65
EXTRACŢIA ÎN SISTEME APOASE BIFAZICE

Extractia in Sisteme Apoase Bifazice

Embed Size (px)

DESCRIPTION

Extractia in sisteme apoase bifazice

Citation preview

  • EXTRACIA N SISTEME

    APOASE BIFAZICE

  • Lucian Gavril Tehnici de separare si concentrare in biotehnologii 2

    Extracia cu solveni organici - limitat la extracia unor componente biologice cu structur simpl i stabilitate relativ ridicat.

    Moleculele de natur proteic: polare, solubilitate n solveni organici nepolari redus.

    Solvenii organici pot provoca denaturri ale substanelor proteice n timpul extraciei.

  • Lucian Gavril Tehnici de separare si concentrare in biotehnologii 3

    Pentru separarea din faza apoas a proteinelor prin extracie lichid lichid, este necesar un solvent care: s aib capacitate mare de solubilizare pentru

    proteine, s nu denatureze proteinele, s produc o tensiune interfacial sczut.

  • Lucian Gavril Tehnici de separare si concentrare in biotehnologii 4

    Solventul care corespunde cel mai bine acestor deziderate este chiar APA,

    Problema: de a gsi lacuna de miscibilitate: zona n care un

    sistem apos devine eterogen, aprnd dou faze nemiscibile ntre ele.

  • Lucian Gavril Tehnici de separare si concentrare in biotehnologii 5

    Formarea sistemelor apoase bifazice

    Obtinerea sistemele apoase bifazice (SAB) se bazeaz pe: incompatibilitatea a doi polimeri hidrofili

    diferii la dizolvarea lor ntr-un solvent uzual cum este apa,

    incompatibilitatea dintre un polimer hidrofil i o sare anorganic,

    termoseparare.

  • Lucian Gavril Tehnici de separare si concentrare in biotehnologii 6

    Majoritatea polimerilor hidrofili, naturali sau sintetici, sunt solubili n ap.

    Conc. sczute de polimeri n soluia apoas= sistem omogen.

    Peste o anumit conc. a polimerilor, strict determinat i msurabil prin metode turbidimetrice, se produce separarea fazelor.

    Valorile concentraiilor la care sistemul devine eterogen depind de masa molecular a polimerilor, scznd cu creterea acesteia.

  • Lucian Gavril Tehnici de separare si concentrare in biotehnologii 7

    Sisteme apoase bifazice COMPONENT 1

    polietilenglicol (PEG)

    polietilenglicol (PEG)

    COMPONENT 2 dextran alcool polivinilic (PVA) polivinilpirolidona ficoll fosfat de potasiu sulfat de amoniu sulfat de magneziu sulfat de sodiu

    POLIMER - POLIMER

    POLIMER - SARE

  • Lucian Gavril Tehnici de separare si concentrare in biotehnologii 8

    Alte sisteme apoase bifazice COMPONENT 1

    polipropilenglicol (PPG)

    ficoll metilceluloza

    COMPONENT 2 dextran alcool polivinilic (PVA) polivinilpirolidona metoxipolietilenglicol fosfat de potasiu dextran dextran hidroxipropildextran polivinilpirolidona

  • Lucian Gavril Tehnici de separare si concentrare in biotehnologii 9

  • Lucian Gavril Tehnici de separare si concentrare in biotehnologii 10

  • Lucian Gavril Tehnici de separare si concentrare in biotehnologii 11

    PE

    G (%

    mas

    ice)

    Dextran (% masice)

    A

    B

    M

    F

    AFB Curba binodalaAMB ConodaF punct critic

    Zona omogena

    Zona bifazica

    Faza usoara de compozitia pct. A

    Faza grea de compozitia pct. B

    Toate amestecurile eterogene obinute pentru proporii ntre concentraiile PEG i dextranului situate pe aceeai conod vor avea aceeai compoziie a fazelor, diferind doar prin volumele ocupate de aceste faze.

    Toate amestecurile eterogene obinute pentru proporii ntre concentraiile PEG i dextranului situate pe aceeai conod vor avea aceeai compoziie a fazelor, diferind doar prin volumele ocupate de aceste faze.

    AMBM

    VV

    =inf

    sup

  • Lucian Gavril Tehnici de separare si concentrare in biotehnologii 12

    Faza usoara (compozitia pct. T)

    Faza grea (compozitia pct. B)

    Toate amestecurile eterogene obinute pentru proporii ntre concentraiile PEG i dextranului situate pe aceeai conod vor avea aceeai compoziie a fazelor, diferind doar prin volumele ocupate de aceste faze.

  • Lucian Gavril Tehnici de separare si concentrare in biotehnologii 13

    Sistemul A (apropiat de punctul critic): 5.0% PEG si 6.5% Dxin tampon fosfat la pH = 7.0, 20 C;

    Sistemul B (departe de punctul critic): 6.2% PEG si 8.3% Dx, in tampon fosfat la pH = 7.0, 20 C;

    initial dupa 1 minut dupa 2 minute

    dupa 30 minute

  • Lucian Gavril Tehnici de separare si concentrare in biotehnologii 14

    Diagrame de echilibru PEG - Dextran

    4 C 20 C

    M

    A

    BF

  • Lucian Gavril Tehnici de separare si concentrare in biotehnologii 15

    Diagrama de echilibruPEG 4000 Fosfat de potasiu

  • Lucian Gavril Tehnici de separare si concentrare in biotehnologii 16

    Formarea SAB prin termoseparare Prin utilizarea detergenilor neionici cu grupri

    hidrofile oxietilenice. La temp. sczute = o singur faz: lichid de

    fermentaie + micelele de detergent, (detergentul interacioneaza mai ales cu proteinele hidrofobe)

    La creterea temp. peste o anumit valoare (dependent de sistem), apare turbiditatea care indic apariia unei faze noi.

    Aceast temperatur = punct de tulburare (cloud point). Valoarea sa depinde n special de numrul mediu al gruprilor oxietilenice din detergent.

    De ex., un detergent C12EO5 are pct. tulb. la 23 25 C.

  • Lucian Gavril Tehnici de separare si concentrare in biotehnologii 17

    Separarea fazelor, datorat hidratrii reversibile a gruprilor polare de la extremitile moleculei formarea a 2 faze: faza mbogit n detergent; faza srcit n detergent.

    Micelele sufer un proces de agregare n structuri laminate avnd proteina hidrofob ntr-o faz coacervat cu 70 80% ap.

  • Lucian Gavril Tehnici de separare si concentrare in biotehnologii 18

    Soluia apoas de detergent sub i peste punctul de tulburare

    Protein

    Micel

    Detergent

    Substan nedorit

    Agregat protein-tensid

  • Lucian Gavril Tehnici de separare si concentrare in biotehnologii 19

    Mecanismul extraciei biopolimerilor in SAB

    Extracia biopolimerilor = prin interaciuni de tip van der Waals ntre: molecula proteic i polimerul hidrofil; gruprile proteinelor, cu solubilizarea acestora

    ntr-o anumit faz. Un sistem de extracie este proiectat a..:

    proteina dorit s treac n faza superioar (PEG, de ex.),

    materialul care trebuie ndeprtat, inclusiv celulele i resturile celulare, s treac n faza inferioar (sare sau dextran).

  • Lucian Gavril Tehnici de separare si concentrare in biotehnologii 20

    Puterea de separare a unui sistem este caracterizat de: gradul de extracie (Y) factorul de separare (F),

    care sunt dependeni de: raportul volumelor fazelor (R) coeficientul de distribuie (KN).

  • Lucian Gavril Tehnici de separare si concentrare in biotehnologii 21

    Gradul de extracie n faza superioar este definit prin relaia:

    n = numrul de moli de protein dorit n volumul fazei superioare (Vsup), respectiv inferioare (Vinf).

    +

    =+

    =

    NKVVnn

    nY

    11

    1

    sup

    infinfsup

    supsup

  • Lucian Gavril Tehnici de separare si concentrare in biotehnologii 22

    Factorul de separare: produsul dintre coeficientul de distribuie i raportul

    volumelor fazelor:

    Valorile Y, KN i R se influeneaz reciproc. De regul, Ysup crete la creterea lui KN la R = ct., sau la

    creterea lui R la KN = ct. KN nu depinde de concentraia proteinei i (ci), atta timp

    ct: concentraia ci este mult mai redus dect concentraia

    polimerilor nu are loc formarea unor compleci.

    inf

    sup

    VV

    KRKF NN ==

  • Lucian Gavril Tehnici de separare si concentrare in biotehnologii 23

    Interdependena Ysup KN R

    R =

    N

    N

    N

  • Lucian Gavril Tehnici de separare si concentrare in biotehnologii 24

    exist o corelaie exponenial ntre KN i aria suprafeei (masa molecular) a proteinei i:

    = factor dependent de potenialul chimic, Ai = suprafaa disponibil de interaciune, k = constanta lui Boltzmann, T = temperatura absolut (K).

    TkAK iN

    =ln

  • Lucian Gavril Tehnici de separare si concentrare in biotehnologii 25

    Astfel, celulele i resturile celulare vor prezenta, chiar la valori mici, un coeficient de distribuie tinznd spre zero ntr-o faz i spre infinit n cealalt faz, datorit valorii ridicate a suprafeei disponibile de interaciune;

    Metaboliii prezint valori KN 1 Proteinele au valori KN = 0,1 10. Pe baza dependenei date de ecuaia anterioar

    s-au putut izola antigenii de suprafa ai hepatitei B (avnd mase moleculare de 1.106 2.106 Da) ca vaccin produs din culturi de drojdii recombinante.

  • Lucian Gavril Tehnici de separare si concentrare in biotehnologii 26

    Principalii factori care influeneaz valoarea constantei de distribuie sunt: componenii care formeaz cele dou faze,

    respectiv natura, concentraia i masamolecular a polimerilor,

    tipul i concentraia ionilor din sistem, pH-ul, temperatura, adaosul de ali componeni (ageni haotropici,

    de ex.), concentraia celulelor i a resturilor celulare

  • Lucian Gavril Tehnici de separare si concentrare in biotehnologii 27

    Solubilizarea proteinelor este dictat de hidrofobicitatea polimerilor existeni n soluia apoas, aceasta crescand n ordinea:

    dextran sulfat < carboxi-metildextran < dextran < hidroxi-propildextran < metilceluloz < alcool polivinilic < polietilenglicol < polipropilenglicol

    Hidrofobicitatea unui polimer este cu att mai mare cu ct masa sa molecular este mai mare.

  • Lucian Gavril Tehnici de separare si concentrare in biotehnologii 28

    Datorit migrrii ionilor din fazele apoase se stabilete un potenial electric de o parte i de alta a interfeei de separare, acesta influennd hotrtor distribuia macromoleculelor cu sarcin electric (proteine, acizi nucleici).

    O modificare minor a: concentraiei sau triei ionicepoate conduce la modificri majore ale coeficientului de distribuie:

  • Lucian Gavril Tehnici de separare si concentrare in biotehnologii 29

    Concentraie K3PO4 [% masice]

    KN

    Log KN

    Concentraie NaCl [% masice]

    L-2-hidroxiizocaproat dehidrogenazaD-lactat dehidrogenaza

    - amilazaimpuriti

    a b

  • Lucian Gavril Tehnici de separare si concentrare in biotehnologii 30

    Concentraia proteinelor nu manifest nici un efect asupra repartiiei acestora ntre cele dou faze doar n domeniul concentraiilor foarte reduse (sub 1 g/L), aceast limit depinznd de tipul proteinei.

    Valoarea pH-ului controleaz disocierea gruprilor ionizabile ale proteinelor i, implicit distribuia acestora ntre cele dou faze.

    Odat cu variaia pH-ului se produc modificri n disocierea ionilor polivaleni (PO43-), ceea ce va afecta potenialul electric dintre faze, respectiv distribuia proteinelor.

    n sistemele PEG sare, de ex., s-au constatat variaii de 2 3 ordine de mrime ale KN pentru intervale nguste de pH.

  • Lucian Gavril Tehnici de separare si concentrare in biotehnologii 31

    Distribuia -amilazei pure n sisteme apoase bifazice PEG 4000 (10% m)

    fosfat (11,5% m) n funcie de pH

  • Lucian Gavril Tehnici de separare si concentrare in biotehnologii 32

    Afinitatea biospecific dintre moleculele proteice i anumii liganzi (liganzi de afinitate) ataai unuia dintre polimeri poate fi utilizat pentru mbuntirea separrii.

    Ca liganzi de afinitate se utilizeaz: colorani, acizi grai, glutation, ionii compleci de Cu(II)-iminodiacetat n sisteme PEG

    dextran sau PEG sare, D-alanil-D-alanina n sisteme PEG 8000 dextran i

    PEG 8000 K3PO4 (separarea vancomicinei)

  • Lucian Gavril Tehnici de separare si concentrare in biotehnologii 33

    Sensibilitatea coeficienilor de distribuie la variaia temperaturii este redus. Temperatura modific forma diagramelor de

    echilibru de faze.

    4 C 20 C

    M

    A

    BF

  • Lucian Gavril Tehnici de separare si concentrare in biotehnologii 34

    Sensibilitatea coeficienilor de distribuie la variaia temperaturii este redus. Temperatura modific distribuia biomoleculelor, o

    temperatur mai sczut conducnd la o mai bun separare a proteinelor ntre ele.

    Coeficientul de distribuie al lizozimei i catalazei n diverse SAB

    10,60,0680,7240

    8,60,0420,3625 10,3 % Dextran 5007,65 % PEG 20000

    11,20,0520,584

    2,30,430,9840

    2,20,210,4725 11,3 11,5 % Dextran 5007,9 % PEG 4000

    3,00,220,654

    26,50,0200,5340

    19,40,0160,3125 10,0 % Dextran 105,6 % PEG 20000

    250,0140,354

    4,90,1740,8540

    7,00,0630,4425 12,2 % Dextran 108,4 % PEG 4000

    11,70,0460,544

    SABFactor de separareKN catalazKN lizozimTemp. [C]

  • Lucian Gavril Tehnici de separare si concentrare in biotehnologii 35

    Proiectarea procesului de extracie n SAB Proiectarea procesului de extracie n SAB

    implic: (i) stabilirea caracteristicilor moleculelor proteice

    care trebuiesc separate; (ii) selectarea mai multor SAB capabile de a realiza

    separarea componentului dorit; (iii) alegerea dintre acestea a sistemului de extracie

    adecvat, n funcie de influena diverilor factori (natura soluiei proteice iniiale, trie ionic, pH, temperatur etc);

    (iv) stabilirea schemei de flux a procesului de extracie necesare pentru obinerea puritii dorite, n condiiile eliminrii compuilor cu activitate concurent (enzime care pot transforma un substrat ntr-un mod nedorit, de ex.).

  • Lucian Gavril Tehnici de separare si concentrare in biotehnologii 36

    Un component oarecare i din soluia iniial va trece n faza superioar sau n cea inferioar, dup cum coeficientul de distribuie KN,i este supraunitar sau subunitar.

    Dac KN,i 3, compusul i poate fi extras ntr-o singur treapt.

    Cnd KN,i este sczut, gradul de extracie n una din faze poate fi mrit utiliznd un volum mai mare din solventul cu afinitate mai mare pentru componentul respectiv:

    inf,infsup,sup

    sup,sup

    0,0

    sup,supsup,

    ii

    i

    i

    ii CVCV

    CVCVCV

    Y+

    =

    = (4.11)

  • Lucian Gavril Tehnici de separare si concentrare in biotehnologii 37

    Analog:

    unde: V0 volumul iniial al fazei care conine

    componentul i, Ci,0 concentraia componentului i n faza

    iniial.

    inf,infsup,sup

    inf,inf

    0,0

    inf,infinf,

    ii

    i

    i

    ii CVCV

    CVCVCV

    Y+

    =

    = (4.12)

  • Lucian Gavril Tehnici de separare si concentrare in biotehnologii 38

    Gradul maxim de recuperare al componentului i n fiecare faz ntr-o unitate teoretic de extracie, rezult din ecuaiile (4.11) i (4.12), mprind att numrtorul ct i numitorul fraciei cu Ci,sup, respectiv cu Ci,inf:

    inf,sup

    infmaxinf,

    ,

    infsup

    supmaxsup, )( )( VKV

    VY

    KVV

    VY

    iNi

    iN

    i +=

    +=

  • Lucian Gavril Tehnici de separare si concentrare in biotehnologii 39

    Schema general a procesului de extracie selectiva moleculelor proteice din lichidul intracelular

    celuledistruse

    PEG

    Dextransausare

    sare

    Faza inferioar:- fragmente celulare- proteine- acizi nucleici- polizaharide

    Faza superioar:- produs- proteine

    impurificatoare

    Faza superioar:- PEG- proteine

    impurificatoare

    Faza inferioar:- produs

  • Lucian Gavril Tehnici de separare si concentrare in biotehnologii 40

    Izolarea i purificarea enzimelor cu SAB

    66203L-Hidroxi-izocaproatdehidrogenaz

    911,92Lactobacillus confususD-Lactatdehidrogenaz

    703,84Candida boidiniiFormiatdehidrogenaz

    892,42Bacillus cereusLeucindehidrogenaz

    873,12Bacillus sphaericusLeucindehidrogenaz

    83333Bacillus megateriumGlucozdehidrogenaz75123Penicilinacilaz

    82183E. coliAspartaz

    70222Brevibacterium ammoniagenesFumaraz

    862,51StreptomycesGlucozizomeraz

    706,34Klebsiela pneumoniaePullulanaz

    Grad de extracie global [%]

    Factor de purificare

    global

    Numr de etapeOrganismulEnzima

  • Lucian Gavril Tehnici de separare si concentrare in biotehnologii 41

    Biomolecule purificate la scar industrial prin extracie n SAB

    Proteine din zerIzoleucil-tRNAsintetazFormaldehiddehidrogenaz

    Hibrid protein stafilococal A -galactozidaz

    D-2-Hidroxi-izocaproatdehidrogenazCromatofori

    FosforilazHexakinaza/b Proteine clorofilieneFosfolipaz-GlucozidazAspartat -decarboxilaz

    FosfofructokinazGlucoz-6-fosfatdehidrogenaz-Amilaz

    NADkinaz-GalactozidazAlcooldehidrogenazIzopropanoldehidrogenazFormiatdehidrogenazAcil-arilamidz

  • Lucian Gavril Tehnici de separare si concentrare in biotehnologii 42

    Extracia n SAB utilizeaz acelei principii ca i extracia fizic L L clasic.

    Se pot utiliza aceleai echipamente pentru amestecarea i separarea fazelor.

    Diferena rezid n proprietile diferite ale SAB n comparaie cu cele ale sistemelor clasice (faz apoas faz organic) ntlnite n extracia fizic L L, cea mai notabil diferen fiind tensiunea interfacial extraordinar de sczut:

  • Lucian Gavril Tehnici de separare si concentrare in biotehnologii 43

    Proprieti fizice ale SAB

    1,25-2,112108516 % PEG 4000, 13 % fosfat

    -4,020002,710467 % PEG 4000, 1,25 % dextran brut

    -3,4943,010109 % PEG 4000, 2 % dextran T-500

    [mN/m]

    disp[mPa.s]

    inf[mPa.s]

    sup[mPa.s]

    [kg/m3]Compozitia sistemului

  • Lucian Gavril Tehnici de separare si concentrare in biotehnologii 44

    n aplicaiile la scar mare, cele mai utilizate SAB sunt: PEG dextran ap PEG sare ap,

    Avantaje: aplicabilitate cvasigenerala, viscozitate acceptabila Diferena de densitate acceptabila. n plus = netoxice i biodegradabile, fiind certificate de ctre

    farmacopeele din cele mai multe ri. Dezavantaj:

    costul ridicat al dextranului purificat (de ordinul sutelor de dolari pe kg).

    Reducerea costurilor: nlocuire cu dextran brut, dextran brut hidrolizat sau amidon

    hidroxipropilic. Dextranul brut conduce la o soluie cu viscozitate mai ridicat, n

    timp ce dextranul hidrolizat reduce viscozitatea soluiei.

  • Lucian Gavril Tehnici de separare si concentrare in biotehnologii 45

    Procesul tehnologic de extracie n SAB Purificarea proteinelor intracelulare:

    dezagregarea celulelor, adugarea componenilor SAB (PEG, dextran, fosfat etc.) ajustarea pH-ului, amestecarea suspensiei pentru atingerea echilibrului de faze.

    Amestecarea se poate realiza fie n vase cu agitare prevzute cuicane, fie n amestectoare statice. Necesarul de energie este sczut datorit tensiunii interfaciale reduse, iar echilibrul este atins foarte rapid, n circa 30 s, dac amestecarea asigur un regim de curgere turbulent.

    separarea fazelor = gravitaional sau centrifugal. separarea centrifugal la viscozitate ridicata a sistemului,

    sau n cazul diferenelor mici de densitate dintre faze. Centrifugarea are avantajul suplimentar al unor randamente

    mai ridicate, la acceleraii mari antrenarea resturilor celulare este mai sczut.

  • Lucian Gavril Tehnici de separare si concentrare in biotehnologii 46

    Schema procesului tehnologic de extracie a proteinelor intracelulare n SAB

    1

    2

    2 2

    3

    3

    5

    5

    6

    6

    7 7

    7 7

    7

    suspensiecelular

    PEG + sare sare

    Recirculare PEG

    resturi celularei proteine produs

    PEG i produsesecundare

    fazainferioar

    4

    fazasuperioar

    1 bioreactor; 2 pompe; 3 moar cu bile; 4 schimbtor de cldur; 5 amestectoare in-line; 6 separatoare centrifugale; 7 rezervoare.

  • Lucian Gavril Tehnici de separare si concentrare in biotehnologii 47

    Procesul tehnologic de extracie n SAB Dup separarea iniial, la faza superioar se adaug o

    sare, pentru a genera un nou sistem bifazic, n care proteina de interes s se gseasc n faza inferioar.

    Proteina din faza de polimer mai poate fi separat prin: centrifugare, adsorbie, ultrafiltrare, electroforez.

    n procesele la scar mare, concentrarea i condiionarea produsului din faza inferioar a sistemului bifazic secundar se realizeaz prin: ultrafiltrare sau diafiltrare, faza superioar fiind

    recirculat; prin cromatografie de interaciune hidrofob.

  • Lucian Gavril Tehnici de separare si concentrare in biotehnologii 48

    Procesul tehnologic de extracie n SAB

    Extracia n SAB se realizeaz: n arje (cel mai uzual) n flux continuu (mai economic)

    Exist 3 posibiliti de prel. n flux continuu: extracia n echicurent (a), extracia n contracurent (c), extracia n curent ncruciat (b).

    Pentru capaciti mari de producie, extracia n contracurent ofer un randament mai ridicat, la un consum minim de chimicale.

  • Lucian Gavril Tehnici de separare si concentrare in biotehnologii 49

    Avantaje i dezavantaje ale modurilor de contactare n extracia continu n SAB

    cel mai sczutcel mai ridicatcele mai sczuteKN sczutContracurent (c)

    cel mai ridicatcel mai sczutca la echicurentKN ridicatCurent ncruciat (b)

    mediumediuca la curent ncruciatKN sczutEchicurent (a)

    Factor de purificareRandamentConsumuri

    Potrivit pentruContactare

    a b

    c

    ( F) alimentare; (S) solvent; (E) extract; (R) rafinat.

  • Lucian Gavril Tehnici de separare si concentrare in biotehnologii 50

    Procesul tehnologic de extracie n SAB

    Pentru o purificare avansat a biomoleculelor extrase este necesar realizarea extraciei n mai multe trepte.

    Nu toate echipamentele de extracie L L sunt potrivite extraciei cu SAB, mai ales atunci cnd: proprietile celor dou faze sunt prea

    asemntoare, tensiunea interfacial este prea redus.

  • Lucian Gavril Tehnici de separare si concentrare in biotehnologii 51

    Procesul tehnologic de extracie n SAB Pentru extracia n trepte cu SAB au fost

    testate: baterii de amestectoare decantoare, coloane Khni, extractoare centrifugale Podbielniak, coloane cu pulverizare, coloane cu talere sit, coloane cu umplutur.

    Toate pot fi exploatate cu succes cu luarea unor msuri de precauie mpotriva nnecrii.

    Rezultate bune s-au obinut i cu extractorul Graesser n separarea -lactalbuminei din zer cu SAB PEG sare.

  • Lucian Gavril Tehnici de separare si concentrare in biotehnologii 52

    Extractor Graesser (actualmente RTL SA Londra)

    a b

    sensul normal de rotaie;sensul de rotaie la extracia n SAB.

  • Lucian Gavril Tehnici de separare si concentrare in biotehnologii 53

    Extractor Graesser Este format dintr-un rotor orizontal prevzut cu

    cupe (de unde i denumirea de contactor n ploaie cu glei - Raining bucket contactor) care se rotete lent n interiorul unui tambur alimentat pe la extremiti cu fazele supuse extraciei.

    Este singurul extractor care disperseaz att faza uoar n faza grea, ct i faza grea n faza uoar.

    Pentru prevenirea nnecrii s-a redus viteza de rotaie de la 20 rot/min la 2 5 rot/min i s-a inversat sensul de rotaie al rotorului cu cupe, reducndu-se astfel i intensitatea amestecrii.

  • Lucian Gavril Tehnici de separare si concentrare in biotehnologii 54

    Recuperarea chimicalelor i reducerea costurilor

    Pentru a reduce costurile ridicate cu reactivii i cu depozitarea deeurilor se recomand reciclarea sau recircularea materialelor auxiliare.

    Recuperarea polimerilor dup extracia biomoleculelor este o etap important att la scar de laborator, ct i n instalaia industrial.

    Posibilitatea de a recupera i recircula uor polimerii utilizai ar face mult mai atractiv extracia cu SAB n instalaii de mare capacitate.

  • Lucian Gavril Tehnici de separare si concentrare in biotehnologii 55

    Modaliti de recuperare a polimerilor i srurilor utilizate n extracia cu SAB

    Din fluxurile lipsite de faz solid fosfatul poate fi recuperat prin cristalizare la 6 C.

    Pentru recircularea PEG s-a propus: extracia cu cloroform, reextracia salin a proteinelor din faza bogat n PEG, cu

    formarea unei soluii reciclabile de PEG liber de protein, Separarea PEG de enzimele extrase:

    ultrafiltrarea, dializa, sau reinerea enzimei pe un adsorbant adecvat.

    Recircularea detergenilor: extracie cu alcooli alifatici inferiori

    Recuperarea srurilor: exploatarea lacunelor de miscibilitate n sistemele ternare ap

    sare alcooli alifatici inferiori Recent s-a demonstrat formarea SAB n condiii normale (25 C i

    presiune atmosferic) ntre PEG 2000, respectiv PEG 4000 i carbamatul de amoniu. Carbamatul fiind volatil, poate fi recuperat din sistemul de extracie i recirculat sub form de NH3 i CO2.

  • Lucian Gavril Tehnici de separare si concentrare in biotehnologii 56

    Solubilizare

    Lichid defermentaie

    Extracia proteinelor

    Faza de coacervat

    Extracie cu 2-metil-1-propanol

    Cromatografie de schimb anionic

    Purificare 160 xRandament total 80 %

    Puritate analitic

    Faza apoasde la extraciasecundar

    Extracia primar

    Extracia secundar

    Omogenizatde celule PEG sare

    sare

    Faza inf. bogat n sare:resturi celulare, proteine,

    acizi nucleiciFaza sup. bogat

    n PEG: produs

    Faza inf. bogat n sare: produs

    Faza sup. bogat n PEG

    Ultrafiltrare

    Soluie de sare Concentrat:produs

    Rec

    ircul

    are

    sare

    Rec

    ircul

    are

    sare

    Rec

    ircul

    are

    PEG

    Rec

    ircul

    are

    dete

    rgen

    i

    Schema de flux a extraciei colesteroloxidazeiutiliznd SAB bazate pe detergeni

    Schema de flux a extraciei cu SAB PEG sare, cu recircularea extractanilor

  • Lucian Gavril Tehnici de separare si concentrare in biotehnologii 57

    Transpunerea la scar a extraciei n SAB

    Unul dintre avantajele exctraciei n SAB:uurina transpunerii la scar a procesului, prin simpla cretere proporional a cantitii ingredientelor utilizate.

    Echipamentele industriale de separare centrifugal existente pe pia pot fi selecionate utiliznd conceptul (vezi Centrifugarea).

  • Lucian Gavril Tehnici de separare si concentrare in biotehnologii 58

    Transpunerea la scar a extraciei n SAB Intre 1982 1995 au fost transpuse la scar industrial

    27 de procese, marea majoritate utiliznd sisteme PEG sare, pentru separarea i purificarea: enzimelor, antigenului hepatitei B, interferonului, lactalbuminelor, lactoglobulinelor, hemoglobinei, altor proteine terapeutic active.

    Scara de operare: de la 24 kg celule prelucrate / arj pn la 50 m3

    material celular prelucrat / arj.

  • Lucian Gavril Tehnici de separare si concentrare in biotehnologii 59

    Factor de transpunere la scar

    Gra

    d de

    sep

    arar

    e [%

    ]

    Scara de 10 cm3 [%] Scara industrial [%]

    Transpunerea la scar a diferitelor etape de izolare ipurificare a formiatdehidrogenazei din Candida boidinii

  • Lucian Gavril Tehnici de separare si concentrare in biotehnologii 60

    Aspecte economice ale extraciei n SAB Costurile recuperrii i concentrrii

    biomoleculelor prin extracie n SAB depind n mod hotrtor de sistemul utilizat, de scara de operare, dar i de ali factori.

    CT = costurile totale, CM = costurile cu materialele, CL = costurile cu fora de munc, CE = costurile energetice, CI = costurile de investiii, Y = gradul de extracie

    YCCCCC IELMT

    13,013,16,213,1 +++=

  • Lucian Gavril Tehnici de separare si concentrare in biotehnologii 61

    Structura costurilor de fabricaie a fumarazei din Brevibacterium ammoniagenes

    Materia prima, 35.5

    Materiale auxiliare, 14

    Forta de munca, 13.3

    Utilitati, 0.4

    Aparatura de control, 33.9

    Alte cheltuieli, 2.9

    Fermentare, 40.1

    Dezagregare, 17.2

    Extractie 1, 21.5

    Extractie 2, 6.6

    Ultrafiltrare, 9.8

    Ape reziduale, 4.8

  • Lucian Gavril Tehnici de separare si concentrare in biotehnologii 62

    IULMT CCCCC 6,113,16,213,1 +++=

    Evaluarea costurilor n producia fumarazei din S. cerevisiae

    -14-54,886,195,696,5Costuri totale1980,020,0160,0180,015Cu utilitile2800,230,140,180,14Cu investiiile

    -8240,911,661,001,34Cu fora de munc

    -24-431,891,412,482,48Cu materialeCont.Disc.Cont.Disc.Cont.Disc.

    Modificare [%]Cu recirculareFr recirculareCosturi

  • Lucian Gavril Tehnici de separare si concentrare in biotehnologii 63

    CONCLUZII Extracia n SAB:

    consumuri energetice sczute, investiii minime, cheltuieli mari cu fora de munc cheltuieli mari cu materialele.

    Reducerea costurilor materialelor: alegerea corespunztoare a rapoartelor volumice ale fazelor, introducerea de noi SAB, perfecionarea proceselor de recuperare recirculare.

    Reducerea duratei procesului: utilizarea separrii centrifugale;

    obinerea unor randamente superioare, obinerea unor produse calitativ superioare, datorit absenei unei

    degradri proteolitice semnificative.

  • Lucian Gavril Tehnici de separare si concentrare in biotehnologii 64

    Extracia n SAB - tehnologie integrativ EX: Obinerea -amilazei din Bacillus sp. prin

    tehnologia convenional i prin extracia n SAB. Fa de procesul convenional:

    Extracia n SAB necesit mai puine etape, Randamentul global:

    80% la extracia ntr-o singur treapt 95% la extracia n dou trepte, numai 70% prin procedeul convenional.

    Costurile se reduc cu: 35% la extracia ntr-o singur treapt, 50% la extracia n dou trepte.

  • Lucian Gavril Tehnici de separare si concentrare in biotehnologii 65

    Fermentaie Fermentaie

    Condiionare lichid de

    fermentaie

    Filtrare / centrifugare

    Concentrare

    Precipitare

    Recuperareprecipitat

    Solubilizareenzim

    Filtrare

    Decolorare

    Finisare

    Formularizare

    BiomasBiomas

    FiltratFiltratPropilenglicolPropilenglicol

    Materialinsolubil

    Materialinsolubil

    Condiionare lichid de

    fermentaie

    Centrifugare

    Decolorare

    Finisare

    Formularizare

    ApSare

    Biomas

    ApSare

    Biomas

    a b

    Obinerea -amilazeidin Bacillus sp.:

    a procedeul convenional; b - procedeul prin extracie n SAB

    Obinerea -amilazeidin Bacillus sp.:

    a procedeul convenional; b - procedeul prin extracie n SAB

    /ColorImageDict > /JPEG2000ColorACSImageDict > /JPEG2000ColorImageDict > /AntiAliasGrayImages false /CropGrayImages true /GrayImageMinResolution 300 /GrayImageMinResolutionPolicy /OK /DownsampleGrayImages true /GrayImageDownsampleType /Bicubic /GrayImageResolution 300 /GrayImageDepth -1 /GrayImageMinDownsampleDepth 2 /GrayImageDownsampleThreshold 1.50000 /EncodeGrayImages true /GrayImageFilter /DCTEncode /AutoFilterGrayImages true /GrayImageAutoFilterStrategy /JPEG /GrayACSImageDict > /GrayImageDict > /JPEG2000GrayACSImageDict > /JPEG2000GrayImageDict > /AntiAliasMonoImages false /CropMonoImages true /MonoImageMinResolution 1200 /MonoImageMinResolutionPolicy /OK /DownsampleMonoImages true /MonoImageDownsampleType /Bicubic /MonoImageResolution 1200 /MonoImageDepth -1 /MonoImageDownsampleThreshold 1.50000 /EncodeMonoImages true /MonoImageFilter /CCITTFaxEncode /MonoImageDict > /AllowPSXObjects false /CheckCompliance [ /None ] /PDFX1aCheck false /PDFX3Check false /PDFXCompliantPDFOnly false /PDFXNoTrimBoxError true /PDFXTrimBoxToMediaBoxOffset [ 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 ] /PDFXSetBleedBoxToMediaBox true /PDFXBleedBoxToTrimBoxOffset [ 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 ] /PDFXOutputIntentProfile () /PDFXOutputConditionIdentifier () /PDFXOutputCondition () /PDFXRegistryName () /PDFXTrapped /False

    /Description > /Namespace [ (Adobe) (Common) (1.0) ] /OtherNamespaces [ > /FormElements false /GenerateStructure true /IncludeBookmarks false /IncludeHyperlinks false /IncludeInteractive false /IncludeLayers false /IncludeProfiles true /MultimediaHandling /UseObjectSettings /Namespace [ (Adobe) (CreativeSuite) (2.0) ] /PDFXOutputIntentProfileSelector /NA /PreserveEditing true /UntaggedCMYKHandling /LeaveUntagged /UntaggedRGBHandling /LeaveUntagged /UseDocumentBleed false >> ]>> setdistillerparams> setpagedevice