Основные подходы к первичной обработке биологического сырья. Методы гомогенизации

1. Методы гомогенизации

Сепарация, осаждение, экстракция

Перепад давления	Градиент концентрации (активности)	Градиент температуры	Градиент электрического потенциала
Микрофильтрация Ультрафильтрация Обратный осмос Пьезодиализ	Первапорация Газоразделение Диализ	Термоосмос	Электродиализ Электроосмос

3. Центрифугирование

Разделение веществ с помощью центрифугирования основано на разном поведении частиц в центробежном поле.

Скорость седиментации зависит от центробежного ускорения (G), прямо пропорционально угловой скорости ротора (w, рад*с-1) и расстоянию между частицей и осью вращения (r, см):

G=w² r.

При перечислении условий разделения частиц указывают скорость вращения и радиус вращения ротора, а также время центрифугирования. Центробежное ускорение обычно выражают в единицах g, рассчитанных из среднего радиуса вращения (rсред) столбика жидкости в центрифужной пробирки (т.е. расстояния от оси вращения до середины столбика жидкости).

Скорость седиментации сфериченских частиц зависит не только от центробежного ускорения, но и от плотности и радиуса самих частиц и вязкости среды суспендирования. Время, необходимое для осаждения сферической частицы в жидкой среде от мениска жидкости до дна центрифужной пробирки, обратно пропорционально скорости седиментации и определяется следующим уравнением:

t=9/2*h*(2 w² r² _ч (r_ч -r))*Ln(r_д / r_м ),

где t – время седиментации, h - вязкость среды, rч – радиус частицы, rч-плотность частицы, r - плотность среды, rд – расстояние от оси вращения до мениска жидкости, rм - расстояние от оси вращения до дна пробирки.

Дифферинциальное центрифугирование. Этот метод основан на различиях в скорости седиментации частиц, отличающихся друг от друга размерами и плотностью. Разделяемый материал центрифугируют, осадок отделяют от надосадочной жидкости, а надосадочную жидкость центрифугируют при большем центробежном ускорении.

Зонально – скоростное центрифугирование. Исследуемый образец наслаивается на поверхность раствора с непрерывным градиентом плотности. Затем центрифугируют до тех пор, пока частицы не распределятся вдоль градиента в виде дискретных зон или полос.

Изопикническое центрифугирование. Образец наслаивается на поверхность раствора с непрерывным градиентом плотности, охватывающим диапазон плотностей всех компонентов смеси. Центрифугирование проводят до тех пор, пока плавучая плотность частиц не сравняется с плотностью соответствующих зон, т. е пока не произойдет разделение частиц по зонам.

Равновесное центрифугирование в градиенте плотности. Растворенное вещество и растворитель сначала распределяются по всему объему равномерно. В ходе центрифугирования устанавливается равновесное распределение концентрации, а следовательно, и плотности. Под действием центробежного ускорения молекулы вещества перераспределяются, собираясь в виде отдельной зоны в части пробирки с соответствующей им плотностью.

Для создания градиентов плотности применяются растворы сахарозы, тяжелая вода, соли тяжелых металлов, например рубидия или цезия.

Центрифуги.

Центрифуги общего назначения дают максимальную скорость 6000 об/мин и ОЦУ до 6000g. Во всех центрифугах этого типа роторы жестко крепятся на валу привода, и центрифужные пробирки вместе с их содержимым должны быть тщательно уравновешены с точностью до 0,25гр.

Скоростные центрифуги дают предельную скорость 25000 об/мин, ОЦУ до 89000g. Камера ротора снабжена системой охлаждения, предотвращающей нагревание.

Ультрацентрифуги дают предельную скорость до 75000 об/мин, ОЦУ до 510000g. Они снабжены как холодильником, так и вакуумной установкой. Роторы таких центрифуг изготавливают из высокопрочных титановых сплавов. Для уменьшения вибраций ультрацентрифуги имеют гибкий вал. Центрифужные пробирки и их содержимое должно быть уравновешено с точностью до 0,1гр.

4. Осаждение.

Глава методы осаждения вынесена для самостоятельной теоретической проработки, а также подробно рассматривается в рамках малого практикума.

5. Экстракция.

Мацерация – твердое вещество экстрагируют многократно отдельными порциями растворителя при комнатной температуре.

Дигерирование – твердое вещество экстрагируют отдельными порциями растворителя при нагревании. Измельченное твердое вещество размешивают с растворителем и затем фильтруют или декантируют.д.ля более полного извлечения операцию повторяют несколько раз, используя небольшие порции свежего растворителя.

Перколяция – непрерывная экстракция. Наибольшую эффективность процесса обеспечивает противоточный принцип. Он заключается в том, что материал, содержащий больше всего экстрагируемого вещества, омывается наиболее концентрированным раствором, а экстрагированный материал в верхних слоях омывается чистым растворителем.

Перфорация – непрерывная экстракция, если вещество хорошо растворимо в воде.

Распределение растворенного вещества между жидкими фазами определяется законом распределения Нернста. Трудность разделения определяется величиной b - фактором разделения. Оба вещества могут быть разделены удовлетворительно если b>100.

Выбор растворителей.

Взаимная растворимость фаз.

Растворимость данного вещества и селективность растворителя.

Устойчивость вещества в растворе.

Чистота и устойчивость растворителя.

Достаточное различие плотности обеих фаз (на 0,1 – 0,2).

Склонность к образованию эмульсий.

Для разрушения эмульсий спирт, ацетон, бензол, насыщенный р-р поваренной соли.

Безопасность.

Легкость удаления растворителя из экстракта.

5.1. Сверхкритическая экстракция (SFE).

SFE используется для сложных смесей и рассматривается как альтернатива Сокслету.

Для экстракции применяется углекислый газ. Параметры, которые можно варьировать: плотность (давление) СО2, температура, расход, предобработка образцов, сбор фракций и время экстракции.

Правила для изменения параметров.

При увеличении давления и плотности увеличивается экстрагирующая способность СО2.

Чем меньше молекулярный вес вещества, тем меньшее давление (плотность) требуется для растворения вещества и его экстракции.

Чем полярнее вещество, тем выше должно быть давление.

Из экспериментальной практики известно, что лучше выбирать низкую температуру, высокую плотность и низкое давление. Это обеспечит быструю и эффективную экстракцию.

 

 

 

 

 

 

 

содержание   ..  221  222  223   ..

 

Назва-ние про-цесса	Мембра-ны	Толщи-на (мкм)	Размер пор	Мембра-нные метариа-лы	Движущая сила процесса	Принцип разделения	Применение
Микро-фильт-	Асиммет-ричные или симмет-ричные, пористые	10 – 150	0,05 – 10 мкм	Полимерные и керамические	Давление (<2 бар)	Ситовой механизм	В аналитических целях, стерилизация (пища, лекарственные препараты), ультрачистая вода для полупроводников, осветление напитков, концентрирование клеток и мембранные биореакторы (биотехнология), плазмофорез (медицина)
Ультрафильтрация	Пористые асимметричные	150	1 – 100 нм	Гидрофильные полимерные и керамические	Давление	Ситовой механизм	Молочная промышленность (обработка молока, сыворотки, сыроделие), пищевая промышленность (извлечение крахмала, белков), металлургия (разделение эмульсий масла в воде, извлечение красителей), текстильная промышленность (извлечение индиго), фармацевтическая промышленность (извлечение ферментов, антибиотиков и жаропонижающих препаратов).
Обратный осмос	Асимметричные или композиционные	Подложка 150 мкм, верхний слой 1 мкм.	<2 нм	Триацетат целлюлозы, ароматические полиамиды, полиуретановые эфиры	Давление	Растворение - диффузия	Обессоливание солоноватых вод и морской воды, производство ультрачистой воды (электронная промышленность), концентрирование пищевых соков и сахара (пищевая промышленность), концентрирование молока (молочная промышленность)
Пьезодиализ	Мозаичные мембраны с чередованием катионных и анионообменных областей	Несколько сот мкм	непористые	Катионо-анионообмен-ные смолы	Давление (до 100 бар)	Ионный транспорт	Концентрирование солей.
Газоразделение	Композиционные или асимметричные с верхним слоем из эластомера или стеклообразного полимера	Подложка 150 мкм, верхний слой 0,1 - 5 мкм.	Непористые или с порами <1 мкм	Эластомеры: полидиметилсилоксан, полиметилпентен.	Давление над мембраной до 100 бар, или вакуум после мембраны	Механизм растворение диффузи (непористые мембраны);	Извлечение водорода или гелия, СН4/СО2, Н2S