4.2. Сорбционные методы выделения продуктов биосинтеза.

Сорбционные методы представляют собой выделение растворённого в жидкой фазе компонента с помощью твёрдофазного сорбента. При сорбции растворённое вещество из раствора переводится в твёрдую фазу (сорбент). Далее следует отделение твёрдой фазы от рафината – раствора, из которого извлечен растворенный компонент, и последующая десорбция этого компонента из сорбента в новую жидкость, отличающуюся от исходного раствора какими-то свойствами или более чистую, не содержащую посторонних примесей, которые есть в исходном растворе. Десорбция ничем не отличается от экстрагирования, но при экстрагировании твердой фазой является сама биомасса, а при десорбции – промежуточный рабочий агент, специально вносимый в жидкую фазу.

4 сорбционных метода: ионный обмен, адсорбция микропористыми сорбентами, хроматография, биосорбция.

Ионообменный метод основан на способности специальных сорбентов – ионообменных смол – сорбировать биологически активные вещества, имеющие ионную природу (т.е. являющиеся кислотой, основанием или солью), благодаря эквивалентному обмену между ионами вещества, находящегося в растворе, и ионами сорбента.

Ионообменные смолы, или иониты, представляют собой синтетические высокомолекулярные органические вещества, практически нерастворимые в воде. Они содержат обменные ионы, один из которых связан с твердым носителем и называется фиксированным, или анкерным ионом. С ним электростатически связан противоположно заряженный ион, называемый подвижным ионом, или противоионом.

По этому подвижному иону ионообменные смолы подразделяются на катионообменники и анионообменники:

Основной характеристикой обменной способности ионита является полная обменная емкость (ПОЕ). Она определяется как число обменных групп в мг-эквивалентах, приходящееся на 1 г ионита.

В процессах ионообмена процесс десорбции имеет название элюция, а десорбирующая жидкость называется элюентом.

На практике процесс ионного обмена осуществляется 2-мя способами. Наиболее прост статический способ. В аппарат с мешалкой загружают ионит и обрабатываемый раствор. Затем при перемешивании ионит суспендируется и дается время, достаточное для установления равновесия. Далее раствор сливают или фильтруют. Раствор обычно направляют в канализацию (т.к. он обеднен по целевому продукту) или повторно используют на стадии ферментации. Ионит возвращают в аппарат, заливают элюентом, т.е. водным раствором, часто с измененным значением рН или с добавлением противоиона (иона хлора). Происходит десорбция. Однократная сорбция – десорбция имеет недостаток: при этом сорбент не полностью поглощает растворенное вещество и не полностью переходит в элюент. Поэтому процесс иногда повторяют. Чаще же в пром-сти используют динамический способ. При этом способе ионит загружается в аппарат и обрабатываемый раствор непрерывно протекает через слой ионита.

Ионообменным способом выделяют многие антибиотики, аминок-ты, ферменты.

«+» метода: 1. простота аппаратурного оформления, 2 – многократное использование ионообменных смол, 3 – возможность полной механизации и автоматизации процесса, 4 – протекание процесса в водных растворах, без использования вредных орг. растворителей.

«-» метода: 1 – нельзя использовать для извлечения неполярных веществ, 2 – селективность (способность ионообменных смол сорбировать именно целевой продукт) метода не всегда достаточна для разделения смеси веществ, 3 – наличие тв. фазы затрудняет возможность использования противотока для создания равномерной движущей силы процесса, 4 – довольно велико гидравлическое сопротивление колонн при малых размерах гранул ионита.

Адсорбция микропористыми сорбентами.

На микропористых сорбентах сорбируются не ионы, а целиком молекулы, чаще неполярных веществ. В качестве сорбентов выступают не ионообменные смолы, а материалы без функциональных групп или микропористые адсорбционные смолы. Важнейшими характеристиками этих сорбентов являются – объем пор, удельная поверхность, средний диаметр пор, распределение пор по размерам. Первым из такого рода сорбентов является активный уголь. Особенность адсорбентов – их емкость увеличивается при возрастании концентрации солей в среде (для ионообменников, наоборот, уменьшается). В основном сорбция микропористыми сорбентами протекает аналогично ионному обмену, поэтому аппаратура и технологические схемы для этого процесса также аналогичны используемым для ионного обмена.

Хроматография.

С помощью хроматографии решают задачу количественного определения вещества, находящегося в сложной смеси близких по составу веществ (н-р, углеводороды нефти или углеводы в сложных природных смесях сахаров).

При хроматографии поток элюента, выходящий из слоя сорбента, не собирается весь в одну емкость, а фракционируется по времени пропускания элюента через колонку. Это объясняется тем, что десорбция разных по молекулярной массе или, точнее, разных по сродству к сорбенту веществ протекает с разной скоростью. Поэтому сначала в поток перейдут вещества с меньшей молекулярной массой и менее связанные с сорбентом, а затем все более и более трудно десорбируемые. Если измерять концентрацию вещества в потоке элюента во времени, то можно наблюдать ряд пиков различной высоты. В измерительных приборах (хроматографах) высота и площадь пиков являются основой для определения концентрации вещества.

«+» метода – высокая селективность; возмодность разделения веществ с близкими свойствами; мягкие условия проведения процесса.

«-» метода – более низкая скорость десорбции, необходимая для улавливания разных «пиков» выделения веществ; обычно более разбавленные растворы; более сложное аппаратурное оформление.

Биосорбцией обычно называют такие процессы, в которых в качестве сорбента используются сами микроорганизмы, клетки или их компоненты. Наиболее известно применение биосорбентов для извлечения металлов из растворов. Сорбция железа, магния, цинка, меди, молибдена – нормальная физиологическая функция клеток. Эти же пути связывания клетки используют и для совсем чужеродных металлов, таких, как серебро, ртуть, уран, которые клетке для нормального развития не нужны.