Az Escherichia coli XL1-BLUE törzzsel megvalósított biohidrogén-fermentáció vizsgálata során egyre inkább előtérbe került a folyamatos működtetés kihívása. Ehhez a képződő gázelegy kinyerése mellett a H2/CO2 elválasztást kellett megoldanunk, ahol egy UBE NM-B01A kompozit, poliimid anyagú gázszeparációs membránt teszteltünk először egykomponensű (tiszta) gázokkal, majd kétkomponensű gázelegyekkel.

 

 

Látható, hogy a hidrogén permeációs térfogatárama (QP) (38,5 és 115,4 STP dm3/min között) nagyobb, mint a szén-dioxidé (20 és 41,2 STP dm3/min között). A permeációs térfogatáramok aránya alapján számított elméleti (ideális) szelektivitások 1,93 és 2,8 között találhatók, és a hőmérséklet emelésével növekednek; valószínűleg azért, mert a nagyobb hőmérséklet különböző módon befolyásolja a H2 és a CO2 oldódási és diffuzivitási tulajdonságait a membránon belül.

 

 

Kétkomponensű gázelegy mérésével már a valódi szelektivitási értékek is meghatározhatók. A retentátumelvételi arány, vagyis a retentátum és a betáplált térfogatáram aránya (QR/QF) azt mutatja meg, mekkora a retentátum része a teljes betáplált áramnak. Értéke 0 és 1 közé eshet, és jelentős mértékben befolyásolja a membrán teljesítményét, így az elérhető valódi szelektivitást is. Az általunk végzett kísérletek eredményeit a 8.1. ábra szemlélteti (Bakonyi, 2013).

 

 

Az eredmények azt mutatják, hogy a nagyobb retentátumelvételi arány növelte a szeparáció tisztítási hatékonyságát. A legmagasabb valódi szelektivitási értéket (1,56) QR/QF = 0,72 retentátumelvételi aránynál lehetett elérni, ezt követően csökkenés következett be. Úgy tűnik, hogy a membránnak széles „dinamikus” tartománya van a H2/CO2 szeparációra, amit 0,4 és 0,8 között célszerű beállítani, ahol a szelektivitás 1,5 felett lesz. Ez a valódi szelektivitás jóval alatta marad a tiszta gázokkal meghatározott szelektivitási értékeknek, valószínűleg azért, mert a hidrogén és a szén-dioxid erősen befolyásolják egymás permeációs tulajdonságait (oldhatóság, diffuzivitás). Hasonló jelenséget figyeltek meg más gázszeparációs eljárásoknál is (Dhingra, 1998; David, 2011).

 

 

 

 

Amint az a 8.2. ábráról leolvasható, az elérhető szelektivitás növekszik a hőfok emelésével. Ez valószínűleg azzal van összefüggésben, hogy a magasabb hőmérséklet általában eltérően befolyásolja a szeparáció két alapvető jellemzőjét: az oldhatóság csökken, a diffuzivitás nő magasabb hőmérsékleten. Ráadásul a H2 és a CO2 teljesen eltérően viselkedik az ilyen „üveges” (H2-szelektív) membránokkal szemben, mint a poliimid. A szén-dioxid viszonylag jól oldódik a polimerben a hidrogénhez képest, ami viszont mozgékonyabb és gyorsabb diffúzióra képes. A gázok diffúziós koefficiense többnyire csökken a növekvő molekulamérettel, hiszen a nagyobb méretű komponensek könnyebben képesek kölcsönhatásba lépni a polimermátrix szegmenseivel. A H2-szelektív membránok (például a poliimid) fejlesztésének egyik fő iránya, hogy a diffúziós szelektivitást javítsa (↑ DH2/DCO2) és ezzel egyidőben korlátozza az oldhatósági szelektivitást (↓ SCO2/SH2) (Shao, 2009).

 

 

Másrészről az is megfigyelhető a 8.4. ábrán, hogy a gyorsabban permeálódó komponens, a hidrogén tisztasági fokát a membrán szelektivitása szabja meg, hiszen a hidrogénkoncentráció alig növekedett a permeátumban, ahogy a QR/QF érték emelkedett. Tehát a kevésbé szelektív membrán csupán kismértékben képes dúsítani a permeátumáramot. Következésképpen ha a hidrogént viszonylag nagy tisztaságban szeretnénk megkapni a permeátumban, vagy magasabb szelektivitású membránt kell alkalmazni, vagy kaszkádrendszert kell összeállítani (többlépéses H2-tisztítás).