第2章发酵液的预处理.ppt
第2章 发酵液的预处理及固液分离,重点：预处理的作用及常用方法 凝聚与絮凝的原理及异同点 杂蛋白、高价无机离子的去除方法,一.生化分离工程的工艺流程：,第一节 发酵液的预处理,二.发酵液的预处理技术：,悬浮液的基本特性 细胞的相对密度与培养液相似，沉降不容易； 可压缩性，粘稠，非牛顿流体，流动性差，不利于进行过滤、吸附、萃取等操作； 发酵液成分复杂，有些杂质对后续分离有害。,二.发酵液的预处理技术：,改善发酵液的物理性质：流变性质、颗粒粒度,预处理的目的,去除部分杂质：杂蛋白、多糖、高价无机离子等,二.发酵液的预处理技术：,物理性质的改善,杂质的去除,预处理的方法,加热（降低黏度、去除杂蛋白）,凝聚与絮凝（增大粒度）,加助滤剂（改善过滤）,去杂蛋白（等电点、变性剂、吸附）,去多糖（酶解）,去离子（沉淀）,凝聚和絮凝技术能有效地改变细胞、菌体和蛋白质等胶体粒子的分散状态，使聚集起来，增大体积，以便于过滤，常用于菌体细小而且粘度大的发酵液的预处理中。,三.凝聚和絮凝技术,凝聚是在高价无机盐作用下，由于双电层排斥电位的降低，而使胶体体系不稳定的现象。 絮凝是指在某些高分子絮凝剂存在下，基于架桥作用，使胶粒形成粗大的絮凝团的过程，是一种以物理的集合为主的过程。,凝聚和絮凝的概念,扩散双电层的结构模型图 胶粒能保持分散状态的原因,凝聚技术,扩散双电层的结构模型图,胶粒能保持分散状态的原因主要是带有相同电荷和扩散双电层的结构，一旦由于布朗（Brown）运动使粒子间距离缩小到它们的扩散层部分重叠时，即产生使两个粒子分开：从而阻止了粒子的聚集。电位越大，电排斥作用就越强，胶粒的分散程度也越大， 此外，由于胶粒表面的水化作用，形成了包围于粒子周围的水化层，也能阻碍胶粒间的直接聚集。 但是，水化膜主要是伴随胶粒带电而引起的，一旦电位降低或消除，水化层也会随之减弱或消失。,常用的凝聚剂,Al2(SO4)3.18H2O，AlCl3.6H2O，FeCl3， ZnSO4，MgCl2 阳离子对负电荷的胶粒凝聚能力次序为： Al3+Fe3+H+Ca2+Mg2+K+Na+Li+,絮凝剂是一种能溶于水的高分子聚合物，其相对分子质量可高达数万至一千万以上，长链状结构，其链节上含有许多活性官能团，包括带电荷的阴离子（如-COOH）或阳离子（如-NH2）基团以及不带电荷的非离子型基团。 它们通过静电引力、范德华引力或氢键的作用，强烈地吸附在胶粒的表面。当一个高分子聚合物的许多链节分别吸附在不同的胶粒表面上，产生桥架连接时，就形成了较大的絮团，这就是絮凝作用。,絮凝,絮凝原理,絮凝剂用量:絮凝效果呈钟形变化。 溶液的pH：pH主要影响离子型絮凝剂中功能团的电离度，从而影响了分子链的伸展状态，改变了架桥能力。 搅拌速度和时间： 助滤剂：添加助滤剂能增加絮凝效果。,絮凝作用的影响因素：,1.聚丙烯酰胺（Polyacrylamide）衍生物： 非离子型、阴离子型（含-COOH）、阳离子型（含-NH2） 由于聚丙烯酰胺类絮凝剂具有用量少，一般以ppm计量，絮凝体粗大，分离效果好，絮凝速度快以及种类多等优点，所以适用范围广。 2.苯乙烯类衍生物及其无机高分子聚合物絮凝剂 聚合铝盐、聚合铁盐 3.天然有机高分子絮凝剂 明胶、海藻酸钠在食品工业上应用较多 壳聚糖在生物产品分离中用得最多,常用絮凝剂的种类：,四 杂蛋白的去除,等电点沉淀 蛋白质一般以胶体状态存在于发酵液中。胶体粒子的稳定性和其所带电荷有关。 蛋白质在某一pH下，净电荷为零，溶解度最小，称为等电点。因为羧基的电离度比氨基大，故蛋白质的酸性性质通常强于碱性，因而很多蛋白质的等电点都在酸性范围内（pH 4.05.5）。,四 杂蛋白的去除,变性沉淀 蛋白质从有规则排列变为不规则结构的过程称为变性。 加热：在链霉素生产中，在pH3.0时，加热至7075，维持30min，黏度降为1/6，过滤速度提高3倍。 加有机溶剂、表面活性剂、酸碱等。,四 杂蛋白的去除,在酸性溶液中，蛋白质能与一些阴离子如三氯乙酸盐、水杨酸盐、钨酸盐、苦味酸盐、鞣酸盐、过氯酸盐等形成沉淀； 在碱性溶液中，能与一些阳离子，如Ag，Cu2，Zn2，Fe2和Pb2等形成沉淀。 变性蛋白质溶解度较小。最常用的使蛋白质变性的方法是加热。加热还能使液体粘度降低，加快过滤速度。该法只适用于对热较稳定的生化物质。,四 杂蛋白的去除,吸附 在发酵液中加入一些反应剂，相互反应后生成的沉淀物可吸附蛋白质而使其沉淀。如在四环素发酵液中加入黄血盐和硫酸锌，两者反应生成K2Zn3Fe(CN)62 在枯草杆菌的碱性蛋白酶发酵液中加入氯化钙和磷酸盐等,五 不溶性多糖的去除,当发酵液中含有较多不溶性多糖时，黏度增大，固液分离困难，可用酶将其转化为单糖。,六 高价无机离子的去除,发酵液中杂质很多，其中对提炼影响最大的是高价无机离子（Ca2、Mg2、Fe2）等。 高价无机离子的存在，会影响树脂对生化物质的交换容量。杂蛋白质的存在，不仅在采用离子交换法和大网格树脂吸附法提炼时会降低其吸附能力，而且在采用有机溶剂或两水相萃取时，容易产生乳化，使两相分离不清，在预处理时，应尽量除去这些物质。,六 高价无机离子的去除,除去Ca2草酸钠 Mg2 草酸根（草酸镁溶解度稍大）或磷酸盐 Fe2 黄血盐（生成普鲁士兰沉淀）,第二节.发酵液的过滤,发酵液过滤的目的： 收集胞内产物的细胞或菌体，分离除去液相，或者是收集含生化物质的液相，分离除去固体悬浮物，如细胞、菌体、细胞碎片、蛋白质的沉淀物和它们的絮凝体等。,固液分离方法,传统方法： 过滤（适合大规模，在发酵液预处理中最为常用） 沉降 离心,新方法： 双水相萃取 膜分离,过滤,影响发酵液过滤性能的因素： 菌种：真菌，放线菌，细菌 培养基：黄豆，花生，淀粉，后期加油，培养基未用完 发酵时间：菌丝自溶前放罐,过滤,改善过滤的方法 （一）助滤剂：能改善过滤操作的质地坚硬不可压缩性固体 机理：表面吸附胶体及不可压缩型格子结构 助滤剂选择：粒度与悬浮颗粒适当 使用方法： a 预先制成滤饼：滤液澄清度高 b 助滤剂混入悬浮液中一起过滤：容易达到滤速最大 c 两种方法混用 常用助滤剂：硅藻土，珍珠岩，活性炭 （二）填充凝固剂 （三）加降解酶,过滤介质,（一）滤布：棉纤维（帆布）、尼龙、涤纶 特点：廉价、耐用、易更换 （二）粒状介质：起深层过滤、助滤剂作用 （三）多孔玻璃、石英砂芯 （四）各种膜材料：一般只能采用错流过滤,板框压滤机 真空过滤机,过滤的常用设备：,转鼓真空过滤机,Dry,Wash,Immersion,Rotation,Knife,Cake,Feed,Rotary vacuum filter,转鼓真空过滤机,保证絮凝效果最佳,碱化,分离实例,乳酸发酵液预处理,80保温3min,发酵液,变性去除杂蛋白,加适量CaCO3,调节 pH4.0,壳聚糖50mg/m3 于30搅拌5min,加硅藻土作助滤剂，板框过滤,滤液,活性炭 脱色,过滤， 取虑液,浓缩 （蒸发、 膜分离）,结晶 （降温至 510）,洗涤、 酸解、 脱色、 过滤,成品,保证产物稳定,稀释,分离实例,透明质酸发酵液预处理,1/2V10%TCA,发酵液,变性去除降解酶及杂蛋白,0.8V95%乙醇,调节 pH7.0,加硅藻土作助滤剂，板框过滤,滤液,2V 95%乙醇,离心,粗品,
