Все методы выделения продуктов биологического синтеза из культуральной жидкости делят на две группы:
1. Экстракция, ионный обмен, адсорбция, кристаллизация - если целевой продукт в растворе.
2. Осаждение, фильтрование, центрифугирование, сепарирование - если целевой продукт в виде твердой фазы.
Часто невозможно выделить целевой продукт с помощью одного метода, тогда применяют комбинацию нескольких методов и в процессе выделения переводят продукт из растворимой формы в нерастворимую (или наоборот). Как правило, при выделении растворенных веществ культуральную жидкость приходится подвергать предварительной обработке и очистке с помощью осаждения, фильтрования, центрифугирования, сепарирования и мембранных методов (электродиализ, ультра- и микрофильтрация).
Осаждение (седиментация) - процесс расслоения дисперсных систем под действием силы тяжести и отделение дисперсной фазы в виде осадка.
Простейший случай седиментации - отстаивание
Центрифугирование - это разделение неоднородных систем под воздействием поля центробежных сил.
Для центрифугирования применяют центрифуги различных конструкций.
Области применения центрифугирования:
1. Выделение биомассы из культуральной жидкости (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 энергоемкость и стоимость.
2. Сложность эксплуатации (ненадежность, вибрация, шум, необходимость периодической разборки и мойки).
3. Воздействие на клетку центробежной силы, нагрев, трудность герметизации и обеспечения асептических условий ведения процесса.
Главные достоинства центрифугирования и сепарирования - высокая производительность и высокая степень концентрирования.
Фильтрование - это разделение твердой и жидкой фаз суспензии при пропускании ее через пористую перегородку.
Конечная цель фильтрования - получение твердой или жидкой фазы (когда одна из них является отходом), а также одновременное получение твердой и жидкой фаз.
На процесс фильтрования влияет ряд факторов, которые можно разделить на две группы:
1. Макрофакторы - разность давлений, толщина слоя осадка, вязкость жидкой фазы и др. Эти факторы заведомо известны и контролируются с помощью приборов.
2. Микрофакторы - размер и форма частиц осадка и пор фильтровальной перегородки, толщина двойного электрического слоя на поверхности частиц и др. Именно микрофакторы (малоизучены) оказывают решающее влияние на процесс фильтрования и затрудняют его масштабирование.
Для увеличения скорости фильтрования обычно используют два приема:
Экстракция — процесс разделения смеси твердых и жидких веществ с помощью избирательных (селективных) растворителей (экстрагентов).
Физическая сущность экстракции состоит в переходе извлекаемого компонента их одной фазы (жидкой или твердой) в фазу жидкого экстрагента при их взаимном соприкосновении. Экстрагируемые компоненты переходят из исходного раствора в растворитель вследствие разности концентраций, поэтому данный процесс относится к числу диффузионных.
Процесс экстракции проводится обычно в двухфазных системах:
«твердое тело-жидкость» или «жидкость-жидкость».
Область применения экстракции: выделение и очистка антибиотиков, витаминов и аминокислот.
Преимущества метода: низкие затраты + высокая скорость экстракционных процессов.
Недостаток метода: использование вредных, взрывоопасных органических растворителей.
Ионообмен представляет собой сорбционный процесс.
Адсорбция - это процесс поглощения одного или нескольких компонентов целевого продукта из газовой смеси или раствора твердым веществом – адсорбентом.
Процессы адсорбции (как и другие процессы массопередачи) избирательны и обычно обратимы. Благодаря этому становится возможным выделение поглощенных веществ из адсорбента, т.е. проведение процесса десорбции.
В настоящее время разработаны ионообменные сорбенты (иониты), которые характеризуются различной избирательностью и высокой специфичностью. Иониты нашли широкое применение в технологии производства антибиотиков на этапе их сорбции из культуральной жидкости.
Кристаллизация - это выделение твердой фазы в виде кристаллов, главным образом, из растворов и расплавов.
Кристаллизация антибиотиков и других биологически активных веществ основана на резком уменьшении их растворимости в результате изменения температуры раствора (обычно понижения, но иногда, например, в случае эритромицина - повышения) или перевода их в другую плохо растворимую химическую форму. Последнее достигается изменением рН раствора или добавлением соответствующего реагента, часто с одновременным снижением температуры.
Кристаллизация является не только способом получения антибиотиков в твердом виде, но и очень эффективным средством очистки от сопутствующих примесей, что является существенным преимуществом по сравнению с некоторыми другими методами разделения.
Упаривание - это процесс концентрирования жидких растворов путем частичного удаления растворителя испарением при нагревании жидкости. В ряде случаев упаренный раствор подвергают последующей кристаллизации.
Концентрированные растворы и твердые вещества, получаемые в результате упаривания, легче и дешевле перерабатывать, хранить и транспортировать. Данный метод недопустим при переработке термолабильных биологически активных веществ.
МЕМБРАННЫЕ МЕТОДЫРАЗДЕЛЕНИЯ:
1. Диализ и электродиализ.
2. Обратный осмос.
3. Микрофильтрация.
4. Ультрафильтрация.
В основе этих методов лежит явление осмоса - диффузии растворенных веществ через полупроницаемую перегородку, представляющую собой мембрану с большим количеством (до 1010-1011 на 1 м2) мелких отверстий - пор, диаметр которых не превышает 0,5 мкм.
Под мембраной обычно принято понимать высокопористую или беспористую плоскую или трубчатую перегородку, оформленную из полимерных или неорганических материалов и способную эффективно разделять частицы различных видов (ионы, молекулы, макромолекулы и коллоидные частицы), находящиеся в смеси или растворе. Использование мембран позволяет создавать экономически высокоэффективные и малоотходные технологии.