5.1发酵液预处理

错流过滤与传统过滤的主要差别：
• 过滤介质——多孔的高分子或无机材质薄膜； • 需用泵循环悬浮液，周期性的放料，且无干滤
饼； • 过滤器的几何形状不同。
错流过滤的优点： • 过滤收率高； • 滤液质量好； • 减少处理步骤； • 对染菌罐易于处理也易进行扩大生产。
㈡、固液分离—离心法
离心法是利用惯性离心力和物质的沉降 系数或浮力密度的不同而进行的一项分离、 浓缩或提炼操作。
惰性助滤剂是一种颗粒均匀、质地坚硬、 不可压缩的粒状物质，用于扩大过滤表面的适 用范围，使非常稀薄或非常细小的悬浮液在过 滤时发生的快速挤压和介质堵塞现象得到减轻， 易于过滤。
⑴、助滤剂的功能
助滤剂表面具有吸附胶体的能力，并且 由此形成的滤饼具有格子型结构，不可压缩， 滤孔不会被全部堵塞，可保持良好的渗透性， 因此能大大提高过滤能力和生产效率，降低 过滤成本。
⑵ 青霉素的提取（王静康等）
3、发酵液预处理的方法—凝聚和絮凝
凝聚和絮凝都是发酵液预处理的重要方 法，其处理过程就是将化学药剂预先投加到 悬浮液中，改变细胞、菌体和蛋白质等粒子 的分散状态，破坏其稳定性，使它们聚集成 可分离的絮凝体，再进行分离。
这两种方法的特点是不仅能使颗粒尺 寸有效增加，并且会增大颗粒的沉降或浮 选速率，提高滤饼的渗透性或者在滤床过 滤时产生较好的颗粒保留作用。
第二篇 目标产品的分离与纯化
第五章 细胞破碎、蛋白质复性和固液分离
第一节 发酵液预处 理与固液分离
一、 发酵液的预处理
为什么要对发酵液进行预处理？ 预处理的目的是什么？ 预处理有哪些方法？
㈠、发酵液的基本特性
• 产物浓度低 • 具有极性 • 黏度大 • 表面张力大 • 性质不稳定
㈡、预处理的目的
⑴改变发酵液的物理性质，促进从悬浮液中分离 固形物的速度，提高固液分离器的效率；
⑵尽可能使产物转入便于后处理的一相中（多数 是液相）；
⑶去除发酵液中的部分杂质，以利于后续各步操 作。
㈢、发酵液预处理的方法
• 加热 • 调节pH值 • 凝聚和絮凝 • 使用惰性助滤剂 • 使用反应剂
1、发酵液预处理的方法—加热
离心分离和超离心 利用不同溶质颗粒在液体 中各部分布的差异，分离不同 相对密度液体的操作。
1、离心沉降
离心沉降的基本原理：固体沉降
当固体粒子在无限连续流体中沉降时， 受到两种力的作用，一种是连续流体对它的浮 力，另一种是流体对运动粒子的粘滞力。
u

d2
18
s

g
由上式可知：重力场中固体粒子最终的沉 降速率与粒子直径的平方成正比，与粒子和 流体的密度差成正比，而与流体的黏度成反 比。
管式分离机是一种分离因数极高的离 心分离设备，能澄清及分离流体物质，被 应用于化学、生物化学、制药、血浆等研 究领域。
2、离心过滤
离心过滤的原理
离心过滤是将料液送入有孔的转鼓并利用 离心力场进行过滤的过程，以离心力为推动力 完成过滤作业，兼有离心和过滤的双重作用。
图10 离心过滤工作原理
图11 离心过滤设备 （a）分批产式轴 （b）分批卧式轴 （c）连续锥形滤网 （d）连续推送式
使用时，要根据目的产物、过滤介质及 过滤情况来选择助滤剂的品种、助滤剂的粒 度、用量。
5、发酵液预处理的方法—反应剂
在发酵液中加入某些不影响目的产物的 反应物，以消除发酵液中的某些杂质对过滤 的影响，提高过滤效率。
㈣、发酵液的相对纯化
发酵液中的杂质 a. 高价无机离子（Ca2+、Mg2+、Fe2+）
在实践中常按Fr值的大小对离心机进行分类： Fr <3000，为常速度离心机； Fr=3000~5000，为中速离心机； Fr>5000为高速离心机； Fr=2*104~106为超速成离心机。
图9 离心沉降设备类型
碟式离心机是沉降式离心机中的一种， 用于分离难分离的物料（例如粘性液体与 细小固体颗粒组成的悬浮液或密度相近的 液体组成的乳浊液等）。 碟式离心机可以完成两种操作：液-固 分离（即低浓度悬浮液的分离），称澄清 操作；液-液（或液-液-固）分离（即乳浊 液的分离），称分离操作。 以其结构紧凑，占地面积小，生产能力 大等特点，因而在化工、医药、轻工、食 品、生物工程以及交通运输部门都获得广 泛应用。
在采用离子交换提炼时，会影响树脂对生化物质的交换容量。
b. 杂蛋白
在采用离子交换和吸附法提取时会降低其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，影响过滤效率。
因此，在预处理时，应尽量除去这些物质。
1、高价无机离子的去除方法
u

d2
18
s


2
在离心力场中，重力加速度应换成离心加 速度。这样，只要根据要求改变或提高 ，使 粒子作快速旋转，就可获得比重力沉降或过滤 时高得多的分离效果。可用离心分离因子Fr来 定量评价。
2
Fr g
Fr表示了粒子在离心机中产生的离心加 速度与自由下降的加速度之比；Fr越大，越 有利于分离。
➢ HR（Z）活塞推料离心机 是一种连续进料，分离后 的滤饼从转鼓中间歇排出 的过滤式离心机。
➢ 该机生产能力大、可对滤 饼进行充分洗涤，洗涤效 率高、功耗低、干燥快、 对晶粒的破坏小。
➢适 于 分 离 固 相 颗 粒 ≥ 0.25mm 的 结 晶 状 或 纤 维 状物料的悬浮液。
图12 HR活塞推料离心机
图2 过滤介质的清除能力（以去除最小颗粒直径表示）
固液分离—过滤法
过滤器的类型很多，在生物工艺中应用 较广并具有工业意义的过滤器主要有以下两 大类：
• 真空过滤器
• 压滤器
图3 水平圆盘过滤器 1—分配头 2—螺旋输送器 3—过滤盘
图4 水平回转翻盘式真空过滤器
图5 转鼓真空过滤机
过滤机外涂有厚厚的一层硅藻土，水和酶可以渗透过去，而 培养基和微生物却被黏着在硅藻土表面上。转鼓过滤机旋转 的过程中，发酵液喷散开来。水和酶被吸进过滤机的中央， 培养基和微生物则留在硅藻土表面，稍后用巨型刀片将硅藻 土及附着其上的培养基及微生物一同去除。
⑵. 变性法
①加热； ②大幅度调节pH值； ③加酒精、丙酮等有机溶剂或表面活性剂等。
不足之处
a. 加热法只适合于对热较稳定的目的产物； b. 极端pH值也会导致某些目的产物失活，且要消耗大量酸碱； c. 有机溶剂法通常只适用于所处理的液体数量较少的场合。
⑶、吸附法
加入某些吸附剂或沉淀剂吸附杂蛋白质而除去。
超离心法的基本原理
超离心技术中使用的也是无孔转鼓离心 机，所以也属离心沉降。
如果粒子在离心力场中作匀速运动，即
dr u dt
代入离心速率工式并积分，可得到：
t

2d
18
2 s

ln
r2 r1
由上式可知，在某一转速时，沉降一组 均匀的球形颗粒所需要的时间与它们直径的 平方以及它们的密度和悬浮介质的密度之差 成反比，而与介质的黏度成正比。也就是说， 当粒子直径和密度不同时，移动同样距离所 需时间不同，在同样的沉降时间，其沉降的 位置也不同，这就是“微分离心”的基础。
混凝剂投加量必须适当。量不足，达不到 应用的混凝效果；量过大，则会造成胶体复稳。
eg. 《活性污泥/混凝法处理高含盐染料废 水的实验研究》（鲁秀国等）
水样的混凝处理中，有三个过程： ① 细小颗粒聚集作用使颗粒变大； ② 絮状颗粒对水溶性物质的吸附作用； ③ 絮状颗粒对水中悬浮粒子的粘着作用。
4、发酵液预处理的方法—助滤剂
而脱稳；
➢通过氢键或其他复杂的形式与粒子相结合
而产生凝聚。
电解质的凝聚能力可用凝聚值表示，即胶 粒发生凝聚作用的最小电解质浓度 （mmol/L）。
一般离子的价数越高，凝聚值越小，也就 是说，凝聚能力越强。
Al3+>Fe3+>H+>Ca2+>Mg2+>K+>Na+>Li+
⑵、絮凝
絮凝指使用絮凝剂（通常是天然或合成的 大分子量聚电解质）将胶体粒子交联成网，形 成10mm大小絮凝团的过程。
1. Ca2+ ——草酸、草酸钠，→形成草酸钙沉淀（注 意回收草酸） ；
2. Mg2+——三聚磷酸钠，→形成三聚磷酸钠镁不 溶性络合物；
3. Fe2+ ——黄血盐，→普鲁士蓝沉淀。
2、杂蛋白的去除方法
⑴、沉淀法
蛋白质一般以胶体状态存在于发酵液中： 在酸性溶液中带正电荷； 在碱性溶液中带负电荷。
应当注意，凝聚和絮凝是两种方法，两 个概念，其具体处理过程也有差别，应该明 确区分开来，不可混淆。
⑴、凝聚
凝聚指在投加的化学物质（如水解的凝 聚剂：铝、铁的盐类或石灰等）作用下，胶 体脱稳并使粒子相互聚集成1mm大小块状凝 聚体的过程。
凝聚剂的作用
➢对初始粒子表面电荷的简单中和； ➢消除双电荷层（采用中性盐，如NaCl等）
①在四环素类抗生素中，采用黄血盐和硫酸锌 的协同作用生成亚铁氰化锌钾的胶状沉淀来 吸附蛋白质；
②在枯草杆菌发酵液中，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除去。
二、 固液分离
㈠、固液分离—过滤法
过滤不但是传统的化工单元操作，而且是 目前工业生产中用于分离细胞和不溶性物质的 主要方法，其操作是迫使液体通过固体支承物 或过滤介质，把固体截留，从而达到固、液分 离的目的。
图6 水平带式真空过滤器简图
图7 板框过滤机
用于各种悬浮液的固液分离，适用范围广。应用于食品、 环保、轻工、医药、化工、冶金、石油等工业。特别适用于 大批量啤酒、白酒、葡萄酒、食用油等液体饮料的精滤或除 菌过滤。