Bouillon de fermentation: un système multiphase complexe

Le bouillon de fermentation est un système multiphase complexe. La composition du bouillon de fermentation après fermentation microbienne est généralement complexe, dont la plupart est de l'eau, suivie de fragments microbiens ou d'animaux et de plantes et d'une petite quantité de milieu de culture inutilisé. En outre, il existe une certaine quantité de métabolites. La présence de ces substances peut affecter l'effet de filtration.

1. principales caractéristiques du bouillon de fermentation:

Comprendre ces caractéristiques du bouillon de fermentation est d'une grande importance pour sélectionner des méthodes et des équipements de filtration appropriés et optimiser les processus de filtration. Dans le fonctionnement réel, les mesures correspondantes doivent être prises en fonction de circonstances spécifiques pour obtenir des produits cibles de haute qualité. De manière générale, les caractéristiques du bouillon de fermentation se manifestent principalement dans les aspects suivants:

(1) Composition complexe: Le bouillon de fermentation est un système multiphase contenant deux phases, solide et liquide. Parmi eux, les composants solides comprennent les bactéries et le milieu de culture solide inutilisé, et les composants liquides comprennent une grande quantité d'eau et d'autres substances dissoutes dans l'eau. En outre, le bouillon de fermentation peut également contenir d'autres substances telles que des matières en suspension, des particules, des protéines, des ions métalliques, etc.

(2) Faible concentration de produit cible: La concentration du produit cible dans le bouillon de fermentation est généralement faible, principalement à 10% 1%, ce qui est également une caractéristique importante de la filtration du bouillon de fermentation. Étant donné que la concentration du produit cible est faible, les autres impuretés et substances interférentes doivent être éliminées autant que possible pendant le processus de filtration pour obtenir un produit cible de haute pureté.

(3) Contient une grande quantité d'eau: Le bouillon de fermentation contient généralement une grande quantité d'eau, car une grande quantité d'eau est nécessaire pendant la croissance et le métabolisme des micro-organismes. Par conséquent, une grande quantité d'eau doit être éliminée pendant le processus de filtration pour obtenir une concentration élevée du produit cible.

(4) Peut contenir des particules de différentes tailles et formes: Le bouillon de fermentation peut contenir des particules de différentes tailles et formes, qui peuvent être causées par la lyse bactérienne, la décomposition du milieu de culture solide, etc. Ces particules peuvent affecter l'effet de filtration, elles doivent donc être traitées ou éliminées.

(5) Contient des substances biologiquement actives: Le bouillon de fermentation contient de nombreuses substances biologiquement actives, telles que des enzymes, des cytokines, etc. Ces substances peuvent affecter le milieu filtrant, il convient donc de prêter attention à la sélection et au traitement du milieu filtrant pendant le processus de filtration.

2. méthodes de prétraitement du bouillon de fermentation:

2.1. Réduire la viscosité du liquide

La réduction de la viscosité du liquide peut être obtenue en chauffant et en diluant avec de l'eau. La méthode de chauffage consiste à réduire la viscosité du bouillon de fermentation en le chauffant. L'augmentation de la température du bouillon de fermentation peut réduire efficacement la viscosité du liquide, et la protéine coagulera également pour former de grandes particules de coagulants, et les caractéristiques de filtration du bouillon de fermentation ont été encore améliorées. Cependant, la température et le temps de chauffage doivent être strictement contrôlés pour éviter d'affecter l'activité du produit cible et l'autolyse cellulaire. La méthode d'addition d'eau consiste à réduire la viscosité du bouillon de fermentation en ajoutant de l'eau pour le diluer. Cette méthode peut réduire la viscosité du bouillon de fermentation dans une certaine mesure, mais en même temps, elle augmentera le volume du bouillon de fermentation et réduira la concentration du produit cible, qui doit être pesé en fonction de la situation réelle.

2.2. Réglage de la valeur du pH

Les caractéristiques de filtration peuvent être améliorées en ajustant la valeur du pH. Les substances amphiphiles telles que les acides aminés et les protéines peuvent être précipitées et éliminées au point isoélectrique. En modifiant le degré d'ionisation et les propriétés de charge de la substance, la solubilité de substances telles que les parois cellulaires microbiennes et les protéines est affectée, optimisant ainsi les caractéristiques de filtration. Pendant la filtration sur membrane, l'ajustement de la valeur du pH peut modifier les propriétés de charge des molécules facilement adsorbées et réduire le colmatage et la contamination de la membrane. À la valeur de pH appropriée, les cellules, les fragments de cellules et certaines substances colloïdales auront tendance à floculer et à former des particules plus grosses, ce qui est propice à l'opération de filtration.

2.3. Ajout de réactifs

L'ajout de réactifs et de certains sels solubles au bouillon de fermentation n'affecte pas le produit cible et peut réagir avec les impuretés pour former des précipités insolubles, ce qui peut éliminer l'influence de certaines impuretés dans le bouillon de fermentation sur la filtration et améliorer le taux de filtration.Comme CaSO4, AlPO4, etc. Le précipité généré peut empêcher le mycélium de coller ensemble, ce qui fait que le mycélium a une structure de bloc. Le précipité peut également être utilisé comme aide au filtre et peut solidifier les colloïdes et les matières en suspension pour améliorer les performances de filtration. Dans les produits de fermentation avec des polysaccharides comme sources de carbone, le bouillon de fermentation contient des polysaccharides insolubles, qui sont convertis en monosaccharides par des enzymes pour augmenter le taux de filtration.

2.4. Ajout d'aides au filtre

Les matières en suspension telles que les cellules bactériennes et les protéines coagulées dans le bouillon de fermentation sont souvent petites et faciles à déformer. La filtration directe peut facilement bloquer les trous filtrants des médias filtrants tels que le tissu filtrant, ce qui entraîne des difficultés de filtration. Afin d'améliorer la vitesse du bouillon de fermentation, des aides au filtre sont généralement ajoutées lors du prétraitement du bouillon de fermentation. Les aides filtrantes sont des particules poreuses incompressibles qui peuvent desserrer le gâteau filtrant et augmenter le taux de filtration. Un grand nombre de fines particules colloïdales dans la suspension sont adsorbées sur la surface de l'aide au filtre, modifiant la structure du gâteau de filtration. La résistance à la filtration est réduite. Les aides filtrantes couramment utilisées comprennent les minéraux non métalliques tels que la terre de diatomées, la poudre de perlite, le charbon actif, le sable de quartz, la poudre d'amiante et l'argile. Et les matières organiques telles que l'amidon de cellulose (comme la sciure de bois, le noyau de canne à sucre). Les aides aux filtres minéraux ont de bons effets filtrants. Mais ils affectent l'utilisation globale des gâteaux filtrants. Par exemple, la teneur en protéines est réduite après l'ajout d'aides filtrantes minérales au gâteau filtrant bactérien. Il existe généralement trois façons d'utiliser des aides filtrantes: l'une consiste à préenduire le filtre à la surface du milieu filtrant, l'autre à l'ajouter directement au liquide de fermentation, ou les deux méthodes peuvent être utilisées en même temps. Lors de la sélection et de l'utilisation des aides au filtre, le type, la taille des particules et la quantité supplémentaire de l'aide au filtre doivent être sélectionnés en fonction du produit cible, du milieu filtrant et des conditions de filtration.

2.5. Coagulation et floculation

L'utilisation de la technologie de la coagulation et de la floculation peut modifier efficacement l'état de dispersion des cellules, des fragments de cellules et des macromolécules dissoutes, détruire leur stabilité, et en faire des agrégats en plus grosses particules séparables pour augmenter le taux de filtration et faciliter la séparation; en même temps, Il peut également éliminer efficacement les impuretés telles que les protéines et les impuretés solides et améliorer la qualité du filtrat. La floculation fait référence au processus de formation de flocules grossiers de particules colloïdes basés sur le pontage en présence de certains floculants polymères. C'est un processus basé sur l'agrégation physique. Le floculant est un polymère soluble dans l'eau avec un poids moléculaire relatif de dizaines de milliers à dix millions. Il a une structure de longue chaîne et contient de nombreux groupes fonctionnels actifs sur ses maillons de chaîne. Il est fortement adsorbé à la surface des particules colloïdes par attraction électrostatique, force de van der Waals ou liaison hydrogène. La coagulation fait référence au phénomène selon lequel le système colloïdal devient instable en raison de la réduction du potentiel de répulsion à double couche sous l'action d'un sel neutre. Lorsqu'un certain électrolyte est ajouté à la suspension colloïdale, le potentiel diminue en raison de la réduction de la répulsion électrique à double couche entre les particules colloïdales sous l'action des ions hétérochargés de l'électrolyte, rendant le système colloïdal instable (déstabilisé). Les particules colloïdales entrent en collision les unes avec les autres et s'agrègent en agrégats de 1mm.

Les facteurs qui affectent l'effet de floculation sont les suivants:

(1)Type et dosage du floculant: Le type et le dosage du floculant affecteront l'effet de floculation. Différents types de floculants ont différents mécanismes d'action et champ d'application. Il est nécessaire de sélectionner le type de floculant approprié en fonction de la situation réelle. Dans le même temps, le dosage du floculant affectera également l'effet de floculation. Trop peu ou trop de floculant aura un effet néfaste sur l'effet de floculation.

(2) Temps de réaction et température: Le temps de réaction et la température du floculant et du liquide de fermentation affecteront également l'effet de floculation. D'une manière générale, la réaction de floculation prend un certain temps. Un temps de réaction trop court peut entraîner une floculation insuffisante. Dans le même temps, la température affectera l'activité et la vitesse de réaction du floculant. Une température trop élevée ou trop basse n'est pas propice à l'effet de floculation.

(3) Caractéristiques et composition du bouillon de fermentation: Les caractéristiques et la composition du bouillon de fermentation affecteront également l'effet de floculation. Le pHLa valeur, la force ionique, la taille et la forme des particules en suspension dans le bouillon de fermentation affecteront l'effet de floculation. De plus, les substances macromoléculaires telles que les protéines et les polysaccharides présents dans le bouillon de fermentation peuvent également affecter l'effet de floculation.

(4) Conditions mécaniques d'agitation et de filtration: Les conditions mécaniques d'agitation et de filtration sont également des facteurs importants affectant l'effet de floculation. Une agitation mécanique appropriée peut favoriser la dispersion et l'adsorption des floculants dans le bouillon de fermentation et améliorer l'effet de floculation. Les conditions de filtration affecteront la séparation et la collecte des produits de floculation, et des conditions de filtration inappropriées peuvent entraîner un mauvais effet de floculation. En bref, que le produit dont nous avons besoin soit intracellulaire ou extracellulaire, nous devons d'abord prétraiter le bouillon de fermentation et séparer le solide et le liquide avant de procéder aux opérations ultérieures. Les méthodes ci-dessus ont leurs propres caractéristiques, et généralement plusieurs méthodes sont utilisées en combinaison pour améliorer l'efficacité du prétraitement du bouillon de fermentation.