Методы выделения и очистки продуктов биотехнологических производств

Содержание

Слайд 2

Основные группы продуктов биосинтеза: - биопрепараты на основе инактивированной биомассы клеток

Основные группы продуктов биосинтеза:
- биопрепараты на основе инактивированной биомассы клеток и

продуктов переработки (кормовые дрожжи, грибной мицелии и др.)
- биопрепараты на основе очищенных продуктов метаболизма микроорганизмов (витамины, аминокислоты, ферменты, антибиотики)
- биопрепараты на основе жизнеспособных микроорганизмов (пробиотики, пекарские дрожжи, средства защиты растений, бактериальные удобрения и др.)
- ослабленная биомасса микроорганизмов (живые вакцины)
- жидкость (осветленная), полученная после отделения биомассы (пиво, квас, вино)
- среда ферментации (кефир, йогурт, хлеб)
Слайд 3

Конечным продуктом стадии ферментации является культуральная жидкость ‒ суспензия микроорганизмов, содержащая

Конечным продуктом стадии ферментации является культуральная жидкость ‒ суспензия микроорганизмов, содержащая

накопленный продукт микробиологического синтеза.
Целевым продуктом микробиологического синтеза может быть:
сама биомасса микроорганизмов (инактивированная или живые клетки)
продукты метаболизма (антибиотики, ферменты, витамины и т.п.), растворенные в культуральной жидкости или находящиеся внутри клеток.
Эндометаболит − целевой продукт находится внутри клетки (накапливается или входит в состав клеточных структур или оболочки)
Экзометаболит − целевой продукт выделяется клеткой в КЖ
Слайд 4

Слайд 5

Выделение препаратов первой группы: I стадия - концентрирование культуральной жидкости (или

Выделение препаратов первой группы:
I стадия - концентрирование культуральной жидкости (или

выделенной из нее биомассы)
II стадия - сушка
Выбор технологии выделения продуктов второй группы (на основе метаболитов ) зависит от места основного накопления продукта:
– в культуральной жидкости
- используются такие методы, как экстракция, ионный обмен, адсорбция, осаждение (кристаллизация)
– внутриклеточно
- используют экстракцию,
- или выделяют целевой продукт после дезинтеграции (разрушения) клеточной стенки
Слайд 6

Процесс выделения продуктов биосинтеза из нативного раствора, как правило, сопровождается концентрированием.

Процесс выделения продуктов биосинтеза из нативного раствора,
как правило, сопровождается концентрированием.
КЖ после

ферментации ‒ 0,1-1% продукта
Нативный раствор после отделения биомассы ‒ 0,1-2% продукта
После выделения продукта ~ 10% продукта
После очистки 50-80% продукта
Сушка
Слайд 7

Выбор метода выделения определяется локализацией продукта и составом КЖ: реологическими и

Выбор метода выделения определяется локализацией продукта и составом КЖ: реологическими и

физико-хим. свойствами.
А также свойствами целевого продукта:
термолабильностью, значением рН, устойчивостью к хим. реагентам
и т.д.
Учитываются требования, предъявляемые к готовой форме продукта:
степень чистоты
степень концентрирования
Слайд 8

Способы отделения мицелиальной массы от жидкой фазы. Фильтрование и сепарирование культуральной жидкости

Способы отделения мицелиальной массы от жидкой фазы. Фильтрование и сепарирование культуральной

жидкости
Слайд 9

Первый этап выделения большинства продуктов микробиологического синтеза ─ фракционирование культуральной жидкости

Первый этап выделения большинства продуктов микробиологического синтеза ─ фракционирование культуральной жидкости


─ отделение биомассы продуцента от жидкой фазы.
Фильтрование КЖ
Сепарирование КЖ
Седиментация
Флотация
Слайд 10

Культуральные жидкости обычно являются сложными гетерогенными смесями большого числа компонентов. Дисперсная

Культуральные жидкости обычно являются сложными гетерогенными смесями большого числа компонентов.
Дисперсная фаза:

мицелий или клетки микроорганизмов; твердые частицы питательных сред: мука, хлопья из кукурузного экстракта, мел и т.п.
Водная фаза: растворенные минеральные соли, углеводы, белки, продукты лизиса микроорганизмов, продукты биосинтеза
Пеногаситель
Слайд 11

Особенности фильтрования КЖ: необходимо фильтровать большие объемы разбавленных растворов (~0,1-2%); фильтрация

Особенности фильтрования КЖ:
необходимо фильтровать большие объемы разбавленных растворов (~0,1-2%);
фильтрация должна

проходить максимально быстро, т.к. продукты биосинтеза (антибиотики) в растворах малоустойчивы;
фильтрация должна быть очень тщательной;
присутствие в питательной среде жира и др. несмешивающихся с водой веществ ухудшает фильтруемость КЖ;
фильтруемость КЖ затрудняется, если мицелиальная масса представляет собой сильно гидратированный белок (студенистые хлопья)
«нити» мицелия забивают поры фильтра (актиномицеты).
(Скорость фильтрации не превышает 50 л/кв.м*час)
Слайд 12

Стадии фильтрования обычно предшествует предварительная обработка КЖ Цели обработки: обеспечить наиболее

Стадии фильтрования обычно предшествует предварительная обработка КЖ
Цели обработки:
обеспечить наиболее быструю

фильтрацию КЖ (коагуляция клеток и примесей в более крупные и легко фильтруемые частицы);
обеспечить наиболее полный переход продукта в ту фазу, из которой его в дальнейшем удобно извлечь;
получить полупродукт, по качеству обеспечивающий следующие стадии выделения и очистки;
Слайд 13

Методы обработки КЖ с целью улучшения процесса фильтрации

Методы обработки КЖ с целью улучшения процесса фильтрации

Слайд 14

Коагуляция и флокуляция 1. Тепловая коагуляция белков Используется для термостабильных продуктов.


Коагуляция и флокуляция
1. Тепловая коагуляция белков
Используется для термостабильных продуктов.
При

температуре 70-80 °С нарушается нативная структура белков, они приобретают более жесткую структуру, образуют более крупные частички, и мицелий становится более проницаемым для воды.
2. Химическая коагуляция (органические и неорганические кислоты,).
Реагентная коагуляция (соли алюминия, железа)
Применяется для химически стабильных продуктов (тетрациклины, аминогликозиды).
Химическая обработка с целью улучшения фильтруемости не должна
идти в разрез с хим. обработкой с целью перевода АБ в наиболее удобную для его дальнейшего извлечения форму.
Слайд 15

3. Применение флокулянтов – веществ, способных переводить в-ва коллоидной фракции белков

3. Применение флокулянтов – веществ, способных переводить в-ва коллоидной фракции белков

в хлопьевидные осадки рыхлой структуры.
«Мягкий метод», улучшает седиментационные и фильтрационные свойства суспензий, способствует осветлению жидкой фазы,
В качестве флокулянтов используют жидкие иониты (высокомолекулярные полиэлектролиты):
поли-( 4-винил-N-'бензилтриметиламмоний хлорид),
полиакриламиды
Слайд 16

Применение наполнителей, улучшающих структуру осадка Используют два способа: внесение наполнителей в

Применение наполнителей, улучшающих структуру осадка
Используют два способа:
внесение наполнителей в

КЖ
образование наполнителей в КЖ в ходе химической реакции
Фильтровальные порошки - диатомит и перлит.
Диатомит (кизельгур) получают из инфузорной земли (осадочная порода, образованная из кремниевых панцирей древних диатомовых водорослей)
Перлит - это вулканическое стекло (основная составляющая кремнезем - SiO2)
Порошки загружают в количестве ~4-8% к объему КЖ. Взаимодействуют с твердой фазой, улучшают структуру осадка, уменьшают сопротивление фильтрации.
Для улучшения фильтруемости также можно использовать древесную муку
Слайд 17

Слайд 18

Образование наполнителей в культуральной жидкости Эффективный способ коагуляции - вносят в

Образование наполнителей в культуральной жидкости
Эффективный способ коагуляции - вносят в

КЖ соли или добавляют кислоту с целью образования нерастворимых солей.
Образующиеся частицы осадка «захватывают» клетки мицелия и предотвращают его слипание. «Комковатая масса» легко фильтруется.
Например:
Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3
на CaCO3 адсорбируются белковые примеси, и структура осадка улучшается.
Образующиеся частицы осадка захватывают клетки микроорганизмов и примеси.
Выбор реагентов производят, учитывая свойства АБ.

Ca 2+ + Na2SiO3 CaSiO3 + 2Na+
Ca 2+ + Na2HPO4 CaHPO4 + 2Na+

Слайд 19

Методы обработки КЖ, обеспечивающие улучшение проведения дальнейших операций выделения и очистки (экстракции, сепарации, адсорбции)

Методы обработки КЖ, обеспечивающие улучшение проведения дальнейших операций выделения и очистки (экстракции,

сепарации, адсорбции)
Слайд 20

Например, Тетрациклин адсорбирован на мицелиальной массе. Предварительная обработка КЖ − подкисление

Например,
Тетрациклин адсорбирован на мицелиальной массе.
Предварительная обработка КЖ − подкисление до рН

1,3 - 2,
при котором АБ переходит в раствор, образуя соль.

Дальнейшее выделение осаждением.

Слайд 21

При выделение продуктов методом ионообмена: - Нативный раствор должен быть освобожден

При выделение продуктов методом ионообмена:
-
Нативный раствор должен

быть освобожден от конкурирующих с АБ ионов.
При сорбции на катионитах предварительно связывают:
ионы Са+2 – щавелевой кислотой
ионы Mg+2 – триполифосфатом Nа
ионы Fe+2 – желтой кровяной солью

При выделение продуктов методом экстракции:
Необходимо удалить вещества, кот. могут образовывать
осадки (ионы Са+2)
эмульсии (прежде всего белковые соединения)
Проводят :
термическую и химическую коагуляцию белков,
изменяют рН,
добавляют дезэмульгаторы
Производство эритромицина:
обработка щавелевой кислотой связывает ионы Са+2, которые при экстракции осаждаются на деталях сепаратора.

Слайд 22

Лучшие результаты достигаются при комбинировании методов. Производство пенициллинов: термообработка - нагревают



Лучшие результаты достигаются при комбинировании методов.
Производство пенициллинов:
термообработка - нагревают

до 70ºС под вакуумом,
рН 5,8 - 6,0,
добавляют цетазол (0,01-0,1% к объему нативного раствора).
Слайд 23

Седиментация

Седиментация

Слайд 24

Отстаивание – седиментация – осаждение под действием силы тяжести Используют: для

Отстаивание – седиментация – осаждение под действием силы тяжести
Используют:
для отделения

животных и растительных клеток, мицелиальных грибов и пивных дрожжей,
для отстаивания активного ила,
для отделения нерастворимых компонентов среды (мука, дробина).
Размер частиц от 2,3 мкм до 1 мм.
Для успешного проведения процесса отстаивания не обязательно, чтобы сами микроорганизмы быть крупными, они могут концентрироваться на хлопьях, агломератах.
Часто проводят предварительную коагуляцию или флокуляцию
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.
Слайд 25

Недостатки метода: большая продолжительность процесса (порядка нескольких часов), не очень хорошее

Недостатки метода:
большая продолжительность процесса (порядка нескольких часов),
не очень хорошее

разделение (в осадке концентрация биомассы не превышает 1—3 %).

Седиментации с последующей декантацией надосадочной жидкости могут быть подвергнуты КЖ перед фильтрованием

Слайд 26

Фильтрование КЖ

Фильтрование КЖ

Слайд 27

Фильтровальное оборудование по принципу работы делят на фильтры непрерывного и периодического

Фильтровальное оборудование по принципу работы делят на фильтры непрерывного и периодического

действия
По характеру движущей силы ‒ на фильтры работающие под давлением, под вакуумом и фильтр-прессы
Выбор фильтра определяется его поверхностью,
требованиями предъявляемыми к фильтрату или осадку,
свойствами суспензии
Требования к фильтрату:
допустимое остаточное содержание твердой фазы в фильтрате, ее дисперсность и допустимое разбавление фильтрата
Требование к осадку:
влажность, необходимость промывки, возможное внесение наполнителей
Слайд 28

Слой осадка (градиент плотности) Поток фильтруемой суспензии По мере накопления осадка

Слой осадка (градиент плотности)

Поток фильтруемой суспензии

По мере накопления осадка слой

его становится толще, а давление со стороны потока уплотняет осадок. Сопротивление потоку растет.
Наблюдается явление концентрационной поляризации фильтра. Наиболее сильно проблемы заметны, когда направление фильтрации перпендикулярно плоскости фильтра.

Одна из важнейших характеристик процесса – скорость фильтрования, т.е. кол-во фильтрата, получаемого с единицы фильтрующей поверхности в единицу времени

Слайд 29

При фильтрации КЖ вся фильтрующая поверхность закрывается микроорганизмами. Постепенно увеличивается толщина

При фильтрации КЖ вся фильтрующая поверхность закрывается микроорганизмами. Постепенно увеличивается толщина

осадка.
Осадки большинства микробных клеток относятся к разряду сжимаемых, то есть уплотняющихся, поэтому со временем скорость фильтрации будет заметно уменьшаться.
Для облегчения фильтрации микробных суспензий и уменьшения перепадов в скоростях фильтрации создают грунтовый или намывной слой.
Если КЖ содержит небольшое кол-во осадка (0,2-0,7%) (пенициллы, аспергиллы), на фильтровальную поверхность наносят грунтовый слой толщиной 1,5-3 мм. Скорость диффузии возрастает в 1,5-2 раза.
Если КЖ содержит значительное кол-во мелкого осадка (4-20% )
(актиномицеты), то наносится толстый намывной слой (100-150 мм) с постоянно обновляющейся поверхностью.
Слайд 30

Барабанный вакуум-фильтр

Барабанный вакуум-фильтр

Слайд 31

Преимущества барабанного вакуум фильтра: непрерывное действие, механизация, удобны для фильтрации больших

Преимущества барабанного вакуум фильтра:
непрерывное действие,
механизация,
удобны для фильтрации больших объемов,
конструкции с намывным

или грунтовым слоем и с постоянно обновляющейся фильтрующей поверхностью (для КЖ актиномицетов, дрожжей).
Используется специальный нож с микрометрической подачей для среза осадка.
С каждым оборотом барабана нож подается к центру, срезая нафильтрованный осадок вместе с тонким слоем дренажа, обновляя, таким образом, фильтрующую поверхность; поэтому скорость фильтрации не снижается.
Во время намывки микрометрический нож отключается.
По окончанию намыва микрометрический нож остается на определенной глубине среза - около 0,5 мм.
Для создания намывного слоя используют диатомит, перлит, древесную муку
И грунтовый, и намывной слой наносят предварительной фильтрацией порошков (концентрация в воде 1-2%). Ф-ция занимает не более часа.
Производительность барабанного фиьтра ~0,2 куб.м/кв.м*час
Слайд 32

В корыто барабанного вакуум- фильтра подается КЖ и начинается основная фильтрация.

В корыто барабанного вакуум- фильтра подается КЖ и начинается основная

фильтрация.
Фильтрацию ведут до тех пор, пока остаточная толщина вспомогательного фильтрующего материала не будет 5-8 мм.
Глубина погружения барабана в корыто зависит от х-ра осадка и требований к его промывке и обезвоживанию.
Создание зон фильтрации, сушки, промывки и отдувки осадка существляется с помощью неподвижной распределительной головки, разделенной на камеры, которые соответственно соединены с вакуум-приемником фильтрата, вакуум-прием-
ником промывных вод и источником сжатого воздуха.
(Принцип работы см. Колунянц,
стр. 151)
Слайд 33

Способы съема осадка 1. ножевой, 2. струнный, 3. съемный валик, 4.бесконечное полотно

Способы съема осадка

1. ножевой, 2. струнный, 3. съемный валик, 4.бесконечное

полотно
Слайд 34

Схема аппаратурного оформления фильтрации с намывным слоем

Схема аппаратурного оформления фильтрации с намывным слоем

Слайд 35

Достоинства: большая движущая сила большая площадь ф-ции (для улучшения фильтруемости на


Достоинства:
большая движущая сила
большая площадь ф-ции
(для улучшения фильтруемости на плиты

намывают вспомогательные порошки)
Недостатки:
поверхность не обновляется, следовательно скорость фильтрации снижается (средняя скорость не превышает 400-200 л/м* час)
большое число вспомогательных операций, непроизводственных затрат, тяжелые условия работы
занимают много места
Два типа – рамные и камерные
(Принцип работы см. Колунянц, Гапонов)

Фильтр-прессы

Слайд 36

(Принцип работы см. Колунянц, Гапонов)

(Принцип работы см. Колунянц, Гапонов)

Слайд 37

Автоматические камерные фильтр-прессы ФПКАМ В автоматической программе осуществляются следующие операции: фильтрация,

Автоматические камерные фильтр-прессы ФПКАМ
В автоматической программе осуществляются следующие операции:
фильтрация,
промывка,
прессование,


съем осадка,
подъем и опускание фильтрующих плит
Развитая фильтрующая поверхность
Занимают меньше площади
Слайд 38

Средние показатели работы фильтров

Средние показатели работы фильтров

Слайд 39

Мембранные фильтр-прессы

Мембранные фильтр-прессы

Слайд 40

Сепарирование (центрифугирование) КЖ

Сепарирование (центрифугирование) КЖ

Слайд 41

Метод целесообразен, если в КЖ содержится незначительное количество твердой фазы или

Метод целесообразен, если в КЖ содержится незначительное количество твердой фазы или

биомасса – целевой продукт
Практически применяется для отделения:
кормовых и пекарских дрожжей, грибов;
бактериальных культур (биоспорин);
витамин В12
Сепарирование проводят одноступенчатое или многоступенчатое
Слайд 42

Слайд 43

Трубчатые сверхцентрифуги для разделения стойких эмульсий и высокодисперсных твердых суспензий 1

Трубчатые сверхцентрифуги для разделения стойких эмульсий и высокодисперсных твердых суспензий
1

— ротор, 2 — крыльчатка, 3 — электродвигатель,
4 — вал, 5 — верхняя сливная тарелка, 6 — нижняя сливная тарелка, 7 — станина, 8 — тормоз,
9 — отбойный диск, 10 — питающая труба
Слайд 44

Разные типы центрифуг оценивают по фактору разделения ФР, показывающему, во сколько

Разные типы центрифуг оценивают по фактору разделения ФР, показывающему, во сколько

раз ускорение центробежного поля больше ускорения свободного падения
У обычных центрифуг этот фактор составляет до 3500, а у суперцентрифуг выше — 5000 - 7000.
Ультрацентрифуги могут иметь ФР до 20 000.
Скорость вращения барабана варьируется от 3000 до 30 000 об/мин.
Слайд 45

Марки сепараторов для фракционирования КЖ ДСГ-35 (негерметизированный тарельчатый сепаратор-сгуститель с центробежной

Марки сепараторов для фракционирования КЖ
ДСГ-35 (негерметизированный тарельчатый сепаратор-сгуститель с центробежной непрерывной

выгрузкой осадка и свободным сливом жидкого компонента) ‒ для дрожжей
Центробежный сепаратор фирмы «Альфа-Лаваль» АХ 215 с вертикальным ротором.
Центробежные сепараторы фирмы «Вестфалия»:
КА 30 (производительность 15 м3/час),
DA-30 (производительность 30 м3/час) - тарельчатый
Преимущества:
высокая производительность
высокая степень концентрирования
Недостатки:
сложность конструкции
энергоемкость
Слайд 46

Тарельчатый сепаратор имеет полый вал, неподвижный корпус с размещенным в нем

Тарельчатый сепаратор имеет полый вал, неподвижный корпус с размещенным в нем

пакетом вращающихся с валом конических тарелок, находящихся одна над другой так, что образуется коническое пространство.
Жидкость входит по полому валу под нижней тарелкой и доходит до внешнего цилиндрического края корпуса. Далее она движется между коническими тарелками к центробежному коллектору, из которого осуществляется выход жидкости.
Частицы биомассы отбрасываются по направлению от центра вращения и сползают по коническим поверхностям тарелок к боковой стенке корпуса, создавая в конечном счете возле нее слой сгущенной биомассы.
Слайд 47

АХ 215 (Альфа-Лаваль)

АХ 215 (Альфа-Лаваль)

Слайд 48

Саморазгружающийся тарельчатый сепаратор фирмы: ―Альфа-Лаваль: 1 – электродвигатель, 2 – тормоз,

Саморазгружающийся тарельчатый сепаратор фирмы: ―Альфа-Лаваль:
1 – электродвигатель,
2 – тормоз,

3 - червячный редуктор, 4 – вал,
5 - подвижное днище,
6 - разгрузочные щели,
7 - пакет тарелок, 8 – ротор,
9 – кожух, 10 - напорный диск легкой жидкости,
11 - напорный диск тяжелой жидкости.
Потоки: Ι - исходная жидкость, ΙΙ - легкая жидкость,
III - тяжелая жидкость,
ΙV - осадок
Слайд 49

Слайд 50

Слайд 51

Выделение антибиотиков из нативного раствора методом осаждения В промышленности метод осаждения

Выделение антибиотиков из нативного раствора методом осаждения

В промышленности метод осаждения применяют

для антибиотиков тетрациклинового ряда (тетрациклин, окситетрациклин)
Эти антибиотики дают комплексы с ионами 2-х валентных металлов:

Выделяют в виде трудно растворимой Са-соли.

Слайд 52

Слайд 53

Слайд 54

методом осаждения достигается быстрое концентрирование антибиотика при комнатной температуре; в методе

методом осаждения достигается быстрое концентрирование антибиотика при комнатной температуре;
в методе

отсутствуют органические растворители ;
метод огне-, пожаробезопасен ;
метод прост в аппаратурном оформлении.
Недостаток: плохая избирательность процесса,
продукт менее чистый, чем при других методах выделения