第七章-發(fā)酵液預(yù)處理和固液分離方法

第七章

發(fā)酵液的預(yù)處理和固液分離3預(yù)處理和固液分離內(nèi)容固液分離發(fā)酵液胞外上清液/濾液預(yù)處理提取生化物質(zhì)的第一步，分兩部分：胞內(nèi)富集細(xì)胞4發(fā)酵液的預(yù)處理（Pretreatment）

以細(xì)胞培養(yǎng)液或發(fā)酵液為出發(fā)點，設(shè)法使目標(biāo)產(chǎn)物轉(zhuǎn)移到液相中，同時除去其它懸浮顆粒以及改善濾液性狀，利于后續(xù)操作，該過程稱為預(yù)處理。5為何要對發(fā)酵液進行預(yù)處理？發(fā)酵產(chǎn)物濃度較低;懸浮物顆粒小;可壓縮性;液相粘度大；懸浮狀態(tài)穩(wěn)定6預(yù)處理的目的目的：改變發(fā)酵液的理化性質(zhì)，利于固液分離的進行。高價無機離子和可溶性蛋白。針對對象：7一、預(yù)處理的方法凝聚和絮凝降低發(fā)酵液粘度調(diào)節(jié)懸浮液的pH值雜蛋白的去除高價無機離子的去除助濾劑和反應(yīng)劑

8凝聚：一、凝聚和絮凝指在中性鹽（鋁、鐵的鹽類）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。指絮凝劑基于架橋的作用將膠體粒子交聯(lián)成網(wǎng)，形成10mm大小絮凝團的過程。絮凝：

機理：1）中和粒子表面電荷2）消除雙電層結(jié)構(gòu)3）破壞水化膜（一）凝聚Coagulation常用的凝聚劑電解質(zhì)有：硫酸鋁Al2(SO4)3?18H2O（明礬）；氯化鋁AlCl3?6H2O;三氯化鐵FeCl3;硫酸亞鐵FeSO4·7H2O；石灰；ZnSO4；MgCO311絮凝：大分子聚電解質(zhì)將膠體粒子交聯(lián)成網(wǎng)狀，形成絮凝團的過程

機理：架橋作用分類：陰離子型、陽離子型、非離子型

（二）絮凝flocculation高分子絮凝劑的吸附架橋作用它們通過靜電引力、范德華引力或氫鍵的作用，強烈地吸附在膠粒的表面?？煞譃槿悾喝斯ず铣捎袡C高分子聚合物、天然有機高分子聚合物、微生物絮凝劑1）人工合成有機高分子聚合物

如聚丙烯酰胺類衍生物工業(yè)上使用的絮凝劑聚丙烯酰胺類絮凝劑的優(yōu)點用量少；絮凝體粗大，分離效果好；絮凝速度快；種類多，適用范圍廣。聚丙烯酰胺類絮凝劑的缺點：存在一定的毒性目前最常見：聚丙烯酰胺類絮凝劑152）天然有機高分子絮凝劑例：

淀粉類、纖維素類、植物膠類和聚多糖類。其中淀粉改性絮凝劑的研究開發(fā)最引人注目。3）微生物絮凝劑一類由微生物或其分泌物產(chǎn)生的具有絮凝細(xì)

胞功能的代謝產(chǎn)物。主要成分是糖蛋白、粘多糖、纖維素及核酸

等高分子物質(zhì)。安全，無毒和不污染環(huán)境。17混凝在料液中，先加入無機電解質(zhì)，使懸浮粒子間的相互排斥能降低，脫穩(wěn)而凝聚成微粒，而后再加入絮凝劑的操作過程。18絮凝的影響因素發(fā)酵液的性質(zhì)；絮凝劑的加量；絮凝劑的分子量；pH控制；攪拌速度。提高溫度方法加水稀釋發(fā)酵液的預(yù)處理和固液分離技術(shù)－確保目的產(chǎn)物穩(wěn)定性－過濾速度需提高稀釋數(shù)倍以上二預(yù)處理-降低發(fā)酵液粘度20三預(yù)處理-調(diào)節(jié)pH調(diào)節(jié)發(fā)酵液的pH到蛋白質(zhì)的等電點是除去蛋白質(zhì)的有效方法。影響離子型絮凝劑的電離度。21六預(yù)處理-加入助濾劑例硅藻土、淀粉、活性

炭、石英砂、石棉粉、

纖維素、白土等。22助濾劑的選擇(1)粒度(2)助濾劑的品種(3)用量23六、預(yù)處理-加入反應(yīng)劑1）與某些可溶性鹽類發(fā)生反應(yīng)生成不

溶性沉淀;2）發(fā)酵液中含有不溶性多糖物質(zhì)時，

用酶轉(zhuǎn)化為單糖，提高過濾速率。24五、預(yù)處理-高價無機離子的去除鎂離子的去除：常用草酸與鈣離子生成草酸鈣沉淀草酸為弱酸，對發(fā)酵產(chǎn)物的破壞較小，草酸鈣沉淀還能促進蛋白質(zhì)凝固，有利于提高濾液的過濾速度；草酸的溶解度較小，需大用量時，可用草酸鈉取代；草酸價格較高，生產(chǎn)上一般需回收鈣離子的去除：鐵離子的去除：

常用三聚磷酸鈉與鎂離子形成可溶性絡(luò)合物

Na5P3O10+Mg2+=MgNa3P3O10+2Na+常用黃血鹽與鐵離子形成普魯氏藍沉淀3K4Fe(CN)6+4Fe3+=Fe4[Fe(CN)6]3↓+12K+25四、預(yù)處理-雜蛋白的去除方法沉淀法變性法吸附法26雜蛋白去除-沉淀法1）沉淀法調(diào)等電點因羧基的電離度比氨基大，所以大多數(shù)蛋白質(zhì)的等電點都在酸性范圍(pH4.0-5.5)

但僅靠調(diào)等電點還不能使大部分蛋白質(zhì)沉淀蛋白質(zhì)是兩性物質(zhì)，在酸性溶液中，能與一些陰離子物質(zhì)如三氯乙酸鹽、水楊酸鹽、鎢酸鹽等形成沉淀；在堿性溶液中，能與一些陽離子如Ag+、Cu2+、Zn2+、Fe3+、等形成沉淀2）變性法變性蛋白溶解度較小最常用加熱法加熱不僅能使蛋白變性，還可降低液體黏度，提高過濾速率；其他方法：

大幅度調(diào)節(jié)pH，加酒精、丙酮等有機溶劑或表面活性劑變性法存在一定的局限如加熱法只適用于對熱較穩(wěn)定的目的產(chǎn)物；極端pH也會導(dǎo)致某些目的產(chǎn)物失活，且需消耗大量酸堿。3）吸附法

加入某些吸附劑或沉淀劑吸附雜蛋白而將其除去

如四環(huán)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鉀的膠狀沉淀來吸附蛋白；在枯草芽孢桿菌發(fā)酵中，加入氯化鈣和磷酸氫二鈉，兩者生成龐大的凝膠，把蛋白質(zhì)、菌體及其他不溶性粒子吸附并包裹在其中而除去27收集胞內(nèi)產(chǎn)物的細(xì)胞或菌體，分離除去液相；收集含生化物質(zhì)的液相，分離除去固體懸浮物。固液分離的目的：28

發(fā)酵后期要少加消泡劑和少進行補料，防止消泡劑和未用完的培養(yǎng)基增加過濾難度；

菌體自溶前放罐可防止因菌體自溶釋放出的代謝產(chǎn)物增加發(fā)酵液黏度1）菌體細(xì)胞體積

真菌菌絲體較粗大，質(zhì)量比阻小，發(fā)酵液不需經(jīng)特殊處理就很容易過濾；

放線菌菌絲細(xì)而分支，交織成網(wǎng)格狀，質(zhì)量比阻力大，較難過濾，發(fā)酵液需經(jīng)預(yù)處理，凝固蛋白質(zhì)等膠體物質(zhì)，提高過濾速度；

細(xì)菌菌體更小，發(fā)酵液如不經(jīng)絮凝等預(yù)處理，很難用常規(guī)過濾設(shè)備進行過濾操作。2）培養(yǎng)基組成黃豆餅粉、花生餅粉等會增加過濾難度3）放罐時機二、影響發(fā)酵液固液分離的因素29常見的固液分離方法過濾filtration離心Centrifugation

膜分離membraneseparation雙水相萃取ATPS擴張床吸附EBA30（一）過濾filtration借助于過濾介質(zhì)，在一定的壓力差作用下，使懸浮液中的液體通過介質(zhì)的孔道，而固體顆粒被截留在介質(zhì)上，從而實現(xiàn)固液分離的單元操作。311、濾餅過濾：適用于：濾布，濾餅達到一定厚度起過濾作用。固體含量>0.1g/100ml介質(zhì)：32過濾推動力：懸浮液自身壓強差、重力懸浮液表面加壓過濾介質(zhì)下方抽真空離心力過濾阻力：介質(zhì)阻力濾餅阻力332、過濾介質(zhì)選擇應(yīng)具有足夠的機械強度和盡

可能小的流動阻力。34過濾介質(zhì)-織物介質(zhì)又稱濾布，應(yīng)用最廣泛，包括由棉、麻等天然纖維濾

布和合成纖維濾布。

最高溫度℃密度(kg／m3)吸水率％耐磨棉尼綸滌綸92105—12014515511413816-226.5-8.30.04-0.08良優(yōu)優(yōu)

濾

液澄清度阻力濾餅中含

水濾餅脫落壽命堵孔傾向平紋斜紋緞紋依次降依次降依次減依次易中長短依次易35過濾介質(zhì)-粒狀介質(zhì)有硅藻土、珍珠巖粉、細(xì)砂、活性炭、白土等。

用于固相含量極少的懸浮液最常用的是硅藻土，是優(yōu)良的過濾介質(zhì)。硅藻土過濾介質(zhì)通常有三種用法：（1）作為深層過濾介質(zhì)。截留效果可達到1μm。（2）作為預(yù)涂層。保護孔道不被固體粒子堵塞。（3）用作助濾劑。

36硅藻37過濾介質(zhì)-多孔固體介質(zhì)

如多孔陶瓷、多孔玻璃、多孔塑料等，可加工成板狀或管狀，孔隙很小且耐腐蝕，常用于過濾含有少量微粒的懸浮液。38典型過濾設(shè)備：按操作方式分類：按操作壓強差分類：實驗室用抽濾裝置板框壓濾機（間歇操作）轉(zhuǎn)筒真空過濾機（連續(xù)操作）過濾式離心機3、固液分離過濾設(shè)備間歇過濾機、連續(xù)過濾機壓濾、吸濾和離心過濾391）實驗室用抽濾裝置402）板框壓濾機適合于固體含量1-10%的懸浮液的分離。

廣泛應(yīng)用于培養(yǎng)基制備的過濾及霉菌、放線菌、酵母菌和細(xì)菌等多種發(fā)酵液的固液分離。A.根據(jù)過濾機理，過濾操作可分為澄清過濾和濾餅過濾。澄清過濾：濾餅過濾：過濾介質(zhì)為硅藻土、砂、顆粒活性炭、玻璃珠、塑料顆粒等，當(dāng)懸浮液通過濾層時，固體顆粒被阻攔或吸附在濾層的顆粒上，使濾液得以澄清，適合于固體含量少于0.1g/100ml、顆粒直徑在5-100μm的懸浮液的過濾分離，如河水、麥芽汁、酒類和飲料等的澄清。過濾介質(zhì)為濾布，包括天然或合成纖維織布、金屬織布、玻璃纖維紙、合成纖維等無紡布。當(dāng)懸浮液通過濾布時，固體顆粒被濾布阻攔而逐漸形成濾餅（濾渣）。當(dāng)濾餅至一定厚度時即起過濾作用，此時即可獲得澄清的濾液，這種方法叫做濾餅過濾，在濾餅過濾中，懸浮液本身形成的濾餅起著主要的過濾作用，適合于固體含量大于0.1g/100ml的懸浮液的過濾分離。B.常用過濾設(shè)備（1）板框過濾機板框過濾機45板框壓濾機包括板和框，多做成正方形，角端均開有小孔，裝合壓緊后即構(gòu)成供濾漿或洗水流通的孔道?？虻膬蓚?cè)覆以濾布，空框與濾布圍成了容納濾漿及濾餅的空間，濾板用以支撐濾布并提供濾液流出的通道。46板框式壓濾機在過濾時，懸浮液由離心泵或齒輪泵經(jīng)濾漿通道打人框內(nèi)，，濾液穿過濾框兩側(cè)濾布，沿相鄰濾板溝槽流至濾液出口，固體則被截留于框內(nèi)形成濾餅。濾餅充滿濾框后停止過濾。優(yōu)點：

真空轉(zhuǎn)鼓過濾機具有自動化程度高、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。缺點：

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。（2）真空轉(zhuǎn)鼓過濾機50主體是一個由篩板組成能轉(zhuǎn)動的水平圓筒，表面有一層金屬絲網(wǎng)，網(wǎng)上覆蓋濾布,圓筒內(nèi)沿徑向被筋板分隔成若干個空間。51轉(zhuǎn)筒真空過濾機結(jié)構(gòu)：轉(zhuǎn)筒，扇形格(18格)；

濾室；分配頭；動盤(18個孔，分別與扇形格的18個通道相連)；定盤(三個凹槽：濾液真空凹槽(1/3)、洗水真空凹槽(1/2)、壓縮空氣凹槽(1/6)，分別將動盤的18個孔道分成三個通道)；

濾漿槽。52轉(zhuǎn)筒下部浸入濾漿槽中，浸沒角約90°-130°，圓筒緩慢旋轉(zhuǎn)時(轉(zhuǎn)速約0.5-2r／min)，筒內(nèi)每一空間相繼與分配頭中的3個室相通，可順序進行過濾、洗滌、吸干、吹松、卸餅等項操作。即整個圓筒分為過濾區(qū)、洗滌及脫水區(qū)，卸渣及再生區(qū)3個區(qū)域。53轉(zhuǎn)筒真空過濾機主要適用霉菌發(fā)酵液，對菌體細(xì)小、黏度大鋪助濾劑。

對于濾餅阻力較大的物料適應(yīng)能力較差。54帶式真空過濾機帶式真空過濾機（是自動連續(xù)運轉(zhuǎn)、并能按工藝要求進行無級調(diào)速以及操作方便和動力消耗低的一種新型高效的脫水設(shè)備。55帶式真空過濾機流程1、進料→過濾→濾餅洗滌→吸干→卸料→濾布清洗連續(xù)進行。

2、真空過濾盤分段設(shè)計，可滿足不同物料過濾、洗滌、吸干的工藝要求，濾帶運行速度采用變頻無級調(diào)速，對不同物料有廣泛的適應(yīng)性。

3、在同一設(shè)備上可采用多次逆流洗滌得到高濃度的濾液，也可采用并流洗滌或順流洗滌獲得高純度的濾餅。56結(jié)構(gòu)：轉(zhuǎn)鼓濾餅濾布濾網(wǎng)離心過濾機工作原理圖轉(zhuǎn)鼓(上有小孔，亦稱懸框)；濾網(wǎng)；濾布；機架。原理：

由于離心力作用，液體產(chǎn)生徑向壓差，通過濾餅、濾網(wǎng)及濾筐而流出。3）離心過濾機57又稱切向流過濾在壓力推動下，懸浮液以高速在管狀濾膜的內(nèi)壁作切向流動，利用流動的剪切作用將過濾介質(zhì)表面的固體（濾餅）移走，而附著在濾膜上的濾餅很薄，因而能在長時間內(nèi)保持穩(wěn)定不變的過濾速度4）錯流過濾58朗極化工公司膜澄清過濾和膜濃縮的“錯流過濾系統(tǒng)”

陶瓷膜錯流過濾59設(shè)備主要結(jié)構(gòu)過程特點適用性板框壓濾機濾板/濾框/夾緊機構(gòu)/機架裝合過濾洗滌卸渣整理加壓過濾，推動力較大結(jié)構(gòu)簡單，造價低；過濾面積大，能耗少；間歇操作；洗滌時間長，生產(chǎn)效率低。應(yīng)用廣泛。對原料的適應(yīng)性強轉(zhuǎn)鼓真空過濾機轉(zhuǎn)筒(濾網(wǎng)、濾布)/分配頭、濾漿槽過濾洗滌吹干卸渣連續(xù)化生產(chǎn)，自動化程度高真空過濾，推動力較??；，濾餅濕度大，設(shè)備投資高適于粒度中等，粘度不太大的物料離心過濾機轉(zhuǎn)鼓(濾網(wǎng)、濾布)/機架過濾洗滌卸渣離心過濾，推動力最大；濾液濕度小，設(shè)備成本高，應(yīng)用廣泛，過濾面積小。幾種過濾設(shè)備的比較60（二）離心分離基于固體顆粒和周圍液體密度存在差異，在離心場中使不同密度的固體顆粒加速沉降的分離過程。動植物細(xì)胞的收集、細(xì)胞碎片和沉淀的分離等常用離心分離。離心機的種類與用途低速離心機：高速離心機：超速離心機：其最大轉(zhuǎn)速在8000r/min以內(nèi)，主要用于細(xì)胞、細(xì)胞碎片和培養(yǎng)基殘渣等固形物的分離。最大轉(zhuǎn)速為（1～2.5）×104r/min，主要用于細(xì)胞碎片和細(xì)胞器等較小固形物的分離。最大轉(zhuǎn)速達(2.5～12)×104r/min，主要用于DNA、RNA、蛋白質(zhì)等生物大分子以及細(xì)胞器、病毒等的分離純化。6162按離心機的作用方式：斜角