第三章 发酵液预处理

分子质量可高达数万至一千万以上，它们源自文库 有长链状结构， 其链节上含有许多活性官能 团， 包括带电荷的阴离子或阳离子基团以及 不带电荷的非离子型基团。
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它们通过静电引力、范德华引力或氢键的作
用，强烈地吸附在胶粒的表面。 当一个高分子聚合物的许多链节分别吸附在不同
的胶粒表面上，产生桥架联结时，就形成了较大的絮
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5. 加入反应剂：
加入反应剂和某些可溶性盐类发生反应生成不溶性沉淀，如 CaSO4，AlPO4等。生成的沉淀能防止菌丝体粘结，使菌丝具有块 状结构，沉淀本身可作为助滤剂，且能使胶状物和悬浮物凝固， 改善过滤性能；如发酵液中含有不溶性多糖物质，用酶将其转化 为单糖，以提高过滤速率。如万古霉素用淀粉作培养基，发酵液 过滤前加入0.025%的淀粉酶，搅拌30min后，再加2.5%硅藻土助 滤剂，可提高过滤效率5倍。
团，这就是絮凝作用。
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工业上使用的絮凝剂可分为三类： 1）有机高分子聚合物，如聚丙烯酰胺类衍生物、 聚苯乙烯类衍生物； 2）无机高分子聚合物，如聚合铝盐、聚合铁盐等； 3）天然有机高分子絮凝剂，如聚糖类胶粘物、海 藻酸钠、明胶、骨胶、壳多糖、脱乙酰壳多糖等。
硫酸铝 Al2(SO4)3•18H2O（明矾）； 氯化铝 AlCl3•6H2O; 三氯化铁 FeCl3; 硫酸亚铁 FeSO4·7H2O ； 石灰；ZnSO4；MgCO3
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2、絮 凝
絮凝：指在某些高分子絮凝剂存在下，基于桥架作用， 使胶粒形成较大絮凝团的过程。
絮凝剂：是一种能溶于水的高分子聚合物，其相对
电位φd降低到其值为1/e处的距离，
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ζ电位与扩散层厚度δ和电动电荷密度q成正比，而扩散 层厚度又与溶液中离子强度有关，当双电层的排斥力不足 以抗衡胶粒间的范德华引力时，由于热运动的结果导致胶 粒的互相碰撞而聚集起来。
在发酵液中加入具有高价阳离子的电解质，能降低ζ电 位和脱除胶粒表面的水化膜，就能导致胶粒间的凝聚作用。
1. 降低液体粘度： 根据流体力学原理，滤液通过滤饼的速率与液体的
粘度成反比，降低液体粘度可有效提高过滤速率。注意加 热温度与时间，不影响产物活性和细胞的完整性。
有加水稀释法和加热法
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2. 调整pH
pH值直接影响发酵液中某些物质的电离度和电荷 性质，适当调节pH值可改善其过滤特性。
氨基酸、蛋白质等电点的调节；在膜过滤中，发 酵液中的大分子物质易与膜发生吸附，通过调整pH值 改变易吸附分子的电荷性质，即可减少堵塞和污染；
②悬浮物颗粒小，相对密度与液相相差不大； ③固体粒子可压缩性大； ④液相粘度大，大多为非牛顿型流体； ⑤性质不稳定，随时间变化，如易受空气氧化、微生
物污染、蛋白酶水解等作用的影响。
这些特性使得发酵液的过滤与分离相当困难。
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（二）改善发酵液过滤特性的物理化学方法
通过对发酵液进行适当的预处理，即可改善其流体 性能，降低滤饼比阻，提高过滤与分离的速率。
第三章 发酵液预处理
一 、发酵液过滤特性的改变 二、 发酵液的相对纯化 三、 固液分离工程及设备
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发酵液成分
微生物菌体及残存的固体培养基外，还有未被微生 物完全利用的糖类、无机盐、蛋白质，以及微生物的各 种代谢产物。
目的
分离菌体和其他悬浮颗粒，除去部分可溶性杂质和 改变滤液的性质，以利于提取和精制后继各工序的顺利 进行。
不影响目的产物，可消除发酵液中某些杂 质对过滤的影响，提高过滤速率。
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（三）凝聚与絮凝
凝聚和絮凝技术能有效地改变细胞、菌体和蛋白质等胶 体粒子的分散状态，使聚集起来，增大体积，以便于过滤， 常用于菌体细小而且粘度大的发酵液的预处理中。
通常发酵液中细胞或菌体带有负电荷，由于静电引力的 作用使溶液中带相反电荷的粒子（即正离子）被吸附在其周 围，在界面上形成了双电层。但是这些正离子还受到使它们 均匀分布开去的热运动的影响，具有离开胶粒表面的趋势， 在这两种相反作用的影响下，双电层就分裂成两部分。
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1、凝 聚
凝聚：指在电解质作用下，由于胶粒之间双电层电排
斥作用降低，电位下降，而使胶体体系不稳 定的现象。 凝聚值：使胶粒发生凝聚作用的最小电解质浓度。
反离子的价数越高，该值就越小，即凝聚能 力越强。
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阳离子对带负电荷的胶粒凝聚能力的次序
Al3+ >Fe3+ >H+ >Ca2+ >Mg2+ >K+ >Na+ >Li+ 常用的凝聚剂电解质有：
当胶粒在溶液中作相对运动时，总有一薄层液体随 着它一起滑移，这一薄层，厚度比吸附层稍大，滑移 面（剪切面）在图14－l中用波纹线表示。
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这三种电位中只有ζ电位能实际测得，所以可以认为是 控制胶粒间电排斥作用的电位，用来表征双电层的特征。
ζ＝4πqδ/D D—水的介电常数； q—胶体的电动电荷密度，即滑移面上的电荷密度； δ—扩散层的有效厚度，即为吸附层和扩散层界面处
细胞、细胞碎片及某些胶体物质等在某个pH值下 也可能趋于絮凝而成为较大颗粒，有利于过滤的进行。
主要有等电点沉淀法
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3. 凝聚与絮凝
采用凝聚和絮凝技术能有效改变细胞、细胞碎 片及溶解大分子物质的分散状态，使其聚结成较 大的颗粒，便于提高过滤速率。另外，还能有效地除 去杂蛋白和固体杂质，提高滤液质量。
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4. 加入助滤剂
助滤剂是一种不可压缩的多孔微粒，它能使滤饼疏 松，滤速增大。悬浮液中大量的细微胶体粒子被吸附到 助滤剂的表面上，改变了滤饼结构，降低了过滤阻力。
常用的助滤剂 硅藻土、纤维素、石棉粉、白土、炭粒、淀粉等。
最常用的是硅藻土，使用时，通常细粒用量为500 g/m3； 中等粒度用量为700 g/m3；粗粒用量为700-1000 g/m3。
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方法选择
对于胞外产物，经预处理应尽可能使目的产物 转移到液相，然后经固液分离除去固相；
对于胞内产物，则应首先收集菌体或细胞， 经细胞破碎后，目的产物进入液相，随后再将细胞
碎片分离。
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一 、发酵液过滤特性的改变
（一）微生物发酵液的特性
①发酵产物浓度较低，大多为1％一10％，悬浮液 中大部分是水；
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在相距胶核表面约一个离子半径的Stern平面以内， 正离子被紧密束缚在胶核表面，称为吸附层或紧密层；
在stern平面以外，剩余的正离子则在溶液中扩散开 去，距离越远，浓度越小，最后达到主体溶液的平均浓 度，称为扩散层。这样就形成了扩散双电层的结构模型， 如图所示。
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扩散双电层的结构模型图
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