Общие принципы разделения веществ

04 Января в 7:52 1324 0


Независимо от локализации целевого продукта, на первом этапе его очистки проводят отделение массы продуцента от жидкой фазы - сепарацию. Иногда сепарации предшествует специальная обработка - изменение рН, нагревание, добавление коагулянтов белков или флокуллянтов для более эффективного отделения биомассы и стабилизации продукта. Существует несколько способов сепарации.

Флотация (буквально - плавание на поверхности воды) - разделение мелких частиц и выделение капель дисперсной фазы из эмульсий. Основана она на различной смачиваемости частиц (капель) жидкостью (преимущественно водой) и на их избирательное прилипании к поверхности раздела, как правило, жидкость - газ (очень редко: твердые частицы - жидкость). Основные виды флотации - пенная, масляная и пленочная.

Наибольшее распространение в биотехнологии получила пенная флотация, которая заключается в следующем: культуральную жидкость с биомассой микроорганизмов непрерывно вспенивают воздухом, подаваемым снизу вверх под давлением. Клетки и их агломераты «прилипают» к пузырькам тонкодиспергированного воздуха и всплывают вместе с ними, собираясь в специальном отстойнике. Этот метод идеален для сахаромицет (хлебопекарные дрожжи), которые имеют относительно большие клетки и способны флотироваться, поэтому после сгущения биомассы флотацией их отделяют на обычных барабанных вакуум-фильтрах.

В дальнейшем биомассу, снятую с фильтра, подвергают прессованию и получают продукт с высоким содержанием живых клеток, имеющих высокую хлебопекарную активность. Использование метода флотирования обеспечивает надежность непрерывного выделения дрожжей из культуральной жидкости, сокращает число сепараторов и, соответственно, эксплутационные расходы.

Фильтрация. В этом методе используется принцип задержки биомассы на пористой фильтрующей перегородке. В настоящее время используются разные фильтры: барабанные, дисковые, ленточные, тарелочные, карусельные вакуум-фильтры, фильтры-прессы различной конструкции, мембранные фильтры. Диаметр пор может превышать размеры клеток, однако при этом эффективность фильтрации практически не снижается, так как по мере прохождения жидкости диаметр капиллярных каналов сужается из-за прилипания частиц к стенкам.

По мере утолщения слоя биомассы на фильтре скорость протока жидкости падает. Для фильтров непрерывного действия, рассчитанных на длительное действие, предусматривают системы автоматического удаления слоя биомассы, забивающего поры. Биомассу сдувают с поверхности фильтра сжатым воздухом или срезают специальным ножом. Такой способ удаления биомассы характерен для барабанного вакуум-фильтра.

Существуют также фильтры, предназначенные для однократного или многократного периодического использования. Среди них выделяют мембранные фильтры, через которые возможно проводить фильтрацию очень разбавленных растворов. Однако проблемой использования таких фильтров является их закупорка клетками, белками, коллоидными частицами.



Приемы сдувания или срезания для этих фильтров не приемлемы, так как они быстро разрушаются. Одним из путей преодоления этих проблем является покрытие мембран гидрофильным слоем. В настоящее время создана целая отрасль по производству мембранных фильтров и существуют огромное количество фирм, которые поставляют фильтры для всех задач биотехнологии.

Технологические приемы, используемые для отделения клеток от среды, зависят от природы продуцента. Например, дрожжи рода Candida, служащие источником кормового белка, плохо флотируются и фильтруются. Поэтому дрожжи, растущие на углеводородах, а также бактерии-продуценты белка на основе метана и метанола, на первом этапе сепарируются, причем в несколько ступеней. Оставшаяся вода удаляется путем выпаривания, а все компоненты жидкой фазы остаются в конечном продукте.

К аналогичному приему прибегают и при производстве бактериальных энтомопатогенных препаратов и удобрений. Конечный продукт удается получить в активной форме (от выделения его из культуральной жидкости отказались в принципе): содержимое реактора выпаривают и сушат в условиях, обеспечивающих жизнеспособность конечного продукта.

Физическое осаждение. При выделении и очистке метаболитов биомасса, если она не содержит заметных количеств целевого продукта, осаждается добавлением извести или других твердых компонентов, увлекающих клетки или мицелий на дно.

Центрифугирование. Некоторые виды биомассы отделяют центрифугированием. Осаждение взвешенных частиц происходит под действием центробежной силы. После разделения образуется 2 фракции: биомасса (твердая) и культуральная жидкость. Центрифугирование требует более дорогостоящего оборудования, чем вышеперечисленные методы сепарации. Поэтому оно оправдывает себя, если, во-первых, суспензия фильтруется медленно, во-вторых, необходимо максимально освободить культуральную жидкость от частиц, в-третьих, необходимо наладить непрерывный процесс сепарации в условиях, когда фильтры рассчитаны только на периодический режим.

Центрифугирование и фильтрация могут проходить одновременно, этот процесс реализован в фильтрационных центрифугах. Наиболее перспективны для осаждения - центрифуги-сепараторы, в которых биомасса осаждается на стенках вращаемого цилиндра или на тарелках специальной тарельчатой вставки.

Если продукт содержится в культуральной жидкости, то эта жидкость далее подвергается переработке. В производствах, где целевым продуктом являются клетки как источник белка, культуральная жидкость подвергается лишь очистке, позволяющей использовать водную фазу многократно и снизить образование сточных вод. Культуральная жидкость перерабатывается путем экстракции, ионообмена, кристаллизации или с помощью микро- и ультрафильтрации через полимерные мембраны со специально подобранным размером пор.

Н.А. Воинов, Т.Г. Волова
Похожие статьи
показать еще
 
Биотехнологии и биоматериалы