En lang række industrielle processer involverer partikler suspenderet i vand. Ved at anvende partikelanalyser som basis for en grundlæggende systemforståelse er det muligt at optimere processerne og opnå et større udbytte.
Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 3, 2008. Teksten kan desuden læses uden illustrationer, strukturer og ligninger herunder. Se relaterede artikler nederst på siden.
Af Thomas Lundgaard, Trine-Maria Damgaard og Mikael Poulsen
Mælks hvide farve skyldes at den indeholder nanopartikler af protein suspenderet i vand. Den negative overfladeladning af partiklerne gør at de indbyrdes frastøder hinanden og forbliver suspenderet. Hvis man hælder lidt syre i mælken ændres partiklernes overfladeladning, så de ikke længere frastøder hinanden og derfor begynder at aggregere og bundfælde – mælken skiller.
En lang række industrielle systemer og processer involverer, ligesom mælk, partikler suspenderet i vand, fx fremstilling af papir og maling, slamhåndtering, olieproduktion, fødevareproduktion og enzymproduktion. Styringen af disse industrielle processer er ofte baseret på erfaringer og simple målinger som fx pH, ledningsevne eller turbiditet. Ved at måle på de parametre, der relevante for systemforståelsen – de parametre, der er knyttet til partiklerne i suspensionen, opnås en bedre forståelse af processerne. Den forbedrede systemforståelse giver mulighed for at forbedre styringen, målrette proceskontrollen, lave cost-effektiv kemikaliedosering og mindske spild.
Den praktiske implementering i processerne af fx online styring kræver robuste styringsparametre, og simple karakteriseringer er derfor at foretrække. Således er suspenderet stof, pH og ledningsevne at foretrække frem for online ladningsforbrug og partikelstørrelse. Som illustreret i figur 1 er løsningen derfor, at mere avancerede partikelanalyser anvendes i forståelsesopbygningsfasen, hvor der etableres en statistisk model baseret på simple parametre. I den reelle implementering baseres styringen herefter på disse simple parametre.
Fremtidens partikellaboratorium er en realitet
I partikellaboratoriet i Center for Kemi- og Vandteknik på Teknologisk Institut arbejdes der med at udnytte avancerede teknikker til partikelkarakterisering til optimering af industrielle systemer i en række forskellige brancher. Partikellaboratoriet rummer udstyr, der kan måle både små og store partiklers størrelse og molekylevægt, fordeling, ladning, kemiske sammensætning og overfladekarakteristika (se afsnittet; Partikelanalyser). Ved at sammenholde partiklernes størrelsesfordeling, overfladeladning mv. med procesparametre er det muligt at identificere kritiske styringsparametre og optimere processen. For eksempel giver partikelstørrelsesmålinger på stivelse, der undergår kemisk modifikation et fingerpeg om, hvordan og hvor hurtigt processen forløber (se figur 2). Denne viden kan anvendes til at identificere de kritiske parametre for processen.
Partiklernes kemiske sammensætning kan bestemmes med Raman mikroskopi og/eller Røntgenteknikker.
På Teknologisk Institut tages udgangspunkt i en 3-trins model til at identificere og implementere kritiske styringsparametre:
· Identificering af gældende sammenhænge via afprøvning af metoder i et forsimplet modelsystem
· Verifikation i produktionssystemet med efterfølgende tilpasning til systemets vilkår
· Implementering af løsning i form af styringsstrategi, procesoptimering eller lignende
Denne model har blandt andet været anvendt til optimering af processer til enzymproduktion.
Optimering af separationstrin ved oprensning af enzymprodukter
Industriel enzymproduktion foregår typisk ved batchvis opdyrkning af genetisk modificerede mikroorganismer, der producerer enzym. En udfordring i den forbindelse er oprensningen af det færdige enzymprodukt fra denne væske, der foruden enzymproduktet indeholder både levende og delvist nedbrudte mikroorganismer, substratrester som protein og kulhydrat samt salte. Alle disse komponenter er suspenderet i procesvandet og i forbindelse med oprensningen af enzymproduktet er der således to udfordringer: At separere produktet fra de andre komponenter samt at sikre tilstrækkelig afvanding af det resterende slam.
Under reelle procesforhold spiller naturlige variationer en væsentlig rolle. Derfor er der behov for løbende at kunne justere kemikaliedoseringen, for at fastholde en effektiv og økonomisk rentabel proces. Ved at analysere partikelstørrelsesfordelinger og ladningsforhold i samspil med traditionelle fysisk/kemiske karakteriseringer er det muligt at belyse mekanismerne i konditionerings- og separationsprocesserne. Denne viden kan klarlægge hvordan processerne kan optimeres og hvilke online processtyringsredskaber, der med fordel kan anvendes.
I figur 3 vises partiklernes overfladeladning (zetapotentiale) og en procesparameter (slamvolumen) som funktion af tilsat flokkuleringspolymer. Der er en klar sammenhæng mellem partiklernes overfladeladning og det resulterende slamvolumen. Analyser af partiklernes overfladeladning kan således anvendes til at forudsige den optimale dosering af flokkuleringspolymeren. Det er muligt at implementere en online måling af zetapotential. Alternativt kan den forbedre systemforståelse gøre det muligt et etablere en korrelation til mere simple procesparametre, som dermed kan anvendes som styringsværktøj.
Mange muligheder
Eksemplet med optimering af separationsprocesser i forbindelse med enzymproduktion er én af en række cases, hvor partikelanalyser har dannet basis for en bedre forståelse og dermed en bedre styring af industrielle processer, som involverer partikler suspenderet i vand. Som nævnt findes disse systemer i mange forskellige brancher. Selv om det umiddelbart kan være svært at se ligheder mellem offshore olieudvinding og fødevareproduktion er værktøjerne til at forstå systemerne de samme.
Figur 1. Avancerede partikelanalyser anvendes til at opbygge en bedre forståelse af det industrielle system. Systemforståelsen anvendes dernæst til at identificere kritiske styringsparametre, som kan håndteres med mere simple (online) målinger.
Figur 2. Partikelstørrelsesfordelinger af stivelseskorn suspenderet i vand målt med laser diffraktion. Den blå kurve er partikelstørrelsesfordelingen for oprindelig (nativ) stivelse, den grønne kurve er partikelstørrelsesfordelingen efter modifikation ved reaktion med trimetaphosphat (Na3P3O9), som krydsbinder stivelsen. Indsat et mikroskopibillede af stivelseskorn.
Figur 3. Overfladeladning af partiklerne (zetapotential) og slamvolumen som funktion af tilsat flokkuleringspolymer. Slamvolumet falder når overfladeladningen neutraliseres som følge af polymerdosering. Indsat mikroskopibilleder af procesvæsken før og efter polymertilsætning.
