发酵液的预处理和菌体的回收

第二章发发酵液的的预处理和和菌体的回回收为固体密度为液体密度为固体颗粒直径为液体黏度为重力加速度固体颗粒沉沉降速度与固液分离离相关的微微生物发酵酵液特性：：①发酵产物物浓度较低低，大多为为1％～10％，悬浮液液中大部分分是水，处处理体积量量大；②各类细胞胞的颗粒小小，相对密密度与液相相相差不大大；③细胞含水水量大，可可压缩性大大，一经压压缩就会变变形；④流变特性性复杂，液液相粘度大大，吸附在在滤布上；；⑤性质不稳稳定，随时时间变化，，如易受空空气氧化、、微生物污污染、蛋白白酶水解等等作用的影影响。⑥动植物细细胞没有微微生物细胞胞耐剪切，，不适于离离心。因此，这些些特性使得得发酵液的的过滤与离离心相当困困难。工业技术中中典型的固固体粒子固体粒子的类型尺寸（mm×mm)细胞碎片<0.4×0.4尺寸增加回首费用增加细菌细胞1×2酵母细胞7×10哺乳动物细胞40×40植物细胞100×100真菌菌丝或丝状细菌1-10丝网状絮凝物100×100发酵液的预预处理发酵液的预预处理目的的和内容：①改变发发酵液的物物理性质，，促进从悬悬浮液中分分离固形物物的速度，，提高固液液分离器的的效率；②分离菌菌体和其他他悬浮颗粒粒，除去部部分可溶性性杂质和改改变滤液的的性质，以以利于提取取和精制后后继各工序序的顺利进进行。发酵液的预预处理主要要包括：①发酵液过过滤特性的的改变；②相对纯化化。滤饼的过滤滤速率（一）发酵酵液过滤特特性的改变变目的：通过过对发酵液液进行适当当的预处理理，即可改改善其流体体性能，降降低滤饼阻阻力，提高高过滤与分分离的速率率。方法：调酸酸(等电点)、热处理、、电解质处处理、添加加凝聚剂、、添加表面面活性物质质、添加反反应剂、冷冷冻—解冻冻及添加助助滤剂等。。滤饼的过滤滤速率1降低液液体粘度①加水稀稀释法：能降低液液体粘度，，但会增加加悬浮液的的体积，加加大后继过过程的处理理任务。而而且，单从从过滤操作作看，稀释释后过滤速速率提高的的百分比必必须大于加加水比才能能认为有效效，即若加加水一倍，，则稀释后后液体的粘粘度必须下下降50％％以上才能能有效提高高过滤速率率。②升高温温度：可有效降降低液体粘粘度，提高高过滤速率率。同时，，在适当温温度和受热热时间下可可使蛋白质质凝聚，形形成较大颗颗粒的凝聚聚物，进一一步改善了了发酵液的的过滤特性性。注意事项：严格控制制加热温度度与时间。。首先，加加热的温度度必须控制制在不影响响目的产物物活性变质质的范围内内；其次，，温度过高高或时间过过长，会使使细胞溶解解，胞内物物质外溢，，增加发酵酵液的复杂杂性，影响响其后的产产物分离与与纯化。2调整pHpH值直接接影响发酵酵液中某些些物质的电电离度和电电荷性质，，适当调节节pH值可可改善其过过滤特性。。此法是发发酵工业中中发酵液预预处理较常常用的方法法之一。如利用酸碱碱性来调液液pH值使使蛋白质等等两性物质质达到等电电点得以除除去。又如如过滤中，，发酵液中中的大分子子物质易与与膜发生吸吸附，通过过调整pH值改变易易吸附分子子的电荷性性质，即可可减少堵塞塞和污染。。细胞组组成类型蛋白质（%）核酸（%）多糖（%）类脂物（%）细菌40-7013-342-1010-15酵母40-504-10<151-6丝状真菌10-251-3<102-9藻类10-601-5<154-803凝聚与与絮凝采用凝聚和和絮凝技术术能有效改改变细胞、、细胞碎片片及溶解大大分子物质质的分散状状态，使其其聚结成较较大的颗粒粒，便于提提高过滤速速率。除此此之外，还还能有效地地除去杂蛋蛋白质和固固体杂质，，提高滤液液质量。因因此，凝聚聚和絮凝是是目前工业业上最常用用的预处理理方法之一一。常用于于菌体细小小而且粘度度大的发酵酵液的预处处理。凝聚作用就是向胶体体悬浮液中中加入某种种电解质，，在电解质质中异电离离子作用下下，胶粒的的双电层电电位降低，，使胶体体体系不稳定定，胶体粒粒子间因相相互碰撞而而产生凝集集（1mm左右）的的现象。Al3+>Fe3+>H+>Ca2+>Mg2+>K+>Na+>Li+。常用的凝聚聚电解质有有硫酸铝(明矾)、、氯化铝、、三氯化铁铁、硫酸亚亚铁、石灰、硫酸锌、碳碳酸镁等。胶体双电层层的构造絮凝是指在某些些高分子絮絮凝剂存在在下，基于于桥架作用用，当一个高分分子聚合物物的许多链链节分别吸吸附在不同同的胶粒表表面上，产产生桥架联联接时，形形成粗大的的絮凝团（（10mm）的过程程。絮凝是一种以物物理的集合合为主的过过程。絮凝剂是一种能溶于水的的高分子聚聚合物，其相对分子质质量可高达数万万至一千万万以上，它它们具有长长链状结构构，其链节上含有有许多活性性官能团，这些基团团通过静电电引力、范范德华引力力或氢键的的作用，强强烈地吸附附在胶粒的的表面。絮凝剂的化化学结构1.要求求其分子必必须含有相相当多的活活性官能团团，使之能能和胶粒表表面相结合合；2.具有有长链的线线性结构，，以便同时时与多个胶胶粒吸附形形成较大的的絮团，3.相对对分子质量量不能超过过一定限度度，以使其其具有良好好的溶解性性。根据其活性性基团在水水中解离情情况的不同同，絮凝剂剂可分为非非离子型、、阴离子型型和阳离子子型三类。。根据其来源源的不同，，工业上使使用的絮凝凝剂又可分分为如下三三类：(1)有机机高分子聚聚合物，如如聚丙烯酰酰胺类衍生生物、聚苯苯乙类衍生生物。(2)无机机高分子聚聚合物，如如聚合铝盐盐、聚合铁铁盐等。(3)天然然有机高分分子絮凝剂剂，如聚糖糖类胶粘物物、海藻酸酸钠、明胶胶、骨胶、、壳多糖、、脱乙酰壳壳多糖等。。絮凝剂的分分类絮凝效果与与絮凝剂的的加量、相相对分子质质量和类型型、溶液的的pH、搅拌转速速和时间等等因素有关关。影响絮凝效效果的因素素带负电荷的的菌体或蛋白质阳离子型高高分子絮凝凝剂非离子型和和阴离子型高高分子絮凝凝剂电解质非离子型和和阴离子型高高分子絮凝凝剂+???包括凝聚和和絮凝机理理的过程，，称为混凝凝。4加入助助滤剂助滤剂是一种不可可压缩的多多孔微粒，，它能使滤滤饼疏松，，吸附胶体体，扩大过过滤面积，，滤速增大大。常用的助滤滤剂有硅藻土、、纤维素、、石棉粉、、珍珠岩、、白土、炭炭粒、淀粉粉等，其中中最常用的的是硅藻土土。助滤剂的使用方法有两种：一一种是在过过滤介质表表面预涂助助滤剂，另另一种是直直接加入发发酵液，也也可两种方方法同时兼兼用。助滤剂使用用要点根据目的产产物选择助助滤剂品种种根据过滤介介质和过滤滤情况选择择助滤剂品品种粒度选择使用量选择择5加入反反应剂利用反应剂和某某些可溶性性盐类发生生反应生成成不溶性沉沉淀。作用：生成成的沉淀能能防止菌丝丝体粘结，，使菌丝具具有块状结结构，沉淀淀本身可作作为助滤剂剂，并且能能使胶状物物和悬浮物物凝固，消除发酵液液中某些杂杂质对过滤滤的影响，，从而改善过过滤性能。。举例：如在新生生霉素发酵酵液中加入入氯化钙和和磷酸钠。。环丝氨酸发发酵液用氧氧化钙和磷磷酸处理，，生成磷酸酸钙沉淀。。（二）发酵酵液的相对对纯化高价无机离离子的存在在：影响树脂对对生化物质质的交换容容量。可溶性蛋白白质的存在在：降低离子交交换和吸附附法提取时时交换容量量和吸附能能力；在有有机溶剂法法或双水相相萃取时，，易产生乳乳化现象，，使两相分分离不清；；在常规过过滤或膜过过滤时，易易使过滤介介质堵塞或或受污染，，影响过滤滤速率。1高价无无机离子的的除去去除钙离子子：通常使用用草酸。但但由于草酸酸溶解度较较小，不适适合用量较较大的场合合，可用其其可溶性盐盐，草酸价价格昂贵，，注意回收收。去除镁离子子：加入三聚聚磷酸钠，，与镁离子子形成络合合物。用磷酸盐处处理，也能能大大降低低钙离子和和镁离子的的浓度。例例如：环丝丝氨酸的提提取。去除铁离子子，可加入黄黄血盐，使使其形成普普鲁士蓝沉沉淀而除去去。2杂蛋白白质的除去去(1)沉沉淀法蛋白质在酸酸性溶液中中，能与一一些阴离子子，如三氯氯乙酸盐、、水杨酸盐盐、钨酸盐盐、苦味酸酸盐、鞣酸酸盐、过氯氯酸盐等形形成沉淀；；在碱性溶溶液中，能能与一些阳阳离子如Ag+、Cu2+、Zn2+、Fe3+和Pb2+等形成沉淀淀。(2)吸附法加入某些吸吸附剂或沉沉淀剂吸附附杂蛋白质质而除去。。例如：在枯草芽芽孢杆菌发发酵液中，，加入氯化化钙和磷酸酸氢二钠，，两者生成成庞大的凝凝胶，把蛋蛋白质、菌菌体及其他他不溶性粒粒子吸附并并包裹在其其中而除去去，从而可可加快过滤滤速率。(3)变性性法加热，大幅幅度调节pH，加酒酒精等有机机溶剂或表表面活性剂剂等。例如：在抗生素素生产中，，常将发酵酵液pH调调至偏酸性性范围(pH2～～3)或或较碱碱性范围(pH8～～9)使蛋蛋白质凝固固，一般以以酸性下除除去的蛋白白质较多。。变性法的局局限性：加热法只只适合于对对热较稳定定的目的产产物；极端端pH也会会导致某些些目的产物物失活，并并且要消耗耗大量酸碱碱；而有机机溶剂法通通常只适用用于所处理理的液体数数量较少的的场合。二、固液分分离发酵液固液液分离的主主要是离心心分离和过过滤。不同性状的的发酵液应应选择不同同的固液分分离方法霉菌和放线线菌发酵液液：过滤方方法细菌和酵母母菌发酵液液（未经预预处理）：：高速离心心。细菌和酵母母菌发酵液液（进行预预处理）：：过滤方法法。举例：如菌体较较小的氨基基酸发酵液液，采用絮絮凝和添加加助滤剂等等方法进行行预处理后后，即可用用板框过滤滤机或带式式过滤机进进行菌体分分离（一）离心心分离离心分离是是利用转鼓鼓高速转动动所产生的的离心力，，来实现悬悬浮液、乳乳浊液分离离或浓缩的的分离的过过程。特点：分离离速率快、、分离效率率高、液相相澄清度好好等优点。。缺点：设备备投资高、、能耗大，此此外连续排排料时，固固相干度不不如过滤设设备。碟片式离心心机按卸料方式式的不同，，碟片式离离心机分为为:人工卸料自动间歇排排料喷嘴连续排排料特点：前两两种适合于于悬浮液固固形颗粒含含量较少的的场合。间间歇式操作作，固相干干度较好；；而连续操操作固相含含液量较大大，其固相相仍具有流流动性。适用范围碟片式离心心机适应于于细菌、酵酵母菌、放放线菌等多多种微生物物细胞悬浮浮液及细胞胞碎片悬浮浮液的分离离。它的生产能能力较大，，最大允许许处理量达达300m3／h，一般般用于大规规模的分离离过程。管式离心机机管式离心机机也是一种种沉降式离离心机，可可用于液液液分离和固固液分离。。当用于液液液分离时时为连续操操作，而用用于固液分分离时则为为间歇操作作，操作一一段时间后后需将沉积积于转鼓壁壁上的固体体定期人工工卸除。管式离心机机的转鼓直直径较小，，容量有限限，因此生生产能力较较小。转速速相对较低低的管式离离心机最大大处理量可可达10m3／h。管式离心机机除可用于于微生物细细胞的分离离外，还可可用于细胞胞碎片、细细胞器、病病毒、蛋白白质、核酸酸等生物大大分子的分分离。管式离心机机设备简单单，操作稳稳定，分离离效率高。。在生物工工业中，特特别适合于于一般离心心机难以分分离而固形形物含量<1％的发发酵液的分分离。对于于固形物含含量较高的的发酵液，，由于不能能进行连续续分离，需需频繁拆机机卸料，影影响生产能能力，且易易损坏机件件。倾析式离心心机靠离心力和和螺旋的推推进作用自自动连续排排渣，因而而也称为螺螺旋卸料沉沉降离心机机。倾析式离心心机的转动动部分由转转鼓及装在在转鼓中的的螺旋输送送器组成，，两者以稍有差别的的转速同向向旋转。在离心力力作用下，，固体颗粒粒发生沉降降分离，沉沉积在转鼓鼓内壁上。。堆积在转转鼓内壁上上的固相靠靠螺旋推向向转鼓的锥锥形部分，，从排渣口口排出。优点：具有操作连续续、适应性性强、应用用范围广、、结构紧凑凑和维修方方便等优点点，特别适适合于含固固形物较多多的悬浮液液的分离。。缺点：这种种离心机的的分离效果果较差，因因而不适合合于细菌、、酵母菌等等微小微生生物悬浮液液的分离。。此外，液液相的澄清清度也相对对较差。常用离心机机的特性及及选用管式碟片式螺旋倾析式间歇排渣连续固体含量（%）0.01-0.20.1-51-105-50微粒直径（10-6m）0.01-10.5-150.5-15>2排渣方式间歇或连续间歇连续连续滤渣状况团块装（间歇）糊膏状糊膏状较干分离因素（g）104-6×105103-2×104103-2×104103-104最大处理量（m3/h)10200300200（二）过滤滤根据过滤机机理的不同同，过滤操操作可分为为澄清过滤和滤饼过滤两种。澄清过滤:将过滤介质质填充于过过滤器内构构成过滤层层，当悬浮浮液通过滤滤层时，固固体颗粒被被阻拦或吸吸在滤层的的颗粒上，，使滤液得得以澄清，，这种方法法叫做澄清清过滤。过滤介质：：硅藻土、、砂、颗粒粒活性炭、、玻璃珠、、塑料颗粒粒等，也有有用烧结陶陶瓷、烧结结金属、粘粘合塑料及及用金属丝丝绕成的管管子等组成成的成型颗颗粒滤层。。适合合于于固固体体含含量量少少于于0.1g／l00ml、颗颗粒粒直直径径在在5～100μm的悬悬浮浮液液的的过过滤滤分分离离，，如如河河水水、、麦麦芽芽汁汁、、酒酒类类和和饮饮料料等等的的澄澄清清。。滤饼饼过过滤滤：过过滤滤介介质质为为滤滤布布，，包包括括天天然然或或合合成成纤纤维维织织布布、、金金属属织织布布，，及及毡毡、、石石棉棉板板、、玻玻璃璃纤纤维维纸纸、、合合成成纤纤维维等等无无纺纺布布。。当当悬悬浮浮液液通通过过滤滤布布时时，，固固体体颗颗粒粒被被滤滤布布所所阻阻拦拦而而逐逐渐渐形形成成滤滤饼饼(或或称称滤滤渣渣)。。当当滤滤饼饼至至一一定定厚厚度度时时即即起起过过滤滤作作用用，，此此时时即即可可获获得得澄澄清清的的滤滤液液，，这这种种方方法法叫叫做做滤滤饼饼过过滤滤或或滤滤渣渣过过滤滤。。此种种方方法法适适合合于于固固体体含含量量>0.1g／／100ml的的悬悬浮浮液液的的过过滤滤分分离离。。滤饼饼过过滤滤按按推推动动力力的的不不同同可可以以分分为为四四种种，，即即重重力力过过滤滤、、加加压压过过滤滤、、真真空空过过滤滤和和离离心心过过滤滤。。板框框过过滤滤机机是是一一种种传传统统的的过过滤滤设设备备，，在在发发酵酵工工业业中中广广泛泛应应用用于于培培养养基基制制备备的的过过滤滤及及霉霉菌菌、、放放线线菌菌、、酵酵母母菌菌和和细细菌菌等等多多种种发发酵酵液液的的固固液液分分离离。。板框框过过滤滤机机特点点：：优点点：：结结构构简简单单，，装装配配紧紧凑凑，，过过滤滤面面积积大大；；过过滤滤的的推推动动力力(压压力力差差)能能大大幅幅度度调调整整，，并并能能耐耐受受较较高高的的压压力力差差，，因因而而固固相相含含水水分分低低，，并并能能适适应应不不同同过过滤滤特特性性的的发发酵酵液液的的过过滤滤；；辅辅助助设设备备少少、、维维修修方方便便、、价价格格低低和和动动力力消消耗耗少少等等。。缺点点：：设设备备笨笨重重、、间间歇歇操操作作、、劳劳动动强强度度大大、、卫卫生生条条件件差差、、辅辅助助时时间间多多和和生生产产效效率率低低。。板框框过过滤滤机机比比较较适适合合于于固固体体含含量量1％％～～10％％的的悬悬浮浮液液的的分分离离。。特点点：：自动动化化程程度度高高、、操操作作连连续续和和处处理理量量大大适适合合于于固固体体含含量量较较大大(>10％)的悬悬浮浮液液的的分分离离，，在在发发酵酵工工业业中中广广泛泛用用于于霉霉菌菌、、放放线线菌菌和和酵酵母母菌菌发发酵酵液液或或细细胞胞悬悬浮浮液液的的过过滤滤分分离离。。由于于受受推推动动力力(真空空度度)的限限制制，，真真空空转转鼓鼓过过滤滤机机一一般般