Curs 1-11 PMS_master

UNIVERSITATEA TEHNICĂ “GHEORGHE ASACHI” DIN IASI Facultatea de Inginerie chimică și Protectia Mediului Master: Produse Farmaceutice și Cosmetice, anul I

Dr. bioing. Lenuța KLOETZER Powerpoint Templates

Informații disciplină: 2C + 1L - 14 săptămâni 1L - 4 săptămâni (1*2h + 3*4h) DI: 4K Evaluare: Nf = 40% Ne + 40%Np + 20%Nlab

Powerpoint Templates

BIBLIOGRAFIE: 1. D. Cașcaval, C. Oniscu, A.I. Galaction: Inginerie biochimică și biotehnologie. 3. Procese de separare, Ed. Performantica, Iași, 2004. 2. A.I. Galaction, D. Cașcaval: Metaboliti secundari cu aplicații farmaceutice și alimentare, Ed. Venus, Iași, 2004. 3. S.D. Sarker, Z. Latif, A.I. Gray: Natural products isolation, Second Ed., Humana Press, 2006. Powerpoint Templates

CUPRINS: 1. Metode de separare: generalități, clasificare, criterii de selecție 2. Distrugerea celulelor vegetale, animale și microbiene 3. Extracția fizică 4. Extracția reactivă 5. Extracția și transportul prin membrane lichide 6. Extracția prin micele inverse 7. Extracția în sisteme bifazice apoase 8. Extracția cu fluide supercritice 9. Separarea prin extracție solid-lichid 10.Separarea cu ajutorul schimbătorilor de ioni Powerpoint Templates

4

Ce sunt compușii naturali? Surse de compuși naturali Aplicații ale compușilor naturali Plante Microorganisme

Animale

Produse naturale

Powerpoint Templates

5

Celule vegetale, animale și microbiene - organisme întregi (plante, animale), - diverse părți componente (frunze, tulpini, organe, etc) Biomasă: alge, nămol anaerob Componenți extracelulari: proteine, acizi organici, alcooli, antibiotice Componenți intracelulari: proteine Templates citoplasmatice,Powerpoint lipide, antibiotice

6

Caracteristici ale produșilor naturali • Se află într-o diluție foarte mare în interiorul • • • •

celulelor sau în lichidele de fermentație (ex. proteine 0.01mg/L). Etape multiple de separare Labilitate chimică, termică, la forțele de forfecare si la tensiunile interfaciale ridicate Prezența compușilor secundari cu caracteristici fizice și chimice asemănătoare cu ale produsului de bază Necesitatea unei purități și omogenități ridicate (produșii pentru uz uman) Powerpoint Templates

7

Powerpoint Templates

8

Distrugerea celulelor vegetale, animale și microbiene  Etapă premergătoare procesului de separare

a produșilor utili  Se aplică în principal atunci când produsul util este localizat intracelular 

Ex. proteine: insulina produsă de E. coli în corpi de incluziune citoplasmatici

 Depinde de tipul de celule

Powerpoint Templates

9

Metode de distrugere a celulelor Metode mecanice În fază solidă: - măcinare - presare În fază lichidă: - ultrasunete - agitare mecanică - presiuni ridicate

Metode nemecanice Uscare: - cu aer - liofilizare - sub vid - cu solvenți

Fizică • șoc osmotic • cicluri de înghe ț/dezgheț • șocuri de presiune

Chimică Liza

• • • •

compuși tensioactivi acizi, baze, săruri solvenți antibiotice

Enzimatică • lizozime

Powerpoint Templates

10

Particularități ale metodelor de distrugere a celulelor

Powerpoint Templates

11

Metode fizice de distrugere a celulelor - Cele mai eficiente - Se aplică și la nivel industrial - Prelucrarea unor cantități mari de materiale - Consumul ridicat de energie Principiul: supunerea celulelor unor tensiuni de forfecare ridicate create de o presiune ridicată, de o agitare mecanică sau cu ultrasunete. Powerpoint Templates

12

Metode fizice de distrugere a celulelor  Distrugerea celulelor la presiune ridicată  Se aplică maselor celulare aflate în fază

lichidă. Principiul: trecerea suspensiei de biomasă, conținută într-un cilindru de oțel, sub o presiune de 50-200 MPa, printr-o valvă cu un orificiu îngust după care urmează o depresurizare bruscă, care induce în lichid o tensiune de forfecare capabilă de a distruge celulele. Powerpoint Templates

13

Distrugerea celulelor la presiune ridicată  Dispozitiv: - Omogenizator de înaltă presiune - Omogenizator Manton-Gaulin - Presă franceză pentru celule  Utilizată la scară industrială  Aplicabilitate extinsă  Hormoni  Enzime  Proteine  Antibiotice  Vitamine Powerpoint Templates

14

Distrugerea celulelor la presiune ridicată

(a)

(b) Omogenizator Manton-Gaulin

a – principiu de funcţionare , b – secţiune (A – dispozitiv manual de reglare a

presiunii de descărcare; B – resort; C – valva; D – scaunul valvei; E – inel de impact). 15 Powerpoint Templates

Distrugerea celulelor la presiune ridicată Procesele care stau la baza distrugerii celulelor: - trecerea cu viteze foarte mari a celulelor prin valvă

- ciocnirea jetului de celule de inelul de impact - ricoșarea celulelor - decompresia celulelor (explozia acestora cu eliberarea conținutului celular)

Powerpoint Templates

16

Distrugerea celulelor la presiune ridicată  Gradul de distrugere a celulelor:

MP max Gd = ln = k ⋅ N ⋅ pa MP max − MP Gradul de distrugere este influențat de:  temperatură  concentrația biomasei  presiune  configurația valvei (plată, ascuțită, conică, canelată)  numărul de treceri prin omogenizator Powerpoint Templates

17

Distrugerea celulelor la presiune ridicată Dezavantaje: - degajarea unei mari cantități de căldură în timpul operației de distrugere Soluție: - injectare de CO2 în interiorul valvei - utilizarea N2 lichid Variante: trecerea printr-o valvă îngustă a unei suspensii înghețate de celule creșterea gradului de distrugere datorită - efectului abraziv al cristalelor de gheață - ciocnirea cristalelor de gheață cu celulele Powerpoint Templates

18

Agitarea mecanică  Una din cele mai convenabile metode (laborator,

pilot, industrial)  Principiul: amestecarea la turații ridicate a suspensiei de biomasă cu bile confecționate din diferite materiale.  Distrugerea celulelor este cauzată de: - forţele de forfecare mari, - coliziunea cu bilele de măcinare sau cu pereţii morii. Dispozitiv: moara cu bile Powerpoint Templates

19

Schema de principiu a unei mori cu bile (Dyno-Mill)

Powerpoint Templates

20

Agitarea mecanică Factorii care influențează eficiența distrugerii celulelor: 1. Caracteristicile constructive ale morii - volumul şi geometria camerei de măcinare,

- numărul de discuri pe unitatea de volum de moară, - configurația sistemului de agitare - geometria şi materialul de construcţie al discurilor

2. Parametrii de operare - natura și concentrația celulelor

- dimensiunea și concentrația bilelor - temperatura și debitul suspensiei Powerpoint Templates

21

Agitarea mecanică Natura și concentrația celulelor -Se observă creșterea gradului de distrugere odată cu creșterea concentrației celulelor în suspensia prelucrată -La turații reduse: distrugerea este maximă pentru o concentrație optimă a biomasei -La turații ridicate, efectul concentrației este redus Concentrația optimă se determină experimental, situându-se, în general, între 30 – 60% (masă umedă). Powerpoint Templates

22

Agitarea mecanică Dimensiunea și concentrația bilelor Ø = 0.1-5mm - bile mari ≥ 1-5mm: celule animale, fungi - bile mici ≤ 1 mm: celule vegetale, drojdii fracția volumică = 80-90%vol. morii Temperatura de operare: 5-40°C Viteza agitatorului: 5 – 15 m/s

Configurația sistemului de agitare – discurile pot fi: - compacte/ perforate - dispuse perpendicular sau oblic pe ax Powerpoint Templates - dispunere concentrică / excentrică

23

Agitarea mecanică

Aplicații ale morilor cu bile: - distrugerea membranelor celulare ale biomaselor filtrate și uscate - eliberarea unor compuși activi: antibiotice, hormoni, factori de creștere

Powerpoint Templates

24

 Ciclurile de îngheț/dezgheț  Se aplică în special celulelor animale, bacterii

și drojdii  Principiul: supunerea suspensiei de celule la o succesiune de congelare la (-40°) - (-20°)C și încălzire la +20°C

 Osmoza inversă  Se bazează pe capacitatea celulelor de a echilibra rapid concentrația din interiorul celulei cu cea din mediul exterior.  Se aplică în special celulelor de bacterii, drojdii și Powerpoint Templates unele celule vegetale (plante acvatice) 25

Metode enzimatice de distrugere a celulelor  Utilizează enzime numite lizozime.  Etape preliminare: - selectarea enzimei - stabilirea condițiilor unei lize eficiente  Facilitarea procesului se poate realiza prin: - iradiere - adăugarea unor săruri în concentrație ridicată - utilizarea unor sisteme enzimatice combinate Powerpoint Templates

26

Metode enzimatice de distrugere a celulelor - Prezintă o mare specificitate pentru membrana celulară - Distrug membrana celulară fără să interacționeze cu componenții intracelulari - Procedeu eficient, se poate aplica tuturor tipurilor de celule - Costul foarte ridicat al enzimelor - Separarea dificilă a produșilor intracelulari eliberați de lizozime. Templates ele însuși lizozime Variante: autoliza = Powerpoint celule produc 27

Metode enzimatice de distrugere a celulelor  Combinarea lizei enzimatice cu alte metode poate

conduce la obținerea unor grade ridicate de dezagregare la viteze convenabile.

 Ex.: Celule de B. cereus pretratate cu 0,5 g celozil1 /g celule umede la

pH = 5,5 şi 30°C au fost dezagregate în proporţie de 98% la o singură trecere printr-un omogenizator Manton-Gaulin la 70 MPa. Celulele netratate au fost dezagregate doar în proporţie de 40% în aceleaşi condiţii de lucru.

Powerpoint Templates

28

Metode chimice de distrugere a celulelor  Utilizează agenți chimici: acizi, baze, compuși tensioactivi, solvenți Acizii: - cei mai activi agenți de distrugere a celulelor - distrug peretele celular - nu pot fi utilizați pentru obținerea compușilor instabili în

mediu acid Bazele: solubilizează o serie de compuși intracelulari fără să distrugă peretele celular Compușii tensioactivi: produc liza membranei celulare sau extrag unii componenți intracelulari Powerpoint Templates

29

Analiza gradului de distrugere a celulelor

Metode directe = stabilesc numărul sau masa celulelor rămase intacte - utilizează un microscop sau numărător electronic de particule - diferențierea celulelor întregi: colorare

Metode indirecte = dozarea concentrației componenților citoplasmatici eliberați în mediu sau a unor parametri care depind de concentrația acestora (ex. conductivitatea Powerpoint Templates electrică) 30

Influenţa distrugerii celulelor asupra proceselor ulterioare de separare • Separarea resturilor celulare este o operaţie dificilă, datorită dimensiunilor reduse ale particulelor şi a viscozităţii ridicate a sistemului. • Dezagregarea mecanică sau tratamentele litice produc resturi celulare de dimensiuni uneori sub 0,1 μm, foarte dificil de separat. • La astfel de dimensiuni, filtrarea şi centrifugarea sunt puţin eficiente. • Cantitatea de proteine intracelulare eliberată creşte cu creşterea gradului de mărunţire al resturilor celulare – pe măsură ce dimensiunile resturilor celulare se micşorează, separarea lor devine din ce în ce mai dificilă. Powerpoint Templates

31

Powerpoint Templates

32

 Concept  Scop  Clasificare  Criterii de alegere  Extracția lichid-lichid

Powerpoint Templates

33

Aspecte generale ale proceselor de separare Definiție: “Separarea este un proces prin care un amestec este scindat în cel puțin două componente cu compoziții diferite sau două tipuri de molecule cu aceeași compoziție dar cu stereochimie diferită.”  Procesele de separare sunt aplicate în multiple

domenii ale științei și tehnologiei, ceea ce a dus la apariția și dezvoltarea științei separării. Powerpoint Templates

34

Procese de separare – aplicații Aplicații inițiale:  Distilarea alcoolului  Izolarea unor coloranți din materiale naturale  Izolarea unor metale  Medicamente izolate din plante și ierburi  Tratarea apelor cu absorbanți solizi

Aplicații moderne: - Industria petrolieră - Industria farmaceutică - Industria alimentară - Industria minieră - Medicină Powerpoint Templates - Biotehnologie

35

Aspecte generale ale metodelor de separare Obiectivele separărilor: i) Analiza diferitelor componente ale unui amestec - Cuantificarea unor compuși cunoscuți - Izolarea componentelor necunoscute - Analiza unui amestec complex

ii) Obținerea unor compuși puri din amestecuri complexe - Aplicarea unui singur proces - Utilizarea mai multor tehnici de separare - Repetarea unor etape de separare Powerpoint Templates

36

Clasificarea metodelor de separare 1. Pe baza proprietăţilor care stau la baza separării 2. Pe baza proceselor de echilibru şi transfer 1. Pe baza proprietăţilor care stau la baza separării Proprietăţi

Metoda de separare

Volatilitate

Vaporizare, Distilare

Solubilitate

Precipitare

Capacitatea de schimb ionic

Separarea cu s.i.

Geometria moleculară

Ultrafiltrare, Dializa

Capacitatea de distribuţie

Extracţie L-L, CGL

Activitatea de suprafaţă

CLS, CGS

Powerpoint Templates

37

Clasificarea metodelor de separare 2. Pe baza proceselor de echilibru şi transfer Metode bazate pe echilibrul între faze GazLichid Distilare C G-L

GazSolid

LichidSolid

Sublimare Cristalizare

Metode bazate pe fenomene de transfer

LichidLichid Extracție

Separarea prin membrane

Separarea în câmp

Adsorbție

Distilare fracționată

C L-L

Dializa

Electroforeza

C G-S

C LS

CP

Ultrafiltrare

Ultracentrifugare

CSI

HPLC

Electrodializa

Electroliza

Precipitare

CLS

Osmoza inversă

Difuzia termică

Powerpoint Templates

38

Aspecte generale ale metodelor de separare Criterii pentru alegerea unei metode de separare:  cantitatea și complexitatea amestecului  localizarea produsului: intracelular sau extracelular  concentrația finală a produsului  caracteristicile fizico-chimice ale produsului  utilizarea produsului, respectiv condițiile de puritate impuse  natura impurităților  costul etapeiPowerpoint de separare Templates

39

Powerpoint Templates

40

SEPARAREA PRIN EXTRACȚIE Operația de separare a componenților unui amestec lichid sau solid pe baza diferenței de solubilitate a acestora într-unul sau mai mulți solvenți. După tipul de amestec:

 Extracție lichid - lichid  Extracție solid - lichid După tipul de interacțiuni:  Extracție fizică - extracția se realizează numai prin intermediul fenomenelor fizice de solubilizare și difuziune.  Extracție reactivă - în timpul procesului intervin și reacții chimice între solut și agentul (agenții) de extracție. Powerpoint Templates

41

SEPARAREA PRIN EXTRACȚIE Solvent

 Extracţie fizică  Extracţie reactivă

Extractant aminic Extractant organofosforic

SEPARAREA prin extracție lichid-lichid

 Extracţie reactivă Modificator de fază sinergetică

 Pertracţie

Amestec de extractanţi Facilitată: agent de extracţie Facilitată sinergetică: agent de extracţie + modificator de fază / amestec extractanţi

 Extracție prin micele inverse  Extracție în sisteme bifazice apoase Powerpoint Templates

42

Extracția lichid-lichid - este rapidă - simplă - selectivă - aplicabilă într-un domeniu larg de concentrații se poate transpune destul de ușor la scară industrială

Solut = soluția care conține compusul ce trebuie extras Solvent (dizolvant) = solvent/soluție organic/ă Extract = faza organică în care se află dizolvat solutul Rafinat = soluția inițială epuizată Powerpoint Templates

43

Extracția lichid-lichid

Principiul de bază

SOLVENT (S)

EXTRACT +S RAFINAT

A+B Faze lichide

Amestecare

Separare

Etape:  contactarea soluției inițiale cu solventul (amestecarea)  solubilizarea și difuzia solutului în faza solventului (transferul de masă al solutului)  separarea celor două faze rezultate (extractul - faza solventului care conține solutul, rafinatul – soluția inițială epuizată)  recuperarea solventului Powerpoint atât din extract, cât și din rafinat. 44 Templates

Extracția lichid-lichid

 Raportul cantităților de substanță ce se repartizează între cele două faze poate fi descris de legea lui Nernst: raportul concentrațiilor unei substanțe dizolvate în două lichide nemiscibile care se găsesc în echilibru este constant la o anumită temperatură: YA=XA.  Echilibrul

este caracterizat de coeficientul de distribuție: YA conc. lui A in faza EXTRACT K = = D X A conc. lui A in faza RAFINAT

Powerpoint Templates

45

Extracția lichid-lichid

 Pentru sistemele ideale, coeficientul de distribuţie KD respectă legea de repartiţie a lui Nernst

– KD > 1: solutul trece preponderent în extract, – KD < 1: solutul rămâne preponderent în rafinat, – KD = 1: solutul A se repartizează în mod egal între cei doi solvenţi B şi S

 Pentru aplicaţii practice, extracţia L – L este posibilă dacă KD > 3.

Powerpoint Templates

46

Extracția lichid-lichid

Factorii care influențează viteza extracției:  aria interfacială de contact dintre cele două

faze lichide,  forța motrice a transferului de masă al solutului între soluția inițială și solvent,  coeficienții de transfer de masă ai solutului în fiecare fază.

Powerpoint Templates

47

Extracția lichid-lichid

În timpul operației de extracție, din punct de vedere al fazei disperse, au loc următoarele procese: - dispersarea sub formă de picături - deplasarea picăturilor prin faza continuă - coalescența picăturilor și separarea celor două faze

Pentru realizarea unei eficiențe sporite a extracției, este necesară obținerea unui contact intim între fazele din sistem, reflectat de gradul de dispersie al uneia in cealaltă, respectiv de valoarea ariei interfaciale. În condițiile amestecării a două faze nemiscibile are loc formarea unor dispersii, prin stabilirea unui echilibru între procesele de formare și coalescență a picăturilor. 48 Powerpoint Templates

Extracția lichid-lichid

Dispersarea uneia dintre faze în cealaltă se poate realiza în două moduri principale:

• dispersarea cu ajutorul turbulenței create (agitare •

mecanică, forțe centrifugale) dispersarea prin trecerea lichidului prin orificii înguste (talere perforate, site, umplutură, capilare).

Dispersiile lichid-lichid, ca toate celelalte dispersii, sunt, în general, sisteme instabile termodinamic, datorită energiei libere asociată cu o suprafață interfacială ridicată, care poate descrește prin coalescență. Asigurarea unei contactări cât mai intime dintre cele două faze, condiție esențială a unei extracții eficiente, poate genera dificultăți în etapa de separare a fazelor. Powerpoint Templates

50

Extracția lichid-lichid

 Realizarea unei amestecări eficiente asigură

menținerea uniformă a turbulenței din amestec ceea ce va determina ca dimensiunea și distribuția picăturilor să fie uniforme în întreg volumul utilajului în care se realizează extracția (cazul ideal).

 Transferul de masă al solutului dintr-o fază în cealaltă reprezintă etapa-cheie a extracției, acesta putând avea loc fie înspre, fie dinspre faza dispersă (picături). Transferul de masă se realizează, în proporții diferite, în fiecare dintre etapele de formare, deplasare și coalescență a picăturilor.

Powerpoint Templates

52

Selectarea solvenților Solvenții sau agenții de extracție pot fi compuși chimici puri sau amestecuri.

Alegerea solventului se face în funcție de: a) proprietățile solventului - să nu reacționeze chimic cu solutul - să aibă stabilitate chimică - stabilitate termică

-proprietăți fizice: densitate,tensiune interfaciala,viscozitate - toxicitate - inflamabilitate - corozivitate - costul - posibilitatea de a putea fi recuperat

b) proprietățile chimice și fizice ale compușilor ce trebuie separați (masă moleculară, punct de fierbere, punct de topire, viscozitate, constanta dielectrică, etc.) Powerpoint Templates

53

Extracția lichid-lichid

Solvenți utilizați pentru extracție: Pentru extracția produselor naturale și de

biosinteză polare: utilizeaza alcooli, esteri, cetone (solvenți polari).

Principala problema o reprezinta solubilitatea lor relativ ridicata in mediul apos. Cresterea masei moleculare a acestor compusi reduce solubilitatea in mediul apos, dar mareste tendinta de formare a unor emulsii stabile cu acesta.

Pentru compușii nepolare: eter de petrol,

diclormetan, dicloretan (solvenți nepolari) etc. Powerpoint Templates

54

Extracția lichid-lichid

Principiile selectării unui solvent Coeficientul de distribuție: reprezintă raportul dintre concentrația solutului în extract și concentrația sa în rafinat, la echilibru. Alegerea unui solvent pe baza acestui criteriu se face cu ajutorul diagramelor de echilibru. Factorul de separare (selectivitatea): se utilizează în cazul extracției selective a componenților unui amestec. Factorul de separare, S, se definește ca raportul concentrațiilor componenților amestecului inițial, i și j, în faza extract, respectiv faza rafinat: CiE C jE Ki CiE, CjE – concentrațiile componentilor i și j în extract S = = CiR, CjR - concentratiile componentilor i si j in rafinat CiR Kj Ki, Kj - coeficientii de distributie ai componentilor i si j. C jR Cu cât selectivitatea unui solvent pentru un solut este mai mare, cu atât numărul etapelor necesare separării solutului respectiv va fi mai redus. Coeficientul de repartiție (D) – reprezintă raportul dintre concentrația totală a componentei “i” în toate formele ei chimice în faza organică și concentrația totală a aceleeași componente în toate formele ei chimice în faza apoasă. Capacitatea de extracție: constituie o măsură a volumului de solvent necesar separării eficiente a unui solut. Variază invers cu selectivitatea : solventii cu selectivitate ridicată au, în general, o capacitate de extracție redusă, fiind necesar un volum mare de solvent.

Powerpoint Templates

55

Extracția lichid-lichid

Tipuri de extractoare utilizate în extracția lichid-lichid  Din punct de vedere constructiv - Extractoare cu amestecare mecanică și decantare - Extractoare tip coloană - Extractoare centrifugale

 După modul de contactare a fazelor - Extractoare cu contact în trepte - Extractoare Powerpoint cu contact diferențial Templates

56

Extracția lichid-lichid

Criterii pentru compararea și alegerea unui extractor

Extractoarele utilizate pentru extracția produselor naturale și de biosinteză trebuie să realizeze viteze mari de transfer de masă ale acestora, în condițiile unor timpi de contact și de separare a celor două faze extrem de reduși, datorită pericolului degradării chimice a compușilor utili. Criterii:  Eficacitate  Eficiență volumică  Capacitate volumetrică  Posibilitatea utilizării în cazul unor sisteme ușor emulsionabile  Flexibilitate  Suprafața ocupată  Cheltuieli de întreținere  Investiții. Powerpoint Templates

57

Extractoare centrifugale Avantaje: desi au un pret de cost ridicat si un numar limitat de trepte de contact, sint recomandate in cazurile in care:  se impun timpi de contact scurti, datorita labilitatii chimice ridicate a solutului,  se prelucreaza lichide usor emulsionabile  pentru care diferenta de densitate dintre cele doua faze este redusa,  cazul prelucrarii unor debite reduse. Din punct de vedere constructiv, extractoarele centrifugale se impart in doua grupe principale: - extractoare cu ax vertical - extractoare cu ax orizontal. 58 Powerpoint Templates

Aplicaţii ale extracţiei lichid-lichid

Powerpoint Templates

59

Extracția fizică a produselor de biosinteză  Produsele de biosinteză se găsesc în lichidul final de

fermentație în concentrații reduse (0,5 – 8%)  Sunt, în general, compuși labili chimic și termic.  În lichidele de fermentație se găsesc numeroși compuși secundari, unii cu caracteristici fizicochimice asemănătoare cu ale produselor utile. Separarea și purificarea produselor de biosinteză sunt operații dificile, care necesită etape laborioase.

Powerpoint Templates

60

Extracția fizică a produselor de biosinteză Pentru a putea fi extrase eficient, produsele de biosinteză trebuie transformate într-o formă care să fie solubilizată cu ușurință în solvent.  Pentru extracția compușilor cu caracter slab acid se corectează

pH-ul mediului apos la o valoare mult mai mică decât pKa;  Pentru extracția compușilor slab bazici la o valoare mai mare de pKb cu circa 2 unități. În ambele cazuri, compușii biosintetizați se transformă în specii chimice nedisociate. Deoarece în majoritatea cazurilor, produsele de biosinteză sunt puțin stabile în mediu acid sau bazic, contactarea fazelor, transferul de masă și separarea fazelor trebuie să se realizeze cu viteze ridicate, motiv pentru care se preferă extractoarele centrifugale. Powerpoint Templates

61

Separarea prin extracție fizică a produselor de biosinteză  Majoritatea acizilor carboxilici şi aminoacizilor

au valori extrem de reduse ale coeficienţilor de distribuţie în solvenţi organici, extracţia lor nefiind posibilă în acest sistem, ci doar ca extracţie reactivă.  Doar antibioticele se pretează la extracţia cu solvenţi organici, metoda fiind aplicată la scară industrială.

Powerpoint Templates

62

Extractia fizica a unor antibiotice de biosinteză Antibiotic

Mediul supus extractiei

Solvent

pH

Actinomicina

biomasa

metanol+clorura de metilen

2,5

Adrianimicina

biomasa

acetona

acid

Bacitracina

lichid de ferm. filtrat

n-butanol

7,0

Cloramfenicol

lichid de ferm. filtrat

acetat de etil

neutru, alcalin

Acid clavulanic

lichid de ferm. filtrat

n- butanol

2,0

Cicloheximida

lichid de ferm. filtrat

acetona cloroform

acid

Eritromicina

lichid de ferm. filtrat

acetat de amil acetat de butil

alcalin

Acid fuzidic

lichid de ferm. filtrat

metil-i-butilcetona

6,8

Grizeofulvina

biomasa

acetat de butil

neutru

Antibiotice macrolide

lichid de ferm. filtrat

metil-i-butilcetona acetat de etil

alcalin

Nizina

lichid de ferm. filtrat

cloroform + s-octanol

4,5

Penicilina G

lichid de ferm filtrat, lichid de ferm. nefiltrat

acetat de butil acetat de amil

2,0

Salomicina

biomasa

acetat de butil

9,0

Virginiamicina

lichid de ferm. filtrat

metil-i-butilcetona

acid

Powerpoint Templates

63

Separarea antibioticelor β-lactamice Extracția fizică reprezintă, singurul procedeu de separare aplicat industrial. Concentrația finală a penicilinelor G și V în lichidele de fermentație este cuprinsă între 3 și 6%, în funcție de tulpina utilizată. Datorită diluției foarte mari, este necesară concentrarea soluției prin extracție și reextracție. Penicilinele pot fi extrase fie din soluția apoasă rezultată în urma filtrării biomasei, fie direct din lichidul de fermentație. Pentru extracția penicilinelor G și V au fost studiați o serie de solvenți organici, la diferite valori ale pH-ului fazei apoase și ale temperaturii.

Powerpoint Templates

64

Extracția penicilinelor Extracția penicilinelor în acetat de butil decurge cu randamente maxime numai în condițiile în care aceste antibiotice se vor găsi în soluția apoasă supusă extracției în forma nedisociată. Solvenții nepolari, sau cu polaritate redusă pot solubiliza numai compușii nepolari.

Powerpoint Templates

65

Extracția penicilinelor cu acetat de butil Din analiza procesului de extracție fizică a penicilinelor G și V cu acetat de butil s-a constatat că : - în solvent sunt extrase numai moleculele de penicilină nedisociate - între moleculele de penicilină, în condițiile în care se realizează extracția, nu are loc formarea unor asociații - în acetatul de butil penicilinele nu disociază. Deoarece conțin o grupare carboxil, penicilinele vor disocia în faza apoasă, conform echilibrului: P-COO-(aq) + H+(aq)

P-COOH(aq) pka = 2,75 pentru penicilina G

pka = 2,70 pentru penicilina V

Powerpoint Templates

66

Extractia penicilinelor cu acetat de butil În condițiile specificate, penicilinele G și V vor exista într-o formă neutră numai la un pH al fazei apoase mai mic decât 2,70 - 2,75. Influențele pH-ului asupra coeficientului de distribuție al penicilinei G și asupra randamentului de extracție a unor peniciline sunt redate în figurile: 100

Grad de extrac]ie, %

Coeficient de distribu]ie, K

50

40

30

20

10

80 60 40 20

0

0 1

2

3

4

pH

5

Influenta valorii pH-ului fazei apoase asupra coeficientului de distributie al penicilinei G intre apa si acetat de butil, K

2

3

4

5

6

7

8

9

pH

Influenta valorii pH-ului fazei apoase asupra randamentului extractiei fizice a penicilinelor G si V cu acetat de butil

Powerpoint Templates

67

Schema de operații pentru separarea penicilinelor prin extracție Sol. 4-6% H2SO4

Solvent

Sol. K2CO3 ( Na2CO3 )

Filtrat EXTRACTIE I

Sol. 4-6% H2SO4

Solvent

REEXTRACTIE

Extract

Solvent epuizat

Solutie carbonat EXTRACTIE II

Rafinat

Powerpoint Templates

68

Extracția penicilinelor cu acetat de butil Randamentele extracției fizice ale unor antibiotice β-lactamice și precursori de biosinteză ai acestora cu acetat de butil în funcție de valoarea pH-ului fazei apoase Randament extractie, % Compus

pH=2

pH=3

pH=4

pH=5

pH=6

Penicilina G

98

95

75

21

10

Penicilina F

100

100

97

89

39

Penicilina K

100

100

80

62

12

Acid fenilacetic

98

98

96

89

39

 Pentru atingerea unei eficiențe maxime a procesului de extracție fizică cu acetat de butil se impune acidularea soluției apoase la pH = 1,9-2.

 La această valoare a pH-ului, viteza procesului de degradare a ciclului

tiazolidin-β-lactamic este foarte mare, astfel că, de exemplu, timpul de semiinactivare al penicilinei G la pH=1,5 si 35oC este de 4 minute.

 Se preferă extractoarele centrifugale, care realizează viteze ridicate de

contactare a fazelor, de transfer de masă a antibioticului și separarea 69 Powerpoint fazelor în timp de câteva secunde.Templates

Powerpoint Templates

70

SEPARAREA PRIN EXTRACŢIE REACTIVĂ  Extracţia reactivă reprezintă o îmbinare între procesele

chimice, respectiv reacţia dintre solut şi un extractant, şi procesele fizice de difuziune şi solubilizare a compusului format în urma reacţiei chimice.

Utilizări  Separarea unor compuşi anorganici  Recuperarea şi purificarea unor metale din deşeurile radioactive şi din apele reziduale  Tehnica de preconcentrare şi separare în chimia analitică  Separarea compuşilor organici, în special a celor obţinuţi prin biosinteză Powerpoint Templates

Avantaje: • posibilitatea separării unor compuşi insolubili în solvenţi organici; • folosirea unor cantităţi mici de solvenţi care pot fi regeneraţi; • durate reduse; • eficienţă sporită; • instalaţie simplă deja existentă; • procedeu economic.

Powerpoint Templates

Directii principale de studiu:  alegerea metodei de extracţie în funcţie de

selectivitatea oferită pentru un anumit solut;  sinteza unor noi compuşi potenţiali extractanţi cu eficienţă ridicată, pe baza caracteristicilor fizico-chimice ale solutului respectiv (“solvent design“);  stabilirea mecanismului de interacţiune dintre solut şi extractant şi a condiţiilor optime de extracţie;  lărgirea domeniului de aplicabilitate al extractanţilor la alte clase de compuşi Powerpoint Templates

73

Extracţie reactivă Solvent

Extracţie lichid-lichid

Eficienţa extracţiei = redusă

Solubilitate redusă Solvent + Extractant

Soluţia supusă separării

Extracţie reactivă Solvent + Extractant + modificator de fază

Extracţie reactivă sinergetică

Îmbunătăţirea extracţiei

Creşte durata procesului

dar

X

A treia fază

Solubilitate ridicată Powerpoint Templates

Eficienţa extracţiei = diminuată

Eficienţa extracţiei = Ridicată

Powerpoint Templates

75

Mecanismul general al extracţiei reactive Mecanismul general prezentat presupune faptul ca solubilitatea componentilor sistemului in cealalta faza este nula, separarea realizandu-se prin parcurgerea urmatoarelor etape:  difuzia extractantului la interfata de separare dintre cele doua faze  difuzia solutului la interfata de separare dintre cele doua faze  reactia interfaciala dintre solut si extractant  difuzia compusului rezultat in urma reactiei interfaciale in faza extract f. organica

interfata

f. apoasa

A(o) A(i)

S.A(o) S(i)

S.A(i)

S(aq)

Powerpoint Templates

S - solut A - agent de extractie

Mecanismul general al extracţiei reactive: (a) reacţie chimică interfacială; (b) reacţie chimică în faza apoasă; (c) reacţie chimică în faza organică. A(o)

(a)

S.A(o)

faza organică interfaţă

A(i)

+ S(i)

S.A(i)

faza apoasă S(aq) A(o)

S.A(o)

faza organică

(b)

interfaţă faza apoasă A(aq)

(c)

faza organică

A(o)

+ S(aq)

+

S(o)

interfaţă faza apoasă

PowerpointS(aq) Templates

S(aq)

S.A(o)

Mecanismul extracţiei reactive: Viteza procesului global de extracție reactivă este controlată de viteza celui mai lent proces elementar: - difuzia solutului S către interfață - difuzia extractantului A către interfață - reacția chimică

Dacă:

⇒ procesul este controlat difuzional 2) vdifuzie >> v reacție ⇒ procesul global este controlat cinetic 3) vdifuzie ≅ v reacție ⇒ procesul global decurge după un model cinetic combinat transfer de masă – reacţie chimică. 1) vdifuzie 1 (apariţia aşa-numitei a treia faze) mR(COOH)2(aq) + QPowerpoint ] .Q (0) ↔ [R(COOH) Templates 2 m (0)

Extracţia reactivă a acidului succinic

R(COOH)2 (aq) + p Q (o)  R(COOH )2 .Q p (o)   D=   R(COOH )2( aq )   

KE =

R(COOH)2.Qp (o)

 R(COOH)2 .Q p( o )  p  R(COOH)2( aq )  ⋅ Q( o ) 

⇒  R(COOH)2 .Q p( o )  = K E ⋅  R(COOH)2( a q)  ⋅ Q( o )  R(COOH)2  HA− ( aq )  ⋅  H +  K a1 =   R(COOH ) 2( aq )  = R(COOH ) 2( aq )   R(COOH ) 2( aq )  −  HA− ( aq )   R(COOH ) 2( aq )   HA− ( aq=  K a1 ⋅  )  H +   R(COOH ) 2( aq )    ⇒  R(COOH ) 2( aq )  = K a1 1+  H + 

p

HA- + H+

D=

K E × Q(o)  1+

p

K a1

H +   

 K   ln K E + p ⋅ ln Q( o )  ln D + ln 1 + a+1 =  H      

Powerpoint Templates

101

R(COOH)2 (aq) + p Q (o)

R(COOH)2.Qp (o)

lnD+ln(1+Ka1/[H+])

2 0 -2 -4 -6 Diclormetan Acetat de butil n-Heptan

-8 -10 -4,5

-4,0

-3,5

-3,0

-2,5

-2,0

ln[Q(o)]

• • •

diclormetan acetat de butil n-heptan

p = 1,88 p = 1,94 p = 4,08

Powerpoint Templates

102

100

Grad de extractie, %

Grad de extractie, %

100 Diclormetan Acetat de butil n-Heptan

80 60 40

80

60

40 Diclormetan Acetat de butil n-Heptan

20

20

0

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0

Influența pH-ului fazei apoase inițiale asupra eficienței extracției reactive a acidului succinic cu TOA (concentrația TOA = 40 g/l).

20

40

60

80

100

120

140

160

Concentratie TOA, g/l

pH

Influența concentrației TOA asupra eficienței extracției reactive a acidului succinic la pH = 1.

Powerpoint Templates

103

Extracţia acizilor carboxilici cu derivaţi organofosforici Extracţia acizilor carboxilici cu derivaţi organofosforici (esteri neutri sau fosfinoxizi) are loc prin solvatarea solutului din faza apoasă, respectiv stabilirea unor legături coordinative sau dipol-dipol între solut şi extractant. La modul general, solvatarea poate fi descrisă de o ecuaţie de forma: în care m reprezintă numărul de solvatare al acidului carboxilic.

Constanta de echilibru (ct. de extracţie):

Powerpoint Templates

104

Extracţia acizilor carboxilici cu derivaţi organofosforici  Constanta

de echilibru depinde puternic de hidrofobicitatea acidului extras, dar şi de bazicitatea extractantului.

 La extracţia acizilor carboxilici din soluţii apoase 0,1

M cu TBP nediluat la 25 °C, coeficienţii de distribuţie cresc în ordinea: acid tartric (0,6) acid malic (1,3) acid lactic (1,4) acid citric (2,0) acid maleic (3,6) acid succinic (5,7) acid propionic (8,4) Powerpoint Templates

105

Extracţia acizilor carboxilici cu derivaţi organofosforici Extracţia reactivă a acizilor mono- şi dicarboxilici cu TBP decurge cu randamente superioare extracţiei acizilor minerali, în condiţii experimentale identice. La extracţia acizilor carboxilici cu TBP coeficientul de distribuţie scade, iniţial rapid, cu creşterea concentraţiei acidului în faza apoasă iniţială. Efectul este mai pregnant la extracţia cu soluţii concentrate de TBP.

Powerpoint Templates

106

Extracţia acizilor carboxilici cu derivaţi organofosforici  acizii monocarboxilici sunt mai uşor de extras decât cei

dicarboxilici,  prezenţa grupărilor OH în structura acidului micşorează puternic extractabilitatea acestuia În cazul derivaţilor organofosforici neutri, bazicitatea, respectiv eficienţa extracţiei, cresc în ordinea: tributilfosfat < dibutilfosfat < tributilfosfinoxid respectiv cu creşterea numărului de legături directe C – P.

Powerpoint Templates

107

Extracţia reactivă a antibioticelor ß-lactamice Separarea penicilinelor de biosinteză din lichidul de fermentaţie = extracţie fizică cu acetat de butil. Extractia fizică eficientă a penicilinelor cu acetat de butil este posibilă numai la un pH al fazei apoase mai mic decât 2, condiţii în care viteza de inactivare chimică a acestor antibiotice este extrem de ridicată. Extracţia reactivă a antibioticelor reprezintă o alternativă avantajoasă.

Powerpoint Templates

108

Extracţia reactivă a antibioticelor ß-lactamice Agent de extracţie: tri-alchil-metil-laurilamina(Amberlite LA-2), o amină secundară cu structura generală: C12H25-NH-CR1R2R3 nr. atomi carbon R1 + R2 + R3 = 11 – 13

Mecanismul general al reacţiei chimice interfaciale a penicilinelor cu amina este redat prin echilibrul următor: P-COO-(aq) + H+(aq) + A(o)

P-COOH.A(O)

Datorită structurii voluminoase a penicilinelor, respectiv a agenţilor de extracţie, la interfaţă se vor forma complecşi (săruri) numai în raport molecular antibiotic: extractant de 1 : 1.

Powerpoint Templates

109

Extracţia reactivă a antibioticelor ß-lactamice Influenţa valorii pH-ului fazei apoase asupra randamentului extracţiei fizice şi reactive a penicilinelor G şi V

Extracţia penicilinelor G şi V cu Amberlite LA-2 decurge cu randamente maxime şi la valori de pH = 5 ale fazei apoase. La pH = 5, timpul de semiinactivare a penicilinei G este de 92 ore, pericolul degradării chimice fiind practic îndepărtat = principalul avantaj al extracţiei reactive

Powerpoint Templates

110

Extracţia reactivă a antibioticelor ß-lactamice

Extracţia reactivă a penicilinelor cu amine este influenţată de:     

valoarea pH-ului fazei apoase iniţiale, concentraţia iniţială a extractantului, concentraţia iniţială a antibioticului, timpul de contact al fazelor, raportul volumic [aq]:[org].

Gradul de extracţie depinde puternic de structura antibioticului extras, în special datorită solubilităţii acestuia.

Powerpoint Templates

111

Extracţia reactivă a antibioticelor ß-lactamice Gradul de extracţie al unor antibiotice β-lactamice la extracţia reactivă cu TOA în cloroform

Powerpoint Templates

112

Extracţia reactivă a antibioticelor ß-lactamice

Reextracţia antibioticelor = în soluţii apoase de carbonat sau fosfat de sodiu sau potasiu. Ex. la reextracţia cu carbonat de sodiu are loc următorul proces: 2P-COOH.A(o) + Na2CO3 (aq)

2 P-COO-Na+ (aq) + A(o) + CO2 + H2O

În general, reextracţia decurge cu randamente mari şi fără degradare a antibioticelor la pH neutru. La reextracţia penicilinei G, la pH = 7,2 – 7,5, pierderile totale de antibiotic, atât în etapa de extracţie reactivă cu Amberlite LA-2, cât şi în etapa de reextracţie, au fost mai mici de 0,3%. Powerpoint Templates

113

Separarea penicilinei V de acidul fenoxiacetic prin extracţie reactivă

Influenţa pH-ului fazei apoase asupra gradului de extracţie al acidului fenoxiacetic cu TBAHSO4 în diclormetan

Influenţa solventului asupra gradului de extraţie a penicilinei V cu TBAHSO4

Powerpoint Templates

114

Extracţia reactivă a aminoacizilor Aminoacizii sunt componenţii structurali de bază ai proteinelor şi enzimelor şi se pot obţine:  

prin biosinteză prin hidroliza proteinelor.

Problema dificilă o reprezintă separarea aminoacizilor din lichidul de fermentaţie sau din hidrolizatul proteic. Aminoacizii esenţiali, care se găsesc în proteinele naturale, pot fi clasificaţi în funcţie de polaritatea radicalului R pe care sunt grefate grupările amino şi carboxil în aminoacizi: - cu radical R alifatic nepolar (Gly, Ala, Pro, Val, Leu, Ile, Met)

- cu radical R aromatic (Phe, Tyr, Trp) - cu radical R polar, neutru electric (Ser, Tre, Cys, Asn, Gln) - cu radical R polar, încărcat pozitiv (Lys, Hys, Arg) - cu radical R polar, încărcat negativ (Asp, Glu) Powerpoint Templates

115

Extracţia reactivă a aminoacizilor Datorită structurii lor amfionice,aminoacizii se găsesc în soluţie apoasă sub diferite forme ionice (cation, amfion,anion), în funcţie de valoarea pH-ului:

pH

Extracţia acestor compuşi poate fi realizată prin utilizarea unor extractanţi:   

derivaţii acizilor organofosforici, aminele cu masă moleculară mare, eterii-coroană. Powerpoint Templates

116

Extracţia reactivă a aminoacizilor  Extracţia aminoacizilor cu amine La interfaţă se formează perechi ionice hidrofobe, între aminoacidul protonat, un anion din faza apoasă şi extractantul din faza organică:

 Pentru ca aminoacidul să fie protonat: pH

faza apoasa <

pIaac.

Reextracţia aminoacidului şi regenerarea aminei se realizează prin tratarea fazei organice cu sol. de Na2CO3.

Powerpoint Templates

117

Extracţia reactivă a aminoacizilor  Extracţia cu săruri ale aminelor Necesită existenţa aminoacidului în forma anionică în soluţia apoasă (pH faza apoasa < pIaac.) în sistem stabilindu-se următoarele echilibre: - disocierea aminoacidului în faza apoasă:

- extracţia reactivă a anionului aminoacidului printr-o reactie interfacială de schimb ionic: - coextracţia grupei HO-, sau a altui anion mineral prezent în soluţia apoasă:

Pentru reextracţie se foloseşte o soluţie de acid clorhidric. Powerpoint Templates

Extracţia reactivă a aminoacizilor Influenţa valorii pH-ului asupra gradului de extracţie al aminoacizilor

La pHfaza apoasă = pI aac. extracţia aminoacizilor cu amine sau săruri cuaternare de amoniu nu este posibilă.

La extracţia aminoacizilor cu săruri cuaternare de amoniu, la valori ridicate ale pH-ului fazei apoase, este posibilă extracţia în paralel a anionilor existenţi în lichidul de fermentaţie (sulfat, fosfat, carbonat), lucru care poate duce la reducerea eficienţei extracţiei. Powerpoint Templates

119

Extracţia aminoacizilor cu derivaţi organofosforici Extracţia aminoacizilor cu D2EHPA: în sistem se stabileşte următorul echilibru interfacial, extracţia decurgând prin schimb ionic:

Dacă aminoacidul este bazic, la valori pH scăzute el există ca dianion, astfel încât echilibrul de extracţie se poate scrie:

Powerpoint Templates

120

Extracţia reactivă a aminoacizilor

Efectul valorii pH-ului soluţiei apoase asupra gradului de extracţie al aminoacizilor cu D2EHPA în acetat de butil

Powerpoint Templates

121

Extracţia reactivă a aminoacizilor

Separarea selectivă unui amestec de aminoacizi prin extracţie cu D2EHPA în acetat de butil, la diverse valori ale pH-ului fazei apoase. Powerpoint Templates

122

Condiţii de separare selectivă a unor grupe de aminoacizi din amestec prin extracţie reactivă cu D2EHPA în acetat de butil

Powerpoint Templates

123

Extracţia reactivă a aminoacizilor  Extracţia aminoacizilor cu eteri-coroană şi calixarene  Eterii-coroană pot extrage aminoacizii din soluţii apoase acide (pH < pI),

în care aceştia se găsesc sub formă cationică.

 Procesul de extracţie are loc prin mecanismul perechilor ionice [cationul

aminoacidului se cuplează cu un contraion(A-)]

Succesiunea etapelor care intervin în procesul extracţiei sunt: - transferul extractantului (eterul-coroană CR) în faza apoasă: - reacţia extractantului cu cationul aminoacidului, în faza apoasă: - reacţia complexului cationic cu contraionul, în faza apoasă: - transferul perechii ionice complex cationic – contraion în faza organică: Powerpoint Templates

124

Extracţia reactivă a aminoacizilor  Acidul HA care trebuie să furnizeze contraionul A-

este ales astfel încât valoarea pKa să fie apropiată de cea a aminoacidului.

 Procesul global de extracţie poate fi descris de

ecuaţia:

cu constanta de extracţie:

- Compoziţia molară a complexului extras este de 1 : 1 : 1(cation : extractant : anion). - Constanta de extracţie depinde de masa moleculară a aminoacidului, însă dependenţa nu este suficient de puternică pentru a realiza separarea selectivă a aminoacizilor. O separare selectivă se poate realiza prin modificarea pH-ului fazei apoase.

Powerpoint Templates

125

Extracţia reactivă a vitaminelor  La separarea prin extracţie reactivă se pretează vitaminele

hidrosolubile, cu caracter acid. Acestea se comportă la extracţie similar cu acizii carboxilici.

Vitamina B9 (acidul folic) Acid p-aminobenzoic

Pteridină Acid glutamic

Structura acidului folic

Separarea şi purificarea acidului folic din lichidele de fermentaţie implică filtrarea biomasei şi sorbţia acidului pe anioniţi, după o purificare prealabilă a filtratului prin tratamente termice şi chimice. La separarea prin extracţie reactivă, utilizarea aminei secundare Amberlite LA-2 permite obţinerea unor valori ridicate ale gradului de extracţie. Powerpoint Templates

126

Extracția reactivă a acidului folic cu D2EHPA / Amberlite LA-2

Similar extracției reactive a altor compuși organici care conțin grupări aminice acidul folic este extras cu D2EHPA printr-o reacție interfacială de schimb ionic, având expresia generală: H2N-R(COOH)2 (aq) + HP(o)

P-H3 N+-R(COOH)2(o)

Coeficientul de distribuție corespunzător acestui mecanism al reac ției interfaciale dintre cei doi componen ți se calculează cu relația:

[ P H N − R (COOH ) ] = [H N − R(COOH ) ] −

D D 2 EHPA

+

3

2

2(o )

2 ( aq )

Extracția reactivă a acestui acid cu Amberlite LA-2, Q, decurge prin intermediul unei reacții interfaciale, cu formarea unui compus puternic hidrofob: H2N-R(COOH)2(aq) + 2Q(o) H2N-R(COOH)2.Q2(o) Coeficientul de distribuție al acidului folic între cele două faze pentru extracția reactivă cu Amberlite LA-2 este descris de expresia următoare:  H 2 N − R(COOH )2 .Q2(o)   DLA− 2 =   H 2 N Templates − R(COOH )2( aq )  Powerpoint 

127

Influența pH-ului fazei apoase inițiale și a polarității solventului asupra eficienței extracției reactive a acidului folic cu (a) D2EHPA (concentrația D2EHPA = 40 g/l) şi (b) Amberlite LA+2 2.0 DLA-2

DD2EHPA

0.4

0.3

1.5

Diclormetan n-Heptan 0.2

1.0

0.1

0.5

n-Heptan Diclormetan

0.0

0.0 1

2

3

4

5

6

7

1

2

3

pH

(a)

4

5

pH

6

7

(b)

Powerpoint Templates

128

Influența concentrației extractantului asupra eficienței extracției reactive a acidului folic cu (a) D2EHPA şi (b) Amberlite LA-2

DLA-2

4 DD2EHPA

0.4 Diclormetan n-Heptan

n-Heptan Diclormetan

3

0.3

2

0.2

1

0.1

0.0 0

10

20

30

40

50

60

CD2EHPA, g/l

70

0 0

10

(a)

20

30

40

50 60 CLA-2, g/l

70

(b)

Powerpoint Templates

129

Extracția reactivă a vitaminei C  Vitamina C sau acidul ascorbic este una dintrecele mai cunoscute şi

mai studiate vitamine. Vitamina C se obţine: • • • •

prin extracţie din diferite materii prime vegetale, prin sinteză chimică, prin biosinteză, prin procedee combinate de sinteză chimică şi biosinteză.

Indiferent de metoda de obţinere, separarea şi purificarea necesită numeroase etape, care implică consumuri ridicate de materiale şi energie. Soluţia finală din care trebuie extras acidul ascorbic conţine numeroase produse secundare, cel mai important dintre acestea fiind acidul 2-cetogluconic ic are doi enantiomeri, activitate biologică având doar izomerul levogir. Powerpoint Templates

130

Extracția reactivă a vitaminei C  La extracţia acidului ascorbic cu Amberlite LA-2 în acetat de

butil separarea decurge prin intermediul unei reacţii interfaciale de ordinul I între acid şi extractant:

Procesul este controlat de concentraţia extractantului în faza organică şi de valoarea pH-ului fazei apoase. Powerpoint Templates

131

Extracția reactivă a vitaminei C

Influenţa adaosului de modificator de fază asupra gradului de extracţie a acidului ascorbic cu Amberlite LA-2 în acetat de butil Influenţa pH-ului fazei apoase şi a concentraţiei extractantului la extracţia reactivă a acidului ascorbic cu Amberlite LA-2 în acetat de butil

Powerpoint Templates

132

Separarea prin extracție reactivă sinergetică

modificarea structurii speciei moleculare extrase

Efect sinergic

modificarea capacitatii de extractie individuala a extractantilor

Coeficientului sinergic, CS, definit de relaţia: E AB CS = lg E A + EB unde: EA, EB – coeficienţii individuali de extracţie ai solutui cu extractanţii A şi B EAB – coeficientul de extracţie al solutului cu amestecul extractanţilor A şi B EAB = EA + EB + ΔEAB ΔEAB – coeficient de amplificare. Powerpoint Templates

Separarea prin extracție reactivă sinergetică În extracţia reactivă sinergică se folosesc 4 tipuri de combinaţii între extractanţi: (i) agent de chelatizare + ligand neutru; (ii) acid organofosforic + ligand neutru; (iii) 2 extractanţi neutri; (iv) 2 extractanţi cu caracter acid. (i) şi (iv) sunt specifice extracţiei reactive a metalelor. (ii) şi (iii) pot fi aplicate atât la extracţia metalelor, cât şi pentru extracţia acizilor minerali şi a compuşilor organici

Powerpoint Templates

134

Separarea acidului folic prin extracție reactivă sinergetică P-H3N+- R(COOH)2.An(o)

H2N-R(COOH)2 (aq) + HP(o) + n A (o)

CS =

Influența concentrației D2EHPA asupra coeficientului sinergic (pH = 2)

D D 2 EHPA+ LA− 2 D D 2 EHPA + D LA− 2

2.50

1.0

CS

CLA-2 = 5 g/l

CS

CLA-2 = 40 g/l

2.25

0.9

K=

2.00

 P − H N + − R( COOH ) .A  3 2 n( o )    H 2 N − R( COOH )2( a q)  ⋅  HP( o )  ⋅  A( o )       

1.75

0.8

n

1.50 0.7

P  CS

=

DD 2 EHPA + LA − 2 = DD 2 EHPA + DLA − 2

 P− H N + 3  P 

−

H3 N

+

−

H3 N

+

− R( COOH )2 .An( o )  

0

[

10

20

][

K ⋅ HP( o ) ⋅ A( o )

30

40

50

60

Diclormetan n-Heptan

1.00

70

0

CD2EHPA, g/l

10

20

30

40

50

60

70

CD2EHPA, g/l

Influența concentrației Amberlite LA-2 asupra coeficientului sinergic (pH = 2) 5

3

CS

CD2EHPA = 5 g/l

CD2EHPA = 40 g/l

CS

4

− R( COOH )2( o )  +  H 2 N − R( COOH )2 .A2( o )  

CS =

0.6

 H 2 P − R( COOH )2( aq )  =  P − H N + − R( COOH )  H N R( COOH )2 .A2( o )  −  ( o ) 3 2  + 2  H 2 N − R( COOH )2( aq )   H 2 N − R( COOH )2( aq ) 

− R( COOH )2 .An( o )  

1.25

Diclormetan n-Heptan

2

]n

3 2 1

(D D 2 EHPA + D LA− 2 ) Powerpoint Templates 1

Diclormetan n-Heptan

Diclormetan n-Heptan 0

0

0

10

20

30

40

50

60

CLA-2, g/l

70

0

10

20

30

40

50

60

CLA-2, g/l

70

Extracţia reactivă sinergetică a acidului p-aminobenzoic (a) Amberlite LA-2 + 1-octanol

Powerpoint Templates

(b) D2EHPA

+ 1-octanol

Influenţa concentraţiei 1-octanolului asupra eficienţei extracţiei reactive a acidului p-aminobenzoic (concentraţia extractanţi = 20 g/l; pH=4)

Grad de extractie, %

100

80

60

40 n-Heptan+Amberlite LA-2 n-Heptan+D2EHPA Diclormetan+Amberlite LA-2 Diclormetan+D2EHPA

20

0 0

5

10

15

20

25

Concentraţie 1-octanol, % vol.

Powerpoint Templates

137

Separarea selectivă a acizilor carboxilici obținuți prin fermentație succinică • pentru acizii acetic și formic:

m RCOOH (aq) + p Q(o)

• pentru acidul succinic:

m R(COOH)2 (aq) + p Q(o)

S=

150

RCOOHm.Qp (o)

S

YF + YA YS

R(COOH)2]m.Qp (o)

150

S 120

120 Diclormetan Acetat de butil n-Heptan

90

90

60

60

30

30

0 0

50

100

150

200

250

300

350

Concentratie TOA, g/l

(a)

Diclormetan Acetat de butil n-Heptan

400

0 0

50

100

150

200

250

300

350

Concentratie TOA, g/l

(b)

Influenţa valorii concentraţiei TOA asupra selectivităţii extracţiei reactive a acizilor aceticPowerpoint şi formic din amestec cu acidul succinic Templates (a) în absența şi (b) în prezența 1-octanolului (pH=1)

400

Powerpoint Templates

139

Separarea cu ajutorul membranelor Elementul central este membrana: “bariera selectiva care separa doua compartimente si permite trecerea preferentiala a unei specii în raport cu altele, sub influenta unei forte de transfer”. Puterea de separare este rezultatul diferenţei în viteza de transfer a componenţilor, determinată de forţa de transfer şi de interacţiile cu membrana.

Avantaje • folosirea unor cantități reduse de solvenți, aceștia fiind continuu regenerați

• reducerea timpului total necesar separării unui anumit produs, prin reunirea extracției cu reextracția • posibilitatea transportului unui solut împotriva gradientului său de concentra ție, dacă se menține diferența de gradient a proprietății care controlează procesul • obținerea unor fluxuri masice mai mari comparativ cu membranele polimerice sau anorganice • selectivități înalte datorate utilizării unui domeniu extins de interac ții specifice în membrană prin folosirea unor extractan ți selectivi • consum de energie redus • instalații compacte Powerpoint Templates • costuri de investiții scăzute

Separarea cu ajutorul membranelor

Separarea prin membrane cuprinde un grup de metode care pot fi aplicate unei mari diversităţi de compuşi cu aplicaţii în numeroase domenii. Un sistem complex format dintr-un solvent în care se găsesc dizolvate specii chimice ionice, molecule şi macromolecule, agregate moleculare şi particule, poate fi separat în componente prin procese membranare. Se evidenţiază cinci procese membranare principale: o microfiltrarea, o ultrafiltrarea, o osmoza inversă, o dializa, o electrodializa. Powerpoint Templates

141

CLASIFICAREA MEMBRANELOR Criterii: ⇒ după natura lor: • membrane naturale • membrane sintetice ⇒ după tipul materialului: • membrane polimerice • membrane anorganice (sticlă, metal, ceramică) • membrane hibride organic-anorganice • membrane lichide ⇒ după structură: • simetrice • asimetrice • compozite Powerpoint Templates

142

Procesele membranare si caracteristicile lor

Powerpoint Templates

143

Metode de obținere a membranelor lichide  Există trei tipuri principale de procedee:  



obținerea membranei lichide prin emulsionare înglobarea solventului în porii unui material polimer hidrofob, sau în interiorul unui material fibros utilizarea unor echipamente de extracție de construcție specială - pertractoare Powerpoint Templates

Tipuri de membrane lichide

Powerpoint Templates

Membrană lichidă obţinută prin emulsionare (ELM)

Membrană lichidă obținută prin emulsionare (ELM): Prepararea emulsiei (1), tratarea fazei inițiale cu emulsie (2); agitarea amestecului emulsie-soluție inițială (3). R, soluția finală (acceptoare); F,soluția inițială, (donoare); S, membrana lichidă

a

b

Emulsie obținută la: (a) 4000 rpm and (b) 8000 rpm

Powerpoint Templates

146

Membrană lichidă obţinută prin înglobare (SLM)

a)

b)

c)

Membrane lichide obținute prin includere: a) membrană lichidă inclusă în pereți microporoși; b) membrană lichidă inclusă în pereții microporoși ai unui contactor cu fibre goale; c) membrană lichidă între două filme neporoase

Powerpoint Templates

147

Membrane lichide libere

Membrană lichidă liberă (BLM) a – în formă de U, b – cu cilindri concentrici

a

b

Membrane lichide libere: a − membrană lichidă liberă stratificată, b − cu contactarea fazelor realizată de un disc rotativ, c − cu contactarea fazelor realizată în film, d −cu ambele interfețe imobilizate în pereți microporoși; F − soluția inițială, R − soluția finală (de reextracție), M − faza membranară, HF − fibre goale microporoase

Powerpoint Templates

148

Echipamente de pertracţie

Instalaţie pentru obţinerea unei membrane prin emulsionare ET – tanc pentru emulsionare, P – pompe, S – racord pentru colectare probe, ST – vas de depozitare, M – motor

Powerpoint Templates

149

Echipamente de pertracţie pentru membrane lichide incluse în matrici/membrane polimere Membrana suport (suportul poros): • membrane polimerice • membrane anorganice • membrane polimerice: – acetat de celuloza – poliamide – polisulfone – alti polimeri • membrane anorganice: – ceramice (pe bază de oxizi de Al si Zr – cele mai utilizate) – din sticla – metalice

Powerpoint Templates

150

Echipamente de pertracţie pentru SLM Membrane plane - instalaţii de laborator

Membrane tip: • fibra goala (fibra tubulara) (hollow fiber) • modul spirala - instalatii industriale

Powerpoint Templates

- instalatii industriale

151

Echipamente de pertracţie pentru SLM

Pertractor cu membrana fibroasă în sistem de curgere în curent încrucişat

Membrană lichidă inclusă într-un modul spiralat

Membrană lichidă inclusă în membrană tip fibre goale - „hollow fiber

Powerpoint Templates

(a) Vedere de sus a canalelor spiralate în suportul (b) de PTFE 1 – suport de aluminiu, 2 – suport de PTFE, 3 – membrana lichidă 152

Echipamente de pertracţie pentru membrane lichide libere

Echipament de pertracţie în forma de H: compartimente (1,2), soluţia de alimentare (3), soluţia de reextracţie (4), membrana lichidă (5), agitatoare (6), orificii pentru colectarea probelor (7, 8, 9)

Schema pertractorului cu discuri rotative

F-fază de alimentare, R-fază de reextracţie, M-membrană; •carcasă ; 2- pereţi între celule, 3- discuri hidrofile, 4- ax rotativ

Powerpoint Templates

153

Separarea cu ajutorul membranelor lichide PERTRACȚIA, respectiv extracția și transportul prin membrane lichide, face parte din tehnicile aplicate pentru separarea unor produse naturale și reprezintă o dezvoltare și îmbunătățire a procesului de extracție reactivă. Principiul metodei constă în transferul solutului între două faze F și R, între care există o diferență de proprietate, prin intermediul unui strat de solvent organic (faza membranară-S) interpus între soluțiile apoase.

c Transferul de masă în celule-echipamente de extracție: (a) tub tip U (transferul Schulmann) (b) cu separare cu un perete vertical (c) cu separare cu un perete cilindric Powerpoint (d) cu separare cu un Templates cilindru inelar rotativ

d

Mecanismul transportului prin membrane lichide

a

b

Mecanismul pertracției cuplat cu mecanismul extracției în faza membranei S - solut, C - agent purtător; a –extracție fizică, b-extracție reactivă

Powerpoint Templates

Mecanismul general al pertracției Soluție apoasă inițială

Membrana lichidă

Soluție apoasă finală

A

A-Solut A - Agent purtător Mecanismul general al pertracției presupune parcurgerea următoarelor etape: 1. Extracția fizică sau reactivă a solutului la interfața de separare (1) dintre faza apoasă inițială și membrana lichidă. 2. Difuzia solutului sau a complexului format în urma reacției interfaciale dintre solut și agentul purtător dinspre interfața (1) către interfața (2), prin membrana lichidă 3. Reextracția solutului la interfața de separare (2) dintre solventul organic și faza apoasă finală, cu regenerarea solventului și a agentului purtător. Templates Powerpoint

Mecanismele de transport prin membrane lichide pot fi împărțite în două grupe principale:  transport simplu, nefacilitat (figura a, b)  transport facilitat (figura c-e)

Mecanismul transferului de masă în membrane lichide A - solut, C - agent purtător, B, D - specii ionice, F - faza apoasă inițială, M - membrană lichidă, R - faza apoasă finală

Powerpoint Templates

157

Agenți de extracție utilizați în pertracția facilitată:      

amine, derivați organofosforici, schimbători de ioni, eteri coroană, chelați, lichide ionice, etc.

Principalele caracteristici ale unui agent purtător eficient: • cinetică rapidă a formării și descompunerii complexului la interfețele cu membrana lichidă • lipsa reacțiilor secundare, a reacțiilor ireversibile sau de degradare • să nu co-extragă apa, ceea ce ar determina diluarea fazei de reextracție • solubilitate mică în faza apoasă, pentru a împiedica pierderile • toxicitate redusă pentru biomasă, în special pentru produsele biologice • preț rezonabil, în special pentru aplicații industriale. Powerpoint Templates

158

Aplicații ale pertracției facilitate Separarea unor produși de biosinteză, cum ar fi:  Antibiotice  obținerea acidului 6-aminopenicilanic  extracția unor antibiotice beta-lactamice  cefalosporine  separarea selectivă a penicilinei G de acidul fenilacetic  separarea selectivă a penicilinei V de acidul fenoxiacetic  Aminoacizi, cu caracter - acid: acizii L-aspartic şi L-glutamic, - neutru: L-cisteină, L-triptofan, L-glicină şi L-alanină - bazic: L-histidina, L-lizina şi L-arginina  Vitamine -vitamina C și vitamina B9  Acizi carboxilici acizii formic, acetic, propionic, n-butiric, lactic, citric Powerpoint Templates

Separarea acizilor carboxilici soluţie iniţială soluţie finală

soluţie concentrată

soluţie epuizată

Fluxurilor masice extrase și reextrase

= ni

Q (C0 − CF ) A

Q n f = Cs A

solvent organic

Echipamentul experimental pentru separarea prin pertracţie

Condiţii experimentale - membrana lichidă: diclormetan - agent de extracţie: Amberlite LA-2, 20 - 80 g/l - modificator de fază: 1-octanol, 0 - 20 % vol. - debit volumic: 2,1 l/h - turaţie: 500 rpm - corectarea pH-ului: 4% H2SO4, 4% NaOH - dozarea: spectrofotometrie la 266 nm /HPLC

Powerpoint Templates

Factorul de permeabilitate al solutului:

P=

naf nai

Pertracţia selectivă a acizilor carboxilici obţinuţi prin fermentația citrică Factori de selectivitate:  pentru separarea acidului malic și succinic de acidul citric:  pentru separarea acidului malic de acidul succinic:

S1 =

S= na na

na

f.malic.acid

na

+ na

f.succinic.acid

f.citric.acid

f.malic.acid

f.succinic.acid

Influența pH-ului fazelor apoase asupra factorului de selectivitate pentru acizii rezultați la fermentația citrică

Powerpoint Templates

PERTRACȚIA ACIDULUI FOLIC

CF

F

CFM

(10)

CM

CMF

CMS CS

M

S

Profilul concentraţiei acidului folic în sistemul de pertracţie (F - faza apoasă iniţială; M membrana lichidă; S - faza apoasă finală)

Powerpoint Templates

STUDIUL PERTRACȚIEI ACIDULUI FOLIC 1,0

n, moli/m2 h

0,12

P 0,09

0,06

0,8 ni nf P 0,6

0,03 0,4 2

4

6

pH-ul fazei apoase initiale

Influenţa valorii pH-ului fazei apoase iniţiale asupra fluxurilor masice şi asupra factorului de permeabilitate ale acidului folic (pHf = 10, conc. Amberlite LA-2 = 80 g/l, turaţia = 500 rpm)

• pH = 3

R(COOH)2 (ap) + 2 Q (o) ↔ R(COOH)2Q2 (o) • pH = 5,2 R(COOH)2 (ap) + Q (o) ↔ R(COOH)2Q (o) Powerpoint Templates

Separarea prin pertracţie a alcaloizilor Condiţii experimentale:

- membrana lichidă: n-heptan, - soluție apoasă finală: H3PO4 pH = 2, - soluție aposă inițială: extract apos de Mac galben pH = 9

Echipament experimental pentru pertracția selectivă a glaucinei 1-pertractor, 2-extractor (2a-vas de extracție, 2b-sita fină), 3-plita magnetică, 4-preaplin

Variația concentrației alcaloizilor aporfinici în faza apoasă finală

Randamentul de separare a alcaloizilor aporfinici din materialul solid de Mac Powerpoint Templates galben (parți aeriene) de 88,7%, dintre care 78,6% reprezentând glaucina.

164

Separarea glucidelor prin membrane lichide Separarea zaharurilor: relativ dificilă şi costisitoare • Metoda cea mai utilizată: cromatografia: – proces discontinuu; – instalatii costisitoare; – productivitate scazuta; – randament scăzut în produsul dorit

 Metode care se bazează pe afinitatea chimică a zaharurilor(capacitatea acestora de a forma complecşi cu anumite substanţe) - Electrodializa

- Schimbul ionic - Membrane lichide Powerpoint Templates

165

Studii privind separarea monozaharidelor prin membrane lichide utilizând ca agent purtător acidul fenilboronic în prezenţa unei sari cuaternare de amoniu (clorura de trimetiloctilamoniu). • Viteza de transport este mai mare pentru fructoză decât pentru galactoză şi glucoză, făcându-se astfel posibilă separarea lor. • Dezavantaj major: solubilitatea ridicată în apa a acidului fenilboronic (pierderi de agent de extracţie în faza apoasa, distrugerea fazei de membrana) Powerpoint Templates

166

Studii cu SML (membrane plate şi de tip fibră tubulară) impregnate cu acid 4-[8-(2-nitrofenoxi)octiloxicarbonil] benzeneboronic drept carrier, dizolvat in 2-nitrofeniloctileter.

Transport prin membrane lichide imobilizate pe fibre tubulare Soluţia uniţială: solutie 0,3M glucoza + 0,3 M fructoza

Powerpoint Templates

167

Aplicatii practice ale extractiei cu membrane Majoritatea aplicaţiilor actuale sunt: – la scară de laborator; – la scară pilot industrial. Avantajele extracţiei cu membrane: – selectivitate mare pentru componenţii urmăriţi; – capacitate de a realiza purificări avansate; – realizarea unor coeficienţi mari de transfer; – furnizarea de suprafeţe mari de transfer (aparate compacte); – timpi de contact reduşi (la operarea discontinuă); – posibilitatea recirculării unor substanţe utilizate. Powerpoint Templates

168

Aplicaţii practice ale extractiei cu membrane

Dezavantaje:  instabilitatea ML; consumuri energetice mari pentru obţinerea şi ulterior spargerea MLE; construcţie dificilă a modulelor de extracţie (în special în cazul MLIS); probleme cu stocarea şi transportul emulsiilor (reologie complexă).

Powerpoint Templates

169

SEPARAREA CU AJUTORUL SCHIMBĂTORILOR DE IONI

Powerpoint Templates

170

SEPARAREA CU AJUTORUL SCHIMBATORILOR DE IONI Schimbul ionic este definit ca o substituţie a unui ion legat de o matrice inertă cu un alt ion prin desfacerea unei legături ionice şi formarea unei noi legături ionice, fără alte modificări structurale semnificative.

• Reacţie de dublu schimb - poate avea loc în

sisteme eterogene R-H+ +

M+X-

R-M+ +

H+X-

R+OH - +

M+X-

R+X- +

M+OH-

Powerpoint Templates

Clasificarea schimbătorilor de ioni  proveniență: - naturali

- sintetici  specia ionică schimbată: - cationiti

- anioniti - amfoterici  starea de agregare: - solizi

- geluri - lichizi  structura chimică:

- anorganici - organici - rășini schimbătoare de ioni

 structura chimică a grupării active: cationiti carboxilici, sulfonici,

aminici etc.  caracterul acido - bazic: - cationiti slab sau puternic acizi

- anioniti slab sau puternic bazici Powerpoint Templates

SEPARAREA CU AJUTORUL SCHIMBATORILOR DE IONI - Schimbători de ioni naturali

Alumino-silicați (Al2SiO5): zeoliti

Lignina

- Schimbători de ioni sintetici

Polistiren sulfonat Powerpoint Templates

173

Aplicații 1. Dedurizarea si demineralizarea apelor industriale (retinerea cationilor Ca2+, Mg2+, a anionilor HCO3, SO42-, SiO32-). (alimentarea cazanelor, a circuitelor primare ale reactoarelor, ca ape tehnologice pentru industria chimica, textila, a hartiei, la prepararea unor bauturi alcoolice si nealcoolice). 2. Separarea si recuperarea unor ioni din solutiile diluate de electroliti, aplicata la recuperarea unor metale, a unor metale rare sau radioactive (germaniu, uraniu), la regenerarea solutiilor utilizate in galvanotehnica (solutii de nichelare, cromare, decapare), la izolarea si recuperarea compusilor toxici din apele reziduale, la decontaminarea apelor reziduale din industria combustibilor nucleari. 3. Industria chimică: - purificarea avansata a reactivilor anorganici si organici, a solventilor, prepararea acizilor si bazelor libere din sarurile lor - procese catalitice: alchilari, esterificari,hidratarea olefinelor, suporturi pentru catalizatori 4. Industria farmaceutică: separarea antibioticelor, acizilor carboxilici, aminoacizilor, vitaminelor, alcaloizilor, hormonilor, purificarea solutiilor. 5. Industria alimentară: - industria zaharului (purificarea melasei, a solutiilor de zahar, recuperarea zaharului) - purificarea solutiilor de glucoza, glicerinei, fenolilor, gelatinelor - separarea acizilor carboxilici (acid lactic, citric, tartric), aminoacizilor, vitaminelor - innobilarea vinurilor si a sucurilor de fructe. 6. Tehnica de laborator: analize calitative si cantitative, separari analitice ale izotopilor, aminoacizilor, metalelor etc., purificarea solutiilor, prepararea reactivilor puri. 7. Determinări biologice: dozari si purificari de componenti ai sangelui, ai plasmei si ai altor lichide biologice. 8. Practica terapeutică: tratamentul hiperaciditatii, ameliorarea regimului alimentar fara sare, mentinerea calitatii sangelui utilizat in transfuzii, sterilizare, efectuarea unor analize etc.

Powerpoint Templates

Schimbători de ioni anorganici  Posedă o structură de tip alumino - silicat, dar pot fi

   

întâlnite și structuri diferite (fosfo -molibdenica, heteropoliacida). Pot fi fiind naturali sau sintetici. Structura ioniților minerali poate fi cristalină sau amorfă. Sunt în principal cationiți. Au o capacitate de schimb redusă.

Powerpoint Templates

Schimbatori de ioni anorganici naturali 

Glauconit: alumino - silicat care contine diferiti oxizi metalici in proportii variabile Glauconitul este primul cationit folosit la dedurizarea apelor, schimband cu usurinta cationul K+, din structura sa, cu Mg2+ si Ca2+. Datorita provenientei sale naturale, ionitul este saturat cu ionii Ca2+ si Mg2+, ceea ce impune tratarea sa preliminara cu o sol. de NaCl pentru introducerea ionului Na+ in retea. 

Zeoliti: alumino - silicati hidratati, fiind primele materiale minerale folosite in schimbul ionic. Structura generala: MeO.Al2O3.nSiO2.mH2O (Me: Na+, K+, Ca2+, Sr2+, Ba2+, Mg2+, Mn2+) Structura cristalina, sub forma unor retele tridimensionale ce prezinta cavitati in care difuzeaza si este retinuta apa. Acest fenomen permite adsorbtia unor cantitati apreciabile din solutiile de electroliti, favorizand schimbul cationilor. Zeolitii reprezinta cationiti extrem de selectivi, deoarece, datorita dimensiunii canalelor din retea, permit difuzia anumitor ioni din solutie. De asemenea, zeolitii pot retine diferite molecule: NH3, H2S, CO2, SiCl4, I2, Br2, C2H5OH Ex. In functie de structura retelei cristaline, ca si de continutul in Na2O, Al2O3 si SiO2, sunt analcit, philipsit, harmoton, mordenit, chabazit, fiecare retinand preferential anumiti cationi sau molecule. 

Montmorillonitul: mineral cu structura cristalina stratificata, formata din straturi de Al2O3 si SiO2 unite prin cationii Na+, K+, Ca2+, Mg2+. Aceasta structura permite marirea volumului, datorita difuziei apei intre straturile retelei cristaline. Din acest motiv, montmorillonitul se utilizeaza ca absorbant in industria alimentara, farmaceutica, cosmetica, la rafinarea uleiurilor, la obtinerea sapunurilor, decolorare (pamanturi decolorante).

Powerpoint Templates

Schimbători de ioni organici 

Cărbuni: carbunii de pamint tineri, turbele si unele varietati de lignit, manifesta capacitate de schimb ionic, ca rezultat al prezentei grupelor active -COOH si -OH fenolic. Aceste materiale pot retine unii cationi din solutiile de electroliti, eliberind protoni. Astfel, retin cationii Ca2+, Mg2+, Fe2+ din sarurile cu acizii slabi, proces aplicat la dedurizarea apelor. Capacitatea de schimb ionic poate fi modificata semnificativ prin tratamente chimice specifice.



Cărbuni modificati chimic: sint obtinuti prin oxidare cu HNO3, H2SO4, SO3 etc., in scopul cresterii numarului grupelor -COOH si -OH fenolic. Acesti ioniti retin selectiv cationii bivalenti din solutii foarte diluate si cu un continut ridicat din alti cationi (de exemplu, Ca2+ aflat intr-un raport masic de 1/150 - 200.000 cu alti cationi bi- si trivalenti intr-o solutie).



Schimbători de ioni cu structura celulozica: celuloza si lignina nu poseda capacitate de schimb ionic. Insa, prin introducerea in structura acestor compusi a unor grupari polare, se obtine o gama larga de ioniti cu aplicatii diverse.  Prin modificarea chimica a ligninei, cu obtinerea acizilor lignin - sulfonici, aceasta poate retine cationii, fiind utilizata pentru purificarea apelor reziduale din industria nucleara. 

Schimbători de ioni pe baza de dextran: dextranul, un polizaharid, poate deveni un ionit prin tratamente chimice care urmaresc reticularea sa (agentul de reticulare este epiclorhidrina) si introducerea unor grupari active. Ionitii rezultati poarta denumirea generica de Sephadex si retin atit cationii, cit si anionii.

Powerpoint Templates

Rășini schimbătoare de ioni  Rășinile schimbătoare de ioni sunt compusi macromoleculari sintetici

care conțin grupări polare ionizabile ce favorizează schimbul ionic. Rășinile schimbătoare de ioni pot fi sub formă de particule solide sau geluri.  Datorită structurii tridimensionale, rășinile solide permit difuzia internă a

ionilor din soluția unui electrolit, proces facilitat de caracterul hidrofil al acestor ioniți (la contactul cu apa, apare fenomenul de umflare al răsinii). Pătrunderea apei accelerează difuzia ionilor în interiorul particulei de rășină.  Rășinile sintetice au forma unor granule cu dimensiuni cuprinse între

0,02 - 1,5 mm, fiind obținute prin policondensarea sau polimerizarea și grefarea pe structura matriceală a polimerului de bază a grupărilor funcționale. Capacitatea de schimb ionic este marita prin cresterea numarului de grupari polare, insa aceasta poate cauza accentuarea tendintei de dizolvare a rasinii in apa sau ingreunarea elutiei.

 Rășinile sub formă de gel nu posedă o porozitate reala, ionii difuzând

prin structura gelului catre centrii de schimb ionic. Pentru aceste rășini se definește o porozitate aparenta, determinata de distantele intermoleculare si care nu depaseste 40 Å. Powerpoint Templates

Metode de obținere a rășinilor schimbătoare de ioni 1. Rășini schimbătoare de ioni cationiți a. policondensarea formaldehidei cu acizi fenolsulfonici (sulfocationiti) sau fenolcarboxilici (carbocationiti). Sulfocationiții conțin în structură grupări -SO3H și grupări -OH fenolice: OH

OH

CH2 CH2

CH2

CH2

OH

CH2

CH2

SO3H

Cationiții slab acizi conțin grupări -COOH și, eventual, -OH fenolic OCH2COOH

OCH2COOH

CH2 CH2

OH CH2

CH2 CH2

CH2

Powerpoint Templates

Metode de obținere a rășinilor schimbătoare de ioni b. polimerizarea stirenului, a acidului metacrilic, sau copolimerizarea acestora cu divinilbenzenul.  Monomerii acestor rășini pot conține gruparile polare -SO3H, -COOH,

fosforice, sau acestea sunt grefate pe matricea obținută prin polimerizare (copolimerizare): CH CH2 SO3H

CH2 CH

CH2 CH

CH2 CH

CH2 CH

CH2

HO3S SO3H

SO3H CH2 CH CH2 CH

CH2 CH CH2 CH

CH2

HO3S CH

CH2

SO3H

SO3H

Copolimer stiren - divinilbenzen Powerpoint Templates

Etapele procesului de separare prin schimb ionic Separarea prin schimb ionic este o operație care constă într-o succesiune de 4 - 6 etape: o reținerea ionilor din solutia supusă separării o eluția ionilor retinuți, pentru retrecerea lor în soluție o spălarea schimbătorului de ioni, pentru îndepartarea

eluentului retinut fizic o regenerarea schimbătorului de ioni o spălarea schimbătorului de ioni regenerat o afînarea stratului de schimbător de ioni (pentru rășini

depuse în strat fix). Powerpoint Templates

Mecanismul separarii prin sorbție pe schimbători de ioni Etapele reținerii speciilor ionice pe schimbătorii de ioni solutie

specie ionica

granula de schimbator de ioni

1 2

3

Powerpoint Templates

184

Mecanismul separării prin sorbție pe schimbători de ioni

6

regim static

3

Concentra]ie, g/l

a

9

Concentra]ie, g/l

Concentra]ie, g/l

12

12

12

b

9

regim static si dinamic

6 3

regim dinamic 0

20

30

40

50

Timp, min

60

6 3 0

0

0

c

9

0

20

30

40

50

60

0

20

Timp, min

30

40

50

60

Timp, min

Stabilirea naturii etapei limitative a unui proces de separare prin sorbtie pe schimbători de ioni: a - difuzia prin filmul de lichid este etapa limitativa b - difuzia prin filmul de lichid nu este etapa limitativa c - difuzia interna este etapa limitativa.

Powerpoint Templates

Eluția  Regenerarea

schimbătorilor de ioni, cu refacerea structurii inițiale a acestora și retrecerea ionilor retinuti în soluție, se realizează diferențiat:

 Cationiții se tratează cu soluții acide (HCl, H2SO4)

RM

+

HCl

RH

+

MCl

 Anioniții se tratează cu soluții alcaline

RX

+

MOH

ROH

+

MX

Există situații în care reacțiile de schimb ionic nu sunt reversibile, și anume atunci cand din proces rezulta apa: RH + MOH RM + H2O ROH

+

HX

RX

+

H2O

Regenerarea schimbatorilor de ioni se face și in aceste cazuri prin Powerpoint Templatesanterior. tratare cu agentii de regenerare mentionati

Sisteme de operare la separarea prin sorbție pe schimbători de ioni  Sisteme: - discontinue

- continue  Contactarea soluției supusă prelucrării cu rășina

schimbătoare de ioni se poate realiza prin: trecerea soluției peste stratul fix de rășină, - fluidizarea rășinii - circulația în contracurent a celor două faze. -

 Instalația de separare poate fi alcătuită dintr-o

singura coloană cu schimbători de ioni sau dintr-o baterie de astfel de coloane legate în serie. Powerpoint Templates

1. Operarea în sistem continuu cu rășina în strat fix  consta in circulatia continua a solutiei, de sus in jos, prin coloana cu rasina.

Acest sistem de operare este descris de urmatorul model matematic: v s ∂C ∂C ρ ∂C ⋅ + =− v ⋅ i φ ∂h ∂t φ ∂t

vS - viteza superficiala a solutiei prin stratul de rasina φ - fractia de goluri a stratului de rasina C - concentratia speciei chimice retinute in solutia din exteriorul particulei de rasina Ci - concentratia speciei chimice retinute la suprafata sau in interiorul particulei de rasina h - pozitia in interiorul stratului de rasina ρV - densitatea volumica a rasinii K - coeficient global de transfer de masa.

∂Ci = K ⋅ (C − C * ) ∂t

 ecuatia continuitatii  transferul de masa al speciei

Pe baza modelului matematic anterior se realizeaza proiectarea si transpunerea la scara superioara a acestor procese de separare. Operarea in conditii optime impune determinarea urmatoarelor marimi caracteristice: - cantitatea de rasina, M - diametrul coloanei, D, si inaltimea stratului de rasina, H - durata procesului de sorbtie, T - viteza de curgere a solutiei prin stratul de rasina.

Powerpoint Templates

2. Operarea cu rășina în strat fluidizat Avantajele unei amestecari intense, respectiv o suprafata de contact ridicata si accelerarea transferului de masa. In plus, in cazul produselor de biosinteza, acest sistem permite retinerea componentului util fara filtrarea prealabila a biomasei. Comparativ cu stratul fix, dimensiunile particulelor de rasina pot fi mai reduse (0,2 mm), deoarece nu apar probleme create de rezistenta hidraulica a fazei solide. Dezavantaje: • antrenarea particulelor de rasina de dimensiuni reduse • distrugerea mecanica a particulelor de rasina • aparitia rezistentei hidraulice ridicate pentru straturile inalte de rasina. • timp de contact redus intre solutie si rasina.

Powerpoint Templates

Clasificarea utilajelor folosite în operarea în strat fluidizat a. regimul de funcționare: - discontinue - continue b. forma: - cilindrice - conice - prismatice c. sistemul de distribuție a agentului de fluidizare: - aparate fara site: - cu difuzori - cu insertii conice - aparate cu site: - pulsatoare - vibratoare - mobile - cu dispozitiv de prea-plin Powerpoint Templates

Aparate conice, fara site, in care distributia agentului de fluidizare se realizeaza prin difuzoare de constructie speciala  Folosirea acestor aparate conice

conduce la o fluidizare mai uniforma, la o erodare mai redusa a particulelor de rasina (datorita unei amestecari mai putin intense, comparativ cu utilajele tip coloana), la diminuarea fenomenului de antrenare a granulelor de ionit.

Solutie epuizata

Solutie de prelucrat

 Absenta sitelor permite prelucrarea

lichidelor de fermentatie nefiltrate sau opalescente (fara indepartarea prealabila a proteinelor din lichidul de fermentatie). Powerpoint Templates

Agent de fluidizare Rasina

Aparat conic cu rășina în strat fluidizat.

3. Operarea în contracurent  Consta in circulatia continua in contracurent a

solutiei de prelucrat si a rasinii, sistem care se aplica atit elutiei, cit si regenerarii schimbatorilor de ioni.  Utilajele folosite sunt orizontale, transportul

rasinii realizindu-se cu ajutorul unui transportor cu palete.

Powerpoint Templates

Aplicații ale separarii prin sorbție pe schimbători de ioni  Separarea streptomicinei NH2

HN C HN HO

H2N C HN

HN

O

HC

CH

OH HO

CH

CH

O

O

O=CH

C

HC

OH

CH

O

CH3

HO

NHCH3 OH

CH CH CH2OH

Powerpoint Templates

Separarea streptomicinei  Pentru separarea si purificarea antibioticului, lichidul de fermentatie,

filtrat, in prealabil, in scopul indepartarii biomasei si a proteinelor coagulate dupa deproteinare, este trecut printr-o baterie de coloane cu schimbatori de ioni.  Separarea streptomicinei din filtrat se face prin sorbtie pe cationiti

carboxilici slab acizi in forma Na. Retinerea antibioticului este posibila datorita disocierii sale in solutia apoasa, mecanismul procesului de separare prin schimb ionic fiind descris de reactiile: Str-NH2 + H2O

R-COO-Na+ + Str-NH3+HO-

Str-NH3+HO-

R-COO-H3N+-Str + NaOH

Powerpoint Templates

 Sorbtia se realizeaza intr-o baterie de coloane cu schimbatori de

cationi in strat fix (IRC-50, KB-4-P2), in utilajele (1) - (3), la un pH = 7 - 7,5, debitul filtratului fiind de 800 - 1200 l/h. Prima coloana din baterie se considera saturata atunci cind concentratia antibioticului la iesire este de circa 80% din concentratia sa din filtrat. Coloana se izoleaza de baterie, iar rasina se supune elutiei si regenerarii.  Elutia streptomicinei se realizeaza cu o solutie de 3-4% H2SO4 si

decurge conform mecanismului:

R-COO-H3N+-Str + 3/2 H2SO4

Str-NH2.3/2H2SO4 + R-COOH

filtrat sol. H2SO4 apa + formol 2

1

3

4

5

6

eluat conditionare ape spalare

Powerpoint Templates

Extracția prin micele inverse

Powerpoint Templates

197

Extracția prin micele inverse Micele inverse: asociaţii sferice de molecule de compuşi tensioactivi (surfactanţi) care încorporează un mediu apos şi care se găsesc dispersate într-un solvent nepolar.

Micelă normală

Micelă inversă

Powerpoint Templates

198

Extracția prin micele inverse Structura şi proprietăţile micelelor inverse  Compuşii tensioactivi (surfactanţi) = molecule amfifile constituite din: – un „cap” polar hidrofil – o „coadă” hidrofobă = o catenă hidrocarbonată

Structura unei molecule amfifile

Powerpoint Templates

199

Extracția prin micele inverse Compuşii tensioactivi  Se clasifică în funcţie de sarcina restului hidrofil rezultat după disocierea în apă: – compuşi tensioactivi neionici – compuşi tensioactivi ionici: • anionici, • cationici, • amfiionici.  Compuşi tensioactivi trebuie să fie compatibili cu sistemele biochimice în care acţionează.  Numeroşi surfactanţi formează micele inverse în medii nepolare, cei mai mulţi dintre ei necesitând însă şi prezenţa unui co-surfactant.  Unul dintre puţinii surfactanţi care poate forma micele inverse fără co-surfactant este bis(2-etilhexil) sulfosuccinatul de sodiu (AOT). Powerpoint Templates

200

Clasificarea compuşilor tensioactivi O S - + O Na O

 Anionici dodecilsulfat de sodiu (SDS)

 Cationici bromură de cetilpirimidina

+ N Br-

O

 Amfionici

O O O

dipalmitoilfosfatidilcolina (lecitina)

 Neionici

O Powerpoint Templates polioxietilen (4) lauril eter

O

OCH2CH2N(CH3)3+ P OO

O

O

OH

Extracția prin micele inverse Structura şi proprietăţile micelelor inverse  Moleculele tind să se asocieze sferic, cu catenele formând un miez interior, nepolar, înconjurat de o suprafaţă exterioară alcătuită din capetele polare = micelă normală (microemulsie de tip U/A).  În contact cu apa, părţile hidrofobe ale surfactantului tind să se asocieze astfel încât contactul cu apa să fie minim.

Powerpoint Templates

202

Extracția prin micele inverse Structura şi proprietăţile micelelor inverse  Moleculele se asociază într-un agregat

sferic în care miezul este format din capetele polare şi suprafaţa externă din catenele hidrofobe, agregat numit micelă inversă (microemulsie de tip A/U).  Spre deosebire de micelele normale, mărimea micelelor inverse creşte liniar cu cantitatea de apă adăugată în sistem.

Powerpoint Templates

203

Agregate supramoleculare de surfactanţi Micele normale Unimer

Cilindrică

Sferică

Micele inverse Faza hexagonală inversă

Lamela bistratificată (plană) 4 nm

Cilindri interconectaţi

Fază lamelară spaţială

Powerpoint Templates

Extracția prin micele inverse Concentrația critică a micelelor CMC

14

σ12

•

10 8 6

CCM

•

4 2 0 0

Concentrația surfactantului

1

Dacă concentrația surfactanților < CCM sunt prezenți doar unimeri Dacă concentrația surfactanților este > CCM sunt prezente micele în echilibru cu unimeri

Variația tensiunii superficiale a apei cu concentrația surfactanților Powerpoint Templates

Solubilizarea prin micele inverse • Transferul spontan al unui compus insolubil în solvent în soluție ca urmare a încorporării acestuia în miceliile de compuși tensioactivi Micele inverse

Micelă normală Compus nepolar

Compus amfifilic

Powerpoint Templates

Compus polar

 Solubilitatea unui compus slab solubil crește ca rezultat al includerii în micele. 14

Solubilitate

12 10 8 6

CMC

4 2 0

Concentratia compusului tensioactiv 0 1

Powerpoint Templates

Alegerea compușilor tensioactivi - Selectarea

tipului de compus tensioactiv: anionic, cationic, amfoteric, neionic - Selectarea compusului tensioactiv sau perechii de compuși cu solubiliatea optimă pentru aplicația dorită - În general compușii tensioactivi: - anionicii sunt ușor solubili în apă și greu solubili în uleiuri - cationici și amfoterici sunt ușor solubili în apă - neionici: solubilitatea poate fi determinata prin HLB

Powerpoint Templates

209

Determinarea HLB HLB = Balanța Hidrofil-Lipofil H.L.B. = Σa +nb +7 Σ este numărul de grup al părţii hidrofile a moleculei, b numărul de grup al radicalilor CH2– sau –CH3– n este numărul atomilor de carbon din moleculă HLB exte un indicator al solubilității surfactantului și se calculează doar pentru surfactanții neionici. Substanţele cu valoare HLB mai mică decât 10 caracterizează substanţe cu caracter predominant lipofil, mai uşor solubile în lichide nepolare (uleiuri), iar valori peste 10 indică un caracter hidrofil al substanţei, care va fi mai uşor solubilă în apă.

Powerpoint Templates

210

Extracția prin micele inverse Structura şi proprietăţile micelelor inverse Interacţiunea dintre micelele inverse şi apă prezintă o importanţă deosebită. Datorită miezului polar ele pot îngloba apa, „dizolvândo” în solvenţii organici nepolari. • Raportul molar apă – surfactant (w0) influenţează puternic proprietăţile micelelor inverse. • Apa din interiorul micelei inverse este parţial legată de capetele hidrofile ale surfactantului; numai peste anumite valori w0 aceasta se comportă ca şi apa liberă. Exemplu: – în micelele inverse formate de AOT: • până la w0 = 6 ÷ 8 apa este legată de capetele hidrofile ale surfactantului; • la valori w0 > 6 ÷ 8 apa se comportă ca şi apa liberă Powerpoint Templates

211

Structura şi proprietăţile micelelor inverse

Proprietăţile apei înglobate în micele inverse: a – schema unei micele inverse de AOT; b – variaţia proprietăţilor fizice ale apei în micele inverse Powerpoint Templates

212

Extracția prin micele inverse Mecanismul extracţiei prin micele inverse

Powerpoint Templates

213

Extracția prin micele inverse Mecanisme posibile de transfer a solutului între micelele inverse: (a) fuziunea tranzitorie a două micele inverse ; (b) difuziunea moleculelor solutului prin stratul dublu de surfactant format la punctul de contact dintre două micele inverse care nu fuzionează ; (c) migrarea solutului prin faza organică dintre două micele inverse.

Powerpoint Templates

214

Factorii care influenţează transferul biomoleculelor în micelele inverse factori care influenţează repartiţia biomoleculelor între faza apoasă externă şi faza apoasă internă din micelele inverse:  pH-ul,  tăria ionică,  tipul electrolitului din faza apoasă,  tipul şi natura surfactantului,  tipul solventului organic  caracterul hidrofob sau hidrofil al moleculei extrase  temperatura.

 Principalii

Powerpoint Templates

215

Extracția prin micele inverse Prin modificarea controlată a pH-ului şi a tăriei ionice se poate realiza separarea unor proteine în funcţie de mărimea acestora

a

b Efectul pH-ului şi al tăriei ionice a soluţiei asupra solubilizării unor biomolecule: ( ) – citocrom C; ( ) – lizozima; (Δ) – ribonucleaza A; a – sistem AOT – izooctan cu 0,1 M KCl; b – sistem AOT – izooctan fără control de pH Powerpoint Templates

216

Reextracţia din micele inverse Reextracţia (extracţia inversă) = operaţia prin care biomoleculele înglobate în microfaza apoasă internă din micelele inverse sunt trecute din nou în volumul unei faze apoase.

Powerpoint Templates

217

Reextracţia din micele inverse Este un proces lent, ca efect al rezistenței interfaciale ridicate. Reextracția dificil de realizat fără pierderea semnificativă a activităţii bioprodusului separat, fiind unul dintre principalele impedimente care nu au permis deocamdată implementarea extracţiei cu micele inverse la nivel industrial.

Powerpoint Templates

218

Extracția prin micele inverse Pentru reextracţia proteinelor din faza de micelă inversă au fost studiate şi propuse mai multe procedee: • modificarea pH-ului • modificarea temperaturii • utilizarea unor particule adsorbante de silice care reţin proteinele, apa şi compuşii tensioactivi din faza micelelor inverse • utilizarea zeoliţilor pentru deshidratarea fazei de micele inverse • distrugerea fazei de micele inverse şi eliberarea proteinelor prin adăugarea unor cantităţi ridicate de solvent organic (acetat de etil) • adăugarea unor soluţii care conţin ioni de Ca2+ (CaCl2) sau K+ (KCl),care înlocuiesc ionii Na+ din structura surfactantului şi formează un complex hidrofob cu acesta Powerpoint Templates

219

Extracția prin micele inverse Temperatura influenţează proprietăţile fizico-chimice ale micelelor inverse și are un rol important în special în procesele de reextracţie a biomoleculelor.  Eficienţa reextracţiei poate fi îmbunătăţită prin creşterea temperaturii  Mărirea temperaturii duce la creşterea raportului w0, în final ajungându-se la distrugerea micelelor inverse, cu formarea unei faze apoase distincte în care sunt concentrate majoritatea biomoleculelor extrase. Această fază este separată apoi prin centrifugare.  La creşterea temperaturii se produce inactivarea termică a enzimelor;  Efectul temperaturii depinde de structura compusului reextras și trebuie corelat cu labilitatea termică a acestuia. 220 Powerpoint Templates

Extracția prin micele inverse Comparativ cu alte metodalități (modificarea pH-ului), reextracţia prin modificarea temperaturii este deocamdată cea mai eficientă modalitate de recuperare a biomoleculelor.

Valorile comparative ale activității finale a amilazei separată prin micele inverse și reextrasă cu și fără modificarea temperaturii

Powerpoint Templates

221

Extracția prin micele inverse Aplicaţii ale extracţiei prin micele inverse Extracţia prin micele inverse este utilizată pentru recuperarea unor produse de biosinteză intra- şi extracelulare: – proteine, – peptide, – acizi nucleici, – acizi organici, – antibiotice, – steroizi.  Utilizarea extracţiei prin micele inverse în sisteme de separare cuplate cu tehnicile membranare. Powerpoint Templates

222

Extracția prin micele inverse Tehnici combinate de separare prin micele inverse

 Membranele solide pot fi utilizate pentru: • imobilizarea unei interfețe între două lichide diferite • interpunerea unui strat de solvet organic între două solu șii apoase.  Comparativ cu materialele solide folosite în sistemele de extracție prin SLM, porii acestor membrane trebuie să fie suficient de largi pentru a permite difuzia proteinelor și enzimelor din soluția inițială în faza micelelor inverse. 223 Powerpoint Templates

Factorii care influenţează eficiența extracției în sistemele combinate  Stabilitatea și localizarea interfeței dintre faza apoasă și faza micelelor inverse depinde semnificativ de diferența de presiune dintre faze.  Un alt factor care afectează eficiența acestor sisteme de separare il reprezintă depunerea pe suprafața membranei a unor compuși insolubili.

Influența diferenței de presiune, ∆P, dintre faze asupra coeficientului total de transfer al enzimei

Efectul acumulării compușilor insolubili asupra concentrației solutului în faza organică, Co

Powerpoint Templates

224

Extracția prin micele inverse Procesul de extracţie cu micele inverse - limitări: – dificultatea reextracţiei proteinelor în faza apoasă, – imposibilitatea reutilizării micelelor inverse datorită pierderilor importante de surfactant în faza apoasă, – prezenţa în soluţiile apoase reale rezultate la dezagregarea masei celulare, a unor compuşi impurificatori (acizi nucleici, zaharuri, peptide etc.) a căror comportare este puţin cunoscută.

Powerpoint Templates

225

Extracția în sisteme bifazice apoase

Powerpoint Templates

226

Extracția în sisteme bifazice apoase Aplicabilitatea metodelor de extrac ție cu solvenți este limitată în cazul moleculelor de natură proteică: - moleculele proteice sunt polare

- solubilitate redusă în solvenți organici - solvenții organici pot provoca denaturări ale moleculelor proteice în timpul extracției

Pentru separarea prin extracţie lichid – lichid a proteinelor, este necesar un sistem de extracție care să conțină două faze apoase nemiscibile, între care se realizează distribuția proteinelor. Powerpoint Templates

227

Extracția în sisteme bifazice apoase Aplicații ale sistemelor bifazice apoase

- separarea: - proteine - enzime - acizi nucleici -organite celulare

Powerpoint Templates

228

Extracția în sisteme bifazice apoase

1.Sisteme de extracție a moleculelor proteice  Obținerea sistemele apoase bifazice (SAB) se bazează pe: – incompatibilitatea a doi polimeri hidrofili, – incompatibilitatea dintre un polimer hidrofil şi electroliți, – termoseparare, – extracția bazată pe afinitate. Pentru separarea din faza apoasă a proteinelor prin extracţie lichid – lichid, este necesar un solvent care: – să aibă capacitate mare de solubilizare pentru proteine, – să nu denatureze proteinele, 229 – să producă o tensiune interfacială scăzută. Powerpoint Templates

SAB frecvent utilizate • Fosfat de potasiu • Sulfat de amoniu

Polipropilenglicol PPG

• • • • • •

• • • •

Polietilenglicol PEG

• Alcool polivinilic • Polivinilpirolidonă • Dextran

Fosfat de potasiu Sulfat de amoniu Sulfat de magneziu Sulfat de sodiu

Alcool polivinilic

Metoxi-polietilenglicol Polietilenglicol Alcool polivinilic Polivinilpirolidonă Hidroxi-propildextran Dextran

• Metilceluloză • Hidroxi-propildextran • Dextran

Polivinilpirolidonă

• Metilceluloză • Hidroxi-propildextran • Dextran

Metilceluloza

• Hidroxi-propildextran • Dextran

Etilhidroxietilceluloză

• Dextran

Hidroxi• Dextran propildextran Powerpoint Templates

230

Extracția în sisteme bifazice apoase 2. Mecanismul extracţiei moleculelor proteice în SAB • Extracţia biopolimerilor = prin interacţiuni de tip van der Waals

între:

– molecula proteică şi polimerul hidrofil; – grupările proteinelor, cu solubilizarea acestora într-o anumită fază. • Un sistem de extracţie este proiectat a.î.: – proteina dorită să treacă în faza superioară (PEG, de ex.), – materialul care trebuie îndepărtat, inclusiv celulele şi resturile celulare, să treacă în faza inferioară (sare sau dextran).

Powerpoint Templates

231

Extracția în sisteme bifazice apoase Diagrama de echilibru pentru un sistem (a) polimer-polimer si (b) polimer-sare

Powerpoint Templates

232

Extracția în sisteme bifazice apoase

Diagrame de echilibru PEG - Dextran

Powerpoint Templates

233

Extracția în sisteme bifazice apoase

Diagrama de echilibru PEG 4000 – Fosfat de potasiu Powerpoint Templates

234

Extracția în sisteme bifazice apoase

Puterea de separare a unui sistem este caracterizată de: - gradul de extracţie (Y)

- factorul de separare (F) dependenţi de raportul volumelor fazelor (R) şi de coeficientul de distribuţie (KN).

Powerpoint Templates

235

Extracția în sisteme bifazice apoase

Principalii factori care influenţează valoarea constantei de distribuţie sunt: – componenţii care formează cele două faze, respectiv natura, concentraţia şi masa moleculară a polimerilor, – tipul şi concentraţia ionilor din sistem, – pH-ul, – temperatura, – adaosul de alţi componenţi (de ex. agenţi haotropici), – concentraţia celulelor şi a resturilor celulare

Powerpoint Templates

236

Extracția în sisteme bifazice apoase

Interdependenţa dintre gradul de extracţie (Ysup), coeficientul de distribuţie (KN) şi raportul volumic al fazelor (R)

Powerpoint Templates

237

Extracția în sisteme bifazice apoase

Factori care influențează extracția moleculelor proteice: - natura polimerilor - masa moleculară a polimerilor - tăria ionică - concentrația proteinelor - valoarea pH-ului - temperatura

Powerpoint Templates

238

Aplicații ale sistemelor bifazice Majoritatea proceselor biotehnologice care utilizează SAB se bazează pe sisteme PEG – sare, pentru separarea şi purificarea:  enzimelor,  antigenului hepatitei B,  interferonului,  lactalbuminelor,  lactoglobulinelor,  hemoglobinei,  altor proteine terapeutic active.

Powerpoint Templates

240

Separarea unor enzime prin SAB

Powerpoint Templates

241

Etapele procesul tehnologic de purificare a proteinelor intracelulare: – dezagregarea

celulelor, – adăugarea componenţilor SAB (PEG, dextran, fosfat etc.) – ajustarea pH-ului, – amestecarea suspensiei pentru atingerea echilibrului de faze. – separarea fazelor = gravitaţional sau centrifugal – concentrare si condiționare Powerpoint Templates

242

Extracţia în SAB se realizează:

 în şarje (cel mai uzual)  în flux continuu : – extracţia în echicurent (a), – extracţia în contracurent (c), – extracţia în curent încrucişat (b).

F- alimentare S – solvent E- extract R - rafinat

Powerpoint Templates

243

Practical strategy to ATPE process development and scale-up for the downstream processing of biopharmaceuticals (TP, top phase; BP, bottom phase; MW, molecular weight; KP, partition coefficient; MSB, mixersettler battery) 244

Powerpoint Templates

Recuperarea a polimerilor şi sărurilor utilizate în extracţia cu SAB • Din fluxurile lipsite de fază solidă fosfatul poate fi recuperat prin cristalizare la 6 °C. • Pentru recircularea PEG s-a propus: – extracţia cu cloroform, – reextracţia salină a proteinelor din faza bogată în PEG, cu formarea unei soluţii reciclabile de PEG liberă de proteină • Separarea PEG de enzimele extrase: – ultrafiltrarea, dializa, sau reţinerea enzimei pe un adsorbant adecvat. • Recircularea detergenţilor: – extracţie cu alcooli alifatici inferiori • Recuperarea sărurilor: – exploatarea lacunelor de miscibilitate în sistemele ternare apă –sare – alcooli alifatici Templates inferior Powerpoint

245

Powerpoint Templates

Cell separation by an aqueous two-phase system in a microfluidic device

246

Schematic diagram illustrating the behaviour of antibodies (IgG) and contaminant proteins (impurities) in a PEG–salt ATPS and the strategies used to enhance the partitioning of antibodies towards the PEG-rich phase: addition of NaCl (right) or decreasing the molecular weight (MW) of PEG (left).

Powerpoint Templates

247

Schematic diagram illustrating the principles of a temperature-separating ATPS. (a) First, antibodies are partitioned to the EOPO-rich phase in the presence of a free ligand. (b) This phase is then isolated and heated above the polymer cloud point (CP) temperature. (c) A new ATPS is formed from which the antibodies can be easily recovered form the water-rich (upper) phase.

Powerpoint Templates

248

Obţinerea α-amilazei din Bacillus sp.: Powerpoint bTemplates a – procedeul convenţional; - procedeul prin extracţie în SAB

249

Extracţia în SAB avantaje si dezavantaje: – consumuri energetice scăzute, – investiţii minime, – cheltuieli mari cu forţa de muncă – cheltuieli mari cu materialele.  Reducerea costurilor materialelor: – alegerea corespunzătoare a rapoartelor volumice ale fazelor, – introducerea de noi SAB, – perfecţionarea proceselor de recuperare – recirculare.  Reducerea duratei procesului: – utilizarea separării centrifugale; • obţinerea unor randamente superioare, • obţinerea unor produse calitativ superioare, datorită absenţei unei degradări proteolitice semnificative. Powerpoint Templates

250

Powerpoint Templates

251

Extracția cu fluide supercritice Fluidele supercritice:

Compuși ai căror temperatură și presiune sunt la valori mai mari de valorile critice  Caracteristici: - caracter nepolar - capacitate de a solubiliza doar compu șii nepolari și slab polarizabili

Aplicații

 Extracție: - parafine, eteri, esteri, lactone, gliceride - uleiuri esențiale - compuși de biosinteză  Reacții chimice: - oxidare, sinteză, degradare utilizând apă supercritică - reacții enzimatice  Separare și purificare: - izolarea unor compuși chirali - analiza polimerilor și a compușilor hidrofobi Powerpoint Templates

252

Extracția cu fluide supercritice Starea supercritica

Powerpoint Templates

253

Extracția cu fluide supercritice Starea supercritica

Powerpoint Templates

254

Extracția cu fluide supercritice Comparativ cu solvenții lichizi, fluidele supercritice prezintă: – difuzivitate ridicată – viscozitate scazută – tensiune superficiala scazuta; – constanta dielectrica joasa; – densitate continuu variabila. • Sistemele supercritice combină calitățile lichidelor și gazelor, rezultând un fluid foarte “elastic”, un solvent cu “geometrie variabilă”. Powerpoint Templates

255

Extracția cu fluide supercritice Parametrii punctului critic pentru o serie de compuși chimici

Powerpoint Templates

256

Extracția cu fluide supercritice Solvenți supercritici

Powerpoint Templates

257

Extracția cu fluide supercritice Diagrama de faze a CO2

În jurul punctului critic, modificari mici ale P si T conduc la variatii substantiale ale densității. • Puterea de solvatare solubilitatea creste cu cresterea densității; • Extractia = la densități mari; • Separarea solutului = la densități mici Powerpoint Templates

258

Extracția cu fluide supercritice Componentele unui proces de prelucrare a probelor bazat pe SFE

Powerpoint Templates

259

Extracția cu fluide supercritice Sisteme de operare în extracția cu fluide supercritice 1. Extracție cu fluide supercritice într-un singur stadiu

Powerpoint Templates

260

Extracția cu fluide supercritice 2. Extracție cu fluide supercritice în mai multe stadii

Powerpoint Templates

261

Extracția cu fluide supercritice 3. Extracție continuă cu fluide supercritice în contracurent

Powerpoint Templates

262

Extracția cu fluide supercritice Aplicații  Extracție:

- parafine, eteri, esteri, lactone, gliceride - uleiuri esențiale - compuși de biosinteză ( acizi carboxilici cu masă moleculară redusă, alcooli, antibiotice, vitamine liposolubile) - extracția de compuși colorați și arome vegetale - extracția cofeinei din boabele de cafea  Reacții chimice: - oxidare, sinteză, degradare utilizând apă supercritică - reacții enzimatice  Separare și purificare: - izolarea unor compuși chirali - analiza polimerilor și a compușilor hidrofobi Powerpoint Templates

263

Exemple de aplicaţii analitice ale extracţiei cu fluide supercritice

Powerpoint Templates

264

Extracția cu fluide supercritice Avantajele și dezavantajele extracției cu fluide supercritice Avantaje: - eficiență ridicată - extracție la temperatură scăzută - viscozitate redusă - coeficienți de difuzie ai solutului ridicați - absența toxicității - regenerare ușoară - preț de cost scăzut - cantitate redusă de reziduuri Dezavantaje: - capacitate de extracție redusă, mai ales pentru

compușii polari - instalațiile de extracțiew trebuie să funcționeze la presiuni ridicate și presupun echipamente de construcție specială Powerpoint Templates

265

Extracția cu fluide supercritice Instalatii industriale de extractie cu fluide supercritice

Powerpoint Templates

266

Extracția cu fluide supercritice

Powerpoint Templates

267

Extracția directă

Powerpoint Templates

268

Extracția directă  Extracția directă = separarea produsului de biosinteză pe măsură ce se formează Denumiri:  bioconversie extractivă  separare in-situ sau ex-situ  bioreactor cuplat cu separarea produsului  separare continuă a produsului biosintetizat  fermentație și separare simultană  proces integrat de fermentație și separare Powerpoint Templates

269

Extracția directă Avantaje  Creșterea productivității  Randamente ridicate ale procesului  Se elimină etapa de filtrare a masei celulare  Se evită apariția inhibiției de produs  Se reduc consumurile de materiale și energie  Se simplifică fluxul tehnologic de separare

Powerpoint Templates

270

Extracția directă PROCES DE BIOSINTEZĂ

Lichid de Solvent +

fermentaţie

Agent de extracţie Extracţie directă

Extracţie directă

Extract

Powerpoint Templates

Extract

Rafinat + Biomasă

271

Extracția directă Procedee de separare directă a produselor de biosinteză

a – separare ex-situ;

b – separare in-situ

Powerpoint Templates

272

Extracția directă Variante de separare a produsului util din lichidul de fermentatie

Several approaches for removal of products from fermentation broths. A direct contact between adsorbent particles and fermentation broth inside fermentor; B direct contact between adsorbent particles and fermentation broth outside fermentor; C indirect contact between adsorbent particles and fermentation broth outside fermentor; D direct contact between organic phase and fermentation broth inside fermentor; E pertraction inside fermentor; F pertraction in stream with fermentor. 273 Powerpoint Templates

Extracția directă Alegerea unei metode optime de separare este deosebit de dificilă, în special datorită diferenţelor care apar între variabilele ce pot fi considerate în proiectarea procesului: -

tipul, tulpina şi faza de creştere a microorganismelor, sursa, tratamentele preliminare şi concentraţia nutrienţilor şi a substratului, temperatura, pH-ul, concentraţia oxigenului, tipul fermentatorului, nivelul amestecării. Powerpoint Templates

274

Extracția directă Proprietăţi principale ale produsului ce pot fi grupate şi atribuite celei mai potrivite tehnici de separare: • volatilitatea (punct de fierbere < 80 ○C), • hidrofobicitatea (log Poct > 0.8), • dimensiunea (masa moleculară < 1000 Da), • încărcarea electrostatică (pozitivă, negativă, neutră) • proprietăţile specifice

Powerpoint Templates

275

Extracția directă Tehnici aplicate pentru separarea directă:  adsorbția  distilarea  precipitarea  extracția  striparea cu gaze  dializa  osmoza inversă  pervaporizarea  electroforeza Powerpoint Templates

276

Extracția directă Aspecte caracteristice separării directe 1. Selectarea unui solvent compatibil cu sistemul de biosinteză 2. Alegerea și proiectarea echipamentului de extracție

Powerpoint Templates

277

Extracția directă Criterii de selecție a extractantului în cazul fermentației extractive in-situ: 1. biocompatibilitatea 2. eficiența separării produsului util din lichidul de fermentație 3. regenerarea extractantului.

Powerpoint Templates

278

Extracția directă Analiza mecanismului extracției in-situ impune studiul distinct al fiecărei etape a procesului: - dispersarea solventului - transferul de masă al solutului În sistemele de extracție directă în care solventul este dispersat sub formă de picături, etapele procesului global sunt: a. formarea picăturilor de solvent b. deplasarea picăturilor de solvent c. coalescența picăturilor de solvent d. transferul de masă al solutului, în fiecare etapă a-c Powerpoint Templates

279

Extracția directă a. Formarea picăturilor de solvent

Dispersarea picăturilor de solvent în lichide cu viscozitate scăzută (1) și ridicată (2-4)

Powerpoint Templates

280

Extracția directă b. Deplasarea picăturilor de solvent

Apariția canalelor de curgere (1) și a asociațiilor picăturilor de solvent (2) în lichidele de fermentație nenewtoniene

Powerpoint Templates

281

Extracția directă c. Coalescența picăturilor de solvent

Coalescența picăturilor de solvent într-un lichid nenewtonian

Powerpoint Templates

282

Extracția directă Aplicații ale extracției directe Separarea produselor de biosinteză: - alcooli - acizi carboxilici - aminoacizi - proteine - antibiotice

Powerpoint Templates

283

Metode aplicate pentru separarea acizilor carboxilici din lichidele de fermentaţie Metodă

Precipitare

Distilarea

Extracţia

Descriere CaCO3 sau CaO este adăugat în mediu pentru a neutraliza acidul. Soluţia de carboxilat de calciu este concentrată prin evaporare, apoi cristalizată şi separată din mediu.

Avantaje Cantităţi scăzute de impurităţi,costuri scăzute,randamente ridicate

Dezavantaje Necesitatea utilizării de H2SO4 pentru eliberarea acidului carboxilic care generează CaSO4, deşeu solid care trebuie eliminat.

NH3 este folosit pentru neutralizarea acidului. Carboxilatul de amoniu reacţionează cu alcoolul pentru a forma esterul carboxilic, care este apoi separat prin distilare

Obţinerea unui produs cu puritate ridicată, produsul secundar (NH4)2SO4 poate fi utilizat ca fertilizator.

Folosirea solvenţilor organici pentru extracţia acizilor carboxilici din lichidele de fermentaţie

Soluţia trebuie să fie acidifiată selectivitate bună, dacă se pentru a permite extracţia eficientă a alege judicios solventul şi pH- acidului carboxilic liber. Extractantul ul corespunzător trebuie regenerat prin distilare sau reextracţie. Randamente scăzute.

Necesitatea hidrolizării esterului şi distilării pentru separarea alcoolului de acidul carboxilic, costuri ridicate şi cosum mare de energie.

Adsorbţia

Folosirea răşinilor schimbătoare de ioni pentru a re ține ionii carboxilaţi din Uşurinţă în operare mediul de fermentaţie

Capacităţi scăzute de reținere, selectivitatea scăzută a separării, consum ridicat de materiale și energie pentru regenerarea răşinilor, costurile ridicate ale răşinilor.

Electrodializa

Curentul electric este aplicat pentru dirijarea ionilor carboxilaţi încărcaţi negativ prin membrana schimbătoare de anioni către anodul din electrodializor

Obţinerea unui produs cu puritate scăzută care necesită purificări ulterioare, colmatarea membranei, etape complexe şi transpunere dificilă la scară industrială, consum ridicat de energie,

Carboxilatul este concentrat în soluţia apoasă, nu necesită adaosul de acid pentru a modifica pH-ul soluţiei

Powerpoint Templates

284

Extracția directă

Powerpoint Templates

285

Extracția directă

Overall process set-up of fully integrated reactive extraction in a technical scale fed-batch process for Lphenylalanine production using recombinant E. coli. DO, dissolved oxygen; QI, concentration measurement; QIC, concentration measurement and flow control. Powerpoint Templates

286

Extracția directă

Integrated purification process for the recovery of pDNA from E. coli based on aqueous two phase separations

Powerpoint Templates

287

Separarea magnetică in-situ

Outline of the In-situ Magnetic separation rig. A-D contain different buffer solutions. E-G are for the liquids after the usage

Powerpoint Templates

288