Procedura per valutare l'efficienza di flocculanti per la rimozione di particelle disperse di estratti di piante

L'obiettivo generale del seguente esperimento è identificare flocculanti che possono migliorare la rimozione delle particelle disperse dagli estratti vegetali. Ciò si ottiene mettendo a punto un disegno sperimentale per identificare i polimeri più efficaci e i parametri che controllano l'aggregazione di queste particelle disperse. Il secondo passaggio definisce il flusso di lavoro, che corrisponde alle operazioni unitarie utilizzate in un'applicazione su larga scala.

Successivamente, gli estratti di foglie vengono preparati per flocculanti in varie condizioni e analizzati al fine di misurare la torbidità e il recupero del prodotto. I risultati mostrano le condizioni ottimali di flocculazione e i polimeri sulla base di un modello di valutazione del disegno degli esperimenti, che abbreviamo in DoE. Il vantaggio principale di questa tecnica rispetto alla chiarificazione tradizionale che utilizza solo la filtrazione di profondità, è che la capacità del filtro può essere aumentata di diverse volte, riducendo i costi complessivi del processo.

La flocculazione può aumentare il diametro effettivo delle particelle e facilitarne la rimozione mediante centrifugazione o filtrazione. Pertanto, i parametri ambientali di processo rilevanti per la procedura di flocculazione devono essere identificati per primi. In genere, ci sono diversi parametri di questo tipo.

Quindi un approccio DoE è appropriato data la mancanza di modelli meccanicistici. Il DoE viene impostato selezionando i parametri in base ai dati della letteratura e alle conoscenze pregresse. I parametri tipici includono il tempo di incubazione, il tipo e la concentrazione del polimero.

Anche i risultati sperimentali utilizzati per valutare l'efficienza della flocculazione, come la filtrabilità, sono definiti prima dell'esperimento. Queste informazioni vengono quindi inserite in un tipo di DoE appropriato per il numero di fattori da studiare e il grado di conoscenza già accumulato sul sistema. Viene sviluppato un flusso di lavoro che comprende tutte le fasi rilevanti per la flocculazione e la lavorazione su scala di laboratorio di estratti vegetali.

Il volume dell'aliquota deve essere sufficientemente piccolo da consentire un'elevata produttività del campione. Le prestazioni delle apparecchiature di laboratorio devono essere correlate a quelle dei dispositivi in scala di processo. Le piante vengono coltivate in modo da rappresentare il processo finale.

E tutte le utenze sono preparate prima di iniziare gli esperimenti di estrazione e flocculazione. Le soluzioni madre di flocculante sono preparate con cura tenendo conto di eventuali pre-diluizioni da parte del produttore. La scelta della stessa concentrazione di stock per tutti i flocculanti semplifica il pipettaggio successivo, riducendo la probabilità di errori.

I componenti tampone, il pH e la conducibilità per ogni soluzione madre di flocculante fresco sono preparati per adattarsi alle condizioni degli estratti. Il programma DoE viene convertito in uno schema di pipettaggio che stabilisce i volumi di soluzioni madre da aggiungere ai campioni di estratto vegetale. I campioni di estratti vegetali sono preparati dalle foglie di tabacco raccolte utilizzando i tamponi che soddisfano le condizioni da testare nel DoE.

Durante la miscelazione dell'estratto, vengono preparate le aliquote, che corrispondono al volume predefinito. Ciò garantirà una distribuzione omogenea delle particelle in tutti i campioni. Il tampone di estrazione viene aggiunto a ciascuna aliquota in modo che ogni campione abbia lo stesso volume una volta aggiunto un ceppo di flocculante.

Il volume della soluzione madre definito nel DoE viene aggiunto al campione in sequenza, come indicato dall'ordine di esecuzione randomizzato. Il polimero viene distribuito in modo omogeneo in tutto il campione agitando la provetta subito dopo l'aggiunta del polimero, il che garantirà anche che i risultati della flocculazione siano riproducibili. Il metodo può essere facilmente modificato per testare combinazioni di flocculanti o l'aggiunta ripetuta dello stesso flocculante.

Ma questo deve essere attuato nel DoE. La formazione di fiocchi richiede in genere da tre a 30 minuti di incubazione. Attenersi ai tempi di incubazione definiti nel DoE è necessario per ottenere risultati riproducibili.

Per valutare le prestazioni del flocculante è possibile utilizzare sia la velocità di sedimentazione dei fiocchi che la torbidità dei filtrati e le capacità dei filtri. Anche la conferma che i polimeri non interferiscono con prodotti come le proteine è importante. Una volta confermata la qualità dei dati, le informazioni possono essere trasferite nel software DoE.

I dati sperimentali vengono analizzati utilizzando gli strumenti integrati nel software DoE, tra cui la trasformazione dei dati, la selezione dei fattori e gli strumenti di controllo qualità. Oltre a utilizzare questi strumenti, il modello finale dovrebbe anche concordare con le leggi di base della fisica e della termodinamica. Una volta confermata la qualità del modello, il modello può essere utilizzato per prevedere le condizioni ottimali per la flocculazione.

Sulla base delle previsioni del modello, lo spazio di progettazione può essere ristretto alla regione più rilevante per la quale è possibile impostare un nuovo DoE, ripetendo la procedura descritta in precedenza. I risultati possono quindi essere confermati su scala pilota o di produzione. In questo studio rappresentativo, le prestazioni di 23 diversi flocculanti sintetici e quattro naturali sono state testate per la loro capacità di flocculare gli estratti di foglie di tabacco utilizzando un approccio DoE.

Tenendo conto dei parametri specifici del polimero, come la concentrazione e il tipo di polimero, ma anche dei parametri di processo, come il tempo di incubazione, la temperatura, il pH tampone e la conduttività. Con la sequenza di quattro disegni ottimali per l'IV nidificati, tra cui un totale di circa 200 aliquote di estratto da 20 mL, abbiamo scoperto che Polymin P era il flocculante più efficace per gli estratti di tabacco nell'intervallo di pH da quattro a otto, purché la temperatura fosse compresa tra quattro e 30 gradi Celsius. Un tempo di incubazione di 15 minuti era sufficiente per la flocculazione, ma l'efficacia diminuiva a conducibilità superiori a 40 mS per cm.

Tuttavia, l'approccio DoE ha dimostrato che Catiofast VSH era complementare a Polymin P, raggiungendo un'efficace flocculazione a conduttività superiori a 40 mS per cm. Quando questi flocculanti sono stati introdotti nella lavorazione a valle degli estratti di tabacco, la capacità dei filtri di profondità utilizzati è aumentata da 3,2 a 5,7 volte, riducendo di conseguenza il costo delle merci per questa fase. Abbiamo confermato che i flocculanti non hanno ridotto il recupero delle proteine bersaglio, tra cui un anticorpo monoclonale, una proteina di fluorescenza, una lattina e diversi candidati vaccini.

Le condizioni ottimali di flocculazione sono state confermate anche in un lotto di scala pilota da 100 L. I risultati del DoE sono stati anche trasferiti con successo agli estratti di tabacco preparati con una pressa a vite piuttosto che con un omogeneizzatore a lame, sottolineando quanto possano essere ampiamente applicabili le informazioni raccolte. Abbiamo anche adattato il metodo per testare combinazioni di flocculanti che hanno funzionato altrettanto bene.

Dopo aver visto questo video, dovresti capire come impostare gli esperimenti di flocculazione per estratti vegetali utilizzando un approccio DoE.