Procedura oceny skuteczności flokulantów do usuwania zdyspergowanych cząstek z ekstraktów roślinnych

Ogólnym celem poniższego eksperymentu jest zidentyfikowanie flokulantów, które mogą usprawnić usuwanie rozproszonych cząstek z ekstraktów roślinnych. Osiąga się to poprzez opracowanie schematu doświadczalnego w celu wyłonienia najskuteczniejszych polimerów oraz parametrów kontrolujących agregację tych rozproszonych cząstek. Drugi etap definiuje przebieg prac, który odpowiada operacjom jednostkowym stosowanym w aplikacjach na dużą skalę.

Następnie przygotowuje się ekstrakty z liści do zastosowania jako flokulanty w różnych warunkach, a następnie poddaje się je analizie w celu pomiaru mętności i odzysku produktu. Wyniki wskazują optymalne warunki flokulacji oraz polimery na podstawie oceny modelu planowania eksperymentów, określanego skrótem DoE. Główną zaletą tej techniki w porównaniu do tradycyjnego klarowania z wykorzystaniem wyłącznie filtracji wgłębnej jest możliwość kilkukrotnego zwiększenia wydajności filtra, co redukuje całkowite koszty procesu.

Flokulacja może zwiększyć efektywną średnicę cząstek i ułatwić ich usuwanie poprzez wirowanie lub filtrację. Dlatego w pierwszej kolejności należy zidentyfikować parametry procesu środowiskowego istotne dla procedury flokulacji. Zazwyczaj jest takich parametrów kilka.

W związku z brakiem modeli mechanistycznych odpowiednie jest zastosowanie podejścia DoE. Planowanie DoE polega na wyborze parametrów w oparciu o dane literaturowe oraz wiedzę uprzednią. Typowe parametry obejmują czas inkubacji, a także rodzaj i stężenie polimeru.

Przed rozpoczęciem eksperymentu definiuje się również wyniki doświadczalne służące do oceny efektywności flokulacji, takie jak zdolność do filtrowania. Informacje te są następnie wprowadzane do modelu planowania eksperymentów (DoE), odpowiedniego dla liczby badanych czynników oraz stopnia wiedzy zgromadzonej na temat danego układu. Opracowywany jest schemat postępowania obejmujący wszystkie kroki istotne dla flokulacji i przetwarzania ekstraktów roślinnych w skali laboratoryjnej.

Objętość alikwotu powinna być na tyle mała, aby umożliwić wysoką przepustowość próbek. Wydajność sprzętu laboratoryjnego powinna być skorelowana z wydajnością urządzeń w skali procesowej. Rośliny są hodowane w sposób reprezentujący końcowy proces.

Wszystkie niezbędne materiały i urządzenia zostają przygotowane przed rozpoczęciem eksperymentów z ekstrakcją i flokulacją. Roztwory stokowe flokulantów są przygotowywane starannie, z uwzględnieniem wszelkich wstępnych rozcieńczeń wykonanych przez producenta. Wybór tej samej koncentracji stoku dla wszystkich flokulantów upraszcza późniejsze pipetowanie, co zmniejsza prawdopodobieństwo wystąpienia błędów.

Składniki buforu, pH oraz przewodność dla każdego świeżego roztworu zapasowego flokulanta są przygotowywane tak, aby odpowiadały warunkom ekstraktów. Harmonogram DoE jest przekształcany w schemat pipetowania, określający objętości roztworów zapasowych, które należy dodać do próbek ekstraktów roślinnych. Próbki ekstraktów roślinnych są przygotowywane z zebranych liści tytoniu przy użyciu buforów odpowiadających warunkom testowanym w DoE.

Podczas mieszania ekstraktu przygotowuje się alikwoty o zdefiniowanej objętości. Zapewni to jednorodny rozkład cząstek we wszystkich próbkach. Do każdej alikwoty dodaje się bufor do ekstrakcji w taki sposób, aby każda próbka miała tę samą objętość po dodaniu roztworu roboczego flokulanta.

Objętość roztworu zapasowego określona w DoE jest dodawana do próbki sekwencyjnie, zgodnie z randomizowaną kolejnością pomiarów. Polimer jest homogenicznie rozprowadzany w całej próbce poprzez wstrząśnięcie probówką bezpośrednio po dodaniu polimeru, co zapewni również powtarzalność wyników flokulacji. Metodę tę można łatwo zmodyfikować w celu przetestowania kombinacji flokulantów lub wielokrotnego dodawania tego samego flokulanta.

Należy jednak uwzględnić to w planowaniu eksperymentu (DoE). Tworzenie kłaczków zazwyczaj wymaga od 3 do 30 minut inkubacji. Przestrzeganie czasów inkubacji określonych w DoE jest niezbędne do uzyskania powtarzalnych wyników.

Do oceny wydajności flokulanta można wykorzystać prędkość sedymentacji kłaczków lub mętność filtratów oraz pojemność filtrów. Ważne jest również potwierdzenie, że polimery nie zakłócają obecności produktów, takich jak białka. Po potwierdzeniu jakości danych informacje można przenieść do oprogramowania DoE.

Dane eksperymentalne analizuje się przy użyciu narzędzi wbudowanych w oprogramowanie DoE, w tym narzędzi do transformacji danych, wyboru czynników oraz kontroli jakości. Poza korzystaniem z tych narzędzi, końcowy model powinien być również zgodny z podstawowymi prawami fizyki i termodynamiki. Po potwierdzeniu jakości modelu można go wykorzystać do przewidywania optymalnych warunków flokulacji.

Na podstawie przewidywań modelu przestrzeń projektową można zawęzić do najbardziej istotnego obszaru, dla którego można opracować nowy plan eksperymentów (DoE), powtarzając opisaną wcześniej procedurę. Wyniki można następnie potwierdzić w skali pilotowej lub produkcyjnej. W niniejszym reprezentatywnym badaniu, z wykorzystaniem podejścia DoE, przetestowano zdolność do flokulacji ekstraktów z liści tytoniu 23 różnych flokulantów syntetycznych oraz czterech naturalnych.

Uwzględniono parametry specyficzne dla polimerów, takie jak stężenie i rodzaj polimeru, a także parametry procesu, takie jak czas inkubacji, temperatura, pH buforu i przewodność. Stosując sekwencję czterech zagnieżdżonych planów optymalnych IV, obejmującą łącznie około 200 alikwotów ekstraktu o objętości 20 mL, stwierdzono, że Polymin P był najskuteczniejszym flokulantem dla ekstraktów tytoniowych w zakresie pH od czterech do ośmiu, pod warunkiem, że temperatura wynosiła od czterech do 30 °C. Czas inkubacji wynoszący 15 minut był wystarczający do przeprowadzenia flokulacji, jednak skuteczność spadała przy przewodności przekraczającej 40 mS/cm.

Jednak podejście DoE wykazało, że Catiofast VSH uzupełniał Polymin P, zapewniając efektywną flokulację przy przewodnościach przekraczających 40 mS/cm. Po wprowadzeniu tych flokulantów do procesu downstream w oczyszczaniu ekstraktów tytoniowych, pojemność zastosowanych filtrów wgłębnych wzrosła od 3,2 do 5,7 raza, co odpowiednio obniżyło koszty produktów dla tego etapu. Potwierdzono, że flokulanty nie zmniejszyły odzysku białek docelowych, w tym przeciwciała monoklonalnego, białka fluorescencyjnego, lektyny oraz różnych kandydatów na szczepionki.

Optymalne warunki flokulacji potwierdzono również w reaktorze okresowym w skali pilotażowej o pojemności 100 L. Wyniki DoE pomyślnie przeniesiono również na ekstrakty tytoniowe przygotowane za pomocą prasy śrubowej zamiast homogenizatora z ostrzami, co podkreśla szeroki zakres zastosowań zebranych informacji. Dostosowaliśmy również metodę do testowania kombinacji flokulantów, które działały równie skutecznie.

Po obejrzeniu tego filmu powinieneś zrozumieć, jak przygotować eksperymenty dotyczące flokulacji ekstraktów roślinnych z wykorzystaniem podejścia DoE.