生物工艺发酵液的预处理和固液分离方法优秀课件

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
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• 由于
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？
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ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.
• 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。
• (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
•
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。
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• 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
• 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。
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）
• 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
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• 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
），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
• 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
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
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若溶液中存在i 离子：
1000DkT• 1