C. Oniscu, D. Cascaval Inginerie biochimica si biotehnologie, vol. 1- ingineria proceselor biotehnologice, Ed. InterGlobal, Iasi, 2002

C.Oniscu, D.Cascaval - Inginerie biochimica si biotehnologie, vol. 1- Ingineria proceselor biotehnologice, Ed. InterGlobal, Iasi, 2002

• C.Oniscu, D.Cascaval - Inginerie biochimica si biotehnologie, vol. 1- Ingineria proceselor biotehnologice, Ed. InterGlobal, Iasi, 2002

• D.Cascaval, C.Oniscu, A.I.Galaction - Inginerie biochimica si biotehnologie, vol. 2- Bioreactoare, Ed. InterGlobal, Iasi, 2002

• D.Cascaval, C.Oniscu, A.I.Galaction Inginerie biochimica si biotehnologie, vol. 3- Bioseparari, Ed. Performatica, Iasi, 2004

• A.Galaction. D.Cascaval - Metaboliti secundari si Bioreactoare, Ed. Bit, Iasi, 2004

• A.Galaction, D.Cascaval - Metaboliti secundari cu aplicatii farmaceutice, cosmetice si alimentare, Casa de Editura Venus, Iasi, 2007

• biosinteza

• controlul proceselor chimice si biochimice

• separarea si purificarea produselor de biosinteza

• caracterizarea si controlul structurii.

produsii biosintetizati se gasesc intr-o dilutie foarte mare in lichidul de fermentatie;

• produsii biosintetizati se gasesc intr-o dilutie foarte mare in lichidul de fermentatie;

• sunt necesare etape multiple de separare, ceea ce determina cresterea costului, acesta putand atinge cca. 90% din costul total al procesului biotehnologic;

• comportarea reologica nenewtoniana a lichidelor de fermentatie;

• labilitatea chimica, termica, la fortele de forfecare si la tensiunile interfaciale ridicate ale compusilor biosintetizati, in special ale compusilor cu masa moleculara mare;

• in lichidele rezultate in urma proceselor biochimice, alaturi de produsul util, exista o serie de compusi secundari cu caracteristici fizice si chimice asemanatoare cu ale produsului de baza ;

• mobilitatea redusa a compusilor de biosinteza, datorita maselor moleculare mari.

Dezvoltarea studiilor au vizat:

• Dezvoltarea studiilor au vizat:

• cresterea performantelor proceselor de separare

• modificarea proprietatilor reologice ale biomaselor prelucrate in etapele de separare.

• utilizarea membranelor sintetice si lichide;

• separarea prin extractie cu solventi;

• adsorbtia selectiva;

• separari inalt selective, prin legaturi de tip afinitate;

• utilizarea campurilor intense (centrifugal, magnetic, electric).

descoperirea de noi materiale, de exemplu: membranele sintetice, care sa ofere selectivitati ridicate, fluxuri adecvate la diferente de presiune accesibile industrial;

• descoperirea de noi materiale, de exemplu: membranele sintetice, care sa ofere selectivitati ridicate, fluxuri adecvate la diferente de presiune accesibile industrial;

• utilizarea unui solvent corespunzator, prin modelarea moleculara a acestuia (uneori, astfel de solventi sunt inaccesibili, datorita toxicitatii, a stabilitatii reduse si a costului ridicat;

• in separarea prin adsorbtie, descoperirea unor adsorbanti extrem de selectivi face ca acest procedeu sa devina competitiv (economii de materiale).

localizarea produsului: intracelular sau extracelular

• localizarea produsului: intracelular sau extracelular

• concentratia finala a produsului in lichid

• caracteristicile fizico-chimice ale produsului

• utilizarea produsului, respectiv conditiile de puritate impuse

• natura impuritatilor din mediul de cultura

• costul etapei de separare.

Operatia de separare a componentilor unui amestec lichid sau solid pe baza diferentei de solubilitate a acestora intr-unul sau mai multi solventi

• Operatia de separare a componentilor unui amestec lichid sau solid pe baza diferentei de solubilitate a acestora intr-unul sau mai multi solventi

• extractie lichid - lichid - amestecul supus separarii este lichid,

• extractie solid - lichid amestecul supus separarii este solid.

• extractia este fizica, - extractia se realizeaza numai prin intermediul fenomenelor fizice de solubilizare si difuziune,

• extractia este reactiva - in timpul procesului intervin si reactii chimice intre solut si agentul (agentii) de extractie

• contactarea solutiei initiale cu solventul (amestecarea)

• solubilizarea si difuzia solutului in faza solventului (transferul de masa al solutului)

• separarea celor doua faze rezultate (extractul - faza solventului care contine solutul, rafinatul - solutia initiala epuizata)

• recuperarea solventului atit din extract, cit si din rafinat.

Produsele de biosinteza se gasesc in lichidul final de fermentatie in concentratii reduse (0,5 – 8%)

• Produsele de biosinteza se gasesc in lichidul final de fermentatie in concentratii reduse (0,5 – 8%)

• sunt in general, compusi labili chimic si termic.

• in lichidele de fermentatie se gasesc numerosi compusi secundari, unii cu caracteristici fizico-chimice asemanatoare cu ale produselor utile.

• Din aceste motive, separarea si purificarea produselor de biosinteza sint operatii dificile, care necesita etape laborioase.

Pentru extractia produselor de biosinteza polare: utilizeaza alcooli, esteri, cetone.

• Pentru extractia produselor de biosinteza polare: utilizeaza alcooli, esteri, cetone.

• 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 cele nepolare: eter de petrol, diclormetan, dicloretan etc.

Extractia fizica reprezinta, deocamdata, singurul procedeu de separare aplicat industrial.

• Extractia fizica reprezinta, deocamdata, singurul procedeu de separare aplicat industrial.

• Concentratia finala a penicilinelor G si V in lichidele de fermentatie este cuprinsa intre 3 si 6%, in functie de tulpina utilizata. Datorita dilutiei foarte mari, este necesara concentrarea solutiei prin extractie si reextractie.

• Penicilinele pot fi extrase fie din solutia apoasa rezultata in urma filtrarii biomasei, fie direct din lichidul de fermentatie.

• Pentru extractia penicilinelor G si V au fost studiati o serie de solventi organici, la diferite valori ale pH-ului fazei apoase si ale temperaturii

Extractia penicilinelor in acetat de butil decurge cu randamente maxime numai in conditiile in care aceste antibiotice se vor gasi in solutia apoasa supusa extractiei in forma nedisociata.

• Extractia penicilinelor in acetat de butil decurge cu randamente maxime numai in conditiile in care aceste antibiotice se vor gasi in solutia apoasa supusa extractiei in forma nedisociata.

• Aceasta deoarece solventii nepolari, sau cu polaritate redusa (categorie in care intra si acetatul de butil) pot solubiliza numai compusii nepolari.

Din analiza procesului de extractie fizica a penicilinelor G si V cu acetat de butil s-a constatat ca :

• Din analiza procesului de extractie fizica a penicilinelor G si V cu acetat de butil s-a constatat ca :

• in solvent sint extrase numai moleculele de penicilina nedisociate

• intre moleculele de penicilina, in conditiile in care se realizeaza extractia, nu are loc formarea unor asociatii

• in acetatul de butil penicilinele nu disociaza.

• Deoarece contin o grupare carboxilica, penicilinele vor disocia in faza apoasa, conform echilibrului:

In aceste conditii, penicilinele G si V vor exista intr-o forma neutra numai la un pH al fazei apoase mai mic decit 2,70 - 2,75. Influentele pH-ului asupra coeficientului de distributie al penicilinei G si asupra randamentului de extractie a unor peniciline sint redate in figurile:

• In aceste conditii, penicilinele G si V vor exista intr-o forma neutra numai la un pH al fazei apoase mai mic decit 2,70 - 2,75. Influentele pH-ului asupra coeficientului de distributie al penicilinei G si asupra randamentului de extractie a unor peniciline sint redate in figurile:

Solventii sau agentii de extractie pot fi compusi chimici puri sau amestecuri. Selectarea unui anumit solvent impune cunoasterea caracteristicilor fizico-chimice ale acestuia si pe cele ale compusului care se doreste a fi extras. De asemenea, este extrem de importanta cunoasterea echlibrului dintre faze si a altor proprietati fizice ale amestecului, proprietati care depind de interactiunile dintre componentii sistemului de extractie.

• Solventii sau agentii de extractie pot fi compusi chimici puri sau amestecuri. Selectarea unui anumit solvent impune cunoasterea caracteristicilor fizico-chimice ale acestuia si pe cele ale compusului care se doreste a fi extras. De asemenea, este extrem de importanta cunoasterea echlibrului dintre faze si a altor proprietati fizice ale amestecului, proprietati care depind de interactiunile dintre componentii sistemului de extractie.

Extractia reactiva reprezinta o imbinare intre procesele chimice, respectiv reactia dintre solut si un extractant, si procesele fizice de difuziune si solubilizare a compusului format in urma reactiei chimice.

• Extractia reactiva reprezinta o imbinare intre procesele chimice, respectiv reactia dintre solut si un extractant, si procesele fizice de difuziune si solubilizare a compusului format in urma reactiei chimice.

• Extractia fizica necesita utilizarea unui solvent cu o miscibilitate cit mai redusa cu solventul din solutia supusa separarii, solvent care sa ofere o selectivitate ridicata si inertie chimica fata de solut, in scopul diminuarii pierderilor la recuperare.

• Comparativ, extractia reactiva impune adaugarea in solvent a unui agent de extractie, sau extractant, capabil sa reactioneze cu solutul, formind un compus miscibil numai cu solventul, marind astfel fie capacitatea de retinere a acestuia, fie selectivitatea separarii.

Separarea unor compusi anorganici,

• Separarea unor compusi anorganici,

• Recuperarea si purificarii unor metale din deseurile radioactive si din apele reziduale

• Tehnica de preconcentrare si separare in chimia analitica.

• Separarea compusilor organici, in special a celor obtinuti prin biosinteza (acizi carboxilici, aminoacizi, antibiotice), datorita avantajelor oferite comparativ cu tehnicile clasice de separare

extractia reactiva presupune utilizarea unor agenti de extractie (extractanti, agenti purtatori) solubili fie in solvent, fie in faza apoasa, insa este esential ca produsul format in urma reactiei cu solutul sa fie puternic hidrofob.

• extractia reactiva presupune utilizarea unor agenti de extractie (extractanti, agenti purtatori) solubili fie in solvent, fie in faza apoasa, insa este esential ca produsul format in urma reactiei cu solutul sa fie puternic hidrofob.

a. natura compusilor care se extrag:

• a. natura compusilor care se extrag:

• solut nemodificat chimic (extractie fizica);

• chelati;

• compusi obtinuti prin solvatare;

• complecsi acizi, sau bazici;

• saruri;

• perechi de ioni;

• b. natura extractantului utilizat:

• extractanti de chelatizare - utilizati pentru extractia reactiva a metalelor;

• extractanti de tipul acizilor organofosforici - utilizati pentru extractia reactiva a metalelor, a acizilor carboxilici, a aminoacizilor, a antibioticelor;

• extractanti de solvatare utilizati la extractia reactiva a metalelor, a acizilor minerali, a aminoacizilor, a derivatilor fenolici, a acizilor carboxilici :

• - derivati organofosforici neutri

• - alcooli, cetone, eteri, esteri, sulfoxizi;

• amine cu masa moleculara mare si derivati ai acestora utilizate pentru extractia reactiva a metalelor, a acizilor minerali, a acizilor carboxilici, a aminoacizilor, a antibioticelor;

• extractanti cu structura macrociclica caracterizati printr-o selectivitate ridicata, utilizati la extractia reactiva a metalelor si a unor compusi organici (aminoacizi):

• - eteri-coroana

• - calixarene

• alti derivati.

• Agentii de extractie prezentati pot fi utilizati individual in procesele de separare sau in amestec cu extractanti din categorii similare sau diferite (randamente superioare sumei randamentelor obtinute prin folosirea extractantilor individuali) = sisteme de extractie reactiva sinergetica.

Mecanismul general prezentat presupune faptul ca solubilitatea componentilor sistemului in cealalta faza este nula, separarea realizandu-se prin parcurgerea urmatoarelor etape:

• 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

acizi organofosforici:

• acizi organofosforici:

• - acidul di-(2-etilhexil) fosforic (D2EHPA)

• esteri neutri ai acidului fosforic:

• - tri-n-butilfosfatul (TBP)

• - tri-n-octilfosfatul (TOP)

• fosfinoxizi:

• - tri-n-hexilfosfinoxid (THPO)

• - tri-n-octilfosfinoxid (TOPO)

• alti derivati.

constituie cea mai importanta clasa a antibioticelor de biosinteza, datorita spectrului larg de actiune antibacteriana.

• constituie cea mai importanta clasa a antibioticelor de biosinteza, datorita spectrului larg de actiune antibacteriana.

• La nivel industrial, separarea penicilinelor din lichidele de fermentatie, filtrate sau nu in prealabil, se realizeaza prin extractie fizica cu acetat de butil. Extractia penicilinelor in acest solvent decurge cu randamente maxime numai in conditiile in care aceste antibiotice se vor gasi in solutia apoasa supusa extractiei in forma nedisociata, deoarece solventii nepolari sau cu polaritate redusa (categorie in care intra si acetatul de butil) pot solubiliza numai compusii nepolari.

• Extractia fizica eficienta a penicilinelor cu acetat de butil este posibila numai la un pH al fazei apoase mai mic decit 2, conditii in care viteza de inactivare chimica a acestor antibiotice este extrem de ridicata.

Unul dintre cei mai utilizati agenti de extractie ai penicilinelor G si V este tri-alchil-metil-laurilamina, denumit comercial Amberlite LA-2, o amina secundara cu structura generala:

• Unul dintre cei mai utilizati agenti de extractie ai penicilinelor G si V este tri-alchil-metil-laurilamina, denumit comercial Amberlite LA-2, o amina secundara cu structura generala:

• C12H25-NH-CR1R2R3 nr. atomi carbon R1 + R2 + R3 = 11 – 13

• Mecanismul general al reactiei chimice interfaciale a penicilinelor cu acesti extractanti este redat prin echilibrul urmator:

• P-COO-(aq) + H+(aq) + A(o) P-COOH.A(O)

• Datorita structurii voluminoase a penicilinelor, respectiv a agentilor de extractie, la interfata se vor forma complecsi (saruri) numai in raport molecular antibiotic: extractant de 1 : 1.

• valoarea pH-ului fazei apoase initiale

• concentratia agentului de extractie in solvent

• timpul de contactare a fazelor

• raportul volumic al fazelor

• concentratia antibioticului in solutia apoasa initiala.

Studiindu-se influenta pH-ului fazei apoase initiale, s-a constatat ca in cazul extractiei reactive a penicilinelor G si V cu Amberlite LA-2, eficienta separarii ramine la valoarea maxima constanta (97-98%) pina la pH = 5, scazind apoi, astfel incit la pH = 7,5 gradul de extractie este de circa 20% Faptul ca extractia reactiva a penicilinelor G si V decurge cu randamente maxime chiar la valori ale pH-ului de 5 reprezinta principalul avantaj al acestei tehnici de separare. La aceasta valoare a pH-ului, de exemplu, timpul de semiinactivare al penicilinei G este de 92 ore, in acest mod fiind inlaturat pericolul degradarii chimice a produselor utile biosintetizate.

• Studiindu-se influenta pH-ului fazei apoase initiale, s-a constatat ca in cazul extractiei reactive a penicilinelor G si V cu Amberlite LA-2, eficienta separarii ramine la valoarea maxima constanta (97-98%) pina la pH = 5, scazind apoi, astfel incit la pH = 7,5 gradul de extractie este de circa 20% Faptul ca extractia reactiva a penicilinelor G si V decurge cu randamente maxime chiar la valori ale pH-ului de 5 reprezinta principalul avantaj al acestei tehnici de separare. La aceasta valoare a pH-ului, de exemplu, timpul de semiinactivare al penicilinei G este de 92 ore, in acest mod fiind inlaturat pericolul degradarii chimice a produselor utile biosintetizate.

• Practic, la valori mici ale pH-ului solutiei apoase initiale, extractia fizica decurge in paralel cu extractia reactiva. Odata cu cresterea valorii pH-ului, extractia reactiva devine predominanta,

Daca extractia s-a realizat cu amine, reextractia se va face cu o solutie de carbonat, sau fosfat de sodiu, sau potasiu, conform reactiei de echilibru:

• Daca extractia s-a realizat cu amine, reextractia se va face cu o solutie de carbonat, sau fosfat de sodiu, sau potasiu, conform reactiei de echilibru:

• 2P-COOH.A(o) + Na2CO3 (aq) 2 P-COO-Na+(aq) + A(o) + CO2 + H2O

• Reextractia este controlata de difuzia componentilor catre si dinspre interfata de contact dintre faze.

• In cazul reextractiei cu o solutie de fosfat, s-a observat ca, odata cu cresterea concentratiei aminei in solvent, viteza procesului scade. Insa, cu cresterea pH-ului solutiei de fosfat, influenta concentratiei extractantului se diminueaza, astfel incit la pH = 9 aceasta nu mai afecteaza procesul.

• In general, reextractia s-a realizat cu randamente mari si fara degradarea antibioticelor, la valori ale pH-ului de 7,2 - 7,5, pierderile totale de penicilina G, de exemplu, atit in etapa de extractie, cit si in cea de reextractie, fiind sub 0,3%.

• Daca se utilizeaza extractia reactiva cu o clorura de alchilamoniu, atunci reextractia se face cu o solutie de acid clorhidric:

• P-COOA(o) + HCl(aq) P-COO-(aq) + H+(aq) + ACl(o)