Vorgehensweise Um die Effizienz von Flockungsmittel für die Beseitigung von Dispersed Partikel aus Pflanzenextrakten zur Bewertung

Das übergeordnete Ziel des folgenden Versuchs ist es, Flockungsmittel zu identifizieren, die die Entfernung von dispergierten Partikeln aus Pflanzenextrakten verbessern können. Dies wird durch die Einrichtung eines Versuchsdesigns erreicht, um die effektivsten Polymere und Parameter zu identifizieren, die die Aggregation dieser dispergierten Partikel steuern. Im zweiten Schritt wird der Workflow definiert, der den in einer Großanwendung verwendeten Einheitsoperationen entspricht.

Anschließend werden Blattextrakte unter verschiedenen Bedingungen für Flockungsmittel aufbereitet und analysiert, um die Trübung und Produktrückgewinnung zu messen. Die Ergebnisse zeigen die optimalen Flockungsbedingungen und Polymere auf der Grundlage einer Versuchsdesign-Modellbewertung, die wir als DoE abkürzen. Der Hauptvorteil dieser Technik im Vergleich zur herkömmlichen Klärung mit reiner Tiefenfiltration besteht darin, dass die Filterkapazität um ein Vielfaches erhöht werden kann, wodurch die Gesamtprozesskosten gesenkt werden.

Die Flockung kann den effektiven Durchmesser der Partikel vergrößern und deren Entfernung durch Zentrifugation oder Filtration erleichtern. Daher müssen zunächst die für das Flockungsverfahren relevanten Umgebungsprozessparameter identifiziert werden. In der Regel gibt es mehrere solcher Parameter.

Ein DoE-Ansatz ist also angesichts des Mangels an mechanistischen Modellen angemessen. Die Einrichtung der DoE erfolgt durch die Auswahl von Parametern auf Basis von Literatur, Daten und Vorwissen. Typische Parameter sind die Inkubationszeit sowie der Polymertyp und die Konzentration.

Die experimentellen Ergebnisse, die zur Bewertung der Effizienz der Flockung herangezogen werden, wie z. B. die Filtrierbarkeit, werden ebenfalls vor dem Versuch definiert. Diese Informationen werden dann in einen DoE-Typ eingespeist, der für die Anzahl der zu untersuchenden Faktoren und den bereits angesammelten Wissensstand über das System geeignet ist. Es wird ein Workflow entwickelt, der alle relevanten Schritte für die Flockung und Verarbeitung von Pflanzenextrakten im Labormaßstab umfasst.

Das aliquote Volumen sollte klein genug sein, um einen hohen Probendurchsatz zu ermöglichen. Die Leistungsfähigkeit der Laborgeräte sollte mit der der prozessskalierten Geräte korrelieren. Die Pflanzen werden auf eine Weise kultiviert, die den endgültigen Prozess darstellt.

Und alle Dienstprogramme sind vorbereitet, bevor mit den Extraktions- und Flockungsexperimenten begonnen wird. Die Flockungsmittel-Stammlösungen werden unter Berücksichtigung einer etwaigen Vorverdünnung durch den Hersteller sorgfältig hergestellt. Die Wahl der gleichen Stoffkonzentration für alle Flockungsmittel vereinfacht das nachfolgende Pipettieren und verringert die Wahrscheinlichkeit von Fehlern.

Die Pufferkomponenten, der pH-Wert und die Leitfähigkeit für jede frische Flockungsmittel-Stammlösung werden so vorbereitet, dass sie den Bedingungen der Extrakte entsprechen. Der DoE-Zeitplan wird in ein Pipettierschema umgewandelt, in dem die Volumina der Stammlösungen festgelegt sind, die den Pflanzenextraktproben zugesetzt werden sollen. Pflanzenextraktproben werden aus geernteten Tabakblättern unter Verwendung von Puffern hergestellt, die den Bedingungen entsprechen, die im DoE getestet werden sollen.

Unter Rühren des Extrakts werden Aliquote hergestellt, die dem vordefinierten Volumen entsprechen. Dadurch wird eine homogene Partikelverteilung in allen Proben gewährleistet. Jedem Aliquot wird ein Extraktionspuffer zugesetzt, so dass jede Probe das gleiche Volumen hat, sobald ein Flockungsmittelfond hinzugefügt wurde.

Das Volumen der Stammlösung, das in der DoE definiert ist, wird der Stichprobe sequenziell hinzugefügt, wie durch die randomisierte Laufreihenfolge angegeben. Das Polymer wird durch Schütteln des Röhrchens unmittelbar nach der Zugabe des Polymers homogen in der Probe verteilt, wodurch auch sichergestellt wird, dass die Flockungsergebnisse reproduzierbar sind. Das Verfahren kann leicht modifiziert werden, um Kombinationen von Flockungsmitteln oder die wiederholte Zugabe desselben Flockungsmittels zu testen.

Dies muss jedoch im DoE implementiert werden. Die Flockenbildung erfordert in der Regel eine Inkubationszeit von drei bis 30 Minuten. Die Einhaltung der in der DoE definierten Inkubationszeiten ist notwendig, um reproduzierbare Ergebnisse zu erzielen.

Zur Bewertung der Flockenleistung kann entweder die Absetzgeschwindigkeit der Flocken oder die Trübung der Filtrate und Filterkapazitäten herangezogen werden. Wichtig ist auch die Bestätigung, dass die Polymere nicht mit Produkten wie Proteinen kollidieren. Sobald die Datenqualität bestätigt ist, können die Informationen in die DoE-Software übertragen werden.

Die experimentellen Daten werden mit den in die DoE-Software integrierten Tools analysiert, einschließlich Datentransformation, Faktorauswahl und Qualitätskontrollwerkzeugen. Neben der Verwendung dieser Werkzeuge sollte das endgültige Modell auch mit den grundlegenden Gesetzen der Physik und Thermodynamik übereinstimmen. Sobald die Modellqualität bestätigt ist, kann das Modell verwendet werden, um die optimalen Bedingungen für die Flockung vorherzusagen.

Basierend auf den Modellvorhersagen kann der Designraum auf den relevantesten Bereich eingegrenzt werden, für den eine neue DoE eingerichtet werden kann, wobei das zuvor beschriebene Verfahren wiederholt wird. Die Ergebnisse können dann im Pilot- oder Produktionsmaßstab bestätigt werden. In dieser repräsentativen Studie wurde die Leistungsfähigkeit von 23 verschiedenen synthetischen und vier natürlichen Flockungsmitteln auf ihre Fähigkeit getestet, Tabakblattextrakte mit Hilfe eines DoE-Ansatzes auszuflocken.

Unter Berücksichtigung polymerspezifischer Parameter wie Polymerkonzentration und -typ, aber auch Prozessparameter, wie Inkubationszeit, Temperatur, Puffer-pH-Wert und Leitfähigkeit. Mit der Abfolge von vier ineinander verschachtelten IV-optimalen Designs, die insgesamt etwa 200 20-ml-Extraktaliquote umfassten, fanden wir heraus, dass Polymin P das wirksamste Flockungsmittel für Tabakextrakte im pH-Bereich von vier bis acht war, solange die Temperatur zwischen vier und 30 Grad Celsius lag. Eine Inkubationszeit von 15 Minuten war für die Flockung ausreichend, aber die Wirksamkeit nahm bei Leitfähigkeiten über 40 mS pro cm ab.

Der DoE-Ansatz zeigte jedoch, dass Catiofast VSH komplementär zu Polymin P war und eine effektive Flockung bei Leitfähigkeiten von mehr als 40 mS pro cm erreichte. Beim Einbringen dieser Flockungsmittel in die Weiterverarbeitung von Tabakextrakten stieg die Kapazität der eingesetzten Tiefenfilter um das 3,2- bis 5,7-fache, wodurch sich die Warenkosten für diesen Schritt entsprechend reduzierten. Wir bestätigten, dass die Flockungsmittel die Wiederfindung von Zielproteinen, einschließlich eines monoklonalen Antikörpers, eines Fluoreszenzproteins, eines Lactins und verschiedener Impfstoffkandidaten, nicht reduzierten.

Die optimalen Flockungsbedingungen wurden auch in einer 100-Liter-Charge im Pilotmaßstab bestätigt. Die Ergebnisse des DoE wurden auch erfolgreich auf Tabakextrakte übertragen, die mit einer Schneckenpresse anstelle eines klingenbasierten Homogenisators hergestellt wurden, was unterstreicht, wie breit die gesammelten Informationen anwendbar sein können. Wir haben die Methode auch angepasst, um Kombinationen von Flockungsmitteln zu testen, die gleich gut funktionierten.

Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie verstehen, wie Sie Flockungsexperimente für Pflanzenextrakte mit einem DoE-Ansatz einrichten.