(生化工程课件)14 发酵液的预处理和固液分离
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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，它们具有长链状 结构，其链节上含有许多活性官 能团，这些基团通过静电引力、 范德华引力或氢键的作用，强烈 地吸附在胶粒的表面。
絮凝剂的化学结构
1. 要求其分子必须含有相当多的活性官能团， 使之能和胶粒表面相结合； 2. 具有长链的线性结构，以便同时与多个胶粒 吸附形成较大的絮团， 3. 相对分子质量不能超过一定限度，以使其具有 良好的溶解性。
去除镁离子：加入三聚磷酸钠，与镁离子形成络合物。
用磷酸盐处理，也能大大降低钙离子和镁离子的浓度。 例如：环丝氨酸的提取。
去除铁离子，可加入黄血盐，使其形成普鲁士蓝沉淀而 除去。
(3)变性法 加热，大幅度调节pH，加酒精等有机溶剂或表面活
性剂等。
例如：在抗生素生产中，常将发酵液pH调至偏酸性范围 (pH2 ～ 3) 或较碱性范围(pH8～9)使蛋白质凝固，一般 以酸性下除去的蛋白质较多。
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它们具有长链状结构其链节上含有许多活性官能团这些基团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
14 发酵液的预处理和固液分离
预处理：
以细胞培养液或发酵液为出发点,设法将细胞 富集或去除,使所需要的目标产物转移到液相 中,同时还希望除去其他悬浮颗粒以及改善滤 液的性状,以利后续各步操作的过程
14.3 全发酵液提取
⑴用膜技术进行全发酵液的提取 ⑵用双水相萃取进行全发酵液提取 ⑶用扩张床吸附进行全发酵液的提取
思考题
1 发酵液为何需要预处理？处理方法有 哪些？
2 如何使用助滤剂? 3 凝集与絮凝过程有何区别？如何将两 者结合使用？
常用絮凝剂的种类：
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）
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 骨胶 甲壳素 甲酰胺 多聚糖类胶粘物
影响絮凝效果的因素
胶体双电层的构造
凝聚作用就是向胶体悬浮液中加 入某种电解质，在电解质中异电 离子作用下，胶粒的双电层电位 降低，使胶体体系不稳定，胶体 粒子间因相互碰撞而产生凝集 （1mm左右）的现象。
常用的凝聚剂
Al2(SO4)3.18H2O(明矾)，AlCl3.6H2O，FeCl3， ZnSO4，MgCO3
发酵液的pH,温度和加热时间.发酵时间：菌丝 自溶前放罐
14.2 发酵液的固液体过滤法
通常微生物的发酵液多属非牛顿型液体，具可压缩性。 滤饼比阻：单位滤饼厚度的阻力 ;是衡量过滤特性的 主要指标,与滤饼的结构特性有关
rB=r(△P)m
在恒压条件下，可压缩性滤饼的比阻值rB视为常数， 其过滤方程为：
根据目的产物选择助滤剂品种 根据过滤介质和过滤情况选择助滤剂品种 粒度选择 使用量选择
加入反应剂
利用反应剂和某些可溶性盐类发生反应生成不溶 性沉淀。
作用：生成的沉淀能防止菌丝体粘结，使菌丝具 有块状结构，沉淀本身可作为助滤剂，并且能使胶状 物和悬浮物凝固，消除发酵液中某些杂质对过滤的影 响，从而改善过滤性能。
变性法的局限性：加热法只适合于对热较稳定的目的产 物；极端pH也会导致某些目的产物失活，并且要消耗大 量酸碱；而有机溶剂法通常只适用于所处理的液体数量 较少的场合。
14.2 发酵液的固液分离
影响过滤的因素
细胞菌体的大小和形状,以及介质的黏度.菌种： 真菌，放线菌，细菌
细胞培养液的黏度.培养基：黄豆，花生，淀粉， 后期加油，培养基未用完
凝聚与絮凝
凝聚：胶体粒子(10-100nm)中性盐促进下,双电 层排斥电位的降低,脱稳相互聚集成大粒子 （1mm） 机理： a 中和粒子表面电荷 b 消除双电层结构
絮凝：高分子絮凝剂存在下,基于架桥作用,聚电 解质将胶体粒子交联成网状，成形絮凝团的过程 机理：架桥作用
常用的凝聚剂与絮凝剂
凝集剂：铝盐，铁盐，钙盐，锌盐 絮凝剂： 阳离子型：阳离子聚丙烯酰胺，聚丙烯酸二 烷基胺乙酯，聚二烯丙基四胺盐。 阴离子型：聚丙烯酸钠，聚苯乙烯磺酸，木 质素磺酸盐 非离子型：聚氧乙烯 天然类：甲壳素
☆高价无机离子的存在：
影响树脂对生化物质的交换容量。
☆可溶性蛋白质的存在：
降低离子交换和吸附法提取时交换容量 和吸附能力；在有机溶剂法或双水相萃取时， 易产生乳化现象，使两相分离不清；在常规 过滤或膜过滤时，易使过滤介质堵塞或受污 染，影响过滤速率。
3 凝聚与絮凝
采用凝聚和絮凝技术能有效改变细胞、 细胞碎片及溶解大分子物质的分散状态，使 其聚结成较大的颗粒，便于提高过滤速率。 除此之外，还能有效地除去杂蛋白质和固体 杂质，提高滤液质量。因此，凝聚和絮凝是 目前工业上最常用的预处理方法之一。常用 于菌体细小而且粘度大的发酵液的预处孔微粒，它能 使滤饼疏松，吸附胶体，扩大过滤面积，滤速 增大。
常用的助滤剂有硅藻土、纤维素、石棉粉、 珍珠岩、白土、炭粒、淀粉等，其中最常用的 是硅藻土。
助滤剂的使用方法有两种：一种是在过滤介 质表面预涂助滤剂，另一种是直接加入发酵液， 也可两种方法同时兼用。
助滤剂使用要点
平抛式
管式
多室
蝶式
螺旋式
14.2.3 离心分离
离心分离
借助于离心机旋转所产生的离心力的作用,促 使不同大小,不同密度的粒子分离的技术.
颗粒沉降速度 up d2(p m)2r 18
增大离心力可提高沉降速度, 对 沉降速度小的颗粒, 提高转速是有效方法.
影响沉降速度的因素
① 与颗粒直径有关,大颗粒容易沉降 ② 与颗粒密度与介质密度之差成正比 ③ 随介质黏度增大而减小
絮凝效果与絮凝剂的加量、相对分子质量和类 型、溶液的pH、搅拌转速和时间等因素有关。
絮凝剂应用优化
a 用量控制 最佳用量为粒子表面积约 有一 半被聚合物覆盖时所用的絮凝剂量
b pH 控制 c 固体浓度与粒子尺寸分布 d 电解质含量 e 后续工艺要求
☆杂蛋白质的除去 (1) 沉淀法 蛋白质在酸性溶液中，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+ 、 Zn 2+、Fe 3+ 和Pb2+等形成沉淀。
举例：如在新生霉素发酵液中加入氯化钙和磷酸钠。 环丝氨酸发酵液用氧化钙和磷酸处理，生成磷酸
钙沉淀。
固液分离设备
板框 鼓式真空过滤机 错流过滤 离心机 平抛式 管式 管式 多室 蝶式 螺旋式
back
错流过滤
特点
a 介质阻力大 b 不能得到干滤饼 c 需要大的膜面积 d 收率高 （97-98%） e 质量好 f 减少处理步聚 g 染菌罐也能进行处理
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+
絮凝是指在某些高分子絮凝剂存在下， 基于桥架作用，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，产生桥架联接时， 形 成 粗 大 的 絮 凝 团 （ 10mm ） 的 过 程。絮凝是一种以物理的集合为 主的过程。
q2=2*Δp/(μ*rB*XB)*τ
据滤饼的重量比阻rB可衡量不同发酵液过滤的难易 程度。 rB越小越易过滤，单位面积滤液量q越大。
发酵液的过滤：
改善过滤方法
助滤剂：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 使用方法： a 预先制成滤饼 b 助滤剂混入悬浮液中一起过滤 常用助滤剂：硅藻土，珍珠岩，活性炭 应用优化因素 a 单位质量助滤剂的滤液最大产量 b 使用周期 c 流速
絮凝剂的分类
根据其活性基团在水中解离情况的不同，絮凝剂可 分为非离子型、阴离子型和阳离子型三类。
根据其来源的不同，工业上使用的絮凝剂又可分为 如下三类： (1)有机高分子聚合物，如聚丙烯酰胺类衍生物、 聚苯乙类衍生物。 (2)无机高分子聚合物，如聚合铝盐、聚合铁盐等。 (3)天然有机高分子絮凝剂，如聚糖类胶粘物、海 藻酸钠、明胶、骨胶、壳多糖、脱乙酰壳多糖等。
(2) 吸附法 加入某些吸附剂或沉淀剂吸附杂蛋白质而除去。 例如：在枯草芽孢杆菌发酵液中，加入氯化钙和磷酸氢二钠 两者生成庞大的凝胶，把蛋白质、菌体及其他不溶性粒子 吸附并包裹在其中而除去，从而可加快过滤速率。
☆ 高价无机离子的除去
去除钙离子：通常使用草酸。但由于草酸溶解度较小， 不适合用量较大的场合，可用其可溶性盐，草酸价格昂 贵，注意回收。
絮凝剂的化学结构
1. 要求其分子必须含有相当多的活性官能团， 使之能和胶粒表面相结合； 2. 具有长链的线性结构，以便同时与多个胶粒 吸附形成较大的絮团， 3. 相对分子质量不能超过一定限度，以使其具有 良好的溶解性。
去除镁离子：加入三聚磷酸钠，与镁离子形成络合物。
用磷酸盐处理，也能大大降低钙离子和镁离子的浓度。 例如：环丝氨酸的提取。
去除铁离子，可加入黄血盐，使其形成普鲁士蓝沉淀而 除去。
(3)变性法 加热，大幅度调节pH，加酒精等有机溶剂或表面活
性剂等。
例如：在抗生素生产中，常将发酵液pH调至偏酸性范围 (pH2 ～ 3) 或较碱性范围(pH8～9)使蛋白质凝固，一般 以酸性下除去的蛋白质较多。
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它们具有长链状结构其链节上含有许多活性官能团这些基团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
14 发酵液的预处理和固液分离
预处理：
以细胞培养液或发酵液为出发点,设法将细胞 富集或去除,使所需要的目标产物转移到液相 中,同时还希望除去其他悬浮颗粒以及改善滤 液的性状,以利后续各步操作的过程
14.3 全发酵液提取
⑴用膜技术进行全发酵液的提取 ⑵用双水相萃取进行全发酵液提取 ⑶用扩张床吸附进行全发酵液的提取
思考题
1 发酵液为何需要预处理？处理方法有 哪些？
2 如何使用助滤剂? 3 凝集与絮凝过程有何区别？如何将两 者结合使用？
常用絮凝剂的种类：
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）
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 骨胶 甲壳素 甲酰胺 多聚糖类胶粘物
影响絮凝效果的因素
胶体双电层的构造
凝聚作用就是向胶体悬浮液中加 入某种电解质，在电解质中异电 离子作用下，胶粒的双电层电位 降低，使胶体体系不稳定，胶体 粒子间因相互碰撞而产生凝集 （1mm左右）的现象。
常用的凝聚剂
Al2(SO4)3.18H2O(明矾)，AlCl3.6H2O，FeCl3， ZnSO4，MgCO3
发酵液的pH,温度和加热时间.发酵时间：菌丝 自溶前放罐
14.2 发酵液的固液体过滤法
通常微生物的发酵液多属非牛顿型液体，具可压缩性。 滤饼比阻：单位滤饼厚度的阻力 ;是衡量过滤特性的 主要指标,与滤饼的结构特性有关
rB=r(△P)m
在恒压条件下，可压缩性滤饼的比阻值rB视为常数， 其过滤方程为：
根据目的产物选择助滤剂品种 根据过滤介质和过滤情况选择助滤剂品种 粒度选择 使用量选择
加入反应剂
利用反应剂和某些可溶性盐类发生反应生成不溶 性沉淀。
作用：生成的沉淀能防止菌丝体粘结，使菌丝具 有块状结构，沉淀本身可作为助滤剂，并且能使胶状 物和悬浮物凝固，消除发酵液中某些杂质对过滤的影 响，从而改善过滤性能。
变性法的局限性：加热法只适合于对热较稳定的目的产 物；极端pH也会导致某些目的产物失活，并且要消耗大 量酸碱；而有机溶剂法通常只适用于所处理的液体数量 较少的场合。
14.2 发酵液的固液分离
影响过滤的因素
细胞菌体的大小和形状,以及介质的黏度.菌种： 真菌，放线菌，细菌
细胞培养液的黏度.培养基：黄豆，花生，淀粉， 后期加油，培养基未用完
凝聚与絮凝
凝聚：胶体粒子(10-100nm)中性盐促进下,双电 层排斥电位的降低,脱稳相互聚集成大粒子 （1mm） 机理： a 中和粒子表面电荷 b 消除双电层结构
絮凝：高分子絮凝剂存在下,基于架桥作用,聚电 解质将胶体粒子交联成网状，成形絮凝团的过程 机理：架桥作用
常用的凝聚剂与絮凝剂
凝集剂：铝盐，铁盐，钙盐，锌盐 絮凝剂： 阳离子型：阳离子聚丙烯酰胺，聚丙烯酸二 烷基胺乙酯，聚二烯丙基四胺盐。 阴离子型：聚丙烯酸钠，聚苯乙烯磺酸，木 质素磺酸盐 非离子型：聚氧乙烯 天然类：甲壳素
☆高价无机离子的存在：
影响树脂对生化物质的交换容量。
☆可溶性蛋白质的存在：
降低离子交换和吸附法提取时交换容量 和吸附能力；在有机溶剂法或双水相萃取时， 易产生乳化现象，使两相分离不清；在常规 过滤或膜过滤时，易使过滤介质堵塞或受污 染，影响过滤速率。
3 凝聚与絮凝
采用凝聚和絮凝技术能有效改变细胞、 细胞碎片及溶解大分子物质的分散状态，使 其聚结成较大的颗粒，便于提高过滤速率。 除此之外，还能有效地除去杂蛋白质和固体 杂质，提高滤液质量。因此，凝聚和絮凝是 目前工业上最常用的预处理方法之一。常用 于菌体细小而且粘度大的发酵液的预处孔微粒，它能 使滤饼疏松，吸附胶体，扩大过滤面积，滤速 增大。
常用的助滤剂有硅藻土、纤维素、石棉粉、 珍珠岩、白土、炭粒、淀粉等，其中最常用的 是硅藻土。
助滤剂的使用方法有两种：一种是在过滤介 质表面预涂助滤剂，另一种是直接加入发酵液， 也可两种方法同时兼用。
助滤剂使用要点
平抛式
管式
多室
蝶式
螺旋式
14.2.3 离心分离
离心分离
借助于离心机旋转所产生的离心力的作用,促 使不同大小,不同密度的粒子分离的技术.
颗粒沉降速度 up d2(p m)2r 18
增大离心力可提高沉降速度, 对 沉降速度小的颗粒, 提高转速是有效方法.
影响沉降速度的因素
① 与颗粒直径有关,大颗粒容易沉降 ② 与颗粒密度与介质密度之差成正比 ③ 随介质黏度增大而减小
絮凝效果与絮凝剂的加量、相对分子质量和类 型、溶液的pH、搅拌转速和时间等因素有关。
絮凝剂应用优化
a 用量控制 最佳用量为粒子表面积约 有一 半被聚合物覆盖时所用的絮凝剂量
b pH 控制 c 固体浓度与粒子尺寸分布 d 电解质含量 e 后续工艺要求
☆杂蛋白质的除去 (1) 沉淀法 蛋白质在酸性溶液中，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+ 、 Zn 2+、Fe 3+ 和Pb2+等形成沉淀。
举例：如在新生霉素发酵液中加入氯化钙和磷酸钠。 环丝氨酸发酵液用氧化钙和磷酸处理，生成磷酸
钙沉淀。
固液分离设备
板框 鼓式真空过滤机 错流过滤 离心机 平抛式 管式 管式 多室 蝶式 螺旋式
back
错流过滤
特点
a 介质阻力大 b 不能得到干滤饼 c 需要大的膜面积 d 收率高 （97-98%） e 质量好 f 减少处理步聚 g 染菌罐也能进行处理
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+
絮凝是指在某些高分子絮凝剂存在下， 基于桥架作用，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，产生桥架联接时， 形 成 粗 大 的 絮 凝 团 （ 10mm ） 的 过 程。絮凝是一种以物理的集合为 主的过程。
q2=2*Δp/(μ*rB*XB)*τ
据滤饼的重量比阻rB可衡量不同发酵液过滤的难易 程度。 rB越小越易过滤，单位面积滤液量q越大。
发酵液的过滤：
改善过滤方法
助滤剂：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 使用方法： a 预先制成滤饼 b 助滤剂混入悬浮液中一起过滤 常用助滤剂：硅藻土，珍珠岩，活性炭 应用优化因素 a 单位质量助滤剂的滤液最大产量 b 使用周期 c 流速
絮凝剂的分类
根据其活性基团在水中解离情况的不同，絮凝剂可 分为非离子型、阴离子型和阳离子型三类。
根据其来源的不同，工业上使用的絮凝剂又可分为 如下三类： (1)有机高分子聚合物，如聚丙烯酰胺类衍生物、 聚苯乙类衍生物。 (2)无机高分子聚合物，如聚合铝盐、聚合铁盐等。 (3)天然有机高分子絮凝剂，如聚糖类胶粘物、海 藻酸钠、明胶、骨胶、壳多糖、脱乙酰壳多糖等。
(2) 吸附法 加入某些吸附剂或沉淀剂吸附杂蛋白质而除去。 例如：在枯草芽孢杆菌发酵液中，加入氯化钙和磷酸氢二钠 两者生成庞大的凝胶，把蛋白质、菌体及其他不溶性粒子 吸附并包裹在其中而除去，从而可加快过滤速率。
☆ 高价无机离子的除去
去除钙离子：通常使用草酸。但由于草酸溶解度较小， 不适合用量较大的场合，可用其可溶性盐，草酸价格昂 贵，注意回收。