第二章 发酵液预处理

1、第三章 发酵液预处理l1、预处理的目的：分离除去菌体和其他悬浮、预处理的目的：分离除去菌体和其他悬浮颗粒，同时除去一部分可溶性杂质，改变滤液颗粒，同时除去一部分可溶性杂质，改变滤液的性质，为提取和精制等后道工序创造有利条的性质，为提取和精制等后道工序创造有利条件。件。l2、对于胞外产物，预处理时应尽可能使产物、对于胞外产物，预处理时应尽可能使产物转移到液相，然后用固液分离除去固相。转移到液相，然后用固液分离除去固相。l3、对于胞内产物，则应先收集菌体或细胞，、对于胞内产物，则应先收集菌体或细胞，经细胞破碎后，使产物转移到液相，再用固液经细胞破碎后，使产物转移到液相，再用固液分离除去细胞碎片。分

2、离除去细胞碎片。第一节 发酵液过滤特性的改变l1、发酵液的特性：、发酵液的特性：A: 发酵产物浓度较低。发酵产物浓度较低。B: 悬浮物颗粒小，相对密度和液相相差不大。悬浮物颗粒小，相对密度和液相相差不大。C: 固体粒子可压缩性大。固体粒子可压缩性大。D: 液相黏度大，大多为非牛顿流体。液相黏度大，大多为非牛顿流体。E: 性质不稳定，随时间变化。性质不稳定，随时间变化。2、改善发酵液特性的方法有：、改善发酵液特性的方法有： 调酸、热处理、电解质处理、添加絮凝剂、添加表调酸、热处理、电解质处理、添加絮凝剂、添加表面活性剂、添加反应剂、冷冻面活性剂、添加反应剂、冷冻-解冻、添加助滤剂等。解冻、添加助

3、滤剂等。一、降低液体粘度l根据流体力学原理，滤液通过滤饼的速率与液体根据流体力学原理，滤液通过滤饼的速率与液体的粘度成反比，因此，降低液体的粘度可有效提的粘度成反比，因此，降低液体的粘度可有效提高过滤速度。高过滤速度。l降低液体粘度常用的方法：加水稀释和加热。降低液体粘度常用的方法：加水稀释和加热。二、调整二、调整pH pH直接影响发酵液中某些物质的电解质和电直接影响发酵液中某些物质的电解质和电荷性质，适当调节荷性质，适当调节pH值可改善其过滤特性值可改善其过滤特性 大多数蛋白质的等电点在酸性范围内（大多数蛋白质的等电点在酸性范围内（pH4.0-5.5）利用酸性来调节发酵液利用酸性来调节发酵液

4、pH使之达到等电点，使之达到等电点，可除去蛋白质等酸性两性物质。可除去蛋白质等酸性两性物质。三、凝聚与絮凝凝聚：凝聚： 凝聚是指在电解质作用下，由于胶体粒子之凝聚是指在电解质作用下，由于胶体粒子之间双电层排斥作用降低，电位下降，而使胶体体间双电层排斥作用降低，电位下降，而使胶体体系不稳定的现象。系不稳定的现象。凝聚值凝聚值：使胶体粒子发生凝聚的最低电解质浓度，：使胶体粒子发生凝聚的最低电解质浓度，表示电解质的凝聚能力。表示电解质的凝聚能力。阳离子对发酵液胶体粒子凝聚力的次序：阳离子对发酵液胶体粒子凝聚力的次序：Al3+Fe3+H+Ca2+Mg2+K+Na+Li+ 2、絮凝l絮凝：絮凝： 絮凝是

5、指在某些高分子絮凝剂存在絮凝是指在某些高分子絮凝剂存在下，基于桥架作用，使胶体粒子形成较大下，基于桥架作用，使胶体粒子形成较大絮凝团的过程。絮凝团的过程。l絮凝剂的结构特性：絮凝剂的结构特性：一方面要求其分子必一方面要求其分子必须含有较多的活性官能团，使之能和胶体须含有较多的活性官能团，使之能和胶体粒子结合；另一方面要求有长链的线性结粒子结合；另一方面要求有长链的线性结构，以便同时和多个胶体粒子结合。构，以便同时和多个胶体粒子结合。l絮凝剂的分类：絮凝剂的分类：（1）、有机高分子聚合物）、有机高分子聚合物（2）、无机高分子聚合物）、无机高分子聚合物（3）、天然高分子有机物）、天然高分子有机物絮

6、凝效果的好坏与以下因素有关：絮凝效果的好坏与以下因素有关： 1、絮凝剂的加量、絮凝剂的加量 2、絮凝剂的分子量和类型、絮凝剂的分子量和类型 3、溶液的、溶液的pH值值 4、搅拌速度和时间、搅拌速度和时间3、混凝l无机电解质和絮凝剂交叉使用，可以大大提高絮无机电解质和絮凝剂交叉使用，可以大大提高絮凝的效果，这种包括凝聚和絮凝机理的过程，称凝的效果，这种包括凝聚和絮凝机理的过程，称为混凝为混凝四、助滤剂l助滤剂的使用方法有两种：一种是在过滤介质表助滤剂的使用方法有两种：一种是在过滤介质表面预涂；另一种是直接加入发酵液中混合过滤。面预涂；另一种是直接加入发酵液中混合过滤。这两种方法经常同时使用，以提

7、高过滤速度。这两种方法经常同时使用，以提高过滤速度。l选择和使用助滤剂要点：选择和使用助滤剂要点：1、根据目的产物选择、根据目的产物选择五、加入反应剂五、加入反应剂 加入某些不影响产物的反应剂，可消除发酵液中某些杂加入某些不影响产物的反应剂，可消除发酵液中某些杂质对过滤的影响，提高过滤速率。质对过滤的影响，提高过滤速率。第二节 发酵液的相对纯化l一、高价无机离子的去除：一、高价无机离子的去除：发酵液中主要的无机离子有：发酵液中主要的无机离子有：Ca2+、Mg2+和和Fe2+等等 二、杂蛋白的去除：二、杂蛋白的去除：（1）、沉淀法：）、沉淀法：（2）、变性法：）、变性法：蛋白质从有规则的排列变成

8、不规蛋白质从有规则的排列变成不规则的结构的过程，称为变性。加热、调则的结构的过程，称为变性。加热、调pH、有机有机溶剂都能使蛋白质变性。溶剂都能使蛋白质变性。（3）、吸附法：）、吸附法： 常用方法如下：常用方法如下：第三节 固液分离工程及设备l固液分离是生物产品加工中经常遇到的单元操固液分离是生物产品加工中经常遇到的单元操作，用于发酵液分离的主要是过滤和离心分离。作，用于发酵液分离的主要是过滤和离心分离。l不同性状的发酵液应选择不同的固液分离方法不同性状的发酵液应选择不同的固液分离方法和设备。和设备。一、离心分离l离心机是利用转鼓高速转动所产生的离心力，来离心机是利用转鼓高速转动所产生的离心力

9、，来实现分离或浓缩的一类机械。实现分离或浓缩的一类机械。l按其工作原理，可分为按其工作原理，可分为过滤式过滤式离心和离心和沉降式沉降式离心。离心。l离心分离的特点：离心分离的特点：（1）分离速度快，分离效率高，液相澄清度好；）分离速度快，分离效率高，液相澄清度好；（2）但投资高，能耗大）但投资高，能耗大,连续排料时连续排料时,固相干度不如固相干度不如过滤设备。过滤设备。1、碟片式离心机：、碟片式离心机：分离依据：分离依据： 1、相对的密度差、相对的密度差 2、液体的粘度和固体颗粒的形状、液体的粘度和固体颗粒的形状 3、离心力大小、离心力大小 4、液体表面积、液体表面积2、管式离心机：、管式离心

10、机： 属沉降式离心机，属沉降式离心机，分离因数最高可达分离因数最高可达60万。万。 管式离心机适用于管式离心机适用于固形物浓度低的发酵固形物浓度低的发酵液的分离，由于转鼓液的分离，由于转鼓容积小，不能连续工容积小，不能连续工作。作。3、倾析式离心机：、倾析式离心机： 倾析式离心机依靠离心力和螺旋的推进作用自动连续倾析式离心机依靠离心力和螺旋的推进作用自动连续排渣，因而适用于含固较多的液体分离，但分离因数低，排渣，因而适用于含固较多的液体分离，但分离因数低，不适合于酵母、细菌等微生物悬浮液的分离。不适合于酵母、细菌等微生物悬浮液的分离。二、过滤二、过滤按过滤机理，过滤操作可分为按过滤机理，过滤操

11、作可分为澄清过滤澄清过滤和和滤饼过滤滤饼过滤两两种种澄清过滤：澄清过滤：借助硅藻土、活性碳以及金属、非金属烧借助硅藻土、活性碳以及金属、非金属烧结材料等过滤介质，形成过滤层，当悬浮液通过过滤结材料等过滤介质，形成过滤层，当悬浮液通过过滤层时，固体颗粒被阻拦或吸附在过滤介质上，使滤液层时，固体颗粒被阻拦或吸附在过滤介质上，使滤液澄清。澄清。滤饼过滤：滤饼过滤：以滤布为过滤介质，当悬浮液通过滤布时，以滤布为过滤介质，当悬浮液通过滤布时，固体颗粒被滤布阻拦而逐渐形成滤饼，当滤饼达到一固体颗粒被滤布阻拦而逐渐形成滤饼，当滤饼达到一定厚度时，即可获得澄清的滤液。定厚度时，即可获得澄清的滤液。l滤饼过滤按

12、推动力的不同可分为四种：重力过滤饼过滤按推动力的不同可分为四种：重力过滤、加压过滤、真空过滤和离心过滤。滤、加压过滤、真空过滤和离心过滤。1、板框、板框过滤机过滤机(p54)2、真空转鼓过滤机、真空转鼓过滤机3、硅藻土过滤机、硅藻土过滤机(p56)4、真空带式过滤机三、其他固液分离方式三、其他固液分离方式1、切向流过滤、切向流过滤：又称错流过滤，悬浮液在过滤介质表面：又称错流过滤，悬浮液在过滤介质表面作切向流动，利用流动的剪切作用防止固体在过滤介质表作切向流动，利用流动的剪切作用防止固体在过滤介质表面沉积，实现恒速过滤。面沉积，实现恒速过滤。切向流过滤的缺点：切向流过滤的缺点： （ 1 ）切向

13、流产生的剪切力可使）切向流产生的剪切力可使蛋白质类产物失活。蛋白质类产物失活。 （ 2 ）由于液体大量循环，能耗）由于液体大量循环，能耗比其他过滤高。比其他过滤高。 （ 3 ）固相的含水量高，一般作）固相的含水量高，一般作浓缩用。浓缩用。 （ 4 ）不能避免过滤介质的污染）不能避免过滤介质的污染和堵塞。解决的方法是采用脉冲反和堵塞。解决的方法是采用脉冲反洗。洗。2、双水相萃取、双水相萃取3、吸附法、吸附法 某些高分子化合物，溶于水后可形成密度不同的某些高分子化合物，溶于水后可形成密度不同的两相，利用被分离目的物在两相中溶解度差别，达到两相，利用被分离目的物在两相中溶解度差别，达到分离、提纯的目

14、的。分离、提纯的目的。 分离原理分离原理:过滤型；过滤型； 进料卸料为间隙式。进料卸料为间隙式。 离心机在高速运转离心机在高速运转(装料转速装料转速)时，开始装料，介时，开始装料，介质经进料管，布料管至布料盘，在布料盘上获得足质经进料管，布料管至布料盘，在布料盘上获得足够的离心力而甩至转鼓壁，在离心力作用下通过滤够的离心力而甩至转鼓壁，在离心力作用下通过滤网将液体滤出，液体网将液体滤出，液体(母液母液)经底盘集液槽至出液管排经底盘集液槽至出液管排出，当滤饼重量出，当滤饼重量(或体积或体积)达到机器额定装料重量达到机器额定装料重量(或或容量容量)时，关闭进料阀，离心机加速至额定转速，对时，关闭进料阀，离心机加速至额定转速，对介质更进一步分离，如需要洗涤，打开洗涤阀，对介质更进一步分离，如需要洗涤，打开洗涤阀，对滤饼进行洗涤，同时将洗涤液滤出，当达到分离要滤饼进行洗涤，同时将洗涤液滤出，当达到分离要求后，离心