發(fā)酵工業(yè)與發(fā)酵工程-08發(fā)酵液的預(yù)處理和固液分離

第一節(jié)發(fā)酵工程下游技術(shù)發(fā)展一、下游加工過程的特點和重要性

下游加工過程：指從發(fā)酵液或酶反應(yīng)液或動植物細(xì)胞培養(yǎng)液中分離、純化生物產(chǎn)品的過程。

下游加工過程包括：目標(biāo)產(chǎn)物的提取、濃縮、純化及成品化等過程。發(fā)酵產(chǎn)物的種類1．菌體及胞內(nèi)產(chǎn)物：如單細(xì)胞蛋白、面包酵母、飼料酵母、輔酶A等。

2．酶：包括胞外酶和胞內(nèi)酶。如淀粉酶、蛋白酶、纖維素酶等。3．代謝產(chǎn)物：有機(jī)酸，有機(jī)溶劑，氨基酸，核苷酸，抗生素，多糖，維生素，甾體氧化的產(chǎn)物。發(fā)酵液的組成特點發(fā)酵液大部分是水；發(fā)酵液中發(fā)酵產(chǎn)物濃度低；發(fā)酵液中的懸浮物固型物主要有菌體和蛋白質(zhì)的膠狀物，使發(fā)酵液黏度增加，不利于過濾，增加了提取和精制的操作困難；發(fā)酵液的培養(yǎng)基殘留忠還有無機(jī)鹽類、非蛋白質(zhì)大分子雜質(zhì)及其降解產(chǎn)物相似，使分離提純操作困難；發(fā)酵液中還有色素、熱源質(zhì)、毒性物質(zhì)等有機(jī)雜質(zhì)，難于提煉。條件溫和；能夠達(dá)到所要求的純度；收率高；生產(chǎn)成本盡可能低；分離純化技術(shù)的選擇原則工藝過程盡可能縮短和簡化；分離快速；生產(chǎn)中所產(chǎn)生的廢物能夠處理；實驗過程能夠成功地進(jìn)行放大。①產(chǎn)物的初級分離階段；②產(chǎn)物的純化精制階段。二、發(fā)酵工程下游加工技術(shù)的一般流程分離純化路線包括兩個階段：(1)發(fā)酵液的預(yù)處理與固液分離(2)初步分離(3)高度純化(4)成品加工(精制)發(fā)酵工程下游加工技術(shù)的一般流程第二節(jié)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。2、盡可能使產(chǎn)物轉(zhuǎn)入便于處理的某一相中，多數(shù)情況下是液相。

3、除去部分可溶性雜質(zhì)。預(yù)處理和固液分離的目的：一、改善發(fā)酵液過濾特性的方法：1.降低液體黏度2.調(diào)整pH4.加入助濾劑5.加入反應(yīng)劑3.凝聚和絮凝常用的方法有加水稀釋法和加熱法。1.降低液體黏度注意事項：嚴(yán)格控制加熱溫度與時間。首先，加熱的溫度必須控制在不影響目的產(chǎn)物活性變質(zhì)的范圍內(nèi)；其次，溫度過高或時間過長，會使細(xì)胞溶解，胞內(nèi)物質(zhì)外溢，增加發(fā)酵液的復(fù)雜性，影響其后的產(chǎn)物分離與純化。如利用酸堿性來調(diào)節(jié)pH值使蛋白質(zhì)等兩性物質(zhì)達(dá)到等電點得以除去。又如過濾中，發(fā)酵液中的大分子物質(zhì)易與膜發(fā)生吸附，通過調(diào)整pH值改變易吸附分子的電荷性質(zhì)，即可減少堵塞和污染。

2.調(diào)整pH

凝聚法是在懸浮液中加入無機(jī)凝聚劑，使膠體的排斥電位降低脫穩(wěn)而發(fā)生聚沉（凝聚成1mm大小的塊狀凝聚體），稱為凝聚。3.凝聚和絮凝a.中和粒子表面電荷.b.消除雙電層結(jié)構(gòu).機(jī)理：無機(jī)凝聚劑:主要是鋁鹽、鐵鹽、鈣鹽、鋅鹽等無機(jī)鹽類電解質(zhì)，如硫酸鋁、氯化鈣、氯化鐵、堿式氯化鋁.絮凝：大分子聚電解質(zhì)將膠體粒子交聯(lián)成網(wǎng)狀，形成絮凝團(tuán)的過程（將膠體粒子交聯(lián)成網(wǎng)，形成10mm大小的絮凝團(tuán)），稱為絮凝。機(jī)理：架橋作用根據(jù)其活性基團(tuán)在水中解離情況的不同分為：陽離子型：陽離子聚丙烯酰胺，聚丙烯酸二烷基胺乙酯，聚二烯丙基四胺鹽。陰離子型：聚丙烯酸鈉，聚苯乙烯磺酸，木質(zhì)素磺酸鹽非離子型：聚氧乙烯絮凝劑的類型根據(jù)來源不同分為：有機(jī)高分子聚合物：聚丙烯酰胺類衍生物，聚苯乙烯類衍生物等無機(jī)高分子聚合物：聚合鋁鹽、聚合鐵鹽等天然有機(jī)高分子聚合物：海藻酸鈉、殼聚糖4.添加助濾劑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。

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）。

選擇和使用助濾劑的要求見P271。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3-10倍。5、加入反應(yīng)劑(一)高價無機(jī)離子的去除方法宜加入草酸。草酸鈣能促使蛋白質(zhì)凝固，提高濾液質(zhì)量。1、去除鈣離子：二、發(fā)酵液的相對純化加入三聚磷酸鈉，它和鎂離子形成可溶性絡(luò)合物：

用磷酸鹽處理，也能大大降低鈣離子和鎂離子的濃度。此法可用于環(huán)絲氨酸的提煉。

2、除去鎂離子：3、除去鐵離子：可加入黃血鹽，使形成普魯士藍(lán)沉淀。（二）雜蛋白的去除方法

在酸性溶液中，蛋白質(zhì)能與一些陰離子如三氯乙酸鹽、水楊酸鹽等形成沉淀。

在堿性溶液，蛋白質(zhì)能與一些陽離子，如Ag1+，Cu2+，Zn2+，F(xiàn)e3+和Pb2+等形成沉淀。沉淀法熱變性：適于熱穩(wěn)定物質(zhì)大幅度調(diào)整pH：根據(jù)產(chǎn)物特性反向調(diào)節(jié)，加有機(jī)溶劑變性法吸附法舉例：

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，生成龐大的凝膠，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。三、發(fā)酵液的固液分離1.過濾定義：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。過濾介質(zhì)無定形顆粒：無煙煤、砂、顆?；钚蕴?、鐵礦砂等成形顆粒：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。非金屬織布棉、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。過濾設(shè)備選擇的依據(jù)被過濾液體的特性固形物含量1-10％是采用連續(xù)式過濾機(jī)的極限。生產(chǎn)規(guī)模：大規(guī)?！B續(xù)式小規(guī)?！g歇式操作要求過濾機(jī)的材料：食品和藥品工業(yè)—聚丙烯或聚酯過濾設(shè)備優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、裝配緊湊、過濾面積大、允許采用較大的操作壓力，輔助設(shè)備少，動力消耗小，過濾和洗滌質(zhì)量好，對固形物含量要求低，材料選擇范圍廣。缺點：設(shè)備笨重、占地面積多、輔助時間長生產(chǎn)效率低。板框過濾機(jī)

板框過濾機(jī)優(yōu)點：真空轉(zhuǎn)鼓過濾機(jī)具有自動化程度高、操作連續(xù)、處理量大。特別適合固體含量大（>10％）的懸浮液的分離，在發(fā)酵工業(yè)中廣泛用于霉菌、放線菌和酵母發(fā)酵液或細(xì)胞懸浮液的過濾分離。真空轉(zhuǎn)鼓過濾機(jī)由于受真空度的限制，不適于菌體較小和粘度較大的細(xì)菌發(fā)酵液的過濾，且過濾所得固相的干度不如加壓過濾。缺點：真空轉(zhuǎn)鼓過濾機(jī)2.離心定義：借助離心機(jī)旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力的作用，促使不同大小，不同密度的粒子分離的技術(shù)。碟片式離心機(jī)是傳統(tǒng)離心機(jī)，為目前工業(yè)上應(yīng)用最廣泛的離心機(jī)。分離因數(shù)可達(dá)1000-20000，最大處理量達(dá)到300m3/h，常用于大規(guī)模的分離過程。適用范圍細(xì)菌、酵母菌、放線菌、細(xì)胞碎片離心分離設(shè)備管式離心機(jī)是一種分離效率很高的離心分離設(shè)備，其轉(zhuǎn)鼓細(xì)長，可在15000-50000的高轉(zhuǎn)速下工作，分離因數(shù)可達(dá)104-6×105。它設(shè)備簡單、操作穩(wěn)定。適用范圍細(xì)胞、細(xì)胞碎片、細(xì)胞器、病毒、蛋白質(zhì)、核酸等。特別適合一般分離機(jī)難以分離的固形物含量<1%發(fā)酵液的分離。管式離心機(jī)是一種靠離心力和螺旋的推動力作用自動連續(xù)排渣的離心機(jī)。具操作連續(xù)、適應(yīng)性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)緊湊和維修方便的優(yōu)點。分離因數(shù)為1500-3000。適用范圍特別適合固形物含量較多的懸浮液的分離。傾析式分離機(jī)全發(fā)酵液提取全發(fā)酵液的提取:從懸浮液中直接提取生化物質(zhì)膜技術(shù)雙水相萃取擴(kuò)張床(膨脹床)