Методы концентрирования целевого продукта

Для концентрирования могут использоваться практически все выше перечисленные методы, но существует также и несколько специфичных: отгонка, ректификация, кристаллизация.

Отгонка

В биотехнологии чаще всего используют вакуумную отгонку. Данный процесс возможно проводить при 30 - 40°С, что крайне важно, так как большое количество наименований целевых продуктов активно разлагаются при повышении температуры. Принцип вакуумного упаривания состоит с искусственном снижении парциального давления над поверхностью жидкости, что заставляет ее достигать точки кипения и испаряться. Таким способом можно получать как растворитель, так и растворяемое вещество. Для вакуумной отгонки используется роторный вакуумный испаритель.

Преимущества:

- Мягкие условия концентрирования, исключающие воздействие высоких температур как при сушке;

- Относительная быстрота процесса (в зависимости от температуры и типа растворителя).

Недостатки:

- Работа с разреженным давлением;

- Необходимость специального оборудования для перемешивания.

Ректификация

Ректификация - это процесс разделения бинарных или многокомпонентных смесей за счет противоточного массо- и теплообмена между паром и жидкостью.

Этот процесс как таковой не является строго биотехнологическим, так как его используют и в химической промышленности. Условия, в которых проходит процесс разделения бинарных смесей является агрессивным как по температуре, так и по давлению. Но, ректификация используется непосредственно после процесса ферментации во многих биотехнологических производствах. Ярким примером является получение спирта 72% чистоты, который является продуктом спиртового брожения дрожжей.

Принцип ректификации заключается в разнице температур кипения легколетучих растворителей. Процесс проводят в башенных колонных аппаратах, снабженных контактными устройствами (тарелками или насадкой) - ректификационных колоннах. В среднюю часть колонны подается бинарная смесь. Температура внутри колонны почти до температуры кипения низкокипящей фракции. Такой переход гарантирует получение пара, находящегося в равновесии с жидкостью. На контактных устройствах происходит последовательная конденсация паров и жидкость обогащается низкокипящим компонентом. В тоже время легкокипящий компонент не конденсируется и отводится через верхнюю часть колонны. Таким образом можно разделить практически полностью компоненты бинарной системы.

В настоящее время существуют и ректификационные колонны отрицательного давления. Эти колонны можно использовать для разделения биологических веществ, которые выдерживают температуру до 50°С. Принцип работы таких колонн соответствует вакуумной отгонке.

Преимущества:

- Высокая степень концентрирования и очистки целевого продукта;

- Возможность организации непрерывного процесса в крупнотоннажных производствах.

Недостатки:

- Работа с высокими температурами и давлением;

- Нерентабельность пилотных и лабораторных установок;

- Работа с отрицательным давление (биоректификация).

Кристаллизация

Кристаллизацией называют процесс образования твердой фазы в виде кристаллов из раствора и расплавов, а также из газов и паров. Кристаллизация широко применяется в химической, нефтехимической, металлургической, медицинской, пищевой и других отраслях промышленности для решения следующих задач: выделения кристаллической фазы из растворов и расплавов, разделения смесей при однократной или многократной частичной кристаллизации, глубокой очистки веществ от примесей, выращивания монокристаллов. Получение большого количества кристаллов в промышленном масштабе называют массовой кристаллизацией. В результате проведения массовой кристаллизации получают сыпучий продукт - кристаллы различного размера.

Для каждого вещества геометрическая форма кристаллов специфична. Всего известно 32 вида симметрии кристаллов, которые сгруппированы в 7 кристаллографических форм: кубическую, тригональную, тетрагональную, гексагональную, ромбическую, моноклинную, триклинную.

Процесс кристаллизации происходит только в том случае, когда исходная фаза находится в состоянии пересыщения или переохлаждения. Пересыщенными называют такие растворы, в которых концентрация растворенного вещества выше его растворимости. Поскольку пересыщенные растворы неустойчивы, то из них выделяется избыточное количество растворенного вещества, т. е. происходит процесс кристаллизации. После прекращения выделения кристаллов раствор становится насыщенным. Такой раствор называют маточным, или маточником, для отделения которого от твердой фазы используют отстаивание, фильтрование, центрифугирование и др.

Кристаллизация состоит из двух основных стадий – образования зародышей кристаллов и роста кристаллов, причем обе эти стадии обычно протекают одновременно. Если скорость образования зародышей кристаллов больше скорости их роста, то получается большое количество мелких кристаллов. Если же скорость появления зародышей кристаллов меньше скорости их роста, то образуются кристаллы больших размеров, но в меньшем количестве.

Начало образования зародышей кристаллов происходит не во всем объеме раствора или расплава, а в так называемых центрах кристаллизации, которыми могут быть, например, различные механические примеси; они могут возникать под влиянием шероховатостей стенок аппарата и других случайных факторов. Для ускорения и равномерного образования зародышей во всем объеме раствора или расплава в аппарат подают затравку - мелкие частицы кристаллизующегося вещества, которые и являются зародышами кристаллов. Если нужно получить кристаллы крупных размеров, то число затравочных кристаллов должно быть невелико. Наибольшее распространение в технике и лабораторной практике получила кристаллизация из растворов и расплавов.

Кристаллизация из растворов применяется в основном для очистки и разделения неорганических веществ. При этом процесс протекает при значительно более низких температурах, чем при кристаллизации расплавов тех же веществ. Кристаллизация из растворов является процессом, обратным растворению. Поэтому тепловой эффект кристаллизации равен по величине и противоположен по знаку тепловому эффекту растворения. Это означает, что вещества, растворяющиеся с поглощением теплоты, кристаллизуются с выделением теплоты, и наоборот. Иногда эти эффекты из-за побочных явлений (образования кристаллогидратов и др.) не равны.

В промышленности используют два основных метода кристаллизации: изотермический, в котором перенасыщение раствора достигается удалением части растворителя путем выпаривания при постоянной концентрации (температура постоянна), и изогидрический. Изотермическая кристаллизация используется для растворов, у которых растворимость либо слабо увеличивается с ростом температуры, либо уменьшается. В этом случае охлаждение не позволяет достичь нужной степени перенасыщения. Изогидрический метод используется в случае сильного роста растворимости при увеличении температуры. В промышленности также используется комбинация этих методов - кристаллизация под вакуумом, при которой одновременно происходят отгонка растворителя и понижение температуры.

Кроме рассмотренных основных методов кристаллизации в промышленности применяют также высаливание, при котором в раствор вводят добавки (соли, кислоты и др.), снижающие растворимость кристаллизующегося вещества.

Рассмотренные выше примеры кристаллизации включают лишь физические процессы образования кристаллической фазы. Кристаллизацию с химической реакцией называют аддуктивной.

При этом в раствор добавляют реагент, образующий с выделяемым веществом комплексное соединение – аддукт. Полученное комплексное кристаллическое соединение отделяют от раствора, например фильтрованием, и затем подвергают термическому разложению, при котором целевой продукт отделяется от комплексообразователя.

Кристаллизацию можно проводить периодически или непрерывно. Периодическую кристаллизацию используют обычно в установках малой производительности. В крупнотоннажных производствах, как правило, применяют непрерывную кристаллизацию. Процесс кристаллизации в промышленных условиях включает в себя обычно несколько последовательных стадий: подготовку раствора (доведение раствора до состояния пересыщения), собственно кристаллизацию, отделение кристаллов от маточника, промывку кристаллов и их сушку.