分离纯化:从分散系(Dispersive system)的角度深刻理解发酵后处理工艺

2023-05-10 14:56:27

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

1100nm

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

不能

能否透过半透膜

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

FeOH3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

溶胶、悬浊液、软膏

金溶胶、碘化银溶胶、牙膏

乳状液

牛奶、人造黄油、油水乳状液

泡沫

肥皂泡沫、奶酪

气溶胶

烟、尘

固态悬状液

用金着色的红玻璃、照片胶片

固态乳状液

珍珠、黑磷(PHg

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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