Transfer masy i ciepła w przemyśle chemicznym i

biochemicznym

Techniki separacji. Flokulacja, sedymentacja

Precypitacja

Rozbijanie ścian komórek

Techniki zagęszczania

Ekstrakcja

Filtracja

Ultrafiltracja

Odwrócona osmoza

Wirowanie

ELEMENTY BIOTECHNOLOGII

WYKŁAD NR 6

literatura wykorzystana do wykładu
K. Szewczyk: Technologia biochemiczna, Wydawnictwa
Politechniki Warszawskiej 1997
Aiba, Humprey, Millis: Inżynieria biochemiczna, WNT
Warszawa 1977.
S. Russel: Biotechnologia, PWN Warszawa 1990.
Basic Biotechnology, Ed: C. Ratledge & B. Kristiansen,
Cambridge University Press, 2001

Transfer ciepła

FERMENTACJA JEST PROCESEM EGZOTERMICZNYM

dla prędkości wydzielania ciepła > 20 MJ m

-3

(tj. pochłanianie tlenu z prędkością ok. 5 kg m

3

h

-1

) proces chłodzenia jest trudny

w dużych bioreaktorach czynnikiem limitującym wzrost mikroorganizmów
może być transfer ciepła a nie transfer O

2

(transfer masy)

typowa aktywność drobnoustrojów w

bioreaktorze powoduje wydzielanie się:

10-50 MJ/m

3

empirycznie:

szybkość wydzielania ciepła [ MJ L

-1

h

-1

]=12% szybkości pochłaniania tlenu [mmolO

2

L

-1

h

-1

]

Transfer ciepła

szybkość wymiany ciepła

Q = -

λ ∆t F/s

λ -ogólny wspólczynnik przewodzenia ciepła
F - powierzchnia wymiany ciepła
s - grubość ścianki

∆t- średnia różnica temperatur
znak ujemny wynika z kierunku przepływu

1/λ jest opornością przewodzenia ciepła

1/λ = Σ(1/λ

i

)

np. oporność:
warstewki cieczy
ścian reaktora
warstewki wody chłodzącej

t

1

t

2

t

1

t

2

t

3

t

1

t

2

ścianka płaska

dwuwarstwowa

ścianka płaska
jednowarstwowa

ścianka cylindryczna

r

1

r

2

r

1

< r

2

Transfer ciepła

szybkość wymiany ciepła

Q = -

α ∆t F

α -wspó

ł

czynnik wnikania ciepła

współczynnik przewodzenia ciepła
współczynnik lepkości dynamicznej
współczynnik rozszerzalności objętościowej
ciepło właściwe strumienia
gęstość płynu

własności
fizykochemicznych
płynu

rozmiary liniowe

kształtu ścianki

liniowa prędkość przepływu

stanu ruchu

współczynnik wnikania ciepła jest zależny od

różnica temperatur między ścianką i
płynem

stanu termicznego

Transfer ciepła

t

2

t

3

t

1

t

4

płyn 1

płyn 2

ścianka

szybkość przenikania ciepła

Q = K F

∆t

λ -wspólczynnik przewodzenia ciepła
s- grubość ścianki
α

1

-współczynnik wnikania w warstwie 1

α

2

-współczynnik wnikania w warstwie 2

sumaryczny współczynnik przenikania

ciepła

1/K = 1/

α

1

+ s/λ + 1/α

2

∆t- całkowita napędowa różnica temperatur

∆t = t

1

-t

4

s

Transfer ciepła

KIERUNEK PRZEPŁYWU STRUMIENI WYMIENIAJĄCYCH CIEPŁO
•

współprąd t

∞

= t

średnia

•

przeciwprąd

symetria zależy od

stosunku pojemności cieplnej obu mediów

M

i

C

i

-

iloczyn natężenia przepływu i ciepła

właściwego czynnika i-tego

dł. ścianki

zastępcza różnica temperatur dla obu typów wymiany :

(T

1

-t

1

)- (T

2

-t

2

)

(T

1

-t

1

)

(T

2

-t

2

)

∆t

zast

=

ln

T

1

i t

1

- temperatury początkowe czynników 1 i 2

T

2

i t

2

- temperatury końcowe czynników 1 i 2

długość ścianki

T

1

T

2

t

1

t

2

dł. ścianki

T

1

t

2

T

2

t

1

Transfer masy

gaz

1. Transfer z fazy gazowej do cieczy
2. Transfer dyfuzyjny i konwekcyjny przez cienką warstewkę (film) cieczy
3. Transport przez fazę ciągłą
4. Dyfuzja przez warstewkę otaczającą mikroorganizm lub agregat
mikroorganizmów
5. Transport bierny (dyfuzja) lub czynny (enzymy transportujące) do miejsca
reakcji.

1

2

2

3

3

4

5

pożywka

mikroorganizm /
komórka

Transfer masy

1. Transfer na granicy faz jest zazwyczaj najwolniejszy
gaz- ciecz (O

2

), ciecz-ciecz (węglowodory-woda), reaktory membranowe itd.

2. Transfer wewnątrz jednej fazy (np. gdy komórki są unieruchomione)

3. Transport przez błony komórkowe:

CZYNNIKI LIMITUJĄCE TRANSPORT

reguła 1 - najwolniejszy etap jest czynnikiem limitującym
reguła 2 - ogólny opór transportu jest sumą oporów poszczególnych etapów

•transport bierny (dyfuzyjny)

- od stężenia większego do mniejszego (zgodnie z gradientem stężeń)

•transport wspomagany

- przy użyciu czynników transportujących
- od stężenia większego do mniejszego (zgodnie z gradientem stężeń)

•transport aktywny (dyfuzja wspomagana działaniem białek
transportujących)

- od stężenia mniejszego do większego (niezgodnie z gradientem stężeń), wymaga

dostarczenia energii z zewnątrz

dwuwarstwy lipidowe są nieprzepuszczalne dla cząsteczek polarnych !

Transfer masy

C

A1

C

A2

A

A

A

A

A

A

A

A

A

A

A

A

A

A

A

transport bierny

(dyfuzyjny)

C

A1

C

A2

A

A

A

A

A A

A

A

A

A

A

A

A

A

A

transport aktywny

działanie białek transportujących

C

CA

C

CA

ADP

ATP

C

A1

C

A2

A

A

A

A

A

A

A

A

A

A

A

A

A

A

A

transport wspomagany

(dyfuzja wspomagana działaniem

białek transportujących)

C

CA

C

CA

∆G = RT ln (C

A2

/C

A1

)

C

A2

> C

A1

∆G > O

C

A2

< C

A1

∆G < O

konieczna jest dodatkowa energia

proces samorzutny

∆G = RT ln (C

A2

/C

A1

) + ZF

∆Ψ

Z-ładunek, F-stała Faradaya

∆Ψ-różnica potencjałów po obu stronach membrany

Transfer masy

∆G = + 33.6 kJ/mol

pH w plazmie krwi = 7.4
pH w żołądku ssaków = ok. 1

∆G = RT ln (C

A2

/C

A1

) + ZF

∆Ψ

Z-ładunek, F-stała Faradaya
∆Ψ-różnica potencjałów po obu stronach membrany

gradient H

+

= 10

-1

/10

-7

hydroliza ATP to
+ 30.5 kJ/mol ATP

szybko

ść

transportu

stężenie

tran

spo

rt b

iern

y

transport wspo

magany

w transporcie wspomaganym
stosowane są reguły kinetyki
Michaelisa-Menten

nasycenie

wzrost
liniowy

Transfer masy

powietrze

niskie
stęż. O

2

wysokie
stęż. O

2

CZYNNIKI LIMITUJĄCE TRANSPORT TLENU W DUŻYCH BIOREAKTORACH

•trudności konstrukcyjne (gdy > 300 m

3

)

dla reaktorów >10m

3

procesy transportu są relatywnie powolne

•zużycie mocy nie powinno być większe niż 5 kW / m

3

•prędkość przepływu tlenu nie powinna być > 0.1 m / s

•wzrasta również ciśnienie CO

2

•ciśnienie O

2

spada w miarę przesuwania się w górę

reaktora

(maleje siła napędowa procesu)

Techniki wydzielania produktów

gromadzenie i

przechowywanie

surowców

przygotowanie

surowców

feedstock storage

raw materials preparation
and pretreatment

wyjaławianie

sterilization

bioreaktor

kontrola

procesu

sprężanie

compression

powietrze

energia

ciepło

wydzielenie

produktów

product recovery

energia

odpady

waste

produkt

Techniki wydzielania produktów

Downstream processing - termin określający fazy wydzielania i oczyszczania

bioproduktów

w masie poreakcyjnej mogą być np.
całe komórki, aminokwasy, rozpuszczalniki, antybiotyki, enzymy, białka,
substancje farmaceutyczne, produkty uboczne i odpadowe, nieprzereagowane pożywki

TECHNIKI SPECJALNIE UŻYTECZNE W BIOTECHNOLOGII:

• oddzielanie ciał stałych i cieczy (solid liquid separation or clarification)
• zatężanie

(concentration)

• oczyszczanie (purification)
• tworzenie preparatu

( formulation)

Upstream processing - fazy przygotowywania surowców i dostarczenie ich

do bioreaktora

stężenie produktu w masie poreakcyjnej:
etanol , kwas cytrynowy - powyżej 10% masowych
większość bioprocesów - około 0.5 % masowych
witamina B

12

- 20 g/m

3

(tj. ok. 0.002 %)

Techniki wydzielania produktów

Upstream process

produkcja

Downstream
process

produkt wewnątrz

komórkek

produkt na zewnątrz

komórkek

rozbijanie

komórkek

oddzielanie ciał stałych i cieczy

zatężanie

oczyszczanie

tworzenie preparatu

produkt końcowy

chemiczne, fizyczne
mechaniczne, enzymatyczne

odwirowanie, sedymentacja,
ekstrakcja, filtracja

odparowanie, ultrafiltracja,
adsorpcja, wytrącanie

chromatografia

krystalizacja, liofilizacja
rozpylanie,
filtracja wyjałowiająca

Rozbijanie ścian komórek

dezintegracja komórek

mechaniczna

niemechaniczna

w fazie ciekłej

- ultradźwięki
- ciśnienie
- mieszanie

w fazie stałej

-rozcieranie

odwadnianie

- powietrzem
- próżniowe
- rozpuszczalnikami

liza

- fizyczna
- chemiczna
- enzymatyczna
- biologiczna

•dezintegracja jest stosowana gdy metabolit nie jest wydzielany na zewnątrz mikroorganizmu
•komórki drobnoustrojów są bardziej odporne na zniszczenie niż komórki zwierzęce

Rozbijanie ścian komórek

dezintegracja komórek na skalę przemysłową

metoda ciśnieniowa

ekspansja zawiesiny komórek przy wypływie przez dyszę, p=ok. 60 MPa do 100 MPa
1. ochłodzenie mieszaniny do ok. 4

o

C

2. sprężanie (towarzyszy temu wzrost temp. o 2,2-2,4

o

C / 10 MPa)

wydajność aparatów: do 6 m

3

/godz

homogenizat jest trudny do obróbki (zawiesina drobnych cząsteczek o właściwościach żelujących)

mielenie w młynach kulowych

poziome bębny wypełnione kulkami szklanymi o średnicy 0.3-0.4 mm

dezintegracja komórek na skalę laboratoryjną

• dezintegratory wysokoobrotowe,
• dezintegratory ultradźwiękowe
• metody enzymatyczne: enzymy proteolityczne
• kilkakrotne zamrażanie i rozmrażanie mieszaniny komórek
• operacje termiczne i suszenie (szok termiczny)
• szok osmotyczny
• metody chemiczne (stosowanie kwasów, ługów, detergentów, rozpuszczalników, antybiotyków)

Oddzielanie ciał stałych i cieczy

operacje jednostkowe: filtracja, odwirowanie, flokulacja i sedymentacja

filtracja plackowa

filtracja objętościowa

filtracja dynamiczna

zatrzymywanie cząstek stałych na placku filtracyjnym
prasa filtracyjna, próżniowe filtry obrotowe, filtry taśmowe

ociekanie

przemywanie

suszenie

usuwanie

osadu

próżniowy filtr obrotowy
(przykład filtracji plackowej)

próżnia
wewnątrz

zastosowanie: do wydzielania grzybni i drożdży, krystalicznych metabolitów, precypitatów

osady i zawiesiny biologiczne mają dużą ściśliwość i małą przepuszczalność,
pozorna lepkość wzrasta w miarę filtracji

zatrzymywanie cząstek stałych
na przegrodzie filtracyjnej -
w metodzie tej chodzi o czystość filtratu
(przesączu) a nie o wydzielenie osadu

szybkoobrotowe mieszadło lub obracający się
filtr nie dopuszcza do powstawania placka

następuje zatężanie a nie osadzanie się zawiesin

Oddzielanie ciał stałych i cieczy

flokulacja,

kłaczkowanie

- wytrącanie osadu w wyniku neutralizacji
ładunków na powierzchni komórek,

- powodowana dodatkiem odpowiednich
elektrolitów (sole nieorganiczne,
hydrokoloidy, polielektrolity organiczne,
kwasy lub zasady)
- flokulacja odwracalna i nieodwracalna
- zależy od pH, temperatury, siły jonowej,

- prowadzona w odstojnikach
- w przypadku bakterii i komórek- konieczna jest wstępna obróbka

w celu powstania aglomeratów

sedymentacja

Oddzielanie ciał stałych i cieczy

odwirowanie

wady wirowania:
•wysokie koszty,
•niezbyt dużą dokładność
odwirowania (supernatant zawiera
10

3

-10

5

komórek na ml)

wirówki sedymentacyjne (do zagęszczania biomasy)

i filtracyjne ( do wydzielania osadu)

dyski (od 30 do 200)

osad

odpływ

ciecz

pofiltracyjna

Zagęszczanie roztworów

zagęszczanie termiczne (odparowanie)

PROBLEM: bioprodukty są zazwyczaj wrażliwe na wzrost temperatury

rozwiązanie:
1. krótki czas kontaktu zagęszczanego roztworu (aparaty wyparne cienkowarstwowe)
2. stosowanie podciśnienia

stosowane zwłaszcza wtedy, gdy trzeba odzyskać rozpuszczalnik po ekstrakcji

wady tej metody: wysoki koszt, możliwość powstawania piany,

przypomnienie: zasada najlepszego wykorzystania energii (wykład 1)

Zagęszczanie roztworów

ekstrakcja

ekstrakcja ciecz-ciecz

współczynnik podziału: K= C

faza1

/C

faza2

1. ekstrakcja

fizyczna

związki nie zmieniają swojego stopnia zjonizowania.
poszukuje się rozpuszczalnika dla którego K będzie największe

2. ekstrakcja dysocjacyjna

różnica stałych dysocjacji solutu powoduje preferowanie jednego z rozpuszczalników

3. reakcyjna

do rozpuszczalnika dodana jest substancja czynna (np. amina, eter koronowy)
selektywnie kompleksująca ekstrahowaną substancję.

Metoda doskonała dla substancji dobrze rozpuszczalnych w wodzie.

penicylina:
1. ekstrakcja octanem butylu z płynu pofermentacyjnego o pH 2,5-3
2. re-ekstrakcja do fazy wodnej w pH 5-7.5

4. ekstrakcja nadkrytyczna

rozpuszczalniami są substancje w warunkach poniżej temperatury lub ciśnienia krytycznego

(wyższa dyfuzyjność, niższa lepkość, nie są toksyczne),

t

kryt

CO

2

=31.3

o

C , p

kryt

CO2=72.9 bar

łatwość wydzielenia produktu (zamiana cieczy na gaz)

współprąd i przeciwprąd materiałowy

Zagęszczanie roztworów

ekstrakcja c.d.

PROBLEM: niektóre substancje biologiczne ulegają denaturacji w rozpuszczalnikach
organicznych
rozwiązanie: czasem możliwe jest zastosowanie wielofazowych układów wodnych

5. ekstrakcja białek wielofazowymi
układami wodnymi:

układy woda (80-95%) + polimer + sole
w odpowiednim stężeniu
dodatek glikolu polietylenowego do fazy
1 i dodatek dekstranu do fazy 2.
powolna separacja faz (od kilku minut do
2 godzin)

homogenat

+

glikol + sól

równowagowanie
rozdział faz

warstwa górna
H2O +glikol

odsalanie

warstwa dolna
H2O +sól

warstwa górna
H2O +glikol

warstwa dolna
H2O +sól
(produkt)

retentat
(produkt)

permeat
zawierający sól

recykling

oczyszczanie
i recykling

Zagęszczanie roztworów

PERMEACJA

permeacja (przenikanie) substancji przez ciekłe membrany

etapy

1. adsorpcja cząsteczek na zewnętrznej stronie membrany,
2. rozpuszczanie powierzchniowe zaadsorbowanych cząsteczek i ich dyfuzja poprzez
materiał membrany.

3. desorpcja lub odparowanie cząsteczek z drugiej strony membrany do medium

odbierającego (gaz nośny, roztwór pochłaniający, stały sorbent).

ciekła membrana - membrana emulsyjna lub unieruchomiona

mikroporowate membrany stałe nasycone
cieczą spełniającą rolę membrany ciekłej

faza rozproszona w postaci mikroemulsji

Zagęszczanie roztworów

filtracja membranowa

ultrafiltracja (0.001-0.02

µm)

siła napędowa - różnica ciśnień hydrostatycznych po obu stronach membrany
różnice ciśnień 0.2-1 MPa
zależnie od membran - zatrzymywane są składniki o M

cz

od 5000 g/mol (czasem od 10

6

g/mol)

membrany o strukturze
niesymetrycznej
- pochodne celulozy,
- polimery syntetyczne,
- spieki ceramiczne

nominalna zdolność rozdzielcza

masa cząsteczkowa substancji dla której
skuteczność filtracji wynosi 90%

typy aparatów

- nucza filtracyjna
- moduł kapilarny
- moduł spiralny ze zwiniętą
membraną płaską

Zagęszczanie roztworów

filtracja membranowa
typy filtracji

Odwrócona osmoza
<0.001

µm

-przez membranę przenika
prawie wyłącznie
rozpuszczalnik.

Stosowana do
- otrzymywania czystej
wody
-zatężania substancji

mikrofiltracja i nanofiltracja
0.02-10

µm

Zagęszczanie roztworów