Processo de separação de biomoléculas, Notas de aula de Biotecnologia

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PROCESSOS DE SEPARAÇÃO

DE BIOMOLÉCULAS

O método de separação e projeto dos equipamentos serão em função:

Da localização do produto: intracelular ou extracelular

Das características físico-químicas das biomoléculas: tamanho molecular,

densidade (centrifugação, filtração em gel), concentração, solubilidade

(precipitação), carga elétrica (cromatografia de troca iônica), hidrofobicidade

Das propriedades físico-químicas do meio: viscosidade, densidade,

impurezas e partículas indesejáveis.

Processo downstream

• Purificação de produtos biotecnológicos → Etapa complexa
• Características variadas do meio e das biomoléculas de interesse
• Não existem processos de purificação de aplicação geral

Métodos de purificação

1 proteína isolada

Proteínas de uma célula

• Na maioria das vezes o que se pretende purificar é uma biomolécula de um grupo de moléculas com maior diversidade.

Processo downstream

Definição do processo de purificação depende da aplicação final da molécula-alvo

Produtos cuja aplicação não requer alto grau de pureza (ácidos orgânicos, enzimas industriais)

Sem necessidade operações cromatográficas, basta simples concentração do meio para comercialização do uso

Produtos farmacêuticos requerem maior grau de pureza

Elevada complexidade do processo de purificação (80% do custo final do produto)

Processo downstream

Processo downstream

Etapas de diferentes passos envolvidos no isolamento e purificação

Separação de células do meio

(clarificação)

Purificação inicial

Purificação de alta resolução

Polimento (purificação final)

1. Remoção de material insolúvel (particulado) Exemplo: filtração, centrifugação, decantação. 2. Isolamento primário (Concentração ou purificação de baixa resolução) Remoção de componentes com propriedades significativamente diferentes → não seletiva. Durante esta etapa a concentração de produto aumenta consideravelmente. Operações típicas: extração por solvente, precipitação e ultrafiltração.

Processos de Separação de Biomoléculas

A seqüência de operações para a obtenção de um produto de alta pureza, constitui-se basicamente de quatro etapas.

Filtração e centrifugação

Operações unitárias de clarificação amplamente

aplicadas em escala industrial

Filtração obtenção do meio clarificado

Centrifugação recuperação de células

Filtração

Na filtração, partículas sólidas são separadas de uma mistura sólido-fluido

através da passagem através de um meio filtrante.

Os sólidos são depositados no filtro e a medida que a torta de filtração

aumenta de espessura, aumenta a resistência à filtração.

A filtração de meios biológicos complexos ou de meios de fermentação pode

ser difícil devido ao tamanho pequeno, à natureza gelatinosa das partículas e

ao comportamento viscoso e não-Newtoniano do meio de fermentação

A suspensão, sob pressão, é perpendicularmente direcionada a um meio filtrante

Velocidade de filtração depende:

• Área de filtração,
• Volume do filtrado.

Filtração

Filtração

Resistência da torta de filtração depende:

R = α X (V/A)

• Concentração das células na suspensão X (kg/m^3 )
• Volume filtrado até um instante (t) V (m^3 )
• Área de filtração A (m^2 )
• Resistência específica da torta (α)

Tortas incompressíveis → α constante Tortas compressíveis → α varia com a pressão (células microbianas)

Tortas rígidas apresentam tempo de filtração menor em comparação às

tortas compressíveis formadas por células microbianas

A adsorção das células (fragmentos de micélios e bactérias) sobre as partículas de terra reduz o efeito dos dois problemas cruciais da filtração:

1. Compressibilidade da torta
2. Entupimento do filtro devido à penetração de células e, sobretudo, de fragmentos de micélio e bactérias no meio filtrante

Auxiliares de filtração

Filtração

Terra diatomácea:

• Utilizada quando o produto é extracelular.

Filtro rotativo a vácuo (FRV)

Utilizado com mais freqüência na clarificação de grandes volumes de suspensões microbianas – em geral bolores cultivados na produção de antibióticos

Capacidade: 0,1 – 0,2 m^3 .h

Consiste em um tambor oco e rotativo (1 rpm) coberto com malha metálica filtrante, a qual, por sua vez, é coberta com uma camada de 5 a 10 cm de terra diatomácea ou outro auxiliar de filtração

Filtração

Células em suspensão em um meio líquido sedimentam por ação da gravidade.

A centrifugação compreende a aceleração dessa sedimentação por

ação de um campo gravitacional centrífugo.

Centrifugação

Velocidade de sedimentação depende:

• Diferença de densidade da célula e líquido
• Viscosidade do meio líquido
• Força motriz
• Diâmetro da partícula

Os equipamentos de centrifugação são mais caros que os de filtração, contudo a centrifugação normalmente é mais eficiente na separação de pequenas partículas, difíceis de filtrar.

Fatores que auxiliam a centrifugação:

• Partículas grandes.
• Baixa viscosidade do líquido.
• Grande diferença de densidade entre as partículas a serem separadas e o fluido.

Centrifugação