Procedura oceny skuteczności flokulantów do usuwania zdyspergowanych cząstek z ekstraktów roślinnych

Ogólnym celem poniższego eksperymentu jest zidentyfikowanie flokulantów, które mogą poprawić usuwanie zdyspergowanych cząstek z ekstraktów roślinnych. Osiąga się to poprzez opracowanie projektu eksperymentalnego w celu zidentyfikowania najbardziej efektywnych polimerów i parametrów kontrolujących agregację tych zdyspergowanych cząstek. Drugi krok definiuje przepływ pracy, który odpowiada operacjom jednostkowym używanym w aplikacji na dużą skalę.

Następnie ekstrakty z liści są przygotowywane do flokulantów w różnych warunkach i analizowane w celu pomiaru zmętnienia i odzysku produktu. Wyniki pokazują optymalne warunki flokulacji i polimerów w oparciu o projekt oceny modelu eksperymentów, który skracamy do DoE. Główną zaletą tej techniki w porównaniu z tradycyjnym klarowaniem przy użyciu samej filtracji wgłębnej jest to, że wydajność filtra można kilkakrotnie zwiększyć, co zmniejsza ogólne koszty procesu.

Flokulacja może zwiększyć efektywną średnicę cząstek i ułatwić ich usunięcie przez odwirowanie lub filtrację. W związku z tym w pierwszej kolejności należy określić parametry procesu środowiskowego, które są istotne dla procedury flokulacji. Zazwyczaj istnieje kilka takich parametrów.

Tak więc podejście DoE jest właściwe, biorąc pod uwagę brak modeli mechanistycznych. DoE jest konfigurowany poprzez wybór parametrów na podstawie danych literaturowych i wcześniejszej wiedzy. Typowe parametry to czas inkubacji, a także rodzaj i stężenie polimeru.

Wyniki eksperymentu, które są wykorzystywane do oceny skuteczności flokulacji, takie jak filtrowalność, są również definiowane przed eksperymentem. Informacje te są następnie wprowadzane do typu DoE odpowiedniego dla liczby czynników, które mają być zbadane, oraz stopnia już zgromadzonej wiedzy na temat systemu. Przepływ pracy został opracowany tak, aby obejmował wszystkie etapy istotne dla flokulacji i przetwarzania ekstraktów roślinnych na skalę laboratoryjną.

Podwielokrotna objętość powinna być na tyle mała, aby umożliwić wysoką przepustowość próbki. Wydajność sprzętu laboratoryjnego powinna być skorelowana z wydajnością urządzeń skalowanych do procesu. Rośliny są uprawiane w sposób, który reprezentuje końcowy proces.

Wszystkie narzędzia są przygotowywane przed rozpoczęciem eksperymentów z ekstrakcją i flokulacją. Roztwory podstawowe flokulantu przygotowuje się ostrożnie, biorąc pod uwagę wszelkie wstępne rozcieńczenie przez producenta. Wybór tego samego stężenia wyjściowego dla wszystkich flokulantów upraszcza późniejsze pipetowanie, zmniejszając prawdopodobieństwo błędów.

Składniki buforowe, pH i przewodność dla każdego świeżego roztworu podstawowego flokulantu są przygotowywane tak, aby odpowiadały warunkom ekstraktów. Schemat DoE jest przekształcany w schemat pipetowania określający objętości roztworów podstawowych, które należy dodać do próbek ekstraktów roślinnych. Próbki ekstraktów roślinnych przygotowuje się ze zebranych liści tytoniu przy użyciu odpowiadających warunkom, które mają być badane w DoE.

Mieszając ekstrakt, przygotowuje się podwielokrotności dopasowujące się do wcześniej zdefiniowanej objętości. Zapewni to jednorodny rozkład cząstek we wszystkich próbkach. Bufor ekstrakcyjny dodaje się do każdej podwielokrotności, tak aby każda próbka miała taką samą objętość po dodaniu flokulantu.

Objętość roztworu podstawowego zdefiniowana w DoE jest dodawana do próbki sekwencyjnie, zgodnie ze wskazaniami w randomizowanej kolejności serii. Polimer jest jednorodnie rozprowadzany w próbce poprzez potrząsanie probówką natychmiast po dodaniu polimeru, co również zapewni powtarzalność wyników flokulacji. Metodę można łatwo zmodyfikować w celu zbadania kombinacji flokulantów lub wielokrotnego dodawania tego samego flokulantu.

Ale to musi zostać wdrożone w DoE. Tworzenie kłaczków zwykle wymaga czasu inkubacji od trzech do 30 minut. Trzymanie się czasów inkubacji określonych w DoE jest niezbędne do osiągnięcia powtarzalnych wyników.

Do oceny wydajności flokulantu można wykorzystać zarówno prędkość osiadania kłaczków, jak i zmętnienie filtratów oraz pojemności filtrów. Ważne jest również potwierdzenie, że polimery nie kolidują z produktami takimi jak białka. Po potwierdzeniu jakości danych informacje mogą zostać przesłane do oprogramowania DoE.

Dane eksperymentalne są analizowane przy użyciu narzędzi wbudowanych w oprogramowanie DoE, w tym narzędzi do transformacji danych, wyboru czynników i kontroli jakości. Oprócz korzystania z tych narzędzi, ostateczny model powinien również zgadzać się z podstawowymi prawami fizyki i termodynamiki. Po potwierdzeniu jakości modelu można go wykorzystać do przewidywania optymalnych warunków flokulacji.

Na podstawie przewidywań modelu przestrzeń projektowa może zostać zawężona do najbardziej odpowiedniego regionu, dla którego można skonfigurować nowy DoE, powtarzając procedurę opisaną wcześniej. Wyniki można następnie potwierdzić na skali pilotażowej lub produkcyjnej. W tym reprezentatywnym badaniu przetestowano działanie 23 różnych syntetycznych i czterech naturalnych flokulantów pod kątem ich zdolności do flokulacji ekstraktów z liści tytoniu przy użyciu podejścia DoE.

Z uwzględnieniem parametrów specyficznych dla polimeru, takich jak stężenie i rodzaj polimeru, ale także parametrów procesu, takich jak czas inkubacji, temperatura, pH buforu i przewodność. Dzięki sekwencji czterech zagnieżdżonych projektów optymalnych dożylnie, w tym łącznie około 200 podwielokrotności ekstraktu o pojemności 20 ml, stwierdziliśmy, że Polymin P był najskuteczniejszym flokulantem do ekstraktów tytoniowych w zakresie pH od czterech do ośmiu, o ile temperatura wynosiła od czterech do 30 stopni Celsjusza. Czas inkubacji wynoszący 15 minut był wystarczający do flokulacji, ale skuteczność spadała przy przewodności większej niż 40 mS na cm.

Jednak podejście DoE wykazało, że Catiofast VSH jest komplementarny w stosunku do Polymin P, osiągając skuteczną flokulację przy przewodności większej niż 40 mS na cm. Po wprowadzeniu tych flokulantów do dalszego przetwarzania ekstraktów tytoniowych, wydajność zastosowanych filtrów wgłębnych wzrosła od 3,2 do 5,7-krotnie, co odpowiednio obniżyło koszt towarów na tym etapie. Potwierdziliśmy, że flokulanty nie zmniejszały odzysku białek docelowych, w tym przeciwciała monoklonalnego, białka fluorescencyjnego, laktyny i różnych kandydatów na szczepionki.

Optymalne warunki flokulacji potwierdzono również w 100-litrowej próbie pilotażowej. Wyniki DoE udało się również przenieść na ekstrakty tytoniowe przygotowane za pomocą prasy śrubowej, a nie homogenizatora opartego na łopatkach, co podkreśla, jak szerokie zastosowanie mogą mieć zebrane informacje. Dostosowaliśmy również metodę do testowania kombinacji flokulantów, które działały równie dobrze.

Po obejrzeniu tego filmu powinieneś zrozumieć, jak skonfigurować eksperymenty flokulacji dla ekstraktów roślinnych przy użyciu podejścia DoE.