9.2. Концентрування і очищення розчинів біологічно активних речовин ультрафільтруванням

Об’єктами ультрафільтрації в біотехнології являється молекулярні складові розчинів та суспензій з розмірами частинок від 1 до 100 нм. Повне розділення компонентів за допомогою ультрафільтрації може бути досягнуто при різниці їх молекулярних мас в 10-1000 разів. Це визначає переваги використання ультрафільтрації в процесах концентрування біологічних розчинів, а також очищення цих розчинів від високо - і низькомолекулярних домішок.

Велика серія експериментальних робіт по практичній реалізації процесів ультрафільтрації присвячена оптимізації умов їх проведення по таким параметрам, як тиск, температура, склад сировини, тощо.

Рисунок 12. Залежність фільтраційного потоку J від концентрації розчинів і суспензій:

1- суспензія лакофарбового покриття; 2- бутадиестирольні латекси; 4- людський сивороточний альбумін; 4- желатина ( ).

Залежність від тиску має гіперболічний характер. При невеликих тисках проникність росте пропорційно ; при підвищенні тиску продуктивність перестає залежить від тиску. Експериментально знайдено оптимум тиску складає для розчинів террилітину – ; стрептокінази ; ліпази ; амілази Bacillus subtillis .

Збільшенню проникності сприяє підвищення температури, що пояснюється зменшенням в’язкості розчину, а також збільшенням коефіцієнту дифузії розчинених молекул.

В цілому при використанні мембранних методів втрати цільового продукту менші, ніж при традиційних методах. Втрати обумовленні адсорбцією речовин на мембранах та деталях апаратів, що особливо суттєво при обробці низько концентрованих розчинів, інактивацією в тангенційних полях швидкостей, деформацією макромолекул при проходженні пор, видаленням природних стабілізаторів, надмірним концентруванням продукту.

Сумуючи все сказане можна констатувати, що експериментальні дані по концентруванню і очищенні біологічних розчинів і суспензій в цілому відкривають широкі можливості для спрямованої розробки процесів мембранного розділення і реалізація їх в рамках сучасних промислових технологій.

9.3. Мембранне розділення компонентів розчинів біологічно активні речовини (лекція 16)

Застосування ультрафільтрації для розділення і фракціонування біологічних розчинів обмежено низькою роздільною здатністю мембран, що можуть розділять компоненти з різними молекулярними масами на один два порядки, або отримати фракції з параметром неоднорідності порядку 1. Навіть застосування режиму діафільтрації, що дає можливість приблизно на порядок збільшити роздільну здатність мембран, не робить ці процеси ефективними. Оскільки ультрафільтрація в цьому випадку втрачає свої основні переваги, а саме технологічність і високі швидкості обробки. Тому ультрафільтрація практично не використовується для розділення компонентів розчинів, крім випадків відділення низько - і високомолекулярних домішок. Наприклад, спроби використання ультрафільтрів для розділення білків плазми крові обмежилися процесами концентрування и знесолення. Під фракціонуванням історично розуміють розділення по масам чи розмірам частинок, на частинки більш менш однорідні по масі, розмірам, складу та іншим параметрам.

Численні теоретичні та експериментальні дані по використанню ультрафільтрації вказують на низькі роздільні здатності цього методу стосовно розділення та фракціонування біологічних розчинів. Причиною цьому окрім низької ефективності власне мембранного розділення являється те, що в якості фактору ділення тут використовують, досить несприйнятливий до природи біологічних речовин, параметр, яким являється ефективний гідродинамічний розмір макромолекули. Враховуючи те, що характерною особливістю компонентів біологічних розчинів, на відміну від розчинів синтетичних полімерів, являється відмінності у властивостях біомолекул, таких як функціональна специфічність, гідрофільно-гідрофобний баланс, електрохімічні характеристики. Найбільш селективними являються основані на цих відмінностях методи афінної, іонно-гідрофобної і імунної хроматографії, іонного обміну та інші. Були зроблені спроби об’єднати ультрафільтрацію з високоселективними методами, що привело до створення нового і досить перспективного напрямку в мембранній технології, а саме ультрафільтрації з попереднім зв’язуванням чи, як його іноді називають, метод комплексоутворення – ультрафільтрації (КОУФ)..

Рисунок 13. Принципова схема процесу ультрафільтрації з попереднім зв’язуванням:

1 – вихідна ємність; 2 – циркуляційний насос; 3 – фільтраційний модуль.

Суть даного методу полягає в наступному. В ємність 1 в якій міститься розчин, що розділяється, подають агент-носій з приєднаними регулюючими компонентами, здатними зв’язуватися з цільовим продуктом біологічної суміші. Після зв’язування розчин піддають ультрафільтрації (діафільтрації) на мембранах 3, пропускаючи всі компоненти суміші, окрім отриманих після десорбції конканаваліна А з поверхні клітин.

Іншою перспективною областю неспецифічного застосування мембран являється оптимізація процесів осадження біологічно активних речовин за допомогою солей або органічних розчинників. Одним з недоліків такого методу являється неоднорідність і нестаціонарність процесу заміщення розчинника осаджувачем, що призводить до локальних флуктуацій складу осаджувач – розчинник і внаслідок цього втрат продукту і зниження його чистоти. Було показано, що подаючи осаджувач через мембрани, можна досягти осадження кожного компоненту в високоочищеній і легкороздільній формі і тим самим значно підвищити селективність і ефективність розділення.