Отделение клеток и нерастворимых твердых материалов

 

Нерастворимые компоненты системы (от клеток до индивидуальных веществ) можно отделить от раствора, воспользовавшись особенностями их основных физико-химических свойств, например размером частиц, плотностью, растворимостью или диффузионной способностью. Используемые для этой цели методы (в зависимости от размера отделяемых частиц) суммированы на рис. 11.2, где, в частности, показано, что частицы, размеры которых соответствуют размерам клеток (от 0,3 до 10 мкм), можно выделять фильтрованием, центрифугированием и (или) седиментацией, воспользовавшись их характерным размером или плотностью. Седиментация представляет собой осаждение в поле гравитационных сил, тогда как при центрифугировании скорость осаждения возрастает за счет центробежных сил.

Некоторые типичные для культуральных бульонов свойства могут затруднять как отделение нерастворимых веществ от жидкой фазы, так и последующее разделение. К ним относятся высокая вязкость, наличие гелеобразующих веществ, способность к образованию сжимаемых осадков на фильтре, близость плотности нерастворимых частиц к плотности воды, высокая степень начального диспергирования, низкая концентрация суспендированных веществ. В периодических процессах этихарактеристики изменяются во времени, а в непрерывных процессах свойства бульона зависят от скорости разведения и других условий.

 

РИС. 11.1. Схема выделения антибиотика. [Воспроизведено с разрешения из статьи: Beesch S. С., Stull G. М., Fermentation, Ind. Eng. Chem., 49, 1491 (1957). (6) American Chemical Society.]

1 — ферментер; 2 — резервуар для предварительной обработки; 3 — адсорбционная колонна; 4 — фильтр; 5 — сушильный аппарат; 6 — осадительный резервуар; 7 — резервуар для растворения; 8 — резервуар для экстракции; 9 — резервуар для адсорбции; 10 — испаритель; 11 — центробежный экстрактор; 12 — колонна для отгонки растворителя; 13 — колонна для регенерации растворителя; 14 — центрифуга; 15 — кристаллизатор; 16 — сушилка непрерывного действия; 17 — распылительная сушилка.

 

 

РИС. 11.2. Принципы и методы выделения нерастворимых частиц в зависимости от их размера. (Из работы: Atkinson, В., Mavituna F., Biochemical and Biotechnology Handbook, p. 935, Macmillan PubL, Ltd., Surrey, England, 1983.)

В гл. 14 мы познакомимся с успешным использованием непрерывного осаждения клеток в биологической очистке сточных (бытовых) вод.

Предварительная обработка бульона для облегчения последующего отделения биомассы может включать старение (в конце стационарной фазы клетки обычно образуют скопления), тепловую обработку, изменение рН и (или) добавление веществ, способствующих флокуляции клеток (полиэлектролитов, хлорида кальция, коллоидной глины). Затраты на предвари тельную обработку окупаются повышением скорости седиментации или фильтрования; обычно после предварительной обработки удается ускорить эти операции примерно в 10 раз, а в отдельных случаях сообщалось о 100—200-кратном повышении скорости осаждения (фильтрования).

Выбор конкретного отстойника, фильтра или центрифуги зависит от свойств исходного бульона и заданного конечного содержания воды в отделяемой биомассе:

Отстаивание применяют в крупномасштабных процессах переработки отходов, а также в традиционных процессах брожения (почему хорошее шампанское оставляют дозревать в почти перевернутых бутылках?). Образующийся хлопьевидный осадок обычно содержит несколько процентов твердых веществ.

Центрифугирование позволяет получать концентрат биомассы, часто называемой пастой, поскольку он содержит значительное количество твердых веществ (около 15% по массе) и тем не менее сохраняет некоторые характерные для жидкостей свойства.

Фильтрованием получают более концентрированные (более обезвоженные) осадки (20—35% твердых веществ по массе) или твердую биомассу (более 40% твердых веществ по массе). В некоторых случаях скапливающийся на фильтре осадок биомассы имеет хорошую проницаемость, что позволяет отделять ее прямым фильтрованием. Гораздо чаще биомасса оказывает большое сопротивление фильтрованию, и тогда применяют фильтрующий слой на подкладке.