第二章發(fā)酵液的預處理

第二章發(fā)酵液的預處理第一頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期四第二章發(fā)酵液的預處理第二頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期四概述無論是胞內(nèi)產(chǎn)物還是胞外產(chǎn)物，在分離純化目的產(chǎn)物之前，首先要對發(fā)酵液進行預處理，將固相、液相分離后，才能采用各種物理、化學、生物的方法進行產(chǎn)物的進一步分離純化。預處理(Pretreatment)是指采用絮凝和凝集等技術加速固液分離，提高過濾速度。過濾和離心是其最基本的操作單元。第三頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期四第一節(jié)發(fā)酵液預處理的方法一、發(fā)酵液的一般特性二、發(fā)酵液預處理的目的和要求三、發(fā)酵液預處理的方法第四頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期四一、發(fā)酵液的一般特性水分含量高（90-99%）產(chǎn)物濃度低（<10%）發(fā)酵液黏度大，不易過濾殘留培養(yǎng)基成分含有發(fā)酵代謝副產(chǎn)物發(fā)酵液含有色素、毒性物質(zhì)和熱源物質(zhì)等有機雜質(zhì)第五頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期四二、發(fā)酵液預處理的目的和要求（一）目的改變發(fā)酵液特性，加速固液分離富集分離產(chǎn)物于固相（或液相）去除部分雜質(zhì)，減少后續(xù)分離負荷第六頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期四二、發(fā)酵液預處理的目的和要求（二）要求菌體分離發(fā)酵懸浮物的去除固液懸浮物的去除蛋白質(zhì)的去除重金屬離子的去除色素、毒物和熱源物等有機質(zhì)的去除改變發(fā)酵液特性，利于后續(xù)分離工作調(diào)節(jié)適宜的pH值和溫度第七頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期四三、發(fā)酵液預處理的方法（一）凝集和絮凝方法1、凝集在凝聚劑的作用下，使發(fā)酵液中的膠體脫穩(wěn)并使粒子相互凝聚為1mm大小塊狀絮凝體的過程。本質(zhì)：對初始粒子表面電荷的中和、消除離子表面穩(wěn)定的雙電荷層。第八頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期四鹵水點豆腐——凝聚原理黃豆里的蛋白質(zhì)團粒被水簇擁著不停地運動，聚不到一塊兒，形成了“膠體”溶液。點鹵用鹽鹵或石膏，鹽鹵主要含氯化鎂，石膏是硫酸鈣，它們能使分散的蛋白質(zhì)團粒很快地聚集到一塊兒，成了白花花的豆腐腦。第九頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期四膠體雙電子層的結(jié)構(gòu)————————————++++++電荷密度+++++++++———————————————+++++++++吸附層擴散層距固體表面的距離正電荷分布負電荷分布第十頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期四破壞雙電荷層的方法加入具有相反電性的電解質(zhì)，中和膠粒電性，降低雙電子層的排斥力，導致膠粒的相互碰撞。另外，由于電解質(zhì)在水中的水化作用，會破壞膠粒周圍的水化層，促使膠粒碰撞、聚集、沉降。第十一頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期四三、發(fā)酵液預處理的方法（一）凝集和絮凝方法2、絮凝在高分子絮凝劑的作用下，通過橋架作用使粒子相互作用形成較大的絮凝團的過程。本質(zhì)：懸浮粒子與絮凝劑之間的橋架作用。第十二頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期四絮凝現(xiàn)象與原理絮凝劑菌體細胞第十三頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期四絮凝現(xiàn)象與原理第十四頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期四絮凝劑的種類無機絮凝劑硫酸鋁、氯化鈣、氯化鎂、堿式氯化鋁有機絮凝劑殼多糖、海藻酸鈉、明膠、聚丙烯酰胺、聚乙烯亞胺等微生物絮凝劑真菌、細菌等代謝產(chǎn)生的多糖、蛋白質(zhì)和核酸類大分子物質(zhì)。第十五頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期四復合型生物絮凝劑

(CompoundBio-flocculants)第十六頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期四影響絮凝效果的因素絮凝劑的種類絮凝劑的濃度pH值攪拌速度和時間Vml/minVml/min濃度pHFR/%時間溫度第十七頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期四3、對發(fā)酵液凝聚和絮凝方法的研究見教材14文中內(nèi)容均為文獻研究報告的摘要和重要結(jié)論部分。第十八頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期四（二）加熱法前提：產(chǎn)物的熱穩(wěn)定性高目的：降低發(fā)酵液黏度加速凝聚作用除去熱變性蛋白破壞凝膠狀膠體穩(wěn)定性增加濾餅空隙率第十九頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期四（三）調(diào)節(jié)pH值法促進絮凝和凝聚作用釋放或穩(wěn)定產(chǎn)物，防止其氧化、變性或沉淀。調(diào)節(jié)pH值時應防止過酸或過堿（四）加水稀釋法提高后續(xù)的離心沉降速度第二十頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期四不同pH值條件下小球藻具有不同的懸浮特性第二十一頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期四小球藻調(diào)pH值自絮凝沉淀實驗加入磷酸氫二鈉和氯化鈣形成的CaHPO4凝膠第二十二頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期四（五）加入助濾劑法防止濾布或生成的濾餅阻塞而影響過濾。常用的助濾劑：紙漿石棉活性炭硅藻土酸性白土第二十三頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期四助濾劑的使用方法先涂層后再過濾先預混后再一起過濾將含助濾劑的發(fā)酵液先壓濾形成過濾介質(zhì)層，然后再進行過濾。過濾介質(zhì)助濾層濾液第二十四頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期四（六）加吸附劑或鹽吸附細胞常用的吸附劑有磷酸氫二鈉和氯化鈣形成的CaHPO4凝膠、氧化鋁凝膠和聚丙烯酰胺凝膠等。第二十五頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期四（七）高價態(tài)無機離子的去除方法在發(fā)酵液中高價態(tài)的無機離子主要為Ca2+、Mg2+、Fe3+三種。Ca2+：加入草酸或草酸鈉Mg2+：與磷酸鹽生成磷酸鎂沉淀，三聚磷酸鈉Fe3+：加入黃血鹽，生成普魯士沉淀而去除。也可加入堿化劑（NaOH、Na2CO3等）。第二十六頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期四（八）可溶性雜蛋白質(zhì)的去除方法等電點沉淀法酸化劑和堿化劑調(diào)節(jié)pH至等電點熱處理法加熱變性蛋白質(zhì)沉淀化學變性沉淀法酸、有機溶劑、重金屬變性蛋白質(zhì)吸附法利用吸附法去除雜蛋白第二十七頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期四（九）色素及其它雜質(zhì)的去除方法常用的脫色方法有離子交換法和吸附法。第二十八頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期四第二節(jié)發(fā)酵液的過濾一、發(fā)酵液過濾的目的二、影響發(fā)酵液過濾的因素三、發(fā)酵液過濾的方法四、提高過濾性能的方法五、過濾介質(zhì)的選擇六、過濾操作條件優(yōu)化七、過濾設備第二十九頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期四一、發(fā)酵液過濾的目的獲得含有目標產(chǎn)物的細胞或發(fā)酵液。除去發(fā)酵液中的固形雜質(zhì)。發(fā)酵液的固液分離是指用過濾或離心等手段除去發(fā)酵液中的懸浮固體（如菌體、細胞、細胞碎片、蛋白質(zhì)及其絮凝體）的過程。第三十頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期四二、影響發(fā)酵液過濾的因素（一）菌種（二）發(fā)酵液黏度發(fā)酵條件放罐時間發(fā)酵染菌發(fā)酵液的pH值、溫度第三十一頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期四三、發(fā)酵液過濾的方法（一）過濾常規(guī)過濾錯流過濾（二）離心過濾式離心沉降式離心（三）不經(jīng)固液分離的直接分離提取離子交換萃取第三十二頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期四錯流過濾設備裝置錯流過濾運行示意圖第三十三頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期四離心分離機分為過濾式離心機和沉降式離心機。臥式離心分離機第三十四頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期四三足離心機SS型三足離心機運轉(zhuǎn)正常時，從頂部加料管進入物料，物料在離心力場的作用下，均勻分布于轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁，液體穿過離心機網(wǎng)經(jīng)轉(zhuǎn)鼓濾孔而泄出，固體則被截留在轉(zhuǎn)鼓的內(nèi)壁，當達到分離要求后，關閉電機，制動停機，由人工把物料從該機上部卸出。具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，通用性強等特點。第三十五頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期四離心分離機優(yōu)缺點比較優(yōu)點：分離速度快、效率高；操作衛(wèi)生條件好，占地面積??；可實現(xiàn)自動化、連續(xù)化和程序化控制；適合于大規(guī)模分離過程。缺點：投資費用高；耗能高。第三十六頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期四四、提高過濾性能的方法（一）加入助濾劑粒度品種用量（二）添加填充凝固劑生成不溶解的沉淀，防止菌絲體粘結(jié)（三）加入降解酶多糖、蛋白質(zhì)水解酶——（純生啤酒過濾膜的生物清洗劑）第三十七頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期四五、過濾介質(zhì)的選擇（一）織物介質(zhì)天然或合成纖維濾布（二）粒狀介質(zhì)硅藻土、活性炭、白土（三）多孔固體介質(zhì)多孔陶瓷、金屬陶瓷、燒結(jié)樹脂、多孔塑料、泡沫金屬（四）微孔纖維素薄膜和金屬薄膜醋酸纖維膜、聚碳酸酯纖維素第三十八頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期四過濾介質(zhì)濾布蜂窩陶瓷過濾片微孔膜過濾芯硅藻土

第三十九頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期四六、過濾操作條件優(yōu)化（一）改善懸浮液的物理性質(zhì)酸化絮凝法、熱處理法、絮凝和凝集法、添加助濾劑法。（二）改善設備結(jié)構(gòu)擴大設備尺寸、增加過濾面積（三）改變過濾方式反向過濾、動態(tài)過濾、錯流過濾（四）適當增加壓力第四十頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期四七、過濾設備過濾機分類圖示文獻來源：李英昌,周志鴻.板框式壓濾機技術發(fā)展概況[J].冶金設備,2007,(4):42-45.第四十一頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期四七、過濾設備（一）板框式壓濾機第四十二頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期四濾框和濾板1-濾框2-濾板3-濾板外框架4-濾板柵5-支撐格篩6-壓蓋框第四十三頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期四西班牙TH公司的APN-18型壓濾機結(jié)構(gòu)示意圖文獻來源：李英昌,周志鴻.板框式壓濾機技術發(fā)展概況[J].冶金設備,2007,(4):42-45.第四十四頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期四七、過濾設備（二）板式壓濾機第四十五頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期四七、過濾設備（三）自動板框壓濾機第四十六頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期四板框壓濾機的優(yōu)缺點優(yōu)點：適應性強；結(jié)構(gòu)簡單、造價低、動力消耗少。缺點：不能連續(xù)工作；設備笨重、勞動強度大；非生產(chǎn)的輔助時間長。壓濾機改進設備：自動板框壓濾機——非生產(chǎn)時間縮短，勞動強度降低。第四十七頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期四七、過濾設備（四）真空過濾機第四十八頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期四真空鼓式過濾機——利用真空吸濾原理第四十九頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期四轉(zhuǎn)筒真空過濾機轉(zhuǎn)筒結(jié)構(gòu)及