電気濾過

電気濾過は、膜濾過と電気泳動をデッドエンドプロセスで 組み合わせた方法です

電気濾過は、バイオポリマーの濃縮および分画に適した技術と考えられています。濾過を妨げるフィルター膜上の膜形成は、電界を印加することで最小限に抑えられるか、完全に回避できるため、濾過性能が向上し、分画時の選択性が向上します。このアプローチは、バイオプロセスにおける下流処理の費用を大幅に削減します。

技術

図1：電気濾過チャンバーの模式図

電気濾過は、コロイド状物質（例えばバイオポリマー）の分離・濃縮技術です。電気濾過の原理は、標準的なデッドエンド濾過に電界を重ねることに基づいています。このようにして生じた極性は、濾液の流れの抵抗力と反対の電気泳動力を促進し、帯電したバイオポリマーを導きます。これにより、精密濾過膜または限外濾過膜上の膜形成が著しく減少し、標準的な濾過では数時間かかる濾過時間が電気濾過では数分に短縮されます。クロスフロー濾過と比較して、電気濾過は透過流量が増加するだけでなく、せん断応力も低減するため、通常は不安定な バイオポリマーの分離に特に穏やかな技術として適しています

バイオテクノロジー製品の精製における有望な応用は、バイオポリマーはろ過が困難である一方で、アミノ基やカルボキシル基の存在により通常は帯電しているという事実に基づいています。電気ろ過の目的は、ろ過ケーキの形成を防ぎ、ろ過困難な製品のろ過速度を向上させることです。

ろ過プロセスに電界を付加する場合、粒子の電気泳動と電気浸透は不可欠となります。電気ろ過では、従来のろ過に、濾液の流れ方向と平行に作用する電界（DC）を付加します。流れと逆方向に働く電気泳動力F Eが流体抵抗力F Wを圧倒すると、帯電粒子はろ材から移動し、膜上の ろ過ケーキの厚さを大幅に減少させます。

分離対象となる固体粒子は負に帯電しており、陽極（正極）に向かって移動し、そこに設置されたろ布に付着します。その結果、陰極側のろ布（負極）には極めて薄い膜しか形成されず、ろ液のほぼ全てがこのろ布を通過します。

図1は、フラッシング電極を備えた電気濾過チャンバーの概略図を示しています。フラッシング循環には緩衝液が使用されます。この方法は特許を取得しています。[1]

基礎

図2：フィルタープレート上のキサンタンのろ過ケーキ

流体抵抗力はストークスの法則に従って評価されます

F W ＝ 6 ⋅ π ⋅ η ⋅ r H ⋅ ν {\displaystyle F_{W}=6\cdot \pi \cdot \eta \cdot {\text{r}}_{H}\cdot \nu }

電気泳動力はクーロンの法則に従って評価されます。

F E ＝ 4 ⋅ π ⋅ ε 0 ⋅ ε r ⋅ r H ⋅ ζ ⋅ E {\displaystyle F_{E}=4\cdot \pi \cdot \varepsilon _{0}\cdot \varepsilon _{r}\cdot {\text{r}}_{H}\cdot \zeta \cdot {\text{E}}}

これらの式において、r Hはコロイド の流体力学的半径、 – は電気泳動速度、 – は溶液の動粘度、 – は真空中の誘電率、–は298 Kにおける水の相対誘電率、 –はゼータ電位、Eは電場を表します。流体力学的半径は、粒子の半径と静止溶媒界面の半径の合計です。 ν {\displaystyle \nu} η {\displaystyle \eta} ε 0 {\displaystyle \varepsilon_{0}} ε r {\displaystyle \varepsilon_{r}} ζ {\displaystyle \zeta}

帯電コロイドの定常電気泳動では、電気泳動力と流体抵抗力は平衡状態にあり、次のように表されます。

FW + FE = 0​

これらの効果はバイオポリマーの電気濾過に影響を及ぼし、バイオポリマーは流体抵抗力だけでなく電場力によっても帯電する可能性があります。陰極側に注目すると、負に帯電した粒子は流体抵抗力と反対の電場力の影響を受けることがわかります。 このように、この側でのフィルターケーキの形成は妨げられるか、理想的な状況ではフィルターケーキはまったく形成されません。 この場合の電場は臨界電場 E critと呼ばれます。 これらの力の平衡の結果として、電気力の影響を受ける液体は帯電します。適用される水圧 ∆pH に加えて、プロセスは電気浸透圧P eによっても影響を受けます。

電気浸透圧P e、臨界電界E krit、電界Eの定数を用いた仮定のもと、電気運動学的効果を考慮したフィルターケーキ形成を記述するダルシーの基本方程式を積分により修正すると、以下の結果が得られる。カールスルーエ大学生命科学工学研究所バイオプロセス工学部で行われた過去の科学的研究により、電気濾過は荷電バイオポリマーの濃縮に効果的であることが実証されている。荷電多糖類キサンタンの精製に関して、非常に有望な結果が得られている。[2]図2はキサンタンフィルターケーキを示している。

参考文献

  1. ^ WO 02051874 「生体高分子の電気濾過」
  2. ^ Hofmann R., Posten C. (2003). 「圧力電気濾過によるバイオポリマーのデッドエンド濾過の改善」.化学工学科学. 58 (17): 3847– 3858. Bibcode :2003ChEnS..58.3847H. doi :10.1016/S0009-2509(03)00271-9.

文献

ウィキメディア・コモンズには、電気濾過に関連するメディアがあります
  • Vorobiev E., Lebovka N., (2008). 食品植物およびバイオマテリアルからの抽出のための電気技術, ISBN 978-0-387-79373-3。
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