Лекция 24 Тема 12 1 Выделение концентрирование

Лекция № 24 Тема: 12 1 «Выделение, концентрирование и очистка биопрепаратов. Основные приемы» . Учебные вопросы: 1. 2. 3. 4. 5. Типовая схема стадии. Центрифугирование. Сепарирование. Кристаллизация. Флотации и флотационная аппаратура.

1. ТИПОВАЯ СХЕМА СТАДИИ Методы выделение и концентрирования продуктов микробиологического синтеза Факторы при выборе метода: 1. Физико химические свойства культуральной жидкости. 2. Свойства выделяемого продукта (термолабильность, стойкость к различным химическим агентам и др. ). 3. Требования к конечной форме продукта (степень чистоты и степень концентрирования). 4. Технологические и технико экономические показатели (выход продукта, производительность оборудования, необходимость дальнейшей обработки и др. ).

Классификация методов выделения продуктов микробиологического синтеза 1. Экстракция, ионный обмен, адсорбция, кристаллизация если целевой продукт в растворе. 2. Осаждение, фильтрование, центрифугирование, сепарирование – если целевой продукт в виде твердой фазы.

Осаждение (седиментация) это процесс расслоения дисперсных систем под действием силы тяжести и отделение дисперсной фазы в виде осадка. Для ускорения процесса осаждения применяют: 1. Коагулянты вещества, переводящие взвешенные частицы в агрегатно неустойчивое состояние. 2. Флокулянты вещества, способствующие разрушению колло идных структур иобразова нию крупных хлопьев.

Отстаивание применяется в следующих случаях: 1. При диаметре частиц более 3 мкм, когда броуновское движение не оказывает существенного влияния на процесс отстаивания. 2. При выделении стабильных продуктов, когда фактор времени не имеет решающего значения. 3. При более низких, чем при других методах, затратах. 4. В особых случаях, когда необходимо разделить частицы на фракции по размеру или плотности на основании их различных скоростей осаждения. 5. Если необходимо предварительно разделить суспен зию на две фракции осадок и надосадочную жид кость, которые в дальнейшем можно обрабатывать на различном оборудовании.

Центрифугирование это разделение неод нородных систем под воздействием поля центробежных сил. Области применения центрифугирования: 1. Выделение биомассы из культуральной жид кости (дрожжи, бактерии, грибы). 2. Отделение различных целевых продуктов микробиологического синтеза (антибиотики, ферменты, витамины и др. ), переведенных предварительно в твердую фазу. 3. Разделение эмульсий, образующихся при экстракции.

Недостатки центрифугирования: 1. Сложность конструкции, высокая энер гоемкость и стоимость. 2. Сложность эксплуатации (ненадежно сть, вибрация, шум, необходимость периодической разборки и мойки). 3. Воздействие на клетку центробежной силы, нагрев, трудность герметизации и обеспечения асептических условий ведения процесса.

Фильтрование это разделение твердой и жидкой фаз суспензии пропускании ее через пористую перегородку. Фильтрование гидродинамический процесс, скорость которого прямо пропорциональна разности давлений, создаваемой по обеим сторонам фильтровальной перегородки и обратно пропорциональна сопротивлению, испытываемому жидкостью при ее движении через поры перегородки и слой образовавше гося осадка.

Влияние ряда факторов на фильтрование 1. Макрофакторы разность давлений, толщина слоя осадка, вязкость жидкой фазы и др. 2. Микрофакторы размер и форма частиц осадка и пор фильтровальной перегородки, толщина двойного электрического слоя на поверхности частиц и др. Для увеличения скорости фильтрования используют: 1. Предварительная обработка суспензий, 2. Применение вспомогательных фильтро вальных материалов.

Способы предварительной обработки: 1. Кислотная коагуляция (применяется для выде ления антибиотиков, стойких к низким р. Н). 2. Обработка электролитами. 3. Тепловая коагуляция (возможна в тех случаях, когда продукт стоек к нагреванию до 70 80°С). 4. Образование наполнителей при добавлении химических агентов.

Экстракция процесс разделения смеси твердых и жидких веществ с помощью избирательных (селективных) растворителей (экстрагентов). Область применения экстракции: выделение и очистка антибиотиков, витаминов и амино кислот. Экстракция «твердое тело — жидкость» «жидкость — жидкость»

Ионный обмен Адсорбция это процесс поглощения одного или нескольких компонентов целевого продукта из газовой смеси или раствора твердым вещест вом – адсорбентом. Иониты это органические и неорганические вещества, практически нерастворимые в воде и обычных растворителях, которые содержат активные (ионогенные) группы с подвижными ионами, способные обменивать эти ионы на ионы электролитов при контакте с их раство рами. 1. Сорбенты, содержащие кислотные группы – ка-тиониты. 2. Сорбенты, содержащие основные группы – анио-ниты.

Кристаллизация это выделение твердой фазы в виде кристаллов, главным образом, из растворов и расплавов. Упаривание это процесс концентрирования жидких растворов путем частичного удаления растворителя испарением при нагревании жидкости. Способы консервирования биологических препаратов: - консервирование при положительных температурах с помощью химических соединений (хлороформ, фенол); консервирование высушиванием. - консервирование при низких температурах (замораживание);

2. ЦЕНТРИФУГИРОВАНИЕ Центрифуги Классификация центрифуг: фильтрующие осадительные комбинированные

Фактор разделения: где: Фр – фактор разделения (или критерий Фруда Fr центробежный ); ω – угловая скорость вращения; R – радиус вращения; g – ускорение свободного падения.

Давление фильтрования Δрц = c/F. Где: F = πd. Н — средняя поверхность фильтрования, м 2; с — центробежная сила, развиваемая при центрифугировании, Н: c = Mw 2/R = Mω2 R≈20 Mn 2 D Где: М — масса осадка и жидкости, находящихся в барабане центрифуги, кг; w — окружная скорость, м/с; 2 R = D — внутренний диаметр барабана центрифуги, м; ω — угловая скорость, 1/с; п — частота вращения центрифуги, об/с; Н — высота барабана (или длина зоны фильтрования в центрифугах непрерывного действия), м.

Отстойная центрифуга периодического действия: 1 — кожух; 2 — барабан; 3 — ступица; 4 — разгрузка фугата.

Отстойная центрифуга со шнековым устройством для выгрузки осадка: 1 — наружная труба; 2 — полые цапфы; 3 — отверстия для про хождения слива; 4 — камера для слива; 5 — шнек; 6, 10 — отверстия для прохождения суспензии; 7 — цилиндрическое основание шнека; 8 — камера для осадка; 9 — отверстия для прохо ждения осадка; 11 — конический ротор со сплошными стенками; 12— кожух; 13 — внутренняя трубка.

Производительность центрифуг Где: Lсл — длина «сливного цилиндра» , м; р, ρс — плотность твердых частиц и жидкости, соответственно, кг/м 3; п — частота вращения ротора центрифуги, об/с; μ — вязкость жидкости, Па • с.

Трубчатая сверхцентрифуга 1 ротор; 2 подпятник; 3 труба для подачи суспензии; 4 радиальные лопасти; 5 кожух; 6 отверстия; 7 шкив; 8 опора; 9 шпиндель; 10 труба для отвода осветленной жидкости.

Центрифуга с пульсирующим поршнем для выгрузки осадка 1 – труба для подачи суспензии; 2 – коническая воронка; 3 – канал для отвода осадка; 4 – штуцер для удаления фугата; 5 – диск, перемещающийся возвратно поступательно; 6 – шток; 7 – полый вал; 8 – поршень; 9 – металлическое щелевое сито; 10 – перфорированный ротор.

3. СЕПАРИРОВАНИЕ Сепараторы Схема работы тарельчатого барабана сепаратора при разделении эмульсий (а) и суспензий (б)

Cепараторы по способу работы делятся: 1. Сепараторы непрерывно циклического действия, обеспечивающие разделение жидких смесей с непрерывным выводом из барабанотекущих фракций и периодической ручной выгрузкой осадка из барабана. 2. Сепараторы непрерывно циклического действия, обеспечивающие разделение жидких смесей с непрерывным выводом из барабана текущих фракций и периодической выгрузкой осадка из барабана под действием центробежных сил. 3. Сепараторы непрерывного действия, обеспе чивающие разделение жидких смесей непрерывным выводом из барабана всех отсепарированных фракций.

Сепаратор СОС 501 К 3

4. КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ Пути создания условий кристаллизации: Концентрация C'' 1 — лабильная (перенасыщенная) область; C' В' В'' D C В А Температура 2 — метастабильная (перенасыщенная) область; 3 — устойчивая (ненасыщенная) область.

Растворимость в зависимости от размеров кристаллов C d

Зависимость числа центров кристаллизации (ЧЦК) от степени переохлаждения ЧЦК 200º 150º 100º

5. ФЛОТАЦИЯ И ФЛОТАЦИОННАЯ АППАРАТУРА Механизм флотационного концентрирования суспензий Флотирование это способ концентрирования дрожжей и других микроорганизмов, способных всплывать вместе с пузырьками воздуха при пропускании его через суспензию.

Зависимость концентрации дрожжей от скорости барботирования воздуха Хк, кг/м 3 150 100 50 Wr • 103, м/с 0 2 4 6 8

Схема расслоения пены

Изменение высоты слоя и скорости истечения жидкости Wж· 10 2, м/с hж , м Н 1 hж Wж Н 2 6 Н 3 4 0, 06 0, 04 2 0, 02 Н 1 0 3 6 τкр 12 τ· 10 2, с