Экстрагирование из биомассы клеток. Некоторые из продуктов метаболизма можно выделить из биомассы без разрушения клеточных стенок (липиды, некоторые ферменты). В большинстве же случаев используют сначала рассмотренные ранее способы дезинтеграции клеток и экстрагированию подвергают дезинтеграт – разрушенные клетки или их оболочки. Экстрагирование применяется для извлечения ферментов из культур грибов, выращенных твердофазной ферментацией, микробного жира или липидов из биомассы дрожжей, антибиотиков и полипептидов, локализованных на клетках микроорганизмов, при выделении внутриклеточных биополимеров типа белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов и т. д.

Всегда за экстрагированием следует стадия отделения твердой фазы, в результате чего извлекаемое вещество переводится в жидкую фазу – экстракт, из которого в дальнейшем и выделяют продукт.

В качестве экстрагентов в зависимости от вида извлекаемого вещества используются: вода, водные растворы кислот или щелочей, органические растворители – спирты, ацетон, нефрас (смесь легких углеводородов).

Существует несколько способов осуществления экстрагирования: экстрагирование с перемешиванием, экстрагирование в неподвижном слое, экстрагирование одно- и многоступенчатое, прямоточное и противоточное.

Экстрагирование с перемешиванием является наиболее простым способом экстрагирования. В аппарат с мешалкой загружается твердая фаза (биомасса после сгущения или отделения на фильтре) и жидкая фаза (экстрагент). Процесс далее протекает при перемешивании.

Концентрация извлекаемого вещества в экстрагенте изменяется во времени в соответствии с уравнением
 (15.1)
где V_ж – объем жидкой фазы в аппарате; С_ж – концентрация растворенного вещества в экстракте в момент времени t; K_V – коэффициент массоотдачи жидкость–твердое тело в пересчете на объем жидкой фазы.

Величина C^р_ж в формуле обозначает концентрацию растворенного вещества в жидкости, равновесную с его содержанием в твердой фазе С_т. Предполагается, что связь между ними определяется законом Рауля:
 (15.2)
где У_ЖТ – коэффициент распределения, показывающий, во сколько раз концентрация растворенного вещества в жидкости при равновесии (отсутствии дальнейшего растворения) больше, чем его концентрация в твердой фазе. Обычно экстрагент подбирается таким образом, что растворимость в нем извлекаемого вещества значительно больше, чем в твердой фазе (т.е. У_жт >> 1).

С другой стороны, концентрация растворенного вещества в твердой фазе соответствует уравнению
 (15.3)
где V_т – объем твердой фазы в аппарате.

Решая уравнения (15.2) и (15.3), можно определить, как меняется концентрация растворенного вещества в жидкой и твердой фазах.

На рис. 15.1 показано, что концентрация вещества в твердой фазе резко падает от начального значения Cт₀ ДО равновесного C_тp. Концентрация же в жидкой фазе увеличивается не так значительно: от Сж₀ = 0 до равновесного С_жр, но при этом концентрация в жидкости Сж после некоторого момента времени начинает превышать концентрацию в твердой фазе, т. е. С_ж > C_т. Казалось бы, при этом растворенное вещество должно переходить из жидкости обратно в твердую фазу, но реально извлечение идет, пока не установятся равновесные значения C_тp и С_жр. Если же сравнивать между собой значения C_т и С_ж/У_жт= С_т, то график выглядит по-другому (рис. 15.2).

Рис. 15.1. Изменение в процессе экстрагирования концентраций
растворенного вещества в твердой (1) и жидкой (2) фазах:
C_т0 — начальная концентрация в твердой фазе;
C_тp — равновесная концентрация в твердой фазе в конце процесса;
С_жp — равновесная концентрация в жидкой фазе в конце процесса

Рис. 15.2. Изменение движущей силы процесса экстрагирования:
1 – концентрация растворенного вещества Cr в твердой фазе;
2 – равновесная концентрация растворенного вещества в твердой фазе C_т
к его текущей концентрации в жидкой фазе С_ж

Этот график показывает, что к концу процесса движущая сила массоотдачи становится равной нулю.

Во всех случаях должно быть справедливо при равновесии С_жр = У_жт = С_т, или в промежуточных ситуациях.
С^*_т = С_ж/У_жт· (15.4)

С другой стороны, в равновесном состоянии сумма количеств вещества, растворенного в твердой и жидкой фазе, должна быть равна величине, имевшей место в начале процесса экстрагирования:
V_т0 = V_тС_тр + V_жС_жр (15.5)

Решая эти уравнения вместе, получаем:
 (15.6)

Из этого соотношения видно, что концентрация растворенного вещества в биомассе после однократного экстрагирования существенно меньше, чем перед ним. Эта величина тем меньше, чем больше коэффициент распределения У_жт и чем больше соотношение объемов жидкости и твердой фазы V_ж/V_т.

Кстати, отсюда же видно, что на конечную величину концентрации не влияет коэффициент массоотдачи K V_K: он лишь ускоряет или замедляет процесс экстрагирования, но итоговый результат одинаковый.

Степень извлечения η при этом составляет:
 (157)

Чтобы повысить концентрацию вещества в экстракте, стараются не слишком увеличивать отношение V_ж к V_т.

Лучше сначала отделить твердую фазу от экстракта и провести повторно экстрагирование свежим растворителем. Так можно делать несколько раз, а затем объединить экстракты. Это будет лучше для полноты извлечения, чем сразу однократно добавить весь объем экстрагента. В этом заключается смысл многоступенчатого, или многократного, экстрагирования.

Еще лучше использовать противоточное экстрагирование: свежую биомассу с наиболее высокой концентрацией извлекаемого вещества соединяют с экстрактом, полученным после двух-трех операций экстрагирования, а биомассу после 2-го или 3-го экстрагирования – со все более чистым экстрагентом (рис. 15.3).

Рис. 15.3. Схема противоточного 3-ступенчатого экстрагирования:
I – свежая биомасса; II – отработанная биомасса (шрот);
III – промежуточно экстрагированная биомасса; IV – чистый экстра- гент;
V – насыщенный экстрагент; VI – экстрагент промежуточного насыщения

На схеме не отмечено, но предполагается, что после каждой стадии происходит разделение жидкой и твердой фаз.

Экстрагирование в неподвижном слое используется в том случае, когда биомасса уже предварительно высушена. Она загружается в колонны или патроны (диффузоры), через которые проходит жидкий экстрагент. Обычно используют батарею из 20 или более последовательно соединенных диффузоров (рис. 15.4).

Рис. 15.4. Схема экстрагирования в каскаде диффузоров:
1 – диффузор; 2 – добавляемые диффузоры со свежей биомассой;
I – свежий экстрагент; II – насыщенный экстрагент

По мере исчерпания веществ в диффузорах производят переключение патронов и их перезагрузку. Свежий патрон (по биомассе) является последним по ходу потока экстрагента. Происходит как бы ступенчатое движение биомассы (без ее отделения от жидкости, как в экстрагировании с перемешиванием).

Организация межфазной поверхности. Массоотдача локализованного в биомассе вещества от порошка биомассы к жидкости в аппарате – не самый лучший способ экстрагирования. При этом образуются агломераты биомассы, в результате чего не все клетки оказываются доступными для экстрагента. Кроме того, для повышения коэффициента массоотдачи важно повысить относительную скорость движения биомассы и жидкой фазы.

Для улучшения структуры межфазной поверхности часто из биомассы формируют специальной формы гранулы, называемые «лепесток». Так поступают при экстракции липидов (жиров) из микробной биомассы. Для этого сначала просто гранулируют биомассу, получая сферические гранулы. Затем эти гранулы пропускают через вальцы, получая сплющенные лепешки толщиной 0,2–0,3 мм – «лепестки». Далее уже эти «лепестки» загружают в аппарат для экстрагирования, и при этом обеспечивается более эффективная массоотдача.