絮凝 是一種基本過程，用於促進液體或溶液中小顆粒的聚集以形成更大的團簇，稱為絮凝體。
這個過程通常是通過添加稱為絮凝劑的特殊化學物質來實現的，這些化學物質用於促進顆粒聚集並幫助顆粒的碰撞和附著。絮凝在許多工業和自然系統中都很重要，可以將固體與液體分離，並凈化水和其他液體。
絮凝和凝結有什麼區別？
絮凝和混凝是兩個經常一起用於去除雜質和污染物的過程。
混凝涉及將稱為混凝劑的化學物質添加到水、緩衝劑或溶劑中，這些化學物質會破壞顆粒的穩定性並導致它們聚集在一起。這個過程通常涉及產生被稱為「絮凝體」的顆粒，但更準確地說是聚集體。通過沉澱或過濾，骨料更容易與可溶性成分（通常是水）分離。
絮凝作用將凝結過程中產生的這些較小的聚集體結合成更大的聚集體，稱為“絮凝體”。 這個過程通常是通過添加絮凝劑來實現的，絮凝劑是促進 顆粒團聚的特殊化學物質。
從本質上講，凝結是顆粒聚集的第一步，而絮凝是後續步驟，可產生更大且更易於去除的團聚絮凝體。這兩種工藝對於去除水或其他可溶性來源中的雜質和污染物都至關重要。
第 1 步：凝血
混凝劑是一種用於促進懸浮在液體中的細顆粒聚集或聚集在一起的試劑。混凝是一種化學過程，涉及添加混凝劑以中和分散顆粒的電荷。小的亞微米生物和化學分子通常帶有負表面電荷，阻礙聚集和沉降 （1a）。
混凝劑化學物質可以吸附在顆粒上並中和負電荷。中和（有時滴定至酸性 pH 值）使顆粒粘在一起，從而形成穩定且懸浮良好的亞微米混凝劑顆粒，稱為微絮凝體 （1b）。
需要快速混合才能適當分散混凝劑化學物質，以促進顆粒碰撞和團塊形成 （1c）。連接的顆粒仍然很小，肉眼看不見。
為什麼絮凝很重要？
在工業中的應用
生物製藥
完整的、高活力的哺乳動物細胞 由於其大小和分佈而通常易於過濾。 然而，來自細菌和酵母系統的 微生物細胞具有更小的單體細胞單元。微生物細胞或哺乳動物細胞的生物量負擔低， 中位顆粒尺寸小，會產生大量小細胞碎片，從而堵塞篩檢程式並減慢過濾速率。絮凝用於減少顆粒總數，同時增加粒徑分佈，從而改善過濾並確保 細胞材料與上清液的高效且具有成本效益的分離。如果細胞培養產生多種產物和/或副產物，這些 產物和/或副產物在發酵基質的不同細胞結構或微環境中表達，也可以應用絮凝。示例包括膜結合、膜間空間或上清液表達，以及吸附在聚合物上甚至多相捕獲的產物，例如乳液。
水和 廢水處理
廢水中可能含有大量的懸浮顆粒物，通常需要很長時間才能沉澱。絮凝水處理可加快沉澱速度，確保高效的固液分離。大量用過的水可以快速處理，通過減少用過的水儲存所需的時間和空間，最大限度地減少對環境的影響。
紙漿和造紙
纖維素纖維是紙漿和紙張中的主要成分之一，但它也需要膠水、浸漬劑和填料才能達到可接受的紙製品所需的片材性能。在脫水過程中 經常使用絮凝法 ，以確保固體材料快速分離並可以大量生產，以結合纖維、填料和其他添加劑。
貴金屬開採
產品流通常包含各種不同的金屬，需要分離這些金屬才能獲得純凈的產品。單個金屬的選擇性沉澱通常伴隨著絮凝和沉澱，以確保與剩餘液體的快速分離。
高效絮凝工藝的關鍵考慮因素
工藝參數和下游性能
絮凝是一項重要的單元操作，需要開發和優化才能高效運行。關鍵考慮因素和工藝參數包括：
- 絮凝劑或混凝劑的種類和濃度
- 混合強度、剪切應力和混合時間
- 加葯速率、位置和溫度
- 固體濃度
- 粒徑和粒數
- 下游性能分析：
- 絮凝的完整性（動力學）
- 固體去除的處理時間和工作量
- 液相純度（包括殘留絮凝劑的測量）
- 過濾能力和效率
- 濾膜突破碎屑或副產物
絮凝中的液體
絮凝劑、緩衝劑和表面活性劑
絮凝劑添加
絮凝主要由添加的化學試劑的類型和劑量驅動，以引發混凝和顆粒絮凝。輔助驅動因素包括更傳統的物理參數（例如，混合、溫度等）。液體絮凝劑穩定性、混合動力學、均勻性和最終濃度的表徵在工藝表徵過程中與在更明顯的顆粒工程目標（例如， 粒度分佈和計數）中同樣重要。添加的絮凝劑或賦形劑還應表徵其對絮凝結果的影響，以及工藝動力學和監管意義。
原位ATR-FTIR 和 拉曼光譜 是強大的多屬性方法，可以同時實時跟蹤和定量多種絮凝劑或賦形劑。將這些光譜數據與有關顆粒分佈和動力學的信息相結合，可以幫助確定所需的理想且通常是最少的絮凝劑量，從而最大限度地減少下游去除的負擔。緩衝液和表面活性劑也可以被精確地即時表徵和控制。
絮凝劑去除
在工藝中加入絮凝的決定伴隨著對下游要求的重大權衡，即完全去除添加的絮凝劑、表面活性劑或工藝中間體。這種要求通常會導致工藝時間增加，並且需要額外的分析方法來量化或驗證是否添加任何加工輔料。因此，盡量減少絮凝劑、混凝劑、表面活性劑或其他組分的添加量是有利的。
當 ATR-FTIR 光譜 或 拉曼光譜 等在線方法在色譜前後集成時，還可以確定產物、絮凝劑和賦形劑的定量傳質測量。這可以作為離線分析方法的潛在補充。
瞭解粒子機制
絮凝和破損
原位粒度分佈工具 使科學家能夠跟蹤各個粒度類別的趨勢，並實時觀察在穩態下攪拌的顆粒的行為 。 當加入絮凝劑時，細粒數量明顯下降，大絮凝數量急劇增加。最終，攪拌器的剪切力將開始破壞絮凝體。大顆粒計數將 減少，小顆粒計數將再次增加。
瞭解絮凝顆粒機理有助於確定工藝性能欠佳、下游生產挑戰和產品不合格的根本原因。獲得詳細的 原位 顆粒數據是有效工藝優化、 品質源於設計 （QbD） 和高效製造的第一步。
混合強度和剪切力
絮凝體斷裂動力學
絮凝需要輕柔的攪拌。由於每種絮凝體類型具有不同的強度，因此瞭解特定絮凝體系統的轉速範圍是否溫和非常重要。原位粒徑分佈工具可以深入了解當絮凝體以不同速度產生和攪拌時，小粒徑類別如何變化。快速攪拌可破壞 絮凝體，細粉數量可以增加到與絮凝前幾乎相同的水準 。緩慢攪拌可使大多數絮凝體完好無損。來自 原位 粒度分析儀 的圖像支援這些發現，並在低轉速下顯示更大的絮凝體。
混合強度和剪切優化是防止絮凝體破裂的成功策略。應避免破壞絮凝體，因為它破壞了絮凝的目的並增加了過濾時間。在最佳絮凝點，過濾速率和濾餅脫水最快。 任何偏離這一點 都會影響運營、產品品質和製造成本。
混合區停留時間 （MZRT）
理想的視窗
在各種行業中，絮凝過程以間歇或連續模式運行，使用動態或靜態混合器。兩種模式下的關鍵工藝參數之一是混合區停留時間（MZRT）。在這種情況下，最佳絮凝點位於絮凝劑注入后 1：38 min。
通過使用 原位粒度分析儀，該工具表明絮凝體已經完全發育，絮凝體破碎即將成為主要過程。我們還可以看到 各個尺寸等級的趨勢，可視化最佳絮凝點，並定義小顆粒數量達到可接受最小值的 MZRT 視窗。
在MZRT視窗外操作意味著絮凝體尚未完全形成，或者絮凝體破裂已經影響絮凝體尺寸和最佳工藝性能。這兩種情況都是次優的，因為遊離小顆粒數量很多，只有MZRT視窗才能確保所需的產品和工藝性能。每個顆粒/絮凝劑系統的 MZRT 視窗都不同，需要根據懸浮液成分、混合強度和絮凝劑類型進行調整。
如何選擇最好的絮凝劑？
絮凝劑篩選
化工企業不斷開發具有改進絮凝性能的新型和創新絮凝劑。然而，並非每種絮凝劑都適用於每種顆粒系統。在特定系統中測試和確認性能將確保使用最佳的絮凝劑。粒度分析儀 顯示：
- 絮凝劑A 表現出較弱的絮凝性能，幾乎無法減少體系中小顆粒的數量。
- 絮凝劑B 可捕獲大量小顆粒。但絮凝動力學緩慢，絮凝破碎率高於最佳絮凝點。
- 絮凝劑 C 表現出良好的整體性能，具有快速的絮凝動力學、幾乎完全捕獲細粉以及超出最佳絮凝點的令人印象深刻的絮凝穩定性。
原位粒度分析儀 可以實時監測不同絮凝劑的絮凝性能。這使科學家和工程師能夠在絮凝劑選擇和絮凝工藝優化過程中做出基於事實的決策。
用於絮凝工藝優化的儀器
- PVM® 粒度分析儀 — 研究絮凝體的形成、生長和穩定性
- FBRM® 粒度分析儀 — 研究不同絮凝劑和工藝條件對絮凝體大小、形狀和結構的影響
- 自動化化學合成反應器 ——精確控制各種工藝參數，如溫度、pH值、混合強度和絮凝劑的添加速率
- 工藝開發軟體、建模和模擬 — 預測不同工藝條件下絮凝體的大小、形狀和沉降速度
特色應用： 連續絮凝 – Antibody Harvest
過程反饋和正交分析
在實現完全連續和集成的產品系列之前，必須開發高效、靈活且具有成本效益的連續細胞去除方法。作者描述了這種集成式連續和一次性裝置的開發和測試，用於通過絮凝結合深層過濾進行細胞分離。
在加入0.0375% pDADMAC后，在線進行ParticleTrack測量，並定位在管式反應器的出口處（靜態混合）。ParticleTrack （FBRM） 監測絮凝體大小，當與時間分辨壓力疊加時，可指示篩檢程式飽和度的方法和壓力事件的趨勢。評估的各種方法和絮凝劑類型導致了總原料葯產量、純度和高分子量指數 （HMWI） 的不同結果。這些結果還顯示出與所選絮凝體類型導致的不同粒徑分佈的相關性。
該數據建立在先前出版物的基礎上，這些出版物顯示了與其他絮凝參數的相關性，例如絮凝試劑濃度、混合力或剪切力、混合共振時間、溫度以及全細胞肉湯的起始條件和組成。通過使用絮凝，與傳統的過濾系統相比，所需的深度過濾面積成功地減少了 4 倍，而 ParticleTrack （FBRM） 非常適合實現連續抗體收集。
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應用
引文和參考文獻
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