【學(xué)習(xí)課件】第二章-發(fā)酵液預(yù)處理與固液分離

1、生物分離工程Bioseparation Engineering第二章 發(fā)酵液預(yù)處理與固液分離 編輯ppt生物分離過程的一般流程編輯ppt2.發(fā)酵液預(yù)處理與固液分離 2.1 發(fā)酵液預(yù)處理 2.1.1 引言 2.1.2 發(fā)酵液過濾性能的改變 2.1.3 發(fā)酵液的相對純化2.2 固液分離 2.2.1 過濾 2.2.2 離心編輯ppt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)胞編輯ppt生物產(chǎn)品的分類（根據(jù)分離特點(diǎn)）：培養(yǎng)液產(chǎn)品：如飲料酒類，沒有提取與精制，只需考慮除去固相雜質(zhì)即可。細(xì)胞產(chǎn)品：如活性干酵母，只需固液分離和洗滌可溶性雜質(zhì)的過程。粗制

2、產(chǎn)品：如工業(yè)用酶制劑，只需考慮產(chǎn)品提取。精制產(chǎn)品：有純度要求，大多數(shù)生物產(chǎn)品屬此類，其分離回收過程一般包括預(yù)處理與固液分離、提取、精制和成品加工四步。編輯ppt精制產(chǎn)品分離純化一般流程：胞外產(chǎn)品：發(fā)酵液 預(yù)處理目的產(chǎn)物盡量進(jìn)液相 固液分離收集液相 后提取與精制 編輯ppt胞內(nèi)產(chǎn)品：發(fā)酵液 預(yù)處理 除雜、改變液相性質(zhì) 固液分離 收集細(xì)胞或菌體 細(xì)胞破碎 目的產(chǎn)物進(jìn)液相 固液分離 收集液相 后提取與精制編輯ppt2.1 發(fā)酵液預(yù)處理 2.1.1 引言發(fā)酵液預(yù)處理的目的：改變?yōu)V液的性質(zhì)除去部分可溶性雜質(zhì)盡可能使產(chǎn)物轉(zhuǎn)入便于后處理的一相中（多數(shù)是液相） 以利于后繼各工序的順利進(jìn)行 編輯ppt預(yù)處理的方

3、法加水稀釋法Dilution with water加熱法 Heating調(diào)節(jié)懸浮液的pH值 Regulation of pH凝聚和絮凝 Coagulation and flocculation 助濾劑Filter aids和反應(yīng)劑 Reactant高價無機(jī)離子的去除 Removal of inorganic ion雜蛋白的去除 Removal of useless protein編輯ppt2.1.2 發(fā)酵液過濾性能的改變生物懸浮液的特性：懸浮物顆粒小，比重與液相相差不大；固體粒子可壓縮性大；粘度大，含有蛋白質(zhì)、多糖等膠體物質(zhì)，大多為非牛頓型流體。改性的目的：降低濾餅比阻，提高過濾與分離的速率。

4、 編輯ppt2.1.2.1 加水稀釋加水稀釋法：雖能降低液相粘度，但會增加懸浮液的體積，加大后繼過程的處理任務(wù)。加水稀釋編輯ppt2.1.2.2 加熱加熱：可有效降低液相黏度，改善過濾性能。但加熱的溫度必須是在不影響目的產(chǎn)物活性的范圍內(nèi)。 溫度 編輯ppt2.1.2.3 調(diào)整pH對于氨基酸、蛋白質(zhì)等兩性物質(zhì)，調(diào)pH至等電點(diǎn)，在等電點(diǎn)下溶解度最小，此即為等電點(diǎn)沉淀。在極端pH值下，蛋白質(zhì)發(fā)生凝固，使之分離。可以使存在于胞內(nèi)的發(fā)酵產(chǎn)物轉(zhuǎn)入液相或使發(fā)酵產(chǎn)物以適合的離子狀態(tài)或游離狀態(tài)存在于發(fā)酵液中，防止其沉淀、氧化或變性等。編輯ppt 通過調(diào)整pH值改變膜過濾中易吸附分子的電荷性質(zhì)，可減少膜堵塞和污染

5、。調(diào)整pH改變某些物質(zhì)的電荷性質(zhì)與強(qiáng)度發(fā)生絮凝便于分離。細(xì)胞(碎片)及某些膠體物質(zhì)在某個pH值下也可能趨于絮凝而成為較大顆粒，有利于過濾的進(jìn)行。編輯ppt2.1.2.4 凝聚與絮凝（1）凝聚：指在電解質(zhì)作用下，由于膠粒間雙電層排斥電位的降低，而使膠體體系不穩(wěn)定的現(xiàn)象。 膠體穩(wěn)定機(jī)理：菌體、蛋白質(zhì)等膠體粒子表面都帶負(fù)電荷在靜電引力作用下形成雙電層保持膠體的分散狀態(tài)凝聚作用機(jī)理：加入電解質(zhì)電解質(zhì)中的高價陽離子對膠體周圍離子的影響雙電層電位膠體穩(wěn)定性，發(fā)生凝聚編輯ppt電解質(zhì)的凝聚能力可用凝聚值來表示，使膠粒發(fā)生凝聚作用的最小電解質(zhì)濃度（mmol/L)稱為凝聚值。陽離子對帶負(fù)電荷的發(fā)酵液膠體粒子凝聚

6、能力的次序?yàn)椋篈l3+Fe3+H+Ca2+Mg2+K+Na+Li+常用的凝聚電解質(zhì)有硫酸鋁Al2(SO4)318H2O(明礬)、氯化鋁AlCl36H2O、三氯化鐵FeCl36H2O、硫酸亞鐵FeSO47H2O、石灰、ZnSO4、MgCO3等。編輯ppt（2）絮凝：指在某些高分子絮凝劑存在下，基于橋架作用，使膠粒形成較大絮凝團(tuán)的過程。 膠 體 粒 子高分子絮凝劑靜電引力范德華力氫鍵作用 相互吸附作用形成絮團(tuán)編輯ppt絮凝劑是一種能溶于水的高分子聚合物，具長鏈狀結(jié)構(gòu)，其鏈上含有許多活性功能團(tuán)，包括帶電荷的離子基團(tuán)和不帶電荷的非離子型基團(tuán)。根據(jù)其來源的不同，常用絮凝劑分為如下三類： 有機(jī)高分子聚合物

7、，如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，如聚合鋁鹽、聚合鐵鹽等； 天然有機(jī)高分子絮凝劑，如聚糖類膠粘物、海藻酸鈉、明膠、骨膠、殼多糖、脫乙酰殼多糖等。編輯ppt（3）混凝凝聚的特點(diǎn)是速度快，但顆粒小；絮凝的特點(diǎn)是速度慢，而顆粒較大。它們單獨(dú)使用時效果較差，所以絮凝劑常與無機(jī)電解質(zhì)凝聚劑搭配使用 。編輯ppt 首先加入電解質(zhì)，使懸浮粒子間的雙電層電位降低、脫穩(wěn)、凝聚成微粒，然后再加入絮凝劑絮凝成較大的顆粒。 無機(jī)電解質(zhì)的凝聚作用為高分子絮凝劑的架橋創(chuàng)造了良好的條件，從而大大提高了絮凝的效果。這種包括凝聚和絮凝機(jī)理的過程，稱為混凝。 膠體懸浮液 加入電解質(zhì)粒子間的排斥作用降低

8、、脫穩(wěn)、凝聚成微粒 加入絮凝劑絮凝成較大的顆粒編輯ppt2.1.2.5 加入助濾劑助濾劑是一種不可壓縮的多孔微粒。常用的助濾劑有硅藻土、纖維素、石棉粉、珍珠巖、白土、碳粒、淀粉等。懸浮液 加入助濾劑懸浮液中的細(xì)微膠體粒子被吸附到助濾劑的表面上濾餅的結(jié)構(gòu)改變，可壓縮性下降過濾阻力降低，過濾速率提高 編輯ppt助濾劑使用要點(diǎn)： （1）根據(jù)目的產(chǎn)物選擇助濾劑品種：當(dāng)目的產(chǎn)物為液相時，要注意目的產(chǎn)物是否會被助濾劑吸附；當(dāng)目的產(chǎn)物為固相時，要注意助濾劑對產(chǎn)品質(zhì)量的影響。 （2）根據(jù)過濾介質(zhì)（如濾布）和過濾情況選擇助濾劑品種：要注意防止泄漏和堵塞過濾介質(zhì)。編輯ppt助濾劑使用要點(diǎn)： （3）粒度選擇 ：助濾

9、劑的粒度必須與懸浮液中固體粒子的尺寸相適應(yīng)，顆粒較小的懸浮液應(yīng)采用較細(xì)的助濾劑。 （4）使用量的選擇 ：助濾劑的使用量必須適合，使用量過少，起不到有效的作用；使用量過大，不僅浪費(fèi)，而且會因助濾劑成為主要的濾餅阻力而使過濾速率下降。 （過濾速率與使用量的關(guān)系） 編輯ppt2.1.2.6 加入反應(yīng)劑（1）生成不溶性沉淀 加入反應(yīng)劑和某些可溶性鹽類發(fā)生反應(yīng)生成不溶性沉淀 ，如CaSO4 、AlPO4 等。產(chǎn)生的沉淀可作為助濾劑，并且能使膠狀物和懸浮物凝固，從而改善過濾性能。 如環(huán)絲氨酸發(fā)酵液用氧化鈣和磷酸處理，生成磷酸鈣沉淀，能使過濾速率提高310倍。（2）分解大分子物質(zhì) 如發(fā)酵液中含有多糖、蛋白質(zhì)

10、等高分子物質(zhì)，可用內(nèi)切酶分解，以提高過濾速率。例如萬古霉素發(fā)酵液殘留一定的淀粉，過濾前加入-淀粉酶處理，配合硅藻土助濾劑，可使過濾速率提高5倍。 編輯ppt2.1.3 發(fā)酵液的相對純化發(fā)酵液中的雜質(zhì)不僅直接影響產(chǎn)品質(zhì)量和收得率，同時對后繼提取和精制有很大影響。 高價無機(jī)離子（Ca2+、Mg2+ 、Fe3+ 等）影響離子交換法提取時樹脂的交換容量。可溶性蛋白質(zhì)影響離子交換和吸附法提取時的交換容量和吸附能力；萃取時易產(chǎn)生乳化現(xiàn)象，使兩相分離不清；膜過濾時，易堵塞或污染，影響過濾速率。 編輯ppt2.1.3.1 高價無機(jī)離子的去除（1）Ca2+加草酸鈉沉淀 C2O4Na2 + Ca2+ C2O4Ca

11、 + 2Na+ （2）Mg2+加三聚磷酸鈉形成絡(luò)合物 Na5P3O10 + Mg2+ MgNa3P3O10 + 2Na+ （3）Fe3+加入黃血鹽，形成普魯士藍(lán)沉淀 4Fe3+ + 3K4Fe(CN)6 Fe4Fe(CN)63 + 12K+編輯ppt2.1.3.2 雜蛋白質(zhì)的去除（1）沉淀法 酸性溶液：加陰離子沉淀，如三氯乙酸鹽、水楊酸鹽、鎢酸鹽、苦味酸鹽、鞣酸鹽、過氯酸鹽等。堿性溶液：加陽離子沉淀，如Ag+、Cu2+ 、Zn2+ 、Fe3+ 、Pb2+ 等。 （2）變性法 加熱變性：7080，30min，蛋白質(zhì)大多變性沉淀。 酸堿變性：如在抗生素生產(chǎn)中，常將發(fā)酵液pH調(diào)至pH23或pH89使

12、蛋白質(zhì)凝固。 有機(jī)溶劑變性：如酒精、丙酮等使蛋白質(zhì)凝固。（3）吸附法 加入某些吸附劑或沉淀劑吸附雜蛋白質(zhì)而去除 編輯ppt2.2 固液分離固液分離的方法很多，其中用于細(xì)胞懸浮液分離的主要是過濾和離心分離。霉菌和放線菌為絲狀菌，體形較大，其細(xì)胞懸浮液大多采用過濾方法處理。細(xì)菌和酵母菌為單細(xì)胞，體形較小，外形尺寸大多在110m范圍，一般采用高速離心機(jī)分離。采用絮凝和添加助濾劑等方法進(jìn)行預(yù)處理后，細(xì)菌和酵母菌細(xì)胞懸浮液亦可采用過濾方法進(jìn)行固液分離。 （粒度、密度差；投資、能耗、適應(yīng)性）編輯ppt過濾操作是借助于過濾介質(zhì)，在一定的壓力差P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

13、，從而實(shí)現(xiàn)固液分離的單元操作。過濾介質(zhì)filter medium : 過濾采用的多孔物質(zhì)； 濾漿filter pulp : 所處理的懸浮液； 濾液filtrate : 通過多孔通道的液體； 濾餅或?yàn)V渣 filter cake:被截留的固體物質(zhì)。2.2.1 過濾編輯ppt板框過濾機(jī)是一種傳統(tǒng)的過濾設(shè)備，可用于霉菌、放線菌、酵母等多種發(fā)酵液的固液分離。優(yōu)點(diǎn)：固相含水份低，動力消耗低，適應(yīng)不同過濾特性的發(fā)酵液的過濾。缺點(diǎn)：間歇操作、勞動強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率較低。適合于固形物含量110%的懸浮液的分離。（1）板框過濾機(jī)編輯ppt板框壓濾機(jī)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

14、水流通的孔道。框的兩側(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。編輯ppt板框式壓濾機(jī)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。編輯ppt編輯ppt編輯ppt（2）真空轉(zhuǎn)鼓過濾機(jī)可用于霉菌、放線菌、酵母菌等細(xì)胞懸浮液的過濾分離。優(yōu)點(diǎn)：操作連續(xù)，處理量大，適合于固形物含量大于10%的懸浮液的分離。缺點(diǎn)：不適合于菌體較小和粘度較大的細(xì)菌發(fā)酵液的過濾，所得固相的干度不如板框過濾。 編輯ppt轉(zhuǎn)筒真空過濾機(jī)結(jié)構(gòu)：轉(zhuǎn)筒，扇形格(18格)； 濾室； 分

15、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、洗水真空凹槽、壓縮空氣凹槽，分別將動盤的18個孔道分成三個通道)； 濾漿槽。編輯ppt轉(zhuǎn)筒下部浸入濾漿槽中，浸沒角約900-1300，圓筒緩慢旋轉(zhuǎn)時(轉(zhuǎn)速約0.5-2rmin)，筒內(nèi)每一空間相繼與分配頭中的3個室相通，可順序進(jìn)行過濾、洗滌、吸干、吹松、卸餅等項(xiàng)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。 編輯ppt編輯ppt（3） 錯流過濾（Cross-Flow Filtration ）在分離細(xì)菌、細(xì)胞碎片等懸浮液時，由于其固體顆粒細(xì)微，可壓縮性大，所形成的濾餅阻力很大，隨著過濾過程的進(jìn)行，過濾速度迅速下降。因而一般過濾不適合細(xì)菌懸浮液的分離。錯流過濾（Cross-Flow Filtration)又稱切向流過濾，是一種維持恒壓下高速過濾的技術(shù)。其操作特點(diǎn)是使懸浮液在過濾介質(zhì)表面作切向流動，利用流動的剪切作用將過濾介質(zhì)表面的固體（濾餅）移走。編輯ppt錯流過濾廣泛用于細(xì)菌和細(xì)胞碎片的分離，缺點(diǎn)是固相（濃縮相）含液量較高，僅起濃縮作用。編輯ppt（4） 澄清過濾 當(dāng)懸浮液通過濾層時，固體顆粒被阻