Сорбционные методы в биотехнологии

Сорбционные методы представляют собой выделение растворенного в жидкой фазе компонента с помощью твердофазного сорбента. В какой-то мере этот процесс является по смыслу противоположным экстрагированию, где, наоборот, полезный компонент локализован в твердой фазе, а в процессе экстракции переходит в жидкую (экстрагент). При сорбции же растворенное вещество из раствора переводится в твердую фазу (сорбент). На этом, однако, сорбционный метод не заканчивается. Далее следует отделение твердой фазы от рафината - раствора, из которого извлечен растворенный компонент, и последующая десорбция этого компонента из сорбента в новую жидкость, отличающуюся от исходного раствора какими-то свойствами или просто более чистую, не содержащую посторонних примесей, которые есть в исходном растворе. Эта вторая операция (десорбция) уже точно практически ничем не отличается от экстрагирования, разве что при экстрагировании твердой фазой является сама биомасса, а при десорбции - промежуточный рабочий агент, специально вносимый в жидкую фазу извне. Твердая фаза - «временное пристанище» растворенного вещества.

Известны четыре различные модификации сорбционных методов:

- ионный обмен;

- адсорбция микропористыми сорбентами;

- хроматография;

- биосорбция.

Во всех случаях подразумевается, что сорбционный метод включает в себя как собственно сорбцию, так и десорбцию, и рассматривается метод выделения как совокупность этих двух процессов.

Ионный обмен

Ионообменный метод основан на способности специальных сорбентов - ионообменных смол - сорбировать биологически активные вещества, имеющие ионную природу (т. е. являющиеся кислотой, основанием или солью), благодаря эквивалентному обмену между ионами вещества, находящегося в растворе, и ионами сорбента. Ионообменные смолы, или иониты, представляют собой синтетические высокомолекулярные органические вещества, практически нерастворимые в воде. Они содержат обменные ионы, один из которых связан с твердым носителем и называется фиксированным, или анкерным ионом. С ним электростатически связан противоположно заряженный ион, называемый подвижным ионом, или противоионом. По этому подвижному иону ионообменные смолы подразделяются на катионообменники и анионообменники:

Тв. - Н⁺ (катионообменник);

Тв.. – OH^- или Тв. – Cl^‑ (анионообменник).

Кроме того, существуют и амфотерные иониты, которые содержат и катионо- и анионообменные группы, обладая, таким образом, двойственными свойствами.

Процесс ионного обмена имеет обратимый характер и протекает следующим образом:

Высвобождающийся противоион диффундирует далее через поры ионита в жидкость. Движение ионов растворенного вещества внутрь гранулы ионита и, наоборот, вывод противоионов в окружающую жидкость происходят за счет диффузии. Как и в любом массообменном процессе, в какой-то момент наступает равновесие между скоростями сорбции и десорбции.

Для твердой фазы в условиях сорбции существует определенная особенность. Количество активных центров ионообменника ограничено (числом анкерных ионов), в связи с этим максимальное количество ионов растворенного вещества, связанных ионитом (т. е. сорбированных), не может быть больше определенного предела. Поэтому связь между равновесными концентрациями растворенного вещества в жидкости и в ионообменной смоле определяется соотношением, называемым изотермой Ленгмюра:

где C_Т* и С_Ж* - соответственно равновесные концентрации растворенного иона в твердой фазе (сорбента) и в жидкости (рафинате); К и а - константы, зависящие от свойств продукта и от свойств ионита соответственно.

Основной характеристикой обменной способности ионита является полная обменная емкость (ПОЕ). Она определяется как число обменных групп в мг-эквивалентах, приходящееся на 1 г ионита. Практически это и есть К, выраженное в мг-эквивалентах растворенного вещества:

Не надо забывать, что связь, определяемая изотермой Ленгмюра, характеризует условия равновесия. В реальном же процессе, пока идет насыщение ионообменной смолы ионами растворенного вещества, текущая концентрация С_Т в сорбенте отличается от равновесной. Движущей силой процесса массопередачи как раз и является разность между равновесной концентрацией С_Т* (определяемой по изотерме Ленгмюра или по коэффициенту распределения, если концентрация находится в зоне малых значений) и текущей концентрацией С_т:

Где K_V - объемный коэффициент массоотдачи между жидкостью и ионитом, учитывающий, в частности, и концентрацию гранул ионита в системе, и поверхность массообмена в каждой грануле, и истинный коэффициент массоотдачи растворенного вещества; С_Т* - концентрация, равновесная с той, которая есть в жидкости, С_ж.

В зависимости от знака выражения в скобках (С_Т* - C_Т) будет происходить либо процесс сорбции (концентрация С_Т во времени будет возрастать), либо процесс десорбции (концентрация С_Т падает).

На практике при десорбции несколько изменяется рабочая жидкость, для нее может быть своя изотерма Ленгмюра и свой коэффициент распределения. Сорбция же обычно осуществляется до тех пор, пока вся обменная емкость ионита не будет заполнена (т.е. пока концентрация С_Т* не достигнет величины К). Кстати, в процессах ионообмена процесс десорбции имеет специфическое название элюция, а десорбирующая жидкость называется элюентом.

Как на практике осуществляется процесс ионного обмена?

Наиболее прост статический способ. В аппарат с мешалкой загружают ионит и обрабатываемый раствор. Затем при перемешивании ионит суспендируется и дается время, достаточное для установления равновесия. Далее раствор сливают или фильтруют (если гранулы ионита слишком мелкие). Раствор обычно направляют в канализацию (так как он обеднен по целевому продукту) или повторно используют на стадии ферментации. Ионит же возвращают в аппарат, заливают элюентом, т.е. водным раствором, часто с измененным значением рН или с добавлением противоиона (иона хлора). Происходит обратный процесс (десорбция, элюция) – противоион сорбируется в ионите, а сорбированное ранее вещество переходит в элюент. При этом продукт освобождается от примесей, которые не сорбируются и уходят с исходным раствором. Однократная сорбция-десорбция имеет недостаток: при этом сорбент не полностью поглощает растворенное вещество и не полностью переходит в элюент. Поэтому процесс иногда повторяют. Чаще же в промышленности используют динамический способ. В этом способе ионит загружается в аппарат и обрабатываемый раствор непрерывно протекает через слой ионита. Назвать этот процесс полностью непрерывным нельзя, так как ионит загружается и выгружается периодически, поэтому процесс нестационарный. Аппарат с загруженным ионитом называется ионитовым фильтром, или ионообменной колонной. Возможны два варианта таких «фильтров»: закрытый (напорный) и открытый (безнапорный).

Закрытый фильтр представляет собой колонну, заполненную гранулами ионита. Жидкость подается под напором сверху. У днища внутри аппарата устанавливается колпачковый фильтр с прорезями 0,2 - 0‚3 мм, через которые проходит жидкость, но задерживаются гранулы ионита. Недостатком такой простой конструкции является неподвижность слоя ионитов, который сжат давлением нагнетаемой жидкости. Происходит слипание частиц ионита, образование каналов и застойных зон. В результате довольно большая часть ионита не участвует в процессе ионообмена, возможно также инфицирование застойных участков посторонней микрофлорой.

В открытый фильтрраствор подается снизу через специальный слой зернистого материала. Скорость потока в аппарате выбирается таким образом, чтобы слой ионита находился во взвешенном состоянии. Чтобы при этом не происходило выноса гранул ионита, верхняя часть колонны выполнена расширенной. В этой части колонны скорость потока снижается, что способствует оседанию гранул. Вывод отработанного раствора из колонны снабжен системой улавливания гранул (за счет изменения направления потока). В обоих случаях после насыщения слоя ионита (определяемого по повышению концентрации растворенного вещества в отработанном растворе) раствор переключается на другую колонну, затем на третью, четвертую и т. д. Обычно существует батарея ионообменных колонн, работающих в различных режимах. На отключенной колонне сначала проводят вытеснение рабочего раствора обессоленной водой, затем промывают ионит раствором антисептика. Далее осуществляется процесс извлечения полезного вещества из сорбента - элюция. Элюат (чистый раствор, содержащий десорбированное вещество) поступает на дальнейшие стадии концентрирования. Элюция прекращается после снижения концентрации в выходном потоке до предельного уровня. После элюции проводится процесс регенерации ионита. Для этого через слой ионита пропускают раствор противоиона, который сорбируется на ионите, занимая там свое «законное место».

Поскольку в рассмотренной схеме слой ионита остается неподвижным, приходится иметь батареи аппаратов, постепенно переключая их на тот или иной режим работы. Обычно количество элюата меньше, чем количество исходного раствора, что позволяет наряду с очисткой вещества от примесей проводить частичное концентрирование раствора.

Ионообменным способом выделяют многие антибиотики, аминокислоты, ферменты. Несколько слов о самих ионообменных смолах. Есть много типов ионитов, имеющих размеры гранул от 300 мкм до 2 мм и более. При этом очень важен их равномерный дисперсный состав (чтобы не было уноса). Иногда делают смолы с непористым внутренним ядром, внешний слой смолы занимает лишь 30 - 50 мкм, что способствует более быстрой сорбции - десорбции. В качестве матриц в смолах используют:

- полистирол (поливинилбензол);

- полиакрилат, полиметакрилат;

- полиамин;

- целлюлозу, декстран и др.

В качестве функциональных групп применяются: карбоксильные, сульфоновые, первичные - четвертичные аминогруппы.

Преимущества метода:

- простота аппаратурного оформления;

- многократное использование ионообменных смол;

- возможность полной механизации и автоматизации процесса;

- протекание процесса в водных растворах, без использования вредных органических растворителей.

Недостатки метода:

- нельзя использовать для извлечения неполярных веществ;

- селективность метода не всегда достаточна для разделения смеси веществ;

- наличие твердой фазы затрудняет возможность использования противотока для создания равномерной движущей силы процесса;

- довольно велико гидравлическое сопротивление колонн при малых размерах гранул ионита.