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1、第二章 發(fā)酵液的預(yù)處理和菌體的回收,固體顆粒沉降速度,,,與固液分離相關(guān)的微生物發(fā)酵液特性: 發(fā)酵產(chǎn)物濃度較低,大多為110,懸浮液中大部分是水,處理體積量大; 各類細(xì)胞的顆粒小,相對密度與液相相差不大; 細(xì)胞含水量大,可壓縮性大,一經(jīng)壓縮就會變形; 流變特性復(fù)雜,液相粘度大,吸附在濾布上; 性質(zhì)不穩(wěn)定,隨時間變化,如易受空氣氧化、微生物污染、蛋白酶水解等作用的影響。 動植物細(xì)胞沒有微生物細(xì)胞耐剪切,不適于離心。 因此,這些特性使得發(fā)酵液的過濾與離心相當(dāng)困難。,工業(yè)技術(shù)中典型的固體粒子,,,,,發(fā)酵液的預(yù)處理,發(fā)酵液的預(yù)處理目的和內(nèi)容: 改變發(fā)酵液的物理性質(zhì),促進(jìn)從懸浮液中分離固形物的速度
2、,提高固液分離器的效率; 分離菌體和其他懸浮顆粒,除去部分可溶性雜質(zhì)和改變?yōu)V液的性質(zhì),以利于提取和精制后繼各工序的順利進(jìn)行。 發(fā)酵液的預(yù)處理主要包括: 發(fā)酵液過濾特性的改變; 相對純化。,,,濾餅的過濾速率,,,,,,(一)發(fā)酵液過濾特性的改變 目的:通過對發(fā)酵液進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)處理,即可改善其流體性能,降低濾餅阻力,提高過濾與分離的速率。 方法:調(diào)酸(等電點(diǎn))、熱處理、電解質(zhì)處理、添加凝聚劑、添加表面活性物質(zhì)、添加反應(yīng)劑、冷凍解凍及添加助濾劑等。,濾餅的過濾速率,1 降低液體粘度 加水稀釋法:能降低液體粘度,但會增加懸浮液的體積,加大后繼過程的處理任務(wù)。而且,單從過濾操作看,稀
3、釋后過濾速率提高的百分比必須大于加水比才能認(rèn)為有效,即若加水一倍,則稀釋后液體的粘度必須下降50以上才能有效提高過濾速率。 升高溫度:可有效降低液體粘度,提高過濾速率。同時,在適當(dāng)溫度和受熱時間下可使蛋白質(zhì)凝聚,形成較大顆粒的凝聚物,進(jìn)一步改善了發(fā)酵液的過濾特性。 注意事項(xiàng):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。,2 調(diào)整pH pH值直接影響發(fā)酵液中某些物質(zhì)的電離度和電荷性質(zhì),適當(dāng)調(diào)節(jié)pH值可改善其過濾特性。此法是發(fā)酵工業(yè)中發(fā)酵液預(yù)處理較
4、常用的方法之一。 如利用酸堿性來調(diào)液pH值使蛋白質(zhì)等兩性物質(zhì)達(dá)到等電點(diǎn)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。,,細(xì) 胞 組 成,3 凝聚與絮凝 采用凝聚和絮凝技術(shù)能有效改變細(xì)胞、細(xì)胞碎片及溶解大分子物質(zhì)的分散狀態(tài),使其聚結(jié)成較大的顆粒,便于提高過濾速率。除此之外,還能有效地除去雜蛋白質(zhì)和固體雜質(zhì),提高濾液質(zhì)量。因此,凝聚和絮凝是目前工業(yè)上最常用的預(yù)處理方法之一。常用于菌體細(xì)小而且粘度大的發(fā)酵液的預(yù)處理。,凝聚作用就是向膠體懸浮液中加入某種電解質(zhì),在電解質(zhì)中異電離子作用下,膠粒的雙電層電位降低,使膠體體系
5、不穩(wěn)定,膠體粒子間因相互碰撞而產(chǎn)生凝集(1mm左右)的現(xiàn)象。 Al3+Fe 3+ H+ Ca2+ Mg2+ K + Na + Li + 。 常用的凝聚電解質(zhì)有硫酸鋁(明礬)、氯化鋁、三氯化鐵、硫酸亞鐵、石灰、硫酸鋅、碳酸鎂等。,膠體雙電層的構(gòu)造,絮凝是指在某些高分子絮凝劑存在下,基于橋架作用,當(dāng)一個高分子聚合物的許多鏈節(jié)分別吸附在不同的膠粒表面上,產(chǎn)生橋架聯(lián)接時,形成粗大的絮凝團(tuán)(10mm)的過程。絮凝是一種以物理的集合為主的過程。 絮凝劑是一種能溶于水的高分子聚合物,其相對分子質(zhì)量可高達(dá)數(shù)萬至一千萬以上,它們具有長鏈狀結(jié)構(gòu),其鏈節(jié)上含有許多活性官能團(tuán),這些基團(tuán)通過靜電引力、范德華引力或氫鍵的
6、作用,強(qiáng)烈地吸附在膠粒的表面。,絮凝劑的化學(xué)結(jié)構(gòu),1. 要求其分子必須含有相當(dāng)多的活性官能團(tuán),使之能和膠粒表面相結(jié)合; 2. 具有長鏈的線性結(jié)構(gòu),以便同時與多個膠粒吸附形成較大的絮團(tuán), 3. 相對分子質(zhì)量不能超過一定限度,以使其具有良好的溶解性。,根據(jù)其活性基團(tuán)在水中解離情況的不同,絮凝劑可分為非離子型、陰離子型和陽離子型三類。 根據(jù)其來源的不同,工業(yè)上使用的絮凝劑又可分為如下三類: (1)有機(jī)高分子聚合物,如聚丙烯酰胺類衍生物、聚苯乙類衍生物。 (2)無機(jī)高分子聚合物,如聚合鋁鹽、聚合鐵鹽等。 (3)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
7、多糖等。,絮凝劑的分類,絮凝效果與絮凝劑的加量、相對分子質(zhì)量和類型、溶液的pH、攪拌轉(zhuǎn)速和時間等因素有關(guān)。,,影響絮凝效果的因素,帶負(fù)電荷的菌體 或蛋白質(zhì),陽離子型高分子絮凝劑,非離子型和 陰離子型高分子絮凝劑,電解質(zhì),非離子型和 陰離子型高分子絮凝劑,,,,+,?,?,?,包括凝聚和絮凝機(jī)理的過程,稱為混凝。,4 加入助濾劑 助濾劑是一種不可壓縮的多孔微粒,它能使濾餅疏松,吸附膠體,擴(kuò)大過濾面積,濾速增大。 常用的助濾劑有硅藻土、纖維素、石棉粉、珍珠巖、白土、炭粒、淀粉等,其中最常用的是硅藻土。 助濾劑的使用方法有兩種:一種是在過濾介質(zhì)表面預(yù)涂助濾劑,另一種是直接加入發(fā)酵液,也可兩
8、種方法同時兼用。,助濾劑使用要點(diǎn),根據(jù)目的產(chǎn)物選擇助濾劑品種 根據(jù)過濾介質(zhì)和過濾情況選擇助濾劑品種 粒度選擇 使用量選擇,5 加入反應(yīng)劑 利用反應(yīng)劑和某些可溶性鹽類發(fā)生反應(yīng)生成不溶性沉淀。 作用:生成的沉淀能防止菌絲體粘結(jié),使菌絲具有塊狀結(jié)構(gòu),沉淀本身可作為助濾劑,并且能使膠狀物和懸浮物凝固,消除發(fā)酵液中某些雜質(zhì)對過濾的影響,從而改善過濾性能。 舉例:如在新生霉素發(fā)酵液中加入氯化鈣和磷酸鈉。 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。,(二)發(fā)酵液的相對純化 高價無機(jī)離子的存在: 影響樹脂對生化物質(zhì)的交換容量。 可溶性蛋白質(zhì)的存在: 降低離子交換和吸附法提取
9、時交換容量和吸附能力;在有機(jī)溶劑法或雙水相萃取時,易產(chǎn)生乳化現(xiàn)象,使兩相分離不清;在常規(guī)過濾或膜過濾時,易使過濾介質(zhì)堵塞或受污染,影響過濾速率。,,1 高價無機(jī)離子的除去 去除鈣離子:通常使用草酸。但由于草酸溶解度較小,不適合用量較大的場合,可用其可溶性鹽,草酸價格昂貴,注意回收。 去除鎂離子:加入三聚磷酸鈉,與鎂離子形成絡(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。例如:環(huán)絲氨酸的提取。 去除鐵離子,可加入黃血鹽,使其形成普魯士藍(lán)沉淀而除去。,2 雜蛋白質(zhì)的除去 (1) 沉淀法 蛋白質(zhì)在酸性溶液中,能與一些陰離子,如三氯乙酸鹽、水楊酸鹽、鎢酸鹽、苦味酸鹽、鞣酸鹽、過氯酸鹽等形
10、成沉淀;在堿性溶液中,能與一些陽離子如Ag+、 Cu2+ 、 Zn 2+、Fe 3+ 和Pb2+等形成沉淀。 (2) 吸附法 加入某些吸附劑或沉淀劑吸附雜蛋白質(zhì)而除去。 例如:在枯草芽孢桿菌發(fā)酵液中,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,從而可加快過濾速率。,(3)變性法 加熱,大幅度調(diào)節(jié)pH,加酒精等有機(jī)溶劑或表面活性劑等。 例如:在抗生素生產(chǎn)中,常將發(fā)酵液pH調(diào)至偏酸性范圍(pH2 3) 或較堿性范圍(pH89)使蛋白質(zhì)凝固,一般以酸性下除去的蛋白質(zhì)較多。 變性法的局限性:加熱法只適合于對熱較穩(wěn)定的目的產(chǎn)物;極端pH也會導(dǎo)致
11、某些目的產(chǎn)物失活,并且要消耗大量酸堿;而有機(jī)溶劑法通常只適用于所處理的液體數(shù)量較少的場合。,二、固液分離 發(fā)酵液固液分離的主要是離心分離和過濾。 不同性狀的發(fā)酵液應(yīng)選擇不同的固液分離方法 霉菌和放線菌發(fā)酵液:過濾方法 細(xì)菌和酵母菌發(fā)酵液(未經(jīng)預(yù)處理):高速離心。 細(xì)菌和酵母菌發(fā)酵液(進(jìn)行預(yù)處理):過濾方法。 舉例:如菌體較小的氨基酸發(fā)酵液,采用絮凝和添加助濾劑等方法進(jìn)行預(yù)處理后,即可用板框過濾機(jī)或帶式過濾機(jī)進(jìn)行菌體分離,(一)離心分離 離心分離是利用轉(zhuǎn)鼓高速轉(zhuǎn)動所產(chǎn)生的離心力,來實(shí)現(xiàn)懸浮液、乳濁液分離或濃縮的分離的過程。 特點(diǎn):分離速率快、分離效率高、液相澄清度好等優(yōu)點(diǎn)。
12、 缺點(diǎn):設(shè)備投資高、能耗大,此外連續(xù)排料時,固相干度不如過濾設(shè)備。,碟片式離心機(jī),按卸料方式的不同,碟片式離心機(jī)分為: 人工卸料 自動間歇排料 噴嘴連續(xù)排料 特點(diǎn):前兩種適合于懸浮液固形顆粒含量較少的場合。間歇式操作,固相干度較好;而連續(xù)操作固相含液量較大,其固相仍具有流動性。,適用范圍,碟片式離心機(jī)適應(yīng)于細(xì)菌、酵母菌、放線菌等多種微生物細(xì)胞懸浮液及細(xì)胞碎片懸浮液的分離。 它的生產(chǎn)能力較大,最大允許處理量達(dá)300m3h,一般用于大規(guī)模的分離過程。,管式離心機(jī),管式離心機(jī)也是一種沉降式離心機(jī),可用于液液分離和固液分離。當(dāng)用于液液分離時為連續(xù)操作,而用于固液分離時則為間歇操作,操作一段時間后
13、需將沉積于轉(zhuǎn)鼓壁上的固體定期人工卸除。,管式離心機(jī)的轉(zhuǎn)鼓直徑較小,容量有限,因此生產(chǎn)能力較小。轉(zhuǎn)速相對較低的管式離心機(jī)最大處理量可達(dá)10m3h。 管式離心機(jī)除可用于微生物細(xì)胞的分離外,還可用于細(xì)胞碎片、細(xì)胞器、病毒、蛋白質(zhì)、核酸等生物大分子的分離。 管式離心機(jī)設(shè)備簡單,操作穩(wěn)定,分離效率高。在生物工業(yè)中,特別適合于一般離心機(jī)難以分離而固形物含量<1的發(fā)酵液的分離。對于固形物含量較高的發(fā)酵液,由于不能進(jìn)行連續(xù)分離,需頻繁拆機(jī)卸料,影響生產(chǎn)能力,且易損壞機(jī)件。,傾析式離心機(jī) 靠離心力和螺旋的推進(jìn)作用自動連續(xù)排渣,因而也稱為螺旋卸料沉降離心機(jī)。傾析式離心機(jī)的轉(zhuǎn)動部分由轉(zhuǎn)鼓及裝在轉(zhuǎn)鼓中的螺旋輸送器
14、組成,兩者以稍有差別的轉(zhuǎn)速同向旋轉(zhuǎn)。在離心力作用下,固體顆粒發(fā)生沉降分離,沉積在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁上。堆積在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁上的固相靠螺旋推向轉(zhuǎn)鼓的錐形部分,從排渣口排出。,優(yōu)點(diǎn):具有操作連續(xù)、適應(yīng)性強(qiáng)、應(yīng)用范圍廣、結(jié)構(gòu)緊湊和維修方便等優(yōu)點(diǎn),特別適合于含固形物較多的懸浮液的分離。 缺點(diǎn):這種離心機(jī)的分離效果較差,因而不適合于細(xì)菌、酵母菌等微小微生物懸浮液的分離。此外,液相的澄清度也相對較差。,常用離心機(jī)的特性及選用,(二)過濾 根據(jù)過濾機(jī)理的不同,過濾操作可分為澄清過濾和濾餅過濾兩種。 澄清過濾:將過濾介質(zhì)填充于過濾器內(nèi)構(gòu)成過濾層,當(dāng)懸浮液通過濾層時,固體顆粒被阻攔或吸在濾層的顆粒上,使濾液得以澄清,這種方法叫
15、做澄清過濾。 過濾介質(zhì):硅藻土、砂、顆?;钚蕴?、玻璃珠、塑料顆粒等,也有用燒結(jié)陶瓷、燒結(jié)金屬、粘合塑料及用金屬絲繞成的管子等組成的成型顆粒濾層。 適合于固體含量少于0.1gl00ml、顆粒直徑在5100m的懸浮液的過濾分離,如河水、麥芽汁、酒類和飲料等的澄清。,濾餅過濾:過濾介質(zhì)為濾布,包括天然或合成纖維織布、金屬織布,及氈、石棉板、玻璃纖維紙、合成纖維等無紡布。當(dāng)懸浮液通過濾布時,固體顆粒被濾布所阻攔而逐漸形成濾餅(或稱濾渣)。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或?yàn)V渣過濾。 此種方法適合于固體含量 0.1g100ml的懸浮液的過濾分離。 濾餅過濾按
16、推動力的不同可以分為四種,即重力過濾、加壓過濾、真空過濾和離心過濾。,板框過濾機(jī)是一種傳統(tǒng)的過濾設(shè)備,在發(fā)酵工業(yè)中廣泛應(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。,板框過濾機(jī),特點(diǎn): 優(yōu)點(diǎn):結(jié)構(gòu)簡單,裝配緊湊,過濾面積大;過濾的推動力(壓力差)能大幅度調(diào)整,并能耐受較高的壓力差,因而固相含水分低,并能適應(yīng)不同過濾特性的發(fā)酵液的過濾;輔助設(shè)備少、維修方便、價格低和動力消耗少等。 缺點(diǎn):設(shè)備笨重、間歇操作、勞動強(qiáng)度大、衛(wèi)生條件差、輔助時間多和生產(chǎn)效率低。 板框過濾機(jī)比較適合于固體含量110的懸浮液的分離。,特點(diǎn): 自動化程度高、操作連續(xù)和處理量大適合于固體含量較大(1
17、0)的懸浮液的分離,在發(fā)酵工業(yè)中廣泛用于霉菌、放線菌和酵母菌發(fā)酵液或細(xì)胞懸浮液的過濾分離。 由于受推動力(真空度)的限制,真空轉(zhuǎn)鼓過濾機(jī)一般不適于菌體較小和粘度較大的細(xì)菌發(fā)酵液的過濾。此外,采用真空轉(zhuǎn)鼓過濾機(jī)過濾所得固相的干度不如加壓過濾。,真空轉(zhuǎn)鼓過濾機(jī),又稱錯流過濾、交叉過濾和十字流過濾,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。當(dāng)移走固體的速率與固體的沉積速率相等時,過濾速濾就近似恒定。,,切向流過濾,這種方式目前僅用于實(shí)驗(yàn)室規(guī)模,處理量較少。 它的特點(diǎn)是靈活、操作方便; 可以維持較高的過濾速率。 目前切向流過濾的缺點(diǎn)還有: 過濾面積小,剪切力不均勻。 能耗比一般過濾高,大部分用來使流體產(chǎn)生快速流動。 固相的含水量較高,主要是起濃縮作用。當(dāng)固相濃度較高而使流動性能下降時,過濾速率迅速下降。 不能避免過濾介質(zhì)的污染和堵塞。,,其它分離方法: 4 雙水相萃取 5 吸附法,