1. Методы выделения и концентрирования целевого продукта
биологический культуральный экстракция концентрирование
Все методы выделения продуктов микробиологического синтеза из культуральной жидкости делят на две группы: 1) экстракция, ионный обмен, адсорбция, кристаллизация, если целевой продукт в растворе; 2) осаживание, 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 осаживания, фильтрования, центрифугирования, сепарирования и мембранных методов (электродиализ, ультра-и микрофильтрация).
Осаживание
Осаживание (седиментация) - это процесс расслоения дисперсных систем под действием силы тяжести и отделение дисперсной фазы в виде осадка. Скорость осаживания биомассы из культуральной жидкости невелика и составляет порядка 10-6-10-7 м/с. Для ускорения процесса осаживания применяют: 1) коагулянты - вещества, переводящие взвешивание частиц в агрегатно-неустойчивое состояние; 2) флокулянты - вещества, способствующие разрушению коллоидных структур и образованию крупных хлопьев. В качестве коагулянтов применяют обычно желатин, рыбный клей, казеин, в качестве флокулянтов - метилцеллюлозу, пектин, альгинат натрия и др.
Центрифугирование
Центрифугирование - это разделение неоднородных систем под воздействием поля центробежных сил.
Для центрифугирования применяют центрифуги различных конструкций. Центрифуги, имеющие высокий фактор разделения и оснащенные тарельчатым барабаном, называют сепараторами. В микробиологической промышленности сепараторы являются одним из самих распространенных типов центрифуг. Сепараторы позволяют сконцентрировать осадок до влажности 60-90%. В последние годы появились специальные герметические сепараторы, позволяющие вести процесс сепарирования в автоматизированном режиме, оптимально подобранном для специфических условий конкретных культуральных жидкостей. Область применения центрифугирования:
1. Выделение биомассы из культуральной жидкости (дрожжи, бактерии, грибы).
2. Отделение различных целевых продуктов микробиологического синтеза (антибиотики, ферменты, витамины и др.), переведение предварительно в твердую фазу.
3. Разделение эмульсий, образующихся при экстракции.
Фильтрование
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. 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 образовавшегося осадка. В качестве вспомогательных фильтровальных материалов используются фильтровальные порошки, которые вносят в фильтруемую жидкость как наполнители или предварительно наносят на рабочую поверхность фильтра в виде грунтового слоя.
Экстракция - процесс разделения смеси твердых и жидких веществ с помощью избирательных (селективных) растворителей (экстрагентов). Физическая сущность эктракции состоит в переходе извлекаемого компонента из 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.
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. Первые сорбционные методы выделения и очистки биологически активных веществ и антибиотиков были основаны на применении молекулярных сорбентов (активированные угли, окись алюминия и др.). Молекулярные сорбенты одинаково хорошо собирают выделяемое вещество и ряд примесей. В настоящее время разработаны ионообменные сорбенты (иониты), которые характеризуются различной избирательностью и высокой специфичностью. Иониты - это органические и неорганические вещества, практически не растворимые в воде и обычных растворителях, которые содержат активные (ионогенные) группы с подвижными ионами, способные обменивать эти ионы на ионы электролитов при контакте их с растворами.
Наиболее перспективны синтетические ионообменные смолы. 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 температур. 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. Метод кристаллизации нашел применение в технологии получения антибиотиков (тетрациклина, эритромицина и др.), витаминов, полисахаридов.
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. Обычно производство антибиотиков осуществляют при температуре 60-700С под вакуумом, поэтому метод недопустим при переработке термолабильных биологически активных веществ.
Мембранные методы разделения
К мембранным методам разделения относятся:
1. Диализ и электродиализ.
2. Обратный осмос.
3. Микрофильтрация.
4. Ультрафильтрация. В основе этих методов лежит явление осмоса - диффузия растворенных веществ через полупроницаемую перегородку, представляющую собой мембрану с большим количеством (до 1010-1011на 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.
К основным мембранным методам разделения жидких систем относятся обратный осмос, ультра и микрофильтрация. Эти методы характеризуются такими общими чертами, как использование полупроницаемых, т.е. по-разному пропускающих компоненты растворов и суспензий, мембран, применение в качестве движущей силы процессы избыточного давления, способы борьбы с концентрационной поляризацией. Как известно ветеринарными иммуно-биологическими препаратами (ВИБП) являются препараты, предназначенные для специфической профилактики, диагностики и лечения инфекционных, паразитарных болезней и аллергических состояний: вакцины, иммуноглобулины, интерфероны, цитокинины, сыворотки, бактериофаги, эубиотики, аллергены, диагностические препараты, питательные среды, иммуномодуляторы бактериального происхождения. В технологии приготовления практически всех из указанных препаратов можно найти применение микрофильтрации.
