發(fā)酵液預(yù)處理和過濾演示文稿

發(fā)酵液預(yù)處理和過濾演示文稿現(xiàn)在是1頁\一共有52頁\編輯于星期三

微生物菌體及殘存的固體培養(yǎng)基外，還有未被微生物完全利用的糖類、無機(jī)鹽、蛋白質(zhì)，以及微生物的各種代謝產(chǎn)物。發(fā)酵液成分目的

分離菌體和其他懸浮顆粒，除去部分可溶性雜質(zhì)和改變?yōu)V液的性質(zhì)，以利于提取和精制后繼各工序的順利進(jìn)行。現(xiàn)在是2頁\一共有52頁\編輯于星期三

對于胞外產(chǎn)物，經(jīng)預(yù)處理應(yīng)盡可能使目的產(chǎn)物轉(zhuǎn)移到液相，然后經(jīng)固液分離除去固相；

對于胞內(nèi)產(chǎn)物，則應(yīng)首先收集菌體或細(xì)胞，經(jīng)細(xì)胞破碎后，目的產(chǎn)物進(jìn)入液相，隨后再將細(xì)胞碎片分離。方法選擇現(xiàn)在是3頁\一共有52頁\編輯于星期三1、發(fā)酵液過濾特性的改變2、發(fā)酵液的相對純化3、固液分離工程及設(shè)備主要內(nèi)容現(xiàn)在是4頁\一共有52頁\編輯于星期三1、發(fā)酵液過濾特性的改變①發(fā)酵產(chǎn)物濃度較低，大多為1％一10％，懸浮液中大部分是水；

②懸浮物顆粒小，相對密度與液相相差不大；③固體粒子可壓縮性大；④液相粘度大，大多為非牛頓型流體；⑤性質(zhì)不穩(wěn)定，隨時間變化，如易受空氣氧化、微生物污染、蛋白酶水解等作用的影響。這些特性使得發(fā)酵液的過濾與分離相當(dāng)困難。1.1微生物發(fā)酵液的特性現(xiàn)在是5頁\一共有52頁\編輯于星期三

1.2改善發(fā)酵液過濾特性的物理化學(xué)方法

通過對發(fā)酵液進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)處理，即可改善其流體性能，降低濾餅比阻，提高過濾與分離的速率。

1.降低液體粘度：

根據(jù)流體力學(xué)原理，濾液通過濾餅的速率與液體的粘度成反比，降低液體粘度可有效提高過濾速率。注意加熱溫度與時間，不影響產(chǎn)物活性和細(xì)胞的完整性。

有加水稀釋法和加熱法現(xiàn)在是6頁\一共有52頁\編輯于星期三

pH值直接影響發(fā)酵液中某些物質(zhì)的電離度和電荷性質(zhì)，適當(dāng)調(diào)節(jié)pH值可改善其過濾特性。

氨基酸、蛋白質(zhì)等電點的調(diào)節(jié)；在膜過濾中，發(fā)酵液中的大分子物質(zhì)易與膜發(fā)生吸附，通過調(diào)整pH值改變易吸附分子的電荷性質(zhì)，即可減少堵塞和污染；細(xì)胞、細(xì)胞碎片及某些膠體物質(zhì)等在某個pH值下也可能趨于絮凝而成為較大顆粒，有利于過濾的進(jìn)行。

主要有等電點沉淀法

2.調(diào)整pH現(xiàn)在是7頁\一共有52頁\編輯于星期三

采用凝聚和絮凝技術(shù)能有效改變細(xì)胞、細(xì)胞碎片及溶解大分子物質(zhì)的分散狀態(tài)，使其聚結(jié)成較大的顆粒，便于提高過濾速率。另外，還能有效地除去雜蛋白和固體雜質(zhì)，提高濾液質(zhì)量。

3.凝聚與絮凝現(xiàn)在是8頁\一共有52頁\編輯于星期三

助濾劑是一種不可壓縮的多孔微粒，它能使濾餅疏松，濾速增大。懸浮液中大量的細(xì)微膠體粒子被吸附到助濾劑的表面上，改變了濾餅結(jié)構(gòu)，降低了過濾阻力。4.加入助濾劑

常用的助濾劑

硅藻土、纖維素、石棉粉、白土、炭粒、淀粉等。最常用的是硅藻土，使用時，通常細(xì)粒用量為500g/m3；中等粒度用量為700g/m3；粗粒用量為700-1000g/m3。

現(xiàn)在是9頁\一共有52頁\編輯于星期三

加入反應(yīng)劑和某些可溶性鹽類發(fā)生反應(yīng)生成不溶性沉淀，如CaSO4，AlPO4等。生成的沉淀能防止菌絲體粘結(jié)，使菌絲具有塊狀結(jié)構(gòu)，沉淀本身可作為助濾劑，且能使膠狀物和懸浮物凝固改善過濾性能；如發(fā)酵液中含有不溶性多糖物質(zhì)，用酶將其轉(zhuǎn)化為單糖，以提高過濾速率。如萬古霉素用淀粉作培養(yǎng)基，發(fā)酵液過濾前加入0.025%的淀粉酶，攪拌30min后，再加2.5%硅藻土助濾劑，可提高過濾效率5倍。不影響目的產(chǎn)物，可消除發(fā)酵液中某些雜質(zhì)對過濾的影響，提高過濾速率。

5.加入反應(yīng)劑：現(xiàn)在是10頁\一共有52頁\編輯于星期三1.3凝聚與絮凝采用凝聚和絮凝技術(shù)能有效改變細(xì)胞、細(xì)胞碎片及溶解大分子物質(zhì)的分散狀態(tài)，使其聚結(jié)成較大的顆粒，便于提高過濾速率。另外，還能有效地除去雜蛋白和固體雜質(zhì)，提高濾液質(zhì)量。現(xiàn)在是11頁\一共有52頁\編輯于星期三

凝聚：指在電解質(zhì)作用下，由于膠粒之間雙電層電排斥作用降低，電位下降，而使膠體體系不穩(wěn)定的現(xiàn)象。

凝聚值：使膠粒發(fā)生凝聚作用的最小電解質(zhì)濃度。反離子的價數(shù)越高，該值就越小，即凝聚能力越強(qiáng)。

1、凝聚現(xiàn)在是12頁\一共有52頁\編輯于星期三陽離子對帶負(fù)電荷的膠粒凝聚能力的次序為：Al3+>Fe3+>H+>Ca2+>Mg2+>K+>Na+>Li+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；MgCO3發(fā)酵液中的細(xì)胞、菌體或蛋白質(zhì)等膠體粒子雙電層的結(jié)構(gòu)使膠粒之間不易聚集而保持穩(wěn)定的分散狀態(tài)，因此常加入陽離子對發(fā)酵液進(jìn)行凝聚。

現(xiàn)在是13頁\一共有52頁\編輯于星期三2、絮凝絮凝：指在某些高分子絮凝劑存在下，基于橋架作用，使膠粒形成較大絮凝團(tuán)的過程。采用絮凝法可形成粗大的絮凝體，使發(fā)酵液較易分離

現(xiàn)在是14頁\一共有52頁\編輯于星期三絮凝劑是一種能溶于水的高分子聚合物，其相對分子質(zhì)量可高達(dá)數(shù)萬至一千萬以上，長鏈狀結(jié)構(gòu)，其鏈節(jié)上含有許多活性官能團(tuán)，包括帶電荷的陰離子（如---COOH）或陽離子（如---NH2）基團(tuán)以及不帶電荷的非離子型基團(tuán)。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。當(dāng)一個高分子聚合物的許多鏈節(jié)分別吸附在不同的膠粒表面上，產(chǎn)生橋架聯(lián)結(jié)時，就形成了較大的絮團(tuán)，這就是絮凝作用?，F(xiàn)在是15頁\一共有52頁\編輯于星期三高分子絮凝劑的吸附和絮凝作用示意圖現(xiàn)在是16頁\一共有52頁\編輯于星期三現(xiàn)在是17頁\一共有52頁\編輯于星期三1）有機(jī)高分子聚合物，如聚丙烯酰胺類衍生物、聚苯乙烯類衍生物；2）無機(jī)高分子聚合物，如聚合鋁鹽、聚合鐵鹽等；3）天然有機(jī)高分子絮凝劑，如聚糖類膠粘物、海藻酸鈉、明膠、骨膠、殼多糖、脫乙酰殼多糖等。目前最常見的高分子聚合物絮凝劑有機(jī)合成的聚丙烯酰胺（polyacrylamide）類衍生物根據(jù)活性基團(tuán)在水中解離情況不同，可分為三類：非離子型、陰離子型（含有羧基）陽離子型（含有胺基）工業(yè)上使用的絮凝劑可分為三類：現(xiàn)在是18頁\一共有52頁\編輯于星期三聚丙烯酰胺絮凝劑現(xiàn)在是19頁\一共有52頁\編輯于星期三聚丙烯酰胺類絮凝劑的優(yōu)點用量少，一般以mg/L計量；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存在一定的毒性，特別是陽離子型聚丙烯酰胺，用于食品和醫(yī)藥工業(yè)時應(yīng)謹(jǐn)慎。現(xiàn)在是20頁\一共有52頁\編輯于星期三醫(yī)藥和食品工業(yè)其它絮凝劑聚丙烯酸類陰離子絮凝劑（無毒），聚苯乙烯類衍生物，無機(jī)高分子聚合物絮凝劑（聚合鋁鹽、聚合鐵鹽等），天然有機(jī)高分子絮凝劑（多聚糖類膠粘物、海藻酸鈉、明膠、骨膠、殼多糖、脫乙酰殼多糖等）?，F(xiàn)在是21頁\一共有52頁\編輯于星期三影響絮凝的因素絮凝劑的加量絮凝劑的分子量溶液的pH攪拌速度攪拌時間現(xiàn)在是22頁\一共有52頁\編輯于星期三對于非離子型和陰離子型高分子絮凝劑，要采用凝聚和絮凝雙重機(jī)理才能提高過濾效果，這種包括凝聚和絮凝機(jī)理的過程，稱為混凝。對于帶負(fù)電荷的菌體或蛋白質(zhì)來說，采用陽離子型高分子絮凝劑同時具有降低膠粒雙電層電位和產(chǎn)生吸附橋架的雙重機(jī)理。（3）混凝現(xiàn)在是23頁\一共有52頁\編輯于星期三2、發(fā)酵液的相對純化

發(fā)酵液中雜質(zhì)很多，其中有些雜質(zhì)不僅直接影響產(chǎn)品質(zhì)量利收得率，同時對后繼提取和精制有很大影響。發(fā)酵液中的雜質(zhì)（1）高價無機(jī)離子（Ca2+、Mg2+、Fe2+）在采用離子交換提煉時，會影響樹脂對生化物質(zhì)的交換容量。現(xiàn)在是24頁\一共有52頁\編輯于星期三存在對處理的影響：在采用離子交換和吸附法提取時會降低其交換容量和吸附能力，在有機(jī)溶劑法或雙水相萃取時，易產(chǎn)生乳化現(xiàn)象，使兩相分離不清。在常規(guī)過濾或膜過濾時，易使過濾介質(zhì)堵塞或受污染，影響過濾效率。

因此，在預(yù)處理時，應(yīng)盡量除去這些物質(zhì)。（2）可溶性雜蛋白現(xiàn)在是25頁\一共有52頁\編輯于星期三1.Ca2+：草酸、草酸鈉→形成草酸鈣沉淀

但草酸價格較貴，加入硫酸鉛，在60℃下反應(yīng)生成草酸鉛。后者在90－95℃下用硫酸分解，經(jīng)過濾、冷卻、結(jié)晶后可以回收草酸。草酸鎂的溶解度較大。故加入草酸不能除盡鎂離子。要除去鎂離子，可以加入三聚磷酸鈉，它和鎂離子形成可溶性絡(luò)合物Na5P3O10＋Mg＋＋＝MgNa3P3O10＋2Na十2.1高價無機(jī)離子的去除方法現(xiàn)在是26頁\一共有52頁\編輯于星期三2.Mg2+：三聚磷酸鈉→形成三聚磷酸鈉鎂（可溶性絡(luò)合物）3.Fe2+——黃血鹽，→普魯士蘭沉淀高價無機(jī)離子的去除方法（續(xù)）現(xiàn)在是27頁\一共有52頁\編輯于星期三蛋白質(zhì)一般以膠體狀態(tài)存在于發(fā)酵液中。在酸性溶液中帶正電荷；在堿性溶液中帶負(fù)電荷。在某一pH下，凈電荷為零，溶解度最小，稱為等電點。2.2雜蛋白的去除方法現(xiàn)在是28頁\一共有52頁\編輯于星期三在酸性溶液中，蛋白質(zhì)與一些陰離子，如三氯乙酸鹽、水楊酸鹽、鎢酸鹽、苦味酸鹽、鞣酸鹽、過氯酸鹽等形成沉淀；在堿性溶液中，蛋白質(zhì)與一些陽離子，如Ag+、Cu++、Zn++、Fe+++和Pb++等形成沉淀。由于羧基的電離度比氨基大，故蛋白質(zhì)的酸性性質(zhì)通常強(qiáng)于堿性，因而很多蛋白質(zhì)的等電點都在酸性范圍內(nèi)（pH4.0－5.5）。但單靠調(diào)節(jié)pH至等電點的辦法不能將大部分蛋白質(zhì)除去。（1）.酸堿調(diào)節(jié)，使蛋白質(zhì)與鹽或離子形成沉淀現(xiàn)在是29頁\一共有52頁\編輯于星期三加熱，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。不足之處:加熱法只適合于對熱較穩(wěn)定的目的產(chǎn)物；極端pH值也會導(dǎo)致某些目的產(chǎn)物失活，且要消耗大量酸堿；有機(jī)溶劑法通常只適用于所處理的液體數(shù)量較少的場合。（2）.變性法

現(xiàn)在是30頁\一共有52頁\編輯于星期三

加入某些吸附劑或沉淀劑吸附雜蛋白質(zhì)而除去。在四環(huán)素類抗生素中，采用黃血鹽和硫酸鋅的協(xié)同作用生成亞鐵氰化鋅鉀的膠狀沉淀來吸附蛋白質(zhì)；在枯草桿菌發(fā)酵液中，加入氯化鈣和磷酸氫二鈉，兩者生成龐大的凝膠，把蛋白質(zhì)、菌體及其他不溶性粒子吸附并包裹在其中除去。（3）.吸附法現(xiàn)在是31頁\一共有52頁\編輯于星期三3、固液分離工程范圍：培養(yǎng)基、發(fā)酵液、某些中間產(chǎn)品和半成品。其中發(fā)酵液由于種類多、粘度大和成分復(fù)雜，分離最為困難。方法：分離篩、重力沉降、浮選分離、離心分離和過濾等，其中用于發(fā)酵液固液分離的主要是離心分離和過濾分離?，F(xiàn)在是32頁\一共有52頁\編輯于星期三1.原理：利用轉(zhuǎn)鼓高速轉(zhuǎn)動所產(chǎn)生的離心力，來實現(xiàn)懸浮液、乳濁液的分離或濃縮。2.優(yōu)點：分離速率快、分離效率高、液相澄清度好等。3.缺點：設(shè)備投資高、能耗大。此外，連續(xù)排料時，固相干度不如過濾設(shè)備。4.種類：種類多，按其作用原理不同，可分為過濾式離心機(jī)和沉降式離心機(jī)兩大類。3.1離心分離現(xiàn)在是33頁\一共有52頁\編輯于星期三5.離心機(jī)種類：a.碟片式離心機(jī)現(xiàn)在是34頁\一共有52頁\編輯于星期三b.管式離心機(jī)現(xiàn)在是35頁\一共有52頁\編輯于星期三C.傾析式離心機(jī)現(xiàn)在是36頁\一共有52頁\編輯于星期三3.2過濾微生物發(fā)酵液中含有大量菌體、細(xì)胞或細(xì)胞碎片以及殘余的固體培養(yǎng)基成分。過濾就是將懸浮在發(fā)酵液中的固體顆粒與液體進(jìn)行分離的過程。在過濾操作中，要求濾速快、濾液澄清，并且有高的收率。現(xiàn)在是37頁\一共有52頁\編輯于星期三過濾（續(xù)）1.原理：懸浮液通過過濾介質(zhì)時，固態(tài)顆粒與溶液分離。2.類型：澄清過濾濾餅過濾現(xiàn)在是38頁\一共有52頁\編輯于星期三

過濾介質(zhì)為硅藻土、砂、顆?；钚蕴?、玻璃珠、塑料顆粒等。當(dāng)懸浮液通過濾層時，固體顆粒被阻攔或吸附在濾層的顆粒上，使濾液得以澄清。適合于固體含量少于0.1g/100mL、顆粒直徑在5-100um的懸浮液的過濾分離，如河水、麥芽汁、酒類和飲料等的澄清。（1）澄清過濾：現(xiàn)在是39頁\一共有52頁\編輯于星期三過濾介質(zhì)為濾布，包括天然或合成纖維織布、金屬織布、玻璃纖維紙、合成纖維等無紡布。當(dāng)懸浮液通過濾布時，固體顆粒被濾布阻攔而逐漸形成濾餅（濾渣）。當(dāng)濾餅至一定厚度時即起過濾作用，此時即可獲得澄清的濾液，這種方法叫做濾餅過濾。在濾餅過濾中，懸浮液本身形成的濾餅起著主要的過濾作用，適合于固體含量大于.1g/100mL的懸浮液的過濾分離。

（2）濾餅過濾現(xiàn)在是40頁\一共有52頁\編輯于星期三濾餅的比阻值濾餅的質(zhì)量比阻力rB：是衡量過濾特性的主要指標(biāo)，它表示的是單位濾餅厚度的阻力系數(shù)，與濾餅的結(jié)構(gòu)特性有關(guān)。rB=r（△p）m式中：r—不可壓縮濾餅，對一定的料液其值為常數(shù)m—壓縮性指數(shù)，一般取，對不可壓縮性濾餅為0；△p-壓力差（Pa）現(xiàn)在是41頁\一共有52頁\編輯于星期三過濾方程式

對于可壓縮濾餅，如果過濾介質(zhì)的阻力相對較小，可以忽略不計，則恒壓下的過濾方程式為：q2=2（△p/μrBXB)τ式中：q—到瞬間τ時，通過單位過濾面積的濾液量；△p-壓力差（Pa）；μ—濾液黏度（PaS）；rB—濾餅的質(zhì)量比阻（m/kg）XB—通過單位體積濾液所形成的濾渣質(zhì)量（kg/m3）τ—過濾時間（s）

現(xiàn)在是42頁\一共有52頁\編輯于星期三比阻值

質(zhì)量比阻可根據(jù)上式，利用圖解法求得，τ/q為縱坐標(biāo)，以q為橫坐標(biāo)所得的直線斜率為M，則rB可按下式進(jìn)行計算：

rB=2M△p/μXB

根據(jù)濾餅的質(zhì)量比阻值，可以衡量各種不同發(fā)酵液過濾的難易程度。

現(xiàn)在是43頁\一共有52頁\編輯于星期三3、影響發(fā)酵液過濾因素發(fā)酵液過濾速度受到以下幾方面的影響：（1）微生物種類；（2）培養(yǎng)基的組成；（3）發(fā)酵結(jié)束培養(yǎng)基濃度；（4）消泡劑；（5）發(fā)酵周期。現(xiàn)在是44頁\一共有52頁\編輯于星期三4、提高過濾性能的方法對難以過濾的發(fā)酵液，需要通過改善過濾性能，降低濾餅比阻值的方法來提高過濾速度,，常用的方法有：（1）等電點法；（2）蛋白質(zhì)變性；（3）吸附；（4）凝聚和絮凝；（5）加入助慮劑；（6）添加填充凝固劑；（7）酶降解?，F(xiàn)在是45頁\一