Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Технологии и оборудование производства и переработки микроводорослей. Учебное пособие.pdf
Осмотический шок – это метод, который может использоваться в биотехнологии для вызывания клеточного лизиса.
Клетки сначала подвергаются воздействию высокой или низкой
концентрации соли. Затем условия быстро меняются на противоположные, что приводит к возникновению осмотического
давления и лизису клеток. Причина этого в том, что в ответ на
изменение концентрации соли культуральной жидкости кл
етка
будет активно выделять или поглощать воду. Таким образом,
если клетки сначала подвергаются воздействию раствора с высокой концентрацией соли, жидкость может поступать в клетку
после воздействия низкой концентрации соли и клетка лопнет.
В результате давление в клетке увеличивается, и клетка взрывается. И наоборот, если клетка подвергается воздействию высокой концент
рации соли (~
1 молярный раствор) после воздейст-
вия низкой концентрации, жидкость вытекает из клетки, что
приведет к разрушению клеток.
Осмотический шок обычно не используется для разрушения
клеток из-за его низкой эффективности. Для эффективного разрушения требуется предварительная ферментативная обработка
с целью ослабить клетки. Кроме того, эта технология требует
добавления большого количества солей и воды, что у
величивает
затраты на последующую обработку продукта вследствие разбавления.
Немеханические химические и ферментативные методы
В дополнение к физическим и механическим методам существуют несколько химических методов дезинтеграции. Данные методы основаны на использовании химических веществ
или ферментов в процессе разрушения. Механизмов действий
несколько, но наиболее часто используются методы разрушения
клеточной стенки ферментами, осмотическим давлением или
осаждающими белками. Кроме того, для достижения желаемой
эффективности можно объединить нес
колько методов.
71
Моющие средства
Детергенты, используемые для разрушения клеток, делятся
на анионные, катионные и неионные. Общим для всех них является то, что они повреждают клеточную стенку или мембрану,
что приводит к высвобождению внутриклеточного содержимого. Одним из часто используемых анионных детергентов является додецилсульфат натрия (SDS), который реорганизует мембрану путём нарушения белковых взаимодействий. Другим широко использу
емым соединением является Triton X100, являющийся неионным детергентом. Механизм его действия заключается в солюбилизации мембранных белков.
Недостатком использования детергентов для клеточного
лизиса является денатурация многих белков. Детергенты могут
также нарушить этапы последующей обработки, т.е. после лизиса клеток может потребоваться дополнительный этап очистки,
что ограничивает их использование в кру
пномасштабных про-
цессах.
Растворители
Одним из дополнительных способов разрушения клеток
является использование химических растворителей. Растворители, которые могут быть использованы для лизиса клеток, включают некоторые спирты, диметилсульфоксид, метилэтилкетон
или толуол. Эти растворители экстрагируют липидные компоненты клеточной стенки, что приводит к высвобождению внутриклеточных компонентов. Этот метод может использоваться
с широким спектром производственных организмов, но пробле-
ключается в том, что некоторые белки денатурируются.
ма за
Тем не менее преимуществом является то, что по выбору растворителя можно было бы выбрать целевой продукт. Этот метод
обычно не применяется в крупномасштабных производствах.
72
В дополнение к растворителям клеточный лизис может
быть достигнут путём гидролиза клеточной стенки щелочным
соединением (рН 10,5…12,5). Недостатком этого метода является то, что существуют высокие химические затраты на нейтрализацию щёлочи. Кроме того, продукт может быть нестабильным в щелочных условиях.
Ферменты
Другим путём достижения клеточного лизиса является
использование гидролитических ферментов, которые будут разрушать клеточную стенку. Различные типы клеток имеют
различные типы клеточных стенок и мембраны, и, следовательно, используемый фермент зависит от вида микроорганизма.
Ферменты разрушают компоненты клеточной стенки, что приводит к высвобождению внутриклеточных соединений. Использование ферментов в процессе ли
самых щадящих методов. Однако высокая цена и ограниченная
доступность фермента ограничивают их использование в больших масштабах. Кроме того, добавленный фермент может
усложнять последующую обработку (например, очистку). Однако эти недостатки можно свести к минимуму путём иммобилизации ферментов.
Экстракция – способ разделения компонентов раствора путём испо
льзования неравного распределения компонентов между двумя несмешивающимися жидкими фазами. В большинстве
случаев этот процесс осуществляется путём тщательного смешивания двух несмешивающихся фаз, что позволяет перенос
растворённого вещества из одной фазы в другую. Как правило,
одна фаза представляет собой водный раствор, содержащий
компоненты, которые должны быть разделены, а другая фаза –
органически
й растворитель, имеющий высокое сродство к неко-
зиса клеток является одним из
73
торым конкретным компонентам раствора. Экстракция может
быть разовой (однократной или многократной) или непрерывной (перколяция).
Простейший способ экстракции из раствора – однократная
или многократная промывка экстрагентом в делительной воронке. Делительная воронка представляет собой сосуд с пробкой и
краном для слива нижнего слоя жидкости. Для непрерывной
экстракции используются специальные аппараты – экстракторы,
или перколяторы. Для извлечения индиви
дуального вещества
или определённой смеси (экстракта) из сухих продуктов в лабораториях широко применяется непрерывная экстракция по
Сокслету.
В лабораторной практике химического синтеза экстракция
может применяться для выделения чистого вещества из реакционной смеси или для непрерывного удаления одного из продуктов реакции из реакционной смеси в ходе синтеза.
4.2. Экстракторы
Смесители-отстойники
Данный тип аппаратов состоит из небольшой смесительной
камеры с последующей большой гравитационной осадительной
камерой (рис. 25). Каждый блок смесителя-отстойника обеспечивает один этап извлечения. Две фазы входят в секцию смешивания, где они смешиваются с использованием импеллера.
Двухфазный раствор втекает в блок отстойника, где он подвергается разделению под действием силы тяжести всл
личия плотностей. Типичные смесители-отстойники имеют время перемешивания порядка несколько минут и время установления нескольких минут. Смесители-отстойники используются,
когда процесс требует большого времени пребывания и когда
растворы легко отделяются под действием силы тяжести.
74
едствие раз-
Рис. 25. Схема смесителя-отстойника
Колонный распылительный экстрактор (рис. 26) представляет собой полую колонну, заполненную сплошной фазой.
Для создания большой поверхности контакта дисперсная фаза
распыляется с помощью распределительного устройства в
сплошной фазе. Распылительные колонны используют в основном в тех случаях, когда требуется достичь высокой производительности аппарата при низком числе теоретических ступеней
контакта фаз (не более двух).
Основными достоинствами этих аппаратов являю
тся:
− высокая интенсивность массопередачи, в том числе при
обработке трудноэкстрагируемых систем, состоящих из жидкостей с повышенной вязкостью и отличающихся большими значениями отношения межфазного натяжения к разности плотностей фаз;
75
Рис. 26. Распылительный колонный экстрактор:
1 – корпус; 2 – распылитель лёгкой жидкости (дисперсной фазы);
3 – поверхность раздела фаз; 4 – гидравлический затвор
− гибкость в работе, обусловленная возможностью варьи-
рования интенсивностью массопередачи и производительности,
за счёт изменения частоты вращения ротора;
− возможность эксплуатации аппаратов большой единич-
ной мощности, отличающихся высокой надёжностью в работе;
− малая чувствительность к умеренным содержаниям при-
месей твёрдой фазы в жидкости.
Центробежные контактные фильтры
Центробежные контактные фильтры, такие как смесителиотстойники, являются блоками дискретной ступени, обеспечивая один этап экстракции на единицу, и легко соединяются друг
с другом, так как каждый насос накачивает жидкости для сле-
76
дующей ступени в каждом направлении. Основное различие
между центробежным контактором и смеситель – это разделение двухфазной смеси. Центробежные контактные фильтры используют вращающийся ротор, который:
1) интенсивно смешивает две фазы;
2) разделяет две фазы внутри ротора, что приводит к эф-
фективному и быстрому разделению фаз.
Отделённые фазы выходят из фильтра с помощью перели
в-
ных и нижних водосливов подобно смесителю-отстойнику.
Центробежные контактные фильтры имеют высокую одноступенчатую эффективность (обычно теоретический выход для
химических процессов более 95%). Прерывания технологического потока не приводят к нарушению механизма процесса,
если центробежные роторы фильтра поддерживаются вращением. Таким образом, процессы, лежащие в основе работы центробежного контактного фильтра, могу
т быть «приостановлены»
в течение периода времени, достаточного для восстановления
потока или даже замены двигателя без существенной потери
продукта или доработки. Центробежные фильтры требуют минимум инструментов для работы процесса. Компьютерное
управление через коммерческое программное обеспечение позволяет контролировать ток двигателя, число оборотов ротора,
скорость потока впуска, температуру и многие др
угие параметры процесса. Центробежные контакторы используются, когда
процесс требует короткого времени пребывания, порядка нескольких секунд. Они требуют небольшого и минимального
свободного пространства, но требуют возможности удалённого
обслуживания для периодического удаления двигателя и/или
ротора.
Центробежные фильтры были предметом многих недавних
разработок за прошедшие 40 лет, в то время как конструкции
пу
льсовой колонны и смесителей мало изменились. Ранние кон-
струкции включали лопастное колесо для смешивания фаз ниже
77
вращающегося ротора. Это исключало удаление ротора, и поэтому был разработан кольцевой центробежный контактор, что
позволило создать узел двигателя и ротора, который легко
снимается. В другие конструкции включены многоступенчатые
устройства, устройства для приложений с низким уровнем микширования (более высокое разделение фаз) и очистки на месте,
которые имеют массив внутренних форсунок для облегчения
у
даления твёрдых частиц, если это необходимо.
Оборудование для экстракции было широко изучено за последние 50 лет. Каждый тип оборудования был проверен на
протяжении многих лет эксплуатации и имеет присущие ему
преимущества и недостатки. Тип, выбранный для конкретного
процесса, должен основываться на нескольких факторах. К ним
относятся: критичность ограничения, объём процесс
а (удержание), сложность процесса (работоспособность), надёжность,
пропускная способность, затраты и проблемы с производительностью, такие как воздействие растворителя (время контакта),
допуск твёрдых частиц, отклонение скорости потока, устойчивость к нарушению равновесия и кинетика процесса.
Контрольные вопросы по разделу
1. Что такое дезинтегратор клеток микроводорослей? Рас-
скажите о методах дезинтеграции.
2. Расскажите о принципе работы одного из методов де-
зинтеграции.
3. Чем обусловлен выбор метода дезинтеграции клеток?
4. Экстракторы и их разновидности. Опишите схему одно-
го из них.
5. От каких факторов зависит выбор экстрактора?
78
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В данном учебном пособии представлена информация
о классификации, технологиях и методах переработки водорослей, которые являются одним из самых перспективных видов
растительного возобновляемого сырья, из которого получают
пищевые добавки, энергоносители, полимеры и т.п.
Пособие включает четыре автономных раздела, каждый из
которых возможно изучать по отдельности независимо от других разделов.
В первой главе проведен анализ современной классификации и систематизации микроводорослей на уровне отделов. Рассмотрены вопросы строения клеток, особенности метаболизма,
размножения.
Отличительной чертой раздела можно назвать то, что для
каждого рассматриваемого отдела микроводорослей у
ся перспективы применения биомассы в современной промышленности.
Во второй главе рассмотрены перспективные технологии, в
которых биомасса микроводорослей может быть использована в
качестве сырья.
В третьей главе приведены примеры оборудования, которые могут быть использованы при культивировании биомассы
микроводорослей в целях получения ценных метаболитов.
В четвёртой главе рассмотрены примеры дезинтеграторов,
необходимых для разрушения клеток и инт
енсификации выхода
ценных метаболитов, экстракторов с помощью которых из биомассы извлекаются эндометаболиты.
казывают-
79
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Малый практикум по ботанике. Водоросли и грибы :
учебное пособие для студентов высших учебных заведений /
Т. Н. Барсукова, Г. А. Белякова, В. П. Прохоров, К. Л. Тарасов. –
М. : Издательский центр «Академия», 2005. – 240 с.
2. Ботаника: В 4 т. Т. 1, 2, 3. Водоросли и грибы : учебник
для студ. высш. учебн. заведений / Г. А. Белякова, Ю. Т. Дьяков,
К. Л. Тарасо
320 с.
3. Тейлор, Д. Биология: В 3-х т. Т. 1, 2, 3 / Д. Тейлор,
Н. Грин, У. Стаут : пер. с англ. ; под ред. Р. Сопер. – 3-е изд. –
М. : Мир, 2004. – 454 с.
4. Ботаника с основами экологии : учебное пособие для
студентов пед. ин-тов по спец. № 2121 «Педагогика и методика
нач. обучения» / Л. В. Кудряшов, М. А. Гуленкова, В. Н. Козлова, Г. Б. Родионова. – М. : Просвещение, 1979. – 320 с.
5. Водоросли, лишайники и мохообразные СССР / под
ред. В. М. Горленко. – М. : Мысль, 1978. – 365 с.
6. Водоросли. Справочник / С. П. Вассер, Н. В. Кондрать-
ева, Н. П. Масюк и др. – Киев : Наукова думка, 1989. – 608 с.
7. Горбунова, Н. П. Альгология : учебное пособие для ву-
зов по специальности «Ботаника» / Н. П. Горбунова. – М. :
Высшая школа, 1991.
8. Algal Biofuels [Электронный ресурс]. – URL : http://
www.nrel.gov/bioenergy/algal-biofuels.html (дата обращения:
22.06.16).
9. UOP Renewable Jet Fuel Process [Электронный ресурс]. –
URL : http://www.uop.com/processing-solutions/renewables/greenjet-fuel/uop-renewable-jet-fuel-process/ (дата обращения: 22.06.16).
в. – М. : Издательский центр «Академия», 2006. –
– 256 с.
80