发酵液的过滤应用

摘要：本文叙述一种新的发酵液过滤技术。对放线菌与霉菌发酵液，采用 “精密微孔过滤”或采用“助滤 + 精密微孔过滤”；对细菌发酵液，采用“絮凝 + 助滤 + 精密微孔过滤”；对含少量蛋白质的发酵滤液复滤，采用“助滤 + 精密微孔过滤”。这种过滤技术，不仅适宜发酵滤液除菌渣过滤，适宜发酵液去除残留菌体与不溶性蛋白质的复滤，也适宜于染菌罐批的过滤。絮凝方法选择，助滤剂种类，投加量与助滤方法的选择及微孔过滤机结构的选择，应根据发酵液性能，处理量与处理要求而定，均需通过系统试验与严密计算。

关键词：发酵液     滤液精密复滤     精密微孔过滤     助滤剂

 

发酵液的过滤与滤液的进一步复滤是发酵产物提取工艺中一步很重要操作，它直接关系产品的质量、收率、成本与劳动生产率。目前国内普遍采用手动板框压滤机，该设备操作简单，投资省，但是滤液质量不高，滤布消耗量大，操作落后，少数厂采用带式过滤机，连续过滤 , 生产能力大，但滤液质量不高；还有一些发酵液，采用不过滤工艺，直接进行离子交换，这方法往往影响产品质量与收率，工业发达国家普遍采用“带微调刮刀的硅藻土预涂的真空转鼓式过滤机”，因硅藻土的消耗与动力消耗非常大，机械庞大，价格贵，国内难以普遍推广。研究开发出适宜国内发酵企业能应用，过滤效率高，操作较简单，投资费与操作费较低的新型发酵液过滤技术，一直是我们多年的努力目标，经过反复研究，开发出一种以精密微孔管为主的新的发酵液过滤方法。

1 、   发酵液过滤的特点：

发酵液是非牛顿型液体，成份复杂，除了代谢产物、菌丝体，还有培养基残渣、消沫剂等，与其它物料相比，发酵液过滤有如下特点：

1.1  发酵液的过滤性能变化大。由于生物反应与代谢过程复杂，同一条件下产生的发酵液，今天与明天的过滤性能都有很大的差异，即使同一罐放罐的发酵液，由于菌丝的自溶，其过滤性能也在变化。自溶愈多，过滤愈难。

1.2  发酵液过滤滤渣的粘性大：不仅渣与渣的粘性大，与过滤介质的粘性也很大，这粘性不仅使过滤阻力增加，而且使滤渣从过滤介质上脱离与过滤介质的清洗非常困难。

1.3  发酵液中的胶状物含量高，形成的滤渣的压缩性较大，随着过滤不断进行，滤渣不断增厚，过滤阻力增加很快。

1.4  发酵液中的蛋白质多，即使许多蛋白质已从极细的胶体微粒絮凝成微胶团，但胶团往往不到 1 微米，这些胶团在过滤过程中或者堵塞过滤介质的毛细孔，或者易穿滤。

上述这些特点导致发酵液的过滤的过滤效率不高，过滤阻力大，排渣困难，过滤介质易堵塞，过滤物料性能变化幅度大。

2 、   发酵液过滤与复滤的技术：

根据发酵液过滤的上述特性，为了提高发酵液过滤效率，提高滤液澄明度，提高过滤操作的劳动生产率，减少过滤操作的劳动强度，经过对年研究，开发出如下的新过滤技术：

对霉菌与某些易滤放线菌发酵液，采用 “精密微孔过滤”

对某些难滤放线菌发酵液，采用 “助滤 + 精密微孔过滤”

对非常难滤的细菌发酵液，采用 “絮凝 + 助滤 + 精密微孔过滤”

1.1  助滤：选择对发酵液中有效成份不吸附，在过滤压差作用下，颗粒不变形，颗粒之间、颗粒与过滤介质之间无粘附性的粉末作为助滤剂。硅藻土、α纤维素、珍珠岩粉及其它某些粉末可作为发酵液过滤的助滤剂。助滤方式有两种：

1.1.1  表面预涂：过滤介质的表面预涂一层 1~2mm 的助滤层，主要防止过滤介质微孔不被蛋白质等细小微粒堵塞，使粘性滤渣不直接粘附在过滤介质表面，卸渣完全，过滤介质清洗方便。

1.1.2  本体助滤：在过滤料液中加进一定比例的助滤剂微粒，由于助滤剂是无压缩性又有一定多孔性的颗粒，在发酵液的滤渣层中由助滤剂形成骨架，滤渣的压缩性显著减少，过滤阻力也减少，这样可使难滤的发酵液与澄明度低的初滤液的复滤能维持相当时间，如果没有本体助滤，由于滤层压缩性能很大，滤速下降很快，过滤过程就无法继续进行。

1.2  絮凝：对于细菌发酵液，即使采用大量助滤剂作预涂与本体助滤，也难以进行有效过滤，   因为细菌发酵液中的菌体都是不超过 0.5 微米的微粒，不仅微粒小，而且压缩性也大，在过滤过程中，在滤液的流速作用下，这些微粒还会在助滤剂堆积层孔隙中位移，最后大部分在过滤介质表面被截留，形成一层比阻很大的滤渣层。这种滤渣层的存在使过滤速度极慢，过滤难以正常进行。

对于这类发酵液，过滤之前应进行絮凝预处理，通过絮凝剂与菌丝体或其它胶体物质之间的正负电荷吸引以及吸附等机理，絮凝剂可使这类发酵液很快产生絮凝作用，使 0.5 微米以下的微粒形成较大的絮凝胶团。经过这种絮凝以后，再利用助滤剂，就可以做到既滤液清，又滤速较快。

1.3  精密微孔过滤：本文所叙述的精密微孔过滤技术是刚性的高分子精密微孔过滤技术，它以刚性高分子微孔烧结管为介质进行滤渣过滤，该技术与其它过滤技术相比有如下的特色：

1.3.1  刚性的微孔过滤管的毛细孔径可以做得很小，最小只有 5 μ m ，通过吸附，孔口架桥与表面机械筛滤等机理可以过滤 0.5 微米左右的微粒。

1.3.2  刚性的高分子微孔过滤管有一定的抗拉强度，可承受大于 0.6Mpa 的内压，利用压缩气体的快速反吹法，可以很方便卸除微孔管表面的较粘的滤渣，如用滤布等柔性介质，就不能用这种简易的反吹法卸渣。

1.3.3  采用“气—液反吹法”可以将堵塞在微孔过滤管孔口与内部的大部分微粒反吹出来，微孔过滤管使用寿命比滤布等长得多，一般至少可用一年以上。

1.3.4  高分子微孔过滤管的化学性能非常优越，耐各种酸、碱以及 70 ℃以下的大部分有机溶剂；对于已经严重堵塞，无法“气—水反吹”的微孔管，可以用碱液浸泡，进行化学再生。

1.3.5  以高分子微孔过滤管为过滤介质的精密微孔过滤机均有气动的能排干渣的大排渣底盖，卸渣时不需繁重体力劳动。

1.3.6  全部密闭操作。

1.4  “絮凝 + 助滤 + 精密微孔过滤”的实验：

特以肌苷发酵液进行过滤试验：肌苷是细菌发酵液，以 SX 蛋白质絮凝剂进行絮凝，以珍珠岩作助滤，以精密微孔过滤管作过滤介质。

肌苷发酵液絮凝液的助滤试验数据

表中给出肌苷发酵液的絮凝液 “助滤 + 精密微孔过滤”的实验数据。

由表中数据可知，本体投加量从 0 增加到 4% ，平均滤速成直线增加，但是滤渣厚度也成倍增加。一般投加量不应超过 2% 。

3 、   新过滤技术的应用前景：

“助滤 + 精密微孔过滤”已用于几种放线菌发酵液的过滤与滤液复滤，如柔红霉素、盐霉素、阿维菌素、葡萄糖酸钙发酵液，也成功用于酶法生产的丙烯酰胺液体的精密过滤，这些应用都明显提高滤液的澄明度，改善后步操作的效率与质量。

本方法对 Vc 发酵液，肌苷发酵液、杆菌肽等细菌发酵液等也成功进行了实验，证明完全可用于这些发酵液过滤，在进行异亮氨酸发酵液试验时，特地让发酵液在 35 ℃条件下自溶一星期，使发酵液菌丝基本自溶，这种发酵液采用本技术能很顺利地过滤，将这种过滤液继续提取产品，最后结果表明，产品收率没有下降。

4 、   精密微孔过滤机用于发酵液或滤液的计算：

精密微孔过滤应用于发酵液过滤或滤液复滤，应先进行絮凝与助滤的系统试验，确定最佳絮凝剂品种与投加量，助滤剂预涂厚度与本体投加量等参数后，然后通过过滤实验，取得工程设计参数。工程设计参数中最关键是滤渣层平均比阻 α与最佳过滤压差 Dp 佳 0 取得这两参数之前，先应测得平均比阻与压差之间的关系式：

然后计算 Dp 佳

然后由式 (1) ：

有了 α佳、 Dp 佳，就可按下式计算过滤的平均滤速 W ：

以上诸式中：

Dp —过滤压差 (Mpa)             Dp 佳—最佳过滤压差 (Mpa)

α—滤渣层平均比阻 (1/m2)        α佳—最佳压差下滤渣层平均比阻 (1/m2)

S —滤渣层压缩指数               α 0 、λ—系数

t —过滤时间 (s)                  W —在某一时间 t 内平均滤速 (m3/m2h)

μ—滤液粘度 (Ns/m2)             C —滤液体积对滤液体积之比 (~)

比阻 α、α 0 、λ、 S 的测试方法见作者另一论文， C 在测α过程中就可计算所得，μ需专门粘度测定。

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