معدات الاستخلاص Extraction equipments

ا



اولاً:- المرشحات Filters
المواد الايضية للاعقان اما ان تكون ذائبة او غير ذائبة وهي بالتالي ، اما ان تكون في المايسيلوم غير ذائبة او متحررة في الوسط الزرعي.
المرحلة الاولى:- من عملية الاستخلاص تتضمن تنقية او ترشسح الوسط التخمري من المواد غير الذائبة ويستخدم عادة المرشح الدوار تحت الضغط Rotary vaccum filter . ويتكون من قرص دوار مركزي به اربع مجرات يدار تحت الضغط السالب والى خارجه قرص كبير اكبر من الاول مغطى بفلتر ويدار هذا القرص بعجلات Rotary Rollers Filter بسرعة بطيئة ويكون مغطس الى منتصفه بوسط التخمير، والى احد الجوانب سكينه حادة لإزالة العوالق الصلبة من سطح المرشح او السوائل .











ثانياً:- اجهزة الطرد المركزي Centrifuge
تستخدم اجهزة الطرد المركزي احياناً لعزل المواد المتبقية في راشح التخمير، عندما تكون غير ممكنة الفصل بالاستخلاص بالمذيبات. وتعتمد عملية الفصل على ما يعرف بمعامل المشاركة partition coefficient (K) . فلو فرضنا ان مادة P مذابة في الماء خلطت بحجم مساوٍ لها من مذيب . فان انتشار المادة P بين طور المذيب والطور المائي يحسب من المعادلة التالية:-
K=
حيث:-
[Ps]:- هو تركيز المادة عند حالة التعادل في المذيب (Solvent )
[Pa]:- هو تركيز المادة عند حالة التعادل في الطور المائي (Aqueous)
وستعتمد قيمة K عدة عوامل مثل :-
1. الطبيعة الكيمياوية للمنتج
2. نوع المذيب المستعمل
3. درجة الحرارة
4. الاس الهيدروجيني PH.
5. بالنسبة للحوامض والقواعد فأن معامل المشاركة سيعتمد ايضاً على درجة التأين وبالتالي فأن قيمة K سيتحكم بها الاس الهيدروجيني كثيراً .
الاشكال الايونية تكون عادة مذابة في الطور المائي. اما الجريبات غير المتأينة فأنها تذوب في الطور العضوي ( المذيب) ، لذا فأن معامل المشاركة سيتجه حسب المعادلة الايونية نحو أي من الطورين :-
alkaline
H acid H+ + acid
Acid

Salable in organic phase Soluble in aqueous phase
وتوضح عملية استخلاص البنسلين :- وهو مادة حامضية ، هذه الحالة حيث يخلط راشح التخمير مع حجم قليل من butylacetate ثم يحضن الخليط بإضافة حامض الفوسفوريك ، وبذلك فان كل البنسلين غير المتأين يستجمع في طبقة المذيب، وبذلك فصلها عن الطبقة المائية تحتها والطبقة الحاوية على البنسلين بكثرة وهي طبقة المذيب butylactate phase ، تخلط مع دارئ Buffer ذات PH=7 وبالتالي فان املاح الصوديوم المتأينة للبنسلين ستتجمع في حجم صغير من الطور المائي والتي منها سيعزل المضاد الحيوي ، ويمكن عزل المذيب من الماء بترك الخليط ساكناً ، ولكن لأجل الاسراع في العملية ، تستعمل او تستخدم اجهزة الطرد المركزي ، وقوة الطرد تحسب في المعادلة الاتية:-
حيث ان :- Ww2r/g
W:- هو وزن المواد المراد تدويرها بالسرعة التي مقدارها w.
w:- هي السرعة الزاوية Angular Velocity وبمسافة نصف قطر مقدارها r من مركز التدوير.
g:- هو التعجيل حسب الجاذبية والتي مقدارها Sec/980cm
والاجهزة المستعملة عادة تسمح بمرور مزيج راشح التخمر. والمذيب في مركز وعاء دوار وبفعل قوة الطرد المركزي سيدفع الخليط الى الجدران الجانبية للوعاء. وهناك سينفصل الى طبقة ثقيلة Heavy phase وطبقة خفيفة Light phase وباستمرار اضافة خليط الى الوسط مع المذيب الى جهاز الطرد ، سيدفع الضغط والناتج عند الاضافة كلا الطبقتين الى عنق الجهاز ، حيث يوجد فاصل وجامع collar يسمح بفصل الطبقتين وبالتالي سحبه الى نقطتي فصل معزولتين.











ثالثاً:- التبادل الايوني باستخدام الراتنج والاعمدة
Ion exchange resins & Column
يعتمد اساس العمل هنا على التجاذب الكهربائي بالأيونات في المحلول المراد تنقيته وبين الايونات على سطح الراتنج resins . هذه التفاعلات تمثل عمليات في حالة توازن وتشمل انتشار ايونات محددة على سطح resins ومن ثم الى حاله التبادل ثم الى التبادل الفعلي ثم الانتشار بعيداً عن resins وسرعة الحركة لأي مركب ايوني في عمود الفصل Column هو دالة لدرجة تأينة ولتركيز الايونات الاخرى والميل النسبي للايونات المختلفة الموجودة في المحلول للاتحاد مع المواقع المتأينة على سطح resins ومن خلال ضبط قيمة الـ PH الموجودة في محلول الفصل eluting solvent الذي يؤثر بالتالي على القوة الايونية للربط بين الشحنات المختلفة . فأن عملية الفصل تبدأ بشكل تدريجي وتفريقي وكمثال للعملية :- هو عملية تنقية Cytochrom-C . فالمركب Cytochrom-C له درجة تعادل كهربائي تسمى Isoelectric point مقدارها (10) فاذا كانت قيمة الـ PH اكبر من pH >8.5 سيكون عند هذا الـ pH فمثلاً، بالشحنات السالبة ، وسيكون المركب Cytochrome- C عند اقل من pH<8.5 ممثلاً بالشحنات الموجبة. وبمرور المحلول غير النقي الحاوي على Cytochrome-C في عمود الفصل ونزول الماء بالعمود فأن المواد الملوثة في المحلول ستمر بسرعة من خلال العمود ولكن Cytochrome-C سيلتصق بشدة وقوة الى كرات resins. ولان اذا رفع الـ pH في محلول الاستخلاص الى حدود 10 فأن Cytochrom -C ستكون محصلة الشحنات عليه تساوي صفر وسيحرج بشكل سريع ونقي.
1- eluting solvent
2- mixture













Elution

مثال آخر:-
RCOONa + + Streptomycin-OH- ? RCOO-streptomycin +NaOH
يغسل الراتنج بالماء لإزالة كل الشوائب ثم يستخدم الـ eluting solvent لتغيير الـ pH. وهو حامض الهيدروكلوريك المخفف الذي يحدث هنا :- هو خروج Streptomycin بشكل نقي بعد تركه الارتباط مع الراتنج
RCOO-streptomycin + HCl ? RCOOH+ streptomycin-Cl-
المرحلة الثانية :- ينقى المحلول من ايونات Cl- كيمياوياً ويعاد تهيئة عمود الراتنج مرة ثانية لاستعماله في دورة جديدة من خلال امرار NaOH عليه:-
RCOOH + NaOH? RCOONa + H2O
رابعاً :- المجفف الدوار Roller dryer
عندما يكون ناتج عملية التخمر مايسليوم الفطريات، او بشكل غير ذائب . فعملية الاستخلاص والتنقية هنا تكون مزج او خلط هذه النواتج مع مذيب مناسب ثم ترشيحها واخيراً يتبخر المستخلص . وهناك خطوة وسطية ملائمة بالنسبة للنواتج الثانية غير الطيارة هي المجففات الدوارة التي يمكن استخدامها أما لكل وسط التخمير الكامل او البقايا الصلبة فقط. فالمحلول المراد تجفيفه يغذي الى خزن ناشئ من الفراغ بين الدولابين من الفولاذ ، يدوران ببطء ويسخنان بالبخار وتسمى الفتحة بين الدولابين nip وتنظم بحيث تسمح بمرور المحلول بشكل طبقة رقيقة Thin film على سطح كل اسطوانة. والتبخير السريع للماء سيسبب ترسيب المواد الصلبة على سطح الاسطوانة وتزال هذه المواد الصلبة بواسطة سكين حادة مثبته بزاوية معينة على السطح . ويتم تنظيم الفتحة بين الاسطوانتين بالاعتماد على الصفات الفيزيائية للمحلول المراد تجفيفه فلو كانت الفتحة كبيرة سيبقى الناتج رطباً. ولو كانت ضيقة فقد لا تسمح بمرور المحلول مع ما يحوية من مواد. وفائدة عملية الاستخلاص بهذه لطريقة :- هو الحصول على منتوج بشكل مسحوق ،وبشكل مستمر مع عملية طبخ باقل درجة. ويمكن استخدام هذه الطريقة لتحضير مواد مفيدة لتغذية الحيوانات من نواتج عملية التخمير كما في تصنيع riboflavin وTetracycline وفيتامين B12 . او كمرحلة وسطية كما في عملية استخلاص griseofulvin . او تستعمل لتجفيف الحليب والخميرة ومنتجات الحبوب. اما مساوئ العملية! فتشمل :- الحجم الكبير والصيانة والتكلفة بالتشغيل.
عندما تستعمل المذيبات العضوية في عمليات الاستخلاص لنواتج التخمير ، فأنه يجب خلط وسط التخمير مع المذيب والعديد من المذيبات المستعملة في الصناعة:- هي سريعة الاشتعال ، ولذلك يجب العمل معها في مناطق محمية من اللهب. وخطورة حدوث حريق من أي مذيب يعتمد على :- درجة التوهج له flash point :- وتعرف هذه بانها درجة الحرارة التي يكون بخار المذيب مزيج مع الهواء يتوهج فوق سطح المذيب . وهذا المزيج يتوهج فقط عندما يحفزه أي شيء له درجة اتقاد اعلى من او في درجة الاتقاد ignition temperature وعند دراسة الصفات المختلفة للمذيبات الشائعة الاستعمال فان الباحثين المصممين للمخمرات يعتبرون Carbon disulphide هو الافضل والاكثر اماناً لهذا فيجب استخدامه في اوعية مغلقه وان الـ ethyl-ether يجب ان يستبدل بـ Isopropyl ether قدر المستطاع . وان كل المذيبات يجب
التعامل معها في حذر وفي المناطق البعيدة عن أي مصدر لهب












nip

Typical Roller Dryers







Supercritical Fluid CO2 Extraction (SFE)
وتطبيقاته في المجالات الصناعية:

إنّ استخدام الإنسان للمركبات الطبيعية في حياته اليومية بدأ منذ قديم الزمان , حيث لجأ وقتئذ إلى استخدام النباتات بشكل مطحون , أو استعمال وسائلٍ بدائيةٍ في الاستخلاص , عن طريق الغلي بالماء والترشيح , ثم مع تطور التكنلوجيا , لا سيما تلك في مجال الكيمياء التطبيقية والعضوية , تطورت معها عمليات الاستخلاص ليتم استخدام المذيبات العضوية والقطبية التي لازالت إلى يومنا هذا هي الطريقة الأكثر استخداما لكن مشكلة بقاء آثار من المذيبات العضوية (كالهيكسان وغيره) في المنتج النهائي , رغم التبخير في الحجرات المفرغة , وماله من تأثير على صحة الإنسان , بالإضافة إلى مشكلة استخدام الكحول الاثيلي كمذيب قطبي في كثير من المركبات المستخلصة من النباتات , والتي تدعونا إلى التفكير لإيجاد بدائل صناعية في الاستخلاص.


الاستخلاص بواسطة غاز ثاني اوكسيد الكربون :

إن نقل فكرة استخدام غاز ثنائي أوكسيد الكربون في الحالة فوق الحرجة , إلى المستوى الصناعي , لم يرَ طريقه إلى النور إلّا في نهاية السبعينات من القرن الماضي , حيث ابتدأت عملية ازالة الكافائيين من الشاي , وتطور التطبيق الصناعي إلى أن وصل إلى استخلاص المنكهات وغيرها . وتتضمن العملية استخلاص مركب معين ( المستخلص ) من مكون اخر (المزيج ) باستخدام الغاز في في حالته فوق الحرجة والذي يعمل هنا كمذيب عضوي .

مبدأ الاستخلاص :
إنَّ مبدأ الاستخلاص باستخدام CO2 في الحالة فوق الحرجة , يعتمد على كونه في حالة ليست بالسائل ولا بالغاز مما يجعل منه محلاًّ جيداً للمركبات العضوية , وذلك بتطبيق ضغط يساوي 73.8 بار و درجة حرارة تساوي 31 درجة مئوية كحد أدنى .