发酵液的预处理和固液分离方法

发酵液预处理发酵液的基本特性产物浓度低具有极性黏度大表面张力大性质不稳定加热调节pH值凝聚和絮凝使用惰性助滤剂使用反应剂发酵液预处理的方法

加热——最简单和廉价的处理方法。可降低发酵液的黏度；除去某些杂蛋白；降低发酵液的体积；破坏凝胶状结构；注意：产品的热稳定性。发酵液预处理的方法—加热

全细胞的聚集作用高度依赖于pH值的大小，恰当的pH值能够促进聚集作用。一般用草酸或无机酸或碱来调节。

eg.1味精生产

2青霉素的提取（天大，王静康等）发酵液预处理的方法—调pH

凝聚和絮凝都是发酵液预处理的重要方法，其处理过程就是将化学药剂预先投加到悬浮液中，改变细胞、菌体和蛋白质等粒子的分散状态，破坏其稳定性，使它们聚集成可分离的絮凝体，再进行分离。这两种方法的特点是不仅能使颗粒尺寸有效增加，并且会增大颗粒的沉降或浮选速率，提高滤饼的渗透性或者在深床过滤时产生较好的颗粒保留作用。发酵液预处理的方法—凝聚和絮凝

应当注意，凝聚和絮凝是两种方法，两个概念，其具体处理过程也有差别，应该明确区分开来，不可混淆。发酵液预处理的方法—凝聚和絮凝

凝聚指在投加的化学物质（如水解的凝聚剂：铝、铁的盐类或石灰等）作用下，胶体脱稳并使粒子相互聚集成1mm大小块状凝聚体的过程。其中凝聚剂的作用，有些是对初始粒子表面电荷的简单中和，另一些是消除双电荷层（采用中性盐，如NaCl等）而脱稳，还有一些是通过氢键或其他复杂的形式与粒子相结合而产生凝聚。发酵液预处理的方法—凝聚和絮凝

电解质的凝聚能力可用凝聚值表示，即使胶粒发生凝聚作用的最小电解质浓度（mmol/L）。一般反离子的价数越高，凝聚值越小，也就是说，凝聚能力越强。

Al3+>Fe3+>H+>Ca2+>Mg2+>K+>Na+>Li+

发酵液预处理的方法—凝聚和絮凝

絮凝指使用絮凝剂（通常是天然或合成的大分子量聚电解质）将胶体粒子交联成网，形成10mm大小絮凝团的过程。其中絮凝剂主要起桇桥作用，工业上使用到的有聚丙烯酰胺类衍生物、聚合铝盐、海藻酸钠、壳聚糖等，目前最常用的是聚丙烯酰胺类衍生物。发酵液预处理的方法—凝聚和絮凝

絮凝效果与絮凝剂的类型、剂量、溶液pH、搅拌速度、处理时间等有关。

发酵液预处理的方法—凝聚和絮凝图1絮凝剂添加量对絮凝液滤速的影响

还有一种方法——混凝，它包括了凝聚和絮凝两个过程。

eg.《活性污泥/混凝法处理高含盐染料废水的实验研究》（鲁秀国等）水样的混凝处理中，有三个过程：①细小颗粒聚集作用使颗粒变大；②絮状颗粒对水溶性物质的吸附作用；③絮状颗粒对水中悬浮粒子的粘着作用。

混凝剂投加量必须适当。量不足，达不到应用的混凝效果；量过大，则会造成胶体复稳。发酵液预处理的方法—凝聚和絮凝

惰性助滤剂是一种颗粒均匀、质地坚硬、不可压缩的粒状物质，用于扩大过滤表面的适用范围，使非常稀薄或非常细小的悬浮液在过滤时发生的快速挤压和介质堵塞现象得到减轻，易于过滤。助滤剂表面具有吸附胶体的能力，并且由此形成的滤饼具有格子型结构，不可压缩，滤孔不会被全部堵塞，可保持良好的渗透性，因此能大大提高过滤能力和生产效率，降低过滤成本。发酵液预处理的方法—助滤剂助滤剂的使用方法有：在滤布上预涂一层助滤剂，作为过滤介质使用，待滤毕后与滤饼一起除去；助滤剂按一定比例均匀地混入待滤的悬浮液中，然后一起进入过滤机，使其形成较松的滤饼，降低其可压缩性，让滤液可以顺畅流通。发酵液预处理的方法—助滤剂

可用为惰性助滤剂的材料很多，如：硅藻土、膨胀珍珠岩、石棉、纤维素、未活化的碳、炉渣、重质碳酸钙或这些材料的混合物。在使用时，要根据目的产物、过滤介质及过滤情况来选择助滤剂的品种。此外，助滤剂的粒度、用量也是值得考虑的因素。发酵液预处理的方法—助滤剂

在发酵液中加入某些不影响目的产物的反应物，以消除发酵液中的某些杂质对过滤的影响，提高过滤效率。发酵液预处理的方法—反应剂固液分离

过滤不但是传统的化工单元操作，而且是目前工业生产中用于分离细胞和不溶性物质的主要方法，其操作是迫使液体通过固体支承物或过滤介质，把固体截留，从而达到固、液分离的目的。固液分离—过滤法固液分离—过滤法图2过滤介质的清除能力（以去除最小颗粒直径表示）

过滤器的类型很多，在生物工艺中应用较广并具有工业意义的过滤器主要有以下两大类：真空过滤器压滤器

固液分离—过滤法固液分离—过滤法图3外滤式转鼓真空过滤机的工作过程图4圆盘真空过滤器示意图固液分离—过滤法图5水平圆盘过滤器1—分配头2—螺旋输送器3—过滤盘图6水平回转翻盘式真空过滤器固液分离—过滤法图7水平带式真空过滤器简图（左上）板框压滤机（右下）固液分离—过滤法图8立式叶滤器（左上）水平带式压滤器（右下）

在传统的过滤操作中，大部分压力降都是由滤饼阻力产生的，并且大多数滤饼具有可压缩性，压力降与过滤速率不呈线性关系，使得过滤的操作分析和过滤器的设计十分困难，带有很大的经验性。如果料液给过滤介质表面一个平等的大流量冲刷，则过滤介质表面积累的滤饼就会减少到可以忽略的程度，而通过过滤介质的流速却比较小。这种过滤方式称为错流过滤或切向流过滤。固液分离—过滤法

现代的膜分离过程主要租用这种过滤方式，如微滤和超滤。固液分离—过滤法图9微滤过程示意图，料液快速经过薄膜，以减少形成滤饼错流过滤与传统过滤的主要差别在于：过滤介质——多孔的高分子或无机材质薄膜；需用泵循环悬浮液，周期性的放料，且无干滤饼；过滤器的几何形状不同。固液分离—过滤法错流过滤的优点有：过滤收率高；滤液质量好；减少处理步骤；对染菌罐批易于处理也易进行扩大生产。固液分离—过滤法

离心法是利用惯性离心力和物质的沉降系数或浮力密度的不同而进行的一项分离、浓缩或提炼操作。这种方法对于固体颗粒很小或液体黏度很大，过滤速度很慢，甚至难以过滤的悬浮液十分有效，对那些忌用助滤剂或助滤剂使用无效的悬浮液的分离，也能得到满意的效果。固液分离—离心法

离心分离可分为三种形式：离心沉降

离心过滤

离心分离和超离心固液分离—离心法

利用固液两相的相对密度差，在离心机无孔转鼓或管子中进行悬浮液的分离操作。

利用离心力并通过过滤介质，在有孔转鼓离心机中分离悬浮液的操作。

利用不同溶质颗粒在液体中各部分布的差异，分离不同相对密度液体的操作。

当固体粒子在无限连续流体中沉降时，受到两种力的作用，一种是连续流体对它的浮力，另一种是流体对运动粒子的粘滞力。

固液分离—离心沉降离心沉降的基本原理：固体沉降。

由上式可知：重力场中固体粒子最终的沉降速率与粒子直径的平方成正比，与粒子和流体的密度差成正比，而与流体的黏度成反比。固液分离—离心沉降

在离心力场中，重力加速度应换成离心加速度。这样，只要根据要求改变或提高，使粒子作快速旋转，就可获得比重力觉降或过滤时高得多的分离效果。可用离心分离因子Fr来定量评价。固液分离—离心沉降固液分离—离心沉降

Fr表示了粒子在离心机中产生的离心加速度与自由下降的加速度之比；Fr越大，越有利于分离。在实践中常按Fr值的大小对离心机进行分类：

Fr<3000，为常速度离心机；Fr=3000~5000，为中速离心机；Fr>5000为高速离心机；Fr=2*104~106为超速成离心机。固液分离—离心沉降图10离心沉降设备类型

离心过滤是将料液送入有孔的转鼓并利用离心力场进行过滤的过程，以离心力为推动力完成过滤作业，兼有离心和过滤的双重作用，如右图所示，过滤面各和离心力随半径的增大而增大。固液分离—离心过滤离心过滤的原理图11离心过滤工作原理固液分离—离心过滤图12离心过滤设备（a）分批产式轴（b）分批卧式轴（c）连续锥形滤网（d）连续推送式

根据物质的沉降系数、质量和形状不同，应用强大的离心力，将混合物中各组分分离、浓缩、提纯的方法称为超离心法。它在生物化学、分子生物学以及细胞生物学的发展中起着非常重要的作用。应用超离心技术中的差速离心、等密度梯度离心等方法，已经成功的分离制取各种亚细胞物质，如线粒体、微粒体、溶酶体、肿瘤病毒等。它已成为现代生物技术领域研究中不可缺少的实验室分析和制备手段。固液分离—超离心法

超离心技术中使用的也是无孔转鼓离心机，所以也属离心沉降。如果粒子在离心力场中作匀速运动，即代入离心速率工式并积分，可得到：固液分离—超离心法超离心法的基本原理

由上式可知，在某一转速时，沉降一组均匀的球形颗粒所需要