Концентрирование и высушивание биопрепаратов

Размещено на http://www.allbest.ru/

КОНЦЕНТРИРОВАНИЕ И ВЫСУШИВАНИЕ БИОПРЕПАРАТОВ

Введение

В культуральной жидкости после окончания процесса ферментации содержатся микроорганизмы, продукты их жизнедеятельности, остатки питательной среды, пеногаситель, растворимые и нерастворимые вещества. Целевым продуктом биосинтеза могут быть непосредственно сами микроорганизмы либо их метаболиты, растворенные в культуральной жидкости или находящиеся внутри клеток микроорганизмов. Почти во всех случаях для получения целевого продукта необходимо отделить взвешенную фазу - массу микроорганизмов - от культуральной жидкости. Культуральные жидкости обычно являются сложными смесями и содержат большое число компонентов, многие из которых обладают близкими физико-химическими свойствами. Наряду с растворенными минеральными солями, углеводами, белками и другими органическими веществами культуральные жидкости содержат в значительном количестве полидисперсные коллоидные частицы и взвеси. Следовательно, они являются не только многокомпонентными растворами, но и суспензиями. Дисперсная фаза этих суспензий состоит из мицелия или клеток микроорганизмов, а также из твердых частиц, содержащихся во многих питательных средах: муки, хлопьев из кукурузного экстракта и т.п. Содержание микроорганизмов в культуральной жидкости, как правило, очень низкое. В 1 л содержится обычно 5-10 г сухой биомассы. Отделение такого количества взвешенной фазы - трудная технологическая задача, которую приходится решать путем концентрирования различными способами (флотирование, сепарирование, упаривание). Способы отделения клеточной биомассы микроорганизмов от культуральной жидкости можно разделить на:

- механические (отстаивание, фильтрование, центрифугирование);

- теплотехнические (сушка).

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.

Перспективным направлением использования микрофильтрации в технологии производства ВИБП является метод культивирования микроорганизмов, который сочетает мембранные элементы с ферментационным оборудованием, что привело к созданию мембранных биореакторов (МБР). Под МБР понимается обычный аппарат, в котором конструктивно объединены биореактор для глубинного культивирования клеток и мембранный модуль, обеспечивающий выведение потока бесклеточной культуральной жидкости. В более широком смысле к МБР можно отнести и такие технологические решения, когда биореактор и мембранный аппарат связаны в единую систему с обратной связью, например, благодаря возврату пермеата или его части (концентрата или его части) в биореактор в целях управления процессом культивирования и биосинтеза. Применение мембран в биореакторах основано на принципе смещения химического равновесия в сторону образования целевого продукта путем удаления этого продукта из реагирующей системы (принцип Ле-Шателье). Для этого регулирующие компоненты приводят в контакт с полунепроницаемой мембраной, обладающей преимущественной проницаемостью для целевых продуктов. Поскольку принцип Ле-Шателье является универсальным, то с такой точки зрения можно рассматривать не только МБР, в которых нужные вещества получают с помощью ферментативных химических реакций, но и мембранные ферменты, использующиеся для культивирования микроорганизмов с целью получения продуктов биосинтеза или для накопления клеточной биомассы. В МБР осуществляется проведение одновременно двух процессов:

- управляемое культивирование микроорганизмов в объеме биореактора;

- удаление культуральной жидкости (или ее части) и замена её свежей питательной средой. Благодаря этому становится возможным создание процесса культивирования микроорганизмов, непрерывного по жидкой фазе и периодического по условно твердой фазе - биомассе, что позволяет устранить ряд недостатков, присущих периодическим способам культивирования.

2. Способы консервирования биологических препаратов

Необходимость стабилизации материалов биологического происхождения, связанная с их чрезвычайной нестойкостью, возникла на заре биологической науки. Известно, что в обычных условиях продолжительность сохранения большинства биологических продуктов исчисляется несколькими днями. В связи с этим разрабатывались различные способы консервирования биологических препаратов, которые в настоящие время можно разделить на:

- консервирование при положительных температурах с помощью химических соединений (хлороформ, фенол, глицерин, формалин и т.д.);

- консервирование при низких температурах (замораживание);

- консервирование высушиванием. Высушивание является одним из наиболее совершенных процессов стабилизации свойств продуктов биологического (растительного, животного, микробиологического) происхождения и позволяет сохранять данные продуты в обычных условиях длительное время. Кроме того, существенно уменьшенная масса позволяет значительно снизить транспортные расходы и затраты на тару. Необходимо отметить, что обезвоживание - трудный технологический процесс, который часто является решающим этапом производства, влияющим на качество выпускаемой продукции. Достоинством искусственного высушивания является значительно меньшие затраты времени на удаление влаги. Процесс сушки - это разнообразный комплекс тепловых, диффузионных, часто биологических и химических явлений (особенно когда дело касается интенсивной сушки). Препараты биологического происхождения обычно представляют собой сложные объекты сушки, характеризующиеся рядом показателей, важнейшими из которых являются начальная, конечная и равновесная влажность, термические, электрофизические, структурно-механические и массообменные характеристики. Разнообразие свойств продуктов требует индивидуального подхода к разработке рациональных методов их сушки (с учетом требований к качеству готового изделия).

В настоящее время различают естественную сушку на открытом воздухе и искусственную, в специальных устройствах с организованным и регулируемым подводом сушильного агента. По мнению ряда авторов, наиболее широкое внедрение на практике получили следующие методы сушки:

- сублимационный (лиофильный);

- конвекторный;

- контактный;

- терморадиационный;

- токами высокой частоты;

- комбинированный.

Лиофильное высушивание биопрепаратов

Одним из основных методов консервирования биопрепаратов, позволяющих длительное время сохранять их активность, является метод лиофильного высушивния. Он позволяет сохранить практически без изменения первоначальные свойства живых и реже инактивированых вакцин - диагностических и лечебных сывороток, агентов и других биологически активных препаратов, используемых для профилактики, диагностики и лечения. Лиофильное высушивание состоит из двух приемов консервирования: замораживания и высушивания. Влагу из замороженных препаратов удаляют с использованием глубокого вакуума, минуя жидкую фазу. В процессе сушки влага перемещается в препарате не в виде жидкости, а в виде пара. В результате удается максимально сохранить специфические свойства белков, свести к минимуму их денатурацию, обеспечить живым клеткам и вирусам состояние длительного анабиоза, что позволяет получить стандартизированные по активности биопрепараты.

Консервирование биопрепаратов методом лиофильного высушивания имеет ряд преимуществ перед другими методами:

- снижается масса биопрепарата;

- длительное время сохраняется исходная активность: вакцин - до 12-18 мес., сывороток - до 2-3 лет;

- прекращается рост микробных контаминантов.

Высушенные препараты можно хранить при температуре +4…+80 С; допускается кратковременное повышение температуры до +10…+150С (на период транспортировки до 7 дней). Собственно сублимацию условно подразделяют на 2 этапа: 1) сушка при минусовых температурах при повышении температуры на 1-20С в час; 2) сушка при плюсовых температурах. Иногда эти периоды называют период удаления из материала свободной влаги и период удаления связанной влаги. Первый период заканчивается, когда температура материала приближается к нулю градусов. Во втором периоде досушивания температуру поднимают до конечной температуры препарата, равной +25…+280С. Как правило, продолжительность первого периода значительно больше второго. В первом периоде удаляется до 90% влаги, во втором остаточная влажность составляет 1-4%. Признаком окончания второго периода является достижение заданной температуры и удержание её на этом уровне 1-3 часа, при этом вакуум в системе постоянно поддерживается на минимальном уровне. После окончания сушки прекращают нагрев и выключают вакуум-насос, постепенно уменьшают вакуум, впуская через специальный фильтр стерильный атмосферный воздух, либо инертный газ, обеспечивающий более длительное хранение материала при плюсовых температурах. Сухой материал в ампулах запаивают под вакуумом, во флаконах герметически укупоривают, предварительно заполнив их инертным газом (аргоном, неоном, азотом).

Конвективный метод высушивания биопрепаратов

Конвективный метод высушивания является самым распространенным в биологической промышленности, на нем основана работа подавляющего большинства сушильных установок. В качестве сушильного агента применяют нагретый воздух, топочный газ или перегретый пар. Сушильный агент передает тепло материалу, под действием которого из материала удаляется влага в виде пара, поступающая в окружающую среду. Таким образом, сушильный агент при конвективной сушке является теплоносителем и влагопоглотителем.

Конвективный метод нашел применение в камерных сушильных установках. В таких аппаратах сушка материала производится периодически при атмосферном давлении. Сушилки имеют одну или несколько камер, в которых высушиваемый материал в зависимости от его вида располагается на сетках, противнях, шестах и т.д. и сушится в неподвижном состоянии. Поток нагретого воздуха проходит вдоль высушиваемого продукта и испаряет из него влагу. Камерными сушильными установками непрерывного действия являются туннельные сушилки, работающие при атмосферном давлении. Камеры представляют собой длинный герметично закрытый туннель, в котором высушиваемый материал перемещается прямо или в противотоке сушильного агента, на кюветах или по ленте транспортера. Сушильные установки камерного типа непрерывного и периодического действия имеют ряд недостатков:

- большая продолжительность сушки;

- неравномерность высушивания материала;

- значительные потери тепла при загрузке и выгрузке продукта;

- трудоемкость процесса. В сушильной технике также используются барабанные сушильные установки, представляющие собой полый цилиндр с внутренней насадкой для непрерывного пересыпания и перемещения высушиваемого материала, в который подается теплоноситель.

Контактный метод высушивания

Этот метод сушки основывается на передаче тепла материалу при соприкосновении с горячей поверхностью. В качестве греющего теплоносителя используют чаще всего водяной пар, реже газы и высококипящие жидкости. Поток воздуха (вакуум) при этом способе служит только для удаления водяных паров из сушилки, являясь влагопоглотителем. По данным литературы, коэффициент теплоотдачи при этом способе значительно выше, чем при конвекторной сушке.

Простейшими контактными сушильными аппаратами являются вакуум-сушильные шкафы периодического действия. Такая сушилка представляет собой герметично закрывающуюся камеру, снабженную рядом полок, внутри которых проходит теплоноситель. Высушиваемый материал укладывается непосредственно на эти полки либо на съемные противни. Образующиеся при сушке пары отсасываются вакуум-насосом. Будучи очень металлоемкими эти сушилки в то же время малопроизводительны, что объясняется неподвижностью слоя высушиваемого материала и большей частью недостаточно полным контактом с поверхностью нагрева. Широкое применение получили вальцовые сушильные установки непрерывного действия различных конструктивных модификаций. В корпусе сушильной установки вращается полый барабан, обогреваемый изнутри тепловым агентом. Исходный жидкий материал непрерывно подается на барабан, где за один неполный оборот последнего высушивается и срезается ножами. Для большей производительности при конкретном обезвоживании используются двухвальцовые сушилки.

Терморадиационный метод высушивания

Сущность терморадиационного метода сушки состоит в том, что тепло материалу передается за счет невидимых тепловых (инфракрасных) лучей. Инфракрасные лучи (ИКЛ) - это лучи с длиной волны 0,77-340 мкм. По мнению ряда авторов, при сушке ИКЛ к материалу подводится тепловой поток в несколько десятков раз больше, чем при конвективном способе, следовательно, увеличивается и скорость сушки инфракрасными лучами по сравнению с конвективной, но не пропорционально увеличению теплового потока. Так, для биологических препаратов растительного происхождения сушка ИКЛ ускоряется по сравнению с интенсифицированными методами конвективной сушки на 25-95%. Чем меньше длина волны, тем больше проникающая способность инфракрасных лучей. Проницаемость материалов зависит в основном от толщины слоя и влажности продукта.

Для материалов, у которых размер частиц больше глубины проникновения инфракрасных лучей, рекомендуется прерывистое облучение. В период прекращения подачи ИКЛ температура на поверхности частиц материала падает вследствие продолжительного интенсивного испарения. Температура внутри частицы больше, чем на поверхности, и влага начинает перемещаться из центральных слоев к поверхностным под действием обоих градиентов: температуры и влагосодержания. По характеру излучателей инфракрасных лучей различают терморадиационные сушилки с электрическим и газовым обогревом. Наиболее широко используются на практике терморадиационные сушилки с газовыми панельными излучателями.

Метод сушки токами высокой частоты

При сушке токами высокой частоты (частота колебания 10-3000 МГц) органический материал помещается между обкладками конденсатора, к которым подается электрический ток высокой частоты. Продукты биологического происхождения представляют собой диэлектрики, имеющие некоторую проводимость, т.е. обладают свойствами полупроводников. В состав органических материалов входят ионы электролитов, электроны, полярные и неполярные молекулы диэлектриков. Неполярные молекулы состоят из жестких упругих диполей. Полярные молекулы с постоянным диполярным моментом ориентируются в электрическом поле. Под действием переменного электрического поля высокой частоты происходит регулируемый нагрев материала. Обкладки конденсатора имеют противоположный заряд, поэтому электроны и ионы перемещаются внутри материала к той или иной обкладке. При смене заряда на обкладках они перемещаются в противоположных направлениях, в результате чего неизбежно возникает трение с выделением тепла. Таким образом, энергия электромагнитных волн, затрачиваемая на преодоление этих трений, будет переходить в тепло. В электрическом поле высокой частоты нагрев частиц органического материала осуществляется за доли секунды. Поверхностные слои материала теряют часть тепла вследствие тепло и влагообмена с окружающей средой, поэтому температура материала будет выше внутри, чем снаружи. Под действием температурного градиента влага изнутри перемещается к поверхности частицы. Преимущества сушки токами высокой частоты по сравнению с конвективной и контактной состоит в возможности регулирования и поддержания определенной температуры внутри материала и интенсификации процесса. Однако большие затраты электроэнергии, сложное оборудование и обслуживание, повышенные требования техники безопасности ограничивают применение токов высокой частоты для сушки.

Комбинированные методы высушивания

В настоящее время для высушивания термолабильных препаратов, кроме рассматриваемых выше методов, применяются их различные комбинации, которые позволяют достичь высокого качества получаемой продукции, повышения производительности и экономичности процесса, уменьшения трудозатрат. Примерами комбинированных способов сушки могут служить распылительно-сублимационное высушивание, контактносорбционное обезвоживание и т.д.

Размещено на Allbest.ru