发酵液的预处理和固液分离方法

14发酵液的预处理和固液分离方法从微生物发酵液或细胞培养液中提取生化物质的第一个必要步骤就是预处理和固液分离。14.1发酵液的预处理从悬浮液中分离固形物的速度，取决于该液体的物理性质、常采用预处理的办法改变其物理性质而促其分离。细菌及某些放线菌菌体细小，发酵液粘度大，不能直接过滤。由于菌体自溶，核酸、蛋白质及其它有机粘性物质的存在会造成滤液浑浊，滤速极慢。因此，在预处理中应采用絮凝或凝聚的方法，设法增大悬浮液中固体粒子的大小，提高其沉降速度，或采用稀释、加热等方法降低粘度，以利于过滤。发酵液中杂质很多，其中对提炼影响最大的是高价无机离子（Ca＋＋、Mg十＋、Fe＋＋）和杂蛋白质等。

高价无机离子的存在，会影响树脂对生化物质的交换容量。杂蛋白质的存在，不仅在采用离子交换法和大网格树脂吸附法提炼时会降低其吸附能力，而且在采用有机溶剂或两水相萃取时，容易产生乳化，使两相分离不清，在预处理时，应尽量除去这些物质。14.1高价无机离子的去除方法为去除钙离子，宜加入草酸,可用其可溶性盐，如草酸钠。反应生成的草酸钙还能促使蛋白质凝固，提高滤液（也称为原液）质量。但草酸价格较贵，加入硫酸铅，在60℃下反应生成草酸铅。后者在90－95℃下用硫酸分解，经过滤、冷却、结晶后可以回收草酸。草酸镁的溶解度较大。故加入草酸不能除尽镁离子。要除去镁离子，可以加入三聚磷酸钠，它和镁离子形成可溶性络合物：Na5P3O10＋Mg＋＋＝MgNaNa3P3O10＋2Na十用磷酸盐处理，也能大大降低钙离子和镁离子的浓度。要除去铁离子，可加入黄血盐，使形成普鲁士蓝沉淀。14.l.2杂蛋白质的去除方法蛋白质一般以胶体状态存在于发酵液中。胶体粒子的稳定性和其所带电荷有关。蛋白质在某一pH下，净电荷为零，溶解度最小，称为等电点。因为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，因而很多蛋白质的等电点都在酸性范围内（pH4.0－5.5）。但单靠调节pH至等电点的办法不能将大部分蛋白质除去。在酸性溶液中，蛋白质能与一些阴离子如三氯乙酸盐、水杨酸盐、钨酸盐、苦味酸盐、鞣酸盐、过氯酸盐等形成沉淀；在碱性溶液中，能与一些阳离子，如Ag十，Cu＋＋，Zn十十，Fe＋＋和Pb＋＋等形成沉淀。变性蛋白质溶解度较小。最常用的使蛋白质变性的方法是加热。加热还能使液体粘度降低，加快过滤速度。该法只适用于对热较稳定的生化物质。使蛋白质变性的其它办法还有：大幅度改变pH，加酒精、丙酮等有机溶剂或表面活性剂等。在抗生素生产中，常将发酵液pH调至偏酸性范围（pH2－3）或较碱性范围（pH8一9）使蛋白质凝固，一般以酸性下除去的蛋白质较多。加有机溶剂使蛋白质变性的方法通常只适用于所处理的液体数量较少的场合。此外，还可以利用吸附作用除去蛋白质。例如，四环类抗生素生产中，采用黄血盐和硫酸锌的协同作用生成亚铁氰化锌钾K2Zn3〔Fe（CN）5〕2的胶状沉淀来吸附蛋白质。在枯草杆菌发酵液中，常加入氯化钙和磷酸氢二钠，这两者本身生成庞大的凝胶，把蛋白质、菌体及其它不溶性粒子吸附并包裹在其中而除去，从而加快了过滤速度。14.l.3凝聚和絮凝技术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。凝聚和絮凝的概念凝聚是在中性盐作用下，由于双电层排斥电位的降低，而使胶体体系不稳定的现象。

絮凝是指在某些高分子絮凝剂存在下，基于架桥作用，使胶粒形成粗大的絮凝团的过程，是一种以物理的集合为主的过程。发酵液中的细胞、菌体或蛋白质等胶体粒子的表面，一般都带有电荷，主要是吸附溶液中的离子或自身基团的电离。

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，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14－1所示。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。

这三种电位中只有ζ电位能实际测得，所以可以认为它是控制胶粒间电排斥作用的电位，用来表征双电层的特征，并作为研究凝聚机理的重要参数。胶粒能保持分散状态的原因主要是带有相同电荷和扩散双电层的结构，一旦由于布朗（Brown）运动使粒子间距离缩小到它们的扩散层部分重叠时，即产生使两个粒子分开：从而阻止了粒子的聚集。ζ电位越大，电排斥作用就越强，胶粒的分散程度也越大，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，也能阻碍胶粒间的直接聚集。但是，水化膜主要是伴随胶粒带电而引起的，一旦ζ电位降低或消除，水化层也会随之减弱或消失。根据静电学基本定理，可导出ζ电位的基本公式为：ζ＝4πqδ/D其中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电位φd降低到其值为1/e处的距离，可知，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。由此可见，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。常用的凝聚剂电解质有：Al2（SO4）3·18H2O（明矾）；AlC13·6H2O；FeC13；ZnSO4；MgCO3等。有机高分子聚合物絮凝剂，它们具有长链线状的结构，是一种水溶性的聚合物，分子量可高达数万至一千万以上，在长的链节上含有相当多的活性功能团，可以带有多价电荷（如阴离子或阳离子），也可以不带电性（如非离子型）。它们通过静电引力、范德华分子引力或氢键的作用，强烈地吸附在胶粒的表面，一个高分子聚合物的许多链节分别吸附在不同颗粒的表面上，产生了架桥联接，生成粗大的絮团，这就是架凝作用。如果胶粒相互间的排斥电位不太高，只要高分子聚合物的链节足够长，跨越的距离超过颗粒间的有效排斥距离，也能把多个胶粒拉在一起，导致架桥絮凝。目前最常见的高分子聚合物絮凝剂是有机合成的聚丙烯酰胺类衍生物。根据活性基团在水中解离情况不同，可分为非离子型、阴离子型（含有羧基）和阳离子型（含有胺基）三类。聚丙烯酰胺类絮凝剂具有用量少，絮凝体粗大，分离效果好，絮凝速度快以及种类多等优点，所以适用范围广。它们的主要缺点是存在一定的毒性，特别是阳离子型聚丙烯酰胺，要考虑这些物质最终能否从产品中去除。近年来还发展了聚丙烯酸类阴离子絮凝剂，它们无毒，可用于食品和医药工业中。另外，还有聚苯乙烯类衍生物及无机高分子聚合物絮凝剂，如聚合铝盐和聚合铁盐等。除此以外，也可采用天然有机高分子絮凝剂。如多聚糖类胶粘物，海藻酸钠，明胶、骨胶、壳多糖和脱乙酰壳多糖等。对于带负电性菌体或蛋白质来说，阳离子型高分子絮凝剂同时具有降低粒子排斥电位和产生吸附架桥的双重机理，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架桥，它们常与无机电解质凝聚剂搭配使用。首先加入无机电解质，使悬浮粒子间的相互排斥能降低，脱稳而凝聚成微粒，然后，再加入絮凝剂。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，提高了絮凝效果。这种包括凝聚和絮凝机理的过程，常称为混凝。

絮凝剂浓度增加有助于架桥充分，但是，过多的加量反而会引起吸附饱和，在每个胶粒上形成覆盖层而使胶粒产生再次稳定现象见图（14－2）。适宜的加量通常由实验得出。虽然高分子絮凝剂分子量提高，链增长，可使架桥效果明显，但是，分子量不能超过一定的限度，因为随分子量提高，高分子絮凝剂的水溶性降低。溶液PH的变化常会影响离子型絮凝剂中功能团的电离度，从而影响分子链的伸展形态。电离度增大，由于链节上相邻离子基团间的电排斥作用，而使分子链从卷曲状态变为伸展状态，所以架桥能力提高。14.2发酵液的过滤微生物发酵液中含有大量菌体、细胞或细胞碎片以及残余的固体培养基成分。过滤就是将悬浮在发酵液中的固体颗粒与液体进行分离的过程。14.2.4发酵液的过滤特性和滤饼的重量比阻微生物的发酵液大多数属于非牛顿型液体，滤渣为可压缩性的。衡量过滤特性的主要指标是滤饼的重量比阻rB，它表示单位滤饼厚度的阻力系数，与滤饼的结构特性有关。对于不可压缩性滤饼，比阻值为常数，但对于可压缩性滤饼，比阻rB是操作压力差的函数，一般可用下式表示：rB＝r（△p）m式中r—不可压缩滤渣的比阻，对于一定的料液，其值为常数；m—压缩性指数，一般取0.5－0.8，对不可压缩性滤饼，m为0；可见，滤饼的比阻值是随操作压力差的提高而增大的。因此，开始过滤时应注意不能很快提高压差，通常靠液柱的自然压差进料，并应缓慢地，逐步地升高压力，一般在相当长的时间内，压力差不要超过0.05MPa，最后的压差也不超过0.3－0.4MPa。

如果操作压力控制过高，由于比阻值的急剧增加，会使过滤速度很快下降，以至达到不能继续过滤的程度。恒压下，可压缩性滤饼的比阻值应为常数。如过滤介质的阻力相对较小可以忽略不计，则恒压下的过滤方程式如下：q2＝2△pτ/μrBXB式中q--到瞬间τ，通过单位过滤面积的滤液量，m；△p—压力差，Pa；μ—滤液粘度，Pa．s；

rB—滤饼的重量比阻，m／kg；XB—通过单位体积滤液，所形成的滤渣重量（干重），kg／m3；τ—过滤时间，s。14.2.2影响过滤速度的因素过滤速度和菌种、发酵条件（培养基的组成，未用完培养基的数量，消沫油，发酵周期）等有关。菌种对过滤速度影响很大。一般，真菌的菌丝比较粗大，发酵液容易过滤，常不需特殊处理。其滤渣呈紧密饼状物，很容易从滤布上刮下来，故可采用鼓式真空过滤机过滤。放线菌发酵液菌丝细而分枝，交织成网络状。还含有很多多糖类物质，粘性强，过滤较困难，一般需经预处理，以凝固蛋白质等胶体。细菌发酵液的菌体更细小，因此，过滤十分困难，如不用絮凝等方法预处理发酵液，往往难以采用常规过滤的设备来完成过滤操作。培养基的组成对过滤速度影响也很大。用黄豆粉、花生粉作氮源、淀粉作碳源会使过滤困难。此外，发酵后期加消沫油或剩余大量未用完的培养基，都会使过滤困难。正确选择发酵终了时间对过滤影响很大。在菌丝自溶前必须放罐，因为细胞自溶后的分解产物一般很难过滤。有时延长发酵