摘要：本文敘述一種新的發(fā)酵液過(guò)濾技術(shù)。對(duì)放線菌與霉菌發(fā)酵液，采用 “精密微孔過(guò)濾”或采用“助濾 + 精密微孔過(guò)濾”；對(duì)細(xì)菌發(fā)酵液，采用“絮凝 + 助濾 + 精密微孔過(guò)濾”；對(duì)含少量蛋白質(zhì)的發(fā)酵濾液復(fù)濾，采用“助濾 + 精密微孔過(guò)濾”。這種過(guò)濾技術(shù)，不僅適宜發(fā)酵濾液除菌渣過(guò)濾，適宜發(fā)酵液去除殘留菌體與不溶性蛋白質(zhì)的復(fù)濾，也適宜于染菌罐批的過(guò)濾。絮凝方法選擇，助濾劑種類，投加量與助濾方法的選擇及微孔過(guò)濾機(jī)結(jié)構(gòu)的選擇，應(yīng)根據(jù)發(fā)酵液性能，處理量與處理要求而定，均需通過(guò)系統(tǒng)試驗(yàn)與嚴(yán)密計(jì)算。

關(guān)鍵詞：發(fā)酵液     濾液精密復(fù)濾     精密微孔過(guò)濾     助濾劑

 

發(fā)酵液的過(guò)濾與濾液的進(jìn)一步復(fù)濾是發(fā)酵產(chǎn)物提取工藝中一步很重要操作，它直接關(guān)系產(chǎn)品的質(zhì)量、收率、成本與勞動(dòng)生產(chǎn)率。目前國(guó)內(nèi)普遍采用手動(dòng)板框壓濾機(jī)，該設(shè)備操作簡(jiǎn)單，投資省，但是濾液質(zhì)量不高，濾布消耗量大，操作落后，少數(shù)廠采用帶式過(guò)濾機(jī)，連續(xù)過(guò)濾 , 生產(chǎn)能力大，但濾液質(zhì)量不高；還有一些發(fā)酵液，采用不過(guò)濾工藝，直接進(jìn)行離子交換，這方法往往影響產(chǎn)品質(zhì)量與收率，工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家普遍采用“帶微調(diào)刮刀的硅藻土預(yù)涂的真空轉(zhuǎn)鼓式過(guò)濾機(jī)”，因硅藻土的消耗與動(dòng)力消耗非常大，機(jī)械龐大，價(jià)格貴，國(guó)內(nèi)難以普遍推廣。研究開發(fā)出適宜國(guó)內(nèi)發(fā)酵企業(yè)能應(yīng)用，過(guò)濾效率高，操作較簡(jiǎn)單，投資費(fèi)與操作費(fèi)較低的新型發(fā)酵液過(guò)濾技術(shù)，一直是我們多年的努力目標(biāo)，經(jīng)過(guò)反復(fù)研究，開發(fā)出一種以精密微孔管為主的新的發(fā)酵液過(guò)濾方法。

1 、   發(fā)酵液過(guò)濾的特點(diǎn)：

發(fā)酵液是非牛頓型液體，成份復(fù)雜，除了代謝產(chǎn)物、菌絲體，還有培養(yǎng)基殘?jiān)?、消沫劑等，與其它物料相比，發(fā)酵液過(guò)濾有如下特點(diǎn)：

1.1  發(fā)酵液的過(guò)濾性能變化大。由于生物反應(yīng)與代謝過(guò)程復(fù)雜，同一條件下產(chǎn)生的發(fā)酵液，今天與明天的過(guò)濾性能都有很大的差異，即使同一罐放罐的發(fā)酵液，由于菌絲的自溶，其過(guò)濾性能也在變化。自溶愈多，過(guò)濾愈難。

1.2  發(fā)酵液過(guò)濾濾渣的粘性大：不僅渣與渣的粘性大，與過(guò)濾介質(zhì)的粘性也很大，這粘性不僅使過(guò)濾阻力增加，而且使濾渣從過(guò)濾介質(zhì)上脫離與過(guò)濾介質(zhì)的清洗非常困難。

1.3  發(fā)酵液中的膠狀物含量高，形成的濾渣的壓縮性較大，隨著過(guò)濾不斷進(jìn)行，濾渣不斷增厚，過(guò)濾阻力增加很快。

1.4  發(fā)酵液中的蛋白質(zhì)多，即使許多蛋白質(zhì)已從極細(xì)的膠體微粒絮凝成微膠團(tuán)，但膠團(tuán)往往不到 1 微米，這些膠團(tuán)在過(guò)濾過(guò)程中或者堵塞過(guò)濾介質(zhì)的毛細(xì)孔，或者易穿濾。

上述這些特點(diǎn)導(dǎo)致發(fā)酵液的過(guò)濾的過(guò)濾效率不高，過(guò)濾阻力大，排渣困難，過(guò)濾介質(zhì)易堵塞，過(guò)濾物料性能變化幅度大。

2 、   發(fā)酵液過(guò)濾與復(fù)濾的技術(shù)：

根據(jù)發(fā)酵液過(guò)濾的上述特性，為了提高發(fā)酵液過(guò)濾效率，提高濾液澄明度，提高過(guò)濾操作的勞動(dòng)生產(chǎn)率，減少過(guò)濾操作的勞動(dòng)強(qiáng)度，經(jīng)過(guò)對(duì)年研究，開發(fā)出如下的新過(guò)濾技術(shù)：

對(duì)霉菌與某些易濾放線菌發(fā)酵液，采用 “精密微孔過(guò)濾”

對(duì)某些難濾放線菌發(fā)酵液，采用 “助濾 + 精密微孔過(guò)濾”

對(duì)非常難濾的細(xì)菌發(fā)酵液，采用 “絮凝 + 助濾 + 精密微孔過(guò)濾”

1.1  助濾：選擇對(duì)發(fā)酵液中有效成份不吸附，在過(guò)濾壓差作用下，顆粒不變形，顆粒之間、顆粒與過(guò)濾介質(zhì)之間無(wú)粘附性的粉末作為助濾劑。硅藻土、α纖維素、珍珠巖粉及其它某些粉末可作為發(fā)酵液過(guò)濾的助濾劑。助濾方式有兩種：

1.1.1  表面預(yù)涂：過(guò)濾介質(zhì)的表面預(yù)涂一層 1~2mm 的助濾層，主要防止過(guò)濾介質(zhì)微孔不被蛋白質(zhì)等細(xì)小微粒堵塞，使粘性濾渣不直接粘附在過(guò)濾介質(zhì)表面，卸渣完全，過(guò)濾介質(zhì)清洗方便。

1.1.2  本體助濾：在過(guò)濾料液中加進(jìn)一定比例的助濾劑微粒，由于助濾劑是無(wú)壓縮性又有一定多孔性的顆粒，在發(fā)酵液的濾渣層中由助濾劑形成骨架，濾渣的壓縮性顯著減少，過(guò)濾阻力也減少，這樣可使難濾的發(fā)酵液與澄明度低的初濾液的復(fù)濾能維持相當(dāng)時(shí)間，如果沒有本體助濾，由于濾層壓縮性能很大，濾速下降很快，過(guò)濾過(guò)程就無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行。

1.2  絮凝：對(duì)于細(xì)菌發(fā)酵液，即使采用大量助濾劑作預(yù)涂與本體助濾，也難以進(jìn)行有效過(guò)濾，   因?yàn)榧?xì)菌發(fā)酵液中的菌體都是不超過(guò) 0.5 微米的微粒，不僅微粒小，而且壓縮性也大，在過(guò)濾過(guò)程中，在濾液的流速作用下，這些微粒還會(huì)在助濾劑堆積層孔隙中位移，最后大部分在過(guò)濾介質(zhì)表面被截留，形成一層比阻很大的濾渣層。這種濾渣層的存在使過(guò)濾速度極慢，過(guò)濾難以正常進(jìn)行。

對(duì)于這類發(fā)酵液，過(guò)濾之前應(yīng)進(jìn)行絮凝預(yù)處理，通過(guò)絮凝劑與菌絲體或其它膠體物質(zhì)之間的正負(fù)電荷吸引以及吸附等機(jī)理，絮凝劑可使這類發(fā)酵液很快產(chǎn)生絮凝作用，使 0.5 微米以下的微粒形成較大的絮凝膠團(tuán)。經(jīng)過(guò)這種絮凝以后，再利用助濾劑，就可以做到既濾液清，又濾速較快。

1.3  精密微孔過(guò)濾：本文所敘述的精密微孔過(guò)濾技術(shù)是剛性的高分子精密微孔過(guò)濾技術(shù)，它以剛性高分子微孔燒結(jié)管為介質(zhì)進(jìn)行濾渣過(guò)濾，該技術(shù)與其它過(guò)濾技術(shù)相比有如下的特色：

1.3.1  剛性的微孔過(guò)濾管的毛細(xì)孔徑可以做得很小，最小只有 5 μ m ，通過(guò)吸附，孔口架橋與表面機(jī)械篩濾等機(jī)理可以過(guò)濾 0.5 微米左右的微粒。

1.3.2  剛性的高分子微孔過(guò)濾管有一定的抗拉強(qiáng)度，可承受大于 0.6Mpa 的內(nèi)壓，利用壓縮氣體的快速反吹法，可以很方便卸除微孔管表面的較粘的濾渣，如用濾布等柔性介質(zhì)，就不能用這種簡(jiǎn)易的反吹法卸渣。

1.3.3  采用“氣—液反吹法”可以將堵塞在微孔過(guò)濾管孔口與內(nèi)部的大部分微粒反吹出來(lái)，微孔過(guò)濾管使用壽命比濾布等長(zhǎng)得多，一般至少可用一年以上。

1.3.4  高分子微孔過(guò)濾管的化學(xué)性能非常優(yōu)越，耐各種酸、堿以及 70 ℃以下的大部分有機(jī)溶劑；對(duì)于已經(jīng)嚴(yán)重堵塞，無(wú)法“氣—水反吹”的微孔管，可以用堿液浸泡，進(jìn)行化學(xué)再生。

1.3.5  以高分子微孔過(guò)濾管為過(guò)濾介質(zhì)的精密微孔過(guò)濾機(jī)均有氣動(dòng)的能排干渣的大排渣底蓋，卸渣時(shí)不需繁重體力勞動(dòng)。

1.3.6  全部密閉操作。

1.4  “絮凝 + 助濾 + 精密微孔過(guò)濾”的實(shí)驗(yàn)：

特以肌苷發(fā)酵液進(jìn)行過(guò)濾試驗(yàn)：肌苷是細(xì)菌發(fā)酵液，以 SX 蛋白質(zhì)絮凝劑進(jìn)行絮凝，以珍珠巖作助濾，以精密微孔過(guò)濾管作過(guò)濾介質(zhì)。

肌苷發(fā)酵液絮凝液的助濾試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表中給出肌苷發(fā)酵液的絮凝液 “助濾 + 精密微孔過(guò)濾”的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

由表中數(shù)據(jù)可知，本體投加量從 0 增加到 4% ，平均濾速成直線增加，但是濾渣厚度也成倍增加。一般投加量不應(yīng)超過(guò) 2% 。

3 、   新過(guò)濾技術(shù)的應(yīng)用前景：

“助濾 + 精密微孔過(guò)濾”已用于幾種放線菌發(fā)酵液的過(guò)濾與濾液復(fù)濾，如柔紅霉素、鹽霉素、阿維菌素、葡萄糖酸鈣發(fā)酵液，也成功用于酶法生產(chǎn)的丙烯酰胺液體的精密過(guò)濾，這些應(yīng)用都明顯提高濾液的澄明度，改善后步操作的效率與質(zhì)量。

本方法對(duì) Vc 發(fā)酵液，肌苷發(fā)酵液、桿菌肽等細(xì)菌發(fā)酵液等也成功進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，證明完全可用于這些發(fā)酵液過(guò)濾，在進(jìn)行異亮氨酸發(fā)酵液試驗(yàn)時(shí)，特地讓發(fā)酵液在 35 ℃條件下自溶一星期，使發(fā)酵液菌絲基本自溶，這種發(fā)酵液采用本技術(shù)能很順利地過(guò)濾，將這種過(guò)濾液繼續(xù)提取產(chǎn)品，最后結(jié)果表明，產(chǎn)品收率沒有下降。

4 、   精密微孔過(guò)濾機(jī)用于發(fā)酵液或?yàn)V液的計(jì)算：

精密微孔過(guò)濾應(yīng)用于發(fā)酵液過(guò)濾或?yàn)V液復(fù)濾，應(yīng)先進(jìn)行絮凝與助濾的系統(tǒng)試驗(yàn)，確定最佳絮凝劑品種與投加量，助濾劑預(yù)涂厚度與本體投加量等參數(shù)后，然后通過(guò)過(guò)濾實(shí)驗(yàn)，取得工程設(shè)計(jì)參數(shù)。工程設(shè)計(jì)參數(shù)中最關(guān)鍵是濾渣層平均比阻 α與最佳過(guò)濾壓差 Dp 佳 0 取得這兩參數(shù)之前，先應(yīng)測(cè)得平均比阻與壓差之間的關(guān)系式：

然后計(jì)算 Dp 佳

然后由式 (1) ：

有了 α佳、 Dp 佳，就可按下式計(jì)算過(guò)濾的平均濾速 W ：

以上諸式中：

Dp —過(guò)濾壓差 (Mpa)             Dp 佳—最佳過(guò)濾壓差 (Mpa)

α—濾渣層平均比阻 (1/m2)        α佳—最佳壓差下濾渣層平均比阻 (1/m2)

S —濾渣層壓縮指數(shù)               α 0 、λ—系數(shù)

t —過(guò)濾時(shí)間 (s)                  W —在某一時(shí)間 t 內(nèi)平均濾速 (m3/m2h)

μ—濾液粘度 (Ns/m2)             C —濾液體積對(duì)濾液體積之比 (~)

比阻 α、α 0 、λ、 S 的測(cè)試方法見作者另一論文， C 在測(cè)α過(guò)程中就可計(jì)算所得，μ需專門粘度測(cè)定。

微孔過(guò)濾機(jī)

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