ΔΙΑΧΩΡΙΣΜΟΙ ΒΙΟΧΗΜΙΚΩΝ ΔΙΕΡΓΑΣΙΩΝ

Transcript

1 ΔΙΑΧΩΡΙΣΜΟΙ ΒΙΟΧΗΜΙΚΩΝ ΔΙΕΡΓΑΣΙΩΝ

2 Μία τυπική βιοδιεργασία παράγει ένα πολύπλοκο μίγμα που συνήθως περιέχει το επιθυμητό προϊόν σε συγκεντρώσεις της τάξεως 0,1 έως 10%. Το τελικό εμπορεύσιμο προϊόν πρέπει να έχει καθαρότητα που κυμαίνεται από 10 έως 100%. Η απομόνωση του επιθυμητού προϊόντος απαιτεί συνήθως μία σειρά από διαχωριστικές διεργασίες.

3 Τυπική σύσταση αχρησιμοποίητα θρεπτικά συστατικά (κυρίως σάκχαρα και άλατα) κύτταρα μικροοργανισμών οργανικά προϊόντα του κυτταρικού μεταβολισμού όπως ένζυμα, αντιβιοτικά, οργανικοί διαλύτες (π.χ. αιθανόλη), αμινοξέα, βιταμίνες, νουκλεοτίδια κλπ.

4 Τα επιθυμητά προϊόντα διακρίνουμε σε: εξωκυτταρικά (που μπορούν να συλλεγούν χωρίς ρήξη της κυτταρικής μεμβράνης) ενδοκυτταρικά (που απαιτούν διάσπαση των κυττάρων) Επίσης τα διαχωρίζουμε σε: μικρού μοριακού βάρους που μπορούν συνήθως να διαχωριστούν με χρήση δραστικών μεθόδων (υψηλές θερμοκρασίες ή/και βαθμίδες) μεγάλου μοριακού βάρους που συνήθως απαιτούν προσεκτικό χειρισμό για αποφυγή μετουσίωσης.

5 Βήματα διαχωρισμού (α) Απομάκρυνση αδιάλυτων συστατικών Απομακρύνουμε τα κύτταρα και άλλα αδιάλυτα συστατικά δίνοντας τελικές συγκεντρώσεις προϊόντος που κυμαίνονται από 0,1 έως 3% συνήθως (διήθηση, καθίζηση και φυγοκέντριση) (β) Απομόνωση Απομάκρυνση των συστατικών που διαφέρουν αισθητά σε ιδιότητες από το επιθυμητό προϊόν. Το στάδιο αυτό δεν είναι ιδιαίτερα εξειδικευμένο και οδηγεί σε διάλυμα όπου με το προϊόν (τυπικές συγκεντρώσεις 3-10%) συνυπάρχουν και άλλες παρόμοιες ουσίες. (προσρόφηση και εκχύλιση) (γ) Καθαρισμός Εξειδικευμένος διαχωρισμός της ουσίας που ενδιαφέρει από άλλες παρόμοιες χρησιμοποιώντας διαφορές στις φυσικοχημικές τους ιδιότητες. Τυπικά η καθαρότητα του προϊόντος τριπλασιάζεται (10-30%). (χρωματογραφία, ηλεκτροφόρηση και κατακρήμνιση) (δ) Τελικός καθαρισμός Επίτευξη κατά το δυνατόν καθαρού προϊόντος (30-100%) έτοιμου να διατεθεί στην αγορά (κρυστάλλωση και ξήρανση)

6 Σε κάθε μέθοδο διαχωρισμού χρησιμοποιούμε διαφορές σε φυσικές και χημικές ιδιότητες Μέγεθος Πυκνότητα Φορτίο Χημική συγγένεια.

7 ΔΙΑΣΠΑΣΗ ΚΥΤΤΑΡΩΝ Χημικές μέθοδοι Μηχανικές μέθοδοι

8 Χημικές μέθοδοι (α) Οσμωτικό σοκ: αιφνίδια αραίωση του διαλύματος που περιέχει τα κύτταρα με καθαρό νερό προκαλεί διαφορά πίεσης που οφείλεται στην αυξημένη συγκέντρωση αλάτων στο εσωτερικό των κυττάρων, ροή νερού στο εσωτερικό και διάσπαση του κυτταρικού τοιχώματος με την ταυτόχρονη έκλυση των συστατικών του κυττάρου. (β) Χρήση απορρυπαντικού προκαλεί την διάλυση των λιπιδίων των κυτταρικών τοιχωμάτων με αποτέλεσμα τη διάσπαση των τοιχωμάτων (γ) Διάλυση λιπιδίων των τοιχωμάτων με προσθήκη οργανικών διαλυτών όπως τολουόλιο

9 Μηχανικές μέθοδοι Ομογενοποίηση η οποία επιτυγχάνεται είτε με blender (κομμάτιασμα) είτε με το εξαναγκασμένο πέρασμα του αιωρήματος από μικρή τρύπα όπου η αναπτυσσόμενη διάτμηση "σπάει" τα τοιχώματα Υπέρηχοι Άλεση με μύλο.

10 ΔΙΑΧΩΡΙΣΜΟΣ ΑΔΙΑΛΥΤΩΝ ΣΥΣΤΑΤΙΚΩΝ Τα κύρια συστατικά του ζυμωτικού ζωμού που είναι αδιάλυτα είναι η βιομάζα, άμορφα ιζήματα και κρυσταλλικά προϊόντα. Ο διαχωρισμός τους από τα διαλυμένα συστατικά γίνεται συνήθως με: Καθίζηση Διήθηση Φυγοκέντριση

11 ΚΑΘΙΖΗΣΗ συνήθως χρησιμοποιείται σε περιπτώσεις που επιθυμούμε την μερική επαναφορά των κυττάρων στον βιοαντιδραστήρα η μέθοδος επιλογής για διεργασίες μεγάλου όγκου όπως στον βιολογικό καθαρισμό του νερού. Οι διαφορές που εκμεταλλευόμαστε: διαφορά πυκνότητας διαφορά μεγέθους

12 F D C 2 2 Dd p v s 8 C D 24 Re F G ( p )g d 3 p 6 v s g 18 p d p 2 η ταχύτητα καθίζησης εξαρτάται τόσο από το μέγεθος όσο και από την πυκνότητα του σωματιδίου (Νόμος Stokes).

13 t 0 t h /v s v s h Η ταχύτητα καθίζησης καθορίζει και την επιφάνεια που απαιτείται για διαχωρισμό δεδομένης παροχής υδατικού διαλύματος F. Δηλαδή έχουμε επιφανειακή φόρτιση A=F/v s.

14 τα ανώτερα στρώματα χαρακτηρίζονται από καθίζηση διακεκριμένων σωματιδίων μια δεξαμενή καθίζησης που τροφοδοτείται συνεχώς χαρακτηρίζεται από πιο περίπλοκη συμπεριφορά στα κατώτερα στρώματα όπου η συγκέντρωση των στερεών αυξάνει. Έτσι έχουμε: ζώνη παρεμποδιζόμενης καθίζησης ζώνη καθίζησης κατά ζώνες ζώνη συμπύκνωσης. Ανάλογη είναι και η διαδικασία της επίπλευσης όπου η αποτελεσματική πυκνότητα των στερεών μειώνεται με την συσσωμάτωση με φυσαλίδες αέρα με αποτέλεσμα της κίνησης των προς τα πάνω (άνωση μεγαλύτερη της βαρύτητας).

15 ΔΙΗΘΗΣΗ Η διήθηση διαχωρίζει τα στερεά από το υγρό εξαναγκάζοντας το υγρό να περάσει από στερεό πορώδες μέσο (φίλτρο) Η κύρια διαφορά που εκμεταλλευόμαστε σ αυτή την διεργασία είναι το μέγεθος Τα στερεά συσσωματώνονται και απαιτείται η περιοδική ή συνεχής συλλογή του cake στερεών που δημιουργείται. Ο διαθέσιμος εξοπλισμός για την διήθηση ποικίλει από απλό φίλτρο έως συνεχές περιστρεφόμενο φίλτρο κενού, κατάλληλο για συνεχή διαχωρισμό των στερεών

16 Περιστρεφόμενο φίλτρο κενού CAKE

17 Η θεωρία της διήθησης βασίζεται στον νόμο του Darcy: v kp l v η ταχύτητα του υγρού (διηθήματος) Δp η διαφορά πίεσης σε στρώμα πάχους l μ το ιξώδες του υγρού k σταθερά Ο λόγος l/k είναι η αντίσταση που προβάλλεται

18 Ο λόγος l/k είναι ίσος με l k V 0 + R A M R M η αντίσταση από το μέσο του υλικού διήθησης (φίλτρου), V ο όγκος του συλλεγμένου υγρού διηθήματος, ρ 0 η μάζα του cake διαιρεμένη με τον όγκο του συλλεγόμενου υγρού, Α η επιφάνεια του φίλτρου α η ειδική αντίσταση του cake, η οποία είναι σταθερή για ασυμπίεστο cake και α ' (Δp) s για συμπιεστό cake.

19 Η ταχύτητα του συλλεγόμενου υγρού είναι: 1 A dv dt kp l p V 0 A +R M H σχέση μπορεί να ολοκληρωθεί με αρχική συνθήκη V=0 σε t=0 για να δώσει: At V 0 2p V A + R M p Η σχέση αυτή δίνει τον απαιτούμενο χρόνο για να συλλεγεί όγκος υγρού V.

20 Για το συνεχές περιστρεφόμενο φίλτρο με συμπιεστό cake και χρόνο εμβύθισης προς χρόνο πλήρους περιστροφής β, αγνοώντας την αντίσταση του μέσου, βρίσκουμε την εξής σχέση ανάμεσα στην παροχή διηθημένου υγρού V f /Αt c και τον χρόνο περιστροφής t c : V f 2(p)1s At c 0 t c Προκειμένου να μεταβάλουμε το σχηματισμό cake, μπορούμε να μεταβάλλουμε είτε τον χρόνο περιστροφής είτε το κλάσμα εμβύθισης.

21 ΦΥΓΟΚΕΝΤΡΙΣΗ Η φυγοκέντριση βασίζεται στην ίδια αρχή με την καθίζηση με την διαφορά ότι έχουμε φυγοκεντρικό πεδίο με επιτάχυνση ω 2 r αντί για πεδίο βαρύτητας με επιτάχυνση g. Όπως και στην περίπτωση της καθίζησης εκμεταλλευόμαστε διαφορά σε πυκνότητα και μέγεθος.

22 R 0 R 1 v dr dt d 2 p 18 ( p ) 2 r Η σχέση αυτή μπορεί να ολοκληρωθεί για να ευρεθεί ο χρόνος που απαιτείται για να κινηθεί σωματίδιο που βρίσκεται σε δοκιμαστικό σωλήνα περιστρεφόμενο σε ορθή γωνία προς κατακόρυφο άξονα από το σημείο R 0 του αιωρήματος σε κάποιο άλλο σημείο R 1. όσο μεγαλύτερη η πυκνότητα και το μέγεθος του σωματιδίου, τόσο γρηγορότερα θα κινηθεί προς τον βυθό του δοκιμαστικού σωλήνα.

23 ΑΠΟΜΟΝΩΣΗ ΠΡΟΪΟΝΤΟΣ Οι κύριες μέθοδοι εδώ, η εκχύλιση και η προσρόφηση, επιτυγχάνουν σημαντική συμπύκνωση του επιθυμητού προϊόντος αλλά και άλλων μη επιθυμητών παραπροϊόντων λόγω της μη εξειδικευμένης φύσης τους. Η εκχύλιση είναι η βασική μέθοδος για τον διαχωρισμό των αντιβιοτικών Η προσρόφηση προτιμάται για πιο ευαίσθητες ουσίες όπως πρωτεΐνες.

24 ΕΚΧΥΛΙΣΗ Η αρχή στην οποία στηρίζεται η εκχύλιση είναι ότι κάποια ουσία αρχικά διαλυμένη σε κάποιο διαλύτη αν προσθέσουμε άλλο διαλύτη (που δεν διαλύεται στον πρώτο) θα μετακινηθεί εν μέρει προς τον νέο διαλύτη. Η κατανομή ανάμεσα στους δύο διαλύτες καθορίζεται από την θερμοδυναμική ισορροπία.

25 Σε ισορροπία έχουμε: x = Ky y η συγκέντρωση στον βαρύ διαλύτη (συνήθως νερό) και x η συγκέντρωση στον ελαφρό διαλύτη (συνήθως οργανικός διαλύτης) η σταθερά Κ ονομάζεται συντελεστής κατανομής των δύο φάσεων.

26 Για ένα απλό στάδιο συνεχούς ροής, αν: η ογκομετρική παροχή του βαρέoς διαλύτη είναι H η ογκομετρική παροχή του ελαφρού διαλύτη είναι L η συγκέντρωση στην εισροή του βαρέoς διαλύτη είναι y F και αν θεωρήσουμε ότι τα ρεύματα στην εκροή βρίσκονται σε θερμοδυναμική ισορροπία, έχουμε το ισοζύγιο: Hy F Hy +Lx Hy F H x K +Lx x Ky F 1+ KL H

27 Συνήθως κάθε στάδιο αποτελείται από δύο δοχεία: Στο πρώτο έχουμε καλή ανάδευση ούτως ώστε να έρθουν σε καλή επαφή οι δύο υγρές φάσεις. Στο δεύτερο δίνεται η ευκαιρία στις δύο φάσεις να διαχωριστούν εκ νέου H, y F L L,x H, y

28 Η εκχύλιση που μπορεί να επιτευχθεί με ένα στάδιο περιορίζεται από την ισορροπία. Για να επιτευχθεί μεγαλύτερη εκχύλιση της ουσίας που μας ενδιαφέρει πρέπει να χρησιμοποιήσουμε πολλαπλά στάδια αντιστρόφου κατεύθυνσης L,0 L, x 1 L, x 2 L, x 3 L, x n1 L, x n H, y 1 1 H, y 2 2 H, y 3 Το κλάσμα της ουσίας που εκχυλίζεται με αυτή την διάταξη δίνεται από την σχέση (Ε=KL/H): 3 H, y 4 H, y n n p Lx n E(E n 1) Hy F E n 1 1 H, y F

29 ΠΡΟΣΡΟΦΗΣΗ Η βασική ιδέα της προσρόφησης είναι η μεταφορά κάποιας ουσίας από κάποιο διάλυμα προς κάποιο στερεό που προσθέτουμε. Και αυτή η διεργασία διέπεται από ισορροπία ανάμεσα στις δύο φάσεις. Αν ονομάσουμε q την ποσότητα της ουσίας που προσροφάται ανά ποσότητα προσροφητικού υλικού, και y την συγκέντρωση της προσροφώμενης ουσίας στο διάλυμα, η ισορροπία περιγράφεται συνήθως από τις ονομαζόμενες εξισώσεις ισόθερμων καμπυλών

30 Εξισώσεις ισόθερμων καμπυλών q q Ky n FREUNDLICH LANGMUIR q q 0 y K + y q Ky y

31 Ανάλυση ανάλογη αυτής για την εκχύλιση, μια και αυτή βασίζεται σε ισοζύγια μάζας και στην σχέση ισορροπίας. Το υλικό που χρησιμοποιείται για προσρόφηση είναι είτε ενεργός άνθρακας είτε ρητίνες ανταλλαγής ιόντων. Η απλή προσρόφηση βασίζεται σε δυνάμεις London, van der Waals ή ηλεκτροστατικές δυνάμεις μεταξύ των ιόντων του υλικού προσρόφησης και της προσροφόμενης ουσίας.

32 για υψηλά εξειδικευμένη προσρόφηση, την ονομαζόμενη προσρόφηση συγγένειας, το υλικό προσρόφησης παρασκευάζεται με προσθήκη ειδικών ενωτικών ουσιών που προσροφούν συγκεκριμένες ουσίες χημικά συγγενείς. Η προσροφημένη ουσία πρέπει πάντοτε να εκπλυθεί αφού ολοκληρωθεί η προσρόφηση (ή περιοδικά για διατάξεις συνεχούς ροής όπως στερεές κλίνες) Η προσρόφηση έχει μεγαλύτερη εκλεκτικότητα απ ό,τι η εκχύλιση και είναι πιο κατάλληλη για ευαίσθητα προϊόντα όπως πρωτεΐνες, αλλά δεν προσφέρεται για ιδιαίτερα μεγάλης κλίμακας διαχωρισμούς.

33 ΚΑΘΑΡΙΣΜΟΣ Χρωματογραφία Κατακρήμνιση Υπερδιήθηση Ηλεκτροφόρηση

34 ΧΡΩΜΑΤΟΓΡΑΦΙΑ Αρχή: όταν ένα διάλυμα διέρχεται από πορώδες υλικό, οι διάφορες ουσίες που περιέχει θα διέλθουν με διαφορετικές ταχύτητες. Οι ουσίες οι οποίες τείνουν να προσροφώνται στα σωματίδια του υλικού λόγω φυσικοχημικής συγγένειας, θα καθυστερήσουν περισσότερο. Το τίμημα που πληρώνουμε με αυτή την μέθοδο είναι η αραίωση του μείγματος που περιέχει το προϊόν.

35 t 0 t 0

36 Το υλικό της στήλης συνήθως είναι στερεό, πορώδες υλικό ή κάποιο πήκτωμα (gel). Η συγκέντρωση συναρτήσει του χρόνου στην εκροή της στήλης συνήθως εκφράζεται από την σχέση: y y 0 e t 1 t όπου t 0 o μέσος χρόνος παραμονής και σ 2 η τυπική απόκλιση.

37 Η τυπική απόκλιση ισούται με v/(kal), όπου: v η ταχύτητα του υγρού a η επιφάνεια του στερεού ανά μονάδα όγκου της στήλης και είναι ανάλογη του 6(1-ε)/d, όπου d η διάμετρος των σωματιδίων ε το πορώδες της στήλης l το μήκος της στήλης k η αποτελεσματική κινητική σταθερά η οποία μπορεί να καθορίζεται είτε από την διάχυση προς το στερεό, είτε από την αντίδραση προσρόφησης ανάλογα με το ποιο βήμα είναι το βραδύτερο.

38 Όταν η αντίδραση είναι καθοριστική του ρυθμού ο k είναι περίπου ανάλογος του (v/d) 1/2 όταν η μεταφορά μάζας είναι καθοριστική τότε είναι ανάλογος του 1/d. και στις δύο περιπτώσεις η απόκλιση αυξάνει με την ταχύτητα του υγρού και το μέγεθος των σωματιδίων, ενώ μειώνεται με την αύξηση του μήκους της στήλης. Ο χρόνος t 0 μπορεί να ρυθμιστεί από την ταχύτητα του υγρού Η μέγιστη συγκέντρωση y 0 εξαρτάται άμεσα από την συγκέντρωση της ουσίας στην τροφοδοσία.

39 ΚΑΤΑΚΡΗΜΝΙΣΗ Η ιδέα είναι η μείωση της διαλυτότητας κάποιου συστατικού μετά από προσθήκη είτε κάποιου διαλύτη είτε κάποιου άλατος (συνήθως θειικό αμμώνιο). Για τον καθαρισμό αντιβιοτικών συνήθως προστίθεται κάποιος οργανικός διαλύτης όπως ακετόνη ή αιθανόλη, ο οποίος αυξάνει το χημικό δυναμικό του συστατικού και μειώνει την διαλυτότητά του. Το διάλυμα τότε γίνεται υπερκορεσμένο με αποτέλεσμα την δημιουργία ιζήματος του συστατικού. Οι πρωτεΐνες συνήθως κατακρημνίζονται με την προσθήκη άλατος το οποίο "αντικαθιστά" την πρωτεΐνη στο διάλυμα με αποτέλεσμα η πρωτεΐνη να καθιζάνει. Την κατακρήμνιση ακολουθεί πάντα φυγοκέντριση για συλλογή του ιζήματος.

40 ΥΠΕΡΔΙΗΘΗΣΗ (ultrafiltration) Η βασική ιδέα στη υπερδιήθηση είναι η εξαναγκασμένη ροή του διαλύματος μέσα από μία μεμβράνη η οποία συγκρατεί εν μέρει ή εξ ολοκλήρου την ουσία που θέλουμε να απομονώσουμε, καθαρίζοντας έτσι το διάλυμα από μικρά σε μέγεθος συστατικά. Η ιδιότητα που εκμεταλλευόμαστε στην προκειμένη περίπτωση είναι η διαφορά σε μέγεθος.

41 j v L p (p ) j v : η ταχύτητα διέλευσης από την μεμβράνη Δp: η διαφορά πίεσης που εφαρμόζουμε ΔΠ: η διαφορά οσμωτικής πίεσης που δημιουργείται από την διαφορά συγκέντρωσης στις δύο πλευρές της μεμβράνης και η οποία είναι ίση με RTc 10, όπου: c 10 η συγκέντρωση της ουσίας στην επιφάνεια της μεμβράνης, L p μία σταθερά που ονομάζεται διαπερατότητα της μεμβράνης.

42 Ο συντελεστής σ εξαρτάται από τον βαθμό που η μεμβράνη είναι διαπερατή στην εν λόγω ουσία. Αν η μεμβράνη συγκρατεί πλήρως την ουσία, τότε σ=1. Ο δεύτερος όρος της εξίσωσης αντιστοιχεί επομένως στην αντίσταση που προβάλλεται λόγω οσμωτικής πίεσης. Ένα απλό ισοζύγιο μάζας (με σ=1) για τον διαλύτη δίνει την σχέση: 1 AL p p (V V)+ RTn V 0 RTn p ln p V RTn 1 p τ ο χρόνος για να συλλεγεί όγκος V διαλύτη (πλούσιος σε συστατικό) Α η επιφάνεια της μεμβράνης V 0 ο αρχικός όγκος n 1 ο συνολικός αριθμός των mole της ουσίας που μας ενδιαφέρει.

43 Το μοντέλο της αντίστασης J P P [86] R R R R R R R R M B F CP M B F CP όπου J: ογκομετρική παροχή διηθήματος ανά μονάδα επιφάνειας (m 3 /(m 2 s)) ΔP: εφαρμοζόμενο δυναμικό πίεσης (Pa) ΔΠ: διαφορά ωσμωτικής πίεσης στις δύο πλευρές της μεμβράνης (Pa) RM, RB, RF, RCP: αντιστάσεις στη ροή (Pa s/m). Θα πρέπει να τονιστεί εδώ ότι στις συνήθεις εφαρμογές υπερδιήθησης (π.χ. επεξεργασία μοριακών ή ασθενώς ηλεκτρολυτικών διαλυμάτων) η ΔΠ είναι πολύ μικρότερη από τη ΔP και μπορεί να παραληφθεί από την εξ. [86] χωρίς σημαντικό σφάλμα. Οι αντιστάσεις της εξ. [86] ορίζονται ως εξής: RM είναι η αντίσταση καθαρής μεμβράνης στη ροή διαλύτη, RB είναι η αντίσταση λόγω της παρουσίας μικρών σωματιδίων που φράζουν (blockage) τους πόρους της επιφάνειας της μεμβράνης, RF είναι η αντίσταση που οφείλεται στο σχηματισμό ενός στρώματος ρύπανσης (solid fouling layer) στην επιφάνεια της μεμβράνης, RCP είναι η αντίσταση λόγω πόλωσης συγκέντρωσης (μεταφορά μάζας).

44 ΗΛΕΚΤΡΟΦΟΡΗΣΗ Η βασική ιδέα στην ηλεκτροφόρηση είναι η εκμετάλλευση της διαφοράς σε φορτίο ανάμεσα σε διάφορες διαλυμένες ουσίες. Ηλεκτρόλυση του διαλύματος προκαλεί την κίνηση φορτισμένων ουσιών προς την άνοδο ή την κάθοδο.

45 Άλλες «ηλεκτρικές» μέθοδοι Α. Ηλεκτροδιάλυση Το ηλεκτρολυτικό κελί που όμως έχει δύο μεμβράνες που δεν επιτρέπουν την διέλευση των πρωτεϊνών. Οι δύο μεμβράνες χωρίζουν το κελί σε τρία τμήματα. Το διάλυμα εισέρχεται στο κεντρικό. Οι μικροί ηλεκτρολύτες περνούν την μεμβράνη και συλλέγονται στην άνοδο ή την κάθοδο ανάλογα με το φορτίο τους Οι πρωτεΐνες παραμένουν στο κεντρικό τμήμα.

46 Αφαλατωμένο νερό Υφάλμυρο νερό για πλύση Α Κ Α Κ Na + Na + Άνοδος (+) Cl - z Cl - Κάθοδος (-) Συμπύκνωμα Τροφοδοσία για αφαλάτωση Α: Ανιονική μεμβράνη 1: Θάλαμος συμπυκνώματος (υψηλής συγκέντρωσης ιόντων) Κ: Κατιονική μεμβράνη 2: Θάλαμος αφαλατωμένου νερού (χαμηλής συγκέντρωσης ιόντων) Σχήμα 27. Αρχή λειτουργίας της ηλεκτροδιάλυσης για αφαλάτωση

47 Άλλες «ηλεκτρικές» μέθοδοι Β. Ισοηλεκτρική εστίαση. Βασίζεται στην διαφορά του ισοηλεκτρικού σημείου των πρωτεϊνών. Η διάταξη είναι ανάλογη με αυτή της ηλεκτροδιάλυσης με την διαφορά ότι προστίθενται δύο ρυθμιστικά διαλύματα στα τμήματα της ανόδου και της καθόδου (πιο όξινο στην άνοδο και πιο βασικό στην κάθοδο). Οι μεμβράνες είναι μη ιοντικές. Οι πρωτεΐνες ανάλογα με το ισοηλεκτρικό τους σημείο θα κινηθούν σε ένα από τα τρία διαμερίσματα δια μέσου των μεμβρανών.

48 ΤΕΛΙΚΟΣ ΚΑΘΑΡΙΣΜΟΣ κρυστάλλωση ξήρανση

49 ΚΡΥΣΤΑΛΛΩΣΗ μειώνουμε την θερμοκρασία ενός διαλύματος οπότε η συγκέντρωση της διαλυμένης ουσίας θα γίνει μεγαλύτερη από την συγκέντρωση κορεσμού στην αντίστοιχη θερμοκρασία, μια και η διαλυτότητα μειώνεται με την θερμοκρασία. Σαν αποτέλεσμα το προϊόν σχηματίζει κρυστάλλους. Συνήθως μπορούμε να ελαττώσουμε την θερμοκρασία και να μη παρατηρήσουμε κρυστάλλωση αν και το διάλυμα είναι υπερκορεσμένο. Πρόκειται για μία μετασταθή κατάσταση: Αν ρίξουμε μικρή ποσότητα κρυστάλλων στο διάλυμα, αυτοί δρουν ως πυρήνας και σύντομα δημιουργούνται κρύσταλλοι του επιθυμητού προϊόντος.

50 Ο ρυθμός δημιουργίας κρυστάλλων εμπειρικά δίνεται από την σχέση: dn dt k n (c - c * ) i όπου c και c * η συγκέντρωση της ουσίας και η συγκέντρωση της ουσίας σε κορεσμό, αντίστοιχα, ενώ οι σταθερές i και k n είναι εμπειρικές.

51 Εκτός από τους πρωτοδημιουργούμενους κρυστάλλους, οι ήδη υπάρχοντες αναπτύσσονται με ρυθμό: dl dt k g (c - c* ) όπου l το μέγεθος των κρυστάλλων, και k g σταθερά. Συχνά ο στόχος μας είναι η εξασφάλιση σταθερού ρυθμού G κρυστάλλωσης για να αποφευχθούν ανομοιογένειες. Καθώς όλο και περισσότερη από την ουσία κρυσταλλώνεται, η συγκέντρωση της στο διάλυμα πέφτει, οπότε για να διατηρήσουμε σταθερό ρυθμό κρυστάλλωσης πρέπει να μειώσουμε την συγκέντρωση κορεσμού c *, δηλαδή την θερμοκρασία.

52 Μείωση της θερμοκρασίας T T 0 M s /V dc * /dt 3Gt l s 1 + Gt Gt l s 3l s Μ s και l s η μάζα και το μέγεθος των κρυστάλλων που προσθέτουμε αρχικά ως πυρήνα V ο όγκος του διαλύματος Τ 0 η θερμοκρασία στην οποία αρχίζουν να σχηματίζονται κρύσταλλοι, dc*/dt (θεωρούμενη σταθερή) η κλίση της συγκέντρωσης κορεσμού με την θερμοκρασία.

53 ΞΗΡΑΝΣΗ Η ξήρανση των βιολογικών προϊόντων είναι και το τελικό στάδιο του διαχωρισμού των και απαιτεί ιδιαίτερη προσοχή για να αποφευχθεί μετουσίωση και επομένως πιθανή απώλεια της χρησιμότητάς τους. Η ξήρανση συνήθως γίνεται με επαγωγικούς ξηραντήρες ή με σπρέι (απομάκρυνση υγρασίας με χρήση θερμού και ξηρού αέρα) Η δεύτερη είναι η μέθοδος επιλογής για διεργασίες μεγάλης κλίμακας.