9. Мембранні методи розділення компонентів біологічних розчинів і суспензій (лекція 15)

Характерною особливістю продуктів біотехнологічних виробництв являється їх комплексний характер, що виражається в наявності компонентів різної фізико-хімічної та біологічної природи. А також різних рівнів дисперсності. Наприклад, при біосинтезі цільових речовин за допомогою бактерій ми маємо справу з культуральною рідиною, що складається з крупнодисперсних компонентів ( клітин, їх фрагменти, широкий спектр біологічних макромолекул, первинні і вторинні метаболіти, різноманітні компоненти живильних середовищ, солі та інші).

Для вирішення задач пов’язаних розділенням клітинної біомаси, видаленням з біологічного розчину цільових продуктів, очищенням продуктів від низько- та високомолекулярних домішок, концентруванням використовують методи центрифугування, вакуумної фільтрації, сольового та органічного осадження. Однак з розвитком мембранної і хроматографічної технологій, що володіють значними перевагами з точки зору технологічності, збереження лабільних продуктів, селективності, стійкості розділення, проводяться інтенсивні роботи по впровадженню мембран і сорбентів для виділення і очищення продуктів біотехнологічних виробництв. Першим етапом на шляху отримання таких продуктів являється процедура відділення клітинної біомаси, для здійснення якої в теперішній час широко використовує мікрофільтрацію.

9.1. Концентрування і очищення мікроорганізмів мікрофільтрацією

Метод мікрофільтрації широко застосовується для концентрації різноманітних біологічних суспензій. Експериментальні дані по концентруванню бактеріальних, вірусних і дріжджових суспензій підтверджують справедливість використаних процесів.

Велике значення при мікрофільтрації відіграє підбір мембран по розмірам пор. При використанні мікрофільтрів з розміром пор близьких до розмірів частинок біологічних суспензій, у початковий період мікрофільтрації реалізується механізм закупорки пор, що призводить до різкого і за звичай незворотного падіння проникності фільтруючих мембран. Оскільки закупорка пор визначається найменшим по розмірам частинкам дисперсної фази, використання для концентрування дрібнопористих і навіть ультрафільтраційних мембран часто більш ефективно, ніж застосування мікрофільтрів. Наприклад, при мікрофільтруванні кліткової суспензії. Однак розмір пор не повинен бути занадто малим, щоб не затримувать дрібнодисперсні компоненти суспензії і не збільшувати ти самим рівень поляризації поверхні мембрани.

Оскільки продуктивні і селективні характеристики мікрофільтраційного концентрування контролюються динамічними мембранами на поверхнях мікрофільтрів, то умовою по розвитку цього напряму являється використання високих швидкостей тангенційного потоку суспензії, що концентрується над поверхнею мембрани. Основним недоліком такого методу інтенсифікації фільтраційного процесу являється інактивація в полях тангенційних напружень не тільки клітин, а і біологічно активних макромолекул. Іншим недоліком являється те, що зі збільшенням тангенційної швидкості потоку зменшується потрапляння у фільтрат дрібнодисперсних компонентів біологічних суспензій, що, наприклад, знижують ефективність виділення цільових продуктів мікробного синтезу із культуральної рідини чи ускладнює очищення вакцин від домішок білків. Причиною цьому є зменшення з ростом тангеційної швидкості концентрації у поверхні мембрани і збільшення коефіцієнту затримки дрібнодисперсних компонентів.

Одним з найбільш перспективних напрямків такої розробки являється використання пульсаційних режимів. Руйнування і розрихлення поляризованого шару досягається зворотно-поступальними рухами концентрату, зворотнім прокачуванням фільтрату чи періодичним регенеруванням мембран тангенційним потоком. Перевагою пульсаційних режимів є збільшення продуктивності процесу, що не пов’язані з такими негативними наслідками тангенційної прокачки, як інактивація біопрепаратів і погіршення очищення суспензій від низькомолекулярних компонентів.

Метод мікрофільтрації являється досить ефективним методом концентрування і розділення біологічних суспензій, що дозволяє проводити їх глибоке очищення. А також отримати продукти заданої якості. Такі переваги методу, як технологічність, універсальність, низькі капітальні і поточні затрати, можливість проведення герметичного процесу, низькі втрати продукту, дозволили йому значно потіснити традиційний спосіб концентрування біомаси за допомогою центрифугування.

Не ватро однак вважати, що мікрофільтрація зможе замінити повністю концентрування біологічних суспензій за допомогою центрифуг і сепараторів. Так центрифугування дає можливість проводити концентрування до значно вищих концентрацій клітин, ніж це можливо за допомогою мікрофільтрації. Очевидно також, що мембранні і центробіжні методи доповнюють один одного і вибір способу концентрування чи розділення біологічних суспензій повинен визначатися конкретними задачами і економічними показниками процесу.