第二章 發(fā)酵液的預(yù)處理

生物分離工程孔維寶kwbao@163.com西北師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院1/13/20231第二章發(fā)酵液的預(yù)處理1/13/20232概述無(wú)論是胞內(nèi)產(chǎn)物還是胞外產(chǎn)物，在分離純化目的產(chǎn)物之前，首先要對(duì)發(fā)酵液進(jìn)行預(yù)處理，將固相、液相分離后，才能采用各種物理、化學(xué)、生物的方法進(jìn)行產(chǎn)物的進(jìn)一步分離純化。預(yù)處理(Pretreatment)是指采用絮凝和凝集等技術(shù)加速固液分離，提高過(guò)濾速度。過(guò)濾和離心是其最基本的操作單元。1/13/20233第一節(jié)發(fā)酵液預(yù)處理的方法一、發(fā)酵液的一般特性二、發(fā)酵液預(yù)處理的目的和要求三、發(fā)酵液預(yù)處理的方法1/13/20234一、發(fā)酵液的一般特性水分含量高（90-99%）產(chǎn)物濃度低（<10%）發(fā)酵液黏度大，不易過(guò)濾殘留培養(yǎng)基成分含有發(fā)酵代謝副產(chǎn)物發(fā)酵液含有色素、毒性物質(zhì)和熱源物質(zhì)等有機(jī)雜質(zhì)1/13/20235二、發(fā)酵液預(yù)處理的目的和要求（一）目的改變發(fā)酵液特性，加速固液分離富集分離產(chǎn)物于固相（或液相）去除部分雜質(zhì)，減少后續(xù)分離負(fù)荷1/13/20236二、發(fā)酵液預(yù)處理的目的和要求（二）要求菌體分離發(fā)酵懸浮物的去除固液懸浮物的去除蛋白質(zhì)的去除重金屬離子的去除色素、毒物和熱源物等有機(jī)質(zhì)的去除改變發(fā)酵液特性，利于后續(xù)分離工作調(diào)節(jié)適宜的pH值和溫度1/13/20237三、發(fā)酵液預(yù)處理的方法（一）凝集和絮凝方法1、凝集在凝聚劑的作用下，使發(fā)酵液中的膠體脫穩(wěn)并使粒子相互凝聚為1mm大小塊狀絮凝體的過(guò)程。本質(zhì)：對(duì)初始粒子表面電荷的中和、消除離子表面穩(wěn)定的雙電荷層。1/13/20238鹵水點(diǎn)豆腐——凝聚原理黃豆里的蛋白質(zhì)團(tuán)粒被水簇?fù)碇煌５剡\(yùn)動(dòng)，聚不到一塊兒，形成了“膠體”溶液。點(diǎn)鹵用鹽鹵或石膏，鹽鹵主要含氯化鎂，石膏是硫酸鈣，它們能使分散的蛋白質(zhì)團(tuán)粒很快地聚集到一塊兒，成了白花花的豆腐腦。1/13/20239膠體雙電子層的結(jié)構(gòu)————————————++++++電荷密度+++++++++———————————————+++++++++吸附層擴(kuò)散層距固體表面的距離正電荷分布負(fù)電荷分布1/13/202310破壞雙電荷層的方法加入具有相反電性的電解質(zhì)，中和膠粒電性，降低雙電子層的排斥力，導(dǎo)致膠粒的相互碰撞。另外，由于電解質(zhì)在水中的水化作用，會(huì)破壞膠粒周?chē)乃瘜?，促使膠粒碰撞、聚集、沉降。1/13/202311三、發(fā)酵液預(yù)處理的方法（一）凝集和絮凝方法2、絮凝在高分子絮凝劑的作用下，通過(guò)橋架作用使粒子相互作用形成較大的絮凝團(tuán)的過(guò)程。本質(zhì)：懸浮粒子與絮凝劑之間的橋架作用。1/13/202312絮凝現(xiàn)象與原理絮凝劑菌體細(xì)胞1/13/202313絮凝現(xiàn)象與原理1/13/202314絮凝劑的種類(lèi)無(wú)機(jī)絮凝劑硫酸鋁、氯化鈣、氯化鎂、堿式氯化鋁有機(jī)絮凝劑殼多糖、海藻酸鈉、明膠、聚丙烯酰胺、聚乙烯亞胺等微生物絮凝劑真菌、細(xì)菌等代謝產(chǎn)生的多糖、蛋白質(zhì)和核酸類(lèi)大分子物質(zhì)。1/13/202315復(fù)合型生物絮凝劑

(CompoundBio-flocculants)1/13/202316影響絮凝效果的因素絮凝劑的種類(lèi)絮凝劑的濃度pH值攪拌速度和時(shí)間Vml/minVml/min濃度pHFR/%時(shí)間溫度1/13/2023173、對(duì)發(fā)酵液凝聚和絮凝方法的研究見(jiàn)教材14文中內(nèi)容均為文獻(xiàn)研究報(bào)告的摘要和重要結(jié)論部分。1/13/202318（二）加熱法前提：產(chǎn)物的熱穩(wěn)定性高目的：降低發(fā)酵液黏度加速凝聚作用除去熱變性蛋白破壞凝膠狀膠體穩(wěn)定性增加濾餅空隙率1/13/202319（三）調(diào)節(jié)pH值法促進(jìn)絮凝和凝聚作用釋放或穩(wěn)定產(chǎn)物，防止其氧化、變性或沉淀。調(diào)節(jié)pH值時(shí)應(yīng)防止過(guò)酸或過(guò)堿（四）加水稀釋法提高后續(xù)的離心沉降速度1/13/202320不同pH值條件下小球藻具有不同的懸浮特性1/13/202321小球藻調(diào)pH值自絮凝沉淀實(shí)驗(yàn)加入磷酸氫二鈉和氯化鈣形成的CaHPO4凝膠1/13/202322（五）加入助濾劑法防止濾布或生成的濾餅阻塞而影響過(guò)濾。常用的助濾劑：紙漿石棉活性炭硅藻土酸性白土1/13/202323助濾劑的使用方法先涂層后再過(guò)濾先預(yù)混后再一起過(guò)濾將含助濾劑的發(fā)酵液先壓濾形成過(guò)濾介質(zhì)層，然后再進(jìn)行過(guò)濾。過(guò)濾介質(zhì)助濾層濾液1/13/202324（六）加吸附劑或鹽吸附細(xì)胞常用的吸附劑有磷酸氫二鈉和氯化鈣形成的CaHPO4凝膠、氧化鋁凝膠和聚丙烯酰胺凝膠等。1/13/202325（七）高價(jià)態(tài)無(wú)機(jī)離子的去除方法在發(fā)酵液中高價(jià)態(tài)的無(wú)機(jī)離子主要為Ca2+、Mg2+、Fe3+三種。Ca2+：加入草酸或草酸鈉Mg2+：與磷酸鹽生成磷酸鎂沉淀，三聚磷酸鈉Fe3+：加入黃血鹽，生成普魯士沉淀而去除。也可加入堿化劑（NaOH、Na2CO3等）。1/13/202326（八）可溶性雜蛋白質(zhì)的去除方法等電點(diǎn)沉淀法酸化劑和堿化劑調(diào)節(jié)pH至等電點(diǎn)熱處理法加熱變性蛋白質(zhì)沉淀化學(xué)變性沉淀法酸、有機(jī)溶劑、重金屬變性蛋白質(zhì)吸附法利用吸附法去除雜蛋白1/13/202327（九）色素及其它雜質(zhì)的去除方法常用的脫色方法有離子交換法和吸附法。1/13/202328第二節(jié)發(fā)酵液的過(guò)濾一、發(fā)酵液過(guò)濾的目的二、影響發(fā)酵液過(guò)濾的因素三、發(fā)酵液過(guò)濾的方法四、提高過(guò)濾性能的方法五、過(guò)濾介質(zhì)的選擇六、過(guò)濾操作條件優(yōu)化七、過(guò)濾設(shè)備1/13/202329一、發(fā)酵液過(guò)濾的目的獲得含有目標(biāo)產(chǎn)物的細(xì)胞或發(fā)酵液。除去發(fā)酵液中的固形雜質(zhì)。發(fā)酵液的固液分離是指用過(guò)濾或離心等手段除去發(fā)酵液中的懸浮固體（如菌體、細(xì)胞、細(xì)胞碎片、蛋白質(zhì)及其絮凝體）的過(guò)程。1/13/202330二、影響發(fā)酵液過(guò)濾的因素（一）菌種（二）發(fā)酵液黏度發(fā)酵條件放罐時(shí)間發(fā)酵染菌發(fā)酵液的pH值、溫度1/13/202331三、發(fā)酵液過(guò)濾的方法（一）過(guò)濾常規(guī)過(guò)濾錯(cuò)流過(guò)濾（二）離心過(guò)濾式離心沉降式離心（三）不經(jīng)固液分離的直接分離提取離子交換萃取1/13/202332錯(cuò)流過(guò)濾設(shè)備裝置錯(cuò)流過(guò)濾運(yùn)行示意圖1/13/202333離心分離機(jī)分為過(guò)濾式離心機(jī)和沉降式離心機(jī)。臥式離心分離機(jī)1/13/202334三足離心機(jī)SS型三足離心機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)正常時(shí)，從頂部加料管進(jìn)入物料，物料在離心力場(chǎng)的作用下，均勻分布于轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁，液體穿過(guò)離心機(jī)網(wǎng)經(jīng)轉(zhuǎn)鼓濾孔而泄出，固體則被截留在轉(zhuǎn)鼓的內(nèi)壁，當(dāng)達(dá)到分離要求后，關(guān)閉電機(jī)，制動(dòng)停機(jī)，由人工把物料從該機(jī)上部卸出。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便，通用性強(qiáng)等特點(diǎn)。1/13/202335離心分離機(jī)優(yōu)缺點(diǎn)比較優(yōu)點(diǎn)：分離速度快、效率高；操作衛(wèi)生條件好，占地面積??；可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、連續(xù)化和程序化控制；適合于大規(guī)模分離過(guò)程。缺點(diǎn)：投資費(fèi)用高；耗能高。1/13/202336四、提高過(guò)濾性能的方法（一）加入助濾劑粒度品種用量（二）添加填充凝固劑生成不溶解的沉淀，防止菌絲體粘結(jié)（三）加入降解酶多糖、蛋白質(zhì)水解酶——（純生啤酒過(guò)濾膜的生物清洗劑）1/13/202337五、過(guò)濾介質(zhì)的選擇（一）織物介質(zhì)天然或合成纖維濾布（二）粒狀介質(zhì)硅藻土、活性炭、白土（三）多孔固體介質(zhì)多孔陶瓷、金屬陶瓷、燒結(jié)樹(shù)脂、多孔塑料、泡沫金屬（四）微孔纖維素薄膜和金屬薄膜醋酸纖維膜、聚碳酸酯纖維素1/13/202338過(guò)濾介質(zhì)濾布蜂窩陶瓷過(guò)濾片微孔膜過(guò)濾芯硅藻土

1/13/202339六、過(guò)濾操作條件優(yōu)化（一）改善懸浮液的物理性質(zhì)酸化絮凝法、熱處理法、絮凝和凝集法、添加助濾劑法。（二）改善設(shè)備結(jié)構(gòu)擴(kuò)大設(shè)備尺寸、增加過(guò)濾面積（三）改變過(guò)濾方式反向過(guò)濾、動(dòng)態(tài)過(guò)濾、錯(cuò)流過(guò)濾（四）適當(dāng)增加壓力1/13/202340七、過(guò)濾設(shè)備過(guò)濾機(jī)分類(lèi)圖示文獻(xiàn)來(lái)源：李英昌,周志鴻.板框式壓濾機(jī)技術(shù)發(fā)展概況[J].冶金設(shè)備,2007,(4):42-45.1/13/202341七、過(guò)濾設(shè)備（一）板框式壓濾機(jī)1/13/202342濾框和濾板1-濾框2-濾板3-濾板外框架4-濾板柵5-支撐格篩6-壓蓋框1/13/202343西班牙TH公司的APN-18型壓濾機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖文獻(xiàn)來(lái)源：李英昌,周志鴻.板框式壓濾機(jī)技術(shù)發(fā)展概況[J].冶金設(shè)備,2007,(4):42-45.1/13/202344七、過(guò)濾設(shè)備（二）板式壓濾機(jī)1/13/202345七、過(guò)濾設(shè)備（三）自動(dòng)板框壓濾機(jī)1/13/202346板框壓濾機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：適應(yīng)性強(qiáng)；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低、動(dòng)力消耗少。缺點(diǎn)：不能連續(xù)工作；設(shè)備笨重、勞動(dòng)強(qiáng)度大；非生產(chǎn)的輔助時(shí)間長(zhǎng)。壓濾機(jī)改進(jìn)設(shè)備：自動(dòng)板框壓濾機(jī)——非生產(chǎn)時(shí)間縮短，勞動(dòng)強(qiáng)度降低。1/13/202347七、過(guò)濾設(shè)備（四）真空過(guò)濾機(jī)1/13/202348真空鼓式過(guò)濾機(jī)——利用真空吸濾原理1/13/202349轉(zhuǎn)筒真空過(guò)濾機(jī)轉(zhuǎn)筒結(jié)構(gòu)及工作過(guò)程