Bioteollisuuden yksikköoperaatiot: jälkikäsittely 18.4.2017 1
Jälkikäsittelyn päävaiheet Solujen erotus tai niiden talteenotto kasvatusliuoksesta Talteen otettujen solujen hajotus (jos solunsisäinen tuote) Kiintoaineen erotus (jos solunsisäinen tuote; tuote liuoksessa) Tuotteen talteenotto Kromatografia (adsorptio tai affiniteetti) Saostus tai kiteytys Kalvosuodatus tai haihdutus Uutto Tuotteen puhdistus Kromatografia Kiteytys Kuivaus Tuotteen formulointi
Figure 11.1 Copyright 2012, Elsevier Inc. All rights Reserved.
Figure 11.2 Copyright 2012, Elsevier Inc. All rights Reserved.
Figure 11.3 Copyright 2012, Elsevier Inc. All rights Reserved.
Solujen hajotus Mekaaniset ja ei-mekaaniset menetelmät Mekaaniset Korkeapainehomogenisaattori (kuvassa) Jauhaminen Silppuri Ultraääni (lähinnä laboratorio)
Suodatus Ensimmäinen operaatio on kiintoaineen erotus nesteestä (kun lopputuote ei ole solunsisäinen) Kiintoaineen eli solujen, solurippeiden tai saostuneiden komponenttien erotus kasvuliuoksesta tapahtuu yleensä joko suodattamalla tai sentrifugoimalla Suodatus perustuu nesteitä läpäisevien väliaineiden käyttöön Väliaineet pidättävät kiinteät partikkelit niiden koon perusteella
Perinteiset (dead-end) suodattimet Käsiteltävä liuos virtaa suoraan suodatinpintaa kohden Kiinteät partikkelit törmäävät suodatinmateriaaliin ja muodostavat sen päälle kiinteän suodoskakun Suodatinmateriaalina voi olla esim. kangas, selluloosa, lasivilla ja synteettiset kuidut Bioprosesseissa vakuumirumpusuodatin, Laroxsuodatin ja suotopuristin
Suodatus Dead-end suodatus sterilointi kiinto-aineiden poisto (muokattuna myös solujen erotus, ks. seuraava kalvo) Tangentiaalivirtaus- tai kalvosuodatus solujen erotus konsentrointi
Kalvosuodatusmenetelmiä ja niiden sovelluksia bioprosesseissa
Figure 11.22 Copyright 2012, Elsevier Inc. All rights Reserved.
Figure 11.23 Copyright 2012, Elsevier Inc. All rights Reserved.
Figure 11.24 Copyright 2012, Elsevier Inc. All rights Reserved.
Figure 11.34 Copyright 2012, Elsevier Inc. All rights Reserved.
22
Figure 11.35 Copyright 2012, Elsevier Inc. All rights Reserved.
Figure 11.36 Copyright 2012, Elsevier Inc. All rights Reserved.
Figure 11.37 Copyright 2012, Elsevier Inc. All rights Reserved.
Figure 11.38 Copyright 2012, Elsevier Inc. All rights Reserved.
Suuren mitan soluerotus suodattimilla Painesuodatin (Larox) Vakuumirumpusuodatin
Rumpusuodatus Käytetään etenkin hiiva- ja homesolujen erotukseen (isoja soluja) Käytetään paljon suurenkin skaalan prosesseissa
Rumpusuodattimen rakenne Sisempänä pyörivä sylinterimäinen rumpu Rummun pinta on peitetty suodatinkankaalla Ulompana kouru, johon käsiteltävä liuos syötetään
Figure 11.5 Copyright 2012, Elsevier Inc. All rights Reserved.
31
Vakuumirumpusuodattimen toiminta Käsiteltävä liuos syötetään ulompaan sylinteriin 1/3 rummun pinnasta on nesteen peitossa Neste imeytyy alipaineen vaikutuksesta pyörivän rummun sisälle Liuoksessa oleva kiintoaine ei läpäise rummun ulkopinnalla olevaa suodatinkangasta, vaan muodostaa ohuen kakun sen päälle Rummun pyöriessä kiintoaines pestään ja kuivataan ennen sen irrottamista rummun pinnalta
Kuivatun kiintoaineen irrottaminen Suodatuskakun irrottamiseen käytetään erilaisia menetelmiä riippuen kakun ominaisuuksista Veitsilasta / kaavin: hauraat ja kuivat materiaalit Nauha-irrotus: esim. tärkkelyssovellukset Hihna-irrotus: tuotteet, joilla taipumus tukkia Irtopinta / esipäällyste: tuotteet, joilla taipumus tukkia suodatinkangas
Hihna-irrotus (belt discharge) Jatkuvaa hihnairrotusta käytetään tuotteille, joilla on taipumusta tukkia suodatinaine Sarja rullia helpottaa kakun poistamista Nauha- tai hihnairrotus voi poistaa suodatusapuaineen tarpeen
Suodatusapuaineet (filter aids) Rumpusuodattimien kanssa käytetään usein suodatusapuaineita, kuten piimaata ja inaktiivista hiiltä Nopeuttavat suodattumista Estävät suodatuskakun kokoonpuristumista ja huokoisuuden alentumisesta aiheutuvaa suodattimen tukkeutumista
Suodatusapuaineet Piimaa Eniten käytetty suodatinapuaine Piimaa on lähtöisin suolaisissa ja makeissa vesissä esiintyvistä piilevistä Monimutkainen ja erittäin huokoinen rakenne Aktiivinen hiili Partikkelit huokoisia ja muodostavat tiheän kakun Huonompi suodatuskyky kuin piimaalla
Suodatusapuaineiden käyttö Suodatusapuaineita voidaan käyttää kahdella tavalla: 1) Esipäällystetään suodatinkangas suodatusapuainejauheella ennen kun suspensio pumpataan laitteeseen o o Irtopinta estää hienorakenteisten partikkelien takertumisen suodatinkankaaseen ja pitää siten suodatinkankaan pinnan huokoisena Helpottaa kakun poistoa suodatuskierroksen lopussa
Suodatusapuaineiden käyttö 2) Lisätään tietty määrä suodatusapuainetta suspensioon ennen suodattimeen syöttämistä o o Lisää lietteen huokoisuutta Vähentää suodatuskakun kokoonpuristumista
Figure 11.4 Copyright 2012, Elsevier Inc. All rights Reserved.
Sentrifugointi Solujen ja muun kiinto-aineen erotukseen liuoksesta Levyseparaattori Sopii solujen erotukseen Putkiseparaattori Jopa 13000-16000 g
43
Sentrifugointi Dekantterisentrifugi Korkea kiintoainepitoisuus Ei sovellu solujen erotukseen Rumpuseparaattori Mm. kiteiden erotukseen
Yksinkertainen Energiaa kuluttavaa Biologiset liuokset usein viskooseja ja lämpöherkkiä Haihdutus Tehtaissa haihduttimet usein monivaiheisia Kuvat: Luonnollisella kierrolla toimiva haihdutin (ylhäällä) Filmihaihdutin (alhaalla)
Haihdutus Levyhaihdutin Filmihaihdutin (Centri Therm-tyyppinen)
Kiteytys Konsentrointi ja puhdistus (esim. sokerit, aminohapot, antibiootit ja vitamiinit) Myös tapa tuotteen formulointiin Haihdutus- ja jäähdytyskiteytys Siemenkiteet Kuvassa jäähdytyskiteytin
Muita erotusmenetelmiä Kaksifaasiuutto (kuva) Adsorptio Saostus Kromatografia (kuva) Ioninvaihtokromatografia Hydrofobisuuteen perustuva kromatografia Affiniteettikromatografia Geelisuodatus HPLC analysointiin
Kuvissa teollisuusentsyymin jälkikäsittely (ylhäällä) ja kiteisen tuotteen jälkikäsittely (alhaalla)
JÄLKIKÄSITTELY-yhteenveto Teolliset bulkkientsyymit ovat medium price medium volume tuotteita Tavallisesti puhtaus melko alhainen Speksien mukaan Ei haitallisia sivuaktiivisuuksia Stabiilisuus tärkeä Tyypillinen prosessi: Fermentointi S/L-erotus (kiintoaine/neste) Tuotteen konsentrointi (ultrasuodatus) Tuotteen formulointi, standardointi ja stabilointi Vakuumirumpusuodatin 51
S/L-erotus: JÄLKIKÄSITTELY-yhteenveto Yksisoluiset organismit (keskipakoerotus tai suodatus tai flokkulointi ja suodatus) Filamenttiorganismit (dead-end suodatus (vakuumirumpusuodatus) Tuotteen konsentrointi: Ultrasuodatus Haihdutus Kuivaus Ultrasuodatus Plate&frame-tyyppiset kalvot ja tukilevyt Spiraalimodulit Filmihaihdutin 52
JÄLKIKÄSITTELY-yhteenveto Stabilointi- ja formulointioptiot: Kuivaus (spray-kuivaus, leijupetikuivaus) Steriilisuodatus/tuotanto-organismin poisto/tuho Stabilointiaineiden lisäys nestemäiseen tuotteeseen (esim. sorbitoli, parabeenit...) Spray-kuivaus Labramittakaavassa ja arvotuotteille ( katalogientsyymit ): tuotteen puhdistus Adsorptio/desorptio Suola- tai liuotinsaostus Nestekromatografia (geelisuodatus, ioninvaihto, hydrofobisten interaktioiden kromatografia, IMAC (immobilisoitujen metallien affiniteetti, affiniteettikromatografia) Kromatografinen puhdistus 53