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