إجراءات لتقييم كفاءة المرسب لإزالة فرقت الجسيمات من المستخلصات النباتية

الهدف العام من التجربة التالية هو تحديد الملبدات التي يمكنها تحسين إزالة الجسيمات المشتتة من المستخلصات النباتية. ويتم تحقيق ذلك من خلال وضع تصميم تجريبي لتحديد البوليمرات الأكثر فعالية والمعاملات التي تتحكم في تجمع هذه الجسيمات المشتتة. وتحدد الخطوة الثانية تدفق العمل، والذي يتوافق مع العمليات الموحدة المستخدمة في التطبيقات واسعة النطاق.

بعد ذلك، يتم تحضير مستخلصات الأوراق لاستخدامها كمندفات تحت ظروف متنوعة وتحليلها لقياس العكارة واستعادة المنتج. وتوضح النتائج الظروف المثلى للتنديف والبوليمرات بناءً على تقييم نموذج تصميم التجارب، والذي نختصره بـ DoE. وتتمثل الميزة الرئيسية لهذه التقنية مقارنة بعملية الترويق التقليدية التي تعتمد على الترشيح العميق وحده، في إمكانية زيادة سعة المرشح عدة مرات، مما يقلل من التكاليف الإجمالية للعملية.

يمكن أن تؤدي عملية التلبد إلى زيادة القطر الفعال للجزيئات وتسهيل إزالتها عن طريق الطرد المركزي أو الترشيح. لذلك، يجب أولاً تحديد معاملات العملية البيئية ذات الصلة بإجراء التلبد. وعادةً ما تكون هناك عدة معاملات من هذا النوع.

لذا، يُعد نهج تصميم التجارب (DoE) مناسباً في ظل غياب النماذج الميكانيكية. يتم إعداد تصميم التجارب عن طريق اختيار المعلمات بناءً على بيانات الأدبيات والمعرفة السابقة. وتشمل المعلمات النموذجية وقت الحضانة بالإضافة إلى نوع البوليمر وتركيزه.

يتم أيضاً تحديد النتائج التجريبية المستخدمة لتقييم كفاءة التلبد، مثل القابلية للترشيح، قبل بدء التجربة. ثم يتم إدخال هذه المعلومات في تصميم تجريبي (DoE) يتناسب مع عدد العوامل المراد استقصاؤها ومستوى المعرفة المتراكمة مسبقاً حول النظام. ويتم تطوير سير عمل يشمل جميع الخطوات ذات الصلة بعملية التلبد والمعالجة على النطاق المختبري للمستخلصات النباتية.

يجب أن يكون حجم الجزء المقتطع صغيراً بما يكفي للسماح بإنتاجية عالية للعينات. كما ينبغي أن يتوافق أداء المعدات المختبرية مع أداء الأجهزة المستخدمة في نطاق العملية الإنتاجية. وتُزرع النباتات بطريقة تمثل العملية النهائية.

يتم تحضير جميع الأدوات والمرافق قبل البدء في تجارب الاستخلاص والتلبد. تُحضّر المحاليل القياسية للملبدات بعناية مع مراعاة أي تخفيف مسبق أجراه المصنع. إن اختيار التركيز القياسي نفسه لجميع الملبدات يسهل عملية السحب بالمصّة لاحقاً، مما يقلل من احتمالية حدوث الأخطاء.

يتم تحضير مكونات المحلول المنظم، والأس الهيدروجيني (pH)، والموصلية الكهربائية لكل محلول مخزون من المندف freshly prepared flocculant stock solution لتتطابق مع ظروف المستخلصات. يتم تحويل جدول تصميم التجارب (DoE) إلى مخطط سحب بالماصة يحدد أحجام المحاليل المخزونة التي ستضاف إلى عينات مستخلصات النبات. وتُحضّر عينات مستخلصات النبات من أوراق التبغ المحصودة باستخدام المحاليل المنظمة التي تطابق الظروف المراد اختبارها في تصميم التجارب (DoE).

أثناء تحريك المستخلص، يتم تحضير أجزاء متساوية (aliquots) تطابق الحجم المحدد مسبقاً. يضمن ذلك توزيعاً متجانساً للجزيئات في جميع العينات. ثم يُضاف محلول استخلاص منظم (Extraction buffer) إلى كل جزء بحيث يكون لكل عينة الحجم نفسه بمجرد إضافة مخزون المادة الندفية (flocculant stock).

يُضاف حجم المحلول المخزون المحدد في تصميم التجارب (DoE) إلى العينة بالتتابع وفقاً لترتيب التشغيل العشوائي. يتم توزيع البوليمر بشكل متجانس في جميع أنحاء العينة عن طريق رج الأنبوب مباشرة بعد إضافة البوليمر، مما يضمن أيضاً إمكانية تكرار نتائج التلبد. يمكن تعديل هذه الطريقة بسهولة لاختبار تركيبات من مواد التلبد أو الإضافة المتكررة لنفس مادة التلبد.

ولكن يجب تنفيذ ذلك في تصميم التجارب (DoE). يتطلب تكوين الندف عادةً وقت حضانة يتراوح من 3 إلى 30 دقيقة. ومن الضروري الالتزام بأوقات الحضانة المحددة في تصميم التجارب (DoE) لتحقيق نتائج قابلة للتكرار.

يمكن استخدام إما سرعة ترسيب الندف أو عكارة الرشاحات وسعات الترشيح لتقييم أداء المندف. كما يعد التأكد من أن البوليمرات لا تتداخل مع منتجات مثل البروتينات أمراً هاماً أيضاً. وبمجرد تأكيد جودة البيانات، يمكن نقل المعلومات إلى برنامج تصميم التجارب (DoE).

يتم تحليل البيانات التجريبية باستخدام الأدوات المدمجة في برنامج تصميم التجارب (DoE)، بما في ذلك أدوات تحويل البيانات، واختيار العوامل، وأدوات مراقبة الجودة. وبالإضافة إلى استخدام هذه الأدوات، يجب أن يتوافق النموذج النهائي أيضًا مع القوانين الأساسية للفيزياء والديناميكا الحرارية. وبمجرد تأكيد جودة النموذج، يمكن استخدامه للتنبؤ بالظروف المثلى لعملية التلبد.

بناءً على تنبؤات النموذج، يمكن تضييق نطاق مساحة التصميم لتشمل المنطقة الأكثر صلة والتي يمكن من خلالها إعداد تصميم تجارب (DoE) جديد، مع تكرار الإجراء الموصوف سابقاً. ويمكن بعد ذلك تأكيد النتائج على النطاق التجريبي أو نطاق الإنتاج. وفي هذه الدراسة التمثيلية، تم اختبار أداء 23 من المندفات الاصطناعية المختلفة وأربعة من المندفات الطبيعية لتقييم قدرتها على تنديف مستخلصات أوراق التبغ باستخدام نهج تصميم التجارب (DoE).

مع مراعاة المعلمات الخاصة بالبوليمر مثل تركيز البوليمر ونوعه، وكذلك معلمات العملية، مثل وقت التحضين، ودرجة الحرارة، والرقم الهيدروجيني للمحلول المنظم، والموصلية. ومن خلال تسلسل من أربعة تصميمات متداخلة مثالية من النوع IV، تتضمن إجمالي نحو 200 حصة من مستخلصات بحجم 20 mL، وجدنا أن Polymin P كان المندف الأكثر فعالية لمستخلصات التبغ في نطاق pH من 4 إلى 8، طالما كانت درجة الحرارة بين 4 و30 °C. وكان وقت تحضين لمدة 15 دقيقة كافيًا لعملية التندف، إلا أن الفعالية انخفضت عند قيم موصلية تزيد عن 40 mS/cm.

ومع ذلك، أظهر نهج تصميم التجارب (DoE) أن Catiofast VSH كان مكملاً لـ Polymin P، حيث حقق تلبدًا فعالاً عند مستويات موصلية تزيد عن 40 mS per cm. وعند إدخال هذه الملبدات في عمليات المعالجة اللاحقة لمستخلصات التبغ، زادت سعة مرشحات العمق المستخدمة بمقدار 3.2 إلى 5.7 ضعفًا، مما أدى إلى خفض تكلفة السلع لهذه الخطوة وفقًا لذلك. وقد أكدنا أن الملبدات لم تقلل من استعادة البروتينات المستهدفة، بما في ذلك جسم مضاد أحادي النسيلة، وبروتين فلوري، ولاكتين، ومرشحات لقاحات مختلفة.

تم التأكد أيضاً من ظروف التلبد المثلى في دفعة تجريبية بسعة 100 L. كما تم نقل نتائج تصميم التجارب (DoE) بنجاح إلى مستخلصات التبغ التي تم تحضيرها باستخدام مكبس لولبي بدلاً من المجانس المعتمد على الشفرات، مما يؤكد مدى إمكانية تطبيق المعلومات التي تم جمعها على نطاق واسع. كما قمنا بتكييف الطريقة لاختبار تركيبات من المواد الملبدة التي أعطت نتائج جيدة بنفس القدر.

بعد مشاهدة هذا الفيديو، يجب أن تكون قادراً على فهم كيفية إعداد تجارب التلبد للمستخلصات النباتية باستخدام نهج تصميم التجارب (DoE).