生物发酵预处理PPT课件
第二章发酵液的预处理---《生物质分离与纯化技术》课件
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一 凝聚和絮凝在发酵液预处理中的应用
凝聚与絮凝处理过程就是将化学药剂预先投加到悬浮液 中，改变细胞、菌体和蛋白质等胶体粒子的分散状态，
破坏其稳定性，使其聚集起来,增大体积以便固液分离 。
凝聚和絮凝技术常用于菌体细小而且黏度大的发酵 液的预处理中。
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凝聚和絮凝是两种方法，两个概念。
机理： 1）中和粒子表面电荷 2）消除双电层结构
3）破坏水化膜
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胶体双电层结构
• 发酵液中菌体表面带有 负电荷，由于静电引力 使溶液中反离子被吸附 在其周围，在界面上形 成了双电层。
• 正离子同时受到使它们 均匀分布的热运动影响 ，具有离开胶粒表面的 趋势。
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麦芽汁的黏度-温度曲线。
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二 预处理-加热
2）加热使蛋白质变性凝固
变性蛋白质的溶解度小。如柠檬酸发酵液加热至80℃以上，可使蛋 白质变性凝固，过滤速度加快。
加热处理只适用于对热较稳定的液体。注意加热温度与时间 ，不影响产物活性和细胞的完整性。
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三 预处理-调节pH
滑移面上的电位为ζ, 称ζ电位（电动电位） 。
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ζ电位的计算：
• D — 水的介电常数；
• q — 胶体的电动电荷密度，即滑移面上的电荷密 度； δ— 扩散层的有效厚度，即为吸附层和扩散层界 面处电位φd降低到其值为1/e处的距离，不能直接测
定.
• ζ电位是控制胶粒间电排斥作用的电位，用来表征双
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第三章 发酵液的预处理与菌体的回收_PPT幻灯片
尽可能使产物转入便于后处理的某一相中（多数为液相）； 相对纯化，去除发酵液中部分杂质（高价无机离子和杂蛋白
质）， 便于后续各部操作；
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2. 悬浮液的预处理 具体方法
加热法； 调节悬浮液的pH值； 凝聚和絮凝； 使用惰性助滤剂；
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2.5 杂蛋白的其它去除方法
等电点沉淀 变性 吸附 沉淀
18
2.6 高价无机离子的去除方法
加酸 钙离子 草酸
镁离子 三聚磷酸钠
铁离子 黄血盐
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3 悬浮液分离过程和分类
20
3.1过滤法 (Filtration)
过滤是指以某种多孔物质作为介质，在外力(压 力差ΔP)的作用下，流体通过介质的孔道，而使 固体颗粒被截留下来，从而实现固体颗粒与流体 分离目的的操作。 过滤可去除气固体中的固体颗粒，也可去除液 固体中的固体颗粒。 对于好的定形的晶体，这是一种最直接的步骤。
对于胞内产物，首先富集菌体，再进行细胞破碎和碎 片分离，然后提取胞内产物。
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主要内容
悬浮液的基本特性 悬浮液的预处理 悬浮液分离过程和分类 过滤法
过滤的理论基础 过滤器的类型 过滤器的选择 错流过滤
3
2 悬浮液的预处理
预处理的目的 促进从悬浮液中分离固形物的速度，提高固液分离的效率
铁、氯化锌、硫酸锌、硫酸镁等
金属氧化物类 氢氧化铝、氢氧化铁、氢氧化钙或石灰
等
聚合无机盐类 聚合铝、聚合铁等 常用絮凝剂 聚丙烯酰胺经不同改性可成为下述三种类型
之一；微生物絮凝剂
阴离子型 聚丙烯酸纳、聚苯乙烯磺酸 阳离子型 聚丙烯酸二烷基胺乙酯、聚二烯丙基四胺盐 非离子型 聚氧化乙烯
《发酵液的预处理》课件
PART 05
发酵液预处理的工艺流程
单级预处理工艺流程
发酵液的固液分离
通过过滤、沉降等方法将发酵液中的固体物质与 液体分离，得到澄清的液体。
温度调节
通过加热或冷却的方法将发酵液的温度调节到适 宜的范围内，以满足后续处理的要求。
酸碱度调节
通过添加酸或碱，将发酵液的酸碱度调节到适宜 的范围内，以满足后续处理的要求。
预处理工艺流程的选择与优化
01
根据发酵液的性质和后续处理的 要求，选择合适的预处理工艺流 程。
02
通过实验和模拟的方法，对预处 理工艺流程进行优化，提高预处 理效果和降低能耗。
氧化还原处理
要点一
总结词
通过氧化还原反应改变目标成分的化学性质，使其从发酵 液中分离出来。
要点二
详细描述
氧化还原处理是一种较为特殊的预处理方法，通过向发酵 液中添加氧化剂或还原剂，如高锰酸钾、亚硫酸氢钠等， 使目标成分发生氧化或还原反应，从而改变其化学性质， 使其从发酵液中以沉淀或其他形式分离出来。该方法具有 较高的选择性，但操作条件较为苛刻，且可能会对目标成 分造成一定的破坏。
2023 WORK SUMMARY
《发酵液的预处理》 ppt课件
REPORTING
目录
• 发酵液预处理概述 • 发酵液的固液分离 • 发酵液的化学处理 • 发酵液的物理处理 • 发酵液预处理的工艺流程
PART 01
发酵液预处理概述
发酵液预处理的定义
• 发酵液预处理：在发酵工业中，发酵液预处理是指在发酵前对 原材料进行的一系列物理、化学或生物学的处理过程，旨在改 善发酵产物的质量和产量，同时提高整个发酵过程的效率和稳 定性。
碱处理
总结词
发酵液预处理
酵液的预处理和固液分离方法从微生物发酵液或细胞培养液中提取生化物质的第一个必要步骤就是预处理和固液分离.14.1发酵液的预处理从悬浮液中分离固形物的速度,取决于该液体的物理性质,常采用预处理的办法改变其物理性质而促其分离.细菌及某些放线菌菌体细小,发酵液粘度大,不能直接过滤. 由于菌体自溶,核酸,蛋白质及其它有机粘性物质的存在会造成滤液浑浊,滤速极慢.因此,在预处理中应采用絮凝或凝聚的方法,设法增大悬浮液中固体粒子的大小,提高其沉降速度,或采用稀释,加热等方法降低粘度,以利于过滤.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(Ca++,Mg十+,Fe++)和杂蛋白质等.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.14.1高价无机离子的去除方法为去除钙离子,宜加入草酸,可用其可溶性盐,如草酸钠.反应生成的草酸钙还能促使蛋白质凝固,提高滤液(也称为原液)质量.但草酸价格较贵,加入硫酸铅,在60 C下反应生成草酸铅.后者在90-95 C下用硫酸分解，经过滤,冷却,结晶后可以回收草酸.草酸镁的溶解度较大.故加入草酸不能除尽镁离子.要除去镁离子,可以加入三聚磷酸钠,它和镁离子形成可溶性络合物:Na5P3O10+Mg++=Mg Na Na3P3O10+2Na 十用磷酸盐处理,也能大大降低钙离子和镁离子的浓度.要除去铁离子,可加入黄血盐,使形成普鲁士蓝沉淀.14.l.2杂蛋白质的去除方法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 4.0-5.5). 但单靠调节pH 至等电点的办法不能将大部分蛋白质除去.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十,Cu++,Zn十十,Fe++和Pb++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•使蛋白质变性的其它办法还有：大幅度改变pH,加酒精，丙酮等有机溶剂或表面活性剂等•在抗生素生产中,常将发酵液pH 调至偏酸性范围(pH 2-3) 或较碱性范围(pH 8 一9)使蛋白质凝固, 一般以酸性下除去的蛋白质较多•加有机溶剂使蛋白质变性的方法通常只适用于所处理的液体数量较少的场合•此外,还可以利用吸附作用除去蛋白质•例如,四环类抗生素生产中,采用黄血盐和硫酸锌的协同作用生成亚铁氰化锌钾K2Zn3 〔Fe(CN)5〕2 的胶状沉淀来吸附蛋白质•在枯草杆菌发酵液中,常加入氯化钙和磷酸氢二钠,这两者本身生成庞大的凝胶,把蛋白质,菌体及其它不溶性粒子吸附并包裹在其中而除去,从而加快了过滤速度.14.l.3凝聚和絮凝技术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.凝聚和絮凝的概念凝聚是在中性盐作用下,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.发酵液中的细胞,菌体或蛋白质等胶体粒子的表面, 一般都带有电荷,主要是吸附溶液中的离子或自身基团的电离.通常发酵液中细胞或菌体带有负电荷,由于静电引力的作用使溶液中带相反电荷的粒子（即正离子）被吸附在其周围, 在界面上形成了双电层. 但是这些正离子还受到使它们均匀分布开去的热运动的影响,具有离开胶粒表面的趋势,在这两种相反作用的影响下, 双电层就分裂成两部分,在相距胶核表面约一个离子半径的Stern 平面以内,正离子被紧密束缚在胶核表面,称为吸附层或紧密层;在stern 平面以外,剩余的正离子则在溶液中扩散开去, 距离越远, 浓度越小, 最后达到主体溶液的平均浓度,称为扩散层.这样就形成了扩散双电层的结构模型,如图14-1 所示.当胶粒在溶液中作相对运动时,总有一薄层液体,随着它一起滑移,这一薄层,厚度比吸附层稍大,滑移面（剪切面）在图14-l 中用波纹线表示.这三种电位中只有z电位能实际测得，所以可以认为它是控制胶粒间电排斥作用的电位，用来表征双电层的特征,并作为研究凝聚机理的重要参数.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• z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z电位降低或消除，水化层也会随之减弱或消失.根据静电学基本定理，可导出z电位的基本公式为：z =4 n q S /D其中D—水的介电常数；q—胶体的电动电荷密度，即滑移面上的电荷密度；S—广散层的有效厚度，即为吸附层和扩散层界面处电位©d降低到其值为1/e处的距离，可知，z电位与扩散层厚度S和电动电荷密度q成正比，而扩散层厚度又与溶液中离子强度有关，当双电层的排斥力不足以抗衡胶粒间的范德华引力时，由于热运动的结果导致胶粒的互相碰撞而聚集起来.由此可见，在发酵液中加入具有高价阳离子的电解质，能降低z电位和脱除胶粒表面的水化膜，就能导致胶粒间的凝聚作用.常用的凝聚剂电解质有：AI2（SO4）3 18H2O（明矶）;AIC13 6H2O;FeC13;ZnSO4;MgCO3 等. 有机高分子聚合物絮凝剂，它们具有长链线状的结构，是一种水溶性的聚合物，分子量可高达数万至一千万以上，在长的链节上含有相当多的活性功能团，可以带有多价电荷（如阴离子或阳离子）,也可以不带电性（如非离子型）.它们通过静电引力,范德华分子引力或氢键的作用,强烈地吸附在胶粒的表面,一个高分子聚合物的许多链节分别吸附在不同颗粒的表面上,产生了架桥联接,生成粗大的絮团,这就是架凝作用.如果胶粒相互间的排斥电位不太高,只要高分子聚合物的链节足够长,跨越的距离超过颗粒间的有效排斥距离,也能把多个胶粒拉在一起,导致架桥絮凝. 目前最常见的高分子聚合物絮凝剂是有机合成的聚丙烯酰胺类衍生物.根据活性基团在水中解离情况不同,可分为非离子型,阴离子型（含有羧基）和阳离子型（含有胺基）三类.聚丙烯酰胺类絮凝剂具有用量少,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.它们的主要缺点是存在一定的毒性,特别是阳离子型聚丙烯酰胺,要考虑这些物质最终能否从产品中去除.近年来还发展了聚丙烯酸类阴离子絮凝剂,它们无毒,可用于食品和医药工业中.另外,还有聚苯乙烯类衍生物及无机高分子聚合物絮凝剂,如聚合铝盐和聚合铁盐等.除此以外,也可采用天然有机高分子絮凝剂.如多聚糖类胶粘物,海藻酸钠,明胶,骨胶,壳多糖和脱乙酰壳多糖等.对于带负电性菌体或蛋白质来说,阳离子型高分子絮凝剂同时具有降低粒子排斥电位和产生吸附架桥的双重机理,所以可以单独使用.对于非离子型和阴离子型高分子絮凝剂,则主要通过分子间引力和氢键作用产生吸附架桥,它们常与无机电解质凝聚剂搭配使用.首先加入无机电解质,使悬浮粒子间的相互排斥能降低,脱稳而凝聚成微粒,然后,再加入絮凝剂.无机电解质的凝聚作用为高分子絮凝剂的架桥创造了良好的条件,从而,提高了絮凝效果. 这种包括凝聚和絮凝机理的过程,常称为混凝.絮凝剂浓度增加有助于架桥充分,但是,过多的加量反而会引起吸附饱和,在每个胶粒上形成覆盖层而使胶粒产生再次稳定现象见图（14-2）. 适宜的加量通常由实验得出.虽然高分子絮凝剂分子量提高,链增长,可使架桥效果明显,但是,分子量不能超过一定的限度, 因为随分子量提高,高分子絮凝剂的水溶性降低.溶液PH 的变化常会影响离子型絮凝剂中功能团的电离度,从而影响分子链的伸展形态.电离度增大,由于链节上相邻离子基团间的电排斥作用, 而使分子链从卷曲状态变为伸展状态,所以架桥能力提高.14.2发酵液的过滤微生物发酵液中含有大量菌体,细胞或细胞碎片以及残余的固体培养基成分.过滤就是将悬浮在发酵液中的固体颗粒与液体进行分离的过程.14.2.4发酵液的过滤特性和滤饼的重量比阻微生物的发酵液大多数属于非牛顿型液体,滤渣为可压缩性的.衡量过滤特性的主要指标是滤饼的重量比阻rB,它表示单位滤饼厚度的阻力系数，与滤饼的结构特性有关•对于不可压缩性滤饼,比阻值为常数,但对于可压缩性滤饼,比阻rB 是操作压力差的函数,一般可用下式表示:rB=r（△p）m式中r—不可压缩滤渣的比阻，对于一定的料液，其值为常数；m—压缩性指数，一般取0.5-0.8,对不可压缩性滤饼，m为0;可见，滤饼的比阻值是随操作压力差的提高而增大的.因此，开始过滤时应注意不能很快提高压差，通常靠液柱的自然压差进料，并应缓慢地，逐步地升高压力，一般在相当长的时间内，压力差不要超过0.05 MPa,最后的压差也不超过030.4 MPa.如果操作压力控制过高，由于比阻值的急剧增加，会使过滤速度很快下降，以至达到不能继续过滤的程度•恒压下，可压缩性滤饼的比阻值应为常数•如过滤介质的阻力相对较小可以忽略不计，则恒压下的过滤方程式如下：q2=2 △ p T /rBXB式中q--到瞬间T通过单位过滤面积的滤液量，m;△ p—压力差，Pa;卩-滤液粘度，Pa.s;rB —滤饼的重量比阻，m/kg;XB —通过单位体积滤液，所形成的滤渣重量仟重），kg/m3;T—过滤时间，S.14.2.2影响过滤速度的因素过滤速度和菌种，发酵条件（培养基的组成，未用完培养基的数量，消沫油，发酵周期）等有关. 菌种对过滤速度影响很大.一般,真菌的菌丝比较粗大，发酵液容易过滤，常不需特殊处理.其滤渣呈紧密饼状物，很容易从滤布上刮下来，故可采用鼓式真空过滤机过滤.放线菌发酵液菌丝细而分枝，交织成网络状.还含有很多多糖类物质，粘性强，过滤较困难，一般需经预处理，以凝固蛋白质等胶体.细菌发酵液的菌体更细小，因此，过滤十分困难，如不用絮凝等方法预处理发酵液，往往难以采用常规过滤的设备来完成过滤操作.培养基的组成对过滤速度影响也很大.用黄豆粉，花生粉作氮源，淀粉作碳源会使过滤困难.此外，发酵后期加消沫油或剩余大量未用完的培养基，都会使过滤困难.正确选择发酵终了时间对过滤影响很大.在菌丝自溶前必须放罐，因为细胞自溶后的分解产物一般很难过滤.有时延长发酵周期虽能使发酵单位有所提高，但严重影响发酵液质量，使色素和胶状杂质增多，过滤困难，最终造成成品质量降低.14.2.3改善过滤性能的方法采用等电点，蛋白质变性，吸附以及凝聚和絮凝等方法预处理发酵液，以改变发酵液的性状和过滤性能.除此以外，改善过滤性能的方法还有：加入助滤剂，直接在发酵液中形成填充-凝固剂，媒介作用等.助滤剂是一种不可压缩的多孔微粒，它能使滤饼疏松，滤速增大.助滤剂必须不吸附或很少吸附生化物质.助滤剂的加入有两种方法，一种是在滤布上预先铺一层助滤剂（l-2mm），另一种是直接加入发酵液中.有一条经验规则可供参考，即助滤剂用量若等于悬浮液中固体含量时，滤速最快.改善过滤性能较好的方法是加入一些反应剂，它们能相互作用，或和某些溶解性盐类发生反应生成不溶解的沉淀.生成的沉淀能防止菌丝体粘结，使菌丝具有块状结构，沉淀本身即可作为助滤剂，并且还能使胶状物和悬浮物凝固.如发酵液中有不溶解的多糖存在，则最好用酶将它转化为单糖，以提高过滤速度.加入淀粉酶后,能使过滤速度加快.发酵液染菌后，会含很多细菌菌体，杂质也增多，给边滤造成很大困难.处理方法有：升高温度,增加纯化剂用量，加助滤剂等.14.2.4固一液分离设备的选择。
发酵液预处理课件
通过改变pH、离子强度、温度等条件 ，打破蛋白质与水的相互作用，使其 从溶解状态转变为不溶解状态，从而 实现蛋白质的沉淀。
蛋白质沉淀的方法
01
02
03
调节pH
通过加入酸或碱来调节发 酵液的pH，使其处于蛋白 质的等电点，从而实现蛋 白质的沉淀。
加热
通过加热发酵液，使蛋白 质变性，降低其在水中的 溶解度，从而实现蛋白质 的沉淀。
发酵液预处理课件
• 发酵液预处理概述 • 发酵液的固液分离 • 发酵液的蛋白质沉淀 • 发酵液的离子交换 • 发酵液的吸附分离 • 发酵液预处理的案例分析
01
发酵液预处理概述
发酵液预处理的定义
01
发酵液预处理是指在进行发酵产 物提取之前，对发酵液进行的一 系列操作，旨在去除杂质、提高 目标产物的纯度和收率。
。
离子交换的方法
静态离子交换
将待处理的溶液与离子交换剂混 合，经过一定时间的反应后，将 离子交换剂分离出来，实现目标
物的分离。
动态离子交换
将待处理的溶液通过离子交换柱， 利用离子交换剂对目标离子的吸附 作用，实现目标物的分离。
再生离子交换
对于已经饱和的离子交换剂，可以 采用再生方法进行处理，使其恢复 吸附能力。
沉降分离
沉降分离是通过发酵液中固体物质与液体部分的自然沉降速度差将两者分离的过程 。
沉降时间、温度和发酵液的物理性质对沉降效果有很大影响。
沉降分离适用于处理较清澈的发酵液，对于含有大量悬浮颗粒的发酵液处理效果不 佳。
03
发酵液的蛋白质沉淀
蛋白质沉淀的原理
蛋白质的溶解度
蛋白质在水中的溶解度取决于其与水 的相互作用，包括电荷、极性基团和 疏水基团。
发酵液预处理
第三章发酵液预处理从微生物发液中提取发酵产品的第一步骤就是预处理，其目的的不仅在于分离菌体和其他悬浮液的性质，以利用于提取和精制后断各工序的顺利进行。
各种发酵产品，由于菌种不同和发酵液特性不同，其预处理方法的选择也有所不同。
大多数发酵产物存在于发酵液中，也有少数产物存在于菌体中，或发酵液和菌体中都有含有。
–对于胞外产物，经预处理应尽可能使目的产物转移到液相，然后经固液分离除去固相；–对于胞内产物，则首先收集菌体或细胞，经细胞破碎后，目的产物进入液相，随后再将细胞碎片分离。
第一节发酵液过滤特性改变微生物发酵液的特性可归纳为：发酵产物浓度较低，大多为1%～10%，悬浮液中大部分是水；悬浮物颗粒小，相对密度与液相相差不大：固体粒子可压缩性大；液相粘度大，大多为非牛顿型流体；性质不稳定，随时间变化，如易受空气氧化、微生物污染、蛋白酶水解等作用的影响。
一、降低液体粘度降低液体粘度的常用方法有加水稀释法和加热法等。
采用加水稀释虽然降低液体粘度，但会增加悬浮液的体积，加大后继过程的处理任务。
若加水一倍，则稀释后液体的粘度必须下降50%以上才能有效提高过滤速率。
升高温度可有效降低液体粘度，提高过滤速率，如12ºBe 麦芽汁40℃时粘度为1.2×10-3Pa·s，升高到75℃其粘度可下降一半，过滤速率可加倍。
同时，在适当温度和受热时间可使蛋白质凝聚，形成较大颗粒的凝聚物，进一步改善了发酵液的过滤特性。
如链霉素发酵液，调酸至pH3.0后。
加热至70℃，维持半小时，液相粘度下降至1/6，过滤速率可增大10~100倍。
使用加热时必须严格控制加热温度与时间。
二、调整pH⏹pH值直接影响发酵液中某些物质有电离度和电荷性质，适当调节pH值可改善其过滤特性。
⏹对于氨基酸、蛋白质等两性物质，在酸性条件下带正电荷，在碱性条件下带负电荷，而在某一pH值下，净电荷为零，称为等电点下，两性物质的溶解度最小，此即为等电点沉淀法提取谷氨酸。
[生物学]第二章 发酵液的预处理ppt课件
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聚合无机盐类 ：如聚合铝和聚合铁等。
2、絮凝
〔1〕机理：絮凝剂主要起架桥作用，即一 个高分子聚合物〔絮凝剂〕的许多链节分 别吸附在不同的胶粒外表上，产生桥架联 接时，构成了较大的絮团。
絮凝剂是一种能溶于水的高分子聚合物， 其相对分子量可达数万至一千万，具有长 链状构造，其链节上含有许多活性官能团。 经过静电引力、范德华力或氢键的作用， 剧烈地吸附在胶粒的外表。
〔2〕尽能够使产物转入便于后续工序 处置的某一相中〔多数是液相〕；
〔3〕去除发酵液中部分杂质，以利于 后续各步操作。
2、发酵液预处置的要求 预处置要满足以下要求，才干到达目的。
〔1〕菌体分别 采用离心和过滤方法。
胞外产物，预处置时应尽能够使产物转 移到液相，然后用固液分别除去固相。
胞内产物，那么应先搜集菌体或细胞， 经细胞破碎后，使产物转移到液相，再用 固液分别除去细胞碎片。
絮凝剂的构造要求：
一方面要求其分子必需含有较多的活性 官能团，使之能和胶体粒子结合；
另一方面要求有长链的线性构造，以便 同时和多个胶体粒子结合。
〔2〕絮凝剂的分类 A、按絮凝剂官能团分为三大类型： 阴离子性：聚丙烯酸钠和聚苯乙烯磺酸。 阳离子性：聚丙烯酸二烷基胺乙酯和聚二烯丙基 四胺盐。 非离子性：聚氧化乙烯等。 B、根据来源分: 有机高分子聚合物：聚丙烯酰胺类衍生物、聚苯 乙烯类衍生物。 无机高分子聚合物：聚合铝盐、聚合铁盐等。 天然高分子有机物：海藻酸钠、明胶、骨胶、壳 多糖等。
〔2〕固体悬浮物的去除 采用过滤方法，获得廓清液
〔3〕蛋白质的去除：可溶性蛋白 〔4〕重金属离子的去除 〔5〕色素、毒性物质、热原质等有机杂质的
去除
生物分离工程 第3章-发酵液预处理和固液分离
E.离心
工业上常用
1. 离心沉降
根据固体和液体之间的密度差,利用离心机提 供的离心力实现固液分离。 沉降的难易取决于固体物质和液体的密度差, 同时还取决于固体和液体的其他性质以及离心 机的离心能力.(可以颗粒沉降速度表示)
优点：分离速度快，分离效率高,液相澄清度好, 技术易掌握；结果重复性好； 缺点：设备投资高、能耗大。
微生物污染、蛋白酶水解等作用的影响。
细胞培养液的特殊之处
A、细胞成分及碎片大小不一，颗粒大小，分离成本。 B、固液密度相近，黏度高：沉降和离心分离困难 C、固体成分可压缩可变形 + 高黏度：过滤困难，黏附 在滤布，错流过滤形成凝胶层 D、动植物细胞抗剪切力差：错流膜过滤和离心等不适 E、流变性复杂，非牛顿型流体，青霉素发酵液为卡森 型流体，120h链霉素发酵液为拟塑性流体，灰色链 丝菌发酵液为塑性流体。
改善发酵液过滤特性的物理化学方法：
调酸（等电点）、热处理、电解质处理、添加凝
聚剂、添加表面活性物质、添加反应剂、冷冻-解冻
及添加助滤剂等。
1、降低液体粘度：稀释、升高温度
（1）加水稀释法
加水稀释法能降低液体粘度，但会增加悬浮液的 体积，加大后继过程的处理任务。而且，单从过滤操 作看，稀释后过滤速率提高的百分比必须大于加水比 才能认为有效，即若加水一倍，则稀释后液体的粘度 必须下降50％以上才能有效提高过滤速率。
C.旋液分离
悬浮液以较高速度沿切线方向进入旋风分离器， 轻相由分离器中央排出， 霉菌和放线菌为丝状菌，体形较大，发酵液采用 重相由分离器下部排出， 过滤方法； 细菌和酵母菌为单细胞，体形较小，其发酵液采 但不适合直径<5 μm颗粒去除（可用丝网分离器）。 用高速离心分离，如对发酵液进行预处理，也可 D.介质过滤 用过滤进行固液分离。
《发酵液的预处理》PPT课件
编辑ppt
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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
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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
差，不利于进行过滤、吸附、萃取等操
作；
③发酵液成分复杂，有些杂质对后续分离
有害。
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二.发酵液的预处理技术：
预处理 的目的
①改善发酵液的物理性质： 流变性质、颗粒粒度
②去除部分杂质：杂蛋白、 多糖、高价无机离子等
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4Байду номын сангаас
二.发酵液的预处理技术：
加热（降低黏度、 去除杂蛋白）
①物理性 凝聚与絮凝（增大 质的改善 粒度）
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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。ζ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。
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。
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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 K2Zn3[Fe(CN)6]2
发酵液的预处理课堂PPT
• 自动板框过滤机：
• 是一种较新型的压滤设备，板框的拆装，滤渣的脱落 卸出和滤布的清洗等操作都能自动进行，大大缩短了非生 产的辅助时间和减轻了劳动强度。
常用技术措施
对于菌体较细小、粘度较大的发酵液，可加入助滤剂或 采用絮凝等方法预处理后进行压滤。
对于难过滤的枯草杆菌发酵液，可设计一种特别薄的滤 框以减小滤饼的阻力。
非金属织补棉：化学纤维、玻璃纤维织品、长纤维 滤布、短纤维滤布。
金属织布：不锈钢丝或铁丝等的织布。
无纺品：纸、毡、石棉板、合成纤维无纺布等。
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2.滤饼的压缩性及助滤剂 （1）滤饼的压缩性：受力不变形的颗粒形成的滤饼 称不可压缩性滤饼，反之则称为可压缩性滤饼。发酵 液悬浮颗粒属于可压缩性颗粒 。 （2）助滤剂：减小过滤阻力、提高滤饼的刚性和孔 隙率的惰性材料。
（3）过滤推动力：过滤介质两侧的压力差。 （4）过滤速率：单位时间内通过的滤液体积。
3.过滤方式分类： 常压过滤、加压过滤、减压过滤、离心过滤。
23
4、过滤基本方程式
衡量各种物质过滤特性的主要指标是滤饼的重量比阻r B（α），表示单位滤饼厚度的阻力系数，与滤饼的结构特
性有关。
对于不可压缩性滤饼，比阻值为常数，但对于可压缩性
➢ Ga2+：加入草酸和草酸盐，生成草酸钙；加入 磷酸盐，生成磷酸钙
➢ Mg2+：加入草酸（沉淀不完全）；加入磷酸盐， 生成磷酸镁；三聚磷酸钠（Na5P3O10），生成 可溶性络合物
➢ Fe3+：加入黄血盐，生成普鲁士兰沉淀
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二、 发酵液的过滤
发酵液中含有大量菌体、细胞或细胞碎片以及残余的 固体培养基成分，过滤就是将悬浮在发酵液中的固体颗粒 与液体进行分离的过程。 定义：
《发酵工程》PPT演示课件
35
36
❖ 过滤器进行灭菌时，一般是自上而下通入0.20.4 Mpa的蒸汽，灭菌45min后用压缩空气吹 干备用。总过滤器约每月灭菌一次。
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2). 滤纸过滤器：
❖ 介质:超细玻璃纤维纸。 ❖ 孔径:1-1.5μm ❖厚度: 0.25-0.4mm ❖ 实密度:2600Kg/m3 ❖ 填充率:14.8%。
❖ 求灭菌失败几率为0.001 时所需要的灭菌时间
❖
解：N0 = 40 X106 X 2 X105 = 8X 1012个
❖
Nt= 0.001个
❖
K = 1.8 min-1
❖
灭菌时间：t = 2.303 /1.8 lg （8X
1012/0.001） = 20.34min
15
❖ 例2.若将例1中的培养基采用连续灭菌，灭菌温度 131℃，此温度下灭菌速率为15min-1。求灭菌所 需的维持时间。
连续
便于自 动控制
蒸汽负 荷均衡
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23
24
25
6.3 空气过滤除菌 一、发酵用无菌空气的质量标准: 发酵用的无菌空气,就是将自然界的空气 经过压缩,冷却,减湿,过滤等过程达到:
26
1
❖连续提供一定流量的压缩空气。
2
空气的压强为0.2-0.4Mpa
3
进入过滤器之前，空气的相对湿度≤ 70%
31
32
❖
2．空气的过滤除菌
绝对过滤
介质的空隙 小于被拦截的 微生物大小， 如用聚四氟乙 烯或纤维素酯 材料做成的微 孔滤膜。
过滤 拦截的微生物 大小，但介质有 一定厚度，机理 是静电，扩散， 惯性及拦截作用。 如棉花过滤器， 超细玻璃纤维纸， 金属烧结管等。
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常用助滤剂：硅藻土，珍珠岩，活性炭
分离设备
板框压滤机 真空过滤机 错流过滤
板框压滤机
板框压滤机的过滤推动力来自泵产生的液压或 进料贮槽中的气压。
back
错流过滤
料液
浓悬浮液 或回流液
滤液或透过液
过滤介质或滤膜
微滤过程示意图,料液快速经过薄膜,以减少形成滤饼
一般流程
原料液
细胞分离(离心，过滤)
细胞－胞内产物
清液－胞外产物
包含体 溶解(加盐酸胍、脲)
细胞破碎 碎片分离
粗分离(盐析、萃取、超过滤等)
复性
纯化(层析、电泳)
脱盐(凝胶过滤、超过滤) 浓缩(超过滤)
精制(结晶、干燥)
发酵液的预处理和固液分离
一、发酵液的预处理
发酵液的组成？ 菌（细胞）体，胞内外代谢产物，
预处理的方法
⑴加热 ⑵调节悬浮液的PH值(草酸，无机酸或碱) ⑶凝聚和絮凝 (4)杂蛋白质的其它去除方法 (5)去除高价无机离子
凝聚与絮凝：将化学药剂预先投加到悬浮液中， 改变细胞、菌体和蛋白质等胶体粒子的分散状 态，破坏其稳定性，使其聚集起来,增大体积 以便固液分离,常用于菌体细小而且黏度大的 发酵液预处理中。
的性质有关。
碟片式离心机
人工排渣的碟片离心机
喷嘴排渣的碟片离心机
活门（活塞）排渣的碟片离心机
活门排渣的喷嘴碟片式离心机（这是近年来开 发的机型，它和相同直径的活塞机相似，其速 度可增加23%~30%,故可使分离因素达15000 左 右，该机型可用于酶制剂，疫苗和胰岛素生产 中分离物的澄清，醇的生产中细菌的采集以及 r-DNA中采集和澄清。
胶 体 双 电 层 结 构
细胞或菌体表面带有负电荷
→ 吸附溶液中正离子 热运动 →正离子均匀分布到液体中，具有离开胶
粒表面的趋势 stern平面以内，正离子被紧密束缚在胶核表面，
称为吸附层或stern层； stern平面以外，正离子在溶液中扩散，距离越 远，浓度越小，最后达到主体溶液的平均浓度，
影响固液分离的因素
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 黏度（发酵液）
方法：过滤和离心分离。
过滤
过滤操作是借助于过滤介质，在一定的压力差 ΔP作用下，将悬浮液中的固体粒子截留，而 与液体分离的技术。
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
称为扩散层。这样就形成了双电层的结构。
Hale Waihona Puke 聚：指在投加的化学物质（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１ mm 大小块状凝聚体的过程。
胶体粒子(10-100nm) →大粒子（1mm）
机理： a 中和粒子表面电荷 b 消除双电层结构
阳离子对带负电荷的胶粒凝聚能力： A13＋＞Fe3+ ＞H＋＞Ca2十＞Mg2+＞K+＞Na+＞Li+
碟式
结束语
当你尽了自己的最大努力时，失败 也是伟大的，所以不要放弃，坚持 就是正确的。
When You Do Your Best, Failure Is Great, So Don'T Give Up, Stick To The End
谢谢大家
荣幸这一路，与你同行
It'S An Honor To Walk With You All The Way
演讲人：XXXXXX 时 间：XX年XX月XX日
离心 平抛式
平抛式：瓶式离心机，实验室常用的低\中速 离心机，转速一般在 3000-6000rpm。
平抛式
若干同心圆筒组成若干同心环状分离室 增加沉降面积，减少沉降距离。 悬浮液中的粗颗粒沉降到靠近内部的分离室壁
上，细颗粒则沉降到靠近外部的室壁上，澄清 的分离液经溢流或由向心泵排出。 常用于抗菌素液－液萃取分离，果汁和酒类饮 料的澄清等。
常用的凝聚剂： Al2(SO4)3·18H20（明矾）；AlC13·6H2O； FeC13；ZnSO4；MgCO3等。
絮凝：指使用絮凝剂将胶体粒子交联成网，形
↓ 成10mm大小絮凝团的过程。 天然的和合成的大分子量聚电解质
机理：架桥作用
絮凝剂的吸附架桥作用
常用的絮凝剂
聚丙烯酰胺（po1yacry1amide）类和聚乙烯亚胺 （polyethyleneimine）衍生物
胞内的细胞物质及剩余的培养基残分等。
液体的基本特性 ①可压缩性，黏度大 ②悬浮状态稳定
③所需的产品在培养液和菌体中浓度很低 ④存在许多杂质
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。
BACK
高价无机离子的去除方法
Ca2+ 草酸（价格较贵，注意回收） Mg2+ 三聚磷酸钠 Fe3+ 黄血盐 （普鲁士蓝沉淀）
4Fe3+ + 3K4Fe(CN)6 → Fe4[Fe(CN)6]3↓+ 12K+
二、发酵液的固液分离
目的 1. 收集胞内产物的细胞或菌体:除去液相 2.收集含生化物质的液相:除去固体悬浮物
无机高分子聚合物：聚合铝盐和聚合铁盐等。
天然有机高分子絮凝剂： 壳聚糖和葡聚糖等聚糖类， 明胶、骨胶、海藻酸钠等。
微生物絮凝剂： 主要成分是糖蛋白、粘多糖、纤维素及核酸
等
絮凝作用的影响因素：
（1）絮凝剂用量 （2）溶液的pH （3）搅拌速度和时间 （4）助滤剂
BACK
杂蛋白质的其它去除方法
等电点沉淀 有机溶剂沉淀 蛋白沉淀剂 吸附作用
多室
螺旋式
螺旋卸料沉降离心机 卧螺机是一种全速旋转，连续进料，分离和卸
料的离心机。 操作温度可达300℃ 操作压力一般为常压 常用于胰岛素，细胞色素，胰酶的分离等。
碟片式
是一种应用最为广泛的离心机 有一个密封的转鼓，内装十至上百个锥顶角为
60~100゜锥形碟片。 固体的沉降距离极短，分离效果较好。 碟片间的距离一般为0.5~2.5mm,与被分离物料