Лекция 3. ОСНОВНЫЕ ПРОЦЕССЫ В БИОТЕХНОЛОГИИ ВОДНЫХ БИОРЕСУРСОВ

Экстракция – один из древнейших методов выделения биологически активных веществ (БАВ) из природных растительных источников и в настоящее время остается основным методом при получении БАВ. В научной лаборатории многообразие видов экстрагируемых органических веществ способствовало созданию и развитию большого разнообразия методов экстракции, которые применяют не только для выделения БАВ из растительного сырья, но и для разделения смеси веществ и очистки индивидуальных органических соединений от примесей.

Экстрагент, применяемый для извлечения веществ из водного раствора, должен удовлетворять следующим требованиям:

1. Экстрагент должен хорошо растворять в себе извлекаемое вещество.

2. Экстрагент должен по возможности больше отличаться по плотности от воды, т.е. быть тяжелее или легче воды. Кроме того, вязкость его должна быть низкой. Эти условия нужны для легкого расслоения фаз.

3. Экстрагент должен быть не растворим в воде.

4. Экстрагент должен быть химически инертен по отношению к извлекаемому веществу. 5. Кроме того, экстрагент должен быть легколетучим растворителем, чтобы последующее удаление его не вызывало затруднений.

Обычно для экстракции применяют такие растворители, как диэтиловый эфир, петролейный эфир, бензол, хлороформ, дихлорэтан. Чаще всего в экстракции применяют диэтиловый эфир. Одним из наиболее чувствительных методов разделения и определения чистоты небольших (миллиграммовых) количеств природных и синтетических органических соединений является противоточное распределение. Новые методы противоточной экстракции с большой разделительной способностью в настоящее время непосредственно связаны с развитием хроматографических методов: экстракция твердого вещества жидкостью – с адсорбционной хроматографией, экстракция жидкости жидкостью – с распределительной хроматографией. Очень часто между этими процессами нельзя провести четкой границы. Для некоторых видов экстракции исторически возникли названия, которые постоянно пополняются новыми, отражая специфику или нюансы конкретного метода экстракции.

Наиболее часто применяют простые в исполнении и результативные методы: мацерация, дигерирование, перколяция, перфорация и экстрагирование. Метод мацерации заключается в том, что вещество в твердой фазе в измельченном растительном источнике экстрагируют многократно при нормальной температуре небольшими порциями растворителя. Дигерирование отличается от мацерации лишь тем, что экстракция проводится при нагревании. При использовании метода перколяции вещество в твердой фазе экстрагируют растворителем при нормальной температуре противоточным методом. Простое экстрагирование заключается в том, что вещество экстрагируют из раствора одной порцией растворителя. Если экстракция повторяется несколько раз, то это повторное и/или фракционное экстрагирование. Если вещество непрерывно экстрагируют растворителем из раствора, то такой метод носит название перфорация. При использовании противотока процесс называется противоточной перфорацией. Эффективность любого вида экстракции твердого вещества жидкостью зависит прежде всего от его растворимости и скорости перехода из одной фазы в другую. Растворимость можно изменить, подбирая соответствующий растворитель, в который переходит преимущественно требуемое вещество, а присутствующие загрязнения остаются в твердой фазе. Скорость перехода вещества из твердой фазы в раствор определяется, в основном, скоростью проникновения жидкости в твердую фазу, скоростью диффузии вещества в жидкости и скоростью удаления вещества с поверхности раздела фаз. В отличие от системы двух жидких фаз равновесие на границе твердой и жидкой фаз наступает очень медленно. Ускорить приближение к равновесному состоянию можно путем увеличения поверхности твердой фазы за счет измельчения образца или постоянной подачей свежего растворителя на границу фаз. Кроме того, можно ускорить достижение равновесия посредством простого перемешивания (при мацерации и дигерировании) или при помощи противотока (при перколяции). Мацерация представляет собой простейший в исполнении и техническом оснащении способ экстракции, когда твердую фазу размешивают с растворителем и отфильтровывают.

Тщательное измельчение повышает степень экстрагирования твердого вещества. Эффективность процесса увеличивается также при применении избытка растворителя, постоянном перемешивании и при тщательном отделении экстракта от сырья. Повторная мацерация несколькими меньшими порциями свежего растворителя дает лучшее извлечение, чем мацерация в один прием всем количеством растворителя.

При перколяции – противоточной экстракции – в научных лабораториях используют перколяторы и экстракторы. Наиболее часто применяют экстрактор Сокслета, при помощи которого можно проводить непрерывную экстракцию в течение нескольких суток. Для выделения БАВ из растительного сырья используют весь спектр методов экстракции. Как правило, первым этапом при предподготовке сырья к экстракции БАВ является удаление липидов. Чаще всего для этих целей используют нейтральные растворители, спирты и их смеси. Одновременно с липидами при обработке надземной части растения, богатой хлорофиллом, удаляют большую часть зеленых и желтых пигментов, что значительно облегчает дальнейшее выделение искомых соединений. Так, одна из схем выделения фитоэкдистероидов из рдестов (р. Potamogeton) в качестве начального этапа предусматривает обработку воздушно-сухого растительного сырья гексаном и/или хлороформом. Известно, что многие липиды являются важнейшими биологическими эффекторами, регуляторами и медиаторами, участвующими практически во всех физиологических процессах. Поэтому внимание к липидам лекарственных и других полезных растений, их функциям и биологическим свойствам в последнее время растет.

Выделение индивидуальных липидов из исходного материала обычно включает несколько этапов. Первым этапом является разрушение ткани путем измельчения сухого сырья, следующим – экстракция нейтральных липидов, затем экстракция суммы фосфо- и гликолипидов с последующим фракционированием и выделением чистых веществ. Полноту извлечения липидов обеспечивает максимальное размельчение материала. Полярные растворители, такие, как метанол и этанол, которые разрушают водородные связи и ослабляют электростатическое взаимодействие липидов с белками, наиболее эффективно экстрагируют липиды. Использование спиртов для экстракции фосфолипидов удобно и тем, что они дезактивируют большинство липолитических ферментов, которые в активной форме вызывают деградацию липидов. Длительность экстракции и полноту экстрагирования, а также способ и условия проведения экстракции определяют в каждом конкретном случае.

На практике для выделения липидов чаще всего используют два основных рутинных метода экстракции, позволяющих количественно извлекать липиды практически всех классов из самой ткани и ее фракций. Наиболее распространенным является метод Фолча, согласно которому экстракцию проводят смесью хлороформ-метанол (2:1) из расчета 20 частей экстрагирующей смеси на одну часть ткани. Этот метод позволяет получить достаточно высокий выход нейтральных липидов, диацилглицерофосфолипидов и сфинголипидов. Лизофосфолипиды переходят в раствор лишь частично, а более полярные кислые липиды могут теряться при промывке экстракта растворами солей и водой. Однако 36 при повторных экстракциях и ограничении промывок выход липидов можно повысить до количественного.

Другой метод предложен Блайем и Дайером, когда экстракцию липидов осуществляют смесью хлороформ-метанол (1:1) из расчета две части смеси на одну часть ткани. Однако и в этом случае при промывке водой наиболее полярные кислые фосфолипиды и лизофосфолипиды переходят в водную фазу и теряются. В зависимости от химической природы липидов используют модифицированные методы извлечения. Заменив смесь хлороформ-метанол на смесь хлороформ-2 %-ный раствор уксусной кислоты в метаноле, можно повысить выход полярных липидов. Впоследствии для этих же целей была применена смесь хлороформ-метанол-1М соляная кислота (4:2:3).

Из водных растений р. Potamogeton, в которых впервые были обнаружены экдистероиды, липидные фракции были выделены нами последовательно экстракцией гексаном, а затем хлороформом. Полученные гексановые и хлороформенные экстракты пяти видов растений р. Potamogeton, произрастающих на территории Республики Коми, проявили поразительно высокую антимикробную активность, даже в концентрации 1 мкг/мл полностью подавляя рост таких тест-культур микроорганизмов, как Staphylococcus aureus, Proteus vulgaris, Pr. morgani, Pr. rettgeri. Таким образом, экстракция – один из самых древних технологических процессов, освоенных еще древнейшими нашими предками, и в наши дни является одним из самых распространенных и чаще других используемых методов выделения и очистки БАВ.

Абсорбция – процесс избирательного поглощения компонентов газовой смеси жидким поглотителем (абсорбентом).

Процесс абсорбции происходит в том случае, когда парциальное давление извлекаемого компонента в газовой смеси выше, чем в жидком абсорбенте, вступающем в контакт с этим газом, т.е. для протекания абсорбции необходимо, чтобы газ и абсорбент не находились в состоянии равновесия. Различие в парциальном давлении извлекаемого компонента в газе и жидкости является той движущей силой, под действием которой происходит поглощение (абсорбция) данного компонента жидкой фазой из газовой фазы. Чем больше эта движущая сила, тем интенсивнее переходит этот компонент из газовой фазы в жидкую. По своей природе различают два вида абсорбции: физическую, при которой извлечение компонентов из газа происходит благодаря их растворимости в абсорбентах и химическую (хемосорбцию), основанную на химическом взаимодействии извлекаемых компонентов с активной частью абсорбента. Скорость физической абсорбции определяется диффузионными процессами, скорость хемосорбции зависит от скорости диффузии и химической реакции. Процесс абсорбции обратимый, поэтому он используется не только для получения растворов газов в жидкостях, но и для разделения газовых смесей. При этом после поглощения одного или нескольких компонентов газа из газовой смеси необходимо произвести выделение из абсорбента поглощенных компонентов, т.е. десорбцию.

При выборе абсорбента учитывают состав разделяемого газа, давление и температуру процесса, производительность установки. Выбор абсорбента определяется также его селективностью, поглотительной способностью, коррозионной активностью, стоимостью, токсичностью и другими факторами. В отличие от ректификации процесс абсорбции протекает в основном однонаправленно, т.е. абсорбент можно считать практически нелетучим. В случае абсорбции многокомпонентной газовой смеси на некоторой ее стадии отдельные компоненты могут вытесняться другими поглощаемыми компонентами. В результате наряду с процессом абсорбции будет протекать процесс частичной десорбции некоторых компонентов, что приведет к распределению компонентов между газовой и жидкой фазами, обусловленному обоими указанными процессами. Абсорбция (десорбция) диффузионный процесс, в котором участвуют две фазы: газовая и жидкая. Движущей силой процесса абсорбции (десорбции) является разность парциальных давлений поглощаемого компонента в газовой и жидкой фазах, который стремится перейти в ту фазу, где его концентрация меньше, чем это требуется по условию равновесия. В качестве адсорбентов применяются пористые твердые вещества с большой удельной поверхностью, обычно относимой к единице массы вещества. Адсорбенты имеют различные по диаметру капиллярные каналы поры, которые условно могут быть разделены на макропоры (более 2·10-4 мм), переходные поры (6·10-6 ÷ 2·10-4 мм), микропоры (2·10- 6 ÷ 6·10-6 мм). Характер процесса адсорбции определяется размером пор. Удельная поверхность макропор очень мала, поэтому на их стенках адсорбируется ничтожное количество вещества. Макропоры играют роль лишь транспортных каналов для адсорбируемых молекул. На поверхности переходных пор, размеры которых обычно значительно превышают размеры адсорбируемых молекул, в процессе адсорбции образуются слои поглощенного вещества. Возможно образование слоев толщиной в одну молекулу (мономолекулярная адсорбция) и в несколько молекул (полимолекулярная адсорбция).

Адсорбция – процесс поглощения газов (паров) или жидкостей поверхностью твердых тел (адсорбентов). В случае избирательного поглощения компонентов смеси появляется возможность ее разделения на составляющие компоненты. Явление адсорбции связано с наличием сил притяжения между молекулами адсорбента и поглощаемого вещества. Адсорбция является одним из эффективных методов разделения газообразных и жидких смесей компонентов, различающихся структурой молекул. Твердое вещество, на поверхности или в порах которого происходит концентрирование поглощаемого вещества, называется адсорбентом. Поглощаемое вещество, находящееся вне пор адсорбента, называется адсорбтивом, а после его перехода в адсорбированное состояние адсорбатом. Адсорбция используется для очистки газовых (жидких) смесей от нежелательной примеси или для выделения этой примеси в качестве целевого продукта. Благодаря селективности поглощения различных компонентов адсорбция является одним из эффективных процессов разделения. В пищевой технологии адсорбция используется для очистки диффузионного сока и сахарных сиропов в сахарном производстве, осветления пива и фруктовых соков; очистки от органических и других соединений спирта, водки, коньяка и вин; сиропов в крахмалопаточном производстве и др. Адсорбция широко применяется также для осушки газов и их очистки с выделением ценных компонентов, для извлечения (регенерации) растворителей из газовых (паровых) или жидких смесей, для осветления растворов, очистки газовых выбросов и сточных вод и в аналитических целях. Различают два вида адсорбции физическую и химическую. При физической адсорбции молекулы поглощенного вещества, находящиеся на поверхности адсорбента, не вступают с ним в химическое взаимодействие. При химической адсорбции, или хемосорбции, молекулы поглощаемого вещества химически взаимодействуют с адсорбентом. При физической адсорбции связь молекул поглощенного вещества (адсорбата) с адсорбентом менее прочна, чем при хемосорбции. После осуществления адсорбции, как правило, производят десорбцию адсорбата. Это позволяет извлечь из сорбента поглощаемый компонент (нередко целевой продукт) и вновь использовать освобожденный от него сорбент: промышленные сорбенты чаще всего очень дороги, так что одноразовое их использование экономически невыгодно, иногда просто недопустимо.

После десорбции обычно необходимо провести активацию сорбента, чтобы восстановить его адсорбционные свойства. Стадии десорбции и активации адсорбента (вместе) представляют собой его регенерацию: после нее сорбент готов к повторному использованию в процессе адсорбции. Процессы адсорбции, десорбции, активации могут осуществляться в непрерывном режиме тогда каждый из них проводится в отдельном аппарате, а адсорбент перемещается из адсорбера в десорбер, далее в регенератор (активатор) и снова в адсорбер. Адсорбция один из немногих процессов, когда полунепрерывные режимы (неподвижный слой сорбента и движение через него потока сплошной среды) вполне конкурентоспособны с непрерывными. Целиком периодические процессы в промышленности используются нечасто (преимущественно при сорбции поглощаемого вещества из отдельных порций жидкости). В полунепрерывных и периодических процессах стадии адсорбции, десорбции и активации обычно проводят поэтапно в одном и том же аппарате. В пищевых производствах широко используют следующие адсорбенты: активные угли, силикагели (гель кремниевой кислоты), алюмогели (гидроксид алюминия), цеолиты, глины и другие природные адсорбенты. Адсорбенты, которые непосредственно контактируют с продуктами, должны быть биологически безвредными, т. е. они должны быть нетоксичными и прочными, не засорять продукт. Адсорбенты характеризуются большой удельной площадью поверхности, отнесенной к единице массы вещества. Они имеют различные по диаметру поры, которые можно  разделить на макропоры (более 2·10-4 мм), переходные поры (6 · 10-6 2 · 10-4 ) и микропоры размером от 2 · 10-6 до 6 · 10-6 мм. От размера пор в большой степени зависит характер адсорбции. При адсорбции возможно образование слоев молекул поглощенного вещества толщиной в одну молекулу (мономолекулярная адсорбция), толщиной в несколько молекул, так называемая полимолекулярная адсорбция. Адсорбенты характеризуются поглотительной способностью (активностью), определяемой количеством вещества, поглощенного единицей массы или объема адсорбента. Различают статическую и динамическую поглотительную способность. Статическая поглотительная способность определяется максимально возможным количеством вещества, поглощенного единицей массы (объема) адсорбента. Динамическая поглотительная способность определяется при пропускании адсорбтива через слой адсорбента и характеризуется количеством вещества, поглощенного единицей массы (объема) адсорбента от начала адсорбции до «проскока» адсорбтива через слой адсорбента. Максимальная поглотительная способность адсорбента при определенных температуре, давлении и концентрации адсорбируемого вещества называется равновесной активностью. В промышленности используют адсорбенты в виде гранул размером 2 - 7 мм либо в порошкообразном состоянии с частицами размером 50 200мкм.

Дистилляция (лат. distillatio стекание каплями) – это испарение жидкости с последующим охлаждением и конденсацией паров. Ректификация (от лат. rectus прямой и facio делать) – это разделение жидких смесей на практически чистые компоненты, отличающиеся температурами кипения, путём многократных испарений жидкости и конденсации паров. Очистка веществ дистилляцией основана на том, что при испарении смеси жидкостей пар получается обычно иного состава, происходит его обогащение легкокипящим компонентом смеси. Поэтому их многих смесей можно удалить легко кипящие примеси или, наоборот, перегнать основное вещество, оставив трудно кипящие примеси в перегонном аппарате. Часто приходится сталкиваться с системами, при перегонке которых все компоненты отгоняются в неизменном соотношении (азеотроптные смеси). В этом случае разделения не происходит и очистка перегонкой невозможна. В качестве примеров азеотропных смесей можно привести водные растворы HCl (20,24% HCl) и этилового спирта (95,57% C2H5OH). Для получения чистых веществ (особенно при глубокой очистке) вместо простой дистилляции предпочитают использовать ректификацию, т.е. процесс, при котором происходит автоматическое сочетание процессов дистилляции и конденсации. В ректификационной колонне пар встречается с различными фракциями конденсата, при этом часть менее летучего компонента конденсируется из пара в жидкость, а часть более летучего компонента переходит из жидкости в пар. Проходя через множество полок (“тарелок”) ректификационной колонны, пар успевает настолько обогатиться более летучим компонентом, что на выходе из колонны практически содержит только этот компонент (или азеотропную смесь). Ректификация используется для очистки не только жидких препаратов. Общеизвестно применение ректификации для разделения сжиженных газов (кислород, азот, инертные газы и т. д.).

Кристаллизация – процесс образования кристаллов из газов, растворов, расплавов или стёкол. Кристаллизацией называют также образование кристаллов с данной структурой из кристаллов иной структуры (полиморфные превращения) или процесс перехода из жидкого состояния в твёрдое кристаллическое. Особенностью процесса кристаллизации является возможность получения распределяемого компонента в чистом виде, связанная с различной растворимостью выделяемого вещества и примесей, которые остаются в растворе.

1) Процесс кристаллизации начинается только после охлаждения жидкости к определённой температуре.

2) Во время кристаллизации температура не меняется.

3) Температура кристаллизации равна температуре плавления.

При образовании кристаллов происходит фазовый переход, то есть переход вещества из одной термодинамической фазы в другую. Образование кристаллов из газов, растворов, расплавов или стёкол представляет собой фазовый переход первого рода, а кристаллизация при полиморфных превращениях может быть фазовым переходом второго рода. Кристаллизация начинается при достижении некоторого предельного условия, например, переохлаждения жидкости или пересыщения пара, когда практически мгновенно возникает множество мелких кристалликов центров кристаллизации. Зависимость скорости роста от условий кристаллизации приводит к разнообразию форм роста и структуры кристаллов (многогранные, пластинчатые, игольчатые, скелетные, дендритные и другие формы, карандашные структуры и т. д.). В процессе кристаллизации неизбежно возникают различные дефекты. На число центров кристаллизации и скорость роста значительно влияет степень переохлаждения. Степень переохлаждения уровень охлаждения жидкого металла ниже температуры перехода его в кристаллическую (твёрдую) модификацию. Переохлаждение необходимо для компенсации энергии скрытой теплоты кристаллизации.

Первичной кристаллизацией называется образование кристаллов в металлах (сплавах и жидкостях) при переходе из жидкого состояния в твёрдое. Виды кристаллизации. Кристаллизация происходит, когда растворимость вещества в растворе понижается каким-либо способом.

Стандартные методы снижения растворимости:

a) охлаждение;

b) добавление противорастворителя;

c) испарение;

d) реакция (осаждение).

Выбор метода кристаллизации зависит от имеющегося оборудования, целей процесса кристаллизации, растворимости и стабильности состояния вещества в выбранном растворителе. Кристаллизация сопровождается явлениями полиморфизма, образования кристаллогидратов и изоморфизма. Полиморфизм – явление образования при различных термодинамических условиях одними тем же веществом разных по симметрии и форме кристаллов. Кристаллогидраты – кристаллы, содержащие в структуре химически связанные молекулы воды, причем одно и то же вещество в зависимости от условий кристаллизации и хранения может включать различное число молекул воды. Изоморфизм – явление образования смешанных кристаллов из химически однотипных и сходных по кристаллографическим признакам веществ. Кристаллизация осуществляется вследствие изменения растворимости кристаллизуемого компонента в исходной смеси. Типичные сложности при кристаллизации. Кристаллизация происходит за счет нескольких взаимосвязанных процессов, на протекание которых влияют выбранные параметры. Основные этапы: образование активных центров (нуклеация), рост, образование новой жидкой фазы, агломерация, распад агломератов, полиморфные переходы. Данные процессы, которые часто протекают в скрытом виде, оказывают ключевое влияние на результат кристаллизации.

Сушка – это процесс удаление влаги из материала под действием тепловой энергии и отвод образующихся паров. Сушка широко распространена в производстве строительных материалов. Например, в цементной промышленности во вращающейся печи расположена зона сушки, в которой находится цепная завеса (влажность поступающего шлама достигает 45 %), эту влагу и надо испарить. Нарушения в режиме сушки сказываются на качестве образуемых гранул, а в конечном итоге и качество получаемого портландцементного клинкера. В керамической промышленности неравномерная сушка приводит к растрескиванию материала, в конечном итоге к браку. Сушка является сложным процессом, включающим теплообмен и массообмен, поэтому сушку можно отнести к термодиффузионным процессам. Сушка может производится на открытом воздухе без дополнительного нагревания материала, и тогда такую сушку называют естественной. Сушку с подводом дополнительного тепла называют искусственной. К механическим видам сушки относятся: отстаивание, фильтрация, отжатие, ценрифугирование материала. Таким способом удаляется только часть влаги, не имеющей прочной связи с материалом.

При физико-химическом способе влага поглощается гигроскопическим материаломхлоридом кальция, силикагелем, серной кислотой. Этот способ чаще применяется для обезвоживания газов. Тепловой способ удаления влаги, или сушка, заключается в испарении влаги с поверхности твердого влажного материала при подводе к нему тепловой энергии. По способу подвода тепла различают сушку:

1) конвективную, когда тепло к материалу от теплоносителя передается конвекцией при их непосредственном соприкосновении;

2) контактную, когда тепло к материалу подводится теплопроводностью через стенку, разделяющую материал и теплоноситель;

3) радиационную, где нагрев материала происходит путем теплового излучения (инфракрасные лучи);

4) диэлектрическую, когда материал нагревается под действием электрического поля высокой частоты;

5) сублимационную, когда при низких температурах и глубоком вакууме влага, находящаяся в твердой фазе, испаряется без перехода в жидкое состояние.