2019 год 1

Выделение и очистка продуктов биоферментации – завершающая стадия биотехнологического процесса Целевой продукт накапливается в клетке Целевой продукт выделяется в культуральную жидкость Целевым продуктом является сама клеточная масса Определяющие факторы: Природа конечного продукта 2

Важным этапом отделения продукта является фракционирование культуральной жидкости. Культуральная жидкость представляет собой двухфазную систему, где твердой фазой является биомасса, а жидкой вода с растворенными осадками питательной среды и внеклеточными продуктами биосинтеза. Каждая фаза представляет собой сложную многокомпонентную систему, поэтому применяют различные методы химической технологии для выделения конечного продукта в чистом виде. 3

Отделение клеток от культуральной жидкости Разрушение клеток Очистка конечного продукта от массы компонентов разрушенных клеток 4

Сепарация – это разделение культуральной жидкости и биомассы Флотация Фильтрация Ультрацентрифугирвоание 5

Флотация – применяется, если клетки из-за низкой смачиваемости накапливаются в поверхностных слоях жидкости биореактора. Основной движущей силой флотации являются всплывающие пузырьки газа, они захватывают клетки и выносят их на поверхность. Оборудование – флотаторы. Преимущества метода: 1. Метод экономичен; 2.Высокопроизводителен; 3. Возможность применения в непрерывном процессе. Флотация – применяется, если клетки из-за низкой смачиваемости накапливаются в поверхностных слоях жидкости биореактора. Основной движущей силой флотации являются всплывающие пузырьки газа, они захватывают клетки и выносят их на поверхность. Оборудование – флотаторы. Преимущества метода: 1. Метод экономичен; 2.Высокопроизводителен; 3. Возможность применения в непрерывном процессе. 6

Фильтрация – задержание биомассы на пористой фильтрующей перегородке Барабанные фильтры Дисковые фильтры Ленточные фильтры Тарельчатые фильтры Карусельные Вакуум- фильтры Карусельные Вакуум- фильтры Фильтры- прессы Мембранные фильтры 7

Центрифугирование – метод основан на осаждении взвешенных в жидкости частиц с применением центробежной силы. Данный метод применим если: 1. Суспензия фильтруется медленно; 2. Необходимо максимальное освобождение культуральной жидкости от содержащихся частиц; 3. Необходим непрерывный процесс сепарации в условиях, когда фильтры рассчитаны только на периодическое действие. 4. В некоторых производственных процессах используют одновременно процессы фильтрации и центрифугирования – фильтрационные центрифуги. Центрифугирование – метод основан на осаждении взвешенных в жидкости частиц с применением центробежной силы. Данный метод применим если: 1. Суспензия фильтруется медленно; 2. Необходимо максимальное освобождение культуральной жидкости от содержащихся частиц; 3. Необходим непрерывный процесс сепарации в условиях, когда фильтры рассчитаны только на периодическое действие. 4. В некоторых производственных процессах используют одновременно процессы фильтрации и центрифугирования – фильтрационные центрифуги. 8

Физические методы Химические методы Химико- ферментативные методы 9

Физические методы Продавливание через узкое отверстие под высоким давлением Осмотический шок Замораживание -оттаивание Встряхивание со стеклянными бусами Вибраторы Вращающиеся лопасти Ультразвук Растирание в ступке Раздавливание замороженной клеточной массы Сжатие клеточной суспензии и резкое снижение давления 10

Преимущества физических методов: 1.Простота; 2.Экономичность. Недостатки: 1. Могут оказывать отрицательное влияние на качество продукта. 11

Центрифугирование (более высокие скорости) Фильтрация (меньший размер пор) 12

Осаждение Экстракция Адсорбция 13

Физические методы Химические методы Нагревание, охлаждение, разбавление или концентрирование растворов Перевод в малорастворимые соединения 14

Твердо-жидкофазная – продукт из твердой фазы переходит в жидкую Жидко-жидкофазная – продукт из одной жидкой фазы переходит в другую жидкую фазу, экстракции 15

1. Переход от однократной обработки к многократной, используя каждый раз свежий растворитель; 2. Выбор оптимального растворителя; 3. Нагревание жидкости или экстрагирующего агента; 4. Понижение давления в аппарате для экстракции. 16

Экстрагирующим агентом служит твердое тело. Адсорбция заключается в связывании вещества поверхностью твердого тела из жидкой или газовой фазы. Традиционными адсорбентами являются древесный уголь, глины с пористой поверхностью. Методом адсорбции из культуральной жидкости выделяют витамины и антибиотики. 17

Современные методы разделения веществ основаны на принципах экстракции и адсорбции. Хроматография – разделение веществ, основанное на неодинаковом распределении между двумя несмешивающимися фазами. 18

Хроматография На пластинках Колоночная На бумаге 19

Колоночная хроматография – допускает масштабирование, применяется в промышленных условиях Ионнообменная хроматография – гранулы адсорбента несут катионные или анионные группы, которые захватывают ионы с противоположным зарядом или служат для очистки нейтральных соединений от примесей ионов. Гель-фильтрация используется для разделения веществ с различной молекулярной массой и диаметром Аффинная хроматография, при этом задерживается компонент, который образует прочный комплекс с лигандом, фиксированном на частицах носителя 20

Электрофорез позволяет в электрическом поле пространственно разделить компоненты смеси, разделяющиеся по электрофоретической подвижности. Для проведения электрофореза используют пластинки или колонки с наполнителем, образующим гель. 21

Двумерный электрофорез – на разделяемую смесь действуют одновременно два электрических поля, направленные перпендикулярно друг другу Электрофорез в неоднородном электрическом поле. При этом напряженность тока убывает в направлении движения ионов за счет применения гелей клиновидной формы. Изоэлектрическая фокусировка. Применяют раствор, содержащий соединение с кислотно-основными группами. Они, под влиянием электрического поля, изменяют степень ионизации и образуют градиент pH в направлении электрического поля Иммуноэлектрофорез основан на взаимодействиях антигена с антителом. 22

Концентрирование Обратный осмос Ультрафильтрация Выпаривание 23

При прямом осмосе, благодаря диффузии веществ через мембрану, происходит их разделение. Если к раствору приложить внешнее давление, которое превышает осмотическое давление, то растворитель вытекает через полупроницаемую мембрану против градиента концентрации растворенного вещества. Т.е происходит концентрирование раствора. 24

При ультрафильтрации происходит отделение веществ с помощью мембранных фильтров. Одни фильтры предназначены для отделения крупных частиц, другие мембраны, с более мелкими порами, задерживают молекулы органических кислот. 25

При выпаривании для удаления воды или иного растворителя, раствор необходимо нагреть – основной недостаток метода. Для того, чтобы ослабить негативное влияние нагревания используют вакуум-выпарные установки. Используют также дисковые и пленочные выпарные аппараты, в них испарение усиливается из-за растекания жидкости тонким слоем по нагретой поверхности. 26

Факторы, влияющие на выбор метода сушки: 1. Физико-химические свойства продукта: вязкость раствора, стабильность или жизнеспособность биообъекта при повышенных температурах. 27

Сушка Вакуум-сушильный шкаф (для сушки материалов чувствительных к нагреванию) Вакуум-сушильный шкаф (для сушки материалов чувствительных к нагреванию) Сушка в кипящем слое Ленточная сушка Сушка на подносах Барабанные сушилки (для сушки микробных суспензий) Барабанные сушилки (для сушки микробных суспензий) 28

Преимущества сушки в кипящем слое: -Возможность регулирования процесса; -Возможность регулирование интенсивности массопередачи и теплообмена; -Процесс можно вести непрерывно. Метод используется для сушки антибиотиков, аминокислот, крахмала. 29

Раствор или суспензию превращают в аэрозоль после пропускания под давлением через форсунку, вращающийся диск и т.д. Аэрозоль поступает в сушильную камеру, где его встречает нагретый газ до температуры С. Недостатки метода: - Невозможность применения для термолабильных веществ и живых клеток; - Налипание суспензии клеток или раствора на стенки камеры. 30

Химическая модификация необходима тогда, когда биообъект представляет лишь заготовку конечного продукта. Например, у инсулина быка удаляют некоторые остатки аминокислот, и он становится аналогичным инсулину человека. 31

Сушка значительно повышает устойчивость продукта к внешним воздействиям: например, обезвоженные ферменты, хотя немного снижают свою активность, зато у них повышается стабильность и устойчивость к нагреванию. Применяют химико-физические воздействия: Применение различных наполнителей (пшеничные отруби, кукурузная мука, глицерин, углеводы…) стабилизируют целевые продукты, в том числе и кормовой микробный белок. 32