生物工业下游技术 第二章 发酵液的预处理课件

1、第二章 发酵液的预处理谢 虹预处理的目的： 不仅在于分离菌体和其他悬浮颗粒，还着眼于除去部分可溶性杂质和改变滤液的性质，以利于提取和精制后继各工序的顺序进行。发酵液的成分：微生物菌体、残存的固体培养基、未被完全利用的糖类、无机盐、蛋白质、微生物的各种代谢产物。第一节 发酵液过滤特性的改变微生物发酵的特性：发酵产物浓度低，悬浮液大部分是水；悬浮物颗粒小，相对密度与液相相差小；固体粒子可压缩性大；液相黏度大，大多为非牛顿型流体；性质不稳定随时间变化，如易受空气氧化、微生物污染、蛋白酶水解等影响。非牛顿型流体不服从牛顿摩擦定律的流体。一般粘性较大，且随着流动速度而变化。例如石灰乳、泥浆、污水和许多高

2、分子溶液等。 一、降低液体黏度黏度：液体在压力、重力、剪切力等外力的作用下，分子间相互作用而产生阻碍分子间相对运动的能力，即液体流动的阻力。 滤液通过滤饼的速率与液体的黏度成反比，降低黏度可有效提高过滤速率。方法：加水稀释和加热法一、降低液体黏度水稀释法注意事项：稀释后过滤速度提高的百分比必须大于加水比。(即加水一倍，稀释后液体的黏度必须下降50%以上才能有效提高过滤速度。)二、调整pH对于提取蛋白质、氨基酸等目的产物常用的方法；对于提取小分子物质，可以利用等电点方法去除蛋白质等杂质；在膜过滤中，减少堵塞和污染；细胞、细胞碎片和一些胶体物质絮凝成为大颗粒，利于过滤。三、凝聚与絮凝凝聚：在电解质

3、作用下，由于胶粒之间双电层电排斥作用降低，电位下降，使胶体体系不稳定。絮凝：在某些高分子絮凝剂作用下，基于桥架作用，使胶粒形成较大絮凝团的过程。1.凝聚发酵液中的细胞、菌体或蛋白质等胶粒表面一般都带电荷；在生理条件下，发酵液的菌体或蛋白质常带负电荷，会吸引溶液中的阳离子，形成双电子层。双电子层电位越高，胶体粒子的分散程度高；加入某种电解质，由于异电粒子作用，双电位降低，胶体粒子间因碰撞产生凝集 现象。1.凝聚凝聚值使胶粒发生凝聚作用的最小电解质浓度（mmol/L）常用的凝聚电解质：硫酸铝Al2(SO4)318H2O、氯化铝AlCl36H2O、三氯化铁FeCl36H2O、硫酸亚铁FeSO47H2

4、O、石灰、硫酸锌ZnSO4 、MgCO3等。阳离子对负电荷的凝聚力： Al 3+ Fe 3+ H+Ca2+Mg2+K+Na+Li+2.絮凝絮凝剂：水溶性、高分子聚合物、长链状、链节上含有官能团（阳离子、阴离子、非离子型基团）。絮凝剂的化学结构： 含有相当多的活性基团；具有长链的线性结构。分类： 非离子型、阴离子型、阳离子型。工业上使用的絮凝剂有机高分子聚合物，例如：聚丙烯酰胺类衍生物；无机高分子聚合物，例如：聚合铝盐；天然有机高分子絮凝剂，如：聚糖类胶粘剂、海藻酸钠、明胶、骨胶等。海藻酸钠(C6H7O8Na)n主要由海藻酸的钠盐组成，由-L-甘露糖醛酸(M单元)与-D-古罗糖醛酸(G单元)依靠

5、1,4-糖苷键连接并由不同GGGMMM片段组成的共聚物。一种天然多糖，具有药物制剂辅料所需的稳定性、溶解性、粘性和安全性。海藻酸钠1881年，英国化学家E.C.Stanford首先对褐色海藻中的海藻酸盐提取物进行科学研究。他发现该褐藻酸的提取物具有几种很有趣的特性，它具有浓缩溶液、形成凝胶和成膜的能力。商业化生产始于1927年，现在全世界每年约生产30000吨，其中30用于食品工业，剩下的用于其它工业，制药业和牙科。 海藻酸钠絮凝效果絮凝剂的加量相对分子质量类型溶液的pH搅拌转速和时间a 絮凝时间10 s (快搅结束时拍摄) b 絮凝时间50 s (慢搅过程拍摄) c 絮凝时间180 s (慢

6、搅过程拍摄) d 絮凝时间600 s (慢搅结束时拍摄) e 搅拌停止15 s 后拍摄; f a 图的局部扫描照片3.混凝包括聚凝和絮凝机理的过程。先加入电解质，使悬浮粒子间的双电层电位降低、脱稳，凝聚成微粒；再加入絮凝剂絮凝成较大的颗粒。四、加入助滤剂两种加入方法： 在过滤介质表面预涂助滤剂; 直接加入发酵液。四、加入助滤剂 选择与使用助滤剂的要点： 根据目的产物选择：目的产物为液相时，注意是否被助滤剂吸附；目的产物为固相时，一般用淀粉、纤维素等不影响产品质量的助滤剂。 我国工业标准筛常用“目”数表示筛号，即以每一英寸(25.4mm) 长度上的筛孔数目表示。筛号一号筛二号筛三号筛四号筛五号筛

7、六号筛七号筛八号筛九号筛筛孔平均内径（m）20008503552501801501259075四、加入助滤剂 选择与使用助滤剂的要点： 粒度选择：当粒度一定时，过滤速度与澄清度成反比；助滤剂的粒度必须与悬浮液中固体粒子的尺寸相适应。四、加入助滤剂 选择与使用助滤剂的要点： 使用量的选择：当采用预涂助滤剂时，助滤剂的厚度2mm。助滤剂直接加入发酵液，若助滤剂用量与悬浮液中固形物含量相等，过滤速度最快。使用硅藻土时，细粒用量为500g/m3；中等粒度为700g/m3；粗粒为7001000g/m3。五、加入反应剂加入某些不影响目的产物的反应剂，可消除发酵液中某些杂质对过滤的影响。加入反应剂如CaSO

8、4、AlPO4和一些可溶性盐类发生反应生成不溶性沉淀，使菌丝具有块状结构，沉淀本身可作为助滤剂，改善过滤性能。例如：万古霉素，以淀粉为发酵培养基，过滤前加入0.025%淀粉酶，搅拌30min,再加入2.5%硅藻土作为助滤剂，过滤速度提高5倍。万古霉素英文名Vancomycin 类别抗生素 别名凡古霉素;凡可霉素;盐酸万古霉素，万古霉素适应症主要用于葡萄球菌（包括耐青霉素和耐新青霉素株）、难辨梭状芽胞杆菌等所致的系统感染和肠道感染，如心内膜炎、败血症、伪膜性肠炎等。 第二节 发酵液的相对纯化杂质存在的影响：高价无机离子在采用离子交换法提取时，会影响树脂的交换容量；可溶性蛋白，不仅会降低树脂的交换

9、容量和吸附能力，而且在有机溶剂法和双水相法萃取时，易产生乳化现象；在常规过滤时，易使过滤介质堵塞或受污染，影响过滤速率。一、高价无机离子的除去无机离子：Ca 2+、Mg 2+、Fe2+ 等。钙离子的去除：用草酸。草酸的回收：用硫酸铅形成草酸铅，在90-95 用硫酸分解。镁离子的去处：用三聚磷酸钠。铁离子的去处：用黄血盐形成普鲁士蓝沉淀而除去。二、杂蛋白质的除去 沉淀法：与阳离子例如Ag+、Cu2+、Zn2+、Pb2+等或与阴离子如三氯乙酸盐，水杨酸盐等结合形成沉淀；变性法：加热法、大幅度调节pH、加酒精或丙酮等有机溶剂； 吸附法：加入吸附剂或沉淀剂吸附杂蛋白而除去。在枯草芽孢杆菌发酵液中，加入

10、氯化钙和磷酸氢二钠，两者形成凝胶把菌体、蛋白质及其不溶性颗粒吸附包裹在其中而除去。第三节 固液分离工程及设备 固液分离的方法很多，生物工业中常规的方法有分离筛、重力沉降、浮悬分离、离心分离和过滤等。对于发酵液固液分离的主要是离心分离和过滤。一、离心分离离心机是利用转鼓高速转动所产生的离心力，来实现悬浮液、乳浊液分离或浓缩的分离机械。特点：分离速率快、分离效率高、液相澄清度好等。缺点：设备投资高、能耗大、固相干度低不如过滤设备。将悬浮液中的固体颗粒与液体分开；将乳浊液中两种密度不同，又互不相溶的液体分开(例如从牛奶中分离出奶油)；用于排除湿固体中的液体，例如用洗衣机甩干湿衣服；特殊的超速管式分离

11、机还可分离不同密度的气体混合物，例如浓缩、分离气态六氟化铀；利用不同密度或粒度的固体颗粒在液体中沉降速度不同的特点，有的沉降离心机还可对固体颗粒按密度或粒度进行分级。 用途Stokes 方程 V = d2( S - L)18 r2V是颗粒沉降速度；d是颗粒直径（假定为球形）S是固体密度； L是液体密度； 是液体黏度R是离心半径；是角速度过滤式离心机：转鼓上开有小孔，有过滤介质，在离心力的作用下，液体穿过过滤介质经小孔流出而得以分离。主要处理悬浮液固体颗粒较大、固体含量较高的场合。沉降式离心机：转鼓上无孔，不需过滤介质，在离心力的作用下，物料按密度的大小不同分层沉降而得以分离。离心机的分类离心机

12、转鼓离心机螺旋碟片式离心机碟片式离心机可以完成两种操作：液-固分离（即低浓度悬浮液的分离），称澄清操作；液-液（或液-液-固）分离（即乳浊液的分离），称分离操作。 是沉降机的一种，1877年由瑞典的De Laval发明，是目前工业生产中应用最广泛的离心机。分离因数为1000-20000；生产能力大，最大允许处理量达300m3/h；适合于细菌、酵母菌、放线菌等多种微生物细胞悬浮液及细胞碎片悬浮液的分离。用于大规模的分离。分离因数：它表示被分离物料在转鼓内所受的离心力与其重力的比值，分离因数越大，通常分离也越迅速，分离效果越好。 a =r2g管式离心机分离因数高达104-6*105；用于微生物细胞

13、的分离，还用于细胞碎片、细胞器、病毒、蛋白质、核酸等生物大分子的分离；生产能力较小；在生物工业中，特别适合一般离心机难以分离而固形物含量1%的发酵液的分离。倾析式离心机是一种广泛用于制药、化工、食品等行业处理悬浮液固液分离的离心机。适合于粗结晶及短纤维物料的分离。特别适用于中药材提取液的分离，对花类、切片类中药材经蒸煮后可采用本机过滤，药渣子含湿率可低于25%，药液收率高于其它中药分离方法。具有操作连续、适应性强、应用范围广、结构紧凑、维修方便等优点；适用于含固形物较多的悬浮液的分离；分离因数较低，大多为1500-3000。靠离心力和螺旋的推进作用自动连续排渣如何选择离心分离机？根据悬浮液(或

14、乳浊液)中固体颗粒的大小和浓度、固体与液体(或两种液体)的密度差、液体粘度、滤渣(或沉渣)的特性，以及分离的要求等进行综合分析，满足对滤渣(沉渣)含湿量和滤液(分离液)澄清度的要求，初步选择采用哪一类离心分离机；然后按处理量和对操作的自动化要求，确定离心机的类型和规格；最后经实际试验验证。 离心分离机未来的发展趋势将是强化分离性能、发展大型的离心分离机、改进卸渣机构、增加专用和组合转鼓离心机、加强分离理论研究和研究离心分离过程最佳化控制技术等。 二、过滤 过滤原理：悬浮液通过过滤介质，固态颗粒与溶液分离。根据机理分为：澄清过滤和滤饼过滤两种。澄清过滤：适合固体含量少于0.1g/100ml、颗粒

15、直径在5-100m的悬浮液的过滤分离，如：河水、麦芽汁、酒类和饮料等；过滤介质为硅藻土、砂、颗粒活性碳、玻璃珠、塑料颗粒等，填充于过滤器内即构成过滤层；也有用烧结陶瓷、金属、粘合塑料及金属丝烧成的管子等组成的成型颗粒滤层。滤饼过滤：适合固体含量大于0.1g/100ml的悬浮液的过滤分离。过滤介质为滤布，包括天然或合成的纤维织布等。当悬浮液通过滤布时，固体颗粒被挡在滤布上形成滤饼，当滤饼达到一定厚度时即起过滤作用。板框过滤机优点：结构简单，装配紧凑，过滤面积大；过滤的压力差能大幅度调整，固相含水少，并能适应不同的发酵液的过滤；辅助设备少、维修方便、价格低和动力消耗少。缺点：设备笨重、间歇操作、劳

16、动强度大、卫生条件差、辅助时间多和生产效率低。适用范围：固体含量1%-10%的悬浮液。真空转鼓过滤机过滤机通过与转鼓同步运转的滤布，在真空（负压）作用下实现悬浮液的固液分离，靠压缩空气反吹并经刮刀装置卸除滤饼在由压缩空气反吹实现滤布的再生。具有自动化程度高、操作连续和处理量大等特点。该过滤机适于过滤固相浓度（ 10% ），及比重适中粒度较均匀的悬浮液。 真空转鼓过滤机受真空度的影响，不适合菌体较小和黏度较大的细菌发酵液的过滤。所得固相的干度不如加压过滤。 硅藻土过滤机特点： 二氧化硅矿石，具有较大的吸附和渗透能力，能滤降0.1-1.0m的粒子，化学性能稳定。硅藻土密度100250kg/m3，比表面积 10 20m2/g，粒度2 100m。用法： 作为深层过滤介质，以过滤含少量（0.1%）悬浮固形物的液体。在支持介质的表面上预涂硅藻土薄层，保护介质上的毛细孔道