Nghiên cứu và mô phỏng quá trình phân tách bằng sắc ký điều chế

- NGUYỄN NGỌC MAI VƯƠNG GIA HẢI Nghiên cứu và mô phỏng quá trình phân tách bằng sắc kí điều chế CÔNG NGHỆ CƠ KHÍ LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ CƠ KHÍ Người hướng dẫn: Ts.
- 11 CHƯƠNG 1 ĐẠI CƯƠNG VỀ SẮC KÝ VÀ SẮC KÝ ĐIỀU CHẾ.
- 13 1.1 Lịch sử phát triển của sắc ký.
- 13 1.2 Nguyên lý phân tách bằng sắc ký.
- 19 1.3 Phân loại sắc ký điều chế.
- 20 1.4 Nguyên lý làm việc của sắc ký điều chế.
- 22 1.4.1 Sắc ký lớp tĩnh.
- 22 1.4.2 Sắc ký liên tục kiểu quay.
- 22 1.4.3 Sắc ký có lớp chuyển động thực.
- 23 1.4.4 Sắc ký giả chuyển động.
- 23 1.5 Lựa chọn pha tĩnh và pha động.
- 24 1.5.2 Pha động.
- 26 1.5.2.3 Lựa chọn pha động.
- 26 1.6 Ứng dụng sắc ký điều chế.
- 32 CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH TOÁN CỦA SẮC KÝ ĐIỀU CHẾ.
- 48 2.3.3 Hệ số phân tán biểu kiến.
- 56 CHƯƠNG 3 ỨNG DỤNG SẮC KÝ ĐIỀU CHẾ ĐỂ PHÂN TÁCH FRUCTOSE VÀ GLUCOSE.
- 60 3.2.1.4 Ứng dụng.
- 63 3.3.2.4 Ứng dụng.
- 66 3.3.2 Pha động.
- 73 4.4 Hệ số phân tán dọc trục.
- 77 4.6 Mô phỏng cột sắc ký sử dụng phần mềm Presto.
- 78 4.7.2 Ảnh hưởng của hệ số khuếch tán Dap.
- 91 - 4 - LỜI CAM ĐOAN Bản luận văn thạc sỹ Chuyên ngành Kỹ thuật Hóa học với đề tài: “Nghiên cứu và mô phỏng quá trình phân tách bằng sắc ký điều chế” được hoàn thành dưới sự hướng dẫn của TS.
- Hà Nội, ngày 26 tháng 03 năm 2011 Người viết Nguyễn Ngọc Mai Danh mục các ký hiệu - 6 - DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Ký hiệu Latin A M Hệ số khuếch tán xoáy trong biểu thức Van Deemter Acol m2 Diện tích mặt cắt ngang của cột B m2/min Hệ số khuếch tán dọc trục trong biểu thức Van Deemter C min Trở lực trao đổi chất trong biểu thức Van Deemter ci mol/l Nồng độ Da - Hệ số Damkoiler Dap,i m2/min Hệ số phân tán biểu kiến Dax,i m2/min Hệ số phân tán dọc trục dcol M Đường kính cột dp M Đường kính hạt vật liệu F - Tỉ lệ pha G kJ/mol Năng lượng Gibbs H kJ/mol Entanpy HETP M Chiều cao quy đổi đơn vị một đĩa lý thuyết Ki - Hằng số Henry k′i - Hệ số dung lượng L M Chiều dài cột Nc - Số cấu tử Ni - Số đĩa lý thuyết ni mol Số mol Danh mục các ký hiệu - 7 - P qi N/m2 mol/l Áp suất Nồng độ trong pha tĩnh PRi mol/(l min) Năng suất Re - Chuẩn số Reynolds S kJ/(mol K) Entropy t min Thời gian u m/min Vận tốc tuyến tính .V m3/min Lưu lượng Vcol m3 Thể tích của cột Vint m3 Thể tích giữa các hạt Vs m3 Thể tích của pha rắn Vsolid m3 Thể tích các hạt rắn w0,5 M Chiều rộng nửa đáy pic sắc ký Ký hiệu Hi Lạp α - Hệ số tách β min-1 Hệ số trao đổi chất β’ min-1 Hệ số trao đổi chất biểu kiến ε - Độ xốp ngoài εp - Độ xốp trong εt - Độ xốp tổng µ Ns/m2 Độ nhớt động học ρ kg/m3 Khối lượng riêng Danh mục các bảng - 8 - DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 1.1 Các mốc thời gian phát triển của sắc ký lỏng điều chế.
- 10 Bảng 1.2 So sánh giữa sắc ký điều chế và sắc ký phân tích.
- 88 Danh mục các hình vẽ -9- DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1 Sự phát triển của sắc ký điều chế trong một thế kỷ.
- 16 Hình 1.2 Nguyên lý của sắc ký lớp tĩnh.
- 22 Hình 1.3 Nguyên lý của sắc ký quay liên tục.
- 23 Hình 1.4 Nguyên lý của mô hình sắc ký có lớp chuyển động thực.
- 23 Hình 1.5 Nguyên lý của mô hình sắc ký giả chuyển động.
- 24 Hình 1.6 Thời gian của một chu trình 31 Hình 2.1 Phân loại các mô hình được sử dụng trong sắc ký lớp tĩnh.
- 34 Hình 2.2 Mô hình toán cột sắc ký.
- 37 Hình 2.3 Cấu trúc của các hạt nhồi cột.
- 41 Hình 2.4 Ảnh hưởng của mô hình đẳng nhiệt lên hình dạng pic sắc ký.
- 44 Hình 2.5 Giản đồ sắc ký của ba cấu tử.
- 46 Hình 2.6 Tối ưu của pic rửa giải.
- 50 Hình 2.7 Hình ảnh pic sắc ký.
- 52 Hình 2.8 Mối quan hệ giữa chiều cao của một đĩa H và tốc độ tuyến tính của pha động u.
- 55 Hình 3.1 Hệ thống quá trình làm giàu fructose sử dụng nhựa trao đổi ion Dowex 99.
- 67 Hình 3.2 Sự phụ thuộc độ nhớt của glucose vào nồng độ.
- Đường cong mô phỏng quá trình phân tách hỗn hợp glucose – fructose Hình 4.6.
- Kết quả thực nghiệm quá trình phân tách hỗn hợp glucose – fructose Hình 4.7.
- Ảnh hưởng của hệ số phân tán tới nồng độ và thời gian của glucose Hình 4.10.
- Ảnh hưởng của hệ số phân tán tới nồng độ và thời gian của fructose Hình 4.11.
- 85 Hình 4.12.
- Ảnh hưởng của chiều dài cột đến quá trình phân tách của glucose 86 Hình 4.13.
- Ảnh hưởng của chiều dài cột đến quá trình phân tách của glucose 86 Hình 4.14.
- Đường cong mô phỏng quá trình phân tách fructose – glucose với chiều dài cột sắc ký L = 90 cm Hình 4.15.
- Đường cong mô phỏng quá trình phân tách fructose – glucose với chiều dài cột sắc ký L = 2250 cm Hình 4.16.
- Ảnh hưởng của thời gian tiêm mẫu đến hình dạng pic sắc ký của glucose Hình 4.17.
- Ảnh hưởng thời gian tiêm mẫu đến hình dạng pic sắc ký của fructose Mở đầu - 11 - MỞ ĐẦU Sắc ký điều chế là một kỹ thuật phân tách tiên tiến, được ứng dụng để tách hoặc làm tinh khiết các cấu tử có giá trị cao, hoặc các cặp đồng phân quang học khó tách bằng các phương pháp khác.
- Kỹ thuật sắc ký điều chế được ứng dụng rất rộng rãi ở quy mô công nghiệp trong kỹ thuật dược phẩm, hóa học, sinh học, môi trường… 9 Trong công nghiệp dược phẩm: Chiết tách, tổng hợp và bán tổng hợp các hợp chất có hoạt tính sinh học (kháng khuẩn, kháng virus, chống oxi hóa, hỗ trợ điều trị bệnh tiểu đường, ngăn chặn ung thư…) từ nguồn nguyên liệu thực vật, đặc biệt một số họ thực vật đã được sử dụng rộng rãi trong Y học cổ truyền như họ Na, họ Mãng cầu, họ Thầu dầu, họ Gừng, Ngũ Gia bì, đu đủ… 9 Trong công nghệ sinh học, chế biến thực phẩm: Ngày nay các chế phẩm enzyme được sản xuất càng nhiều và được sử dụng trong hầu hết trong các lĩnh vực như: chế biến thực phẩm, nông nghiệp, chăn nuôi, y tế.
- Ứng dụng của sắc ký điều chế trong việc nghiên cứu cải tiến phương pháp tách và tinh chế enzyme nhằm thu được chế phẩm có độ tinh khiết cao.
- Sắc ký là phương pháp tách, phân ly, phân tích các chất dựa vào sự phân bố khác nhau của các chất giữa hai pha động và pha tĩnh.
- Có nhiều nguyên nhân đưa đến sự phân bố khác nhau của các chất, nhưng chính sự lặp đi lặp lại hiện tượng hấp phụ - nhả hấp phụ của các chất khi dòng pha động chuyển động qua pha tĩnh là nguyên nhân chủ yếu của việc tách sắc ký.
- Tuy nhiên ở Việt Nam hiện nay vẫn không có nhiều ứng dụng của sắc ký điều chế do những hạn chế về sự hiểu biết cũng như phương tiện nghiên cứu.
- Vì vậy mục đích của bản luận văn là giới thiệu một cách khái quát các khái niệm cơ bản, nguyên Mở đầu - 12 - lý làm việc và ứng dụng của sắc ký điều chế.
- Trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết phân tách bằng kỹ thuật sắc ký, từ đó tiến hành xây dựng mô hình toán để mô phỏng quá trình tách hệ 2 cấu tử trong cột sắc ký làm việc bán liên tục.
- Hai cấu tử được lựa chọn cho quá trình mô phỏng là glucose và fructose.
- Glucose và frutose là hai monosaccarit thường gặp, nhưng đường fructose có độ ngọt lớn hơn glucose nên được sử dụng rất nhiều trong các ngành công nghiệp nước giải khát, thực phẩm… Việc nghiên cứu và mô phỏng quá trình phân tách bằng sắc ký điều chế sẽ là cơ sở để điều khiển và tối ưu các thông số công nghệ của quá trình trong thực tế mà không mất nhiều thời gian và tiền bạc.
- Bản luận văn thạc sỹ với đề tài là: “Nghiên cứu và mô phỏng quá trình phân tách bằng sắc ký điều chế” Trong đó gồm các phần chính sau.
- Chương 1: Đại cương về sắc ký và sắc ký điều chế.
- Chương 2: Mô hình toán của sắc ký điều chế.
- Chương 3: Ứng dụng sắc ký điều chế phân tách fructose và glucose.
- Chương 4: Mô phỏng quá trình tách fructose và glucose.
- Đại cương về sắc ký và sắc ký điều chế - 13 - CHƯƠNG 1 ĐẠI CƯƠNG VỀ SẮC KÝ VÀ SẮC KÝ ĐIỀU CHẾ 1.1 Lịch sử phát triển của sắc ký Nhà thực vật học người Nga Mikhail Semyonovich Twsett phát minh ra kĩ thuật sắc ký vào năm 1903 khi ông đang nghiên cứu về chlorophyll.
- Chữ sắc trong sắc ký có nghĩa là màu.
- Tên này vẫn tiếp tục được dùng dù các phương pháp hiện đại không còn liên quan đến màu sắc nữa.
- Những năm sau đó, phương pháp sắc ký của Twsett không được nhiều người nghiên cứu và ứng dụng.
- Phải đến 25 năm sau phương pháp của Twsett mới được tham khảo và ứng dụng nhiều.
- Trong lịch sử phát triển của sắc ký lỏng thì điều đáng quan tâm nhất đó là ứng dụng sắc ký lỏng vào việc phân tách các chất.
- Lịch sử phát triển của sắc ký được thể hiện bởi các công trình nghiên cứu của các nhà khoa học xuất sắc như Ramsay, Langmuir, Berl và Schmidt, Kuhn, Martin và Synge, Cremer…cũng như công trình nghiên cứu nổi tiếng của các nhà khoa học Wintermeier, S.
- Vì vậy, phải mất hơn một thập kỷ, trước khi Kuhn và Lederer tại Đại cương về sắc ký và sắc ký điều chế - 14 - Heidelberg áp dụng phương pháp tiếp cận của Twsett để tách carotinoid trong những năm cuối thập niên 1920.
- Trong phương pháp sắc ký cổ điển, cột sắc ký thường là những ống thủy tinh đường kính d = 0,5 – 5 cm và có độ dài l cm nạp đầy chất hấp phụ và pha động.
- Trong phương pháp rửa đẩy hoặc rửa giải, trong quá trình cho dung dịch rửa chạy qua cột sẽ xảy ra sự phân ly, tách các cấu tử.
- Người ta thu thập dung dịch thoát chạy ra khỏi cột trong từng khoảng thời gian xác định, tiến hành phân tích nồng độ các cấu tử bằng các phương pháp thích hợp và xây dựng đồ thị hệ tọa độ: nồng độ cấu tử, nghiên cứu C – thể tích dung dịch thoát V (đồ thị C - V).
- Ngày nay nhờ có các cải tiến về thiết bị như dạng cột, cách nạp mẫu, chất hấp phụ…người ta đã nhận được các kết quả phân tích có độ nhạy, độ chọn lọc cao hơn và được gọi là phương pháp sắc ký lỏng có hiệu quả cao.
- Đây là một trong các phương pháp phân tích chính để phân tích các chất hữu cơ.
- Đến tận cuối chiến tranh Thế giới lần thứ 2, các nghiên cứu cơ bản của sắc ký khí (Gas Chromatography - GC) mới được ứng dụng.
- Sắc ký khí đã trở thành một phương pháp tách hiệu quả trong phân tích hỗn hợp hydrocarbon thu được từ phần dầu khí.
- Trong sắc ký khí pha động là chất khí hoặc hơi.
- Tùy thuộc vào trạng thái pha tĩnh mà người ta phân biệt: sắc ký hấp phụ khi pha tĩnh là chất hấp phụ rắn, sắc ký khí – lỏng khi pha tĩnh là chất lỏng hay chính xác hơn là màng mỏng chất lỏng trên bề mặt chất mang rắn.
- Phương pháp sắc ký khí được áp dụng để tách và phân tích các hỗn hợp khí khá phổ biến và có hiệu quả.
- Phương pháp sắc ký khí được áp dụng để xác định thành phần các thành phẩm, trong nghiên cứu hóa lý và một số phạm vi khác.
- Người ta thường dùng phương pháp sắc ký khí để phân tích các sản phẩm dầu mỏ, khí mỏ, không khí, các sản phẩm khí trong công nghiệp hóa học, các khí thải…Người ta cũng dùng phương pháp sắc ký khí để phân tích các đồng vị của vài nguyên tố.
- Phương pháp này được dùng phổ biến trong các ngành hóa sinh, y, công nghệ thực phẩm, trong kỹ thuật chế biến gỗ, trong quá trình nhiệt độ Đại cương về sắc ký và sắc ký điều chế - 15 - cao…Ngày nay, người ta đã chế tạo các thiết bị sắc ký khí kết hợp khối phổ, máy tính điện tử, nhờ đó nâng cao được độ nhạy, độ chính xác cũng như có thể tự động hóa quá trình phân tách các sản phẩm tự nhiên và công nghệ, sản phẩm sinh học.
- Tiếp đó là sự phát triển của sắc ký lớp mỏng (Thin Layer Chromatography - TLC) vào giữa thập niên 1950.
- Về bản chất, đây là hệ sắc ký lỏng – rắn mà pha tĩnh rắn được trải thành lớp mỏng trên bản kính, nhựa hay kim loại.
- Dung môi này đóng vai trò như pha động trong sắc ký hấp phụ lỏng – rắn.
- Sự khuếch tán các cấu tử trong lớp hấp phụ vừa theo chiều dọc vừa theo chiều ngang vì vậy có thể xem quá trình sắc ký thực hiện theo hai chiều.
- Vì các đặc điểm kỹ thuật trên đây mà phương pháp sắc ký lớp mỏng còn có các tên gọi khác như phương pháp giọt, phương pháp sắc ký dải, phương pháp sắc ký bề mặt, phương pháp sắc ký cột mở.
- Phương pháp sắc ký lớp mỏng được ứng dụng để phân tích định tính, định lượng các hợp chất vô cơ cũng như hữu cơ.
- Ưu điểm cơ bản của phương pháp sắc ký lớp mỏng là thiết bị đơn giản, thời gian phân tích không kéo dài, việc tách các cấu tử có thể thực hiện khá dễ dàng.
- Giữa năm 1950 và 1960, phương pháp loại trừ bằng kích thước (Size Exclusion Chromatography - SEC) đã trở nên phổ biến trên hai lĩnh vực: các phân đoạn của các loại polyme tổng hợp (gel thấm sắc ký), và trong việc giải quyết polyme sinh học (biopolymers), như gelfiltration (lọc kiểu gel).
- Những tiến bộ thực sự của sắc ký lỏng hiệu năng cao (High-Performance Liquid Chromatography - HPLC) bắt đầu trong thời gian cuối thập niên 1960 khi các hạt xốp nhỏ đã có sẵn.
- Bước đột phá của kỹ thuật Đại cương về sắc ký và sắc ký điều chế - 16 - HPLC xuất hiện vào giữa những năm 1970 khi cột nhồi silica pha đảo được thương mại hóa mà vật liệu này mang các nhóm liên kết lên bề mặt.
- Một trong những phát minh mới nhất tận dụng đặc tính nhiệt động lực học của chất lỏng siêu tới hạn và công nghệ HPLC – được gọi là sắc ký lỏng siêu tới hạn Supercritical Fluid Chromatography (SFC).
- Cuối cùng, như là một sự kết hợp giữa sắc ký và áp lực điều khiển điện di mao mạch, sắc ký điện di mao quản (Capillary Electrochromatography - CEC) đã nổi lên trong thập kỷ qua.
- Sự phát triển của sắc ký trong một thế kỷ Sự phát triển nhanh chóng của cột HPLC là kết quả của ba thành tựu khoa học

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt