發(fā)酵液的預(yù)處理和固液分離方法

發(fā)酵液預(yù)處理發(fā)酵液的基本特性產(chǎn)物濃度低具有極性黏度大表面張力大性質(zhì)不穩(wěn)定加熱調(diào)節(jié)pH值凝聚和絮凝使用惰性助濾劑使用反應(yīng)劑發(fā)酵液預(yù)處理的方法

加熱——最簡(jiǎn)單和廉價(jià)的處理方法?？山档桶l(fā)酵液的黏度；除去某些雜蛋白；降低發(fā)酵液的體積；破壞凝膠狀結(jié)構(gòu)；注意：產(chǎn)品的熱穩(wěn)定性。發(fā)酵液預(yù)處理的方法—加熱

全細(xì)胞的聚集作用高度依賴于pH值的大小，恰當(dāng)?shù)膒H值能夠促進(jìn)聚集作用。一般用草酸或無機(jī)酸或堿來調(diào)節(jié)。

eg.1味精生產(chǎn)

2青霉素的提?。ㄌ齑?，王靜康等）發(fā)酵液預(yù)處理的方法—調(diào)pH

凝聚和絮凝都是發(fā)酵液預(yù)處理的重要方法，其處理過程就是將化學(xué)藥劑預(yù)先投加到懸浮液中，改變細(xì)胞、菌體和蛋白質(zhì)等粒子的分散狀態(tài)，破壞其穩(wěn)定性，使它們聚集成可分離的絮凝體，再進(jìn)行分離。這兩種方法的特點(diǎn)是不僅能使顆粒尺寸有效增加，并且會(huì)增大顆粒的沉降或浮選速率，提高濾餅的滲透性或者在深床過濾時(shí)產(chǎn)生較好的顆粒保留作用。發(fā)酵液預(yù)處理的方法—凝聚和絮凝

應(yīng)當(dāng)注意，凝聚和絮凝是兩種方法，兩個(gè)概念，其具體處理過程也有差別，應(yīng)該明確區(qū)分開來，不可混淆。發(fā)酵液預(yù)處理的方法—凝聚和絮凝

凝聚指在投加的化學(xué)物質(zhì)（如水解的凝聚劑：鋁、鐵的鹽類或石灰等）作用下，膠體脫穩(wěn)并使粒子相互聚集成1mm大小塊狀凝聚體的過程。其中凝聚劑的作用，有些是對(duì)初始粒子表面電荷的簡(jiǎn)單中和，另一些是消除雙電荷層（采用中性鹽，如NaCl等）而脫穩(wěn)，還有一些是通過氫鍵或其他復(fù)雜的形式與粒子相結(jié)合而產(chǎn)生凝聚。發(fā)酵液預(yù)處理的方法—凝聚和絮凝

電解質(zhì)的凝聚能力可用凝聚值表示，即使膠粒發(fā)生凝聚作用的最小電解質(zhì)濃度（mmol/L）。一般反離子的價(jià)數(shù)越高，凝聚值越小，也就是說，凝聚能力越強(qiáng)。

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

發(fā)酵液預(yù)處理的方法—凝聚和絮凝

絮凝指使用絮凝劑（通常是天然或合成的大分子量聚電解質(zhì)）將膠體粒子交聯(lián)成網(wǎng)，形成10mm大小絮凝團(tuán)的過程。其中絮凝劑主要起桇橋作用，工業(yè)上使用到的有聚丙烯酰胺類衍生物、聚合鋁鹽、海藻酸鈉、殼聚糖等，目前最常用的是聚丙烯酰胺類衍生物。發(fā)酵液預(yù)處理的方法—凝聚和絮凝

絮凝效果與絮凝劑的類型、劑量、溶液pH、攪拌速度、處理時(shí)間等有關(guān)。

發(fā)酵液預(yù)處理的方法—凝聚和絮凝圖1絮凝劑添加量對(duì)絮凝液濾速的影響

還有一種方法——混凝，它包括了凝聚和絮凝兩個(gè)過程。

eg.《活性污泥/混凝法處理高含鹽染料廢水的實(shí)驗(yàn)研究》（魯秀國(guó)等）水樣的混凝處理中，有三個(gè)過程：①細(xì)小顆粒聚集作用使顆粒變大；②絮狀顆粒對(duì)水溶性物質(zhì)的吸附作用；③絮狀顆粒對(duì)水中懸浮粒子的粘著作用。

混凝劑投加量必須適當(dāng)。量不足，達(dá)不到應(yīng)用的混凝效果；量過大，則會(huì)造成膠體復(fù)穩(wěn)。發(fā)酵液預(yù)處理的方法—凝聚和絮凝

惰性助濾劑是一種顆粒均勻、質(zhì)地堅(jiān)硬、不可壓縮的粒狀物質(zhì)，用于擴(kuò)大過濾表面的適用范圍，使非常稀薄或非常細(xì)小的懸浮液在過濾時(shí)發(fā)生的快速擠壓和介質(zhì)堵塞現(xiàn)象得到減輕，易于過濾。助濾劑表面具有吸附膠體的能力，并且由此形成的濾餅具有格子型結(jié)構(gòu)，不可壓縮，濾孔不會(huì)被全部堵塞，可保持良好的滲透性，因此能大大提高過濾能力和生產(chǎn)效率，降低過濾成本。發(fā)酵液預(yù)處理的方法—助濾劑助濾劑的使用方法有：在濾布上預(yù)涂一層助濾劑，作為過濾介質(zhì)使用，待濾畢后與濾餅一起除去；助濾劑按一定比例均勻地混入待濾的懸浮液中，然后一起進(jìn)入過濾機(jī)，使其形成較松的濾餅，降低其可壓縮性，讓濾液可以順暢流通。發(fā)酵液預(yù)處理的方法—助濾劑

可用為惰性助濾劑的材料很多，如：硅藻土、膨脹珍珠巖、石棉、纖維素、未活化的碳、爐渣、重質(zhì)碳酸鈣或這些材料的混合物。在使用時(shí)，要根據(jù)目的產(chǎn)物、過濾介質(zhì)及過濾情況來選擇助濾劑的品種。此外，助濾劑的粒度、用量也是值得考慮的因素。發(fā)酵液預(yù)處理的方法—助濾劑

在發(fā)酵液中加入某些不影響目的產(chǎn)物的反應(yīng)物，以消除發(fā)酵液中的某些雜質(zhì)對(duì)過濾的影響，提高過濾效率。發(fā)酵液預(yù)處理的方法—反應(yīng)劑固液分離

過濾不但是傳統(tǒng)的化工單元操作，而且是目前工業(yè)生產(chǎn)中用于分離細(xì)胞和不溶性物質(zhì)的主要方法，其操作是迫使液體通過固體支承物或過濾介質(zhì)，把固體截留，從而達(dá)到固、液分離的目的。固液分離—過濾法固液分離—過濾法圖2過濾介質(zhì)的清除能力（以去除最小顆粒直徑表示）

過濾器的類型很多，在生物工藝中應(yīng)用較廣并具有工業(yè)意義的過濾器主要有以下兩大類：真空過濾器壓濾器

固液分離—過濾法固液分離—過濾法圖3外濾式轉(zhuǎn)鼓真空過濾機(jī)的工作過程圖4圓盤真空過濾器示意圖固液分離—過濾法圖5水平圓盤過濾器1—分配頭2—螺旋輸送器3—過濾盤圖6水平回轉(zhuǎn)翻盤式真空過濾器固液分離—過濾法圖7水平帶式真空過濾器簡(jiǎn)圖（左上）板框壓濾機(jī)（右下）固液分離—過濾法圖8立式葉濾器（左上）水平帶式壓濾器（右下）

在傳統(tǒng)的過濾操作中，大部分壓力降都是由濾餅阻力產(chǎn)生的，并且大多數(shù)濾餅具有可壓縮性，壓力降與過濾速率不呈線性關(guān)系，使得過濾的操作分析和過濾器的設(shè)計(jì)十分困難，帶有很大的經(jīng)驗(yàn)性。如果料液給過濾介質(zhì)表面一個(gè)平等的大流量沖刷，則過濾介質(zhì)表面積累的濾餅就會(huì)減少到可以忽略的程度，而通過過濾介質(zhì)的流速卻比較小。這種過濾方式稱為錯(cuò)流過濾或切向流過濾。固液分離—過濾法

現(xiàn)代的膜分離過程主要租用這種過濾方式，如微濾和超濾。固液分離—過濾法圖9微濾過程示意圖，料液快速經(jīng)過薄膜，以減少形成濾餅錯(cuò)流過濾與傳統(tǒng)過濾的主要差別在于：過濾介質(zhì)——多孔的高分子或無機(jī)材質(zhì)薄膜；需用泵循環(huán)懸浮液，周期性的放料，且無干濾餅；過濾器的幾何形狀不同。固液分離—過濾法錯(cuò)流過濾的優(yōu)點(diǎn)有：過濾收率高；濾液質(zhì)量好；減少處理步驟；對(duì)染菌罐批易于處理也易進(jìn)行擴(kuò)大生產(chǎn)。固液分離—過濾法

離心法是利用慣性離心力和物質(zhì)的沉降系數(shù)或浮力密度的不同而進(jìn)行的一項(xiàng)分離、濃縮或提煉操作。這種方法對(duì)于固體顆粒很小或液體黏度很大，過濾速度很慢，甚至難以過濾的懸浮液十分有效，對(duì)那些忌用助濾劑或助濾劑使用無效的懸浮液的分離，也能得到滿意的效果。固液分離—離心法

離心分離可分為三種形式：離心沉降

離心過濾

離心分離和超離心固液分離—離心法

利用固液兩相的相對(duì)密度差，在離心機(jī)無孔轉(zhuǎn)鼓或管子中進(jìn)行懸浮液的分離操作。

利用離心力并通過過濾介質(zhì)，在有孔轉(zhuǎn)鼓離心機(jī)中分離懸浮液的操作。

利用不同溶質(zhì)顆粒在液體中各部分布的差異，分離不同相對(duì)密度液體的操作。

當(dāng)固體粒子在無限連續(xù)流體中沉降時(shí)，受到兩種力的作用，一種是連續(xù)流體對(duì)它的浮力，另一種是流體對(duì)運(yùn)動(dòng)粒子的粘滯力。

固液分離—離心沉降離心沉降的基本原理：固體沉降。

由上式可知：重力場(chǎng)中固體粒子最終的沉降速率與粒子直徑的平方成正比，與粒子和流體的密度差成正比，而與流體的黏度成反比。固液分離—離心沉降

在離心力場(chǎng)中，重力加速度應(yīng)換成離心加速度。這樣，只要根據(jù)要求改變或提高，使粒子作快速旋轉(zhuǎn)，就可獲得比重力覺降或過濾時(shí)高得多的分離效果?？捎秒x心分離因子Fr來定量評(píng)價(jià)。固液分離—離心沉降固液分離—離心沉降

Fr表示了粒子在離心機(jī)中產(chǎn)生的離心加速度與自由下降的加速度之比；Fr越大，越有利于分離。在實(shí)踐中常按Fr值的大小對(duì)離心機(jī)進(jìn)行分類：

Fr<3000，為常速度離心機(jī)；Fr=3000~5000，為中速離心機(jī)；Fr>5000為高速離心機(jī)；Fr=2*104~106為超速成離心機(jī)。固液分離—離心沉降圖10離心沉降設(shè)備類型

離心過濾是將料液送入有孔的轉(zhuǎn)鼓并利用離心力場(chǎng)進(jìn)行過濾的過程，以離心力為推動(dòng)力完成過濾作業(yè)，兼有離心和過濾的雙重作用，如右圖所示，過濾面各和離心力隨半徑的增大而增大。固液分離—離心過濾離心過濾的原理圖11離心過濾工作原理固液分離—離心過濾圖12離心過濾設(shè)備（a）分批產(chǎn)式軸（b）分批臥式軸（c）連續(xù)錐形濾網(wǎng)（d）連續(xù)推送式

根據(jù)物質(zhì)的沉降系數(shù)、質(zhì)量和形狀不同，應(yīng)用強(qiáng)大的離心力，將混合物中各組分分離、濃縮、提純的方法稱為超離心法。它在生物化學(xué)、分子生物學(xué)以及細(xì)胞生物學(xué)的發(fā)展中起著非常重要的作用。應(yīng)用超離心技術(shù)中的差速離心、等密度梯度離心等方法，已經(jīng)成功的分離制取各種亞細(xì)胞物質(zhì)，如線粒體、微粒體、溶酶體、腫瘤病毒等。它已成為現(xiàn)代生物技術(shù)領(lǐng)域研究中不可缺少的實(shí)驗(yàn)室分析和制備手段。固液分離—超離心法

超離心技術(shù)中使用的也是無孔轉(zhuǎn)鼓離心機(jī)，所以也屬離心沉降。如果粒子在離心力場(chǎng)中作勻速運(yùn)動(dòng)，即代入離心速率工式并積分，可得到：固液分離—超離心法超離心法的基本原理

由上式可知，在某一轉(zhuǎn)速時(shí)，沉降一組均勻的球形顆粒所需要