Отстаивание и осаждение

ВЫДЕЛЕНИЕ, КОНЦЕНТРИРОВАНИЕ И ОЧИСТКА ПРОДУКТОВ БИОСИНТЕЗА

Как уже упоминалось ранее (см. лекция 1) для выделения, очистки и концентрирования целевого продукта существует большое количество методов:

- Дезинтеграция клеток;

- Экстракция;

- Осаждение;

- Адсорбция;

- Ионный обмен;

- Отгонка, ректификация;

- Ультрафильтрация, нанофильтрация, обратный осмос;

- Центрифугирование, ультрацентрифугирование;

- Кристаллизация.

И для каждого из этих методов существует соответствующая аппаратура, обладающая набором характеристик и отвечающая определенным требованиям.

Отделение биомассы от культуральной жидкости

Для отделения взвешенных биологических частиц от культуральной жидкости используются различные физико-химические свойства:

- плотность частиц;

- размер частиц;

- поверхностные свойства частиц.

При разделении суспензий по плотности частиц используют следующие методы:

седиментация (отстаивание) - для крупных частиц размером от 2,3 мкм до 1 мм, по плотности отличающихся от окружающего раствора;

- гидроциклонирование - от 5 до 700 мкм;

- центрифугирование - от 400 до 900 нм;

- ультрацентрифугирование - от 10 нм до 1 мкм.

По размеру частиц методы разделения биологических суспензий могут быть следующими:

- фильтрация через тканевые фильтры - для частиц размером от 10 мкм до 1 мм;

- микрофильтрация - для частиц размером от 200 нм до 10 мкм;

- ультрафильтрация, позволяющая отделять частицы размером от 10 нм до 5 мкм.

Для сведения: размеры микроорганизмов следующие: вирусы чуть больше 10 нм, бактерии - 0,3 - 1,0 мкм (т. е. 300 - 1000 нм), дрожжи – 3 - 5 мкм, мицелий грибов и эритроциты - до 10 мкм. Мицелиальные грибы имеют размеры микроколоний до 1 мм, что упрощает их отделение от жидкости. Есть также нерастворимые компоненты среды (мука, дробина в спиртовом производстве). Гранулы биокатализаторов имеют размеры около 1 мм (чтобы их легче было отделять). Макромолекулы имеют размеры частиц в диапазоне 10 - 120 нм, микрочастицы - от 120 нм до 10 мкм, тонкие взвеси - от 10 до 100 мкм и грубые взвеси - от 100 мкм до 1 мм.

Поверхностные свойства частиц используются в процессе флотации. За основу в этом методе принимается не размер, а способность клеток удерживаться пузырьками воздуха; ориентировочный диапазон размеров флотируемых частиц варьирует от 1 до 200 мкм.

Конкретный выбор того или иного метода зависит от опытной проверки, так как не всегда точно известны свойства отделяемых частиц и их поведение в условиях использования тех или иных методов разделения.

Отстаивание и осаждение

Этот метод наиболее часто используют в процессах очистки стоков - отстаивание активного ила. Используется он также для отделения животных и растительных клеток, мицелиальных грибов и пивных дрожжей. Для успешного проведения процесса отстаивания не обязательно сами микроорганизмы должны быть крупными: они могут концентрироваться на хлопьях, агломератах.

Часто процесс отстаивания комбинируется с предварительной коагуляцией или флокуляцией. В обоих случаях к суспензии добавляется реагент (соли алюминия или железа при коагуляции и полиэлектролиты при флокуляции). Прикрепленные к длинным молекулам коагулянтов или флокулянтов несколько клеток создают основу агломерата, который в результате имеет больший вес и меньшую подвижность, что приводит к седиментации осадка.

Недостатками метода являются: большая продолжительность процесса (порядка нескольких часов) и не очень хорошее разделение (в осадке концентрация биомассы не превышает 1 - 3 %). Скорость отстаивания зависит от размеров и плотности хлопьев, а также от их поверхностных свойств. Применительно к осаждению осадка сточных вод – активного ила - используют иловый индекс, характеризующий содержание биомассы активного ила в осаждаемом слое за 30 мин отстаивания. Но биологический осадок не является монодисперсным (частицы, а точнее агломераты, имеют разный размер). В результате высота слоя осадка изменяется со временем не по прямой линии, а по кривой, причем скорость осаждения снижается во времени. Еще чаще клетки с какого-то момента перестают осаждаться. Это связано с тем, что мелкие клетки имеют поверхностные свойства, удерживающие их от осаждения. Многие мелкие клетки не осаждаются вовсе.