Традиционные методы экстрагирования продуктов из биомассы

Экстрагирование из биомассы клеток. Некоторые из продуктов метаболизма можно выделить из биомассы без разрушения клеточных стенок (липиды, некоторые ферменты). В большинстве же случаев используют сначала рассмотренные ранее способы дезинтеграции клеток и экстрагированию подвергают дезинтеграт - разрушенные клетки или их оболочки. Экстрагирование применяется для извлечения ферментов из культур грибов, выращенных твердофазной ферментацией, микробного жира или липидов из биомассы дрожжей, антибиотиков и полипептидов, локализованных на клетках микроорганизмов, при выделении внутриклеточных биополимеров типа белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов и т. д.

Всегда за экстрагированием следует стадия отделения твердой фазы, в результате чего извлекаемое вещество переводится в жидкую фазу - экстракт, из которого в дальнейшем и выделяют продукт.

В качестве экстрагентов в зависимости от вида извлекаемого вещества используются: вода, водные растворы кислот или щелочей, органические растворители - спирты, ацетон, нефрас (смесь легких углеводородов). Существует несколько способов осуществления экстрагирования:

- экстрагирование с перемешиванием;

- экстрагирование в неподвижном слое;

- экстрагирование одно- и многоступенчатое;

- прямоточное и противоточное.

Экстрагирование с перемешиванием является наиболее простым способом экстрагирования. В аппарат с мешалкой загружается твердая фаза (биомасса после сгущения или отделения на фильтре) и жидкая фаза (экстрагент). Процесс далее протекает при перемешивании. Концентрация извлекаемого вещества в экстрагенте изменяется во времени в соответствии с уравнением:

где V_ж - объем жидкой фазы в аппарате; С_Ж - концентрация растворенного вещества в экстракте в момент времени t; K_V - коэффициент массоотдачи «жидкость - твердое тело» в пересчете на объем жидкой фазы.

Величина C_ж^р в формуле обозначает концентрацию растворенного вещества в жидкости, равновесную с его содержанием в твердой фазе С_т. Предполагается, что связь между ними определяется законом Рауля:

где у_ЖТ - коэффициент распределения, показывающий, во сколько раз концентрация растворенного вещества в жидкости при равновесии (отсутствии дальнейшего растворения) больше, чем его концентрация в твердой фазе. Обычно экстрагент подбирается таким образом, что растворимость в нем извлекаемого вещества значительно больше, чем в твердой фазе (т.е. у_ЖТ >> 1). С другой стороны, концентрация растворенного вещества в твердой фазе соответствует уравнению:

где V_T - объем твердой фазы в аппарате.

Решая эти уравнения, можно определить, как меняется концентрация растворенного вещества в жидкой и твердой фазах.

Степень извлечения при этом составит:

Чтобы повысить концентрацию вещества в экстракте, стараются не слишком увеличивать отношение V_Ж к V_T. Лучше сначала отделить твердую фазу от экстракта и провести повторно экстрагирование свежим растворителем. Так можно делать несколько раз, а затем объединить экстракты. Это будет лучше для полноты извлечения, чем сразу однократно добавить весь объем экстрагента. В этом заключается смысл многоступенчатого, или многократного, экстрагирования.

Еще лучше использовать противоточное экстрагирование: свежую биомассу с наиболее высокой концентрацией извлекаемого вещества соединяют с экстрактом, полученным после двух-трех операций экстрагирования, а биомассу после 2-го или 3-го экстрагирования - со все более чистым экстрагентом.

Экстрагирование в неподвижном слое используется в том случае, когда биомасса уже предварительно высушена. Она загружается в колонны или патроны (диффузоры), через которые проходит жидкий экстрагент. Обычно используют батарею из 20 или более последовательно соединенных диффузоров. По мере исчерпания веществ в диффузорах производят переключение патронов и их перезагрузку. Свежий патрон (по биомассе) является последним по ходу потока экстрагента. Происходит как бы ступенчатое движение биомассы (без ее отделения от жидкости, как в экстрагировании с перемешиванием).