【生物工程下游技术】第三章 发酵液预处理

通常发酵液的黏度大，其中的微生物
体积小，造成过滤的困难。
在过滤前，一般需对料液进行絮凝或
凝聚等预处理，此外可添加助滤剂提 高过滤速度。
A. 根据过滤机理，过滤操作可分为澄清过滤和滤饼过滤。
澄清过滤：
过滤介质为硅藻土、砂、颗粒活性炭、玻璃珠、塑料颗粒等，当悬浮液通过滤层 时，固体颗粒被阻拦或吸附在滤层的颗粒上，使滤液得以澄清，适合于固体含量 少于0.1g/100ml、颗粒直径在5-100μ m的悬浮液的过滤分离，如河水、麦芽汁、 酒类和饮料等的澄清。
影响絮凝的因素

絮凝剂的加量(图3-1） 絮凝剂的分子量


溶液的pH
搅拌速度

搅拌时间
（3）混凝
对于带负电荷的菌体或蛋白质来说，采用阳离子型 高分子絮凝剂同时具有降低胶粒双电层电位和产生吸 附桥架的双重机理； 对于非离子型和阴离子型高分子絮凝剂，要采用凝 聚和絮凝双重机理才能提高过滤效果，这种包括凝聚 和絮凝机理的过程，称为混凝。
④ 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。
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
根据流体力学原理，滤液通过滤饼的速率与液体的粘度成反比，降低 液体粘度（加水稀释法和加热法等）可有效提高过滤速率。注意加热 温度与时间，不影响产物活性和细胞的完整性。
在碱性溶液中带负电荷。
在某一pH下，净电荷为零，溶解度最小，称为等电点。
酸碱调节，使蛋白质与盐或离子形成沉淀。
在酸性溶液中，蛋白质与一些阴离子，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，蛋白质与一些阳离子，如Ag+、Cu2+、 Zn2+、Fe3+和Pb2+等形成沉淀。
二、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。
2.调整pH
pH值直接影响发酵液中某些物质的电离度和电荷性质，适当调节pH值 可改善其过滤特性。氨基酸、蛋白质等电点的调节；在膜过滤中，发酵 液中的大分子物质易与膜发生吸附，通过调整pH值改变易吸附分子的 电荷性质，即可减少堵塞和污染；细胞、细胞碎片及某些胶体物质等在 某个pH值下也可能趋于絮凝而成为较大颗粒，有利于过滤的进行。
管式离心机工作原理图

GF型，用于分离各种乳浊液, 特别适用于二相相对 密度差甚微的液一液分离以及含有少量杂质的液一 液一固分离。 分离原理：密度大的液相形成外环，密度轻的液相 形成内环，流体到转鼓上部各自的排液口排出，微 量固体沉积在转鼓壁上，待停机后人工卸出。 GQ型，用于分离各种难于分离的悬浮液。特别适合 于浓度小、粘度大，固相颗粒细，固液重度差较小 的固液分离。 分离原理：密度较大的固体微粒逐渐沉积在转鼓内 壁形成沉渣层，待停机后人工卸出，澄清后的液相 流动转鼓上部的排液口排出。
（2）絮凝
采用絮凝法可形成粗大的絮凝体，使发酵液较易分离。
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，产生桥架联结时，就形成了较大的絮团，这就是 絮凝作用。
聚丙烯酰胺类絮凝剂的缺点
存在一定的毒性，特别是阳离子型聚丙烯酰胺， 用于食品和医药工业时应谨慎。
聚丙烯酰胺类絮凝剂的应用
医药和食品工业：聚丙烯酸类阴离子絮凝剂（无毒），聚苯乙烯类衍 生物，无机高分子聚合物絮凝剂（聚合铝盐、聚合铁盐等），天然有 机高分子絮凝剂（多聚糖类胶粘物、海藻酸钠、明胶、骨胶、壳多糖、 脱乙酰壳多糖等）。
因此，在预处理时，应尽量除去这些物质。
（一）、高价无机离子的去除方法
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，→形成三聚磷酸钠镁可 溶性络合物； 3. Fe2+ ——黄血盐，→普鲁士蓝沉淀
（二）杂蛋白的去除方法
1. 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；
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。另外，还能 有效地除去杂蛋白和固体杂质，提高滤液质量。
凝聚——指在电解质作用下，由于胶粒之间双电层电排 斥作用降低，电位下降，而使胶体体系不稳定的现象；
絮凝——指在某些高分子絮凝剂存在下，基于桥架作用， 使胶粒形成较大絮凝微生物发酵液的成分极为复杂，其中除了所培养的微生物菌体及残 存的固体培养基外，还有未被微生物完全利用的糖类、无机盐、蛋 白质，以及微生物的各种代谢产物。
微生物发酵液的特性为：
① 发酵产物浓度较低，大多为1-10%，悬浮液中大部分是水； ② 悬浮物颗粒小，相对密度与液相相差不大； ③ 液相粘度大，大多为非牛顿型流体；
第二节
固液分离工程 及设备
一、固液分离的方法
A.重力沉降 B.浮选
通气，产生气泡，使固体附着在气泡表面除去。 用于固液比重差小、直径5～30μ m颗粒的分离，污水处理
C.旋液分离
悬浮液以较高速度沿切线方向进入旋液分离器， 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 用过滤进行固液分离。
（2）真空转鼓过滤机 优点：
真空转鼓过滤机具有自动化程度高、操作连续、 处理量大。特别适合固体含量大（>10％）的悬浮 液的分离，在发酵工业中广泛用于霉菌、放线菌 和酵母发酵液或细胞悬浮液的过滤分离。
B. 常用过滤设备
（1）板框过滤机
广泛应用于培养基制备的过滤及霉菌、放线菌、 酵母菌和细菌等多种发酵液的固液分离。适合于 固体含量1-10%的悬浮液的分离。
板框过滤机
板框过滤机
1. 结构：若干板，框交替排列，板，框都用支耳架在一对 横梁上，用压紧装置压紧或拉开。 2. 滤板结构：凹凸纹路作用支撑滤布，提供滤液或洗涤液 的流道。分为洗涤板和非洗涤板两种。 3. 滤框结构：有供料浆通过的暗孔，料浆在压差的推动下 籍框两侧覆盖的滤布进行过滤分离。 4. 过滤操作液体流动路径：料浆沿1通道输入，通过滤框 的暗孔进入滤框，框中的料浆在压差的推动下籍框两侧覆 盖的滤布进行过滤分离。滤饼在框内两侧生成并增长，滤 液通过滤布流到滤板板面的凹槽后因板面凹槽有暗孔与2、 4通道相连或与3通道相连，故滤液可由三条通道流到过滤 机外。
有机合成的聚丙烯酰胺（polyacrylamide）类衍生物
根据活性基团在水中解离情况不同，可分为三类： ① 非离子型、 ② 阴离子型（含有羧基） ③ 阳离子型（含有胺基）
聚丙烯酰胺絮凝剂
聚丙烯酰胺类絮凝剂的优点
用量少，一般以mg/L计量； 絮凝体粗大，分离效果好； 絮凝速度快； 种类多，适用范围广。
适用范围
细菌、酵母菌、放线菌、 细胞碎片
管式离心机
管式离心机是一种分离效率很高的离心 分离设备，其转鼓细长，可在15000-50000 的高转速下工作，分离因数可达104-6×105。 它设备简单、操作稳定。 适用范围 细胞、细胞碎片、细胞器、病毒、蛋白质、 核酸等。特别适合一般分离机难以分离的固 形物含量<1% 发酵液的分离。

倾析式分离机
是一种靠离心力和螺旋的推动力作用自动 连续排渣的离心机。具操作连续、适应性 强、结构紧凑和维修方便的优点。分离因 数为1500-3000。
适用范围 特别适合固形物含量较多的悬浮液的分 离。因分离因数较低，不适合细菌、酵母 等微小微生物悬浮液的分离。（P53图）
2 过滤

定义： 在一定的压力差 下，利用多孔性介质 截留固液悬浮液中的 固体粒子，进行固液 分离的方法称为过滤。
（1）凝聚
发酵液中的细胞、菌体或蛋白质等胶体粒子双电层
的结构使胶粒之间不易聚集而保持稳定的分散状态。
阳离子对带负电荷的胶粒凝聚能力的次序为：
Al3+ >Fe3+ >H+ >Ca2+ >Mg2+ >K+ >Na+ >Li+
常用的凝聚剂电解质有：
硫酸铝 Al2(SO4)3•18H2O（明矾）； 氯化铝 AlCl3•6H2O; 三氯化铁 FeCl3; 硫酸亚铁 FeSO4· 2O ； 7H 石灰；ZnSO4；MgCO3
滤饼过滤：
过滤介质为滤布，包括天然或合成纤维织布、金属织布、玻璃纤维纸、合成纤 维等无纺布。当悬浮液通过滤布时，固体颗粒被滤布阻拦而逐渐形成滤饼（滤 渣）。当滤饼至一定厚度时即起过滤作用，此时即可获得澄清的滤液，这种方 法叫做滤饼过滤，在滤饼过滤中，悬浮液本身形成的滤饼起着主要的过滤作用， 适合于固体含量大于0.1g/100ml的悬浮液的过滤分离。
高分子絮凝剂的吸附和絮凝作用示意图
工业上使用的絮凝剂可分为三类：