第二章发酵液的预处理

第二章发酵液的预处理第一页，共五十二页，2022年，8月28日第二章发酵液的预处理第二页，共五十二页，2022年，8月28日概述无论是胞内产物还是胞外产物，在分离纯化目的产物之前，首先要对发酵液进行预处理，将固相、液相分离后，才能采用各种物理、化学、生物的方法进行产物的进一步分离纯化。预处理(Pretreatment)是指采用絮凝和凝集等技术加速固液分离，提高过滤速度。过滤和离心是其最基本的操作单元。第三页，共五十二页，2022年，8月28日第一节发酵液预处理的方法一、发酵液的一般特性二、发酵液预处理的目的和要求三、发酵液预处理的方法第四页，共五十二页，2022年，8月28日一、发酵液的一般特性水分含量高（90-99%）产物浓度低（<10%）发酵液黏度大，不易过滤残留培养基成分含有发酵代谢副产物发酵液含有色素、毒性物质和热源物质等有机杂质第五页，共五十二页，2022年，8月28日二、发酵液预处理的目的和要求（一）目的改变发酵液特性，加速固液分离富集分离产物于固相（或液相）去除部分杂质，减少后续分离负荷第六页，共五十二页，2022年，8月28日二、发酵液预处理的目的和要求（二）要求菌体分离发酵悬浮物的去除固液悬浮物的去除蛋白质的去除重金属离子的去除色素、毒物和热源物等有机质的去除改变发酵液特性，利于后续分离工作调节适宜的pH值和温度第七页，共五十二页，2022年，8月28日三、发酵液预处理的方法（一）凝集和絮凝方法1、凝集在凝聚剂的作用下，使发酵液中的胶体脱稳并使粒子相互凝聚为1mm大小块状絮凝体的过程。本质：对初始粒子表面电荷的中和、消除离子表面稳定的双电荷层。第八页，共五十二页，2022年，8月28日卤水点豆腐——凝聚原理黄豆里的蛋白质团粒被水簇拥着不停地运动，聚不到一块儿，形成了“胶体”溶液。点卤用盐卤或石膏，盐卤主要含氯化镁，石膏是硫酸钙，它们能使分散的蛋白质团粒很快地聚集到一块儿，成了白花花的豆腐脑。第九页，共五十二页，2022年，8月28日胶体双电子层的结构————————————++++++电荷密度+++++++++———————————————+++++++++吸附层扩散层距固体表面的距离正电荷分布负电荷分布第十页，共五十二页，2022年，8月28日破坏双电荷层的方法加入具有相反电性的电解质，中和胶粒电性，降低双电子层的排斥力，导致胶粒的相互碰撞。另外，由于电解质在水中的水化作用，会破坏胶粒周围的水化层，促使胶粒碰撞、聚集、沉降。第十一页，共五十二页，2022年，8月28日三、发酵液预处理的方法（一）凝集和絮凝方法2、絮凝在高分子絮凝剂的作用下，通过桥架作用使粒子相互作用形成较大的絮凝团的过程。本质：悬浮粒子与絮凝剂之间的桥架作用。第十二页，共五十二页，2022年，8月28日絮凝现象与原理絮凝剂菌体细胞第十三页，共五十二页，2022年，8月28日絮凝现象与原理第十四页，共五十二页，2022年，8月28日絮凝剂的种类无机絮凝剂硫酸铝、氯化钙、氯化镁、碱式氯化铝有机絮凝剂壳多糖、海藻酸钠、明胶、聚丙烯酰胺、聚乙烯亚胺等微生物絮凝剂真菌、细菌等代谢产生的多糖、蛋白质和核酸类大分子物质。第十五页，共五十二页，2022年，8月28日复合型生物絮凝剂

(CompoundBio-flocculants)第十六页，共五十二页，2022年，8月28日影响絮凝效果的因素絮凝剂的种类絮凝剂的浓度pH值搅拌速度和时间Vml/minVml/min浓度pHFR/%时间温度第十七页，共五十二页，2022年，8月28日3、对发酵液凝聚和絮凝方法的研究见教材14文中内容均为文献研究报告的摘要和重要结论部分。第十八页，共五十二页，2022年，8月28日（二）加热法前提：产物的热稳定性高目的：降低发酵液黏度加速凝聚作用除去热变性蛋白破坏凝胶状胶体稳定性增加滤饼空隙率第十九页，共五十二页，2022年，8月28日（三）调节pH值法促进絮凝和凝聚作用释放或稳定产物，防止其氧化、变性或沉淀。调节pH值时应防止过酸或过碱（四）加水稀释法提高后续的离心沉降速度第二十页，共五十二页，2022年，8月28日不同pH值条件下小球藻具有不同的悬浮特性第二十一页，共五十二页，2022年，8月28日小球藻调pH值自絮凝沉淀实验加入磷酸氢二钠和氯化钙形成的CaHPO4凝胶第二十二页，共五十二页，2022年，8月28日（五）加入助滤剂法防止滤布或生成的滤饼阻塞而影响过滤。常用的助滤剂：纸浆石棉活性炭硅藻土酸性白土第二十三页，共五十二页，2022年，8月28日助滤剂的使用方法先涂层后再过滤先预混后再一起过滤将含助滤剂的发酵液先压滤形成过滤介质层，然后再进行过滤。过滤介质助滤层滤液第二十四页，共五十二页，2022年，8月28日（六）加吸附剂或盐吸附细胞常用的吸附剂有磷酸氢二钠和氯化钙形成的CaHPO4凝胶、氧化铝凝胶和聚丙烯酰胺凝胶等。第二十五页，共五十二页，2022年，8月28日（七）高价态无机离子的去除方法在发酵液中高价态的无机离子主要为Ca2+、Mg2+、Fe3+三种。Ca2+：加入草酸或草酸钠Mg2+：与磷酸盐生成磷酸镁沉淀，三聚磷酸钠Fe3+：加入黄血盐，生成普鲁士沉淀而去除。也可加入碱化剂（NaOH、Na2CO3等）。第二十六页，共五十二页，2022年，8月28日（八）可溶性杂蛋白质的去除方法等电点沉淀法酸化剂和碱化剂调节pH至等电点热处理法加热变性蛋白质沉淀化学变性沉淀法酸、有机溶剂、重金属变性蛋白质吸附法利用吸附法去除杂蛋白第二十七页，共五十二页，2022年，8月28日（九）色素及其它杂质的去除方法常用的脱色方法有离子交换法和吸附法。第二十八页，共五十二页，2022年，8月28日第二节发酵液的过滤一、发酵液过滤的目的二、影响发酵液过滤的因素三、发酵液过滤的方法四、提高过滤性能的方法五、过滤介质的选择六、过滤操作条件优化七、过滤设备第二十九页，共五十二页，2022年，8月28日一、发酵液过滤的目的获得含有目标产物的细胞或发酵液。除去发酵液中的固形杂质。发酵液的固液分离是指用过滤或离心等手段除去发酵液中的悬浮固体（如菌体、细胞、细胞碎片、蛋白质及其絮凝体）的过程。第三十页，共五十二页，2022年，8月28日二、影响发酵液过滤的因素（一）菌种（二）发酵液黏度发酵条件放罐时间发酵染菌发酵液的pH值、温度第三十一页，共五十二页，2022年，8月28日三、发酵液过滤的方法（一）过滤常规过滤错流过滤（二）离心过滤式离心沉降式离心（三）不经固液分离的直接分离提取离子交换萃取第三十二页，共五十二页，2022年，8月28日错流过滤设备装置错流过滤运行示意图第三十三页，共五十二页，2022年，8月28日离心分离机分为过滤式离心机和沉降式离心机。卧式离心分离机第三十四页，共五十二页，2022年，8月28日三足离心机SS型三足离心机运转正常时，从顶部加料管进入物料，物料在离心力场的作用下，均匀分布于转鼓内壁，液体穿过离心机网经转鼓滤孔而泄出，固体则被截留在转鼓的内壁，当达到分离要求后，关闭电机，制动停机，由人工把物料从该机上部卸出。具有结构简单、操作方便，通用性强等特点。第三十五页，共五十二页，2022年，8月28日离心分离机优缺点比较优点：分离速度快、效率高；操作卫生条件好，占地面积小；可实现自动化、连续化和程序化控制；适合于大规模分离过程。缺点：投资费用高；耗能高。第三十六页，共五十二页，2022年，8月28日四、提高过滤性能的方法（一）加入助滤剂粒度品种用量（二）添加填充凝固剂生成不溶解的沉淀，防止菌丝体粘结（三）加入降解酶多糖、蛋白质水解酶——（纯生啤酒过滤膜的生物清洗剂）第三十七页，共五十二页，2022年，8月28日五、过滤介质的选择（一）织物介质天然或合成纤维滤布（二）粒状介质硅藻土、活性炭、白土（三）多孔固体介质多孔陶瓷、金属陶瓷、烧结树脂、多孔塑料、泡沫金属（四）微孔纤维素薄膜和金属薄膜醋酸纤维膜、聚碳酸酯纤维素第三十八页，共五十二页，2022年，8月28日过滤介质滤布蜂窝陶瓷过滤片微孔膜过滤芯硅藻土

第三十九页，共五十二页，2022年，8月28日六、过滤操作条件优化（一）改善悬浮液的物理性质酸化絮凝法、热处理法、絮凝和凝集法、添加助滤剂法。（二）改善设备结构扩大设备尺寸、增加过滤面积（三）改变过滤方式反向过滤、动态过滤、错流过滤（四）适当增加压力第四十页，共五十二页，2022年，8月28日七、过滤设备过滤机分类图示文献来源：李英昌,周志鸿.板框式压滤机技术发展概况[J].冶金设备,2007,(4):42-45.第四十一页，共五十二页，2022年，8月28日七、过滤设备（一）板框式压滤机第四十二页，共五十二页，2022年，8月28日滤框和滤板1-滤框2-滤板3-滤板外框架4-滤板栅5-支撑格筛6-压盖框第四十三页，共五十二页，2022年，8月28日西班牙TH公司的APN-18型压滤机结构示意图文献来源：李英昌,周志鸿.板框式压滤机技术发展概况[J].冶金设备,2007,(4):42-45.第四十四页，共五十二页，2022年，8月28日七、过滤设备（二）板式压滤机第四十五页，共五十二页，2022年，8月28日七、过滤设备（三）自动板框压滤机第四十六页，共五十二页，2022年，8月28日板框压滤机的优缺点优点：适应性强；结构简单、造价低、动力消耗少。缺点：不能连续工作；设备笨重、劳动强度大；非生产的辅助时间长。压滤机改进设备：自动板框压滤机——非生产时间缩短，劳动强度降低。第四十七页，共五十二页，2022年，8月28日七、过滤设备（四）真空过滤机第四十八页，共五十二页，2022年，8月28日真空鼓式过滤机——利用真空吸滤原理第四十九页，共五十二页，2022年，8月28日转筒真空过滤机转筒结构