发酵液预处理解析

第三章发酵液预处理

从微生物发液中提取发酵产品的第一步骤就是预处理，其目的的不仅在于分离菌体和其他悬浮液的性质，以利

用于提取和精制后断各工序的顺利进行。各种发酵产品，由于菌种不同和发酵液特性不同，其预处理方法的选择

也有所不同。大多数发酵产物存在于发酵液中，也有少

数产物存在于菌体中，或发酵液和菌体中都有含有。

–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。

第一节发酵液过滤特性改变

微生物发酵液的特性可归纳为：

❖发酵产物浓度较低，大多为1%～10%，悬浮液中大部分是水；

❖悬浮物颗粒小，相对密度与液相相差不大：

❖固体粒子可压缩性大；

❖液相粘度大，大多为非牛顿型流体；

❖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。

一、降低液体粘度

降低液体粘度的常用方法有加水稀释法和加热法等。

采用加水稀释虽然降低液体粘度，但会增加悬浮液的体积，加大后继过程的处理任务。若加水一倍，则稀释后液体的粘度必须下降50%以上才能有效提高过滤速率。

升高温度可有效降低液体粘度，提高过滤速率，如

12ºBe 麦芽汁40℃时粘度为1.2×10-3Pa·s，升高到75℃其粘度可下降一半，过滤速率可加倍。同时，在适当温度和受热时间可使蛋白质凝聚，形成较大颗粒的凝聚物，进一步改善了发酵液的过滤特性。如链霉素发酵液，调酸至pH3.0后。加热至70℃，维持半小时，液相粘度下降至1/6，过滤速率可增大10~100倍。使用加热时必须严格控制加热温度与时间。

二、调整pH

⏹pH值直接影响发酵液中某些物质有电离度和电荷性质，适当调节pH值可

改善其过滤特性。

⏹对于氨基酸、蛋白质等两性物质，在酸性条件下带正电荷，在碱性条件下

带负电荷，而在某一pH值下，净电荷为零，称为等电点下，两性物质的溶解度最小，此即为等电点沉淀法提取谷氨酸。

⏹对于蛋白质，由于羧基的电离度比氨基大，故蛋白质的酸性性质通常强于

碱性，因而大多数蛋白质的等电点都在酸性范围内（pH4.0~5.5）。利用酸性来调节发酵液pH值使之达到等电点，可除去蛋白质等酸性两性物质。⏹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，即可减少堵和污染。此外，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，有利用过滤的进行。

三、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，使其聚结合成较大的颗粒，便于提高过滤速率。除

此之外，还能有效地除去蛋白质和固体杂质，提高滤液质量。因此。

凝聚和絮凝是目前工业上最常用的预处理方法之一。

凝聚与絮凝的概念，过去常常混淆，现在趋于明确区分开来。凝聚是提在电解质作用下，由于胶粒之间双层电排斥作用降低，电位

下降，而使胶体体系不稳定的现象。絮凝则是提在某些高分子絮凝

剂存在下，基于桥架作用，使胶粒形成较大絮凝因的过程。

1 凝聚

⏹凝聚作用：是向胶体悬浮液中加入某种电解质，在电解中异

电离子作用，胶粒的双层电位降低，使胶体体系不稳定，胶体粒子间相互碰撞而产生凝集的现象。

⏹双电层的形成------发酵液过滤难易程度。

⏹电解质的凝聚能力。阳离子对带负电荷的发酵液胶体粒子凝

聚能力的次充为：

Al3+>Fe3+>H+>Ca2+>Mg2+>K+>Na+>Li+。

2 絮凝

⏹凝聚法形成的凝聚体----颗粒比较细小

⏹絮凝法可形成粗大的絮凝体，使发酵液较易分离。

⏹絮凝剂及其作用：絮凝剂是一种能溶于水的高分子聚合物，

其相对分子质量可高达数万至一千万以上，它们具有长链状结构，其链节上含有许多活性官能团，包括带电荷的阴

）基团以及不带电荷离子（如-COOH）或阳离子（如-NH

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的非离子型基团。它们通过静电引力、范德华引力或氢键的作用，强烈地吸收在胶粒表面。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，产生桥架联接时，就形成了较大的絮团，这就是絮凝作用。

工业上使用的絮凝剂又可分为如下三类：（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。

絮凝效果与絮凝剂的加量、相对分子质量和类型、溶液

的pH、搅拌转速和时间等因素有关。同时，在絮凝过程中，常需加入一定的助凝剂可以增加絮凝效果。溶液pH

值和变化从而影响吸附作用的强弱。絮凝剂和最适添加量往往需通过试验确定，虽然较多的絮凝剂有助于增加桥架的数量，但过多的添加量反而会引起吸附饱和，絮凝剂争夺胶粒而使凝团的粒径变小，絮凝效果下降。如图3-1所

示为a-淀粉酶发酵液中，絮凝剂添加量对絮液滤速的影响。从图3-1中可看出，絮凝剂的最适添加量为70mg/L。

3. 混凝

对于带负电荷的菌体或蛋白质来说，采用阳离子型高分子絮凝剂同时具有降低胶粒双电层电位和产生吸附桥架的双重机量，所以可以单独使用。对于非离子型和阴离子型高分子絮凝剂，则主要通过分子间引力和氢键作用产生吸附桥架，所以它们常与无机电解质凝聚剂搭配使用。首先加入电解质，使悬浮粒子间的双电层电位降低、脱稳，凝聚成微粒，然后再加入絮凝剂成较在的颗粒。无机电解质的凝聚作用为高分子絮凝剂的架桥创造了良好的条件，从而大大提高了絮凝剂和效果。这种包括凝聚和絮凝机理的过程，称为混凝。