生物工艺发酵液的预处理和固液分离方法优秀课件
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(生化工程课件)14 发酵液的预处理和固液分离
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，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：
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：
发酵液预处理及固液分离方法
51
转筒下部浸入滤浆槽中，浸没角约90°-130°，圆筒缓 慢旋转时(转速约0.5-2r／min)，筒内每一空间相继与分 配头中的3个室相通，可顺序进行过滤、洗涤、吸干、吹松、 卸饼等项操作。即整个圆筒分为过滤区、洗涤及脱水区， 卸渣及再生区3个区域。
52
转筒真空过滤机
主要适用霉菌发酵液，对菌体 细小、黏度大铺助滤剂。
29
（一） 过 滤 filtration
借助于过滤介质，在一定的压力差作用下， 使 悬浮液中的液体通过介质的孔道，而固体颗粒被 截留在介质上，从而实现固液分离的单元操作。
30
1、滤饼过滤： 介质：滤布，滤饼达到一定厚度起过滤作用。 适用于：固体含量>0.1g/100ml
31
过滤推动力：
• 悬浮液自身压强差、重力 • 悬浮液表面加压 • 过滤介质下方抽真空 • 离心力
18
发酵液的预处理和固液分离技术
二 预处理-降低发酵液粘度
方法
提高温度 －确保目的产物稳定性
加水稀释－过滤速度需提高稀释 数倍以上
三 预处理-调节pH
调节发酵液的pH到蛋白质的等电点是除去蛋 白质的有效方法。
影响离子型絮凝剂的电离度。
20
六 预处理-加入助滤剂
例硅藻土、淀粉、活性 炭、石英砂、石棉粉、 纤维素、白土等。
对于滤饼阻力较大的物料适应 能力较差。
53
带式真空过滤机
• 带式真空过滤机（是自动连续运转、并能按工 艺要求进行无级调速以及操作方便和动力消耗 低的一种新型高效的脱水设备。
54
带式真空过滤机流程
• 1、进料→过滤→滤饼洗涤→吸干→卸料→滤布清洗连 续进行。 2、真空过滤盘分段设计，可满足不同物料过滤、洗涤 、吸干的工艺要求，滤带运行速度采用变频无级调速， 对不同物料有广泛的适应性。
转筒下部浸入滤浆槽中，浸没角约90°-130°，圆筒缓 慢旋转时(转速约0.5-2r／min)，筒内每一空间相继与分 配头中的3个室相通，可顺序进行过滤、洗涤、吸干、吹松、 卸饼等项操作。即整个圆筒分为过滤区、洗涤及脱水区， 卸渣及再生区3个区域。
52
转筒真空过滤机
主要适用霉菌发酵液，对菌体 细小、黏度大铺助滤剂。
29
（一） 过 滤 filtration
借助于过滤介质，在一定的压力差作用下， 使 悬浮液中的液体通过介质的孔道，而固体颗粒被 截留在介质上，从而实现固液分离的单元操作。
30
1、滤饼过滤： 介质：滤布，滤饼达到一定厚度起过滤作用。 适用于：固体含量>0.1g/100ml
31
过滤推动力：
• 悬浮液自身压强差、重力 • 悬浮液表面加压 • 过滤介质下方抽真空 • 离心力
18
发酵液的预处理和固液分离技术
二 预处理-降低发酵液粘度
方法
提高温度 －确保目的产物稳定性
加水稀释－过滤速度需提高稀释 数倍以上
三 预处理-调节pH
调节发酵液的pH到蛋白质的等电点是除去蛋 白质的有效方法。
影响离子型絮凝剂的电离度。
20
六 预处理-加入助滤剂
例硅藻土、淀粉、活性 炭、石英砂、石棉粉、 纤维素、白土等。
对于滤饼阻力较大的物料适应 能力较差。
53
带式真空过滤机
• 带式真空过滤机（是自动连续运转、并能按工 艺要求进行无级调速以及操作方便和动力消耗 低的一种新型高效的脱水设备。
54
带式真空过滤机流程
• 1、进料→过滤→滤饼洗涤→吸干→卸料→滤布清洗连 续进行。 2、真空过滤盘分段设计，可满足不同物料过滤、洗涤 、吸干的工艺要求，滤带运行速度采用变频无级调速， 对不同物料有广泛的适应性。
发酵液预处理和固液分离
1.2.3 常用的凝聚剂与絮凝剂
➢ 凝聚剂
• 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 • 无机高分子类：聚合铝盐，聚合铁盐 • 天然类：壳聚糖，葡聚糖 • 微生物类
➢ 预处理的目的 • 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 • 尽可能使物质转入便于后续处理的某一相中 • 去除发酵液中杂质，利于后续各步操作
➢ 预处理的方法 • 加热-加速聚集，去除某些蛋白质 • 调pH-促进聚集作用 • 凝聚和絮凝-增大颗粒有效尺寸，加快沉降速率
2.3.1 板框压滤机
➢ 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。
板框操作实例-进料
板框操作实例-卸料
2.3.2 鼓式真空过滤机
鼓式真空过滤机能连续操作，并能实现自动化控制，但是压差较 小，主要适用于霉菌发酵液的过滤。而对菌体较细或粘稠的发酵 液不太适用。
螺旋式
卧式
• 含固量较多 发酵液的主要 分离方式 • 操作温度可 达300度 • 胰岛素，细 胞色素，胰酶
发酵液的预处理
1 发酵液的预处理
➢主要杂质预处理 ➢凝聚与絮凝
2 发酵液固液分离
➢影响固液分离的因素 ➢过滤 ➢固液分离器
3 全发酵液提取
3 全发酵液提取
扩张床技术
两水相技术
膜技术
• 相当于过滤、浓缩和吸附的综合效果 • 连接的配基容量需求大 • 膜污染问题严重
Ch2 发酵液的预处理和固液分离方法幻灯片
5
6
②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，即产生电排斥作用，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，形成了包括于粒子周围的 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ζ电位降低或 消除，水化层也随之减弱消失。
T(s)
5 10 20
30
V(10-6m3) 40 55 80
95
求滤比阻和过滤介质阻力Rm。
23
解：据实验数据以q对 t/q 作图，得到一条过 滤操作直线，其截矩B≈0，即过滤介质阻力 Rm=0，由此可求得直线的斜率 M=(2.8 × 103))/(10.2 ×10-3 ) =2.75×105
热敏感的生化物质不易用该法。
36
六、全发酵液提取
为避开固液分离操作,从悬浮液中直接 提取生化物质是国内外学者探索的方向 第一，用膜分离技术进行全发酵液的提取 第二，用双水相萃取进行全发酵液的提取 第三，用扩张床吸附进行全发酵液的提取
37
本章小结：
重点： 难点： 作业：
1、改善发酵液的过滤性能方法有哪些？ 试简述之。
9
(2)絮凝作用(flocculation)：
①概念：
指在某些高分子絮 凝剂存在下，在悬 浮粒子之间产生架 桥作用，而使粒胶 形成粗大的絮凝团 的过程，它是一种 以物理的集合为主 的过程。
10
②絮凝剂按带电状况分：
阳离子絮凝剂、阴离子絮凝剂、非离子型的絮凝剂。
凝聚和絮凝机理的过程，常称为混凝。
③絮凝剂按其来源分：
6
②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，即产生电排斥作用，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，形成了包括于粒子周围的 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ζ电位降低或 消除，水化层也随之减弱消失。
T(s)
5 10 20
30
V(10-6m3) 40 55 80
95
求滤比阻和过滤介质阻力Rm。
23
解：据实验数据以q对 t/q 作图，得到一条过 滤操作直线，其截矩B≈0，即过滤介质阻力 Rm=0，由此可求得直线的斜率 M=(2.8 × 103))/(10.2 ×10-3 ) =2.75×105
热敏感的生化物质不易用该法。
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六、全发酵液提取
为避开固液分离操作,从悬浮液中直接 提取生化物质是国内外学者探索的方向 第一，用膜分离技术进行全发酵液的提取 第二，用双水相萃取进行全发酵液的提取 第三，用扩张床吸附进行全发酵液的提取
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本章小结：
重点： 难点： 作业：
1、改善发酵液的过滤性能方法有哪些？ 试简述之。
9
(2)絮凝作用(flocculation)：
①概念：
指在某些高分子絮 凝剂存在下，在悬 浮粒子之间产生架 桥作用，而使粒胶 形成粗大的絮凝团 的过程，它是一种 以物理的集合为主 的过程。
10
②絮凝剂按带电状况分：
阳离子絮凝剂、阴离子絮凝剂、非离子型的絮凝剂。
凝聚和絮凝机理的过程，常称为混凝。
③絮凝剂按其来源分：
第二章发酵液的预处理---《生物质分离与纯化技术》课件
9
第九页，共84页。
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。
第十页，共84页。
10
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
第十二页，共84页。
12
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。
13
第十三页，共84页。
麦芽汁的黏度-温度曲线。
第三十四页，共84页。
34
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。
第三十五页，共84页。
35
三 预处理-调节pH
滑移面上的电位为ζ, 称ζ电位（电动电位） 。
第十五页，共84页。
15
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
22
第二十二页，共84页。
第九页，共84页。
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。
第十页，共84页。
10
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
第十二页，共84页。
12
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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第十三页，共84页。
麦芽汁的黏度-温度曲线。
第三十四页，共84页。
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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。
第三十五页，共84页。
35
三 预处理-调节pH
滑移面上的电位为ζ, 称ζ电位（电动电位） 。
第十五页，共84页。
15
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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第二十二页，共84页。
固液分离技术PPT课件
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9
第一节 发酵液的预处理技术
根据絮凝剂所带电性的不同，分阴离子型、阳离子型和非离 子型三类。对于带有负电性的微粒，加入阳离子型絮凝剂， 具有降低离子排斥电位和产生吸附架桥作用的双重机制；而 非离子型和阳离子型絮凝剂，主要通过分子间引力和氢键等 作用产生吸附架桥。影响絮凝作用的主要因素有：
①高分子絮凝剂的性质和结构 线性结构的有机高分子 絮凝剂，其絮凝作用大，而成环状或支链结构的有机高分子 絮凝剂的效果较差。絮凝剂的分子量越大、线性分子链越长， 絮凝效果越好；但分子量增大，絮凝剂在水中的溶解度降低， 因此要选择适宜分子量的絮凝剂。
加水稀释法可有效降低液体粘度，但会增加悬浮液的体 积，使后处理任务加大，并且只有当稀释后过滤速率提高的 百分比大于加水比时，从经济上才能认为有效。
.
3
第一节 发酵液的预处理技术
升高温度可有效降低液体粘度，从而提高过滤速率，常 用于粘度随温度变化较大的流体。另外，应用加热法的同时， 可控制适当温度和受热时间，使蛋白质凝聚形成较大颗粒， 进一步改善发酵液的过滤特性。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。使用加热法时必须注意：①加热 的温度必须控制在不影响目的产物活性的范围内；②对于发 酵液，温度过高或时间过长，可能造成细胞溶解，胞内物质 外溢，而增加发酵液的复杂性，影响其后的产物分离与纯化。
.
7
第一节 发酵液的预处理技术
常用的凝聚剂有AlCl3·6H2O、Al2(SO4)3·18H2O、 K2SO4·Al2(SO4)3·24H2O、FeSO4·7H2O、 FeCl3·6H2O、ZnSO4和MgCO3等。电解质凝聚能力可用 凝聚值来表示，使胶粒发生凝聚作用的最小电解质浓度
发酵液预处理和固液分离
当双电层的排斥力不足以抗衡胶粒间范德华引力 时，由于热运动的结果，导致胶粒的相互碰撞而 聚集。
由此可见，在发酵液中加入具有高价阳离子的电 解质，由于ξ电位的降低和脱除胶粒表面水化膜， 就导致了胶粒间的凝聚作用。
电解质的凝聚能力用凝聚价或凝聚值来表示
凝聚价或凝聚值： 使胶粒发生凝聚作用的最小电解质浓度
不同界面上形成不同 的电位:
胶核表面的电位φs 是整个双电层的电位;
Stern平面上的电位 为φd;
滑移面上的电位为ζ, 称ζ电位。
ζ电位是控制胶粒间电排斥作用的电位，用来表征 双电层的特征。
带电粒子间的静电相互作用取决于ζ电位的大小。 当双电层的ζ电位足够大时，静电排斥作用抵御分
子间的相互吸引作用，使蛋白质溶液处于稳定状态。
子直径约1-30nm，呈胶体性质; 蛋白质水化层：蛋白质分子周围存在与蛋白质
分子紧密或疏松结合的水化层。紧密结合的水 化层可达到0.35g/g蛋白质，而疏松结合的水化 层可达蛋白质分子质量的2倍以上； 静电排斥作用：
(1)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。 ➢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，在界面 上形成了双电层。
2）高分子絮凝剂的吸附架桥作用
3）对絮凝剂的化学结构的要求
1）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）要求必须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，但相对分子量 不能超过一定限度，以使其有良好的溶解性。
4）工业上使用的絮凝剂
可分为四类：人工合成有机高分子聚合物、天然有机 高分子聚合物、无机高分子聚合物、微生物絮凝剂
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• 环丝氨酸发酵液用氧化钙和磷酸处理， 生成的磷酸钙沉淀，能使悬浮物凝固。 多余的磷酸根离子，还能除去钙、镁离 子。
• (7)凝聚和絮凝
• 凝聚：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：在高分子絮凝剂存在下，基于架桥作用，使胶 粒形成粗大絮凝团的过程，是以物理集合为主的过程。
• 文献：青霉素发酵液中可溶性蛋白质的沉降及 其在溶剂萃取中的乳化作用
• 2.1.1 高价无机离子的去除方法：
• (1)去Ca2+，加草酸。
• 作用：
•
⑴生成草酸钙沉淀，同时也生成MgC2O4↓
•
⑵草酸钙沉淀，能促使蛋白质凝固。
•
(2) 去 Ca2+
Mg2+
，
加
三
聚
磷
酸
钠
Na5P3O10
，
同
时
也
可
去
除
• Na5P3O10 + Mg2+→MgNa3PO10+2Na+
•
（络合物）
• (3) 去Fe3+，加黄血盐，形成普鲁士兰沉淀。
• Fe3++[Fe2+(CN)6]4-+K+=K[Fe2+(CN)6Fe3+]
• 2.1.2杂蛋白的去除方法： • (1)酸化，调pH值至等电点。（HCO2、H2SO4、HCl、H3PO4）
15
• 凝聚：胶体粒子中性盐促进下脱稳相互聚集成大 粒子（1mm）。 机理： a 中和粒子表面电荷 b 消除双电层结构
• 絮凝：大分子聚电解质将胶体粒子交联成网状，
形成10mm大小絮凝团的过程
。机理：架桥作用
• 2.1.3.4 凝聚作用：
• ⑴发酵液的带电特性：
•
①发酵液中的胶体粒子表面，一般都带有负
），加热至70℃，维持半个小时的方法 来去除蛋白质，能使过滤速度增大10100倍，滤液粘度可降低1/6。
• 柠檬酸发酵液，采用加热至80℃以上， 使蛋白质变性凝固和降低发酵液粘度， 从而大大提高了过滤速度。
• (4)加有机溶剂，表面活性剂。所处理的 量较小。
• (5)大幅度改变pH值。
• (6)吸附作用
生物反应过程
生物催化剂 灭菌
空气 除菌
检测 控制系统
生物反应器
提取纯化
原材料
机械能、热能
副产品 产品 废弃物
预处理的目的
• ①分离细胞、菌体和其他悬浮颗粒（细胞 碎片、核酸和蛋白质沉淀物）。
• ② 除去部分可溶性杂质。 • ③ 改变滤液的性质（以提高过滤速度）。
2.1 发酵液的预处理
• 发酵液预处理原因？
• ①吸附作用 正离子被吸附
• ②热运动 正离子有离开表面的趋势
• ①②两相反作用的影响：
•
形成吸附层或紧密层：距离
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。
• 几个名词：
•stern 层 ： 相 距 胶 核 表 面 约 一 个离子半径的平面。 •滑移（动）面：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。
• ⑴发酵液中菌体细小、粘度大。粘性杂质多
，难直接过滤。
• 对细菌和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、蛋白质及其他有机粘性物质的存在 会造成滤液浑浊，滤速极慢。
• ⑵发酵液中高价无机离子及杂蛋白的存在。
• 影响离交法的交换容量。 • 影响离交法及大网格树脂的吸附能力。 • 产生乳化。 • 影响膜过滤。
•φs：胶核表面的电位 • φd：stern平面上的电位 •ξ：滑移面上的电位，可测定， 控制胶粒间电排斥作用的电位， 表征双电层的特征
20
• ⑷胶粒能保持分散状态的原因：
• 带有相同电荷和扩散双电层的结构。 • 水化层的形成: 依赖于胶体带电。
(5)胶粒发生凝聚的机理
胶体的电动电荷密度 即滑移面电荷密度
• (2)加盐，形成沉淀。 • 酸性溶液：Protein + 阴离子→↓ • 碱性溶液：Protein + 阳离子→↓ •
• (3)加热，使蛋白质变性沉淀，同时μ↓，加快过滤速 度。
• 缺点：原液的色素增多，影响原液质量，只适用于对 热不敏感的生化物质。
•
• 如： • 链霉素生产中，采用调pH至酸性（pH3.0
4q
D
扩散层的有效厚度， 即stern面上的电位φ降 低到其值为1/e处的距离 ，不能直接测定。
水的介电常数
22
若溶液中存在i 离子：
1000DkT• 1
电荷。
•
②发酵液中的胶粒子在界面上形成双电层。
• ⑵扩散双电层结构模型：
电荷密度
-+
-+
-
-+ -+
-+
-+ -
+ +
+
+ -
+ +
-
+
+ -
-
吸附层 扩散层 吸附层 扩散层
s
+ +
+
-
-
负电荷分布
-
-
+ -
正电荷分布
距固体表面距离
滑动面
d
de
0
图14-1 胶体双电层的构造
18
• 由于
生物工艺发酵液的 预处理和固液分离
方法
14 发酵液预处理和固液分离
凝聚
沉降 絮凝
• 技术手段
其它手段
离心 过滤
固液 分离
2
• Bioseparations usually begin with the separation of biomass from broth .The separation commonly uses filtration or centrifugation as described. In many cases, the desired product is in the broth. Antibiotics, are commonly in the broth; so are extracellular enzymes, many polysaccharides, and most amino acids. In all these cases, the separated broth can be treated to isolate and purify the product, as a byproduct.
•
几种反应剂相互作用，或和某些溶解盐类发生反应
生成不溶解的沉淀[CaSO4、AlPO4]。
• 生成的沉淀的作用： • 能防止菌丝体粘连，使菌丝具有块状结构。 • 沉淀本身可作为 助滤剂。 • 使胶状物和悬浮物凝集。
• 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。
• (7)凝聚和絮凝
• 凝聚：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：在高分子絮凝剂存在下，基于架桥作用，使胶 粒形成粗大絮凝团的过程，是以物理集合为主的过程。
• 文献：青霉素发酵液中可溶性蛋白质的沉降及 其在溶剂萃取中的乳化作用
• 2.1.1 高价无机离子的去除方法：
• (1)去Ca2+，加草酸。
• 作用：
•
⑴生成草酸钙沉淀，同时也生成MgC2O4↓
•
⑵草酸钙沉淀，能促使蛋白质凝固。
•
(2) 去 Ca2+
Mg2+
，
加
三
聚
磷
酸
钠
Na5P3O10
，
同
时
也
可
去
除
• Na5P3O10 + Mg2+→MgNa3PO10+2Na+
•
（络合物）
• (3) 去Fe3+，加黄血盐，形成普鲁士兰沉淀。
• Fe3++[Fe2+(CN)6]4-+K+=K[Fe2+(CN)6Fe3+]
• 2.1.2杂蛋白的去除方法： • (1)酸化，调pH值至等电点。（HCO2、H2SO4、HCl、H3PO4）
15
• 凝聚：胶体粒子中性盐促进下脱稳相互聚集成大 粒子（1mm）。 机理： a 中和粒子表面电荷 b 消除双电层结构
• 絮凝：大分子聚电解质将胶体粒子交联成网状，
形成10mm大小絮凝团的过程
。机理：架桥作用
• 2.1.3.4 凝聚作用：
• ⑴发酵液的带电特性：
•
①发酵液中的胶体粒子表面，一般都带有负
），加热至70℃，维持半个小时的方法 来去除蛋白质，能使过滤速度增大10100倍，滤液粘度可降低1/6。
• 柠檬酸发酵液，采用加热至80℃以上， 使蛋白质变性凝固和降低发酵液粘度， 从而大大提高了过滤速度。
• (4)加有机溶剂，表面活性剂。所处理的 量较小。
• (5)大幅度改变pH值。
• (6)吸附作用
生物反应过程
生物催化剂 灭菌
空气 除菌
检测 控制系统
生物反应器
提取纯化
原材料
机械能、热能
副产品 产品 废弃物
预处理的目的
• ①分离细胞、菌体和其他悬浮颗粒（细胞 碎片、核酸和蛋白质沉淀物）。
• ② 除去部分可溶性杂质。 • ③ 改变滤液的性质（以提高过滤速度）。
2.1 发酵液的预处理
• 发酵液预处理原因？
• ①吸附作用 正离子被吸附
• ②热运动 正离子有离开表面的趋势
• ①②两相反作用的影响：
•
形成吸附层或紧密层：距离
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。
• 几个名词：
•stern 层 ： 相 距 胶 核 表 面 约 一 个离子半径的平面。 •滑移（动）面：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。
• ⑴发酵液中菌体细小、粘度大。粘性杂质多
，难直接过滤。
• 对细菌和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、蛋白质及其他有机粘性物质的存在 会造成滤液浑浊，滤速极慢。
• ⑵发酵液中高价无机离子及杂蛋白的存在。
• 影响离交法的交换容量。 • 影响离交法及大网格树脂的吸附能力。 • 产生乳化。 • 影响膜过滤。
•φs：胶核表面的电位 • φd：stern平面上的电位 •ξ：滑移面上的电位，可测定， 控制胶粒间电排斥作用的电位， 表征双电层的特征
20
• ⑷胶粒能保持分散状态的原因：
• 带有相同电荷和扩散双电层的结构。 • 水化层的形成: 依赖于胶体带电。
(5)胶粒发生凝聚的机理
胶体的电动电荷密度 即滑移面电荷密度
• (2)加盐，形成沉淀。 • 酸性溶液：Protein + 阴离子→↓ • 碱性溶液：Protein + 阳离子→↓ •
• (3)加热，使蛋白质变性沉淀，同时μ↓，加快过滤速 度。
• 缺点：原液的色素增多，影响原液质量，只适用于对 热不敏感的生化物质。
•
• 如： • 链霉素生产中，采用调pH至酸性（pH3.0
4q
D
扩散层的有效厚度， 即stern面上的电位φ降 低到其值为1/e处的距离 ，不能直接测定。
水的介电常数
22
若溶液中存在i 离子：
1000DkT• 1
电荷。
•
②发酵液中的胶粒子在界面上形成双电层。
• ⑵扩散双电层结构模型：
电荷密度
-+
-+
-
-+ -+
-+
-+ -
+ +
+
+ -
+ +
-
+
+ -
-
吸附层 扩散层 吸附层 扩散层
s
+ +
+
-
-
负电荷分布
-
-
+ -
正电荷分布
距固体表面距离
滑动面
d
de
0
图14-1 胶体双电层的构造
18
• 由于
生物工艺发酵液的 预处理和固液分离
方法
14 发酵液预处理和固液分离
凝聚
沉降 絮凝
• 技术手段
其它手段
离心 过滤
固液 分离
2
• Bioseparations usually begin with the separation of biomass from broth .The separation commonly uses filtration or centrifugation as described. In many cases, the desired product is in the broth. Antibiotics, are commonly in the broth; so are extracellular enzymes, many polysaccharides, and most amino acids. In all these cases, the separated broth can be treated to isolate and purify the product, as a byproduct.
•
几种反应剂相互作用，或和某些溶解盐类发生反应
生成不溶解的沉淀[CaSO4、AlPO4]。
• 生成的沉淀的作用： • 能防止菌丝体粘连，使菌丝具有块状结构。 • 沉淀本身可作为 助滤剂。 • 使胶状物和悬浮物凝集。
• 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。