前言:
分散系在自然界及人类社会各行业中广泛存在,对于液体深层发酵而言,从培养基的配置、发酵过程的变化以及后处理各个工序,大量混合物以分散系状态存在。本文从梳理分散系概念开始逐步拓展到发酵系统中相关技术问题。
分散系:
分散系是混合分散体系的简称,把一种(或多种)物质分散在另一种(或多种)物质中所得到的体系,叫做分散系。前者属于被分散的物质,称作分散质;后者起纳容分散质的作用,称作分散剂。
整个分散系的性质会随着分散质粒子大小的改变而改变,我们现阶段了解的分散系有三种:浊液,胶体,溶液。
分散系=分散相(分散质)+分散剂
分散系分类、性质及举例:
分散系 | 溶液 | 胶体 | 浊液 |
别称 | 低分子(或离子)分散系 其分散质粒子的线形大小在1nm以下,称为溶液 | 胶体分散系 其分散质粒子的线形大小在1-100nm之间,称为胶体 | 粗分子分散系 其分散质粒子的线形大小在100nm以上,称为浊液 |
分散系粒子 | 单个小分子或离子 | 高分子或多分子集合体 | 巨大数目的分子集合体 |
分散质粒子直径 | 小于1nm | 1至100nm | 大于100nm |
外观 | 均一、多数透明 | 均一 | 不均一、不透明 |
稳定性 | 稳定 | 较稳定 | 不稳定 |
能否透过滤纸 | 能 | 能 | 不能 |
能否透过半透膜 | 能 | 不能 | 不能 |
鉴别 | 无丁达尔效应 | 有丁达尔效应 | 静置分层或沉淀 |
实例 | 盐水 | Fe(OH)3胶体 | 泥水、血液 |
发酵与分散系的关系:
发酵液中含有有各类无机盐离子(<1nm);各类蛋白、多肽多糖(1nm<<100nm),细胞碎片、死菌等(100nm<),则发酵液当属复杂分散系。如下说明:
发酵阶段的泡沫属于液溶胶一类,分散质为空气
后处理过程的发酵醪也是液溶胶,分散质为大蛋白和肽等
发酵阶段的发酵醪同时具有浊液的性质,细胞碎片、活菌等共同组成分散剂。
溶胶分类:
分散介质 | 分散相 | 名称 | 实例 |
液 | 固 | 溶胶、悬浊液、软膏 | 金溶胶、碘化银溶胶、牙膏 |
液 | 乳状液 | 牛奶、人造黄油、油水乳状液 | |
气 | 泡沫 | 肥皂泡沫、奶酪 | |
气 | 固 | 气溶胶 | 烟、尘 |
液 | 雾 | ||
固 | 固 | 固态悬状液 | 用金着色的红玻璃、照片胶片 |
液 | 固态乳状液 | 珍珠、黑磷(P、Hg) | |
气 | 固态泡沫 | 泡沫塑料 |
胶体特性:
丁达尔效应:区分胶体和溶液的最简易的办法就是利用丁达尔效应。一束光透过胶体,从入射光的垂直方向看到一条光亮的“通路”,这种现象就是丁达尔现象或称为丁达尔效应。
电泳现象:对于不同的胶粒,它表面的组成情况不一样,有的胶粒带正电荷,有的胶粒带负电荷。如果在胶体中通入直流电,他们会向阳、阴极移动。但是胶体是呈电中性的。
聚沉作用:带电荷的胶体粒子可以通过加入电解质溶液,加入带相反电荷的胶体或加入电解质可以发生聚沉。不带电荷的胶体粒子可以通过加热而发生聚沉。发生聚沉作用是因为胶体会从均一的状态变成类似于沉淀的凝胶。
介稳性:胶体的稳定性介于溶液和浊液之间,在一定条件下能稳定存在,属于介稳体系。
胶体具有介稳性的两个原因:
胶体粒子可以通过吸附而带有电荷,同种胶粒带同种电荷,而同种电荷会相互排斥,不容易发生聚沉。
胶体粒子在不停地做布朗运动,与重力作用相同时便形成沉降平衡的状态。
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据以上各类型分散性的特性,发酵液的后处理工艺就会非常容易设计和理解:
1. 对于混合分散系中的浊液分散质,可以通过离心、板框等手段去除;
2. 根据分散质的粒子直径,溶液系统中的盐类能透过几乎所有膜类产品,可以选用不同规格的为滤膜、纳滤膜进行除盐作业;
3. 对于混合分散体系中的胶体部分,则可根据不同胶体分散质(各类酶、肽、多糖等)的介稳性进行操作,通过调整分散体系的温度(热沉淀)、pH(等电点沉淀)或加入定量的电解质(盐析)等进行操作,使目标产物从而得到分离。
4. 对于高纯度要求的产品,仅仅通过分散系的性质原理无法达到纯化目的,需要进一步进行针对工艺设计。
文/云海奇峰 整理
本文作者主要出没于《发酵工程》分离纯化群、《发酵工程》大工艺4群(真核系统)
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