第二章 發(fā)酵液預(yù)處理和固液分離方法

第二章

發(fā)酵液的預(yù)處理和固液分離2預(yù)處理和固液分離內(nèi)容固液分離發(fā)酵液胞外上清液/濾液預(yù)處理提取生化物質(zhì)的第一步，分兩部分：胞內(nèi)富集細(xì)胞3發(fā)酵液的預(yù)處理（Pretreatment）

以細(xì)胞培養(yǎng)液或發(fā)酵液為出發(fā)點(diǎn)，設(shè)法使目標(biāo)產(chǎn)物轉(zhuǎn)移到液相中，同時(shí)除去其它懸浮顆粒以及改善濾液性狀，利于后續(xù)操作，該過程稱為預(yù)處理。4為何要對(duì)發(fā)酵液進(jìn)行預(yù)處理？發(fā)酵產(chǎn)物濃度較低;懸浮物顆粒小;可壓縮性;液相粘度大；懸浮狀態(tài)穩(wěn)定5預(yù)處理的目的目的：改變發(fā)酵液的理化性質(zhì)，利于固液分離的進(jìn)行。高價(jià)無機(jī)離子和可溶性蛋白。針對(duì)對(duì)象：6一、預(yù)處理的方法凝聚和絮凝Coagulationandflocculation降低發(fā)酵液粘度Reduceviscosity調(diào)節(jié)懸浮液的pH值RegulationofpH雜蛋白的去處Removalofuselessprotein高價(jià)無機(jī)離子的去處Removalofinorganicion助濾劑Filteraids和反應(yīng)劑Reactant

7凝聚：一、凝聚和絮凝指在中性鹽（鋁、鐵的鹽類）作用下，膠體脫穩(wěn)并使粒子相互聚集成１mm大小塊狀凝聚體的過程。指絮凝劑基于架橋的作用將膠體粒子交聯(lián)成網(wǎng)，形成10mm大小絮凝團(tuán)的過程。絮凝：

8

機(jī)理：1）中和粒子表面電荷2）消除雙電層結(jié)構(gòu)3）破壞水化膜

（一）凝聚Coagulation9膠體雙電層結(jié)構(gòu)10兩種相反作用力下，雙電層分裂成兩部：1）吸附層或stern層；2）擴(kuò)散層。膠體雙電層結(jié)構(gòu)11膠體雙電層結(jié)構(gòu)不同界面上形成不同的電位:膠核表面的電位φs是整個(gè)雙電層的電位;Stern平面上的電位為φd;滑移面上的電位為ζ,稱ζ電位（電動(dòng)電位）。ζ電位是研究凝聚機(jī)理的重要參數(shù)。12ζ電位的計(jì)算：D—

水的介電常數(shù)；q—

膠體的電動(dòng)電荷密度；

δ—

擴(kuò)散層的有效厚度.13δ—

擴(kuò)散層的有效厚度式中N一阿伏伽德羅常數(shù)；

T一熱力學(xué)溫度：

k—

波爾茲曼常數(shù)；

e—

電子電荷；

Zi—i種反離子的化合價(jià)；

Ci—i種離子的摩爾濃度。14雙電層與凝聚ζ電位與擴(kuò)散層厚度δ和電動(dòng)電荷密

度q成正比，而擴(kuò)散層厚度又與溶液中反離

子強(qiáng)度和電荷成反比。15凝聚價(jià)或凝聚值使膠粒發(fā)生凝聚作用的最小電解質(zhì)濃度（毫摩爾／升），稱為凝聚價(jià)或凝聚值。表示電解質(zhì)的凝聚能力16Schulze－Hardy法則：反離子的價(jià)數(shù)越高，凝聚價(jià)越小，即凝聚能力越強(qiáng)。陽離子對(duì)帶負(fù)電荷的膠粒凝聚能力次序?yàn)锳l3+>Fe3+>H+>Ca2+>Mg2+>K+>Na+>Li+17常用的凝聚劑電解質(zhì)有：硫酸鋁Al2(SO4)3?18H2O（明礬）；氯化鋁AlCl3?6H2O;三氯化鐵FeCl3;硫酸亞鐵FeSO4·7H2O；石灰；ZnSO4；MgCO318絮凝：大分子聚電解質(zhì)將膠體粒子交聯(lián)成網(wǎng)狀，形成絮凝團(tuán)的過程

機(jī)理：架橋作用分類：陰離子型、陽離子型、非離子型

（二）絮凝flocculation19高分子絮凝劑的吸附架橋作用它們通過靜電引力、范德華引力或氫鍵的作用，強(qiáng)烈地吸附在膠粒的表面。20可分為三類：人工合成有機(jī)高分子聚合物、天然有機(jī)高分子聚合物、微生物絮凝劑1）人工合成有機(jī)高分子聚合物

如聚丙烯酰胺類衍生物工業(yè)上使用的絮凝劑21聚丙烯酰胺類絮凝劑的優(yōu)點(diǎn)用量少；絮凝體粗大，分離效果好；絮凝速度快；種類多，適用范圍廣。聚丙烯酰胺類絮凝劑的缺點(diǎn)：存在一定的毒性目前最常見：聚丙烯酰胺類絮凝劑222）天然有機(jī)高分子絮凝劑例：

淀粉類、纖維素類、植物膠類和聚多糖類。其中淀粉改性絮凝劑的研究開發(fā)最引人注目。233）微生物絮凝劑一類由微生物或其分泌物產(chǎn)生的具有絮凝細(xì)

胞功能的代謝產(chǎn)物。主要成分是糖蛋白、粘多糖、纖維素及核酸

等高分子物質(zhì)。安全，無毒和不污染環(huán)境。24混凝在料液中，先加入無機(jī)電解質(zhì)，使懸浮粒子間的相互排斥能降低，脫穩(wěn)而凝聚成微粒，而后再加入絮凝劑的操作過程。25絮凝的影響因素發(fā)酵液的性質(zhì)；絮凝劑的加量；絮凝劑的分子量；pH控制；攪拌速度。提高溫度方法加水稀釋發(fā)酵液的預(yù)處理和固液分離技術(shù)－確保目的產(chǎn)物穩(wěn)定性－過濾速度需提高稀釋倍數(shù)以上二預(yù)處理-降低發(fā)酵液粘度27三預(yù)處理-調(diào)節(jié)pH調(diào)節(jié)發(fā)酵液的pH到蛋白質(zhì)的等電點(diǎn)是除去蛋白質(zhì)的有效方法。影響離子型絮凝劑的電離度。28

0020040060061218pH4.6pH4.2pH3.8pH2.8FiltrateVolume,cm3Time,minutesFigTheeffectonfiltratevolumeofpH29六預(yù)處理-加入助濾劑例硅藻土、淀粉、活性

炭、石英砂、石棉粉、

纖維素、白土等。30助濾劑的選擇(1)粒度(2)助濾劑的品種(3)用量31六、預(yù)處理-加入反應(yīng)劑1）與某些可溶性鹽類發(fā)生反應(yīng)生成不

溶性沉淀;2）發(fā)酵液中含有不溶性多糖物質(zhì)時(shí)，

用酶轉(zhuǎn)化為單糖，提高過濾速率。32Ca2+——草酸、草酸鈉，→形成草酸鈣沉淀Mg2+——三聚磷酸鈉，→形成三聚磷酸鈉鎂Fe2+——黃血鹽，→普魯士蘭沉淀五、預(yù)處理-高價(jià)無機(jī)離子的去除33四、預(yù)處理-雜蛋白的去除方法沉淀法變性法吸附法341.雜蛋白去除-沉淀法A

等電點(diǎn)沉淀法B.酸堿調(diào)節(jié)，使蛋白質(zhì)與離子形成沉淀352.雜蛋白去除-變性

加熱大幅度調(diào)節(jié)pH值加酒精、丙酮等有機(jī)溶劑或表面活性劑等。363.雜蛋白去除-

吸附法加入某些吸附劑或沉淀劑吸附雜蛋白質(zhì)而除去。四環(huán)類抗生素生產(chǎn)中，采用黃血鹽和硫酸鋅的協(xié)同作用生成亞鐵氰化鋅鉀K2Zn3[Fe(CN)5]2的膠狀沉淀來吸附蛋白質(zhì);在枯草桿菌發(fā)酵液中，常加入氯化鈣和磷酸氫二鈉，加快了過濾速度。37收集胞內(nèi)產(chǎn)物的細(xì)胞或菌體，分離除去液相；收集含生化物質(zhì)的液相，分離除去固體懸浮物。固液分離的目的：38二、影響發(fā)酵液固液分離的因素1）發(fā)酵液中懸浮離子的大小392）發(fā)酵液的黏度：菌體的種類和濃度（重要因素）培養(yǎng)液中蛋白質(zhì)、核酸大量存在培養(yǎng)基成分某些染菌發(fā)酵液發(fā)酵過程的不正常處理40常見的固液分離方法過濾filtration離心Centrifugation

膜分離membraneseparation雙水相萃取ATPS擴(kuò)張床吸附EBA41（一）過濾filtration借助于過濾介質(zhì)，在一定的壓力差ΔP作用下，使懸浮液中的液體通過介質(zhì)的孔道，而固體顆粒被截留在介質(zhì)上，從而實(shí)現(xiàn)固液分離的單元操作。421、濾餅過濾：適用于：濾布，濾餅達(dá)到一定厚度起過濾作用。固體含量>0.1g/100ml介質(zhì)：43過濾推動(dòng)力：懸浮液自身壓強(qiáng)差、重力懸浮液表面加壓過濾介質(zhì)下方抽真空離心力過濾阻力：介質(zhì)阻力濾餅阻力442、過濾介質(zhì)選擇應(yīng)具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和盡

可能小的流動(dòng)阻力。45過濾介質(zhì)-織物介質(zhì)又稱濾布，應(yīng)用最廣泛，包括由棉、麻等天然纖維濾

布和合成纖維濾布。

最高溫度℃密度(kg／m3)吸水率％耐磨棉尼綸滌綸92105—12014515511413816-226.5-8.30.04-0.08良優(yōu)優(yōu)

濾

液澄清度阻力濾餅中含

水濾餅脫落壽命堵孔傾向平紋斜紋緞紋依次降依次降依次減依次易中長(zhǎng)短依次易46過濾介質(zhì)-粒狀介質(zhì)有硅藻土、珍珠巖粉、細(xì)砂、活性炭、白土等。

用于固相含量極少的懸浮液最常用的是硅藻土，是優(yōu)良的過濾介質(zhì)。硅藻土過濾介質(zhì)通常有三種用法：（1）作為深層過濾介質(zhì)。截留效果可達(dá)到1μm。（2）作為預(yù)涂層。保護(hù)孔道不被固體粒子堵塞。（3）用作助濾劑。

47硅藻48過濾介質(zhì)-多孔固體介質(zhì)

如多孔陶瓷、多孔玻璃、多孔塑料等，可加工成板狀或管狀，孔隙很小且耐腐蝕，常用于過濾含有少量微粒的懸浮液。49典型過濾設(shè)備：按操作方式分類：按操作壓強(qiáng)差分類：實(shí)驗(yàn)室用抽濾裝置板框壓濾機(jī)（間歇操作）轉(zhuǎn)筒真空過濾機(jī)（連續(xù)操作）過濾式離心機(jī)3、固液分離過濾設(shè)備間歇過濾機(jī)、連續(xù)過濾機(jī)壓濾、吸濾和離心過濾501）實(shí)驗(yàn)室用抽濾裝置512）板框壓濾機(jī)適合于固體含量1-10%的懸浮液的分離。

廣泛應(yīng)用于培養(yǎng)基制備的過濾及霉菌、放線菌、酵母菌和細(xì)菌等多種發(fā)酵液的固液分離。52板框壓濾機(jī)包括板和框，多做成正方形，角端均開有小孔，裝合壓緊后即構(gòu)成供濾漿或洗水流通的孔道?？虻膬蓚?cè)覆以濾布，空框與濾布圍成了容納濾漿及濾餅的空間，濾板用以支撐濾布并提供濾液流出的通道。53板框式壓濾機(jī)在過濾時(shí)，懸浮液由離心泵或齒輪泵經(jīng)濾漿通道打人框內(nèi)，，濾液穿過濾框兩側(cè)濾布，沿相鄰濾板溝槽流至濾液出口，固體則被截留于框內(nèi)形成濾餅。濾餅充滿濾框后停止過濾。543）真空轉(zhuǎn)鼓過濾機(jī)主體是一個(gè)由篩板組成能轉(zhuǎn)動(dòng)的水平圓筒，表面有一層金屬絲網(wǎng)，網(wǎng)上覆蓋濾布,圓筒內(nèi)沿徑向被筋板分隔成若干個(gè)空間。55轉(zhuǎn)筒真空過濾機(jī)結(jié)構(gòu)：轉(zhuǎn)筒，扇形格(18格)；

濾室；分配頭；動(dòng)盤(18個(gè)孔，分別與扇形格的18個(gè)通道相連)；定盤(三個(gè)凹槽：濾液真空凹槽(1/3)、洗水真空凹槽(1/2)、壓縮空氣凹槽(1/6)，分別將動(dòng)盤的18個(gè)孔道分成三個(gè)通道)；

濾漿槽。56轉(zhuǎn)筒下部浸入濾漿槽中，浸沒角約90°-130°，圓筒緩慢旋轉(zhuǎn)時(shí)(轉(zhuǎn)速約0.5-2r／min)，筒內(nèi)每一空間相繼與分配頭中的3個(gè)室相通，可順序進(jìn)行過濾、洗滌、吸干、吹松、卸餅等項(xiàng)操作。即整個(gè)圓筒分為過濾區(qū)、洗滌及脫水區(qū)，卸渣及再生區(qū)3個(gè)區(qū)域。57轉(zhuǎn)筒真空過濾機(jī)主要適用霉菌發(fā)酵液，對(duì)菌體細(xì)小、黏度大鋪助濾劑。

對(duì)于濾餅阻力較大的物料適應(yīng)能力較差。58帶式真空過濾機(jī)帶式真空過濾機(jī)（是自動(dòng)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)、并能按工藝要求進(jìn)行無級(jí)調(diào)速以及操作方便和動(dòng)力消耗低的一種新型高效的脫水設(shè)備。59帶式真空過濾機(jī)流程1、進(jìn)料→過濾→濾餅洗滌→吸干→卸料→濾布清洗連續(xù)進(jìn)行。

2、真空過濾盤分段設(shè)計(jì)，可滿足不同物料過濾、洗滌、吸干的工藝要求，濾帶運(yùn)行速度采用變頻無級(jí)調(diào)速，對(duì)不同物料有廣泛的適應(yīng)性。

3、在同一設(shè)備上可采用多次逆流洗滌得到高濃度的濾液，也可采用并流洗滌或順流洗滌獲得高純度的濾餅。60結(jié)構(gòu)：轉(zhuǎn)鼓濾餅濾布濾網(wǎng)離心過濾機(jī)工作原理圖轉(zhuǎn)鼓(上有小孔，亦稱懸框)；濾網(wǎng)；濾布；機(jī)架。原理：

由于離心力作用，液體產(chǎn)生徑向壓差，通過濾餅、濾網(wǎng)及濾筐而流出。4）離心過濾機(jī)61又稱切向流過濾在壓力推動(dòng)下，懸浮液以高速在管狀濾膜的內(nèi)壁作切向流動(dòng)，利用流動(dòng)的剪切作用將過濾介質(zhì)表面的固體（濾餅）移走，而附著在濾膜上的濾餅很薄，因而能在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定不變的過濾速度5）錯(cuò)流過濾62朗極化工公司膜澄清過濾和膜濃縮的“錯(cuò)流過濾系統(tǒng)”

陶瓷膜錯(cuò)流過濾63設(shè)備主要結(jié)構(gòu)過程特點(diǎn)適用性板框壓濾機(jī)濾板/濾框/夾緊機(jī)構(gòu)/機(jī)架裝合過濾洗滌卸渣整理加壓過濾，推動(dòng)力較大結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低；過濾面積大，能耗少；間歇操作；洗滌時(shí)間長(zhǎng)，生產(chǎn)效率低。應(yīng)用廣泛。對(duì)原料的適應(yīng)性強(qiáng)轉(zhuǎn)鼓真空過濾機(jī)轉(zhuǎn)筒(濾網(wǎng)、濾布)/分配頭、濾漿槽過濾洗滌吹干卸渣連續(xù)化生產(chǎn)，自動(dòng)化程度高真空過濾，推動(dòng)力較?。?，濾餅濕度大，設(shè)備投資高適于粒度中等，粘度不太大的物料離心過濾機(jī)轉(zhuǎn)鼓(濾網(wǎng)、濾布)/機(jī)架過濾洗滌卸渣離心過濾，推動(dòng)力最大；濾液濕度小，設(shè)備成本高，應(yīng)用廣泛，過濾面積小。幾種過濾設(shè)備的比較64（二）離心分離基于固體顆粒和周圍液體密度存在差異，在離心場(chǎng)中使不同密度的固體顆粒加速沉降的分離過程。動(dòng)植物細(xì)胞的收集、細(xì)胞碎片和沉淀的分離等常用離心分離。離心機(jī)的種類與用途低速離心機(jī)：高速離心機(jī)：超速離心機(jī)：其最大轉(zhuǎn)速在8000r/min以內(nèi)，主要用于細(xì)胞、細(xì)胞碎片和培養(yǎng)基殘?jiān)裙绦挝锏姆蛛x。最大轉(zhuǎn)速為（1～2.5）×104r/min，主要用于細(xì)胞碎片和細(xì)胞器等較小固形物的分離。最大轉(zhuǎn)速達(dá)(2.5～12)×104r/min，主要用于DNA、RNA、蛋白質(zhì)等生物大分子以及細(xì)胞器、病毒等的分離純化。6566按離心機(jī)的作用方式：斜角式平拋式管式碟式離心機(jī)的種類與用途671）斜角式離心機(jī)是一類結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)室常用離心機(jī)；指離心管腔與轉(zhuǎn)軸成一定傾角的轉(zhuǎn)子。

682）平拋式離心機(jī)平拋式離心機(jī)一類結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)室常用的低中速離心機(jī)，轉(zhuǎn)速一般在3000-6000rpm。

69３）管式離心機(jī)管式離心機(jī)具有一個(gè)細(xì)長(zhǎng)而高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)鼓，轉(zhuǎn)鼓內(nèi)裝有縱向平板，其下部有進(jìn)料口。上部?jī)蓚?cè)有重液相和輕液相出口。70由機(jī)身、傳動(dòng)裝置、轉(zhuǎn)鼓、集液盤、進(jìn)液軸承座組成。GF型：GQ型：用于分離各種浮濁液，進(jìn)行液-液分離，如油脂；用于分離各種難于分離的懸浮液，進(jìn)行液-固分離，特別適合于濃度小粘度大，固相顆料細(xì)，固液重度差較小的固液分離，如各種藥液。714）碟片式離心機(jī)是生物工業(yè)中應(yīng)用最為廣泛的一種離心機(jī)

有一個(gè)密封的轉(zhuǎn)鼓，內(nèi)裝十至上百個(gè)錐頂角為60~100゜錐形碟片。碟片間的距離一般為0.5-2.5mm72碟片式離心機(jī)工作原理當(dāng)懸浮液在動(dòng)壓頭的作用下，經(jīng)中心管流入高速旋轉(zhuǎn)的碟片之間的間隙時(shí)，便產(chǎn)生了慣性離心力，其中密度較大的固體顆粒在離心力作用下向上層碟片的下表面運(yùn)動(dòng)，而后在離心力作用下被向外甩出，沿碟片下表面向轉(zhuǎn)子外圍下滑，而液體則由于密度小，在后續(xù)液體的推動(dòng)下沿著碟片的隙道向轉(zhuǎn)子中心流動(dòng)，然后沿中心軸上升，從套管中排出，達(dá)到分離的目的

73三、全發(fā)酵液提取一種新型的生物分離技術(shù)概念被提出：集