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 биомассы различными способами (флотирование, сепарирование, упаривание).
В производственных условиях приходится затрачивать значительное количество энергии на обработку больших объемов труднофильт-руемых суспензий.
Способы отделения клеточной биомассы микроорганизмов от культуральной жидкости можно разделить на:
— механические (отстаивание, фильтрование, центрифугирование)
В зависимости от конечной цели выбирают различные сочетания этих способов. При выборе схемы концентрирования и извлечения биомассы проводят предварительную экономическую оценку выбранного способа с учетом товарной формы биопрепаратов, концентрации микроорганизмов в культуральной жидкости и др.
Большинство целевых продуктов микробиологического синтеза нестабильны и подвержены влиянию различных факторов. Белки, например, исключительно чувствительны к нагреванию, изменению рН среды, к многим физическим и химическим воздействиям.
Очень часто выделить целевой продукт с помощью одного метода практически невозможно. Поэтому применяют комбинацию нескольких методов.
1.МЕТОДЫ ВЫДЕЛЕНИЯ И КОНЦЕНТРИРОВАНИЯ ПРОДУКТОВ МИКРОБИОЛОГИЧЕСКОГО СИНТЕЗА
При выборе метода выделения и концентрирования того или иного продукта микробиологического синтеза необходимо учитывать следующие факторы:
1. Физико-химические свойства культуральной жидкости.
2. Свойства выделяемого продукта (термолабильность, стойкость к различным химическим агентам и др.).
3. Требования к конечной форме продукта (степень чистоты и степень концентрирования).
4. Технологические и технико-экономические показатели (выход продукта, производительность оборудования, необходимость дальнейшей обработки и др.).
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. Осаждение, 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 осаждения, фильтрования, центрифугирования, сепарирования и мембранных методов (электродиализ, ультра- и микрофильтрация).
Осаждение (седиментация) — это процесс расслоения дисперсных систем под действием силы тяжести и отделение дисперсной фазы в виде осадка.
Простейший случай седиментации — отстаивание применяют в следующих случаях:
1. При диаметре частиц более 3 мкм, когда броуновское движение не оказывает существенного влияния на процесс отстаивания.
2. При выделении стабильных продуктов, когда фактор времени не имеет решающего значения.
3. При более низких, чем при других методах, затратах.
4. В особых случаях, когда необходимо разделить частицы на фракции по размеру или плотности на основании их различных скоростей осаждения.
5. Если необходимо предварительно разделить суспензию на две фракции — осадок и надосадочную жидкость, которые в дальнейшем можно обрабатывать на различном оборудовании.
Скорость осаждения биомассы из культуральной жидкости невелика и составляет порядка 10 -6 – 10 -7 м/с.
Для ускорения процесса осаждения применяют:
1. Коагулянты — вещества, переводящие взвешенные частицы 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 флокулятов — метилцеллюлозу, пектин, альгинат натрия и др.
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 самых распространенных типов центрифуг. Сепараторы позволяют сконцентрировать осадок до влажности 60-90%.
В последние годы появились специальные герметичные сепараторы, позволяющие вести процесс сепарирования в автоматизированном режиме, оптимально подобранном для специфических условий конкретных культуральных жидкостей.
Области применения центрифугирования:
1. Выделение биомассы из культуральной жидкости (дрожжи, бактерии, грибы).
2. Отделение различных целевых продуктов микробиологического синтеза (антибиотики, ферменты, витамины и др.), переведенных предварительно в твердую фазу.
3. Разделение эмульсий, образующихся при экстракции.
1. Сложность конструкции, высокая энергоемкость и стоимость.
2. Сложность эксплуатации (ненадежность, вибрация, шум, необходимость периодической разборки и мойки).
3. Воздействие на клетку центробежной силы, нагрев, трудность герметизации и обеспечения асептических условий ведения процесса.
Главные достоинства центрифугирования и сепарирования — высокая производительность и высокая степень концентрирования — позволяют успешно конкурировать с другими способами выделения и концентрирования как в промышленных, так и в лабораторных условиях.
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.
На процесс фильтрования влияет ряд факторов, которые можно разделить на две группы:
1. Макрофакторы — разность давлений, толщина слоя осадка, вязкость жидкой фазы и др. Эти факторы заведомо известны и контролируются с помощью приборов.
2. Микрофакторы — размер и форма частиц осадка и пор фильтровальной перегородки, толщина двойного электрического слоя на поверхности частиц и др. Эти факторы менее изучены и их характеризуют лишь косвенными методами. Именно микрофакторы оказывают решающее влияние на процесс фильтрования и затрудняют его масштабирование.
При фильтровании культуральной жидкости образуются большей частью студенистые хлопьевидные или мелкозернистые осадки, обладающие большим сопротивлением. Средняя скорость фильтрации при этом составляет всего 50 л/м 2 в час.
Для увеличения скорости фильтрования обычно используют два приема:
1. Предварительная обработка суспензий.
2. Применение вспомогательных фильтровальных материалов. Предварительная обработка культуральной жидкости позволяет более полно перевести целевой продукт в жидкую или твердую фазу, обеспечить лучшее разделение фаз и получить продукт, годный для дальнейшей очистки и выделения. В результате предварительной обработки происходит коагуляция взвешенных частиц.
Наиболее распространены следующие способы предварительной обработки:
1. Кислотная коагуляция (применяется для выделения антибиотиков, стойких к низким рН).
2. Обработка электролитами.
3. Тепловая коагуляция (возможна в тех случаях, когда продукт стоек к нагреванию до 70-80°С).
4. Образование наполнителей при добавлении химических агентов. 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 (экст-рагентов).
Физическая сущность экстракции состоит в переходе извлекаемого компонента их одной фазы (жидкой или твердой) в фазу жидкого экст-рагента 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.
1. Низкие затраты.
2. Высокая скорость экстракционных процессов.
Недостаток метода: использование вредных, взрывоопасных органических растворителей.
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 которые одинаково хорошо сорбируют 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 нерастворимые в воде и обычных растворителях, которые содержат активные (ионогенные) группы с подвижными ионами, способные обменивать эти ионы на ионы электролитов при контакте с их растворами.
Наиболее перспективны синтетические ионообменные смолы (КУ-2, КБ-4, КБ-ЧП-2, КМД, АВ-17, ЭДЭ-10 и др.).
В зависимости от наличия ионогенных групп иониты можно разделить на 2 основных класса:
1. Ионообменные сорбенты, содержащие кислотные группы — катиониты (нерастворимые кислоты).
2. Ионообменные сорбенты, содержащие основные группы — анио-ниты (нерастворимые основания).
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 температуры.
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 упаривание в производстве антибиотиков осуществляют при температуре 60-70°С под вакуумом, поэтому данный метод недопустим при переработке термолабильных биологически активных веществ.
Видео:Определение СОЭ по методу ПанченковаСкачать
Методы выделения и концентрирования продуктов биологического синтеза
Все методы выделения продуктов биологического синтеза из культуральной жидкости делят на две группы:
1. Экстракция, ионный обмен, адсорбция, кристаллизация — если целевой продукт в растворе.
2. Осаждение, 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 осаждения, фильтрования, центрифугирования, сепарирования и мембранных методов (электродиализ, ультра- и микрофильтрация).
Осаждение (седиментация) — процесс расслоения дисперсных систем под действием силы тяжести и отделение дисперсной фазы в виде осадка.
Простейший случай седиментации — отстаивание
Центрифугирование — это разделение неоднородных систем под воздействием поля центробежных сил.
Для центрифугирования применяют центрифуги различных конструкций.
Области применения центрифугирования:
1. Выделение биомассы из культуральной жидкости (дрожжи, бактерии, грибы).
2. Отделение различных целевых продуктов микробиологического синтеза (антибиотики, ферменты, витамины и др.), переведенных предварительно в твердую фазу.
3. Разделение эмульсий, образующихся при экстракции.
1. Сложность конструкции, высокая энергоемкость и стоимость.
2. Сложность эксплуатации (ненадежность, вибрация, шум, необходимость периодической разборки и мойки).
3. Воздействие на клетку центробежной силы, нагрев, трудность герметизации и обеспечения асептических условий ведения процесса.
Главные достоинства центрифугирования и сепарирования — высокая производительность и высокая степень концентрирования.
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.
На процесс фильтрования влияет ряд факторов, которые можно разделить на две группы:
1. Макрофакторы — разность давлений, толщина слоя осадка, вязкость жидкой фазы и др. Эти факторы заведомо известны и контролируются с помощью приборов.
2. Микрофакторы — размер и форма частиц осадка и пор фильтровальной перегородки, толщина двойного электрического слоя на поверхности частиц и др. Именно микрофакторы (малоизучены) оказывают решающее влияние на процесс фильтрования и затрудняют его масштабирование.
Для увеличения скорости фильтрования обычно используют два приема:
Экстракция — процесс разделения смеси твердых и жидких веществ с помощью избирательных (селективных) растворителей (экстрагентов).
Физическая сущность экстракции состоит в переходе извлекаемого компонента их 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.
Преимущества метода: низкие затраты + высокая скорость экстракционных процессов.
Недостаток метода: использование вредных, взрывоопасных органических растворителей.
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.
В настоящее время разработаны ионообменные сорбенты (иониты), которые характеризуются различной избирательностью и высокой специфичностью. 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 температуры.
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.
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. Данный метод недопустим при переработке термолабильных биологически активных веществ.
МЕМБРАННЫЕ МЕТОДЫ РАЗДЕЛЕНИЯ:
1. Диализ и электродиализ.
2. Обратный осмос.
В основе этих методов лежит явление осмоса — диффузии растворенных веществ через полупроницаемую перегородку, представляющую собой мембрану с большим количеством (до 10 10 -10 11 на 1 м 2 ) 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.
Видео:Скорость оседания эритроцитов (СОЭ) - о чем расскажет ваша кровьСкачать
Процессы в биотехнологии: постферментационная стадия, фракционирование экстрактов биомассы
Видео:Седиментационный анализСкачать
Постферментационная стадия
Постферментационная стадия обеспечивает получение готовой товарной продукции и также обезвреживание отходов и побочных продуктов. Культуральная жидкость, образующаяся в процессе ферментации, представляет собой сложную многофазную систему: в водной фазе содержатся клетки продуцента, продукты их жизнедеятельности, непотребленные компоненты питательной среды, мельчайшие капельки жира и пузырьки воздуха.
В свою очередь, водная фаза культуральной жидкости (нативный раствор) включает большое количество органических и неорганических веществ, коллоидных фракций белков, сухой остаток культуральной жидкости — до 17 % и более, содержание биомассы в культуральной жидкости достигает 8-10 %. Концентрация целевого продукта чаще всего не превышает 1,5 %, что составляет менее 10 % сухого остатка.
В зависимости от целевого назначения конечного продукта (для здравоохранения, технических целей, сельского хозяйства и т. д.), локализации конечного продукта (клетка или культуральная жидкость) и его природы на постферментационной стадии применяют различную аппаратуру, методы выделения и очистки (рис. 2.3). Наиболее трудоемко выделение продукта, накапливающегося в клетках.
Первым этапом постферментационной стадии является фракционирование культуральной жидкости и отделение взвешенной фазы — биомассы. Наиболее распространенный метод для этих целей — сепарация, осуществляемая в специальных аппаратах — сепараторах, которые работают по различным схемам, в зависимости от свойств обрабатываемой культуральной жидкости.
Основные проблемы возникают при необходимости выделения мелковзвешенных частиц размером 0,5-1,0 мкм и менее (бактериальные клетки) и переработки больших объемов жидкости (производство кормового белка). Для повышения эффективности процесса сепарации применяют предварительную специальную обработку культуры — изменение pH, нагревание, добавление химических агентов.
Видео:Технологии, применяемые для сейсмофациального анализаСкачать
Фракционирование экстрактов биомассы
Полученные с помощью биосинтеза (ферментации) продукты всегда оказываются в сложной смеси с другими продуктами жизнедеятельности той же биосинтетической системы, будь то культура клеток микробов, клеток животных или растений или даже целый организм. Важнейшей задачей биотехнологии является очистка целевого продукта из этой сложной смеси. Целевой продукт может находиться либо внутри клетки, либо вне ее — в культуральной жидкости.
Отделяя клеточную массу от культуральной жидкости, мы частично обогащаем целевой продукт, удаляя из содержащей его смеси соответствующие компоненты — внеклеточные или внутриклеточные соответственно. Однако сложность смеси, в которой оказывается продукт, остается все еще высокой. В случае если он находится внутри клеток, последние необходимо разрушить, после чего мы переходим к фракционированию многокомпонентного раствора; если же мы имеем дело с внеклеточным продуктом, то сразу можем приступать к фракционированию раствора, что, по сути, является первым этапом очистки целевого продукта. Эта задача является фактической задачей на разделение суспензии и имеет несколько вариантов инженерного решения.
Разделение суспензий. Одним из способов разделения суспензий является седиментация — разделение культуры как дисперсной системы на дисперсную фазу и дисперсионную среду (в нашем случае — клетки продуцента и культуральную жидкость). Разделение фаз в простейшем случае может быть достигнуто длительным отстаиванием, в процессе которого клетки продуцента, отличающиеся по плотности от культуральной жидкости, рано или поздно либо выпадут в осадок, либо всплывут.
Однако при осуществлении биотехнологических процессов образуются системы, в которых дисперсная фаза состоит из мелких частиц, мало отличающихся по плотности от дисперсионной среды. Кроме того, поскольку мы имеем дело с живой системой, в которой продолжаются биохимические системы, возможно понижение концентрации целевого продукта за счет деградации его клеточными ферментами. Все это приводит к необходимости ускорить процесс разделения системы. Для этого используют центрифуги (центрифугирование).
С их помощью можно решить следующие технологические задачи:
— разделение суспензии на осадок и раствор;
— разделение эмульсий на две жидкие фазы различной плотности.
Центрифуги используют как в лабораториях, так и в промышленном производстве. Лабораторные центрифуги представляют собой аппараты периодического действия, в которые загружается определенное количество разделяемой смеси, производят в заданных условиях процесс разделения, останавливают и выгружают жидкую фазу и осадок. В промышленности чаще применяют центрифуги непрерывного действия, позволяющие перерабатывать за один цикл объемы разделяемой смеси, значительно превышающие вместимость ротора.
Скорость осаждения можно регулировать путем подбора соотношения плотностей дисперсной фазы и дисперсионной среды. Одним из вариантов использования этого принципа является центрифугирование в градиенте плотности растворителя. Для этого в состав растворителя вводят компонент, дающий растворы высокой плотности. Чаще всего используются сахароза, некоторые специальные полимеры (фиколл -сополимер сахарозы и эпихлоргидрина, перколл — коллоидные частицы силикагеля, покрытые поливинилпирролидоном) или растворы солей (CsCl, Cs2SO4, CsI и другие соли цезия).
Другие способы разделения суспензий. Клетки микроорганизмов можно просто отфильтровать от культуральной жидкости, что и используется при стерилизации питательных сред. Но если при стерилизации требования к содержанию микробных клеток в фильтрате очень высоки, то при отделении клеток от культуральной жидкости, после выращивания микробной культуры, эти требования гораздо ниже. Эти обстоятельства позволяют использовать при фильтрационном разделении технологической культуры материалы более грубые по размерам пор, но обладающие высокой механической прочностью и пропускной способностью.
К такого рода материалам относится, в частности, ткань Петрянова (по имени советского ученого-химика). Для осуществления фильтрации применяется специальная аппаратура — вакуумные фильтры барабанного типа, фильтр-прессы, на которых фильтрация идет под давлением. Существуют также фильтрующие центрифуги, в которых центробежная сила используется для продавливания жидкости через слой фильтрующего материала.
В некоторых случаях при разделении микробных суспензий используют технику флотации, когда в культуру добавляют относительно небольшое количество несмешивающейся с водой жидкости в мелко раздробленном состоянии. На поверхности раздела капелек этой жидкости и воды сорбируются клетки культуры, и после расслаивания эмульсии микробную массу удается сконцентрировать.
Видео:Физиология. Определение скорости оседания эритроцитов (СОЭ) по методу ПанченковаСкачать
Разрушение клеточной массы (дезинтеграция)
Для извлечения целевых продуктов, находящихся внутри клетки микроорганизма или при получении продуктов из тканей животных или растений, необходимо прежде всего разрушить их или осуществить процедуру дезинтеграции.
Дезинтеграция клеточной массы представляет собой один из важнейших элементов биотехнологического процесса. Эту процедуру осуществляют физическими, химическими или ферментативными методами.
Наиболее распространенными в промышленности являются физические методы, среди которых чаще всего применяют баллистические методы дезинтеграции. Сущность этой группы методов состоит в том, что биомассу подвергают воздействию удара или истирания. В первом случае биомассу помещают в цилиндрический барабан, вращающийся вокруг оси и наполненный шариками из тяжелого твердого материала (металл или фарфор).
При вращении барабана шарики перекатываются и ударяют по агломератам биомассы, причем удары происходят достаточно часто и в разных направлениях. Это приводит к разрушению клеточных стенок и получению однородного вязкого раствора, в котором находится содержимое клеток.
Однако следует учитывать, что в ходе такой обработки содержимое барабана существенно нагревается от соударений. Учитывая термолабильность компонентов клетки, это тепло необходимо удалять, что достигается введением в конструкцию дезинтегратора теплоотводящих элементов. Обычно это рубашка (кожух, в который помещают барабан), через которую пропускают холодную воду или другой хладоагент. Степень дезинтеграции (доля разрушенных клеток) за один цикл составляет 52-85 %, в зависимости от вида подвергаемой обработке биомассы.
Ход дезинтеграции можно описать уравнением
где А — степень дезинтеграции, %, К — константа скорости дезинтеграции, f -объемная скорость, л/час.
Другим способом механической дезинтеграции клеток является экструзия. Сущность этого метода заключается в том, что суспензию клеточной массы под высоким давлением продавливают через узкое отверстие в камеру с нормальным давлением. При этом из-за большого перепада давления вода, которая попала в клетки, быстро выходит из них и при этом разрушает клеточную стенку. Кроме этого происходит разогрев и также необходимо охлаждение во избежание потерь продукта из-за термоинактивации. Степень разрушения клеток при таком способе составляет до 90 %.
Ультразвуковая дезинтеграция. Помимо механических способов используются приемы, основанные на воздействии на клетки ультразвука. Под действием ультразвукового поля клетки испытывают попеременные сжатия и растяжения, скручивание в различных направлениях, что, в конце концов, приводит к разрыву клеточной стенки и ее разрушение.
Как и в случае баллистических методов, операция дезинтеграции с помощью ультразвука может осуществляться как в периодическом, так и в непрерывном режимах. Для этой цели сконструированы специальные ячейки, позволяющие прокачивать суспензию разрушаемой биомассы со скоростью нескольких литров в минуту при концентрации клеток в суспензии до 20 % и поддерживать при этом температуру 2-4 С. Для более полного разрушения биомассу можно возвращать в цикл.
Химические методы разрушения клеток. Как различные методы механической дезинтеграции, так и ультразвуковая дезинтеграция биомассы основаны на использовании механического разрыва клеточной оболочки — либо ее абразивное разрушение, либо разрыв ее за счет осмотических сил.
В ряде случаев более удобным оказывается разрушение клеточной оболочки за счет перевода в раствор отдельных ее компонентов, т. е. изменения ее состава и структуры, что делает ее более проницательной для клеточного содержимого.
Одним из таких методов является детергентный лизис клеток. Биомасса продуцента в этом случае обрабатывается каким-либо из детергентов, который растворяет липидные компоненты клеточной стенки, после чего внутриклеточные компоненты через образовавшиеся поры вытекают в окружающую среду.
💡 Видео
Вычислительная гидродинамика (ВГД). Уравнение Рейнольдса и метод конечных объемовСкачать
Очистка соединений 6-валентного урана методом осажденияСкачать
Основы процесса седиментации дисперсных частиц в сооружениях отстойного типаСкачать
Смена биоценозов. Сукцессии. Видеоурок по биологии 11 классСкачать
Урок 36. Измерение ускорения стробоскопическим методомСкачать
XVII.I.10 - Влияние поглощения на определение скорости объемной эмиссии OI135,6нм - Калашникова С.А.Скачать
Использование таблиц потенциалов и расчет ЭДС реакции. Продукты в ОВР. Ч.5-1.Скачать
Сейсморазведка: Прикладная теория определения скоростных и глубинных параметров среды. Каплан С.А.Скачать
Отстойники воды в УЗВ! Lagoons of water in RASСкачать
Определение СОЭСкачать
Методы биологии | ЕГЭ 2020Скачать
ПРАВИЛА РАБОТЫ С ДРОЖЖАМИ. Часть 2Скачать
Приспособленность организмов к условиям внешней среды как результат естественного отбора. ВидеоурокСкачать
Урок 267. Компенсационные методы измерения ЭДС и сопротивленияСкачать
Сергиев П. В. - Методы молекулярной биологии - Выделение компонентов из клетокСкачать
