Caldo de fermentación: un complejo sistema multifásico

El caldo de fermentación es un sistema multifásico complejo. La Composición del caldo de fermentación después de la fermentación microbiana suele ser compleja, la mayor parte del cual es agua, seguida de fragmentos microbianos o animales y vegetales y una pequeña cantidad de medio de cultivo no utilizado. Además, hay una cierta cantidad de metabolitos. La presencia de estas sustancias puede afectar el efecto de filtración.

1. características principales del caldo de fermentación:

Comprender estas características del caldo de fermentación es de gran importancia para seleccionar los métodos y equipos de filtración apropiados y optimizar los procesos de filtración. En la operación real, se deben tomar las medidas correspondientes de acuerdo con circunstancias específicas para obtener productos objetivo de alta calidad. En términos generales, las características del caldo de fermentación se manifiestan principalmente en los siguientes aspectos:

(1) Composición compleja: el caldo de fermentación es un sistema multifásico que contiene dos fases, sólida y líquida. Entre ellos, los componentes sólidos incluyen bacterias y medio de cultivo sólido no utilizado, y los componentes líquidos incluyen una gran cantidad de agua y otras sustancias disueltas en agua. Además, el caldo de fermentación también puede contener otras sustancias tales como materia en suspensión, partículas, proteínas, iones metálicos, etc.

(2) Baja concentración del producto objetivo: la concentración del producto objetivo en el caldo de fermentación suele ser baja, en su mayoría de 1% 10%, lo que también es una característica importante de la filtración del caldo de fermentación. Dado que la concentración del producto Diana es baja, otras impurezas y sustancias que interfieren necesitan eliminarse tanto como sea posible durante el proceso de filtración para obtener un producto diana de alta pureza.

(3) Contiene una gran cantidad de agua: el caldo de fermentación generalmente contiene una gran cantidad de agua, lo que se debe a que se requiere una gran cantidad de agua durante el crecimiento y el metabolismo de los microorganismos. Por lo tanto, es necesario eliminar una gran cantidad de agua durante el proceso de filtración para obtener una alta concentración del producto objetivo.

(4) Puede contener partículas de diferentes tamaños y formas: El caldo de fermentación puede contener partículas de diferentes tamaños y formas, que pueden ser causadas por lisis bacteriana, descomposición del medio de cultivo sólido, etc. Estas partículas pueden afectar el efecto de filtración, por lo que deben tratarse o eliminarse.

(5) Contiene sustancias biológicamente activas: el caldo de fermentación contiene muchas sustancias biológicamente activas, como enzimas, citocinas, etc. Estas sustancias pueden afectar el medio filtrante, por lo que se debe prestar atención a la selección y tratamiento del medio filtrante durante el proceso de filtración.

2. Métodos de pretratamiento de caldo de fermentación:

2,1. Reducir la viscosidad líquida

La reducción de la viscosidad líquida se puede lograr calentando y diluyendo con agua. El método de calentamiento es reducir la viscosidad del caldo de fermentación calentándolo. El aumento de la temperatura del caldo de fermentación puede reducir eficazmente la viscosidad del líquido, y la proteína también se coagulará para formar grandes partículas de coagulantes, y las características de filtración del caldo de fermentación se han mejorado aún más. Sin embargo, la temperatura y el tiempo de calentamiento deben controlarse estrictamente para evitar afectar la actividad del producto objetivo y la autólisis celular. El Método de adición de agua es reducir la viscosidad del caldo de fermentación agregando agua para diluirlo. Este método puede reducir la viscosidad del caldo de fermentación hasta cierto punto, pero al mismo tiempo aumentará el volumen del caldo de fermentación y reducirá la concentración del producto objetivo, que debe sopesarse según la situación real.

2,2. Ajuste del valor de pH

Las características de filtración se pueden mejorar ajustando el valor de pH. Las sustancias anfifílicas como los aminoácidos y las proteínas se pueden precipitar y eliminar en el punto isoeléctrico. Al cambiar el grado de ionización y las propiedades de carga de la sustancia, la solubilidad de sustancias como las paredes celulares microbianas y las proteínas se ve afectada, optimizando así las características de filtración. Durante la filtración de membrana, ajustar el valor de pH puede cambiar las propiedades de carga de las moléculas fácilmente adsorbidas y reducir la obstrucción y la contaminación de la membrana. En el valor de pH apropiado, las células, los fragmentos de células y ciertas sustancias coloidales tenderán a flocularse y formar partículas más grandes, lo que conduce a la operación de filtración.

2,3. Adición de reactivos

La adición de reactivos y ciertas sales solubles al caldo de fermentación no afecta al producto objetivo y puede reaccionar con impurezas para formar precipitados insolubles, que puede eliminar la influencia de ciertas impurezas en el caldo de fermentación en la filtración y mejorar la tasa de filtración.Como CaSO4, AlPO4, etc. El precipitado generado puede evitar que el micelio se pegue, haciendo que el micelio tenga una estructura de bloque. El precipitado también se puede usar como auxiliar de filtro y puede solidificar coloides y materia suspendida para mejorar el rendimiento de filtración. En los productos de fermentación con polisacáridos como fuentes de carbono, el caldo de fermentación contiene polisacáridos insolubles, que se convierten en Monosacáridos por las enzimas para aumentar la velocidad de filtración.

2,4. Adición de ayudas de filtro

La materia suspendida, como las células bacterianas y las proteínas coaguladas en el caldo de fermentación, a menudo es pequeña y fácil de deformar. La filtración directa puede causar fácilmente que los agujeros del filtro de los medios de filtro, como la tela del filtro, se bloqueen, lo que provoca dificultades de filtración. Con el fin de mejorar la velocidad del caldo de fermentación, se suelen añadir filtrantes durante el pretratamiento del caldo de fermentación. Las ayudas al filtro son partículas porosas incompresibles que pueden aflojar la torta del filtro y aumentar la tasa de filtración. Un gran número de partículas coloidales finas en la suspensión se adsorben sobre la superficie de la ayuda de filtro, cambiando la estructura de la torta de filtro. Se reduce la resistencia a la filtración. Las ayudas de filtro comúnmente utilizadas incluyen minerales no metálicos como tierra de diatomeas, polvo de perlita, carbón activado, arena de cuarzo, polvo de amianto y arcilla. Y materia orgánica como el almidón de celulosa (como el aserrín, el núcleo de la caña de azúcar). Las ayudas de filtro mineral tienen buenos efectos de filtrado. Pero afectan la utilización integral de los pasteles de filtro. Por ejemplo, el contenido de proteína se reduce después de la adición de ayudas de filtro mineral a la torta de filtro bacteriano. Por lo general, hay tres formas de usar ayudas de filtro: una es prerecubrir la ayuda de filtro en la superficie del medio de filtro, la otra es agregarla directamente al líquido de fermentación, o ambos métodos pueden ser utilizados al mismo tiempo. Al seleccionar y usar ayudas de filtro, el tipo, el tamaño de partícula y la cantidad de adición de la ayuda de filtro deben seleccionarse de acuerdo con el producto objetivo, el medio de filtro y las condiciones de filtración.

2,5. Coagulación y floculación

El uso de la tecnología de la coagulación y de la floculación puede cambiar con eficacia el estado de la dispersión de las células, de los fragmentos celulares y de las macromoléculas disueltas, destruye su estabilidad, y hacerlos agregar en partículas separables más grandes para aumentar la tasa de filtración y facilitar la separación; al mismo tiempo, También puede eliminar eficazmente las impurezas como las proteínas y las impurezas sólidas y mejorar la calidad del filtrado. La floculación se refiere al proceso de formación de flóculos gruesos de partículas coloides basadas en puentes en presencia de ciertos floculantes poliméricos. Es un proceso basado en la agregación física. El floculante es un polímero soluble en agua con un peso molecular relativo de decenas de miles a diez millones. Tiene una estructura de cadena larga y contiene muchos grupos funcionales activos en sus eslabones de cadena. Se adsorbe fuertemente en la superficie de las partículas coloides a través de la atracción electrostática, la fuerza de van der Waals o el enlace de hidrógeno. La coagulación se refiere al fenómeno de que el sistema coloidal se vuelve inestable debido a la reducción del potencial de repulsión de doble capa bajo la acción de la sal neutra. Cuando se añade un cierto electrolito a la suspensión coloidal, el potencial disminuye debido a la reducción de la repulsión eléctrica de doble capa entre las partículas coloidales bajo la acción de los iones heterocargados del electrolito, haciendo que el sistema coloidal sea inestable (desestabilizado). Las partículas coloidales chocan entre sí y se agregan en agregados de un tamaño de 1mm.

Los factores que afectan el efecto de Floculación son los siguientes:

(1) Tipo y dosificación de Floculante: el tipo y la dosificación de floculante afectará el efecto de floculación. Los diferentes tipos de floculantes tienen diferentes mecanismos de acción y alcance de aplicación. Es necesario seleccionar el tipo apropiado de floculante según la situación real. Al mismo tiempo, la dosis de floculante también afectará el efecto de floculación. Demasiado poco o demasiado floculante tendrá un efecto adverso sobre el efecto de floculación.

(2) Tiempo de reacción y temperatura: el tiempo de reacción y la temperatura del floculante y el líquido de fermentación también afectarán el efecto de floculación. En términos generales, la reacción de floculación tarda una cierta cantidad de tiempo en completarse. Un tiempo de reacción demasiado corto puede dar como resultado una floculación insuficiente. Al mismo tiempo, la temperatura afectará la actividad y la velocidad de reacción del floculante. Una temperatura demasiado alta o demasiado baja no es propicia para el efecto de floculación.

(3) Características y composición del caldo de fermentación: Las características y la composición del caldo de fermentación también afectarán el efecto de floculación. El pHValor, la fuerza iónica, el tamaño y la forma de las partículas suspendidas en el caldo de fermentación afectarán el efecto de floculación. Además, las sustancias macromoleculares como las proteínas y los polisacáridos presentes en el caldo de fermentación también pueden afectar el efecto de floculación.

(4) Condiciones mecánicas de agitación y filtración: Las condiciones mecánicas de agitación y filtración también son factores importantes que afectan el efecto de floculación. La agitación mecánica adecuada puede promover la dispersión y adsorción de floculantes en el caldo de fermentación y mejorar el efecto de floculación. Las condiciones de filtración afectarán la separación y recolección de los productos de floculación, y las condiciones de filtración inapropiadas pueden conducir a un efecto de floculación deficiente. En resumen, no importa si el producto que necesitamos es intracelular o extracelular, primero debemos pretratar el caldo de fermentación y separar el sólido y el líquido antes de proceder con las operaciones posteriores. Los métodos anteriores tienen sus propias características, y generalmente se utilizan varios métodos en combinación para mejorar la eficiencia del pretratamiento de caldo de fermentación.