Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Science Education
Chemical Engineering

A subscription to JoVE is required to view this content.
You will only be able to see the first 20 seconds.

התגבשות חומצה סליצילית באמצעות שינוי כימי
 
Click here for the English version

התגבשות חומצה סליצילית באמצעות שינוי כימי

Overview

מקור: קרי מ. דולי ומייקל בנטון, המחלקה להנדסה כימית, אוניברסיטת לואיזיאנה סטייט, באטון רוז', לוס אנג'לס

עיבוד הביוכימיקלים כרוך בפעולות יחידה כגון התגבשות, אולטרה-צנטריפוגה, סינון ממברנה וכרומטוגרפיה מכינה, שלכולם יש במשותף את הצורך להפריד בין מולקולות קטנות, או מוצקות מנוזל. מתורברבים, התגבשות היא החשובה ביותר מנקודת מבט של טון. מסיבה זו, הוא משמש בדרך כלל בתעשיות התרופות, הכימיה ועיבוד המזון. דוגמאות ביוכימיות חשובות כוללות הפרדות כיראליות,טיהור 1 של אנטיביוטיקה,2 הפרדה של חומצות אמינו ממבשרים,3 ותרופות רבות אחרות,4-5 תוסף מזון,6-7 וטיהורים אגרוכימיים. 8 השליטה במורפולוגיה של הגבישים ובחלוקת הגודל היא קריטית לעיבוד כלכלה, שכן גורמים אלה משפיעים על העלויות של פעולות עיבוד במורד הזרם כגון ייבוש, סינון ומוצקים. לקבלת מידע נוסף אודות התגבשות, עיין בספר לימוד מיוחד או בספר לימוד של פעולות יחידה. 9

יחידת התגבשות (איור 1) מאפשרת לחקור: (א) את ההשפעות של פרמטרים מרכזיים, כגון רוויה וקירור/חימום, על תכולת מוצקים, מורפולוגיה וחלוקת גודל הגביש; (ב) והשליטה האוניית בתהליכי התגבשות. רוויה יכולה להיות נשלטת על ידי שינוי תנאים כגון קצב תסיסה וטמפרטורה. הסיווגים השונים של התגבשות כוללים קירור, אידוי, נדנדת pH ושינוי כימי. בניסוי זה, מיקרוסקופ לא מקוון יימדד מגבישים הנעים בגודלם בין 10-1000 מיקרומטר, טווח גודל טיפוסי לביולוגיים.

Figure 1
איור 1: סכמטי P&ID (משמאל) ותמונה (מימין) של קריסטלייזר. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

ניסוי זה מדגים התגבשות "שינוי כימי", או "pH-swing", כדי ליצור חומצה סליצילית (SAL) (הקדמה של אספירין) גבישים מתגובה מהירה של פתרונות מימיים של נתרן סליצילאט בסיסי (NaSAL), שהם בסיסיים, וחומצה גופרתית (H2SO4) בכל מקום בין 40 - 80 מעלות צלזיוס.

Na+SAL + 0.5 H2SO4 SAL (ppt) + Na+ + 0.5 SO42-

תוצר לוואי נתרן גופרתי נשאר מסיס. המנגנון מורכב משני מיכלי הזנה, שלוש משאבות מהירות משתנה (peristaltic), גבישים (מיכל מעורבב לטמפרטורה וריכוז אחידים בקירוב, ~ 5 L), אמבטיה במחזור לבקרת טמפרטורה, בקר כוח, מיכל מוצר, ומיכל איפור עבור התחדשות הזנה עם פתרון NaOH (אם תרצה). דגימות ינותחו על ידי ספקטרומטר UV-Vis עבור יון סליצילאט מסיס שיורית, ומוצר הגביש חומצה סליצילית יהיה מיובש ונשקל. ניתן להשתמש בבדיקת pH כדי לקבוע מצב יציב כאשר תנאי התגובה משתנים.

Principles

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

גבישין מעורב-השעיה, הסרת מוצר מעורב (MSMPR) מקביל לכור טנק מעורבב רציף - ערבוב מושלם של שלבים מוצקים ונוזלים הוא הניח. גבישים תעשייתיים לעתים רחוקות (אם בכלל) ניגשים להתנהגות MSMPR, אך הרעיון שימושי ביחידות בקנה מידה של ספסל ופיילוט. הסיבה לכך היא שהיא מספקת דרך קלה להעריך פרמטרים מרכזיים כגון קצב צמיחה, G וקצב התגרענות, B0. הן גבישים קיימים והן משטחים מוצקים אחרים, כגון המסית, מזרזים התגרענות. צפיפות המספרים, n, של הגבישים היא צפיפות הסתברות ביחס ל- L, ממד הגביש העיקרי. לכן, n dL/(Σn dL) מייצג את שבר הגבישים של L עד L+dL. בטקסטים סטנדרטיים מוצג כי עבור גבישי MSMPR, הפתרון של מודל איזון האוכלוסייה הכללי עבור n הוא:

Equation 1 (1)

כאשר B0 הוא פונקציית התגבשות ב מולים / vol / זמן, ו- G הוא קצב הצמיחה של גבישים, dL / dt. משוואה (1) חוזה התפלגות מעריכית עבור צפיפות המספרים המיוצרת ב- MSMPR. באמצעות האפס (הקשור לריכוז הגביש) ורגעי הראשונים (הקשורים לגודל הממוצע של הגביש) של ההתפלגות, B0 ו- G הם:

Equation 2(2)
Equation 3(3)

כאשר Cs הוא הריכוז של גבישים מוצקים ב slurry, τ הוא זמן מגורים, שהוא בערך נפח הנוזל חלקי קצב זרימת נפח ההזנה, Equation 4 והוא האורך הממוצע על בסיס מספר, אשר נקבע מיקרוסקופי.

לכן, עבור גבישים MSMPR, שיעורי הצמיחה וההתגרמות נקבעים על ידי פרמטרי הבקרה הרגילים (קצב תסיסה, טמפרטורה, שיעורי זרימה וכו '). עם זאת, ההתפלגות צריכה תמיד להיות מעריכית, וכל חריגה מהתפלגות מעריכית מייצגת ערבוב לא מושלם של המוצקים או הנוזל. גבישי MSMPR (טנק מעורבב) מתאים בצורה גרועה להתגבשויות תעשייתיות מכיוון שהוא מספק התפלגות מעריכית של גדלי קריסטל, ואילו ברוב היישומים הפצה צרה יחסית, גאוסית, רצויה לאחידות המוצר. המחקר שלה רלוונטי כי: (א) זה כמעט תמיד אלמנט של עיצוב גבישים גדול יותר; (ב) הוא מתאים באופן אידיאלי לעבודה בקנה מידה ספסל פיילוט-צמח כי מידת רוויה וצמיחה ושיעורי התגרענות ניתן לחלץ בקלות מן הנתונים הגולמיים; ות(ג) זוהי הדוגמה הקלה ביותר שעבורה ניתן לקשר גיאומטריה להתפלגות גודל הגביש.

עבור טמפרטורה קבועה ומהירות מסית, הן B0 והן G קשורים ישירות ΔC supersaturation, שהוא כוח המניע העברת המונית להתגבשות:12

Equation 5 (4)

הכוחות b ו- g הם ספציפיים למערכת ויכולים להשתנות על פני טווח רחב (למשל, 1-7.2 עבור גרם). 12

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Procedure

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

פתרונות אורגניים (נתרן סליצילאט, NaSAL) וחומצה (חומצה גופרתית, 0.25 M = 0.50 N) יוזנו למתגבש. הקפידו ללבוש כפפות לטקס בעת טיפול ב- NaSAL, חומצה סליצילית או הפתרונות שלהם, וחומצה גופרתית בגודל 0.25 M.

המערכת כולה נשלטת ממחשב באמצעות בקר מבוזר מסחרי עם ממשק דומה לזה שב- איור 1. ניתן להפעיל ולשנות את כל שסתומי סולנואידים או תלת-כיווניים ונקודות הגדרת בקר באמצעות ממשק זה. שרטוט מציג מגמות של הערכים האנלוגיים (קצבי זרימה, טמפרטורה) המשויכים ליחידה.

1. הפעלת המתגבש

בתחילת ריצה, כל הבקרים הרציניים צריכים להיות במצב ידני, וכל שסתומי סולנואיד צריך להיות סגור (on-off) או במצב מיחזור (3 כיווני).

  1. ודאו שהמגבש מלא עד לרמת הגלישה( ~4.15 ליטר) המצוין על המיכל המעורבט, עם מים ורפש חומצה סליצילית (בהתגבשות, תרחיף נקרא לעתים קרובות "מאגמה"). אם לא מלא, הוסף אלה דרך יציאת התוספת.
  2. הפעל את המסית עבור המתגבש ואת התזה עבור האמבטיה והמשאבות.
  3. הגדר את בקר הטמפרטורה לטמפרטורת האמבטיה ל- AUTO ואת נקודת הקבע לטמפרטורה הרצויה. הטמפרטורה המומלצת היא ~ 53 °C עבור גבישים 50°C.
  4. הגדר את מהירויות המשאבה באמצעות הממשק (למשל, 30% פתוח). הכרת הריכוזים של ההזנות, הגדר את שיעורי הזרימה עבור שקימות סטויצ'יומטרית בהתבסס על משוואה (1).
  5. ודא כי מיכל המוצר אינו מלא וכי שסתום הניקוז סגור.
  6. תפעיל את ציוד הספקטרומטר ויצר תקשורת עם קישור שסופק במסוף הבקרה. הליכי ספקטרומטר מפורטים במדריך ההפעלה (SpectraSuite). כיול הספקטרומטר מסופק.

2. הפעלת המתגבש

  1. העלה את תפוקת המשאבה לפי הצורך כדי להשיג את קצבי הזרימה הרצויים. עבור פתרון חומצה, זה ~ 25-35 מ"ל / דקה. עבור NaSAL, זה נקבע על ידי שקיליות סטויצ'יומטרית.
  2. עבור למצב הזנה בשני שסתומים תלת-כיווניים. זה זמן אפס לניסוי.
  3. בדוק מעת לעת את שורת הגלישה. בתנאים מסוימים זה עלול לחסום. אם כן, השתמש בחתיכת צינורות פלדה כדי להמריא מהקו הנכנס למיכל המוצר.
  4. לאסוף חמש דגימות ישירות מן גבישים דרך יציאת המדגם באמצעות pipette רחב פה ולהעביר אותם 15 מ"ל מבחן או צינורות צנטריפוגה. קח שני סטים של דגימות בערך 10-15 דקות זה מזה.
  5. חזור על הפעולה בשני זמני מגורים אחרים במרווחים נרחבים, שליטה tau (זמן שהייה) על-ידי שינוי קצבי הזרימה הנפחיים, אך שמירה על שקיליות סטויצ'יומטרית.

3. כיבוי המתגבש

  1. כדי לכבות את המערכת, הגדר את השסתומים ה-3-כיווניים למחזור ואת יציאות המשאבה ל- 0%.
  2. החזר את בקר הטמפרטורה ל- MANUAL בתפוקה של 0%, וכבה את המשאבות, המסיתים והאמבטיה התרמוסטטית.
  3. אם אתם משתמשים בספקטרופוטומטר, זכרו לכבות את המנורות.

4. ניתוח

ריכוזי NaSAL וחומצה סליצילית מומסים יכולים להימדד בו זמנית על ידי ספקטרוסקופיית UV/Vis. ניתן להניח את הספיגות של סליצילאט מומס וחומצה סליצילית כי אותו כרומופור נצפה. הוראות נוספות כלולות בנספח א'. ריכוז חומצה סליצילית ניתן גם לקבוע כבידתי ביחידות של ק"ג / מ'3 ריר.

  1. צנטריפוגות צינורות 15 מ"ל במשך 5 דקות ולתעד את נפח מדגם נוזלי שאוחזר על ידי decanting. הנוזל decanted יכול לשמש לניתוח ספקטרופוטומטרי NaSAL.
  2. יבש את המבחנות המכילות את מוצקים זקופים בתנור convection ב 70 מעלות צלזיוס, במשך יומיים.
  3. שקול, לנקות את הצינורות, ולאחר מכן להתייבש מחדש לזמן קצר לפני שקילה מחדש כדי לקבל את המשקל של הגבישים.

התגבשות תעשייתית מוחלת על הפרדה וטיהור של תרכובות ותערובות. על מנת לתכנן מערכות חסכוניות, יש ללמוד פרמטרים שונים. התגבשות משמשת להפרדה של תרכובות כיראליות וחומצות אמינו, או לטיהור אנטיביוטיקה, תוספים מזון ותרכובות אגרוכימיות. אמצעי התגבשות שונים כוללים קירור, שינוי כימי, אידוי או נדנדת pH. גבישים יכולים לשמש כדי לחקור פרמטרים מרכזיים המשפיעים על התפתחות הגביש, כגון קירור ושיעורים או רוויה. עם המיקרוסקופ, גודל הגביש והמורפולוגיה יכולים להיות במעקב ותלות של גורמים שונים שנצפו. בניסוי זה, נתרן סליצילאט מגיב עם חומצה גופרתית, המוביל משקעים של חומצה סליצילית, שהוא הקדמה של אספירין. דגימות מנותחות על ידי UV vis, ניתוח כבידתי ומיקרוסקופיה. וידאו זה ימחיש את הרעיון, הניתוח והיישום של יחידת גבישים.

עבור קנה מידה של גבישים, חשוב להעריך פרמטרים מרכזיים. ניתן ללמוד אותם באמצעות יחידת MSMPR. למרות שמתגבשים תעשייתיים באמת מתנהגים כמו MSMPRs, הרעיון עדיין רלוונטי ליחידות ספסלים ופיילוט בקנה מידה. גבישי MSMPR מקביל לכור רציף, טנק מעורבב. הוא מניח ערבוב מושלם של שלבים מוצקים ונוזלים. MSMPRs משמשים להערכת פרמטרי התגבשות מפתח, כגון קצב התגרענות הגביש, אשר ידוע גם בשם פונקציית הלידה ואת קצב הצמיחה קריסטל. התגרענות מזורזת על ידי גבישים קיימים ומשטחים מוצקים כגון קירות הכור. מודל איזון האוכלוסייה הכללי עבור גבישי MSMPR מניב את צפיפות המספר N של הגבישים, המהווה צפיפות הסתברות ביחס ל- L, ממד הגביש העיקרי. ב- MSMPR, התפלגות המספרים צפויה להיות התפלגות מעריכית. ניתן לקבוע את תפקוד הלידה וקצב הצמיחה באמצעות הרגעים האפסיים והראשונים של התפלגות זו. והכי חשוב, הם יכולים להיות קשורים גם לסופר-רוויה, שהיא הכוח המניע את העברת ההמונים בהתגבשות, והיא, בתורה, תלויה בקצב התסיסה והטמפרטורה. עבור טמפרטורה קבועה ומהירות מסיתה, הן תפקוד הלידה והן קצב הצמיחה קשורים ישירות לרוויה-על, והכוחות B ו- G יכולים להיקבע על ידי רגרסיה ליניארית. על פי מודל MSMPR, צפיפות המספר של גבישים פוחתת באופן אקספוננציאלי עם אורך. סטייה מההתפלגות המעריכית מרמזת על ערבוב לא מושלם של מוצקים או נוזלים. ביישומים תעשייתיים נדרשות הפצות גאוסיות צרות יחסית של גדלי גביש, ולא כאלה מעריכיות. עם זאת, מודל MSMPR עדיין שימושי, במיוחד במפעלי פיילוט, שכן הוא מאפשר קביעת שיעורי הצמיחה והלידה, כמו גם את מידת רוויית העל מנתונים גולמיים. כעת, כאשר אתם מכירים את מודל MSMPR, בואו ניישם את הרעיון לניסוי.

יש ללבוש PPE מתאים בעת טיפול בפתרונות נתרן סליצילאט וחומצה גופרתית. רשום את התכונות הפיזיות הבסיסיות של חומצה סליצילית לשימוש מאוחר יותר. לפני שתתחיל, להכיר את מערכת ההתגבשות. המנגנון מורכב משני מיכלי הזנה, משאבות מהירות משתנות, מיכל עם 5 ליטרים, אמבטיה במחזור לבקרת טמפרטורה, בקר חשמל, מיכל מוצר ומיכל איפור להתחדשות הזנה, באמצעות תמיסת נתרן הידרוקסיד. המערכת מופעלת באמצעות מערכת בקרה מבוזרת וממשק גרפי, שממנו ניתן להפעיל שסתומים כדי לשלוט בטמפרטורה ובזרימה. פלט סכמטי המספק מגמות של קצב זרימה וטמפרטורה זמין גם כן.

בדוק כי כל הבקרים רציפים מוגדרים למצב ידני, וכי כל שסתומי סולנואידים הם גם סגור, דו כיווני או במצב מיחזור, תלת כיווני. ודאו שהמגבש מלא במים וקצת תרחיף חומצה סליצילית לרמת הגלישה של כ-4.15 ליטר, כפי שצוין במיכל המעורב. מוסיפים מים וחומצה סליצילית באמצעות יציאת התוספת אם המיכל אינו מלא. הפעל את המסית עבור גבישים ואת האמבטיה thermostated ומשאבות. הגדר את בקר הטמפרטורה לטמפרטורת האמבטיה לאוטומטית, והנקודה שנקבעה לטמפרטורה הרצויה, בדרך כלל כ -53 מעלות צלזיוס עבור גבישים של 50 מעלות צלזיוס. הגדר את מהירויות המשאבה לתת כ 25 עד 35 מיליליטר לדקה עבור פתרון חומצה. עבור נתרן סליצילאט, קצב הזרימה נקבע על ידי מקבילים סטויצ'יומטריים. באמצעות ריכוזי ההזנה הידועים, הגדר את קצבי הזרימה עבור מקבילים סטויצ'יומטריים. ודא כי מיכל המוצר אינו מלא שסתום הניקוז סגור. לאחר מכן, הפעל את הספקטרומטר והשתמש בקישור שסופק במסוף הבקרה כדי לבדוק שהתקשורת בין המנגנון נוצרת.

עבור למצב הזנה בשני שסתומים משולשים. זה קובע זמן אפס לניסוי. בדוק מעת לעת את שורת הגלישה עבור כל חסימה. השתמש בחתיכת צינורות פלדה כדי ל remote את הקו הנכנס למיכל המוצר באמצעות החור המסופק אם זוהתה חסימה. לאחר שעה, השתמש פיפטה רחבת פה ולהכניס אותו לתוך היציאה לדוגמה של גבישים. לאסוף מספיק מדגם כדי למלא מספיק חמש צנטריפוגות 15 מיליליטר שקל מראש או מבחנות. קח שני סטים של דגימות בהפרש של 10 עד 15 דקות. שנה את קצבי הזרימה בנפח כדי לשלוט ב- TOW ולהתאים לשני זמני מגורים אחרים בעלי רווחים נרחבים. שמור על המקבילות סטויצ'יומטריות ולאסוף דגימות כמו קודם. בסיום, הגדר את פלט המשאבה לאפס אחוזים, את השסתומים המשולשים למחזור. החזר את בקר הטמפרטורה לידני בתפוקה אפס אחוז ולכבות את המשאבות, המסיתים והאמבטיה התרמוסטטית.

ריכוז היון סליצילאט ניתן לקבוע באמצעות UV vis ואת ריכוז חומצה סליצילית מוצק ניתן לקבוע כבידתי כמו קילוגרמים לכל מטר בלגמה מעוקבת. לפני הניתוח, דגימות צנטריפוגה ראשונה במשך חמש דקות ו decant את הנוזל. הקלט את אמצעי האחסון הכולל של המדגם שאוחזר. מערבבים את הדגימות הנוזליות מסט נתון מדללים פי 50 עד 100. עבור הנוזל, למדוד את הספיגה של סליצילאט נתרן ואת החומצה הסליצילית באמצעות ספקטרומטר UV vis. הספיגה מניחה להיות תוסף, שכן אותו כרומופור מזוהה עבור שתי הדגימות. לקביעת הכבידה, השתמש במ מוצקים שנותרו בצנטריפוגה או במבחנות. מייבשים את הצינורות זקופים בתנור ההקמה ב-70 מעלות במשך יומיים. לאחר מכן לרוות מחדש את המבחנות מקוררות כדי לקבוע את המשקל של הגבישים ואת הריכוז קילוגרמים לליטר. לבסוף, באמצעות מיקרוסקופ, לקבוע את התפלגות האורך של גבישי חומצה סליצילית בצורת מחט.

לחשב את ריכוז הגביש המוצק עבור כל הריצות באמצעות השיטה הכבידתית. ליצור איזון המוני על סליצילאט. לאחר מכן, חשב את רוויית העל ואת זמן המגורים. לאחר מכן, לקבוע את התפוקות קריסטל על בסיס הזנה ומוצר, באמצעות מולים של המוצר, להאכיל, ואת המוצר salicylate מומס. השתמש בריכוז הגביש, ממד הגביש וזמן המגורים כדי לפתור את תפקוד הלידה וקצב הצמיחה. לאחר מכן להעריך את הכוחות G ו- B באמצעות רגרסיות ליניאריות של פונקציות יומן הרישום. הנה דוגמה להתגבשות ב 50 מעלות צלזיוס. העוצמה של B גדולה פי שניים מ-G, מה שמצביע על כך שהרוויה משפיעה על שיעור הילודה יותר מקצב הגידול. כוחות אלה ישמשו להגדלת הגדילה אם רוויית העל לא תשתנה. השוואות לניסויים אחרים יכולות לזהות גורמים המשפיעים על תפקודי הצמיחה והלידה, כגון ערבוב לקוי, pH וזיהומים יוניים במים המרכיבים.

התגבשות תעשייתית מיושמת באופן נרחב בתעשיות התרופות, הכימיה ועיבוד המזון להפרדה וטיהור של תרכובות שונות. Danazol הוא סטרואידים סינתטי אשר משמש לטיפול אנדומטריוזיס. כמו עם תרכובות תרופות רבות אחרות, Danazol הוא הידרופובי ומסיס בצורה גרועה במים. לכן, המוצר Danazol גלם מומס בתחילה אתנול ולאחר מכן recrystallized על ידי ערבוב אותו עם קצת מים, אשר מייצרת טהור, גבישי מוצר בגודל חלקיקים קטנים. גבישים מתועשים ניתן להשתמש בייצור של ליזוזומים. המנגנון יכול להיות מתוכנן לייצר התפלגות צרה מאוד בגודל קריסטל באמצעות יישום של משאבה סביב מחליף חום, אשר מעלה מעט את הטמפרטורה כדי להמיס את הגבישים הקטנים ביותר. התפלגות הגודל יכולה להיות מווסתת על ידי הפרדת חלקיקי הגביש על בסיס מהירויות הסופיות שלהם. מושג זה מוצא גם יישום בהתגבשות של מלחים אנאורגניים.

הרגע צפית בהקדמה של ג'וב להתגבשות תעשייתית. עכשיו אתה צריך להבין את מודל גבישים MSMPR, איך להפעיל את יחידת התגבשות וכיצד לנתח את התוצאות. תודה שצפיתם.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Results

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

איור 2 מציג נתונים מייצגים המצביעים על חריגות צנועות מהתפלגות גודל הגביש של האידיאל MSMPR גם במהירויות גבוהות יחסית וריכוז הזנה נמוך.

Figure 2
איור 2. התפלגות גודל קריסטל עבור הזנת NaSAL 0.16 M, 540 סל"ד, 60 ° C

הגבישים שנוצרים מניסוי זה הם בדרך כלל בצורת מחט, ואת התפלגות האורך ניתן לקבוע מיקרוסקופית. אורכים לדוגמה עם מידות גודל (במיקרונים) של גבישים טיפוסיים מוצגים באיור 3. הטווח הנורמלי והעדף של גבישים הוא 100-1000 מיקרון.

Figure 3
איור 3. גבישי חומצה סליצילית מוגדלים. הגדלים הם במיקרונים. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

בהנחה המשוואות של גבישי MSMPR (1-4), ושימוש באיזון מסה על salicylate, מפעיל את הריכוז של גבישים מוצקים במגמה (CSAL),זמני המגורים (τ), קצב הצמיחה פונקציות G, כמויות של רוויה בשלב מימי ΔC על בסיס טחון, פונקציית גרעין B0, ואת תשואות הקריסטל על בסיס מוצר להאכיל נקבעו. הפונקציה G חושבה מתוך משוואה (3) באמצעות התפלגות הגודל. ומשוואות רוויית העל ואיזון המסה הן:

Equation 6 (5)

Equation 7 (6)

כאשר Q1 הוא קצב הזרימה הנפחי של פתרון NaSAL, Qt הוא קצב הזרימה הנפחי הכולל, (CNaSAL)0 הוא ריכוז ההזנה של NaSAL ברבעון1, ו- CNaSAL ו- CSAL הם ריכוזי המוצר של סליצילאט וגבישים מסיסים, בהתאמה. Ceq הוא ריכוז שיווי המשקל (הבין-דתי) של סליצילאט, שהיה ~ 2.2 גרם / ליטר מעל טווח הטמפרטורה המשמש בהדגמה זו.

התשואה הוגדרה על בסיס הזנה כ:

Equation 8 (7)

ועל בסיס מוצר בלבד כ:

Equation 9 (8)

אם השגיאה % במאזן המסה על salicylate הוא גדול, אז סביר להניח כי גם CSAL או CNaSAL הם בטעות, כמו שניהם קשה למדוד במדויק. על ידי התבוננות בערכים של Y1 ו- Y2 (שבהם נותן מגמה סבירה יותר), ניתן לקבוע את המקור העיקרי של השגיאה.

מתוך הערכים עבור G ו- B0, הכוחות "g" ו- "b" במשוואה (4) הוערכו באמצעות רגרסיה ליניארית. Franck ואח ' מדווח כוח "g" של ~ 3 ו "b" של ~ 6 עבור מערכת זו11 באמצעות תנאים סטריליים מאוד ומהירויות מסית גבוהות. קביעת ההבדלים בין הכוחות הניסיוניים "g" ו- "b" לבין אלה של פרנק ואח 'שימושית בזיהוי גורמים שעשויים להשפיע על תפקודי הצמיחה וההתגרמות. נתונים מייצגים להתגבשות של 50°C עם ריכוזי הזנה של 0.35 M (NaSAL) ו- 0.25 M (H2SO4) מוצגים בטבלה 1.

טבלה 1. נתוני התגבשות

קצב זרימה, mL/min τ Equation 4 CNasal CSAL Y1 Y2
האף H2SO4 דקות מ"מ מול/ל g/מ"ל % %
119 59.5 23.3 700 0.063 0.022 69 72
85 42.5 32.6 876 0.059 0.026 81 76
51 25.5 54.3 1190 0.055 0.026 81 77

נתונים אלה שימשו גם לפתרון עבור G ו- B0 ורגרסיה ליניארית בוצעה כדי לקבוע את הכוחות "g" ו- "b" באמצעות המשוואה הליניארית (4). רגרסיה ליניארית של פונקציות יומן הרישום (דוגמה מוצגת באיור 4) נתן g = 1.1 ו b = 2.4. בעוד שהמגמה בכוחות (b כפליים מ- g) הייתה זהה לזו שנצפתה בפרנק ואח ', הכוחות עצמם היו שונים באופן משמעותי, והתלות ב- ΔC הייתה קטנה בהרבה. זה מצביע על כך שגורמים שאינם ΔC יכול להשפיע על שיעורי הצמיחה והגרעין, כגון ערבוב לקוי, pH גבוה יחסית (עבור הזנות equimolar של ה- pH הם בין 2.2-2.4), ו זיהומים יוניים שהוכנסו במים (האספקה העירונית). כוחות ניסיוניים אלה ישמשו בכל חישובי קנה מידה, כי מלבד ΔC, גורמים אלה יהיו ככל הנראה נוכחים הן בעיצובים בקנה מידה פיילוט ותעשייתי.

Figure 4

איור 4. רגרסיה ליניארית של קצב הצמיחה G כפונקציה של רוויית ΔC

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Applications and Summary

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

ניסוי זה הדגים כיצד לקחת מדידות ריכוז גולמי, זרימה וטמפרטורה ולהשתמש בתיאוריית MSMPR כדי להעריך את הפרמטרים העיקריים הדרושים לתכנון מערכת גבישים גדולה ומורכבת. התפקיד הקריטי שזמן המגורים ממלא בהשגת תשואות קריסטל גבוהות ושליטה בגודל הממוצע של הגבישים, נחקר. לעתים קרובות יש זמן מגורים אופטימלי כי גבישים גדולים מאוד הם לעתים רחוקות רצויים. אותו הדבר נכון לערבוב - ערבוב חייב להיות מספיק כדי לשמור על גבישים מוצקים מלהתיישב לתחתית, אבל באותו זמן מהירות המסית היא לעתים קרובות עלות תפעול משמעותית.

חלק מהבעיות שחווים לעתים קרובות עם יחידה זו - חסימות חלקיות עקב התדלקות חלקיקים, קשיים בהשגת רוויה אחידה עקב ערבוב לא מושלם, וזמנים ארוכים להגיע למצב יציב - נפוצים אפילו גבישים תעשייתיים מעוצבים היטב. זו הסיבה שעיצובי גבישים הנראים בספרות היצרנים הם לעתים קרובות מורכבים להפליא.

תהליך זה דומה להתגבשויות של ביולוגים אחרים, כגון L-ornithine-L-אספרטט, אשר משמש לטיפול אי ספיקת כבד כרונית. 5 ההידרוכלוריד המבשר L-ornithine עולה > $300/kg וקשה למחזר אותו, כך שהעיצוב לתפוקות גביש גבוהות הוא קריטי. דוגמה של נגד חדלת פירעון, בניגוד pH-סווינג, התגבשות ביולוגית היא עידון של danazol, סטרואידים סינתטיים המשמש לטיפול אנדומטריוזיס. 13 תרופות רבות הן הידרופוביות עם מסיסות ירודה במים. על ידי המסת מוצר danazol גלם באתנול ולאחר מכן לגבש אותו מחדש על ידי ערבוב עם מים, מוצר גביש בגודל חלקיקים טהור וקטן יותר ניתן להשיג. התגבשות של חלבונים היא יישום חשוב נוסף, דוגמה אחת היא ייצור ליזוזים. 14

גבישים תעשייתיים יכולים להיות מתוכננים לייצר התפלגות גודל גביש צרה מאוד באמצעות יישום של הסרת קנסות (למשל, מחליף חום pumparound שמעלה מעט את הטמפרטורה כדי להמיס את הגבישים הקטנים ביותר) וסיווג גודל (למשל, "רגל התרוממות רוח" המפרידה חלקיקים על בסיס מהירויות המסוף שלהם, ואוסף רק את הגדול ביותר באוכלוסייה). מושגי עיצוב אלה פותחו להתגבשות מלח אנאורגני, אך כעת הם עוברים לתחום הביולוגי.

רשימת חומרים

שם חברה מספר קטלוג הערות
מסית, 150 ואט קפראמו BDC 3030 על הכור
תנור חימום במחזור נסלב RTE 110 0-100מעלות צלזיוס,עבור הכור
משאבות פרייסטליות (2) קול-פרמר מאסטרפלקס L/S 7550-60, 1.6-100 סל"ד, 0.1 כ"ס הן עבור הזנות NaSAL והן עבור H2SO4 הזנות
משאבה צנטריפוגלית קול-פרמר 7553-00, 6-600 סל"ד למחזור מוצרים
ספקטרופוטומטר UV-Vis אופטיקה ימית USB 2000 לניתוח NaSAL מסיס
ספק כוח UV-Vis אופטיקה ימית DT1000 לספירה לשימוש עם USB 2000

נספח א' – שימוש בספקטרומטר

  1. פתח את תוכנת SpectraSuite. הדליקו את מנורות ה-UV וה-VIS במקור. הקפידו לכבות את המנורות לאחר השימוש. הגדר את מצב הרכישה לטווח (לחצן S כחול בסרגל הכלים).
  2. בסרגל הכלים שנה את זמן האינטגרציה ל- 250 ms, את הסריקות לממוצע ל- 25ואת רוחב ה- Boxcar ל- 2. סמן את התיבות עבור הפוך את סטרוב למנורה, תיקון כהה חשמלי ותיקון אור תועה.
  3. הכן קבצים בספקטרום כהה וקבצי ספקטרום הפניות. הספקטרומטר דורש ייצור של קובץ ספקטרום כהה וקובץ ספקטרום הפניות.
    1. לטבול את הבדיקה לתוך מבחנה מלאה במי DI.
    2. כדי ליצור קובץ ספקטרום כהה, נתק את הבדיקה ממקור האור (תיבה לבנה). הגרף אמור כמעט לעקוב אחר ציר ה-x. כדי לשמור את הספקטרום הכהההחדש שנוצר , לחץ על הנורה האפורה ולאחר מכן קבצים -> Store -> לאחסן ספקטרום כהה.
    3. כדי ליצור קובץ ספקטרום הפניות, חבר את חיבור הבדיקה בחזרה למקור האור. פסגות מסוימות אמורות להופיע בגרף ב- SpectraSuite. כדי לשמור ספקטרום הפניהזה , לחץ על הנורה הצהובה ולאחר מכן על ספקטרום הייחוס של חנות > קובץ ->.
    4. אם הגדרות כלשהן משתנות (למשל, זמן אינטגרציה וכו '), יש ליצור שוב את הספקטרום האפל והן את ספקטרום ההתייחסות.
    5. עבור ממצב טווח למצב ספיגה (A). עבור פתרונות NaSAL, יש לראות את הספיגה ב ~ 300 - 330 ננומטר.

כימות אפשרי רק אם פתרונות חומצה נסל/סליצילית פועלים לפי חוק באר-למברט (A נמצא ב"אזורהלינארי"). עבור יון סליצילאט, אזור זה הוא A < ~ 0.9 - 1. בהתחשב בתוצאות העבר, קריטריון זה מציע כי פתרונות NaSAL חייבים להיות מדוללים (עם מי DI) ל 0.05 גרם / ליטר או פחות לכימות. לאחר מכן, ניתן לכמת את הפתרונות הלא ידועים על ידי השוואה לספיגה של פתרון סטנדרטי מדולל כראוי:

Equation 10

כאשר C הוא ריכוז, ספיגה, " u " לא ידוע "ו" פתרון סטנדרטי של NaSAL. שים לב שגם "u" וגם "s" חייבים להראות ספיגה בתוך הטווח הליניארי.

בספקטרוסקופיה, הספיגה תלויה בשני גורמים, סוג הכימיקל והריכוז שלו, ואורך הנתיב בנוזל. לשנות את הריכוז על ידי דילול.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

References

  1. C. Wibowo, L. OYoung and K.M. Ng, Chem. Eng. Prog., Jan. 2004, pp. 30-39.
  2. W.J. Genck, Chem. Eng. Prog., Oct. 2004, pp. 26-32.
  3. S. Takamatsu and D.D.Y. Ryu, Biotechnol. Bioeng., 32, 184-191 (1988).
  4. F. Wang and K.A. Berglund, Ind. Eng. Chem. Res., 39, 2101-2104 (2000).
  5. Y. Kim, S. Haam, Y.G. Shul, W.-S. Kim, J.K. Jung, H.-C. Eun and K.-K. Koo, Ind. Eng. Chem. Res., 42, 883-889 (2003).
  6. K. Hussain, G. Thorsen and D. Malthe-Sorenssen, Chem. Eng. Sci., 56, 2295-2304 (2001).
  7. H. Gron, A. Borissova and K.J. Roberts, Ind. Eng. Chem. Res., 42, 198-206 (2003).
  8. F. Lewiner, G. Fevotte, J.P. Klein and F. Puel, Ind. Eng. Chem. Res., 41, 1321-1328 (2002).
  9. For example:  W.L. McCabe, J.C. Smith, and P. Harriott, Unit Operations of Chemical Engineering, 7th Ed., McGraw-Hill, New York, 2005, Ch. 27, or C.J. Geankoplis, Transport Processes and Unit Operations, 3rd Ed., 1993, Ch. 12.
  10. P. Barrett, Chem. Eng. Prog., Aug. 2003, pp. 26-32.
  11. R. Franck, R. David, J. Villermaux and J.P. Klein, Chem. Eng. Sci., 43, 69-77 (1988).
  12. J. Garside, Chem. Eng. Sci., 40, 3-26 (1985).
  13. H. Zhao, J.-X. Wang, Qi-An Wang, J.-F. Chen and J. Yun, Ind. Eng. Chem. Res. 46, 8229-8235 (2007).
  14. J.S. Kwon, M. Nayhouse, G. Orkoulas and P.D. Christofides, Ind. Eng. Chem. Res., 53, 15538-15548 (2014).

Transcript

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the English version.

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter