Sisältö

1. Sisältö BjaE yksikköoperaatiot k-2014/ho • Kurssin tavoitteet • Perehdyttää bio- ja elintarviketeollisuuden yksikköoperaatioihin ja prosesseihin, niiden perusteisiin ja käytännön ratkaisuihin • Sisältö • Biologisten tuotteiden ja prosessien erityispiirteet yksikköoperaatioiden kannalta • Neste/kiintoaine-erotus • Konsentrointi • Kalvosuodatus • Sekoitus • Solujen särkeminen • Vesipohjainen 2-faasiuutto • Kromatografia • Kuivaus • Tuotteen stabilointi ja formulointi • Geenitekniikka ja erotusoperaatiot

2. Sisältö BjaE yksikköoperaatiot k-2014/ho • Kurssin hyväksytyn suorituksen edellytykset: • hyväksytty tentti; paino 2/3 • kotitehtävät ; paino 1/3 • Materiaali: • verkossa jaettu materiaali • Geankoplis C.J. Transport processes and unit operations, niiltä osin kuin käsittelevät jaetussa materiaalissa esitettyjä asioita

3. Bio- ja elintarviketeknisettuotteet ja prosessit BjaE yksikköoperaatiot k-2014/ho • Kemiallisen luonteensa pohjalta (kemiallinen stabiilisuus, reaktiivisuus, mikrobiologinen stabiilisuus) tuotteet kestävät erilaisia tuotanto-olosuhteita • Biotekniset tuotantoprosessit voidaan jakaa varsinaiseen tuotteen muodostumisvaiheeseen (upstream) ja tuotteen erotus- ja puhdistus- vaiheeseen (downstream; downstream processing); elintarvike- prosesseissa tällaista selkeää jakoa ei yleensä voida tehdä • Tuotteen muodostumisvaihe voi perustua solujen, niiden osien tai entsyy- mien hyödyntämiseen (= biotekniikkaa) • Tuotteen erotus- ja puhdistusvaiheen monimutkaisuus/-vaiheisuus riippuu ennen kaikkea lopputuotteen puhtausvaatimuksista (ns. speksi) ja lähtöma- teriaalin ominaisuuksista => tuotantokustannukset => hinta => volyymi • Kalliimpien tuotteiden (esim. terapeuttiset proteiinit) osalta jälkikäsittelyn kustannukset (käyttö- ja pääomakustannukset) voivat olla > 70 % kokonais- valmistuskustannuksista

4. Bioteknisettuotteet ja prosessit BjaE yksikköoperaatiot k-2014/ho • Tyypillisiä tuotteen puhtausvaatimuksia: teolliset entsyymit lähinnä kvalitatiiviset ominaisuudet ja aktiivisuus diagnostiset tuotteet ei haitallisia sivureaktioita; yleensä > 95% rokotteet >>99,9 % erythropoietiini etc. parhaimmalla analytiikalla ei epäpuhtauksia; autenttisuus • Puhtausvaatimus riippuu myös siitä mihin matriisiin tuote muodostuu (esim. syötävän lääkeproteiinin tuotanto voisi periaatteessa tapahtua kasveissa (esim. viljan jyvässä) => puhtaus voi olla hyvinkin alhainen, koska jyvän muut komponentit ovat tunnetusti ei-haitallisia) • Kompleksisissa elintarviketuotteissa (monimutkaisia seoksia biologisista materiaaleista ja mahdollisesti puhtaista kemikaaleista) tuotteen ”puhtaus” liittyy lähinnä perinteisiin, makuun, hajuun ja aromiin sekä tapauskohtai- sesti tiettyjen epäpuhtauksien sallittuihin maksimipitoisuuksiin

5. Bio- ja elintarviketeknisettuotteet ja prosessit BjaE yksikköoperaatiot k-2014/ho Oheisessa kaaviossa: • pystyakselilla on tuotteen tai tuo- teryhmän pitoisuus prosessissa ennen jälkikäsittelyä - vaaka-akselilla tuotteen tai tuote- ryhmän hinta vuonna 1984 • riippuvuus (muitakin vaikuttavia tekijöitä on) lähde: Dwyer, Bio/technology 2 (1984), 957-964 lisäyksin Utah State Univ./Biochem. Eng.

6. Bioteknisten prosessien erityispiirteitä BjaE yksikköoperaatiot k-2014/ho • Usein kompleksiset lähtöaineet (erityisesti fermentoimalla tuotetuilla) • Alhaiset tuotepitoisuudet jälkikäsittelyn alkaessa EtOH 70…120 g/l orgaaniset hapot 40…120 g/l aminohapot 60…180 g/l solumassat 30…60 g/l antibiootit 10…30 g/l entsyymit 2…10 g/l (…useita kymmeniä g/l ?) B12-vitamiini 0,02…0,1 g/l terapeuttiset proteiinit 0,05…0,5 g/l • Tuote voi olla vapaana liuoksessa tai solujen sisällä; yleensä alhaisessa puhtaudessa; epäpuhtauksissa paljon tuotteen tyyppisiä yhdisteitä • Liuokset usein epästabiileja (erityisesti mikrobiologisesti ja biokemiallisesti) • Kiintoaineet usein kokoonpuristuvia, epästabiileja, kolloidisia • Upstreamin vaikutukset

7. Tyypillinen biotekninen prosessi BjaE yksikköoperaatiot k-2014/ho Fermentointi S/L-erotus solunulkopuolinen tuote solunsisäinen tuote solujen hajotus (korkeapainehomog., lasihelmimylly) tuotteen konsentrointi (kalvosuodatus, adsorptio/desorptio solujäänteiden erotus (separointi, suodatus) tuotteen puhdistus (kromatografia, saostus, uutto, kalvoerotus tuotteen puhdistus (kromatografia, saostus, uutto, kalvoerotus) tuotteen formulointi (standardointi, stabilointi, sterilointi

8. Tyypillinen biotekninen prosessi BjaE yksikköoperaatiot k-2014/ho

9. Tyypillinen elintarvikeprosessi BjaE yksikköoperaatiot k-2014/ho • Kompleksiset lähtömateriaalit (vilja, maito, marjat, hedelmät, juurekset, liha) • Lähtömateriaalit poikkeuksetta herkästi pilaantuvia (mikrobiologisesti ja/tai biokemiallisesti) ; vaativat nopean prosessoinnin, vaatimuksia prosessointi- olosuhteille, usein lähtömateriaali kuivataan säilyvyyden takaamiseksi • Biologinen materiaali on elävää, hengittävää solumateriaalia => lämmön- tuotto, CO2:n ja veden tuotto, toimivat entsyymiaktiivisuudet; kuivaus ja jäähdytys ovat tavallisimmat tavat minimoida solujen toiminta • Materiaalin prosessoinnissa kovat vaatimukset hygienian suhteen (yksittäi- set operaatiot, henkilökunta, laitteistot) • Tyypillisiä yksikköoperaatioita: uutto, haihdutus, kalvosuodatus, kuivaus, suodatus, separointi, koon pienennys, luokittelu, sekoitus, fermentointi, kiteytys, sterilointi, pakkaus

10. Yleisiä periaatteita BjaE yksikköoperaatiot k-2014/ho • Vältä tarpeettomia upstream vaikutuksia (esim. fermentointiprosesseissa) • Nopea operaatio epästabiileilla systeemeillä pilaantuvissa olosuhteissa • Suuri konsentrointi mahdollisimman aikaisessa vaiheessa • Vältä varastointia operaatioiden välissä • Operaatiot ovat sarjassa => kokonaissaanto putoaa nopeasti • Laitteiston puhdistettavuus tärkeä • First in – first out (raaka-aineiden käsittely) • Pilaantunut lähtömateriaali löydettävä ajoissa

11. Operaatiot sarjassa – tuotesaanto (yield) BjaE yksikköoperaatiot k-2014/ho

12. Upstream vaikutukset/fermentointiprosessit BjaE yksikköoperaatiot k-2014/ho • Sterilointi palaminen, polymeroituminen • Tuottokannan valinta esim. nopea autolyysi, heikko soluseinä, epäpuhtaudet • Tuottoalusta kolloidiset liuokset, kokoonpuristuvat kiintoaineet, epäpuhtaudet • Sekoitus/ilmastus vaahdonestoaineiden kulutus, solujen morfologia • Fermentoinnin kesto autolyysi, inaktivoituminen, kasvunopeus

13. Ideaalinen operaatio BjaE yksikköoperaatiot k-2014/ho • Pieni esikäsittelyjen tarve • Ei kemikaalien lisäyksiä, varsinkaan liukoisten • Korkea läpimenokapasiteetti/kustannukset • Suuri puhdistumiskerroin • Suuri konsentrointikerroin • Helppo/suoraviivainen scale-up • Voidaan käyttää laskentaa ennustamaan käyttäytymistä eri koe-olosuhteissa, jolloin operaation soveltamiseen/”optimointiin” vaaditaan vähemmän kokeel- lista toimintaa

14. Tyypillisiä prosesseja BjaE yksikköoperaatiot k-2014/ho separointi laktoosin hydrolyysi Maito pakkaus pastörointi homogenointi sokerijuurik- kaat pesu leikkaus uutto linkous kiteytys haihdutus suodatus kuivaus pakkaus

15. Tyypillisiä prosesseja BjaE yksikköoperaatiot k-2014/ho Mallas+vesi jauhatus mäskäys suodatus S/L-erotus pääkäyminen S/L-erotus vierteen keitto jälkikäyminen pastörointi pakkaus

16. Mitä yksikköoperaatioissa tapahtuu? BjaE yksikköoperaatiot k-2014/ho • Siirretään tai vaihdetaan energiaa ja/tai ainetta lähinnä fysikaalisin keinoin, joissakin operaatioissa myös fysikaalis-kemiallisin keinoin • Perusilmiöt ovat: • Liikemäärän siirto (esim. nesteen virtaus, sekoitus, selkeytys) [momentum transfer] • Lämmönsiirto (esim. lämmitys/jäähdytys, kuivaus, haihdutus) [heat transfer] • Aineensiirto (esim. tislaus, absorptio, adsorptio, uutto, kalvo- suodatus [mass transfer] • Yksi tapa jaotella: • Mekaaniset yksikköoperaatiot • Termiset yksikköoperaatiot • Aineensiirto-operaatiot • Kemialliset yksikköoperaatiot

17. Lista yksikköoperaatioista BjaE yksikköoperaatiot k-2014/ho Fluidien virtaus Fluid flow Sekoitus Mixing, agitation Lämmönsiirto Heat transfer Haihdutus Evaporation Kuivaus Drying Tislaus Distillation Absorptio Absorption Kalvosuodatus Membrane separation, membrane filtration Neste-neste-uutto Liquid-liquid extraction Adsorptio Adsorption Neste-kiintoaine liotus Liquid-solid leaching Kiteytys Crystallization Mekaanis-fysikaaliset erotukset Mechanical-physical separations Koon pienennys Size reduction Solujen särkeminen Cell disruption, cell disintegration

18. Ainetaseet BjaE yksikköoperaatiot k-2014/ho • Perustana aineen häviämättömyyden laki: • Ainemäärä ei voi hävitä tai lisääntyä (paitsi ydinreaktioissa) • Esim. tasealueeseen (yksikköoperaatio tai laite, prosessin osa, prosessi) saapuvan aineen määrä = tasealueesta lähtevän aineen määrä + tasealueeseen akkumuloituva määrä • Yleisesti tase: sisään menevä + sisällä syntyvä = ulos tuleva + sisällä häviävä + sisällä varastoituva (kun esim. aineet reagoivat keskenään) • Tasapainotilassa olevassa (steady-state) operaatiossa ei tapahdu akkumuloitumista • Etene seuraavasti: • Piirrä prosessista tai operaatiosta lohkokaavio ja piirrä tasealueen rajat • Piirrä nuolilla saapuvat ja lähtevät ainevirrat ja nimeä ne sekä operaatio(t)/tapahtuma(t) • Kuvaa vaadittavalla tarkkuudella ainevirrat ja tasealueen/tasealueiden tapahtumat (esim. virtojen kokonaismäärät ja koostumukset) • Vähänkin laajemmat kokonaisuudet kannattaa tehdä esim. Excelillä

19. Ainetaseet/esimerkki 1 BjaE yksikköoperaatiot k-2014/ho • Mehun konsentrointi haihduttamalla 7 %:sta 56 %:ksi. Laimeaa mehua syötetään 1000 kg/h. Määritä ainetaseet. 1000 kg/h laimeaa mehua kuiva-ainepitoisuus 7,0 % kokonaisainetase: 1000 kg/h = X +Y kuiva-ainetase: 0,07x1000 kg/h = 0,56xY => Y=125 kg/h sijoitetaan Y:n arvo kokonaistaseyhtälöön: => X = 875 kg/h X kg/h vettä kuiva-ainepitoisuus 0,0 % Haihdutus Y kg/h mehukonsentraattia kuiva-ainepitoisuus 56,0 % (ratkaisun olisi saanut myös vesitaseesta – laadi se)

20. Ainetaseet/esimerkki 2 BjaE yksikköoperaatiot k-2014/ho • Prosessissa erotetaan suolayhdistettä kiteyttämällä. Haihduttimeen syötetään 1000 kg/h 20 p-% suolaliuosta. Haihduttimessa suolaliuos konsentroidaan 50 p-% liuokseksi, joka syötetään kiteyttimeen. Kiteyttimessä liuos jäähtyy ja muodostuu 96 p-% suolakiteitä (sis. 4 % vettä). Kiteet erotetaan ja jäljelle jäävä liuos on kylläinen suolan suhteen sisältäen 37,5 p-% suolaa. Tämä liuos palautetaan haihduttimeen. Laadi lohkokaavio ja laske palautus- ja tuotevirtojen suuruudet kg/h.

21. Ainetaseet/esimerkki 2 BjaE yksikköoperaatiot k-2014/ho Vesi X kg/h kiteet Z kg/h vesipit. 4 % Syöttö 1000 kg/h Suolapit. 20 % Haihdutin Kiteytin Y kg/h suolapit. 50 % palautus R kg/h suolapit. 37,5 %

22. Ainetaseet/esimerkki 2 BjaE yksikköoperaatiot k-2014/ho • Tasealue haihdutin kok.ainetase 1000 = X + Y vesitase 800 = X + 0,5*Y => Y = 400 kg/h => X = 600 kg/h 2. Tasealue kiteytin kok.ainetase 400 = Z + R suolatase 200 = 0,96*Z + 0,375*R => Z = 400 – R sijoitetaan suolataseyhtälöön => 200 = 0,96*(400 – R) + 0,375*R => R = 314,5 kg/h => Z = 400 – 314,5 = 85,5 kg/h uutta suolaliuosta voidaan syöttää prosessiin:1000 – 314,5 = 685,5 kg/h ja sen suolapitoisuus on n.12 % suolaa kiertää palautuksessa: 117,9 kg/h, mikä siis on n. 1,4 kertaa suolan tuotto kg/h haihturille liuos 20 %:na Esitä yhtälöt matriisimuodossa ja ratkaise niistä.

23. Energiataseet BjaE yksikköoperaatiot k-2014/ho • Perustana energian häviämättömyyden laki: • Energian määrä ei voi hävitä tai lisääntyä • Energia voi kyllä muuttaa muotoaan • Tasealueeseen saapuvan energian määrä = tasealueesta lähtevän energian määrä + tasealueeseen akkumuloituva energian määrä • Tasapainotilassa olevassa (steady-state) operaatiossa ei tapahdu akkumuloitumista • Energialla voi olla useita eri muotoja: • Sähköenergia • Kemiallinen energia (eli reaktion entalpian muutos, DH) • Kineettinen energia (käsitellään lähinnä virtaustekniikassa) • Potentiaalienergia (virtaustekniikkaa) • Lämpöenergia (käsitellään lähinnä lämmönsiirtotekniikassa)

24. Energiataseet BjaE yksikköoperaatiot k-2014/ho • Prosessitekniikassa yleensä sähköenergia, kineettinen energia (paitsi esim. putkivirtauksessa), potentiaalienergia (paitsi virtaustekniikka) ja työ voidaan jättää huomiotta tai niitä ei esiinny • Jäljelle jää siis: • Materiaalien energiasisällöt • Kemiallisten reaktioiden energia (siis DH) • Lisätty tai poistettu lämpömäärä • Lohkokaaviot ja taseyhtälöt laaditaan kuten ainetaseiden yhteydessä

25. Energiataseet/esimerkki 1 BjaE yksikköoperaatiot k-2014/ho • Fermentointiliuosta lämmitetään 30 oC:sta 70 oC:een kuuman veden avulla lämmönvaihtimessa (vastavirta). Liuosta syötetään 2000 kg/h. Lämmittävän veden lämpötila on 95 oC ja se poistuu lämmönvaihtimesta 85 oC:na. Liuoksen ominaislämpö cpL on 4,06 kJ/kg K. Veden ominaislämpö Cpw on 4,21 kJ/kg K. Oletetaan, ettei lämmönvaihtimessa ole lämpöhäviöitä. Laadi lohkokaavio ja energiatase. Ferm.liuos 2000 kg/h 30 oC Vesi X kg/h 85 oC Lämpöhäviöt/lisätty lämpö lämmönvaihdin Vesi X kg/h 95 oC Ferm. Liuos 2000 kg/h 70 oC

26. Energiataseet/esimerkki 1 BjaE yksikköoperaatiot k-2014/ho • Otetaan energialaskennassa referenssilämpötilaksi 25 oC (298 K) • Lämpöenergia = massa x ominaislämpö x (T – Tref) • Tasealue: lämmönvaihdin • Sisääntuleva energia (ferm.liuos sisään + vesi sisään): 2000 kg/h * 4,06 kJ/kg K * 5 K + X * 4,21 kJ/kg K * 70 K • Poistuva energia: 2000 kg/h * 4,06 kJ/kg K * 45 K + X * 4,21 kJ/kg K * 60 K • Tase: sisääntuleva = poistuva • 42,1 * X kJ/kg = 32,44 * 104 kJ/h • X = 7720 kg/h Sama tulos vielä yksinkertaisemmin ottamalla Tref = 30 oC (tässä oletettiin, että ominaislämmöt eivät riipu lämpötilasta)

27. Aine- ja energiataseet BjaE yksikköoperaatiot k-2014/ho • Haihduttimessa konsentroidaan sokeriliuosta. Syöttö on 10 000 kg/d 38 p-% sokeriliuosta ja tuotteen sokeripitoisuus on 74 p-%. Tee lohkokaavio ja ainetaseet (sokeri ja vesi). Laske tuotetun sokeriliuoksen (konsentraatti) ja poistetun veden määrät (kg/d). • Prosessissa tuotetaan hilloa murskatuista hedelmistä saadusta mehusta (liuk.ka. 14 p-%) lisäämällä liuokseen sokeria (1,22 kg/kg mehua) ja pektiiniä (0,0025 kg/1 kg mehua). Liuos haihdutetaan liuk.ka. 67 p-%. Laske tuotteen määrä, haihdutetun veden määrä sekä haihturille menevän liuoksen määrä, kun mehua oli 1000 kg. • 1000 kg puristettua mehua, joka sisältää 12,5 p-% kuiva-ainetta, siivilöidään ja saadaan 800 kg siivilöityä mehua ja 200 kg hedelmälihaa. Siivilöity mehu konsentroidaan haihduttamalla 58 p-% kuiva-ainepitoisuuteen. 200 kg hedelmälihaa sekoitetaan mehukonsetraattiin sekoittimessa, jolloin kuiva-aineeksi saadaan 42 p-%. Tee lohkokaavio ja laske taseiden avulla kuiva-ainepitoisuudet siivilöidyssä mehussa, hedelmälihassa ja lopputuotteessa (= hedelmäliha + mehukonsentraatti).

28. Solujen erotus BjaE yksikköoperaatiot k-2014/ho SolutyyppiKoko (µm)Tekniikka Kasvi 100x100 belt-suodatus Eläin 40x40 belt-suodatus Myseeli 1-10x100 belt/apuaine Hiiva 2-5x4-10 sentrif/apuaine Bakteeri 0,5-5x0,5-5 sentrif/apuaine/ kalvosuodatus Solulysaatti 0,1… esikäs.+suod. esikäs.+sentrif. kalvosuodatus

29. S/L-erotus (solid/liquid; neste/kiintoaine) BjaE yksikköoperaatiot k-2014/ho • Separaattorit, sentrifugit • Erotuskyky ja kapasiteetti = f(dp2, Dr, 1/h) • Stokesin lain mukaan: • Stokesin laki antaa partikkelin laskeutumisnopeuden maan vetovoi- makentässä (kappaleen kiihtyvyys a=g) • Separaattoreissa maan vetovoima korvataan keskipakoisvoiman ai- heuttamalla kiihtyvyydellä, joka ilmoitetaan g:n monikertoina (esim. 10 000xg) • Kiihtyvyys a = rw2 ; w =kulmanopeus = 2pN/60 (N: rpm) • Separaattorissa v = vgZ, jossa Z = rw2/g • Samoin kuin selkeytysaltaissa, separaattoreissa erotustila on jaettu osastoihin, siten että muodostuu ns. Disk stack (kymmeniä kartioita päällekkäin separaattorin akselin ympärillä)

30. S/L-erotus: separaattorit BjaE yksikköoperaatiot k-2014/ho • Kartioiden avulla lyhennetään erottumismatkaa olennaisesti • Erottuakseen suspensiosta partikkeli tarvitsee riittävästi aikaa ehtiäkseen kulkeutua ylemmän kartion alapinnalle ennen kevyen faasin poistokohtaa Putkiseparaattori Disk-stack separaattori

31. S/L-erotus: separaattorityypit BjaE yksikköoperaatiot k-2014/ho • Dekantterisentrifugit, suutinseparaattorit, solids-ejecting separaattorit, tubular bowl separaattorit

32. S/L-erotus: separaattorityypit BjaE yksikköoperaatiot k-2014/ho • Valintaperusteita: syötön kiintoainepitoisuus (vrt. kiintoaineen poisto) kiintoainepartikkelien koko (vrt. g-arvo) tuote (kirkastus vai kiintoaineen konsentrointi?) kiintoaineen konsentrointitarve (jatkokäsittelyn kustannukset) suljettavuus – aseptisuus (rakenne, SIP, CIP) kapasiteetti (…50 l/h … 300 000 l/h) • Suositut valmistajat Euroopassa: Alfa-Laval (Ruotsi) www.alfa-laval.com Westfalia (Saksa) www.westfaliaseparatorus.com Dekantterisentrifugi Kidelinko

33. S/L-erotus: separaattorityypit BjaE yksikköoperaatiot k-2014/ho

34. Keskipakoerotus BjaE yksikköoperaatiot k-2014/ho • Q on maksimikapasiteetti, jollakaikkidlim:stäsuuremmatpartikkelit (rp) erottuvatnesteestä (rl, h) separaattorilla (w, n, a, r1ja r2) • w = kulmanopeus [s-1] • n = kartioidenlukumäärä • a = kartioidenavautumiskulma • r1 =etäisyyspyörimisakselistakartionpäähän [m] • r2 = etäisyyspyörimisakselistaylitteenpoistokohtaan [m]

35. Keskipakoerotus BjaE yksikköoperaatiot k-2014/ho • Separaattorilla erotetaan bakteerisoluja (dp = 1 µm). Mikä on separaattorin maksimikapasiteetti, jos pyörimisnopeus on 7 200 rpm, kartiokulma 60 o ja ylitteen poistumiskohdan ja syöttökohdan etäisyydet pyörimisakselista ovat 30 cm ja 5 cm? Kartioiden lukumäärä on 50. Solujen ja ylitteen tiheydet ovat 1050 ja 1000 kg/m3. Flokkuloinnilla solut kasataan 10-kertaa suuremmiksi. Mikä on kapasiteetti tällöin? • Separaattorin pyörimisnopeus on 9 000 rpm ja sen pyörimissäde olkoon 10 cm. Määritä separaattorin g-arvo. Separaattorilla erotetaan soluja (halkaisija 3 µm ja tiheys 1050 kg/m3) liuoksesta (tiheys 1000 kg/m3 ja viskositeetti 1 cP=10-3 kg/ms). Erottumismatka on 1 mm ja separaattorin kartioiden välien yhteenlaskettu tilavuus (erotustila) on 0,5 litraa. Separaattori on suutintyyppiä, ja haluttu konsentrointikerroin syötöstä raskaaseen faasiin on 6. Määritä syötön, raskaan faasin sekä ylitteen tilavuusvirrat. Kaikkien solujen oletetaan erottuvan raskaaseen faasiin.

36. S/L-erotus: suodatus BjaE yksikköoperaatiot k-2014/ho • Suodatuksessa ajava voima (driving force) on paine-ero suodatinmateriaalin yli (Dp) • Kaksi periaatteellista tapaa toteuttaa: dead-end ja cross-flow –suodatus [cross-flow - eli tangentiaalisuodatusta käsitellään erikseen kalvosuodatuksen yhteydessä • Dead-end –suodatuksessa suodatettava suspensio ajetaan suodatinmateriaalille kohtisuoraan sitä vastaan; vaihtoehdot alipainesuodatus (vakuumisuodatus), ylipainesuodatus, painovoimainen suodatus ja sentrifugaalisuodatus • Cross-flow –suodatuksessa virtauksen suunta on suodatinmateri-aalin pinnan suuntainen • Suodatusta vastustavat suodatinmateriaali (vastus Rm) ja erityisesti dead-end –suodatuksessa suodatinmateriaalille pidättyvä kiintoaine eli kakku (vastus Rc) • Rm voi olla kutakuinkin ajasta riippumaton tai, jos materiaali likaantuu/tukkeutuu, sen arvo voi kasvaa suodatusajan funktiona

37. S/L-erotus: suodatus/kakku BjaE yksikköoperaatiot k-2014/ho • Rc = f(dp, e, s, Dp,…) dp kakun partikkelien koko • kakun huokoisuus s kakun kokoonpuristuvuus • Biotekniikassa kakut yleensä kokoonpuristuvia • Kokoonpuristuvuutta voidaan pyrkiä vähentämään: apuainekerroksen avulla (vakuumirumpusuodatus, precoat suodatus, precoat vacuum drum filtration) apuaineen syötöllä suodatettavan nesteen sekaan (body feed) suodatettavan nesteen esikäsittelyillä (esim. pH ja/tai T) lopettamalla fermentointi oikeaan aikaan mikrobikannan valinnalla • Nesteiden suodattuvuutta voidaan analysoida vakiopainesuodatuk-sella ja näin voidaan esim. selvittää kvantitatiivisesti upstream-teki-jöiden vaikutuksia (voidaan siis ”optimoida” upstreamia ja downstreamin alkupäätä (primaarierotusta) yhdessä)

38. S/L-erotus: suodatus/kakku BjaE yksikköoperaatiot k-2014/ho • Vakiopainesuodatuskokeilla voidaan määrittää spesifisen kakkuvastuksen (a) ja suodatinmateriaalin vastuksen (Rm) arvot (yhtälön perusteet luennolla) • Määritetään K:n ja B:n arvot graafisesti (K on kulmakerroin, B leikkauspiste y-akselilla) [käydään läpi tunnilla] • Kokoonpuristuvuus: kuvataan seuraavasti • Kakun perusominaisvastuksen (a0) ja kokoonpuristuvuuden (s) arvot saadaan taas graafisesti yo. suoralta eri paineissa suoritettujen suodatusten avulla c = kakkua muodostavan kiintoaineen määrä per suodostilavuus (kg/m3) h = suodoksen viskositeetti (kg/ms) A = suodatuspinta-ala (m2) DP= suodatuspaine (N/m2)

39. S/L-erotus: suodatus/esikäsittelyt BjaE yksikköoperaatiot k-2014/ho • Esikonsentrointi laskeuttamalla (sedimentaatio) • Flokkulointi = solujen kasaaminen yhteen kemikaalilisäyksen avulla; perustuu solujen negatiiviseen pintavaraukseen ja esim. Ca-ionien kykyyn ”ristisitoa” soluja ryppäiksi epäorgaaniset suolat (Ca-, Al-, Fe-, …) polyelektrolyytit (polyfosfaatit, polyakrylaatit, …) solut (esim. useat hiivat) flokkaantuvat luonnostaan sopivassa vaiheessa elämäänsä (vrt. pohjahiivaoluen valmistus); kantoja voidaan myös geneettisesti muokata ja saada flokkuloituimnen aikaan halutusti (esim. indusoinnin avulla) • Lämpökäsittelyt ja/tai pH-käsittelyt: solujen ja muunkin kiintoaineen aggregoituminen

40. S/L-erotus: suodatus/esikäsittelyt BjaE yksikköoperaatiot k-2014/ho (a)

41. S/L-erotus: suodatuslaitteet BjaE yksikköoperaatiot k-2014/ho

42. S/L-erotus: suodatuslaitteet BjaE yksikköoperaatiot k-2014/ho Automatic pressure filter (Larox PF)

43. S/L-erotus: suodatuslaitteet BjaE yksikköoperaatiot k-2014/ho Kynttiläsuodatin

44. S/L-erotus: suodatuslaitteet BjaE yksikköoperaatiot k-2014/ho Plate and frame filter (filter press)

45. S/L-erotus: suodatusapuaineet BjaE yksikköoperaatiot k-2014/ho Piimaalaatuja (diatomaceous earth, kieselguhr) eri suodatusasteilla ja –nopeuksilla

46. Suodatus BjaE yksikköoperaatiot k-2014/ho • Vakuumirumpusuodattimella, jonka rummun upotussyvyys on 20 %, suodatetaan lietettä. Suodattava paine-ero on vakio 60 kPa. Lietteen kiintoainepitoisuus on cx = 0,2 kg kia.* (kuivaa)/kg lietettä ja muodostuvan suodatuskakun kuiva-ainepitoisuus on 30 %. Suodos on ominaisuuksiltaan vettä (tiheys = 1000 kg/m3 ja dynaaminen viskositeetti = 0,001 kg/ms). Suodatuksen sykliaika on 180 s. Suodatuskakun ominaisvastus noudattaa yhtälöä a = 4 x 109 x (Dp)0,3 (yksiköt: a [m/kg], Dp [Pa]). • Laske vaadittava suodatuspinta-ala, jotta pystytään suodattamaan • 0,5 kg lietettä/s. • * kia. : kiintoaine (= liukenematon kuiva-aine eli liukenematon ka.)

47. Kalvosuodatus BjaE yksikköoperaatiot k-2014/ho • Membrane filtration; usein = cross-flow filtration = tangential filtration • Operaationa olennaista suodatus kalvomaisella materiaalilla, jonka huokos- koko tai pidättyvien komponenttien koko < 10 µm • Tekniikat: käänteisosmoosi, nanosuodatus, ultrasuodatus, mikrosuodatus sekä pervaporaatio ja elektrodialyysi • Tangentiaalisuodatus vs. dead-end suodatus (suodatettavan fluidin virtaus- suunta suhteessa suodattavaan pintaan; toisaalta mikrosuodatuksena voi- daan pitää myös dead-end suodatusta kalvomateriaalilla (lähinnä steriilisuo- datus tyypillisesti kalvomateriaalista valmistetuilla ns. patruuna-tyyppisillä suodattimilla; esim. elintarviketeollisuudessa myös suotopuristimilla käyttäen absoluuttisia (kalvo) tai kuitumaisia suodatuslevyjä/viiroja) • Kun virtaus on pinnan suuntaisesti, kakun muodostuminen pidättyvistä kom- ponenteista on olennaisesti vähäisempää kuin dead-end suodatuksessa; pyritään suureen virtausnopeuteen (turbulentit olosuhteet); eräs rajoittava tekijä on painehäviö (riippuu lineaarisesta virtausnopeudesta); kalvoilla ja kalvot sisältävillä teknisillä ratkaisuilla (=modulit) on omat paineensietoarvot

48. Kalvosuodatus BjaE yksikköoperaatiot k-2014/ho • Ajavana voimana yleensä paine-ero (Dp) suodattavan materiaalin yli; lähes aina ylipainesuodatus, jossa paine nostetaan pumpulla virtausta venttiilillä kuristaen; DpTM eli transmembrane pressure = paine-ero kalvon yli; käytetään haluttaessa varmistua, ettei sekoiteta painehäviöön modulissa (jolloin Dp = pin – pout) • Kalvosuodatustekniikoita käytetään sekä liukoisten että liukenemattomien komponenttien konsentrointiin tai suodosten tuottamiseen • Tangentiaalivirtaussuodatuksen terminologiaa: retentaatti pidättyvä/konsentroitunut virtaus permeaatti kalvon läpäissyt virtaus; suodos permeaattivuo permeaatin virtausnopeus per suodatuspinta- ala; l/m2h; kapasiteetin mitta retentio komponentin pidättyvyys transmissio komponentin läpäisevyys vesivuo permeaattivuo puhtaalla vedellä moduli laiteratkaisu, joka sisältää kalvot cut-off arvo kuvaa kalvon pidätysominaisuuksia diafiltraatio retentaattia ”huuhdotaan” esim. vedellä

49. Kalvosuodatus BjaE yksikköoperaatiot k-2014/ho • Tavallisimpia kalvomateriaaleja: Polymeerit: selluloosajohdannaiset (esim. selluloosa-asetaatti ja -nitraatti), polysulfonit (PS), polyeetteritsulfonit (PES), polypropeenit (PP), polyakrylonitriilit (PAN), fluoropolymeerit (FP), polyvinylidenefluoridi (PVDF) Epäorgaaniset: alumiinioksidi (Al2O3), zirkoniumoksidi (ZrO2), titaanidioksidi (TiO2), hiili, teräs • Kalvorakenteen mukaan jaottelu: symmetriset ja asymmetriset kalvot; tyy- pillinen asymmetrinen kalvo koostuu tukimateriaalista, jonka pinnalle on liimattu ohut varsinainen suodattava kalvo (eli membraani); Symmetrisessä kalvossa käytetään samaa materiaalia sisäpinnasta ulko- pintaan – usein kuitenkin huokosko kasvaa sisältä ulospäin mentäessä • Bio- ja elintarviketekniikassa käsitellään lähinnä vesiliuoksia/ suspensioita => hydrofiilinen kalvomateriaali edullista (vuon kannalta sekä hydrofobisten vaikutusten vähentämiseksi)

50. Kalvosuodatus/kalvomateriaalien kesto BjaE yksikköoperaatiot k-2014/ho * TFC: thin film composite • Lisäksi huomioitava esim. hydrolyyttisten entsyymien vaikutus materiaaliin (sellulaasit  selluloosajohdannaiset