Курс лекций для студентов специальности -48 02 01 «Биотехнология» Минск 2014 034)
жүктеу/скачать 1,87 Mb. Pdf көрінісі
|
разделения сложных смесей, главная отличительная особенность ко- торых – наличие полупроницаемой мембраны, обладающей избира- тельной проницаемостью по отношению к компонентам разделяемой смеси. Мембранные технологии обладают явными преимуществами перед традиционными методами разделения: – осуществление процесса при температуре окружающей среды без фазовых превращений и подвода тепла, что позволяет уменьшить потери термолабильных биологически активных веществ; 59 – малая энергоемкость; – возможность одновременной очистки от низкомолекулярных примесей и концентрирования продуктов; – исключение применения химических реагентов, что снижает стоимость процессов и уменьшает загрязнение сточных вод; – универсальность – использование одной и той же установки для получения различных препаратов. Для промышленного разделения сложных систем наиболее пер- спективны ультрафильтрация и обратный осмос. Движущей силой этих процессов является градиент давлений: ультрафильтрацию осуществляют при избыточном давлении 0,2– 0,3 МПа, в установках обратного осмоса давление достигает 0,4– 0,6 МПа. Четкой границы, разделяющей процессы ультрафильтрации и обратного осмоса, нет. Считают, что обратноосмотические мембра- ны способны задерживать частицы размером 5 · 10 –4 мкм, т. е. гидра- тированные неорганические ионы. Ультрафильтрационные мембраны обеспечивают селективное концентрирование частиц размером более 5 · 10 –3 мкм, т. е. органических молекул и ионов. Это обстоятельство и обусловило преимущественное применение ультрафильтрации в промышленной микробиологической практике. Ультрафильтрационные мембраны изготавливают из различных материалов (поливинилиденфторид, полиамид, полиакрилонитрил, фторопласт и др.). Существенный недостаток мембран – невысокая водопроницае- мость, что в значительной степени связано с явлением «концентраци- онной поляризации» мембран, сущность которого заключается в фор- мировании примембранного слоя молекул и ионов, тормозящего транспорт через мембрану низкомолекулярных соединений. На прак- тике пропускная способность мембран составляет обычно 20– 100 дм 3 /(м 2 · ч). Этот недостаток можно компенсировать только большой удель- ной поверхностью мембран в промышленных установках. Негативный эффект явления «концентрационной поляризации» мембран минимизируют созданием непрерывного турбулизованного протока жидкости над мембраной в замкнутом циркуляционном кон- туре (рис. 6.2). Принципиальное отличие ультрафильтрации от обычного филь- трования – отсутствие гетерогенности. Исходная смесь, а также про- дукт, прошедший через мембрану (пермеат), и продукт, оставшийся над мембраной (концентрат), находятся в жидкой фазе и различаются 60 лишь составом, т. е. соотношением количеств компонентов. Образо- вание осадка на поверхности мембраны недопустимо, так как это рез- ко ухудшает условия ее работы. Рис. 6.2. Принципиальная схема ультрафильтрационной установки для концентрирования ферментных препаратов: А, Б, В – ступени концентрирования; 1 – насос; 2 – сборник КЖ; 3 – циркуляционный насос; 4 – вентиль; 5 – расходомер; 6 – пять последовательно установленных ультрафильтрационных модулей (I, II, III, IV, V); 7 – холодильник; 8 – регулирующий вентиль В условиях промышленной эксплуатации ультрафильтрационные установки регулярно промывают водой или раствором химических агентов (гипохлорита натрия, органических кислот). По способу укладки мембран различают установки с плоскими, трубчатыми, спиральными мембранными элементами, а также с мем- бранами в виде полых волокон. Установки с полыми волокнами име- ют очень большую удельную поверхность фильтрования (до 20 000 м 2 /м 3 ) и, следовательно, высокую производительность. Уль- трафильтрационный метод незаменим при концентрировании раство- 61 ров ферментов, которые весьма чувствительны к воздействию повы- шенных температур. В тонких малотоннажных биотехнологических производствах вы- сокоактивных и дорогостоящих соединений применяют такие совре- менные методы разделения веществ, как гель-хроматография, аффин- ная и препаративная жидкостная хроматография, хроматография на «молекулярных ситах». В технологии получения биопрепаратов на основе жизнеспо- собных микроорганизмов наиболее ответственной операцией явля- ется обезвоживание биомассы, в результате которого клетки резко замедляют жизнедеятельность на длительное время, но сохраняют жизнеспособность. Для обезвоживания живых микроорганизмов (а также концентрата высокоактивных термолабильных метаболи- тов) наиболее пригодна сублимационная сушка, т. е. высушивание материала из замороженного состояния при температуре не выше 28 С без оттаивания при глубоком разрежении (влага переходит из твердого состояния в газообразное, минуя стадию жидкой фазы). Сублимационной сушке подвергают концентрат суспензии микро- организмов, в который предварительно вводят криозащитные веще- ства, например, глицерин, мелассу, раствор глюкозы. Криопротек- торы предотвращают механическое повреждение клеточных струк- тур кристаллами льда и концентрирование внутриклеточных элек- тролитов, вызывающих денатурацию белка. На выживаемость кле- ток большое влияние оказывают скорость замораживания и оста- точная влажность препарата, которые уточняют для данного объек- та экспериментальным путем. Сублимационная сушка – энергоемкий и дорогостоящий процесс, но в производстве ряда биопрепаратов (прежде всего для медицин- ских целей) она незаменима. В крупнотоннажных производствах сушку концентрированных суспензий микроорганизмов производят в высокопроизводительных распылительных сушилках при прямом контакте диспергированной до капелек суспензии с горячим воздухом или топочными газами от сжигания природного газа. Температура сушильного агента на входе в сушилку колеблется в пределах 120–350 С в зависимости от термо- устойчивости продукта. Короткое время сушки (5–25 с) и низкая тем- пература высушиваемого продукта (не более 45 С) позволяют избе- жать существенных потерь биологически активных веществ и исполь- зовать метод для сушки термолабильных продуктов, в том числе фер- ментных препаратов. |