8/16/2019 Curs Bioseparari1

1/27

 Bioseparari analiticeCurs 1

8/16/2019 Curs Bioseparari1

2/27

Bioprocesarea se refera la studiul sistematic al principiilor științif

inginerești utilizate pentru obtinerea si purificarea pe scară larg

produselor biologice.

Bioprocesarea poate fi clasificata în două categorii:

1. bioprocesare reactivă

2. bioprocesare extractiva

8/16/2019 Curs Bioseparari1

3/27

8/16/2019 Curs Bioseparari1

4/27

8/16/2019 Curs Bioseparari1

5/27

Bioprocesarea reactivă are drept componenta o anumită reacție

biologică

Ex. Producere de antibiotice, hormoni, vaccinuri

Bioprocesare extractiva implică aproape în întregime biosepararea

8/16/2019 Curs Bioseparari1

6/27

Biosepararile analitice se refera la purificarea

componentelor active cu un singur scop: evaluare

cantitatii de produs existent in matricea prelucrat

 poate opera cu probe de diverse dimensiuni pana

singura celula.

8/16/2019 Curs Bioseparari1

7/27

Categorii Exemple

Solvenţi   Etanol, acetonă, butanol

Acizi Organici   Acid citric, acidul lactic, acidul butiric

Vitamine   Acid ascorbic, vitamina B12

Aminoacizi   Lizina, fenilalanină, glicinăAntibiotice   Peniciline, rifampicină, streptomicină, soframycin, ka

Zaharuri și carbohidrați   Glucoza, fructoza, amidon, dextran, xantan, gelan

Lipide Glicerol, acizi grași, corticosteroizi, prostaglandine

Acizi nucleici   Plasmide, ADN terapeutic, vectori retrovirali, oligonu

ribozomi

Proteine purificate Factorii de creștere, proteine, citokine, interleukine,

Proteine semipurificate   enzime industriale, proteine din ou, proteine din lap

din zer, proteine din soia

Cellule Drojdie de panificație, drojdie de bere, lactobacili usc

congelare

Extracte celulare brute   extract de drojdie, extracte de soia, extract de țesut d

animală

Hidrolizate   Hidrolizate din soia, hidrolizațe din zer, hidrolizațe din

origine animală

Categorii de produse obtinute prin procese de bioseparare

8/16/2019 Curs Bioseparari1

8/27

Categorii Exemple

Produse chimice industriale   Solventi, acizi organici, enzime industriale

Agrochemicals Biofertilizanți, biopesticide

Biofarmaceutice   Antibiotice, hormoni, anticorpi monoclonali, plproteine, vaccinuri, hormoni, citokine, acizi nuc

terapeutici

Produse alimentare si aditivii

alimentari

Proteinele din zer, proteine din lapte, proteine

soia proteine, hidrolizate proteice

Nutraceutice Vitamine, enzime, coenzime, cofactori, aminoa

proteinele din zer purificate

Produse medicale pentru

diagnostice

Glucoză oxidază, peroxidaza, HCG

produse chimice de mărfuri   Detergenti de tip enzime, insecticide

Reactivi de laborator   Albumină serică bovină, ovalbumina, lizozima

Produse cosmetice   Extracte din plante, extracte de țesuturi de ori

animala

Principalele activitati economice care beneficiaza de procesele de biose

8/16/2019 Curs Bioseparari1

9/27

Importanța economică a biosepararii

Purificarea produselor biologice pornind de la materialul brut este o

dificila si costisitoare din punct de vedere tehnic. Acest aspect este u

critic si limitant pentru comercializarea unui produs biologic. În mult

costul bioseparii poate fi o componentă substanțială a costului total a

bioprocesarii (de ex. pentru proteine și acizi nucleici folosite ca

biofarmaceutice)

8/16/2019 Curs Bioseparari1

10/27

Produse Costul Bioseparii (%)

Solvenţi 15-20

Celule   20-25

Extracte celulare brute   20-25

Acizi organici   30-40

Vitamine si aminoacizi   30-40

Gume și polimeri   40-50

Antibiotic 20-60

Enzime industriale   40-65

Proteine terapeutice non-recombinante   50-70

Produsele ADN recombinant   60-80

Anticorpii monoclonali   50-70

Produse pe bază de acizi nucleici   60-80

Proteine plasmatice   70-80

8/16/2019 Curs Bioseparari1

11/27

Natura biosepararilor

Biosepararile se   bazează   în mare parte pe procese

chimice.O multitudine de tehnici de separare bine fundame

utilizate in industria chimica.

Unele dintre aceste tehnici s-au dovedit a fi potr

efectuarea de bioseparari.Cu toate ca unele tehnici se pot adapta necesitatilor d

biosepararilor   diferențe   fundamentale intre substant

sintetice si biomolecule exista si trebuie luate in calcul.

8/16/2019 Curs Bioseparari1

12/27

Unele biomolecule (antibiotice sau vitamine si aminoacizi) se po

utilizand tehnici   convenționale  de separare, cum ar fi:   extrac

lichid, adsorbție cu strat fix, evaporarea și uscarea fara nici o m

fata de tehnicile curente din industria chimica.

Modul de abordare se schimba radical cand este vorba de

complexe cum ar fi: proteine, lipide, carbohidrați și acizi nucleici.

De cele mai multe ori sunt necesare tehnici complet noi sau a

celor existente.

Diferentele intre procesele de bioseparare si separarile chi

bazeaza pe urmatoarele aspecte:

8/16/2019 Curs Bioseparari1

13/27

1. Produsele biologice sunt prezente în concentrații foarte scăzute în mater

exemplu, anticorpii monoclonali sunt de obicei prezenti în concentrații în ju

supernatantul din culturile celulare animale. Prin urmare volume mar

trebuie vehiculat

2. O serie de alte   substanțe   care sunt, de obicei,   impurități și, în unesecundare sunt prezente în materia  primă împreună  cu produsele biolog

aceste   impurități  sau produse secundare au  proprietăți  fizice  și  chimice s

produsului dorit. Acest lucru face ca separarea sa fie foarte dificila. De ac

trebuie să fie foarte selectiva.

3. Există cerințe stricte de calitate pentru produsele utilizate în scopuri profiși terapeutice, atât în termeni ai conținutului de produs activ, cât și în ceea c

impurităților  specific (produse terapeutice injectabile trebuie   să   fie liber

pirogeni). Procedurile pentru respectarea acestor cerinte trebuie sa fie

procesului de bioseparare.

8/16/2019 Curs Bioseparari1

14/27

4. Produsele biologice sunt susceptibile la denaturare   și   a

degradare. Prin urmare, tehnicile de bioseparare trebuie să să f

ceea ce privește evitarea condițiilor fizico-chimice extreme, cum

tăria ionica, condiții hidrodinamice, viteze de forfecare ridicatela   interfețe  gaz-lichid.   Solvenții  organici care sunt utilizate pe  

separări în industria chimică au o utilizare relativ limitata în bios

cont de tendința lor de a promova degradarea multor produse b

5. Multe produse biologice sunt termolabile   și, prin urmare

biosepararilor sunt de obicei efectuate la temperatură sub-amb

6. Biosepararea se  bazează  adesea pe o filiera de tehnici (un

complex care are la baza o serie de tehnici individuale).

8/16/2019 Curs Bioseparari1

15/27

Bazele separarii în procesele de bioseparare

Produsele biologice sunt separate pe baza uneia sau mai multo

următoarii factori:

1. Dimensiune molecule: de ex filtrare, separare prin membrană, centrif

2. Densitate: de ex centrifugare, sedimentare, flotație

3. Difuzivitate: ex separare prin membrană

4. Forma: de ex centrifugarea, filtrarea, sedimentarea

5. Polaritate: de ex extracția, cromatografia, adsorbția

6. Solubilitate: de ex extracție, precipitare, cristalizare7.   Incărcare   electrostatica: de ex   adsorbție, separare prin   mem

electroforeză

8. Volatilitatea: de exemplu, distilare, distilare cu membrană, pervaporat

8/16/2019 Curs Bioseparari1

16/27

Forma fizica in care se afla materia care trebuie separata

Biosepararea implică de obicei separarea fizică a portiunilor de materie

diferite forme .1. Separare de tip particule-lichid 

Exemple de separare a particulelor de lichide pot fi:

•   separarea celulelor din mediul de cultură celulară,

•   separarea celulelor sanguine din plasma, producere proteinelor plasmat

•  eliminarea bacteriilor și viruși din soluții proteice.

8/16/2019 Curs Bioseparari1

17/27

Separarea particulelor de lichid poate fi realizată prin forțarea suspens

mediu poros care reține particule în același timp permițând lichidului să

acesta. Acest principiu este utilizat în separarea și filtrarea pe membrane

Separarea particulelor-lichid poate fi   realizată   prin supunerea susp

câmpurile  gravitaționale  naturale sau induse artificial. În cazul în care

sunt mai dense decât mediul lichid în care acestea sunt suspendate se

baza vasului un sediment și lichidul limpede lăsat în urmă este denumit 

Acest principiu este utilizat în procesele de separare, cum ar fi sedi

centrifugarea.Dacă  particulele sunt mai  ușoare  decât lichidul în care acestea sunt

acestea tind   să plutească și, prin urmare,   să   se concentreze în part

containerului în care are loc suspendarea. Acest principiu este utilizat în f

8/16/2019 Curs Bioseparari1

18/27

2. Separare de tip particula-particula din mediul lichid 

Exemple de separare a particulelor de alte particule în mediul lichid sunt:•   fracționarea organelelor subcelulare,

•   separarea ADN-ului plasmidic din ADN-ul cromozomial•   separarea celulelor mature de celule tinere.Acest tip de separare poate fi realizată prin centrifugare zonală. Carezultat particulele mai grele vor migra mai repede decât particulele maiușoare, având ca rezultat segregarea lor în benzi distincte din care acesteparticule pot fi recuperate ulterior utilizând mijloace adecvate.

Separarea particulelor de particule poate fi realizată în teorie prinutilizarea unui mediu poros care reține particulele mai mari, dar permiteparticulelor mai mici să treacă prin acesta.Aceasta operatie este destul de dificil de pus in practica și se poateefectua numai în cazul în care particulele mai mari pot fi împiedicate săblocheze mediul poros.

8/16/2019 Curs Bioseparari1

19/27

3. Separarea substanței  dizolvate în mediu lichid 

Un exemplu în acest sens este separarea antibioticelor dizolvate care sunt

celule.

Metodele utilizate pentru separarea solutului sunt fundamental similare c

utilizate pentru separare solid-lichid, datorită faptului că resturile de solut

dizolvate în mediul lichid.

8/16/2019 Curs Bioseparari1

20/27

4. Separare solut-solvent

Separare solutului  de solvent este destul de comună în bioseparare, scopul a

eliminarea totală sau parțială a unui solvent dintr-un solut produs. Aplicatiile

 cresterea concentrației de proteina , îndepărtarea impurităților dizolvate dintr-un produs lichid,

 înlocuirea unui solvent dintr-o soluție cu altul (schimb de solvent).

O serie de opțiuni sunt disponibile pentru separarea solutului de solvent si ce

dintre acestea sunt evaporarea și distilarea.

O problema esentiala a acestor tehnici este necesitatea aplicarii unui tratame

prin urmare, nu pot fi utilizate pentru separarea materialelor biologice care t

termolabile.

8/16/2019 Curs Bioseparari1

21/27

Membranele care pot reține materialul dizolvat permițând în același timp

eliminarea solvenților reprezinta o alternativa viabila mai ales ca sunt pre

diverse variante:

 o membrana de osmoza inversa va reține molecule mici si ioni,

 o membrană de nanofiltrare va retine mai molecule mai mari, cum ar f

vitamine, hormoni și antibiotice,

 O membrană de ultrafiltrare va retine macromolecule cum ar fi protein

acizi nucleici

8/16/2019 Curs Bioseparari1

22/27

Domenii de aplicare a membranelor

Principiul separarii p

8/16/2019 Curs Bioseparari1

23/27

Un alt mod de a scoate un solvent dintr-o substanță dizolvată este prin le

reversibila a solutului pe o suprafață solidă, acesta fiind procesul de adso

Odată ce legarea solutului a avut loc, această separare este transformata î

separare de tip particula-lichid, adică solventul este separat de solutul legSolutul legat este recuperat ulterior din materialul solid, procesul fiind de

desorbție.

O metoda indirectă de separare a substanței dizolvate din solvent este pr

Care se transforma astfel încă o dată in separare de tip particula-lichide.Schimbul de solvent poate fi realizat prin extracție lichid-lichid unde subst

dizolvată este transferată de la un lichid la altul, cu care solventul original

nemiscibil.

8/16/2019 Curs Bioseparari1

24/27

5. Separarea de tip solut-solut în mediu lichid 

Separarea solut-solut este de departe forma cea mai dificila de separare.

Un exemplu în acest sens este separarea de albumină serică dintr-un amestec de alte proteine serice.

Separarea solut-solut poate fi realizată prin adsorbție selectivă, adică prin legarea selectivă si reversibila

material solid.

Separarea solut-solut pot fi transportata prin extracție lichid-lichid, de exemplu prin punerea în conta

amestecul de biomolecule cu un lichid nemiscibil în care solutul  țintă are o solubilitate ridicată.

In urma apariției membranelor, separarea solut-solut a devenit mult mai facila.

Membrane de tip nanofiltrare, ultrafiltrare si dializa pot fi folosite pentru astfel de separari.

Un mod indirect de a efectua separarea solut-solut este prin precipitare, care implică precipitarea select

6 S li hid li hid

8/16/2019 Curs Bioseparari1

25/27

6. Separarea lichid-lichid

Separarea lichid-lichid este necesară pentru fabricarea de solvenți ca aceton

de obicei se formeaza in mediu apos.  Dacă  solventul este nemiscibil cu

urmată de decantare poate fi  suficientă. Cu toate acestea, în cazul în care

miscibil cu apa (ca în cazul etanolului) sau formeaza amestecuri azeotrope,

separare trebuie utilizate. In cazul etanolului distilarea a fost utilizată în mo

toate acestea, odată cu apariția tehnologiei membranelor, procesele de se

distilarea prin membrana și pervaporatie au inceput sa fie utilizate pe scara

8/16/2019 Curs Bioseparari1

26/27

Curba lichid vapori pentru doua substante X si Y care   nu formeaza  amestec azeoptrop de maxim

8/16/2019 Curs Bioseparari1

27/27

Principiul de functionare a procesului de pervaporatie care este distilare cuplata cu separare prin membrana