ЛК_15_16_Разделение_концентрирование

Лекции 15, 16
Выделение целевых продуктов
микробиологического синтеза
1 Концентрирование и отделение
биомассы от культуральной жидкости
2 Выделение инактивированной
биомассы
3 Выделение жизнеспособных
микроорганизмов
4 Выделение продуктов метаболизма
из культуральной жидкости
5 Модификация и стабилизация
продуктов
1
Конечные стадии
биотехнологических
производств
2
При выборе метода выделения и
очистки учитывают факторы:




свойства культуральной жидкости (вязкость, рН,
температура и др.);
свойства выделяемого продукта
(термолабильность, химическая стойкость и
др.);
требования к конечной форме продукта (общая
и биологическая концентрация, лекарственная
форма, степень чистоты и др.);
технологические и технико-экономические
показатели.
3
Концентрирование и отделение
биомассы от культуральной
жидкости
1




Механические способы:
отстаивание,
флотирование,
фильтрование,
центрифугирование
Проблема! Культуральные жидкости
- многокомпонентные растворы и,
одновременно, суспензии.
4
1
Осаждение (седиментация) – процесс, в котором при
добавлении некоторых реагентов или при изменении физикохимических условий происходит расслоение дисперсных
систем под действием силы тяжести и отделение дисперсной
фазы в виде нерастворимого осадка.







Методы седиментации:
отстаивание (осаждения частиц диаметром более 3 мкм);
коагуляция, флокуляция (использование вещества,
способствующие седиментации: коагулянты (вещества,
переводящие взвешенные частицы в агрегатно неустойчивое
состояние) и флокулянты (вещества, способствующие
разрушению коллоидных структур и образованию крупных
хлопьев));
высаливание (осаждение белков высококонцентрированными
нейтральными солями (сульфат аммония, сульфат натрия));
осаждение органическими растворителями (метиловый,
этиловый, изопропиловый спирты, изопропаноламин);
осаждение высокомолекулярными полимерами (декстраны,
полисахариды, полиэтиленгликоль);
осаждение ионами металлов;
применение носителей (крахмал, лактоза, кизельгур).
5
1
Флотация
(для концентрирования
дрожжей)
6
Фильтрование
1





Способы улучшения фильтруемости:
Тепловая коагуляция основана она на денатурации белка
при повышенной температуре.
Кислотная коагуляция широко применяется в
производстве антибиотиков, которые сравнительно
устойчивы при низком значении рН раствора.
Для ускорения фильтрования культуральной жидкости
широко практикуется применение фильтровальных
порошков (силикатные порошки (перлит, диатомит и др.)
или древесная мука).
метод образования наполнителя непосредственно в
культуральной жидкости при добавлении реагентов,
образующих в ней нерастворимый осадок (соли Са, Ва, Fe,
A1 и др., образующие в водной среде осадки с анионами
серной, фосфорной, щавелевой и других кислот).
обработка высокомолекулярными полиэлектролитами –
флокулянтами.
7
1
Поверхность фильтрации 1 - 40 м2
Диаметр барабана 1-3 м
Длина барабана 3,5-4,0 м
Частота вращения от 0,1 до 3 об/мин
Мощность двигателей фильтра 0,1-4,5 кВт.
8
1
Рамный фильтр-пресс
9
1
Центрифугирование



Применяется, если:
суспензия фильтруется слишком
медленно;
возникает необходимость максимального
освобождения культуральной жидкости
от содержащихся в ней частиц;
требуется обеспечить непрерывный
процесс сепарации, когда фильтры
рассчитаны на периодическое действие.
10
Центрифуги классифицируют:
1

по величине фактора разделения (тихоходные менее
1000, скоростные
2
до 5000 и сверхцентрифуги более 5000):
w R
Fr 
g
где w – угловая скорость течения жидкости,
R – радиус барабана,
g – ускорение поля тяжести;

по физической сущности процесса – осадительные (отстойные) и
фильтрующие;

по характеру работы (периодические и непрерывные);

по конструкции опор и расположению оси барабана (подвесные
вертикальные (на колонках), вертикальные стоячие (с подпертым
валом), горизонтальные, наклонные);

по способу выгрузки осадка (центрифуги с выгрузкой ручной,
гравитационной, шнековой, ножами и скребками, пульсирующими
поршнями и др.).
11
1
12
1
13
К
вопросу
о
разделении
1
суспензий
14
1
Центрифуги со скоростью вращения
ротора до 12000 об/мин и
оснащенные тарельчатым барабаном
называют сепараторами




По технологическому назначению сепараторы
делят на три класса:
сепараторы-разделители, применяемые для
выделения жидкостей, не растворимых одна в
другой, и для концентрирования суспензий и
эмульсий;
сепараторы осветлители, предназначенные для
выделения твердых частиц (в том числе клеток
из жидкости);
комбинированные сепараторы для выполнения
двух или более операций переработки жидкой
смеси.
15
1 Бактофуга «Альфа Лаваль»
16
1
Сепаратор-декантер
17
1
18
1
Упаривание – концентрирование растворов
путем частичного удаления растворителя
испарением при нагревании жидкостей




Концентрация сухих
веществ в упаренной
культуральной жидкости 20-40 %
Температура 70-80 ºС
Время – индивидуально
для каждого продукта
Давление ?
19
1
Однокорпусная и
многокорпусная выпарная
установка
20
1
Мембранные методы разделения
(концентрирования) продуктов биосинтеза
Коллоидные частицы
микроорганизмы
Микроэмульсии
Молекулы
Ионы
Углеводы, соли
21

1







Преимущества мембранных методов:
концентрирование и очистка происходят без изменения
агрегатного состояния и фазовых превращений;
перерабатываемый продукт не подвергается тепловым и
химическим воздействиям;
механическое и гидродинамическое воздействие на
биологический материал незначительно;
легко обеспечивают герметичность и асептические
условия;
аппаратурное оформление просто по конструкции,
компактно, отсутствуют движущиеся детали;
процесс не обладает высокой энергоемкостью, а в
большинстве случаев энергия затрачивается только на
перекачивание растворов.
Недостатки:
некоторые материалы, из которых изготавливаются
мембраны, не выдерживают очень высоких и очень низких
значений рН или высоких температур и быстро
изнашиваются;
возникают определенные трудности при обработке
суспензий.
22
Требования к промышленным
установкам для мембранной
фильтрации
1





большая рабочая поверхность мембран в
единице объёма аппарата;
простота в сборке и монтаже;
равномерное распределение жидкости над
мембранной поверхностью при движении
жидкости по секциям или элементам аппарата
и высокая скорость ее течения;
сравнительно небольшой перепад давления в
аппарате;
механическая прочность, герметичность и т. д.
23
1
Типы аппаратов для мембранной
фильтрации по способу укладки
мембран:




аппараты типа «фильтр-пресс» с
плоскокамерными фильтрующими элементами;
аппараты с трубчатыми фильтрующими
элементами;
аппараты с рулонными или спиральными
фильтрующими элементами;
аппараты с мембранами в виде полых волокон.
Конструкции промышленных установок
компонуются отдельными стандартными
модулями из мембранных элементов, которые
компактны и взаимозаменяемы.
24
1
Аппараты типа
«фильтр-пресс»
25
1
Аппараты с трубчатыми
фильтрующими элементами
26
1
Аппараты с фильтрующими
элементами рулонного типа или
спиральными
27
1
Аппараты с
мембранами
в виде полых
волокон
28
Тема следующей лекции:



Выделение инактивированной
биомассы
Выделение жизнеспособных
микроорганизмов
Сушка
29