發(fā)酵液的預(yù)處理PPT課件

1、.,1,發(fā)酵液（或培養(yǎng)液）的預(yù)處理,.,2,預(yù)處理和固液分離的目的： 1、分離細(xì)胞、菌體和其它懸浮顆粒(細(xì)胞碎片、核酸和蛋白質(zhì)的沉淀物)。 2、除去部分可溶性雜質(zhì)。 3、改變?yōu)V液的物理性質(zhì)（降低粘度等），以利于后繼操作。,總策略： 1、胞外產(chǎn)物：應(yīng)盡可能轉(zhuǎn)移到液相中，常用調(diào)pH至酸性或堿性的方法來達(dá)到。 2、胞內(nèi)產(chǎn)物：首先收集細(xì)胞、破壁，生化物質(zhì)釋放到液相，再分離細(xì)胞碎片。 3、通常，以含生化物質(zhì)的液相為出發(fā)點(diǎn)，進(jìn)行后繼操作。,一、發(fā)酵液的預(yù)處理,1、改變液體物理性質(zhì)，促進(jìn)固液分離。 細(xì)菌及某些放線菌菌體細(xì)小，發(fā)酵液粘度大，不能直接過濾，由于菌體自溶，核酸、蛋白質(zhì)及其它有機(jī)粘性物質(zhì)的存在會造成

2、濾液渾濁，濾速極慢，因此，在預(yù)處理中應(yīng)采用絮凝或凝聚的方法，設(shè)法增大懸浮液中固體粒子的大小，提高其沉降速度，或采用稀釋、加熱等方法降低粘度，以利于過濾。,必要性：,2、發(fā)酵液雜質(zhì)很多，其中影響最大的是高價(jià)無機(jī)離子和雜蛋白，預(yù)處理時(shí)，應(yīng)盡量除去。,高價(jià)無機(jī)離子危害： 在采用離子交換法提煉時(shí)，影響樹脂的交換容量。,雜蛋白質(zhì)的危害： 離子交換法和大網(wǎng)格樹脂吸附法提煉時(shí)，會降低吸附能力， 萃取時(shí)，易產(chǎn)生乳化。 過濾或膜過濾時(shí)，使濾速下降，膜受到污染。,.,8,（一）、凝聚和絮凝,凝聚：在中性鹽電解質(zhì)作用下，破壞膠體粒子的分散狀態(tài)使之聚集的過程。 絮凝：指在某些高分子絮凝劑存在下，在懸浮粒子之間產(chǎn)生架橋

3、作用，使膠粒形成粗大的絮凝團(tuán)的過程。,基本概念：,.,9,凝聚和絮凝技術(shù)能有效地改變細(xì)胞、菌體和蛋白質(zhì)等膠體粒子的分散狀態(tài)，使聚集起來，增大體積，以便于過濾。 常用于菌體細(xì)小而且粘度大的發(fā)酵液的預(yù)處理。,.,10,一般來說，反離子的價(jià)數(shù)越高，該值就越小，即凝聚能力越強(qiáng)。,陽離子對帶負(fù)電荷的膠粒凝聚能力的次序：,常用的凝聚劑電解質(zhì)有：,Al(OH)3 、Fe3O4、Ca(OH)2、石灰等,.,11,有機(jī)高分子聚合物絮凝劑具有長鏈線狀結(jié)構(gòu)，是水溶性聚合物，分子量高達(dá)數(shù)萬至一千萬以上，在長的鏈節(jié)上含有相當(dāng)多的活性功能團(tuán)，可以帶有多價(jià)電荷，也可以不帶電性。 它們通過靜電引力、范德華分子引力或氫鍵的作用

4、，強(qiáng)烈地吸附在膠粒的表面，一個(gè)高分子聚合物的許多鏈節(jié)分別吸附在不同顆粒的表面上，產(chǎn)生架橋聯(lián)接，生成粗大的絮團(tuán)，這就是絮凝作用。,2、絮凝作用,.,12,.,13,聚丙烯酰胺類衍生物 聚苯乙烯類衍生物 無機(jī)高分子聚合物絮凝劑，如聚合鋁鹽和聚合鐵鹽等。 天然有機(jī)高分子絮凝劑：多聚糖類膠粘物，海藻酸鈉，明膠、骨膠、殼多糖和脫乙酰殼多糖等。,絮凝劑 根據(jù)活性基團(tuán)在水中解離情況不同，可分為非離子型、陰離子型(含有羧基)和陽離子型(含有胺基)三類。,.,14,優(yōu)點(diǎn)：用量少，般以ppm計(jì)，絮凝體粗大，分離效果好，絮凝速度快、種類多，適用范圍廣。 缺點(diǎn)：存在一定的毒性，特別是陽離子型聚丙烯酰胺。 近年來還發(fā)展

5、了聚丙烯酸類陰離子聚凝劑，它們無毒，可用于食品和醫(yī)藥工業(yè)中。,聚丙烯酰胺類絮凝劑：,.,15,非離子型和陰離子型高分子絮凝劑，主要通過分子間引力和氫鍵產(chǎn)生吸附架橋，常與無機(jī)電解質(zhì)凝聚劑搭配使用。 首先加入無機(jī)電解質(zhì)，使懸浮粒子脫穩(wěn)而凝聚，然后，再加入絮凝劑。凝聚作用為絮凝劑的架橋創(chuàng)造了良好的條件，從而，提高了絮凝效果。 這種包括凝聚和絮凝機(jī)理的過程，常稱為混凝。,混凝：,.,16,絮凝劑濃度（用量） 絮凝劑分子量 絮凝劑類型 溶液的pH 攪拌速度和時(shí)間 助凝劑,影響絮凝效果的因素：,（二）、雜蛋白的去除方法,蛋白質(zhì)等電點(diǎn)多在pH 4.0-5.5，此時(shí)溶解度最小。但單靠等電點(diǎn)法不能將大部分蛋白質(zhì)

6、除去。,1、等電點(diǎn)法：,2、變性法：,變性蛋白質(zhì)溶解度較小。最常用方法是加熱。 只適于熱穩(wěn)定的物質(zhì)。 大幅度改變pH，加酒精、丙酮等有機(jī)溶劑或表面活性劑等。,在酸性溶液中，蛋白質(zhì)能與一些陰離子如三氯乙酸鹽、水楊酸鹽、鎢酸鹽、苦味酸鹽、蹂酸鹽、過氯酸鹽等形成沉淀。 在堿性溶液，蛋白質(zhì)能與一些陽離子，如Ag+，Cu2+，Zn2+，F(xiàn)e3+和Pb2+等形成沉淀。,應(yīng)用舉例： 1、鏈霉素發(fā)酵液，調(diào)至酸性(pH 3.0)，加熱至70，維持l2h，能去除蛋白質(zhì)，使過濾速度增大10一100倍，濾液粘度可降低1/6。 2、檸檬酸發(fā)酵液，加熱至80以上，使蛋白質(zhì)變性凝固，降低發(fā)酵液粘度，大大提高過濾速度。,舉例

7、： 1、四環(huán)類抗生素生產(chǎn)中，采用黃血鹽和硫酸鋅的協(xié)同作用生成亞鐵氰化鋅鉀的膠狀沉淀來吸附蛋白質(zhì)，取得很好的效果。 2、枯草桿菌發(fā)酵液，常加入氯化鈣和磷酸氫二鈉，生成磷酸鈣鹽沉淀，把蛋白質(zhì)、菌體及不溶性粒子吸附并包裹在其中而除去，從而加快了過濾速度。,利用吸附作用除去蛋白質(zhì)：,.,21,（三）高價(jià)無機(jī)離子的去除,Ga2+：加入草酸和草酸鹽，生成草酸鈣；加入磷酸鹽，生成磷酸鈣 Mg2+：加入草酸（沉淀不完全）；加入磷酸鹽，生成磷酸鎂；三聚磷酸鈉（Na5P3O10），生成可溶性絡(luò)合物 Fe3+：加入黃血鹽，生成普魯士蘭沉淀,二、 發(fā)酵液的過濾,發(fā)酵液中含有大量菌體、細(xì)胞或細(xì)胞碎片以及殘余的固體培養(yǎng)基

8、成分，過濾就是將懸浮在發(fā)酵液中的固體顆粒與液體進(jìn)行分離的過程。 定義： 在一定的壓力差下，利用多孔性介質(zhì)截留固液懸浮液中的固體粒子，進(jìn)行固液分離的方法稱為過濾。,.,23,1.過濾介質(zhì) 使濾液通過，截留固體顆粒并支撐濾餅的材料。要求其具有多孔性、耐腐蝕性及足夠的機(jī)械強(qiáng)度。 工業(yè)常用的過濾介質(zhì)：織物介質(zhì)、多孔性固體、粒狀介質(zhì)。 無定形顆粒：無煙煤、砂、顆?；钚蕴俊㈣F礦砂等 成形顆粒：燒結(jié)金屬、燒結(jié)塑料以及用合成樹脂粘結(jié)的硅砂、塑料顆粒等，做成圓筒形或板狀。 非金屬織補(bǔ)棉：化學(xué)纖維、玻璃纖維織品、長纖維濾布、短纖維濾布。 金屬織布：不銹鋼絲或鐵絲等的織布。 無紡品：紙、氈、石棉板、合成纖維無紡布等

9、。,.,24,2.濾餅的壓縮性及助濾劑 （1）濾餅的壓縮性：受力不變形的顆粒形成的濾餅稱不可壓縮性濾餅，反之則稱為可壓縮性濾餅。發(fā)酵液懸浮顆粒屬于可壓縮性顆粒 。 （2）助濾劑：減小過濾阻力、提高濾餅的剛性和孔隙率的惰性材料。 （3）過濾推動力：過濾介質(zhì)兩側(cè)的壓力差。 （4）過濾速率：單位時(shí)間內(nèi)通過的濾液體積。 3.過濾方式分類： 常壓過濾、加壓過濾、減壓過濾、離心過濾。,4、過濾基本方程式,衡量各種物質(zhì)過濾特性的主要指標(biāo)是濾餅的重量比阻r B（），表示單位濾餅厚度的阻力系數(shù)，與濾餅的結(jié)構(gòu)特性有關(guān)。,對于不可壓縮性濾餅，比阻值為常數(shù)，但對于可壓縮性濾餅， r B是操作壓力差的函數(shù)、一般可用下式

10、表示：,由此可見濾餅的比阻值是隨操作壓力差的提高而增大的。因此開始過濾時(shí)應(yīng)注意不能很快提高壓差，通常靠液柱的自然壓差進(jìn)料，并應(yīng)緩慢地逐步地升高壓力，一般在相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)，壓力差不要超過0.05MPa，最后的壓差(不包括榨濾)也不超過0.3一0.4MPa。,.,27,濾餅阻力與濾餅干重之間的關(guān)系,Rc表示濾餅的阻力 A為過濾面積m2,.,28,恒壓下，可壓縮性濾餅的比阻值應(yīng)為常數(shù)。如過濾介質(zhì)的阻力相對較小可以忽略不計(jì)，則恒壓下的過濾方程式如下：,（二）、影響過濾速度的因素,菌種 發(fā)酵條件(培養(yǎng)基的組成，未用完培養(yǎng)基的數(shù)量，消沫油，發(fā)酵周期)。 過濾條件：壓力等,菌種對過濾速度影響很大。 真菌：菌

11、絲粗大，容易過濾，不需特殊處理。濾渣呈緊密餅狀物，易從濾布上刮下，可采用鼓式真空過濾機(jī)過濾。 放線菌：菌絲細(xì)而分枝，交織成網(wǎng)絡(luò)狀，還含有很多多糖類物質(zhì)，粘性強(qiáng)，重量比阻r B值高，過濾困難，一般需經(jīng)預(yù)處理，以凝固蛋白質(zhì)等膠體。 細(xì)菌：菌體更細(xì)小，過濾十分困難，如不用絮凝等方法預(yù)處理發(fā)酵液，往往難以采用常規(guī)過濾的設(shè)備來完成過濾操作。,1、菌種,培養(yǎng)基的組成對過濾速度影響也很大。 黃豆粉、花生餅作氮源、淀粉作碳源會使過濾困難。 舉例：a 、在鏈霉素發(fā)酵液的培養(yǎng)基中，加以黃豆粉代替玉米漿，則比阻值增大0.61.0倍。 b、 在青霉素發(fā)酵的培養(yǎng)基中，加入酵母蛋白，rB值也提高很多。 此外，發(fā)酵后期加消

12、沫油或剩余大量末用完的培養(yǎng)基都會使過濾困難。,2、培養(yǎng)基,正確選擇發(fā)酵終了時(shí)間對過濾影響很大。 在菌絲自溶前必須放罐，因?yàn)榧?xì)胞自溶后的分解產(chǎn)物很難過濾。 有時(shí)延長發(fā)酵周期雖能使發(fā)酵單位有所提高，但嚴(yán)重影響發(fā)酵液質(zhì)量，使色素和膠狀雜質(zhì)增多、過濾困難，最終造成成品質(zhì)量降低。,3、發(fā)酵時(shí)間,（三）、改善過濾性能的方法,對于難過濾的發(fā)酵液，必須設(shè)法改善過濾性能、降低濾餅的比阻值，以提高過濾速度。 改善過濾性能的方法： 1、預(yù)處理發(fā)酵液。等電點(diǎn)，蛋白質(zhì)變性、吸附以及凝聚和絮凝等方法。 2、加入助濾劑，直接在發(fā)酵液中形成填充一凝固劑。 3、酶解作用,助濾劑是一種不可壓縮的多孔微粒，能使濾餅疏松，濾速增大。

13、 常用的助濾劑：硅酸鹽粉末(硅藻土）、紙漿、珠光石 (即珍珠巖，成分為二氧化硅）。 要求：助濾劑必須不吸附或很少吸附生化物質(zhì)。,1、加入助濾劑,加入方式： 1、在濾布上預(yù)先鋪一層助濾劑(12mm)，采用此種方法，會使濾速降低，但濾液透明度很快增加。 2、直接加入發(fā)酵液中。助濾劑用量若等于懸浮液中固體含量時(shí)，濾速最快。,反應(yīng)劑相互作用，或和溶解性鹽發(fā)生反應(yīng)，生成沉淀。能防止菌絲體粘結(jié)，使菌絲具有塊狀結(jié)構(gòu)。 沉淀本身即可作為助濾劑，并且還能使膠狀物和懸浮物凝固。 正確選擇反應(yīng)劑和反應(yīng)條件，能使過濾速度提高310倍。,2、加入反應(yīng)劑,舉例： 新生霉素發(fā)酵液中加入氯化鈣和磷酸鈉，生成的磷酸鈣可作為填充

14、凝固劑。一方面作為助濾劑，另一方面還可使某些蛋白質(zhì)凝固。 環(huán)絲氨酸發(fā)酵液用氧化鈣和磷酸處理，生成的磷酸鈣沉淀，熊使懸浮物凝固。多余的磷酸根離子，還能除去鈣、鎂離子。,如果發(fā)酵液中有不溶解的多糖存在，則最好用酶將它轉(zhuǎn)化為單糖，以提高過濾速度。 例如：萬古霉素用淀粉作培養(yǎng)基，加入淀粉酶后，能使過濾速度加快。,3、采用酶制劑分解黏性物質(zhì),發(fā)酵液染菌后，會含很多細(xì)菌菌體，雜質(zhì)也增多，造成過濾困難。 雜菌的種類不同，對過濾的影響也不同。一般染霉菌尚可，染產(chǎn)氣桿菌則很難過濾。 處理方法：升高溫度、增加純化劑用量、加助濾劑等。 舉例：四環(huán)素染菌發(fā)酵液可以采用加溫至40一50，增加黃血鹽、硫酸鋅用量，以正常批

15、號的濾渣作為助濾劑等辦法。,4、染菌發(fā)酵液的處理方法,（四）、固液分離設(shè)備的選擇,不同性狀的發(fā)酵液應(yīng)選擇不同的固液分離設(shè)備。 常用分離設(shè)備：板框壓濾機(jī)，鼓式真空過濾機(jī)和離心沉降分離機(jī)等。,1、板框壓濾機(jī),.,45,優(yōu)點(diǎn)：過濾面積大，過濾推動力(壓力差)能較大幅度地進(jìn)行調(diào)整，并能耐受較高的壓力差，故對不同過濾特性的發(fā)酵液適應(yīng)性強(qiáng)，同時(shí)還具有結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格低，動力消托少等優(yōu)點(diǎn)。 缺點(diǎn)：不能連續(xù)操作，設(shè)備笨重，勞動強(qiáng)度大，衛(wèi)生條件差，非生產(chǎn)的輔助時(shí)間長(包括解框、卸餅、洗濾餅，洗濾布，重新壓緊板框等)，阻礙了過濾效率的提高。,自動板框過濾機(jī)： 是一種較新型的壓濾設(shè)備，板框的拆裝，濾渣的脫落卸出和濾布

16、的清洗等操作都能自動進(jìn)行，大大縮短了非生產(chǎn)的輔助時(shí)間和減輕了勞動強(qiáng)度。,對于菌體較細(xì)小、粘度較大的發(fā)酵液，可加入助濾劑或采用絮凝等方法預(yù)處理后進(jìn)行壓濾。 對于難過濾的枯草桿菌發(fā)酵液，可設(shè)計(jì)一種特別薄的濾框以減小濾餅的阻力。 另外，也可采用帶有橡皮隔膜的壓濾機(jī)，過濾結(jié)束時(shí)，在濾板和橡皮膜之間通入壓縮空氣來壓札濾餅，將液體擠壓出來。,常用技術(shù)措施,2、鼓式真空過濾機(jī),鼓式真空過濾機(jī)能連續(xù)操作，并能實(shí)現(xiàn)自動化控制，但是壓差較小，主要適用于霉菌發(fā)酵液的過濾。而對菌體較細(xì)或粘稠的發(fā)酵液不太適用。,一種較好的解決辦法是，過濾前在轉(zhuǎn)鼓面上預(yù)鋪一層助濾劑，操作時(shí)，用一把緩慢向鼓面移動的刮刀將濾餅連同極薄的一層

17、助濾劑一起刮去，這樣使過濾面積不斷更新，以維持正常的過濾速度。,離心分離具有分離速度快，效率高，操作時(shí)衛(wèi)生條件好等優(yōu)點(diǎn)，適合于大規(guī)模的分離過程。但是，離心分離的設(shè)備投資費(fèi)用高，能耗較大。 常用的離心沉降分離設(shè)備有管式和碟片式離心機(jī)等。 出渣方式：除人工間歇出渣外，還可采用自動出渣離心機(jī)，它可以連續(xù)操作。,3、離心分離,含固量較多的發(fā)酵液，可采用傾析式(或稱螺旋型)離心機(jī)。,結(jié)構(gòu)原理： 該設(shè)備由臥式圓柱圓錐形轉(zhuǎn)鼓以及螺旋輸送器組成，兩者以稍有差別的轉(zhuǎn)速同向旋轉(zhuǎn)。 發(fā)酵液由位于轉(zhuǎn)鼓軸線上的進(jìn)料管輸入并被拋到轉(zhuǎn)鼓壁上，固體顆粒沉積于轉(zhuǎn)鼓內(nèi)表面，靠螺旋輸送器向轉(zhuǎn)鼓的錐形部分移動，并借助離心力使其脫水和壓實(shí)，