第七章-发酵液预处理和固液分离方法

第七章

发酵液的预处理和固液分离3预处理和固液分离内容固液分离发酵液胞外上清液/滤液预处理提取生化物质的第一步，分两部分：胞内富集细胞4发酵液的预处理（Pretreatment）

以细胞培养液或发酵液为出发点，设法使目标产物转移到液相中，同时除去其它悬浮颗粒以及改善滤液性状，利于后续操作，该过程称为预处理。5为何要对发酵液进行预处理？发酵产物浓度较低;悬浮物颗粒小;可压缩性;液相粘度大；悬浮状态稳定6预处理的目的目的：改变发酵液的理化性质，利于固液分离的进行。高价无机离子和可溶性蛋白。针对对象：7一、预处理的方法凝聚和絮凝降低发酵液粘度调节悬浮液的pH值杂蛋白的去除高价无机离子的去除助滤剂和反应剂

8凝聚：一、凝聚和絮凝指在中性盐（铝、铁的盐类）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。指絮凝剂基于架桥的作用将胶体粒子交联成网，形成10mm大小絮凝团的过程。絮凝：

机理：1）中和粒子表面电荷2）消除双电层结构3）破坏水化膜（一）凝聚Coagulation常用的凝聚剂电解质有：硫酸铝Al2(SO4)3•18H2O（明矾）；氯化铝AlCl3•6H2O;三氯化铁FeCl3;硫酸亚铁FeSO4·7H2O；石灰；ZnSO4；MgCO311絮凝：大分子聚电解质将胶体粒子交联成网状，形成絮凝团的过程

机理：架桥作用分类：阴离子型、阳离子型、非离子型

（二）絮凝flocculation高分子絮凝剂的吸附架桥作用它们通过静电引力、范德华引力或氢键的作用，强烈地吸附在胶粒的表面。可分为三类：人工合成有机高分子聚合物、天然有机高分子聚合物、微生物絮凝剂1）人工合成有机高分子聚合物

如聚丙烯酰胺类衍生物工业上使用的絮凝剂聚丙烯酰胺类絮凝剂的优点用量少；絮凝体粗大，分离效果好；絮凝速度快；种类多，适用范围广。聚丙烯酰胺类絮凝剂的缺点：存在一定的毒性目前最常见：聚丙烯酰胺类絮凝剂152）天然有机高分子絮凝剂例：

淀粉类、纤维素类、植物胶类和聚多糖类。其中淀粉改性絮凝剂的研究开发最引人注目。3）微生物絮凝剂一类由微生物或其分泌物产生的具有絮凝细

胞功能的代谢产物。主要成分是糖蛋白、粘多糖、纤维素及核酸

等高分子物质。安全，无毒和不污染环境。17混凝在料液中，先加入无机电解质，使悬浮粒子间的相互排斥能降低，脱稳而凝聚成微粒，而后再加入絮凝剂的操作过程。18絮凝的影响因素发酵液的性质；絮凝剂的加量；絮凝剂的分子量；pH控制；搅拌速度。提高温度方法加水稀释发酵液的预处理和固液分离技术－确保目的产物稳定性－过滤速度需提高稀释数倍以上二预处理-降低发酵液粘度20三预处理-调节pH调节发酵液的pH到蛋白质的等电点是除去蛋白质的有效方法。影响离子型絮凝剂的电离度。21六预处理-加入助滤剂例硅藻土、淀粉、活性

炭、石英砂、石棉粉、

纤维素、白土等。22助滤剂的选择(1)粒度(2)助滤剂的品种(3)用量23六、预处理-加入反应剂1）与某些可溶性盐类发生反应生成不

溶性沉淀;2）发酵液中含有不溶性多糖物质时，

用酶转化为单糖，提高过滤速率。24五、预处理-高价无机离子的去除镁离子的去除：常用草酸与钙离子生成草酸钙沉淀草酸为弱酸，对发酵产物的破坏较小，草酸钙沉淀还能促进蛋白质凝固，有利于提高滤液的过滤速度；草酸的溶解度较小，需大用量时，可用草酸钠取代；草酸价格较高，生产上一般需回收钙离子的去除：铁离子的去除：

常用三聚磷酸钠与镁离子形成可溶性络合物

Na5P3O10+Mg2+=MgNa3P3O10+2Na+常用黄血盐与铁离子形成普鲁氏蓝沉淀3K4Fe(CN)6+4Fe3+=Fe4[Fe(CN)6]3↓+12K+25四、预处理-杂蛋白的去除方法沉淀法变性法吸附法26杂蛋白去除-沉淀法1）沉淀法调等电点因羧基的电离度比氨基大，所以大多数蛋白质的等电点都在酸性范围(pH4.0-5.5)

但仅靠调等电点还不能使大部分蛋白质沉淀蛋白质是两性物质，在酸性溶液中，能与一些阴离子物质如三氯乙酸盐、水杨酸盐、钨酸盐等形成沉淀；在碱性溶液中，能与一些阳离子如Ag+、Cu2+、Zn2+、Fe3+、等形成沉淀2）变性法变性蛋白溶解度较小最常用加热法加热不仅能使蛋白变性，还可降低液体黏度，提高过滤速率；其他方法：

大幅度调节pH，加酒精、丙酮等有机溶剂或表面活性剂变性法存在一定的局限如加热法只适用于对热较稳定的目的产物；极端pH也会导致某些目的产物失活，且需消耗大量酸碱。3）吸附法

加入某些吸附剂或沉淀剂吸附杂蛋白而将其除去

如四环素生产中，采用黄血盐和硫酸锌的协同作用生成亚铁氰化钾的胶状沉淀来吸附蛋白；在枯草芽孢杆菌发酵中，加入氯化钙和磷酸氢二钠，两者生成庞大的凝胶，把蛋白质、菌体及其他不溶性粒子吸附并包裹在其中而除去27收集胞内产物的细胞或菌体，分离除去液相；收集含生化物质的液相，分离除去固体悬浮物。固液分离的目的：28

发酵后期要少加消泡剂和少进行补料，防止消泡剂和未用完的培养基增加过滤难度；

菌体自溶前放罐可防止因菌体自溶释放出的代谢产物增加发酵液黏度1）菌体细胞体积

真菌菌丝体较粗大，质量比阻小，发酵液不需经特殊处理就很容易过滤；

放线菌菌丝细而分支，交织成网格状，质量比阻力大，较难过滤，发酵液需经预处理，凝固蛋白质等胶体物质，提高过滤速度；

细菌菌体更小，发酵液如不经絮凝等预处理，很难用常规过滤设备进行过滤操作。2）培养基组成黄豆饼粉、花生饼粉等会增加过滤难度3）放罐时机二、影响发酵液固液分离的因素29常见的固液分离方法过滤filtration离心Centrifugation

膜分离membraneseparation双水相萃取ATPS扩张床吸附EBA30（一）过滤filtration借助于过滤介质，在一定的压力差作用下，使悬浮液中的液体通过介质的孔道，而固体颗粒被截留在介质上，从而实现固液分离的单元操作。311、滤饼过滤：适用于：滤布，滤饼达到一定厚度起过滤作用。固体含量>0.1g/100ml介质：32过滤推动力：悬浮液自身压强差、重力悬浮液表面加压过滤介质下方抽真空离心力过滤阻力：介质阻力滤饼阻力332、过滤介质选择应具有足够的机械强度和尽

可能小的流动阻力。34过滤介质-织物介质又称滤布，应用最广泛，包括由棉、麻等天然纤维滤

布和合成纤维滤布。

最高温度℃密度(kg／m3)吸水率％耐磨棉尼纶涤纶92105—12014515511413816-226.5-8.30.04-0.08良优优

滤

液澄清度阻力滤饼中含

水滤饼脱落寿命堵孔倾向平纹斜纹缎纹依次降依次降依次减依次易中长短依次易35过滤介质-粒状介质有硅藻土、珍珠岩粉、细砂、活性炭、白土等。

用于固相含量极少的悬浮液最常用的是硅藻土，是优良的过滤介质。硅藻土过滤介质通常有三种用法：（1）作为深层过滤介质。截留效果可达到1μm。（2）作为预涂层。保护孔道不被固体粒子堵塞。（3）用作助滤剂。

36硅藻37过滤介质-多孔固体介质

如多孔陶瓷、多孔玻璃、多孔塑料等，可加工成板状或管状，孔隙很小且耐腐蚀，常用于过滤含有少量微粒的悬浮液。38典型过滤设备：按操作方式分类：按操作压强差分类：实验室用抽滤装置板框压滤机（间歇操作）转筒真空过滤机（连续操作）过滤式离心机3、固液分离过滤设备间歇过滤机、连续过滤机压滤、吸滤和离心过滤391）实验室用抽滤装置402）板框压滤机适合于固体含量1-10%的悬浮液的分离。

广泛应用于培养基制备的过滤及霉菌、放线菌、酵母菌和细菌等多种发酵液的固液分离。A.根据过滤机理，过滤操作可分为澄清过滤和滤饼过滤。澄清过滤：滤饼过滤：过滤介质为硅藻土、砂、颗粒活性炭、玻璃珠、塑料颗粒等，当悬浮液通过滤层时，固体颗粒被阻拦或吸附在滤层的颗粒上，使滤液得以澄清，适合于固体含量少于0.1g/100ml、颗粒直径在5-100μm的悬浮液的过滤分离，如河水、麦芽汁、酒类和饮料等的澄清。过滤介质为滤布，包括天然或合成纤维织布、金属织布、玻璃纤维纸、合成纤维等无纺布。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（滤渣）。当滤饼至一定厚度时即起过滤作用，此时即可获得澄清的滤液，这种方法叫做滤饼过滤，在滤饼过滤中，悬浮液本身形成的滤饼起着主要的过滤作用，适合于固体含量大于0.1g/100ml的悬浮液的过滤分离。B.常用过滤设备（1）板框过滤机板框过滤机45板框压滤机包括板和框，多做成正方形，角端均开有小孔，装合压紧后即构成供滤浆或洗水流通的孔道。框的两侧覆以滤布，空框与滤布围成了容纳滤浆及滤饼的空间，滤板用以支撑滤布并提供滤液流出的通道。46板框式压滤机在过滤时，悬浮液由离心泵或齿轮泵经滤浆通道打人框内，，滤液穿过滤框两侧滤布，沿相邻滤板沟槽流至滤液出口，固体则被截留于框内形成滤饼。滤饼充满滤框后停止过滤。优点：

真空转鼓过滤机具有自动化程度高、操作连续、处理量大。特别适合固体含量大（>10％）的悬浮液的分离，在发酵工业中广泛用于霉菌、放线菌和酵母发酵液或细胞悬浮液的过滤分离。缺点：

由于受真空度的限制，不适于菌体较小和粘度较大的细菌发酵液的过滤，且过滤所得固相的干度不如加压过滤。（2）真空转鼓过滤机50主体是一个由筛板组成能转动的水平圆筒，表面有一层金属丝网，网上覆盖滤布,圆筒内沿径向被筋板分隔成若干个空间。51转筒真空过滤机结构：转筒，扇形格(18格)；

滤室；分配头；动盘(18个孔，分别与扇形格的18个通道相连)；定盘(三个凹槽：滤液真空凹槽(1/3)、洗水真空凹槽(1/2)、压缩空气凹槽(1/6)，分别将动盘的18个孔道分成三个通道)；

滤浆槽。52转筒下部浸入滤浆槽中，浸没角约90°-130°，圆筒缓慢旋转时(转速约0.5-2r／min)，筒内每一空间相继与分配头中的3个室相通，可顺序进行过滤、洗涤、吸干、吹松、卸饼等项操作。即整个圆筒分为过滤区、洗涤及脱水区，卸渣及再生区3个区域。53转筒真空过滤机主要适用霉菌发酵液，对菌体细小、黏度大铺助滤剂。

对于滤饼阻力较大的物料适应能力较差。54带式真空过滤机带式真空过滤机（是自动连续运转、并能按工艺要求进行无级调速以及操作方便和动力消耗低的一种新型高效的脱水设备。55带式真空过滤机流程1、进料→过滤→滤饼洗涤→吸干→卸料→滤布清洗连续进行。

2、真空过滤盘分段设计，可满足不同物料过滤、洗涤、吸干的工艺要求，滤带运行速度采用变频无级调速，对不同物料有广泛的适应性。

3、在同一设备上可采用多次逆流洗涤得到高浓度的滤液，也可采用并流洗涤或顺流洗涤获得高纯度的滤饼。56结构：转鼓滤饼滤布滤网离心过滤机工作原理图转鼓(上有小孔，亦称悬框)；滤网；滤布；机架。原理：

由于离心力作用，液体产生径向压差，通过滤饼、滤网及滤筐而流出。3）离心过滤机57又称切向流过滤在压力推动下，悬浮液以高速在管状滤膜的内壁作切向流动，利用流动的剪切作用将过滤介质表面的固体（滤饼）移走，而附着在滤膜上的滤饼很薄，因而能在长时间内保持稳定不变的过滤速度4）错流过滤58朗极化工公司膜澄清过滤和膜浓缩的“错流过滤系统”

陶瓷膜错流过滤59设备主要结构过程特点适用性板框压滤机滤板/滤框/夹紧机构/机架装合过滤洗涤卸渣整理加压过滤，推动力较大结构简单，造价低；过滤面积大，能耗少；间歇操作；洗涤时间长，生产效率低。应用广泛。对原料的适应性强转鼓真空过滤机转筒(滤网、滤布)/分配头、滤浆槽过滤洗涤吹干卸渣连续化生产，自动化程度高真空过滤，推动力较小；，滤饼湿度大，设备投资高适于粒度中等，粘度不太大的物料离心过滤机转鼓(滤网、滤布)/机架过滤洗涤卸渣离心过滤，推动力最大；滤液湿度小，设备成本高，应用广泛，过滤面积小。几种过滤设备的比较60（二）离心分离基于固体颗粒和周围液体密度存在差异，在离心场中使不同密度的固体颗粒加速沉降的分离过程。动植物细胞的收集、细胞碎片和沉淀的分离等常用离心分离。离心机的种类与用途低速离心机：高速离心机：超速离心机：其最大转速在8000r/min以内，主要用于细胞、细胞碎片和培养基残渣等固形物的分离。最大转速为（1～2.5）×104r/min，主要用于细胞碎片和细胞器等较小固形物的分离。最大转速达(2.5～12)×104r/min，主要用于DNA、RNA、蛋白质等生物大分子以及细胞器、病毒等的分离纯化。6162按离心机的作用方式：斜角