Концентрирование и высушивание биопрепаратов
В культуральной жидкости после окончания процесса ферментации содержатся микроорганизмы, продукты их жизнедеятельности, остатки питательной среды, пеногаситель, растворимые и нерастворимые вещества. Целевым продуктом биосинтеза могут быть непосредственно сами микроорганизмы, либо их метаболиты, растворенные в культуральной жидкости или находящиеся внутри клеток микроорганизмов.
Почти во всех случаях для получения целевого продукта необходимо отделить взвешенную фазу - массу микроорганизмов от культуральной жидкости.
Культуральные жидкости обычно являются сложными смесями и содержат большое число компонентов, многие из которых обладают близкими физико-химическими свойствами.
Наряду с растворенными минеральными солями, углеводами, белками и другими органическими веществами культуральные жидкости содержат в значительном количестве полидисперсные коллоидные частицы и взвеси. Следовательно, они являются не только многокомпонентными растворами, но и суспензиями. Дисперсная фаза этих суспензий состоит из мицелия или клеток микроорганизмов, а также из твердых частиц, содержащихся во многих питательных средах - муки, хлопьев из кукурузного экстракта и т.п. Содержание микроорганизмов в культуральной жидкости, как правило, очень низкое. В 1 л содержится обычно 5-10 г сухой биомассы. Отделение такого количества взвешенной фазы-трудная технологическая задача, которую приходится решать путем концентрирования биомассы различными способами (флотирование, сепарирование, упаривание).
В производственных условиях приходится затрачивать значительное количество энергии на обработку больших объемов труднофильт-руемых суспензий.
Способы отделения клеточной биомассы микроорганизмов от культуральной жидкости можно разделить на:
- механические (отстаивание, фильтрование, центрифугирование)
- теплотехнические (сушка).
В зависимости от конечной цели выбирают различные сочетания этих способов. При выборе схемы концентрирования и извлечения биомассы проводят предварительную экономическую оценку выбранного способа с учетом товарной формы биопрепаратов, концентрации микроорганизмов в культуральной жидкости и др.
Большинство целевых продуктов микробиологического синтеза нестабильны и подвержены влиянию различных факторов. Белки, например, исключительно чувствительны к нагреванию, изменению рН среды, к многим физическим и химическим воздействиям.
Очень часто выделить целевой продукт с помощью одного метода практически невозможно. Поэтому применяют комбинацию нескольких методов.
1.МЕТОДЫ ВЫДЕЛЕНИЯ И КОНЦЕНТРИРОВАНИЯ ПРОДУКТОВ МИКРОБИОЛОГИЧЕСКОГО СИНТЕЗА
При выборе метода выделения и концентрирования того или иного продукта микробиологического синтеза необходимо учитывать следующие факторы:
1. Физико-химические свойства культуральной жидкости.
2. Свойства выделяемого продукта (термолабильность, стойкость к различным химическим агентам и др.).
3. Требования к конечной форме продукта (степень чистоты и степень концентрирования).
4. Технологические и технико-экономические показатели (выход продукта, производительность оборудования, необходимость дальнейшей обработки и др.).
Все методы выделения продуктов микробиологического синтеза из культуральной жидкости делят на две группы:
1. Экстракция, ионный обмен, адсорбция, кристаллизация - если целевой продукт в растворе.
2. Осаждение, фильтрование, центрифугирование, сепарирование -если целевой продукт в виде твердой фазы.
Часто невозможно выделить целевой продукт с помощью одного метода, тогда применяют комбинацию нескольких методов и в процессе выделения переводят продукт из растворимой формы в нерастворимую (или наоборот). Как правило, при выделении растворенных веществ культуральную жидкость приходится подвергать предварительной обработке и очистке с помощью осаждения, фильтрования, центрифугирования, сепарирования и мембранных методов (электродиализ, ультра- и микрофильтрация).
1.1. ОСАЖДЕНИЕ
Осаждение (седиментация) - это процесс расслоения дисперсных систем под действием силы тяжести и отделение дисперсной фазы в виде осадка.
Простейший случай седиментации - отстаивание применяют в следующих случаях:
1. При диаметре частиц более 3 мкм, когда броуновское движение не оказывает существенного влияния на процесс отстаивания.
2. При выделении стабильных продуктов, когда фактор времени не имеет решающего значения.
3. При более низких, чем при других методах, затратах.
4. В особых случаях, когда необходимо разделить частицы на фракции по размеру или плотности на основании их различных скоростей осаждения.
5. Если необходимо предварительно разделить суспензию на две фракции - осадок и надосадочную жидкость, которые в дальнейшем можно обрабатывать на различном оборудовании.
Скорость осаждения биомассы из культуральной жидкости невелика и составляет порядка 10-6 – 10-7 м/с.
Для ускорения процесса осаждения применяют:
1. Коагулянты - вещества, переводящие взвешенные частицы в агрегатно-неустойчивое состояние.
2. Флокулянты - вещества, способствующие разрушению коллоидных структур и образованию крупных хлопьев.
В качестве коагулянтов применяют обычно желатин, рыбный клей, казеин, в качестве флокулятов - метилцеллюлозу, пектин, альгинат натрия и др.
1.2. ЦЕНТРИФУГИРОВАНИЕ
Центрифугирование - это разделение неоднородных систем под воздействием поля центробежных сил.
Для центрифугирования применяют центрифуги различных конструкций.
Центрифуги, имеющие высокий фактор разделения и оснащенные тарельчатым барабаном называют сепараторами. В микробиологической промышленности сепараторы являются одним из самых распространенных типов центрифуг. Сепараторы позволяют сконцентрировать осадок до влажности 60-90%.
В последние годы появились специальные герметичные сепараторы, позволяющие вести процесс сепарирования в автоматизированном режиме, оптимально подобранном для специфических условий конкретных культуральных жидкостей.
Области применения центрифугирования:
1. Выделение биомассы из культуральной жидкости (дрожжи, бактерии, грибы).
2. Отделение различных целевых продуктов микробиологического синтеза (антибиотики, ферменты, витамины и др.), переведенных предварительно в твердую фазу.
3. Разделение эмульсий, образующихся при экстракции.
Недостатки центрифугирования:
1. Сложность конструкции, высокая энергоемкость и стоимость.
2. Сложность эксплуатации (ненадежность, вибрация, шум, необходимость периодической разборки и мойки).
3. Воздействие на клетку центробежной силы, нагрев, трудность герметизации и обеспечения асептических условий ведения процесса.
Главные достоинства центрифугирования и сепарирования - высокая производительность и высокая степень концентрирования - позволяют успешно конкурировать с другими способами выделения и концентрирования как в промышленных, так и в лабораторных условиях.
1.3. ФИЛЬТРОВАНИЕ
Фильтрование - это разделение твердой и жидкой фаз суспензии при пропускании ее через пористую перегородку.
Конечная цель фильтрования - получение твердой или жидкой фазы (когда одна из них является отходом), а также одновременное получение твердой и жидкой фаз.
Фильтрование - гидродинамический процесс, скорость которого прямо пропорциональна разности давлений, создаваемой по обеим сторонам фильтровальной перегородки и обратно пропорциональна сопротивлению, испытываемому жидкостью при ее движении через поры перегородки и слой образовавшегося осадка.
На процесс фильтрования влияет ряд факторов, которые можно разделить на две группы:
1. Макрофакторы - разность давлений, толщина слоя осадка, вязкость жидкой фазы и др. Эти факторы заведомо известны и контролируются с помощью приборов.
2. Микрофакторы - размер и форма частиц осадка и пор фильтровальной перегородки, толщина двойного электрического слоя на поверхности частиц и др. Эти факторы менее изучены и их характеризуют лишь косвенными методами. Именно микрофакторы оказывают решающее влияние на процесс фильтрования и затрудняют его масштабирование.
При фильтровании культуральной жидкости образуются большей частью студенистые хлопьевидные или мелкозернистые осадки, обладающие большим сопротивлением. Средняя скорость фильтрации при этом составляет всего 50 л/м2 в час.
Для увеличения скорости фильтрования обычно используют два приема:
1. Предварительная обработка суспензий.
2. Применение вспомогательных фильтровальных материалов. Предварительная обработка культуральной жидкости позволяет более полно перевести целевой продукт в жидкую или твердую фазу, обеспечить лучшее разделение фаз и получить продукт, годный для дальнейшей очистки и выделения. В результате предварительной обработки происходит коагуляция взвешенных частиц.
Наиболее распространены следующие способы предварительной обработки:
1. Кислотная коагуляция (применяется для выделения антибиотиков, стойких к низким рН).
2. Обработка электролитами.
3. Тепловая коагуляция (возможна в тех случаях, когда продукт стоек к нагреванию до 70-80°С).
4. Образование наполнителей при добавлении химических агентов. В качестве вспомогательных фильтровальных материалов используются фильтровальные порошки, которые вносят в фильтруемую жидкость как наполнители или предварительно наносят на рабочую поверхность фильтра в виде грунтового слоя.
1.4. ЭКСТРАКЦИЯ
Экстракция — процесс разделения смеси твердых и жидких веществ с помощью избирательных (селективных) растворителей (экст-рагентов).
Физическая сущность экстракции состоит в переходе извлекаемого компонента их одной фазы (жидкой или твердой) в фазу жидкого экст-рагента при их взаимном соприкосновении. Экстрагируемые компоненты переходят из исходного раствора в растворитель вследствие разности концентраций, поэтому данный процесс относится к числу диффузионных.
Процесс экстракции проводится обычно в двухфазных системах:
«твердое тело-жидкость» или «жидкость-жидкость».
Область применения экстракции: выделение и очистка антибиотиков, витаминов и аминокислот.
Преимущества метода:
1. Низкие затраты.
2. Высокая скорость экстракционных процессов.
Недостаток метода: использование вредных, взрывоопасных органических растворителей.
1.5. ИОНООБМЕН
Ионообмен представляет собой сорбционный процесс.
Адсорбция - это процесс поглощения одного или нескольких компонентов целевого продукта из газовой смеси или раствора твердым веществом – адсорбентом.
Процессы адсорбции (как и другие процессы массопередачи) избирательны и обычно обратимы. Благодаря этому становится возможным выделение поглощенных веществ из адсорбента, т.е. проведение процесса десорбции,
Первые сорбционные методы выделения и очистки биологически активных веществ и антибиотиков были основаны на применении молекулярных сорбентов (активированные угли, окись алюминия и др.). Молекулярные сорбенты которые одинаково хорошо сорбируют выделяемое вещество и ряд примесей.
В настоящее время разработаны ионообменные сорбенты (иониты), которые характеризуются различной избирательностью и высокой специфичностью.
Иониты - это органические и неорганические вещества, практически нерастворимые в воде и обычных растворителях, которые содержат активные (ионогенные) группы с подвижными ионами, способные обменивать эти ионы на ионы электролитов при контакте с их растворами.
Наиболее перспективны синтетические ионообменные смолы (КУ-2, КБ-4, КБ-ЧП-2, КМД, АВ-17, ЭДЭ-10 и др.).
В зависимости от наличия ионогенных групп иониты можно разделить на 2 основных класса:
1. Ионообменные сорбенты, содержащие кислотные группы - катиониты (нерастворимые кислоты).
2. Ионообменные сорбенты, содержащие основные группы - анио-ниты (нерастворимые основания).
Иониты нашли широкое применение в технологии производства антибиотиков на этапе их сорбции из культуральной жидкости.
1.6. КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ
Кристаллизация - это выделение твердой фазы в виде кристаллов, главным образом, из растворов и расплавов.
Кристаллизация антибиотиков и других биологически активных веществ основана на резком уменьшении их растворимости в результате изменения температуры раствора (обычно понижения, но иногда, например, в случае эритромицина - повышения) или перевода их в другую плохо растворимую химическую форму. Последнее достигается изменением рН раствора или добавлением соответствующего реагента, часто с одновременным снижением температуры.
Кристаллизация является не только способом получения антибиотиков в твердом виде, но и очень эффективным средством очистки от сопутствующих примесей, что является существенным преимуществом по сравнению с некоторыми другими методами разделения.
Метод кристаллизации нашел применение в технологии получения антибиотиков (тетрациклина, эритромицина и др.), витаминов, полисахаридов.
1.7. УПАРИВАНИЕ
Упаривание - это процесс концентрирования жидких растворов путем частичного удаления растворителя испарением при нагревании жидкости. В ряде случаев упаренный раствор подвергают последующей кристаллизации.
Концентрированные растворы и твердые вещества, получаемые в результате упаривания, легче и дешевле перерабатывать, хранить и транспортировать.
Обычно упаривание в производстве антибиотиков осуществляют при температуре 60-70°С под вакуумом, поэтому данный метод недопустим при переработке термолабильных биологически активных веществ.
Дата добавления: 2016-05-11; просмотров: 7301;