第三章發(fā)酵液的預(yù)處理(共5頁(yè))

1、第三章 發(fā)酵液的預(yù)處理教學(xué)(jio xu)基本要求：1. 掌握(zhngw)預(yù)處理的概念(ginin)。2. 熟悉固液分離方法。時(shí)間安排：3學(xué)時(shí)。教學(xué)形式：本章以講授為主，中間部分進(jìn)行部分提問(wèn)，采用PPT課件講課。教學(xué)內(nèi)容：通常發(fā)酵液和生物溶液是高粘度的和非牛頓流體，必須進(jìn)行預(yù)處理。一、預(yù)處理的目的：1、改變發(fā)酵液的理化性質(zhì)：(黏度、顆粒、顆粒穩(wěn)定性等)，固液分離速度，分離器分離效率。2、目標(biāo)產(chǎn)物轉(zhuǎn)移其中一相(多數(shù)為液相)；。3、去除發(fā)酵液中部分雜質(zhì)，以利于后續(xù)各步操作。二、預(yù)處理的方法1、加熱法：最簡(jiǎn)單和最廉價(jià)的處理方法。破壞凝膠結(jié)構(gòu)、降低液體黏度、加速聚集。去蛋白。2、調(diào)節(jié)懸浮液的PH值：

2、方法簡(jiǎn)單有效、成本低廉。適當(dāng)?shù)腜H值促進(jìn)聚集。3、凝聚和絮凝：凝聚：破壞溶質(zhì)膠體顆粒表面的雙電層，破壞膠體系統(tǒng)的分散狀態(tài)，使膠體粒子聚集的過(guò)程。大?。?mm大小。絮凝：在絮凝劑高分子聚合電解質(zhì)的作用下，膠體顆粒和聚合電解質(zhì)交連成網(wǎng)，形成10 mm大小的絮凝團(tuán)過(guò)程。絮凝劑主要起中和電荷、橋架和網(wǎng)絡(luò)作用凝聚劑種類：無(wú)機(jī)鹽類：Al2(SO4)3.18(H2O)，AlCl3.6(H2O)，F(xiàn)eCl3，ZnSO4，MgCO3金屬氧化物：Al(OH)3、Fe(OH)3、Ca(OH)2、石灰等。聚合無(wú)機(jī)鹽：聚合鋁、聚合鐵等。絮凝劑種類：陽(yáng)離子型、陰離子型或非離子型天然聚合物：多糖類物質(zhì)、海藻酸鈉、明膠等人工

3、合成聚合物：聚丙烯酰胺類衍生物、聚苯乙烯類衍生物、聚丙烯酸類等。三、固液分離法類型：過(guò)濾、離心、重力沉降、氣懸?。ㄒ唬┻^(guò)濾1概念：在一定的壓力差下，將固液懸浮液通過(guò)一多孔性介質(zhì)而實(shí)現(xiàn)固液分離的過(guò)程。原理篩分。2、過(guò)濾(gul)介質(zhì)無(wú)定形顆粒(kl)：顆?；钚蕴俊⑸?、無(wú)煙煤成形顆粒(kl)：燒結(jié)金屬、燒結(jié)塑料非金屬織物：尼龍、玻璃纖維金屬織物：不銹鋼絲網(wǎng)無(wú)紡品：紙、石棉3、助濾劑一種顆粒均勻、質(zhì)地堅(jiān)硬的粒狀物質(zhì)，用于擴(kuò)大過(guò)濾表面的適應(yīng)范圍，減輕細(xì)小顆粒的快速擠壓變形和過(guò)濾介質(zhì)的堵塞。使用方法：A、預(yù)涂層；B、按一定比率混合。常用的助濾劑：硅藻土、膨脹珍珠巖、石棉、纖維素、未活化的炭、爐渣、重質(zhì)碳

4、酸鈣，及它們的混合物等。3、過(guò)濾類型常規(guī)過(guò)濾（死過(guò)濾）和錯(cuò)流過(guò)濾 死過(guò)濾：當(dāng)進(jìn)料液的流動(dòng)方向和膜的壓力方向在相同時(shí)，我們稱之為死過(guò)濾；水質(zhì)比較好的情況下可以采用死過(guò)濾，此時(shí)能耗低，回收率極高。錯(cuò)流過(guò)濾：當(dāng)進(jìn)料液的流動(dòng)方向和膜的壓力方向垂直時(shí)，我們稱之為錯(cuò)流過(guò)濾；因?yàn)殄e(cuò)流過(guò)濾平行于膜表面有一個(gè)回流，這個(gè)回流會(huì)有效地沖走膜表面的污染物，所以錯(cuò)流過(guò)濾允許進(jìn)料液中可以有一定量的不溶解固體,顆粒粒徑100微米，條件比死過(guò)濾寬松的多。錯(cuò)流過(guò)濾的過(guò)濾收率高，濾液質(zhì)量較好，還可以減少處理步驟。4、過(guò)濾設(shè)備的分類根據(jù)推動(dòng)力的不同可分為四類（a）重力過(guò)濾：自然過(guò)濾（b）加壓過(guò)濾：板框過(guò)濾器、加壓葉濾器、氣壓罐式連

5、續(xù)壓濾器（c）真空過(guò)濾：轉(zhuǎn)鼓真空過(guò)濾器、圓盤(pán)真空過(guò)濾器、帶式真空過(guò)濾器（d）離心過(guò)濾：離心過(guò)濾器5、過(guò)濾器的選擇：濾液的澄清度顆粒大小的分布發(fā)酵液的黏度固體顆粒的濃度濾餅的干燥度濾餅的洗滌生產(chǎn)能力7、提高過(guò)濾設(shè)備過(guò)濾能力的途徑降低濾餅阻力：a.添加電解質(zhì)、絮凝劑、凝固劑；懸浮固體粒子越大、硬度越高，則形成的濾餅的阻力系數(shù)越低。實(shí)際中常使用高分子絮凝劑。絮凝劑的分子很大，它的各個(gè)區(qū)段上具有特殊的吸附作用，它可以與懸浮的粒子起橋聯(lián)作用，形成巨大的絮團(tuán)。b.助濾劑：在發(fā)酵(f jio)醪中加入適當(dāng)粒度(l d)的硅藻土，發(fā)酵醪中的細(xì)微粒子就可能附著在硅藻土粒子凹凸不平的表面，堅(jiān)硬的硅藻土粒子就作為許

6、多(xdu)膠體粒子的載體，均勻地分布于濾餅之中，相應(yīng)地改變了原懸浮液的濾餅結(jié)構(gòu)，降低了濾餅的阻力系數(shù)。降低濾液粘度：發(fā)酵醪粘度是溫度的指數(shù)函數(shù)。一般來(lái)說(shuō)，從常溫升高液溫，粘度明顯下降，因此對(duì)非熱敏性的液體，升高溫度是降低粘度最簡(jiǎn)便而有效的措施。降低懸浮液中懸浮固體的濃度：過(guò)濾速度與單位體積醪液所形成的濾餅體積成反比熱處理：熱處理能使蛋白質(zhì)等膠體粒子變性凝固，使過(guò)濾速度大為提高，該法在污水處理中效果非常明顯提高壓力差P：在實(shí)際操作中，最忌一開(kāi)始就加大P ，這樣就會(huì)在濾布表面形成一層緊密的濾餅層，使過(guò)濾速度很快就降下來(lái)。原則上開(kāi)始應(yīng)在很低的P下進(jìn)行，P的提高應(yīng)緩慢逐步地調(diào)高，最適P應(yīng)根據(jù)實(shí)驗(yàn)確定

7、（二）離心：固液分離：第一選擇為過(guò)濾，第二選擇離心分離。1、定義：它是利用慣性離心力和物質(zhì)的沉降系數(shù)或浮力密度的不同而進(jìn)行的一項(xiàng)分離、濃縮或提煉操作。原理密度差2優(yōu)缺點(diǎn)：(1)優(yōu)點(diǎn)：難過(guò)濾的發(fā)酵液：固體顆粒小、溶液粘度大、過(guò)濾速度慢、甚至不能過(guò)濾的懸浮液，以及忌用助濾劑、或助濾劑無(wú)效的懸浮液；(2)缺點(diǎn)：分離得到的不是濾餅一樣的半干物，而是漿狀物；處理量小；設(shè)備復(fù)雜，價(jià)格貴，分離成本高。3、離心分離的三種形式：A、離心沉降；B、離心過(guò)濾；C、密度梯度(超離心)。4、離心沉降利用懸浮液或乳濁液中密度不同的組分在離心力場(chǎng)中迅速沉降分層，實(shí)現(xiàn)固液分離。離心沉降的基礎(chǔ)是固體的沉降。(1)離心分離因數(shù)F

8、r，(又稱離心力強(qiáng)度)：離心力/重力加速度(g)的比值Fr 越大，越有利于分離意義：衡量離心設(shè)備的離心程度的重要技術(shù)參數(shù)，用于離心機(jī)的分類（常速離心機(jī)Fr 50000g、超速離心機(jī)Fr = 20,000 1,000,000g）(2)沉降式離心機(jī)種類：實(shí)驗(yàn)室用瓶式離心機(jī)工業(yè)用無(wú)孔轉(zhuǎn)鼓(zhun )離心機(jī)：管式、多室式、碟片式以及臥螺式(decanter)等。5、離心(lxn)過(guò)濾使懸浮液在離心力場(chǎng)作用下產(chǎn)生(chnshng)的離心力壓力，作用在過(guò)濾介質(zhì)上，使液體通過(guò)過(guò)濾介質(zhì)成為濾液，而固體顆粒被截留在過(guò)濾介質(zhì)表面，從而實(shí)現(xiàn)固液分離。它兼有離心和過(guò)濾的雙重作用，分離效率更高。(1)常見(jiàn)的離心過(guò)濾設(shè)

9、備：間歇式：刮刀自動(dòng)卸料、停機(jī)手動(dòng)卸料。連續(xù)式：活塞推料、振動(dòng)卸料。6、超離心法根據(jù)物質(zhì)的沉降系數(shù)、質(zhì)量和形狀不同，應(yīng)用強(qiáng)大的離心力，將混合物中各組分分離、濃縮、提純的方法稱為超離心法。它在生物化學(xué)、分子生物學(xué)以及細(xì)胞生物學(xué)的發(fā)展中起著非常重要的作用。應(yīng)用超離心技術(shù)中的差速離心、等密度梯度離心等方法，已經(jīng)成功的分離制取各種亞細(xì)胞物質(zhì)、如線粒體、微粒體、溶酶體、腫瘤病毒等。用5105g以上的強(qiáng)大離心力，長(zhǎng)時(shí)間的離心(如17h以上)，可獲得具有生物活性的脫氧核糖核酸(DNA)、各種與蛋白質(zhì)合成有關(guān)的酶系、各種信使核糖核酸(mRNA)和轉(zhuǎn)移核糖核酸(tRNA)等，這為遺傳工程、酶工程的發(fā)展提供了必需

10、基礎(chǔ)。超離心法是現(xiàn)代生物技術(shù)領(lǐng)域研究中不可缺少的實(shí)驗(yàn)室分析和制備手段。超速離心機(jī)：離心分離因數(shù)在100,000g以上的離心設(shè)備 （1）制備性超離心：制備性超離心的主要目的是最大限度地從樣品中分離高純度目標(biāo)組分，進(jìn)行深入的生物化學(xué)研究。制備性超離心分離和純化生物樣品一般用四種方法：差速離心法、一般密度梯度離心法、等密度梯度離心法及平衡等密度梯度離心法。1)粒子差速離心：粒子差速離心法，簡(jiǎn)稱差速離心法是采用逐漸增加離心速度或低速和高速交替進(jìn)行離心，使沉降粒子，在不同離心速度及不同離心時(shí)間下分批分離的方法。如取均勻懸浮液，控制離心力及時(shí)間進(jìn)行離心，使最大的粒子先沉降，而上清液中不再含有這種粒子，取出

11、上清液，增加離心力再分離較小的粒子，如此逐級(jí)分離。差速離心一船用于分離沉降系數(shù)相差較大的粒子，如常用于細(xì)胞勻漿中細(xì)胞器的分離。(2)一般密度梯度離心法：一般密度梯度離心法也稱分級(jí)區(qū)帶離心,它是把樣品鋪放在一個(gè)連續(xù)的液體密度梯度上，然后進(jìn)行離心，并控制離心分離的時(shí)間，使得粒子完全沉降之前，在液體梯度中移動(dòng)而形成不連續(xù)分離區(qū)帶。該法僅用于分離有一定沉降系數(shù)差的粒子，與粒子密度無(wú)關(guān)。這種方法已用于RNADNA混合物、核蛋白體亞單位和其他細(xì)胞成分的分離。(3)等密度離心法：當(dāng)不同粒子存在密度差時(shí)，在離心力場(chǎng)作用下，粒子或向下沉降，或向上浮起，一直移動(dòng)到與它們密度恰好相等的位置上(即等密度點(diǎn))并形成區(qū)帶

12、，此即等密度離心法。位于等密度點(diǎn)上的粒子沒(méi)有運(yùn)動(dòng)，區(qū)帶的形狀和位置都不受離心時(shí)間的影內(nèi)，體系處于動(dòng)態(tài)平衡。等密度離心的有效分離僅取決于粒子的密度差。密度差越大，分離效果越好，與粒子的大小和形狀無(wú)關(guān)。根據(jù)梯度產(chǎn)生的方式，可分為預(yù)形成梯度（Preformed gradient）和自形成梯度（Self-formed gradient）的等密度離心，后者又稱平衡等密度梯度離心。預(yù)形成(xngchng)梯度等密度離心：本法需要事先制備密度梯度，常用的梯度介質(zhì)主要(zhyo)是非離子型的化合物(如蔗糖(zhtng)、甘油等)。離心時(shí)把樣品鋪放在梯度介質(zhì)的液面上，這個(gè)密度包括了所需要研究的密度范圍，直到粒子

13、的漂浮密度和梯度的密度相等時(shí)，粒子才發(fā)生沉降，并排列成不同的區(qū)帶。自形成梯度的等密度離心(平衡等密度離心)：平衡等密度離心常用的梯度介質(zhì)有粒子型鹽類如銫鹽或銣鹽和三碘化苯衍生物等。離心時(shí)是把密度均一的介質(zhì)溶液和樣品混合后裝入離心管中，通過(guò)離心自形成梯度，讓粒子在梯度中進(jìn)行再分配。離心達(dá)到平衡后，不同密度的粒子在梯度中各自分配到其等密度點(diǎn)的特定位置上，形成不同的區(qū)帶。這一方法已用于分離和分析人血漿脂蛋白。（2）超速離心技術(shù)-應(yīng)用（分析性超離心）測(cè)定分子量:用沉降速度法可測(cè)定S，再根據(jù)S求分子量。沉降系數(shù)(S = 10-13 s)：?jiǎn)挝浑x心力場(chǎng)中的沉降速度。單位是秒。因?yàn)樵S多生物大分子的S很小，所以定義10-13 s為一個(gè)沉降系數(shù)單位，用S表示。它是表示樣品本身的一個(gè)特定的物理量。大分子的純度鑒定。如果是勻質(zhì)則是一個(gè)沉降界面，大分子的構(gòu)相變化