میشود.[2]
2-جریان مماسی

روش دوم تکنیک جریان مماسی که دران جریان خوراک موازی با سطح فیلتر است و دراین روش تشکیل کیک به حداقل میرسد.دراین روش خوراک وارد فیلتر شده و دو جریان خروجی یکی عبور کرده از صافی(محلول رقیق یا filtrate) دیگری جریان رسوبی(محلول غلیظ)وجود دارد وازتشکیل کیک در سطح فیلتراسیون جلوگیری میشود که باعث افزایش فلاکس جرمی میشود.

عملکرد دستگاههای فیلتراسیون :

معادله اصلی فیلتراسیون با استفاده از قانون دارسی بدست میآید که این قانون نرخ عبور مایع از بستر آکنده از مواد جامد را به افت فشار جریان مرتبط میکند:

U=

برای فیلتراسیونهای بسته ،سرعت عبور مایع از فیلتر به

نرخ تغییر حجم مایع فیلتر شده بستگی دارد:

U=

باترکیب دو معادله فوق داریم:

 

سمت راست معادله برابر است با نیروی راننده (ΔP ) به مقاومت

این مقاومت مجموع مقاومت فیلتر و کیک جمع شده روی آنست و میتوان نوشت:

RMمقاومت غشا میباشد ،ثابت بوده و به نوع و جنس فیلتر بستگی دارد.RC مقاومت کیک و با افزایش حجم مایع فیلتر شده افزایش میابد.[2]

مقاومت کیک های تراکم ناپذیر:

اگر کیک تراکم ناپذیر باشد ،ضخامت کیک با حجم فیلتر شده مستقیما متناسب و باسطح فیلتر نسبت عکس خواهد داشت و با معادله زیر بیان میشود:

R_C =

که مقاومت ویژه کیک و جرم کیک به ازای واحد حجم مایع عبور کرده از فیلتر میباشد.با قرار دادن در رابطه و انتگرال گیری مقاومت ویژه کیک بدست میاید:[2]

مقاومت کیک های تراکم پذیر :

تمامی کیکهایی که از مواد زیستی تشکیل میشوند تراکم پذیر بوده و با فشرده شدن این کیکها سرعت فیلتراسیون کاهش میابد.در کیک های تراکم پذیر مقاومت کیک به صورت تابعی از افت فشار است:

α یک ثابت ،به شدت به اندازه و شکل ذرات تشکیل دهنده کیک بستگی دارد.مقادیرS (تراکم پذیری کیک)بین0 و 1 میباشد.

0 برای کیک محکم و تراکم ناپذیر و1 برای کیکی که بسیارتراکم پذیر

 

انواع تجهیزات و سیستم ها:

سیستم های فیلتراسیون به دو دسته کلی سیستم های آزمایشگاهی و صنعتی تقسیم میشوند و در این فرایند از تجهیزات با 5 طرح مختلف استفاده میکنند که به صورت زیر تقسیم بندی میشوند:

1-سیستم های فیلتراسیون استوانه ای

2-سیستم های فیلتراسیون فیبر توخالی

3-واحدهای تخت

4-سیستم های مارپیچی

5-سامانه های خاص

تجهیزات آزمایشگاهی:

از این تجهیزات برای فیلتر کردن سریع نمونه هایی با حجم کم استفاده میشود،در آنها نیرو محرکه توسط نیروی گریز از مرکز سانتریفوژ تامین میشود.نمونه در قسمت بالای سل که شامل غشا نیز هست قرار داده شده و با استفاده از یک سانتریفوژ فرایند فیلتراسیون انجام میشود.

از این تجهیزات در آزمایشهای کلینیکی و آنالیتیکال برای نمونه های با حجم کم استفاده میشود،هیچ کنترلی بر پدیده پلاریزاسیون غلظتی نیست و این آزمایشات اطلاعاتی درباره فلاکس عبوری از فیلتر نمیدهد. [3]

تجهیزات با مقیاس بالاتر، دراین تجهیزات پدیده پلاریزاسیون غلظتی توسط یک همزن کنترل میشود.همزن مغناطیسی در نزدیکی سطح غشا قرار میگیرد وپیوسته محیط هم زده میشود.دراین تجهیزات به دلیل کنترل پدیده پلاریزاسیون غلظتی فلاکس عبوری بالا است.

 

تجهیزات صنعتی:

1-مدل تخت

2-سیستم های استوانه ای

3-فیلترهای فیبر توخالی

4-سیستم های مارپیچی

5-سیستم های خاص

مدل تخت :

از لحاظ ساختاری از ساده ترین هستند،به این سیستم ها صفحه مسطح یا قاب و صفحه گفته میشود.در این فیلترها دو طرف یک صفحه تخت صلب،دو لایه از غشا قرار گرفته که بین صفحه صلب و غشا با استفاده از یک ماده فضا دهنده پر شده و تعدادی از این صفحات در یک فضای بسته قرار داده شده.جریان دراین فیلترها آرام است.تعویض غشاها دراین نوع فیلترها معمولا آسان است.

از لحاظ دانسیته فشردگی،مصرف انرژی و هزینه حد واسط سیستمهای استوانه و مارپیچی هستند

 

فیلترهای استوانه ای:

این سیستم ها معمولا توسط شکل دهی پلیمرها در یک غالب پلاستیکی یا کاغذی تهیه میشوند.بیشتر از غشاهای سرامیکی استفاده میشود.خوراک از درون لوله ها جریان میابد ومایع صاف شده از دیواره فیلتر لوله ای خارج میشود.در این نوع از فیلترها چندین فیلتر را میتوان در یک نگهدارنده واحد قرار داد.قطر فیلتر و اندازه آن با توجه به حداقل مصرف انرژی و هزینه ساخت انتخاب میشود

فیلترهای فیبر توخالی:

غشاهای فیبری توخالی از لحاظ ظاهری شبیه غشاهای استوانه ای هستند اما یک اختلاف اساسی با هم دارند،این نوع غشاها بر خلاف غشاهای استوانه ای خودنگهدارنده هستند.در این فیلترها خوراک از درون فیلترهای تو خالی جریان یافته و مایع صاف شده در جهت شعاعی از دیواره فیلتر خارج میشود.

فیلتر معمولا شامل یک جریان ورودی،یک جریان خروجی مایع باقی مانده و دو مسیر برای مایع صاف شده است.جریان خوراک و مایع صاف شده میتواند همسو یا ناهمسو باشد.معمولا 3000-50 فیبر مجزا را میتوان در یک محفظه اصلی جا داد.در اغلب موارد جریان از نوع آرام است.افت فشار با توجه به شدت جریان و طول غشا20-5psi است.در بین تمامی مدلهای فیلتر،این نوع مقدار نسبت سطح به حجم بالایی دارند.نگهداشت حجمی در آن پایین است. از لحاظ مصرف انرژی بسیار پایین است.به علت باریک بودن مسیر جریان وبالا بودن سرعت جریان شدت تنش بالا است.[2]

 

سیستم های مارپیچی:

از فشرده ترین و ارزان ترین ،سیستم های فیلتراسیون هستند.بطور گسترده کاربرد دارند.در دو طرف یک صفحه تخت صلب دو غشا تخت قرار گرفته که از سه ضلع بسته شده است و از طرف لبه باز به یک هسته مرکزی متصل شده اند و غشا به دور هسته مرکزی پیچانده شده.مایع صاف شده بعد از عبور از غشا به هسته مرکزی وارد میشود.غشا پیچانده شده به دور هسته مرکزی در درون یک پوسته فلزی یا پلاستیکی که تحمل فشار بالا را دارد قرار گرفته.یک راه افزایش سطح فیلتر بدون نیاز به افزایش طول آن استفاده از چند غشا با یک هسته مرکزی مشترک است.جریان در این نوع فیلترها از نوع آشفته است[1]و[2]

 

سیستم های خاص :

سیستم هایی که در MF و UF مورد استفاده قرار میگیرند باید طوری طراحی شوند که پدیده پلاریزاسیون و پدیده آلودگی را به حداقل برسانند.یک روش کاهش پدیده پلاریزاسیون و افزایش شدت جریان ،حرکت غشا است که باعث بوجود آمدن طرحهای متفاوتی در فیلترها شده است:

1-سیستم های گردشی

2-سیستم های ارتعاشی

3-سیستم های Dean Vortices

سیستم های گردشی :

دراین مدل غشا درون یک سیلندر قراردارد وحول یک محورگردش میکند.خوراک از فضای بین دو سیلندر عبور کرده و مایع صاف شده از غشا عبور میکند.در یک سرعت گردشی مشخص پدیده ورتکس تیلور ایجاد میشود که به واسطه ان شدت تنش ایجاد شده 100000 است که تقریبا ده برار بیشتر از فیلتر های معمولی است.این تجهیزات برای مقیاس های نیمه صنعتی وکوچکتر در صنایع دارویی و بیوتکنولوژی مناسبند اما به دلیل مشکلات مکانیکی مربوط به سیلندرها و نسبت سطح به حجم پایین و دانسیته کم غشا ها قابل افزایش مقیاس به حجم صنعتی نیستند.

 

نوع دیگر سیستمهای گردشی فیلترهای صفحه مسطح چرخان است که برای کاربردهای صنعتی مناسبند.در این نوع فیلترها غشا در بین دو صفحه دیسک صلب گرداننده قرار دارد که در اثر گردش دیسکها تنشی بالغ بر 400000 ایجاد میشود و مایع صاف شده از درون غشا عبور میکند.

 

 

 

فیلترها ی ارتعاشی:

یک روش دیگر به حرکت درآوردن غشا استفاده از تکنیک V-SEP است.این مدل شامل یک سری غشاهای صفحه تخت است که توسط لایه ای به قطر 1-2mm از یکدیگر جدا شده اند.نمونه های صنعتی این نوع فیلترها تا 150دیسک باسطح 30مترمربع میتواند داشته باشد .شدت تنش در سطح غشا تا 150000 میرسد.این تنش زیاد برای تغلیظ زیاد نمونه های مورد استفاده قرار میگیرد.

 

فیلتراسیون متداول:

نوعی از فیلتراسیون که در آن تشکیل کیک مهم و زیاد است ،معمولا حاوی ذرات بزرگتر یا ریز جاندارها میباشد .

تجهیزات مورد نیاز برای فیلتراسیون متداول :

1-فیلترها "صفحه و قاب“فشاری

2-فیلتر افقی صفحه ای

3-فیلتر عمودی ورقه ای

4-فیلتر شمعی

5-فیلتر خلا دورانی

 

 

فیلتر عمودی ورقه ای :

فیلتر عمودی ورقه ای که در شکل نشان داده است سطح کمی نیاز دارد اما باید در فضایی قرار گیرد که فضای بالای ان خالی بوده تا بتوان ورقه های فیلتر و کیک را خارج نمود. این فیلتر به ازای حجم موجود سطح فیلتراسیون بالایی را در اختیار می گذارد.

 

 

 

فیلتر شمعی :

لوله هایی که بر روی یک فیلتر مخزنی سوار میشوند طوری عمل میکنند که کیک بر روی سطح خارجی آنها تشکیل شده ومایع فیلتر شده در داخل لوله ها به سمت بالا حرکت میکند. این لوله ها با استفاده از "شستشوی در خلاف جهت" تمییز میشوند.

 

فیلتر خلا دورانی :

فیلتر خلا دوار را که برای حجم های زیاد فیتراسیون در جداسازی های زیستی بکار برده می شود.در مقیاس بزرگ استفاده می شوند جایی که مواد جامد به سختی فیلتر میشوند.به همین دلیل به میزان زیاد در عملیات تجاری مورد استفاده قرار میگیرند.از آنجایی که این فیلترها به صورت خودکار عمل میکنند هزینه های کارگری پایینی نیز دارد.فیلتر شامل یک استوانه دوار است که از انتها نشان داده شده است.فشار در خارج از این استوانه اتمسفریک میباشد اما در داخل استوانه یک خلا نسبی است. قسمتی از استوانه به صورت غوطه ور در محلول قرار داده می شود و در طول فرایند با سرعتی کم دوران میکند.مایع به درون استوانه مکیده میشود و جامدات موجود در محلول بر روی سطح خارجی استوانه تشکیل یک کیک می دهند.هنگامی که این کیک به خارج از ظرف محلول دوران میکند شسته و خشک شده وسپس از استوانه جدا میشود.مرحله جداسازی کیک از استوانه با استفاده از یک تیغه انجام میشود [3]

 

میکروفیلتراسیون

میکروفیلتراسیون یکی از فرآیندهای مهم غشائی میباشد که اساس کار آن جداسازی فیزیکی میباشد که اندازه مواد جامد حل شده و کدورت ومیکروارگانیسم های حذف شده به وسیله سایز منافذ غشاء ها از 0.2تا 20 میکرون تعیین شده است. در این روش جداسازی باکتریها ، مواد معلق کلوئیدی و مواد پلیمری حذف میشوند و ذرات میکرو که کوچکتر از منافذ غشاء هستند عبور میکنند.

روش میکروفیلتراسیون در صنایع زیر کاربرد دارد:

- پیش تصفیه برای نانوفیلتراسیون و اسمز معکوس

- تصفیه بیولوژیکی آبهای آلوده

- جداسازی جامد – مایع برای صنعت غذا و دارو

- استریلیزاسیون در نوشیدنی ها و داروها

- شفاف کردن آب میوه ها

اولترافیلتراسیون

اولترافیلتراسیون تکنولوژی جداسازی توسط غشا است که بر مبنای غشاء نیمه تراوا جهت جداسازی به کار برده می شود.این تکنولوژی جهت حذف ذرات ریز و آلودگیهای میکروبی می باشد. اختلاف فشار، نیروی محرک جریان، جهت عبور ازمیان غشا می باشد.

 

 

مزیت ها

سرعت جریان بالاتر (flux) و مقاومت بهتر در برابر آلودگی

تراکم بالا و انعطاف پذیری خوب

تحمل خوب شرایط اسیدی و گرمایی

مقاومت بهتر در مقابل باکتری ها

نگهداری در شرایط خشک

مقاوم در برابر عوامل اکسیدکننده

موارد اصلی کاربرد