9.2. Экстракция. Применение в биотехнологии. Способы экстрагирования.
Экстракционные методы выделения продуктов, используемые в биотехнологии, подразделяются на две основные группы: методы экстрагирования, когда целевой продукт извлекаются жидкостью (экстрагентом) из твердой фазы (рафината) – чаще всего биомассы микроорганизмов, и методы жидкостной двухфазной экстракции, в которой продукт, растворенный в жидкой фазе (рафинате), извлекаются другой жидкостью (экстрагентом) - обычно это органический растворитель. В обоих случаях фаза, из которой выделяется продукт, называется рафинат, жидкая фаза, служившая агентом процесса экстракции, называется экстрагент, эта же фаза после перехода в нее растворенного вещества называется экстракт. Твердую фазу после извлечения из нее растворенного вещества называют шрот.
Экстрагирование из биомассы клеток. Некоторые из продуктов метаболизма можно выделить из биомассы без разрушения клеточных стенок (липиды, некоторые ферменты). Экстрагирование применяется для извлечения ферментов из культур грибов, выращенных твердофазной ферментацией, микробного жира или липидов из биомассы дрожжей, антибиотиков и полипептидов, локализованных на клетках микроорганизмов, при выделении внутриклеточных биополимеров типа белков, нуклииновых кислот и т.п. Всегда за экстрагированием следует стадия отделения твердой фазы, в результате чего извлекаемое вещество переводится в жидкую фазу-экстракт из которой в дальнейшем и выделяют продукт. В качестве экстрагентов в зависимости от извлекаемого вещества используются: вода, водные растворы кислот или щелочей, органические растворители. Виды экстрагирования: экстрагирование с перемешиванием: является наиболее простым способом. В аппарат с мешалкой загружается ТВ.фаза (биомасса после сгущения или отделения на фильтре) и жидкая фаза (экстрагент). Процесс далее протекает при перемешивании. Концентрация извлекаемого вещества в экстрагенте изменяется во времени в соответствии с уравнением
yЖТ- коэффициент распределения, показывающий во сколько раз концентрация растворенного вещества в жидкости при равновесии больше, чем его концентрация в твердой фазе; VЖ и VТ - объем жидкой и твердой фазы в аппарате соответственно; СТ0- начальная концентрация в твердой фазе; СТР- равновесная концентрация в твердой фазе в конце процесса.
Степень извлечения (η) при этом составляет:
Лучше сначала отделить твердую фазу от экстракта и провести повторно экстрагирование свежим растворителем. Так можно делать несколько раз, а затем объединить экстракты. Это будет лучше для полноты извлечения.
В этом заключается смысл многоступенчатого или многостадийного экстрагирования. Противоточное экстрагирование: свежую биомассу с наиболее высокой концентрацией извлекаемого вещества соединяют с экстрактом, полученным после 2-3 операций экстрагирования (рис.). На схеме не отмечено, но предполагается, что после каждой стадии происходит разделение ТВ. и жидкой фазы.
Экстрагирование в неподвижном слое: используется в том случае, когда б/м предварительно высушена. Она загружается в колонны или патроны (диффузоры), через которые проходит жидкий экстрагент. Обычно используют батарею из 20 или более последовательно соединенных диффузоров.
По
мере исчерпания веществ в диффузорах
производят переключение патронов и их
перезагрузку. Свежий патрон (по биомассе)
является последним по ходу потока
экстрагента. Происходит как бы ступенчатое
движение биомассы (без ее отделения от
жидкости, как в экстрагировании с
перемешиванием).
Жидкофазная экстракция. Экстрагирование «суперкритическими» жидкостями. При выделении липидов и всякого рода неустойчивых соединений, проводя экстракцию надо учитывать дальнейшие операции выделения, поэтому часто используют легкокипящие соединения- спирт, гексан, ацетон, которые в дальнейшем удаляют путем выпаривания. Но для выпаривания этих соединений требуются относительно высокие температуры, которые могут повлиять на качество биопродукта. Для решения этих проблем следовало бы брать в качестве растворителей жидкости, имеющие более низкую температуру кипения. Одной из таких жидкостей является диоксид углерода (при атм. давлении Ткип ниже -500С), но с повышением давления температура повышается (7,3МПа- +310С). Обычно плотности газа и жидкости резко различаются, а вот при температуре 310С ( для СО2) они становятся равными. Если и температура и давление, выше своих критических значений, вещество обладает свойствами, промежуточными между жидкостью и газом. Это фаза – фаза « суперкритическая» жидкости. Физические и диффузионные свойства « суперкритических» жидкостей находится в диапазоне между значениями соответствующих свойств газов и истинных жидкостей и обычно весьма благоприятны для их применения в качестве экстрагентов. В частности, очень низка их вязкость, что снижает затраты на перекачивание. Кроме того, при работе на границе области критических значений температуры и давления можно путем небольших температурных воздействий переводить «суперкритические» жидкости в газы и обратно. Существуют и другие вещества, имеющие критические температуры в областях, близких к нормальной температуре (этан, этилен, оксид азота, фреон). Т.о, процесс выделения продуктов проводится при обычной температуре и не требует выпарки для разделения продукта и растворителя. «Суперкритические» жидкости являются неполярными растворителями и лучше всего растворяют неполярные вещества. Ионизированные вещества в них практически не растворимы. Хорошо растворяются: углеводы и растворимые в жирах органические соединения- парафины, многие эфиры, лактоны и глицериды; многие лекарства, кофеин, никотин, стероиды и алкалоиды, вкусовые и ароматические компоненты. Интересно, что выделение может быть даже из водных растворов.
Преимущества:
- высокая энергетическая эффективность
- низкие температуры
- нетоксичные и недорогие растворители (экстрагенты)
- низкая вязкость, высокая диффузионная способность
- силой растворителя можно управлять.
Недостатки:
- необходимо оборудование высокого давления
- относительно низкая сила растворителя
- плохие растворители для полярных соединений и недостаточно данных для надежного проектирования.