4. EREDMÉNYEK ÉS ÉRTÉKELÉSÜK
4.1. A hagyományos elektrodialízis rendszer működési paramétereinek vizsgálata
4.2.1. Polarizációs görbék felvétele a kisméretű, kombinált elektrodialízis
Az elektrolízist elkerülendő ennél a modulnál is felvettem a feszültség-áramerősség függvényeket (4.2.1.-4.2.4. ábra), különböző koncentrációjú (recirkuláltatott) elektróda oldatokkal (0,01 mol/l; 0,05 mol/l; 0,1 mol/l és 0,5 mol/l Na2SO4), azonos koncentrációjú (0,05 mol/l) híg galakturonát oldatokkal.
4.2.1. ábra: Polarizációs görbe 0,01 mol/l koncentrációjú Na2SO4 elektróda oldat esetén
68 Alacsony feszültség (1-1,5 V-ig) esetén a feszültség növelése nem okoz áramerősség növekedést (1. szakasz), mert a befektetett energia a bipoláris membrán átalakulási fázisából eltávolítja az esetlegesen jelen lévő egyéb ionokat, illetve az átalakulási fázisban elindítja a víz disszociációját.
4.2.2ábra: Polarizációs görbe 0,05 mol/l koncentrációjú Na2SO4 elektróda oldat esetén
Ha 1,5 V-nál nagyobb feszültséget létesítünk a két elektróda között, az áramerősség növekedését tapasztaljuk (2. szakasz). Magasabb koncentrációjú elektróda oldatot alkalmazva, a második szakaszban meredekebb görbéket kapunk (az összehasonlíthatóság érdekében az ábrákon megadtam e szakaszokra fektetett egyenesek egyenletét), mert a Na ionok magasabb koncentrációja elősegíti az elektromos áram szállítását.
69
4.2.3. ábra: Polarizációs görbe 0,1 mol/l koncentrációjú Na2SO4 elektróda oldat esetén
4.2.4. ábra: Polarizációs görbe 0,5 mol/l koncentrációjú Na2SO4 elektróda oldat esetén
A méréstartomány felső határánál, 9-10 V körül nem kívánatos jelenségek (gázképződés) léptek fel, tehát ezt a készüléket is ezen érték alatt célszerű működtetni.
További kísérleteim során az elérhető magasabb áramerősség miatt a 0,5 mol/l Na2SO4 koncentrációjú elektróda oldattal dolgoztam.
70 4.2.2. Modell oldatokkal végzett kísérletek a ED rendszerben
A rendszert először három, különböző koncentrációjú (10 g/l; 20 g/l; 30 g/l) Na-Gat kiindulási oldattal vizsgáltam szakaszos üzemmódban. A mérésekhez 5 V feszültséget választottam, a korábban bemutatott hagyományos modulhoz hasonlóan.
Az idő függvényében ábrázolt, a modulon átfolyó áramot eltérő koncentrációjú modell oldatok esetén a 4.2.5. ábra mutatja állandó, 5 V feszültségű méréseknél.
Megfigyelhető, hogy az áramerősség elér egy maximumot az elektrodialízis kezdeti szakaszában, ez 10 g/l Gat koncentrációjú kiinduló oldat esetén 0,05 A, 20 g/l Na-Gat modell oldatnál 0,056 A, míg a legmagasabb koncentrációnál 0,06 A volt, majd a folyamat során az áramerősség állandó maradt. Ennek az a magyarázata, hogy a bipoláris membránban végbemenő vízbontás miatt, mindig van szabad ”proton” a rendszerben, ami a sav oldatban képes szállítani az elektromos áramot, míg a lúg és elektróda oldatokban a Na ionok alkalmasak az elektromos áram szállítására feszültség-gradiens esetén.
4.2.5. ábra: A modulon átfolyó áramerősség eltérő koncentrációjú modell oldatoknál
Az áramerősség alapján meghatározott energiafelhasználást a 4.2.6. ábra mutatja. A legtöbb energiát a 30 g/l Na-Gat koncentrációjú oldat szeparációjához használtam fel,
71 5,36 Wh-t. Látható, hogy magasabb értékeket kaptam, mint monopoláris membránokkal végzett elektrodialízis során, mert a befektetett munka jelentős hányada a vízbontásra fordítódik.
4,74
5,14
5,36
4,4 4,5 4,6 4,7 4,8 4,9 5 5,1 5,2 5,3 5,4 5,5
energiafelhasználás (Wh)
10 g Na-Gat/ l 20 g Na-Gat/ l 30 g Na-Gat/l
4.2.6. ábra: A mérések során felhasznált energia
A 20 g/l Na-Gat koncentrációjú modell oldattal végzett mérésnél (U = 5 V) kapott vezetőképességi adatok a sav, lúg és elektróda oldatokban a 4.2.7. ábrán láthatók. A sav és a lúg oldatokban a vezetőképesség a 250. percnél érte el a minimum és maximum értékeit, tehát a 2450 µS-t és 14240 µS-t. Látható, hogy az elektróda oldatban kezdetben csökken a vezetőképesség: az elektróda oldatból több Na+ vándorol át a lúg oldatba, mint a sav oldatból az elektróda oldatba, mert a lúg és elektróda oldat között nagyobb a koncentrációkülönbség.
72
4.2.7. ábra: A vezetőképesség változása a mérés során
A sav és a lúg oldatban az elektrodialízis során mért pH értékeket a 4.2.8. ábra mutatja a 20 g/l koncentrációjú Na-Gat modell oldattal végzett mérésnél. Látható, hogy a sav oldatban csökkent, a lúg oldatban nőtt a pH – az előzetes várakozásoknak megfelelően.
4.2.8. ábra: A pH változása az idő függvényében a sav és lúg oldatban
73 Az ED rendszer által elért teljesítményt esetünkben a sóeltávolítás mértékével lehetne jellemezni. A sótalanítási hatásfok többféle módon számítható, pl.
megjeleníthető az anion illetve a kation eltávolítására külön-külön is. Az adott szeparációs művelet során legtöbbször a pH és a vezetőképességi adatokat használják – az egyes komponensek konkrét koncentrációjának meghatározásán túl – a sótalanítás jellemzésére. A pH érték alakulása sokszor inkább csak a kvalitatív leírásra alkalmas, a vezetőképesség ennél pontosabb képet adhat.
A 20 g/l Na-Gat koncentrációjú kiindulási modell oldat sótalanításánál a sav és a lúg oldat pH értékének alakulása nyomán elmondható, hogy a sótalanítás jó hatásfokkal végbement, hiszen a sav oldalon beállt a galakturonsav oldatra jellemző 3 körüli pH érték.
A sav oldat vezetőképességi adatainak értékeléséhez külön megmértem a tiszta, 20 g/l-s galakturonsav vezetőképességét, ami 2100 µS-nek adódott. Végső értékként 2450 µS-t, kiinduláskor 8050 µS-t mértem. A teljes sótalanításhoz tehát 8050 – 2100 = 5950 µS vezetőképesség csökkenés lenne szükséges, de esetünkben csak 8050 – 2450 = 5600 µS csökkenést mértünk. A maximális értékhez viszonyítva így azt állapíthatjuk meg az adatok alapján, hogy a sótalanítási hatásfok 94,1 %-nak vehető.
A többi modell oldat esetén is hasonló értékeket kaptunk (10 g/l-nél – 95,6 %, míg 30 g/l-nél – 93,4 %).
A méréseink megbízhatóságát is figyelembe véve nagy biztonsággal tehát azt mondhatjuk, hogy 90 % feletti sótalanítást tudtunk elérni, ami igen jónak mondható.
4.2.3. Hidrolizátum (cukorrépa pektin) szeparációja
A modelloldatokkal végzett mérést követően a hagyományos ED rendszerrel előzetesen kinyert/elválasztott cukorrépa pektin hidrolizátum szeparációját folytattam, ahol 15,4 g/l Na-Gat volt a kiindulási koncentráció (redukáló cukor méréssel meghatározva). A mérést 5 V feszültségen hajtottam végre 0,5 mol/l koncentrációjú Na2SO4 elektróda oldattal. A kapott áramerősség értékek a 4.2.9. ábrán láthatók. A görbe lefutása a modell oldatokkal megegyezik, de alacsonyabb értékeket mutat: a maximális áramerősség 0,039 A volt. A folyamat során 4,64 Wh energiát használtam fel.
74
4.2.9. ábra: Az áramerősség változása a mérés során
A sav és a lúg oldat vezetőképességének időbeli alakulását a 4.2.10. ábra mutatja. A sav oldatban a vezetőképesség érékének minimumát a 380. percben értem el, a 850 µS-t, míg a lúg oldatban mért maximum 7130 µS volt a 373. percben.
4.2.10. ábra: A vezetőképesség alakulása a lúg és sav oldatban
A pH értékek változása a sav és lúg oldatban a 4.2.11. ábrán látható. A lúg oldatban a keletkező NaOH miatt 11,04 pH-t mértem a folyamat végén, míg a sav oldatban 3,82 pH-t főként a képződő galakturonsav miatt.
75
4.2.11. ábra: A pH változása a sav és lúg oldatban
A sav oldat kiinduló és végső pH és vezetőképességi adatai alapján a hidrolizátumra is jó hatásfokú sótalanítás állapítható meg, azonban a kvantitatív értékelést igen bizonytalanná teszi – mind a pH-t (puffer hatás), mind a vezetőképességet befolyásoló – az egyéb anyagok, ionok jelenléte.
Összefoglalásként elmondható, hogy kísérleteink alapján e két laborméretű ED berendezés – mint kétlépcsős rendszer – alkalmasnak bizonyult pektin tartalmú hidrolizátumokból történő galakturonsav kinyerésére, sótalanítására szakaszos üzemmódban. (Sőt a térfogati viszonyok változtatásával valószínűleg a koncentrálására is alkalmazható.) Munkánk során fő célunk a rendszer működőképességének vizsgálata volt, nem a készülék, a membránok, vagy az anyagtranszport…stb. mélyebb tanulmányozása. Ily módon e kisméretű készülékekben nyert eredményeink előzetes tapasztalatként szolgáltak egy méretnövelt, kereskedelmi forgalomból beszerzett ED berendezés működtetéséhez.
76 4.3. A méretnövelt, komplex elektrodialízis rendszer működési paramétereinek vizsgálata
A méretnövelt, komplex rendszer kation-, anionszelektív és bipoláris membránokat tartalmazott. Az elektrodialízis során a betáplált (diluátum) oldatból a negatív töltésű galakturonát az anód felé mozog az anionszelektív membránon keresztül a sav oldatba, ahol galakturonsav képződik. A Na ion a katód felé mozog a kationszelektív membránon át a lúg oldatba, ahol NaOH-ot képez. A komplex ED rendszer alkalmas a kation (Na ion) és az anion (Gat) elválasztására, illetve ezzel párhuzamosan a sav- (GS) és lúgképzésre (NaOH), vagyis a hagyományos két lépcsős folyamatot egy lépcsőben tudja megvalósítani.
4.3.1. Polarizációs görbék felvétele a méretnövelt, komplex elektrodialízis rendszerben
Az elektrodialízis során alkalmazható maximális áramerősségről a polarizációs görbék szolgálnak információval. 0,05 mol/l, 0,1 mol/l, 0,5 mol/l és 1 mol/l koncentrációjú Na2SO4 elektróda-oldatokkal végeztem (recirkuláció mellett) az elektrodialízist a feszültség folyamatos növelésével, az ehhez tartozó áramerősség értékeket rögzítette a számítógépes program.
A felvett feszültség-áramerősség görbéken (4.3.1. ábra) három tartomány figyelhető meg.
Alacsony feszültség esetén az áramerősség nem, vagy csak kissé emelkedik, ahogyan az a hagyományos ED rendszernél is megfigyelhető volt. A polarizációs görbéken ez a tartomány kb. 4-5 V-ig tart. A feszültségesés ebben a szakaszban vízbomlásra, valamint a bipoláris membrán átalakulási rétegében jelen levő disszociált víz- és egyéb ionok szállítására fordítódik.
A második szakaszban a növekvő feszültség növekvő áramerősséget eredményez. A 0,05 mol/l koncentrációjú elektróda oldatnál ez a szakasz 28 V-ig, 0,1 mol/l koncentrációjú oldatnál 30 V-ig, 1 mol/l koncentrációjú oldatnál 26 V-ig tartott. A 0,1 mol/l Na2SO4 oldat esetén a vizsgált tartományban, tehát 36 V-ig nem érte el a harmadik szakaszt a polarizációs görbe. Megfigyelhető, hogy minél magasabb koncentrációjú oldatot alkalmaztam, annál kisebb volt ez a tartomány.
77
Elmondható, hogy bipoláris elektrodialízis esetén a polarizációs görbék karakterisztikáját döntően a bipoláris membránok viselkedése határozza meg.
0
4.3.1. ábra: Polarizációs görbe eltérő koncentrációjú elektróda oldatok esetén
A polarizációs görbék alapján a 0,1 mol/l Na2SO4 elektróda oldattal végeztem a további méréseket a komplex ED rendszerben.
4.3.2. Modell oldatokkal végzett kísérletek a méretnövelt ED rendszerben
A komplex ED rendszert 20 g/l kiindulási koncentrációjú Na-Gat diluátum oldatokkal teszteltem. A kísérleteket állandó feszültségen: 12 V-on, 24 V-on és 36 V-on végeztem, 0,1 mol/l Na2SO4 elektróda oldattal szakaszos üzemmódban. Mivel a hidrolizátumok galakturonát tartalma várhatóan nem lesz 20 g/l-nél nagyobb, ezért ezt a
78 rendszert csak a 20 g/l koncentrációjú modell oldattal vizsgáltuk (erős korlátot jelentett itt a GA rendkívül magas ára), s ezt követően rögtön rátértünk a hidrolizátumok tanulmányozására.
A galakturonát ionok és protonok a sav oldatban galakturonsavat képeztek, melynek koncentrációja az idő függvényében a 4.3.2. ábrán látható. A 12 V-os és 24 V-os méréseknél kinyerési hányadnak 93,3%-ot és 94,6 %-ot mértem, míg 36 V esetén 89,9
%-ot.
A diluátum oldatban mért vezetőképesség (4.3.3. ábra) alapján a 36 V-os mérésnél a 13. percben, a 24 V-os mérésnél a 36. percben, míg a 12 V-os mérésnél a 102. percben csökkent a vezetőképesség 100 µS alá. Összehasonlítva a sav oldatban mért koncentráció értékekkel látható, hogy a vezetőképesség gyorsabban elérte a minimum értékét, mint a koncentráció a maximumát, mert az anionszelektív membránban lassabb az ionok vándorlása, mint az azt körülvevő oldatban (koncentráció polarizáció jelensége).
4.3.2. ábra: A galakturonsav koncentrációja a sav oldatban
79
4.3.3. ábra: A vezetőképesség alakulása a diluátum oldatban
A sav oldatban mért pH érték (4.3.4. ábra) kezdetben gyorsan csökkent, a 36 V-os mérésnél a 6. percben elérte a 2,42-es értéket. A pH esés a generált protonoktól és képződött galakturonsavtól függ. A protonok ionmobilitásuk miatt gyorsabban eljutnak az átalakulási rétegből a sav oldatba, mint a diluátumból a galakturonát ionok. Az elektrodialízis kezdeti szakaszában a protonok okozzák a gyors pH csökkenést, majd a növekvő pH mutatja, hogy több galakturonsav képződik, mint amennyi proton jut a sav oldatba. Alacsonyabb feszültség alkalmazása esetén a pH alacsonyabb lesz, mert a galakturonát ionok transzportja lassabb. A 12 V-on végzett mérésnél a pH minimum sav oldatban a 33. percben 2,25 volt.
A sav oldat vezetőképessége (4.3.5. ábra) ezzel szemben az elektrodialízis kezdetén nő: a 36 V-on és 24 V-on végzett mérésnél a vezetőképesség maximumát akkor mértem, amikor a sav oldat elérte a pH minimumot, tehát a 6. (6035 µS) és 13. percben (3482 µS). A növekedést a nagyobb feszültség hatására keletkező több szabad proton és hidroxil ion okozza, amelyek a sav és lúg oldatban az elektromos áram szállítást segítik.
Amint a sav oldatban egy bizonyos határt átlép a galakturonsav koncentrációja (a végkonc. kb 10 %-a), növeli az oldat ellenállását, a vezetőképesség csökkenni kezd és egy állandó érték, 2200 µS közelébe beáll. 12 V-on végzett mérésnél a sav oldatbeli vezetőképesség lassabban érte el a 2200 µS-t és nem látható a grafikonon olyan éles maximum pont, mint a másik két mérésnél. Alacsonyabb feszültség esetén a vízdisszociáció is lassabb, ez okozza a kevésbé intenzív növekedést.
80
2 2,5 3 3,5 4 4,5
0 50 100 150
idő (min)
pH
12 V 24 V 36 V
4.3.4. ábra: A pH változása a sav oldatban
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000
0 50 100 150
idő (min)
vezetőképesség (µS)
12V 24V 36V
4.3.5. ábra: A vezetőképesség alakulása a sav oldatban
A lúg oldatban mért vezetőképesség (4.3.6. ábra) lefutása a sav oldatban mért vezetőképesség lefutásával ellentétes: a membránon átvándorolt hidroxil ionok hatására kezdetben nő, majd elérve egy maximum értéket, enyhén csökkenni kezd. A maximum értékeket később értem el, mint a sav oldatban, aminek az a magyarázata, hogy az oxóniumionok ionmobilitása 1,76-szer magasabb, mint a hidroxil ionoké.
81
0 5000 10000 15000 20000 25000
0 50 100 150
idő (min)
vezetőképesség (µS)
12V 24 V 36V
4.3.6. ábra: A vezetőképesség változása a lúg oldatban
Az áramkihasználást vizsgálva megállapítható (4.3.7. ábra), hogy a 36 V-os mérésnél az áramkihasználás átlagos értéke volt a legmagasabb 65,04 %, a 12 V-os mérés esetén is hasonló eredményt kaptam 63,3 %-ot, míg 24 V-on csak 53,5 %-ot.
4.3.7. ábra: Az áramkihasználás értékei
Az elektrodialízisnél számított energiafelhasználási értékek a 4.3.8. ábrán láthatók.
82
4.3.8. ábra: Energiafelhasználási értékek
E mérések eredményeit kiértékelve azt a következtetést vonhatjuk le, hogy a berendezést 36 V-on célszerű működtetni, mivel – bár a kinyerési hányad némileg kisebb értéknek adódott, mint alacsonyabb feszültségeken, de – itt a leggyorsabb a szeparációs folyamat és a legnagyobb az áramkihasználás értéke.
83 4.3.3. Hidrolizátumokkal végzett mérések a komplex ED rendszerben
A modell oldattal végzett kísérleteket követően először töményebb pektin oldatokból előállított hidrolizátumokkal teszteltem az ED berendezést. A cukorrépa-szeletből kinyert és a citrusból származó pektinből kiindulva így nagyobb koncentrációjú galakturonát oldatokat kaptam, amelyekkel – úgy gondoltam – egyszerűbb feladat lesz az ED szeparáció. Itt ugyanis a nagyobb kiinduló koncentrációk miatt a folyamatok is erőteljesebbek, jobban nyomon követhetők.
Citrus pektinből 39 g/l, míg cukorrépa pektinből 15 g/l galakturonát koncentrációjú hidrolizátumot állítottunk elő. A hidrolizátumok elektrodialízisét 36 V feszültség mellett, 0,1 mol/l Na2SO4 elektróda oldat alkalmazásával szakaszos üzemmódban végeztük. Az elektrodialízis során nyert, a sav oldatban mért galakturonsav koncentráció időbeli lefutása citrus pektin hidrolizátum esetén – példaként – a 4.3.9. ábrán látható.
4.3.9. ábra: A galakturonsav koncentrációjának alakulása a sav oldatban citrus pektin esetén
A 4.3.1. táblázatban a két hidrolizátumra vonatkozó paramétereket összegeztük. Az adatokból jól látszik, hogy a 20 g/l-es galakturonát modell oldathoz képest itt gyengébb kinyerési hatásfokokat és áramkihasználási értékeket kaptunk, de összességében elmondható, hogy az ED berendezés megfelelően működött, s ki tudtuk nyerni a hidrolizátumból a galakturonsavat.
84
4.3.1. táblázat: A hidrolizátumok elektrodialízisénél kapott paraméterek
cukorrépa pektin hidrolizátumok elektrodialízisét vizsgáltam. Ezek az oldatok jobban közelítenek a várható ipari felhasználási gyakorlathoz, ahol – elképzeléseink szerint – a mezőgazdasági hulladékokból (cukorrépa préselt szelet, gyümölcsök préslepénye…stb.) a pektin extrakciós kinyerését követően rögtön hidrolizáljuk az oldatot, amelynek galakturonsav tartalma így meglehetősen csekély lesz (maximum 1 % körül).
A hígabb hidrolizátumokat piros ribizli, fekete ribizli, alma, citrus és cukorrépa (szeletből) pektinből nyertem, s ezekkel hajtottam végre a méréseket a méretnövelt, komplex ED rendszerben állandó, 36 V-os feszültségen. Az alkalmazott elektróda oldat 0,1 mol/l Na2SO4 volt.
A hidrolizátumok (diluátum oldatok) kezdeti galakturonsav koncentrációja HPLC-vel végzett mérések alapján fekete ribizli esetén 5,5 g/l, piros ribizli esetén 5,6 g/l, alma esetén 3,7 g/l, citrus esetén 11,9 g/l és natúr cukorrépalénél 4,3 g/l volt.
A kinyerési hányadokat (4.3.10. ábra) összehasonlítva a 20 g Na-Gat/l modell oldattal (U=36 V) megállapítható, hogy a gyümölcspektin hidrolizátumok közül a legmagasabb kinyerési hányadot a citrus pektin esetén értem el, 82,3 ot, ami 7,6 %-kal alacsonyabb a modell oldathoz képest. A citrus pektin hidrolizátumhoz hasonló értéket kaptam alma pektin hidrolizátum esetén, amikor is ez az arány 79,6 % lett, míg piros ribizli esetén csak 54,8 %-os kinyerési hányadot értem el, ami a legalacsonyabb hányad lett a többi eredménnyel összevetve.
Az elektrodialízis végén nemcsak a sav oldatban, hanem kis mennyiségben a lúg oldatban is ki tudtam mutatni redukáló cukortartalmat fekete ribizlinél 0,15 g GS/l, piros ribizlinél 0,15 g GS/l, almánál 0,11 g GS/l, citrusnál 0,43 g GS/ l és cukorrépa esetén 0,14 g GS/l koncentrációban.
85
4.3.10. ábra: Kinyerési hányadok
Az elektrodialízis folyamán rögzített adatok alapján, az áramkihasználások átlagos értéke (4.3.11. ábra) modell oldat esetében kétszer nagyobb volt, mint az azt követő legmagasabb, citrus pektin hidrolizátumnál (32,6 %) mért áramkihasználás. A többi művelet folyamán az áramkihasználások 17,2 % és 21,5 %-ok között mozogtak.
4.3.11. ábra: Átlagos áramkihasználás
A 4.3.12. ábrán az elektrodialízis során felhasznált energiát ábrázoltam.
Hidrolizátumok esetén kb. hatszor nagyobb energiabefektetés szükséges az ionok szállításához és a vízbontáshoz, mint modell oldat esetén. A hidrolizátumok közül citrus pektin esetén kaptam a legalacsonyabb értéket, 10,9 Wh-t, míg a legmagasabbat a natúr cukorrépalénél mértem, 12,2 Wh-t, míg fekete és piros ribizli, valamint alma pektin hidrolizátumoknál 11,8 Wh, 11,6 Wh és 11,2 Wh értékeket számoltam.
86
4.3.12. ábra: Az elektrodialízis során felhasznált energia
Az elektrodialízis során nyert sav oldat GS-ra vonatkozó tisztaságának ellenőrzését HPLC méréssel vizsgáltam. Meghatároztam a citrus pektinből nyert, előkészített hidrolizátum és az elektrodialízis végén kapott sav oldat összetételét. Az eredményeket a 4.3.2. táblázat mutatja.
4.3.2. táblázat: A hidrolizátum és sav oldat szacharid összetétele
galakturonsav
részlegesen hidrolizált
pektin
pektin glükóz/galaktóz egyéb monoszacharid citrus pektin
hidrolizátum 76 % 2,4 % 3 % 8,2 % 10,4 %
sav oldat 98 % 2,0 % - - -
A hidrolizátum a galakturonsav mellett pektint, részlegesen hidrolizált pektint, glükózt/galaktózt, ramnózt, arabinózt és mannózt tartalmazott. A sav oldatban kb. 98 % tisztaságú galakturonsavat tudtam kinyerni vizes oldatban. Tehát az egylépéses ED művelet – a kinyerésen túl – egy tisztítási lépésnek is tekinthető, hiszen a Na galakturonát mellől sikerült eltávolítanunk a szennyező anyagokat (főként monoszacharidokat).
87 4.4. Az ED rendszerek összehasonlítása
Kísérleteim bebizonyították, hogy a laborméretű, kétlépcsős és a méretnövelt, komplex ED berendezéssel egyaránt képes voltam a galakturonsav kinyerésére a pektin hidrolizátumból és sav formátumban történő előállítására. A két rendszer összehasonlításával, az eredmények elemzésével egy további lépés tehető az ipari alkalmazás felé vezető úton.
A 4.4.1. és 4.4.2 táblázatban a két ED rendszer felépítését és működési paramétereit foglaltam össze.
4.4.1 táblázat: A laborméretű, kétlépcsős ED rendszer jellemzői
Jellemzők hagyományos aszimmetrikus ED bipoláris membránnal kombinálva Membránok 3 kation szelektív
2 anion szelektív
2 kation szelektív 1 bipoláris
Membrán felület 0,0225 m2 0,0135 m2
Oldatok térfogata betáp (diluátum): 100 ml koncentrátum: 150 ml Végső eredmény Na-galakturonátban gazdag
koncentrátum oldat
galakturonsav és NaOH oldat
88
4.4.2. táblázat: A méretnövelt, komplex ED rendszer jellemzői
Jellemzők méretnövelt komplex modul
Membránok 10 anion szelektív, 11 kation szelektív, 10 bipoláris Membrán felület 0.31 m2
Oldatok térfogata betáp (diluátum): 400 ml sav: 400 ml lúg: 450 ml Recirkulációs térfogatáram 380 ml/min
Elektróda oldat 500 ml 0,1 mol/l Na2SO4
Recirkulációs térfogatáram 500 ml/min
Feszültség 36 V
Folyamatok a galakturonát anionok és a Na kationok áthaladnak a membránon, sav- és lúgképződés
Végső eredmény a galakturonsav kinyerése és sótalanítása egy lépésben: sav és lúg oldat képződése
A két ED rendszernél az alkalmazott bruttó feszültség adatok nagymértékben eltértek, ami nem meglepő, ha felépítésüket és méretüket is figyelembe vesszük. A membrán egységekre („stack”) vonatkoztatott feszültség értékek, illetve a beépített membránok számához viszonyított értékek (4.4.3. táblázat) egymáshoz viszonylag közel esnek, ami alapján kijelenthető, hogy – ezeket a fajlagos értékeket rendszer szintű jellemző paraméternek tekintve – az ED rendszerek összehasonlíthatók egymással.
89
4.4.3. táblázat: Az ED rendszerek fajlagos feszültség értékei
két-lépcsős labor ED rendszer Méretnövelt komplex ED rendszer
aszimmetrikus ED bipoláris modul
bruttó feszültség 5 V 5 V 36 V
membrán egységre (stack)
vonatkoztatott feszültség
2,5 V 2,5 V 3 V
membránokra vonatkoztatott feszültség
1,0 V 1,6 V 1,16 V
E két ED rendszert tanulmányoztuk tehát munkánk keretében, s modell oldatokkal illetve pektin hidrolizátumokkal teszteltük működésüket. A kísérletek során nyert legfontosabb mérési eredményeket – kifejezetten összehasonlítási céllal – a 4.4.3.
táblázatban foglaltam össze.
A táblázat először a modell oldatoknál kapott mérési eredményeket mutatja, majd a hidrolizátumoknál nyert adatokat. A jobb összehasonlítás céljából a hasonló betáplálási koncentrációknál mért eredményeket válogattam össze.
Látható, hogy a méretnövelt berendezés kevesebb energia felhasználásával több galakturonsavat volt képes előállítani, tehát hatékonyabban működött.
A kísérletek végső eredményeként kapott galakturonsav oldatokból számított össztermék mennyiségeket a felhasznált energiára (a két-lépcsős rendszernél a két lépésnél felhasznált energiát összeadtuk) vonatkoztatva kiszámítottuk, hogy a modell oldatok esetén 1 Wh energia a labor rendszernél 0,26 g, míg a méretnövelt rendszernél 1,1 g terméket eredményezett.
90
4.4.4. táblázat: A két ED rendszerrel nyert eredmények összehasonlítása
két-lépcsős labor ED rendszer Méretnövelt komplex ED tapasztaltunk, ami nem meglepő, hiszen a tiszta, szennyeződésektől mentes modell oldatoknál nem kell semmilyen zavaró körülménnyel, a hatásfokot rontó tényezővel számolni.
A hidrolizátumokat tekintve látható, hogy a cukorrépa esetén nagyobb hidrolizátum koncentrációt alkalmaztunk a laboratóriumi berendezésnél, hiszen a második, sótalanítási lépésnél az itt nyert Na-Gat oldattal kellett tovább dolgoznunk. A sótalanítást jó hatékonysággal tudtuk a kis modullal elvégezni.
A méretnövelt, komplex modullal a szeparációt (kinyerés, sótalanítás) egy lépésben
91 lehetett megvalósítani. Bár az energia felhasználási értékek jóval magasabbak a nagy modulnál és az áram-kihasználtsági mutatók is rosszabbak, mint a labor berendezésnél,
91 lehetett megvalósítani. Bár az energia felhasználási értékek jóval magasabbak a nagy modulnál és az áram-kihasználtsági mutatók is rosszabbak, mint a labor berendezésnél,