Процедура оценки эффективности флокулянтов для удаления дисперсных частиц из растительных экстрактов

Общая цель следующего эксперимента заключается в поиске флокулянтов, способных улучшить удаление дисперсных частиц из растительных экстрактов. Это достигается путем разработки плана эксперимента для определения наиболее эффективных полимеров и параметров, контролирующих агрегацию этих дисперсных частиц. На втором этапе определяется рабочий процесс, который соответствует отдельным операциям, используемым при промышленном применении.

Затем готовят экстракты листьев для использования в качестве флокулянтов при различных условиях и анализируют их для измерения мутности и степени восстановления продукта. Результаты позволяют определить оптимальные условия флокуляции и подходящие полимеры на основе оценки модели планирования эксперимента, которая сокращенно обозначается как DoE. Основным преимуществом данного метода по сравнению с традиционным осветлением с использованием только глубинного фильтрования является возможность многократного увеличения фильтрационной емкости, что снижает общие затраты на процесс.

Флокуляция может увеличить эффективный диаметр частиц и облегчить их удаление путем центрифугирования или фильтрации. Поэтому сначала необходимо определить параметры окружающей среды, имеющие значение для процедуры флокуляции. Как правило, таких параметров несколько.

Таким образом, подход на основе планирования эксперимента (DoE) является целесообразным ввиду отсутствия механистических моделей. DoE настраивается путем выбора параметров на основе литературных данных и предварительных знаний. Типичные параметры включают время инкубации, а также тип и концентрацию полимера.

Экспериментальные показатели, используемые для оценки эффективности флокуляции, такие как фильтруемость, также определяются до начала эксперимента. Затем эта информация вводится в модель планирования эксперимента (DoE), подходящую для исследуемого количества факторов и степени имеющихся знаний о системе. Разрабатывается рабочий процесс, охватывающий все этапы, имеющие отношение к флокуляции и лабораторной переработке растительных экстрактов.

Объем аликвоты должен быть достаточно малым, чтобы обеспечить высокую пропускную способность образцов. Характеристики лабораторного оборудования должны коррелировать с характеристиками устройств промышленного масштаба. Растения выращиваются способом, соответствующим окончательному технологическому процессу.

Перед началом экспериментов по экстракции и флокуляции подготавливаются все необходимые принадлежности. Стоковые растворы флокулянтов готовятся тщательно, с учетом любого предварительного разбавления производителем. Выбор одинаковой концентрации стоковых растворов для всех флокулянтов упрощает последующее дозирование с помощью пипеток, снижая вероятность ошибок.

Компоненты буфера, pH и электропроводность для каждого свежеприготовленного стокового раствора флокулянта подбираются так, чтобы они соответствовали условиям экстрактов. График DoE преобразуется в схему пипетирования, определяющую объемы стоковых растворов, которые необходимо добавить в образцы экстрактов растений. Образцы экстрактов растений готовят из собранных листьев табака, используя буферы, соответствующие условиям, которые будут тестироваться в рамках DoE.

При перемешивании экстракта подготавливают аликвоты соответствующего заданного объема. Это обеспечит гомогенное распределение частиц во всех образцах. В каждую аликвоту добавляют экстракционный буфер так, чтобы после добавления стокового раствора флокулянта все образцы имели одинаковый объем.

Объем исходного раствора, определенный в плане эксперимента (DoE), добавляется к образцу последовательно в соответствии с рандомизированным порядком проведения опытов. Для обеспечения однородного распределения полимера по всему образцу пробирку встряхивают сразу после добавления полимера, что также гарантирует воспроизводимость результатов флокуляции. Данный метод можно легко модифицировать для тестирования комбинаций флокулянтов или повторного добавления одного и того же флокулянта.

Однако это должно быть учтено в плане эксперимента (DoE). Образование флокул обычно требует времени инкубации от 3 до 30 минут. Для достижения воспроизводимых результатов необходимо строго придерживаться временных интервалов инкубации, определенных в DoE.

Для оценки эффективности флокулянта можно использовать либо скорость осаждения хлопьев, либо мутность фильтратов и фильтрующую способность. Также важно подтвердить, что полимеры не взаимодействуют с такими продуктами, как белки. После подтверждения качества данных информацию можно перенести в программное обеспечение для DoE (планирования эксперимента).

Экспериментальные данные анализируются с помощью инструментов, встроенных в программное обеспечение для DoE, включая инструменты преобразования данных, выбора факторов и контроля качества. Помимо использования этих инструментов, окончательная модель должна также соответствовать основным законам физики и термодинамики. После подтверждения качества модели её можно использовать для прогнозирования оптимальных условий флокуляции.

На основании прогнозов модели пространство параметров можно ограничить наиболее значимым регионом, для которого, повторяя описанную ранее процедуру, может быть разработан новый план эксперимента (DoE). Затем результаты могут быть подтверждены в пилотном или промышленном масштабе. В данном репрезентативном исследовании с использованием подхода DoE была протестирована эффективность 23 различных синтетических и четырех природных флокулянтов по их способности вызывать флокуляцию экстрактов листьев табака.

Принимались во внимание параметры, специфичные для полимера, такие как концентрация и тип полимера, а также технологические параметры, такие как время инкубации, температура, pH буфера и электропроводность. В результате серии из четырех вложенных IV-оптимальных планов, включающих в общей сложности около 200 аликвот экстракта по 20 mL, было установлено, что Polymin P является наиболее эффективным флокулянтом для экстрактов табака в диапазоне pH от четырех до восьми, при условии, что температура находилась в пределах от четырех до 30 °C. Для флокуляции было достаточно времени инкубации 15 минут, однако эффективность снижалась при электропроводности более 40 mS/cm.

Однако подход DoE показал, что Catiofast VSH дополняет Polymin P, обеспечивая эффективную флокуляцию при электропроводности выше 40 mS per cm. При внедрении этих флокулянтов в процесс последующей очистки экстрактов табака емкость используемых глубинных фильтров увеличилась в 3,2–5,7 раза, что соответственно снизило себестоимость данного этапа. Мы подтвердили, что флокулянты не снижают выход целевых белков, включая моноклональные антитела, флуоресцентный белок, лектин и различные вакцинные кандидаты.

Оптимальные условия флокуляции были также подтверждены в реакторе периодического действия пилотного масштаба объемом 100 L. Результаты DoE были успешно перенесены на экстракты табака, приготовленные с помощью шнекового пресса, а не гомогенизатора с лезвиями, что подчеркивает широкую применимость полученных данных. Мы также адаптировали метод для тестирования комбинаций флокулянтов, которые оказались столь же эффективными.

После просмотра этого видео вы должны понять, как организовать эксперименты по флокуляции растительных экстрактов с использованием подхода DoE (планирование эксперимента).