Caldo de fermentação: um sistema multifásico complexo

O caldo de fermentação é um sistema multifásico complexo. A composição do caldo de fermentação após a fermentação microbiana é geralmente complexa, a maior parte da qual é água, seguida por fragmentos microbianos ou animais e vegetais e uma pequena quantidade de meio de cultura não utilizado. Além disso, há uma certa quantidade de metabólitos. A presença dessas substâncias pode afetar o efeito de filtração.

1. principais características do caldo de fermentação:

Compreender essas características do caldo de fermentação é de grande importância para selecionar métodos e equipamentos de filtração apropriados e otimizar os processos de filtração. Na operação real, as medidas correspondentes precisam ser tomadas de acordo com circunstâncias específicas para obter produtos-alvo de alta qualidade. De um modo geral, as características do caldo de fermentação são manifestadas principalmente nos seguintes aspectos:

(1) Composição complexa: O caldo de fermentação é um sistema multifásico contendo duas fases, sólido e líquido. Entre eles, os componentes sólidos incluem bactérias e meio de cultura sólido não utilizado, e os componentes líquidos incluem uma grande quantidade de água e outras substâncias dissolvidas em água. Além disso, o caldo de fermentação também pode conter outras substâncias, como matéria em suspensão, partículas, proteínas, íons metálicos, etc.

(2) Baixa concentração do produto alvo: A concentração do produto alvo no caldo de fermentação é geralmente baixa, principalmente 1%-10%, o que também é uma característica importante da filtração do caldo de fermentação. Uma vez que a concentração do produto alvo é baixa, outras impurezas e substâncias interferentes precisam ser removidas tanto quanto possível durante o processo de filtração para obter um produto alvo de alta pureza.

(3) Contém uma grande quantidade de água: O caldo de fermentação geralmente contém uma grande quantidade de água, o que é porque uma grande quantidade de água é necessária durante o crescimento e metabolismo dos microrganismos. Portanto, uma grande quantidade de água precisa ser removida durante o processo de filtração para obter uma alta concentração do produto alvo.

(4) Pode conter partículas de diferentes tamanhos e formas: O caldo de fermentação pode conter partículas de diferentes tamanhos e formas, que podem ser causadas por lise bacteriana, decomposição do meio de cultura sólida, etc. Essas partículas podem afetar o efeito de filtração, portanto, precisam ser tratadas ou removidas.

(5) Contém substâncias biologicamente ativas: O caldo de fermentação contém muitas substâncias biologicamente ativas, como enzimas, citocinas, etc. Essas substâncias podem afetar o meio filtrante, portanto, deve-se prestar atenção à seleção e ao tratamento do meio filtrante durante o processo de filtração.

2. métodos de pré-tratamento de caldo de fermentação:

2.1. Reduzir a viscosidade líquida

A redução da viscosidade do líquido pode ser alcançada aquecendo e diluindo com água. O método de aquecimento é reduzir a viscosidade do caldo de fermentação aquecendo-o. Aumentar a temperatura do caldo de fermentação pode efetivamente reduzir a viscosidade do líquido, e a proteína também coagula para formar grandes partículas de coagulantes, e as características de filtração do caldo de fermentação foram ainda melhoradas. No entanto, a temperatura e o tempo de aquecimento precisam ser estritamente controlados para evitar afetar a atividade do produto alvo e a autólise celular. O método de adição de água é reduzir a viscosidade do caldo de fermentação adicionando água para diluí-lo. Este método pode reduzir a viscosidade do caldo de fermentação até certo ponto, mas ao mesmo tempo aumentará o volume do caldo de fermentação e reduzirá a concentração do produto alvo, que precisa ser pesado de acordo com a situação real.

2.2. Ajustando o valor do pH

As características de filtração podem ser melhoradas ajustando o valor de pH. Substâncias anfifílicas, como aminoácidos e proteínas, podem ser precipitadas e removidas no ponto isoelétrico. Ao alterar o grau de ionização e as propriedades de carga da substância, a solubilidade de substâncias como paredes celulares microbianas e proteínas é afetada, otimizando assim as características de filtração. Durante a filtração da membrana, ajustar o valor do pH pode alterar as propriedades de carga de moléculas facilmente adsorvidas e reduzir o entupimento e a contaminação da membrana. No valor de pH apropriado, células, fragmentos de células e certas substâncias coloidais tenderão a flocular e formar partículas maiores, o que é propício para a operação de filtração.

2.3. Adicionando reagentes

A adição de reagentes e certos sais solúveis ao caldo de fermentação não afeta o produto alvo e pode reagir com impurezas para formar precipitados insolúveis, que pode eliminar a influência de certas impurezas no caldo de fermentação na filtração e melhorar a taxa de filtração.Como CaSO4, AlPO4, etc. O precipitado gerado pode impedir que o micélio grude, fazendo com que o micélio tenha uma estrutura de bloco. O precipitado também pode ser usado como um auxiliar de filtro e pode solidificar colóides e matéria suspensa para melhorar o desempenho da filtração. Nos produtos de fermentação com polissacarídeos como fontes de carbono, o caldo de fermentação contém polissacarídeos insolúveis, que são convertidos em monossacarídeos por enzimas para aumentar a taxa de filtração.

2.4. Adicionando auxiliares de filtro

A matéria suspensa, como células bacterianas e proteínas coaguladas no caldo de fermentação, costuma ser pequena e fácil de deformar. A filtragem direta pode facilmente fazer com que os orifícios do filtro de mídia, como o pano do filtro, sejam bloqueados, resultando em dificuldades de filtragem. A fim de melhorar a velocidade do caldo de fermentação, os auxiliares de filtro são geralmente adicionados durante o pré-tratamento do caldo de fermentação. Os auxiliares de filtro são partículas porosas incompressíveis que podem afrouxar o bolo de filtro e aumentar a taxa de filtração. Um grande número de partículas coloidais finas na suspensão são adsorvidas na superfície do auxiliar de filtro, mudando a estrutura do bolo de filtro. A resistência à filtração é reduzida. Os auxiliares de filtro comumente usados incluem minerais não metálicos, como terra diatomácea, pó de perlita, carvão ativado, areia de quartzo, pó de amianto e argila. E matéria orgânica como amido de celulose (como serragem, núcleo de cana-de-açúcar). Os auxiliares de filtro mineral têm bons efeitos de filtragem. Mas eles afetam a utilização abrangente de bolos de filtro. Por exemplo, o teor de proteína é reduzido após a adição de auxiliares de filtro minerais ao bolo de filtro bacteriano. Existem geralmente três maneiras de usar auxiliares de filtro: uma é pré-revestir o auxiliar de filtro na superfície do meio de filtro, a outra é adicioná-lo diretamente ao líquido de fermentação, ou ambos os métodos podem ser usados ao mesmo tempo. Ao selecionar e usar auxiliares de filtro, o tipo, tamanho de partícula e quantidade de adição do auxiliar de filtro devem ser selecionados de acordo com o produto alvo, meio de filtro e condições de filtração.

2.5. Coagulação e floculação

O uso da tecnologia de coagulação e floculação pode efetivamente alterar o estado de dispersão das células, fragmentos de células e macromoléculas dissolvidas, destruir sua estabilidade, e torná-los agregados em partículas separáveis maiores para aumentar a taxa de filtração e facilitar a separação; ao mesmo tempo, Também pode efetivamente remover impurezas, como proteínas e impurezas sólidas, e melhorar a qualidade do filtrado. Floculação refere-se ao processo de formação de floculados grosseiros de partículas colóides com base na ponte na presença de certos floculantes de polímero. É um processo baseado na agregação física. Floculante é um polímero solúvel em água com um peso molecular relativo de dezenas de milhares a dez milhões. Ele tem uma estrutura de cadeia longa e contém muitos grupos funcionais ativos em seus elos de cadeia. É fortemente adsorvido na superfície das partículas colóides por meio de atração eletrostática, força de van der Waals ou ligação de hidrogênio. A coagulação refere-se ao fenômeno de que o sistema coloidal se torna instável devido à redução do potencial de repulsão da camada dupla sob a ação do sal neutro. Quando um certo eletrólito é adicionado à suspensão coloidal, o potencial diminui devido à redução da repulsão elétrica de dupla camada entre as partículas coloidais sob a ação dos íons hetero-carregados do eletrólito, tornando o sistema coloidal instável (desestabilizado). As partículas coloidais colidem umas com as outras e se agregam em agregados de tamanho de 1mm.

Os fatores que afetam o efeito de floculação são os seguintes:

(1) Tipo e dosagem de floculante: O tipo e a dosagem do floculante afetarão o efeito de floculação. Diferentes tipos de floculantes têm diferentes mecanismos de ação e escopo de aplicação. É necessário selecionar o tipo apropriado de floculante de acordo com a situação real. Ao mesmo tempo, a dosagem de floculante também afetará o efeito de floculação. Muito pouco ou muito floculante terá um efeito adverso no efeito de floculação.

(2) Tempo de reação e temperatura: O tempo de reação e a temperatura do floculante e do líquido de fermentação também afetarão o efeito de floculação. De um modo geral, a reação de floculação leva um certo tempo para ser concluída. Um tempo de reação muito curto pode resultar em floculação insuficiente. Ao mesmo tempo, a temperatura afetará a atividade e a taxa de reação do floculante. Uma temperatura muito alta ou muito baixa não é propícia ao efeito de floculação.

(3) Características e composição do caldo de fermentação: As características e composição do caldo de fermentação também afetarão o efeito de floculação. O pHValor, força iônica, tamanho e forma das partículas suspensas no caldo de fermentação afetarão o efeito de floculação. Além disso, substâncias macromoleculares, como proteínas e polissacarídeos presentes no caldo de fermentação, também podem afetar o efeito de floculação.

(4) Condições mecânicas de agitação e filtração: As condições mecânicas de agitação e filtração também são fatores importantes que afetam o efeito de floculação. A agitação mecânica apropriada pode promover a dispersão e adsorção de floculantes no caldo de fermentação e melhorar o efeito de floculação. As condições de filtração afetarão a separação e coleta dos produtos de floculação, e condições inadequadas de filtração podem levar a um efeito de floculação pobre. Em suma, não importa se o produto de que precisamos é intracelular ou extracelular, devemos primeiro pré-tratar o caldo de fermentação e separar o sólido e o líquido antes de prosseguir com as operações subsequentes. Os métodos acima têm suas próprias características, e geralmente vários métodos são usados em combinação para melhorar a eficiência do pré-tratamento do caldo de fermentação.