10 发酵液预处理和过滤

对于胞内产物，则应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。
主要内容
1 、发酵液过滤特性的改变 2、 发酵液的相对纯化 3、 固液分离工程及设备
1 、发酵液过滤特性的改变
1.1 微生物发酵液的特性
①发酵产物浓度较低，大多为1％一10％，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固体粒子可压缩性大； ④液相粘度大，大多为非牛顿型流体； ⑤性质不稳定，随时间变化，如易受空气氧化、微生物
主要有等电点沉淀法
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。
4. 加入助滤剂 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。悬浮液中大量的细微胶体 粒子被吸附到助滤剂的表面上，改变了滤饼结构， 降低了过滤阻力。
小，可以忽略不计，则恒压下的过滤方程式为：
式中：

q2=2（△p/μrBXB)τ
q—到瞬间τ时，通过单位过滤面积的滤液量；
△p-压力差（Pa）；
μ—滤液黏度（Pa S）；
rB—滤饼的质量比阻（m/kg） XB—通过单位体积滤液所形成的滤渣质量（kg/m3） τ—过滤时间（s）
比阻值
▪ 质量比阻可根据上式，利用图解法求得， τ/q为
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。
常用的助滤剂 硅藻土、纤维素、石棉粉、白土、炭粒、淀 粉等。
最常用的是硅藻土，使用时，通常细粒用量为 500 g/m3；中等粒度用量为700 g/m3；粗粒用 量为700-1000 g/m3。
5. 加入反应剂：
加入反应剂和某些可溶性盐类发生反应生成不溶性沉淀， 如CaSO4，AlPO4等。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，且能使胶状物和 悬浮物凝固改善过滤性能；如发酵液中含有不溶性多糖物质， 用酶将其转化为单糖，以提高过滤速率。如万古霉素用淀粉 作培养基，发酵液过滤前加入0.025%的淀粉酶，搅拌 30min后，再加2.5%硅藻土助滤剂，可提高过滤效率5倍。
2.优点：分离速率快、分离效率高、液相澄清度 好等。
3.缺点：设备投资高、能耗大。此外，连续排料 时，固相干度不如过滤设备。
4.种类：种类多，按其作用原理不同，可分为过 滤式离心机和沉降式离心机两大类。
5.离心机种类：
a. 碟片式离心机
b.管式离心机
C. 倾析式离心机
3.2 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。 ➢在过滤操作中，要求滤速快、滤液澄清，并且 有高的收率。
不影响目的产物，可消除发酵液中某些杂质对过滤的影响， 提高过滤速率。
1.3 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。
1、凝 聚
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。
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。
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 FeSO4·7H2O ； 石灰；ZnSO4；MgCO3
2、絮 凝
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团的过程。
采用絮凝法可形成粗大的絮凝体，使发酵液较 易分离
3、固液分离工程
范围：培养基、发酵液、某些中间产品和半 成品。其中发酵液由于种类多、粘度大和成分 复杂，分离最为困难。
方法：分离筛、重力沉降、浮选分离、离心 分离和过滤等，其中用于发酵液固液分离的主 要是离心分离和过滤分离。
3.1 离心分离
1.原理：利用转鼓高速转动所产生的离心力，来 实现悬浮液、乳浊液的分离或浓缩。
凝聚值：使胶粒发生凝聚作用的最小电解质浓度。 反离子的价数越高，该值就越小，即凝聚能力越强。
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，因此常加入阳离子对发酵液进行凝聚。
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+
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 Na3P3O10 ＋ 2Na十
高价无机离子的去除方法（续）
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，→普鲁士兰沉淀
2、发酵液的相对纯化
发酵液中杂质很多，其中有些杂质不仅直接影 响产品质量利收得率，同时对后继提取和精制有很 大影响。
发酵液中的杂质 （1）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。
（2）可溶性杂蛋白
存在对处理的影响： 在采用离子交换和吸附法提取时会降低其交换
过滤（续）
1.原理：悬浮液通过过滤介质时，固态颗粒与溶 液分离。
2.类型： 澄清过滤 滤饼过滤
（1）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5-100um的悬浮液的过滤分离，如河水、麦 芽汁、酒类和饮料等的澄清。
第10章 发酵液预处理和过滤
发酵液成分
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。 目的
分离菌体和其他悬浮颗粒，除去部分可溶性 杂质和改变滤液的性质，以利于提取和精制后 继各工序的顺利进行。
方法选择
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；
滤饼的比阻值
▪ 滤饼的质量比阻力rB：是衡量过滤特性的主要 指标，它表示的是单位滤饼厚度的阻力系数， 与滤饼的结构特性有关。
▪
rB=r（△p）m
▪ 式中：r—不可压缩滤饼，对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 滤饼为0；
▪ △p-压力差（Pa）
过滤方程式
对于可压缩滤饼，如果过滤介质的阻力相对较
有加水稀释法和加热法
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。
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。
（3）. 吸附法
加入某些吸附剂或沉淀剂吸附杂蛋白质而除去。 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。
影响絮凝的因素
➢ 絮凝剂的加量 ➢ 絮凝剂的分子量 ➢ 溶液的pH ➢ 搅拌速度 ➢ 搅拌时间
（3）混凝 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。
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。
（2）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 .1g/100mL的悬浮液的过滤分离。
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。
医药和食品工业其它絮凝剂
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