ZAKLJUČNI PROCESI V BIOTEHNOLOGIJI

1. ZAKLJUČNI PROCESI V BIOTEHNOLOGIJI Membranski separacijski procesi – koncentriranje ali čiščenje

2. 5 glavnih stopenj pri izolaciji bioproduktov Ločevanje trdno/kapljevina filtracija sedimentacija centrifugiranje Predobdelava razbitje celic stabilizacija sterilizacija flokulacija Koncentriranje membranski procesi obarjanje uparjanje ekstrakcija vakuumsko sušenje Oblikovanje končnega proizvoda sušenje kristalizacija ekstrudiranje tabletiranje Čiščenje obarjanje ekstrakcija diafiltracija adsorpcija kromatografija

3. Membranski procesi • splošna uporaba: • priprava tehnološke in pitne vode • kemijska, farmacevtska industrija: izolacija in čiščenje produktov • sodobne biološke čistilne naprave

4. Membranski procesi • uporaba v biotehnologiji • sterilna filtracija vstopnih komponent bioreaktorja (zrak, gojišča, dodatki) • izolacija produktov • membranski senzorji • imobilizacija biokatalizatorjev – membranski bioreaktorji membranski senzor membranski bioreaktor

5. Membranski procesi - delitev • glede na gonilno silo: • razlika pritiska: • mikrofiltracija • ultrafiltracija • reverzna (obratna) osmoza • električno polje (razlika el. potenciala): elektrodializa • razlika koncentracij: dializa • glede na velikost por filtrirnega sredstva oz. delcev, ki jih ločujemo: • mikrofiltracija (0,05 – 10 µm) • ultrafiltracija (1 – 50 nm, 1.000 – 1.000.000 Da) • reverzna osmoza (< 100 Da)

6. reverznaosmoza gravitacijska sedimentacija kapljevinski cikloni centrifugiranje ultracentrifugiranje ekstrakcija ionskaizmenjava dializa gelskakromatografija mikrofiltracija ultrafiltracija klasičnafiltracija velikost Ločevanje glede na lastnosti snovi osnovni parameter ločevanja difuzivnost ionski naboj topnost gostota µm mm 10-4 10-7 10-2 10-5 10-1 10-4 1 10-3 10 10-2 100 10-1 103 1 10-3 10-6 veliki delci mikronski delci fini delci ioni makromolekule

7. Klasični membranski procesi na osnovi razlike pritiskov premer por membran 0,001 µm 0,0001 µm 0,05 µm 10 µm čiščenje plinov reverzna osmoza ultrafiltracija mikrofiltracija ΔP = 2 - 10 bar ΔP = 0,5 - 2 bar ΔP = 20 - 100 bar ΔP

8. Membranski separacijski procesi v biotehnologiji

9. Primer: izolacija in čiščenje intracelularnega encima

10. Shema procesa Proizvodnja encimov vir: Doran, 1995. Bioprocess Engineering Principles, str. 219

11. Membranski procesi • prednosti membranskih procesov: • brez dodatka pomožnih sredstev • delo pri sobni temperaturi • možnost izvedbe šaržnega in kontinuirnega procesa • enostavno povečevanje procesne opreme • pomanjkljivosti membranskih procesov: • mala odpornost na nizek/visok pH in temperaturo • težka izvedba čiščenja in sterilizacije • problemi pri nalaganju - zamašitev por membrane z organskimi molekulami

12. Mikrofiltracija in ultrafiltracija cf cr cp

13. R in MWCO R – zadrževalni faktor (selektivnost membrane) MWCO – molecular weight cut off , R=0.9

14. Vrste membran odločilen vpliv na proces – nasprotno kot pri klasični filtraciji polimerna anizotropna membrana keramična simetrična membrana Simetrična in nesimetrična struktura različna poroznost, debelina, morfologija

15. Vrste membran • izbor membrane: • MWCO • odpornost na topilo • pH • T • ΔP

16. Membrane - značilnosti

17. Membrane - materiali • polimeri • polisulfon (PS): dobra odpornost (P, T, agresivna čistila) • poliakrilonitril (PAN): malo mašenja → lažje čiščenje • poliviniliden fluorid (PVDF): in situ sterilizacija s paro • poliolefini (P) (=polialkeni): za nesterilno čiščenje • keramika • iz Al2O3, ZrO2, borosilikatno steklo... PVDF PS PAN -olefin

18. Vrste modulov ploščni modul cevni modul z votlimi vlakni monolitni modul spiralni modul

19. Načini obratovanja šaržno enostopenjsko kontinuirno večstopenjsko kontinuirno

20. Koncentracijska polarizacija ob membrani pretok vode skozi poro idealne membrane Cb koncentracija v glavni masi koncentrata (retentata) Cw koncentracija ob steni Cp koncentracija permeata

21. Prenos snovi fluks permeata j (m/s) prenos snovi skozi plast gela: prenos snovi skozi membrano: = volumenski pretok permeata (m3/s) A= površina membrane (m2) j (m/s) Cw = Cb kW= snovna prestopnost (m/s) D = difuzivnost (m2/s) = debelina mejne plasti (m) R (m-1) = hidravlični upori: Rf (film), Rg (gel), Rm (membrana: 1012 – 1016m-1)  = viskoznost (Pa s)

22. Vpliv na fluks permeata kw Cb

23. Primerjava s klasično filtracijo

24. Učinkovitost procesa faktor koncentriranja  pri šaržnem procesu Vf – začetni volumen Vr – volumen koncentrata (retentata) faktor koncentriranja  pri kontinuirnem procesu φV,f – volumenski pretok na vstopu φV,r – volumenskipretok koncentrata (retentata)

25. Učinkovitost procesa dobitek permeata Δpri šaržnem procesu Vp – volumen permeata Vf –začetni volumen dobitek permeata Δpri kontinuirnem procesu φV,p – volumenski pretok permeata φV,f – volumenskipretok na vstopu

26. Učinkovitost procesa dobitek neprepuščenega dela pri šaržnem procesu Cr – koncentracija retentata Cf– koncentracija na vstopu dobitek neprepuščenega dela  pri kontinuirnem procesu φV,r – volumski pretok retentata φV,r – volumskipretok napajalnega toka