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第二章 发酵液预处理和固液分离
第二章 发酵液的预处理和固液分离;;为何要对发酵液进行预处理?;预处理的目的;
残存培养基成分及副产物会对后续提取精制操作产生不利影响。
;2、发酵产物浓度低,悬浮液中大部分是水。;6、发酵液中含有色素、毒性物质、热源物质等,对产品的质量安全及卫生标准产生不利影响。; 这些特性使得发酵液的过滤相当困难,必须要对其进行适当预处理,改善其流体性能,降低滤饼比阻,才能提高过滤与分离效率。;1、菌体分离
2、固体悬浮物的去除
3、杂蛋白质去除
4、金属离子去除;5、色素、热原、毒性物质去除
6、改变发酵液性质,以利于后续提取精制等工序进行
7、调节适宜的温度和pH值。
; 第一节 发酵液过滤特性的改变;★一、改变发酵液过滤特性的物理化学方法; 降低液体的粘度可以有效提高过滤的速率。
;; 2)升温法
在适当升高温度的情况下,可使部分蛋白质凝聚,形成较大的凝聚物,进一步改善发酵液的过滤特性。
;; 加热时必须严格控制温度和时间:
A、加热温度不能影响目的产物的活性及其他性质。避免氧化、分解、变性等。
B、加热时间不能太长,否则会使细胞溶解,胞内物质大量外溢,增加发酵液的复杂性,影响目的产物的分离纯化。;2、调节pH;?
; pH值的调整需要注意:
注意保护目的物活性,一般不宜过酸或过碱,加酸或加碱时要慢慢地边加边搅拌,避免局部浓度过高,引起目的产物变性。
; 采用凝聚与絮凝技术能有效的改变细胞、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。
还能有效的除去杂蛋白质和固体杂质,提高滤液的质量,因此絮凝与凝聚是目前工业上最常用的预处理方法之一。
; ★凝聚和絮凝的概念
凝聚和絮凝的概念,过去常常混淆,现已趋于明确区分。
;★凝聚(Coagulation)
是指在电解质作用下,由于胶粒之间扩散双电层电位下降,电排斥作用降低,破坏胶体体系的分散状态,使之不稳定相互凝集成1mm左右块状凝聚体的现象。
;★絮凝
指在某些高分子絮凝剂的作用下,基于架桥作用,使胶粒交联成团、形成10mm大小的较大絮凝团的过程。; 发酵液中的细胞,菌体或蛋白质等胶体粒子表面,一般都带有电荷,带电的原因有很多,主要是吸附溶液中的离子和自身基团的电荷。
在生理pH之下,发酵液中的菌体和蛋白质常常带有负电荷。; 由于静电引力的作用,使溶液中带相反电荷的阳离子被吸附在其周围,在界面上形成双电层。; 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,在这两种相反的力的影响下,双电层就分裂成两部分,在距胶粒表面约一个离子半径的平面(Stern平面)以内,正离子被紧紧束缚在胶核表面,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。这样就形成了双电层的结构模型。
;胶体双电层结构;; 宏观上而言,当胶粒在溶液中作相对运动时,总有一薄层液体,随着它一起滑动,这一薄层厚度比吸附层稍大,滑动面用波纹线表示。
; 在上述的结构中,在不同的界面上就会形成不同的电位:
Фs是胶粒表面上的电位,是整个双电层的电位;
Фd是Stern平面上的电位;
ξ是滑动面上的电位,称为ξ电位或电动电位。;; 此外,由于胶粒表面的水化作用,形成了包围于粒子周围的水化层,也能阻止胶粒间的直接凝聚。但是水化膜主要是伴随胶粒带电而引起的,一旦ξ电位降低或消除,水化层也会随着减弱或消失。; 之所以加入电解质会使得胶粒之间发生聚集,正是由于电解质的加入降低了胶粒的ξ电位,减弱了胶粒间的电排斥作用,并使水化膜降低或脱除,从而发生聚集。;D—水的介电常数
q----胶体的电荷密度,及滑动面上的电荷密度, 单位库伦/m2
δ----扩散层的有效厚度,m。即为吸附层和扩散层界面处电位Фd降低到其值为1/e处的距离,不能直接测定。;δ— 扩散层的有效厚度;; 由此可见,在发酵液中加入具有高价阳离子的电解质,由于ξ电位的降低和脱除胶粒表面水化膜,就导致了胶粒间的凝聚作用。; 凝聚价或凝聚值:
使胶粒发生凝聚作用的最小电解质浓度(mmoL/L),称为凝聚价或凝聚值。
;Schulze-Hardy法则(叔米-哈第):
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