第一章 发酵液预处理与固液分离
合集下载
发酵液的处理
影响絮凝效果的因素：
1) 絮凝剂浓度
2) 絮凝剂分子量
3) 絮凝剂类型
4) 溶液的pH
5) 搅拌速度和时间
6) 助凝剂
A. 絮凝剂浓度
浓度增加有助于架桥充分，但是过多的加量会引起吸 附饱和，在胶粒上形成覆盖层而产生再次稳定现象。
B. 高分子絮凝剂分子量
分子量提高、链增长，可使架桥效果明显，但分子量 不能超过一定的限度，因为随分子量提高，高分子絮凝剂
发酵液的预处理和固液分离方法
山东农业大学 孙中涛
预处理和固液分离的目的：
1、分离细胞、菌体和其它悬浮颗粒(细胞碎片、核酸 和蛋白质的沉淀物)。
2、除去部分可溶性杂质。
3、改变滤液的性质（降低粘度等），以利于后继操作。
总策略： 1、胞外产物：应尽可能转移到液相中，常 用调pH至酸性或碱性的方法来达到。 2、胞内产物：首先收集细胞、破壁，生化物 质释放到液相，再分离细胞碎片。 3、通常，以含生化物质的液相为出发点，进 行后继操作。
使蛋白质变性的其它办法：
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(pH2—3)或较碱性范围(pH 8—9）使蛋白质 凝固，一般以酸性下除去的蛋白质较多。
加有机溶剂法通常只适用于所处理的液体数 量较少的场合。
利用吸附作用除去蛋白质：
举例：
3、采用酶制剂分解黏性物质
如果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。 例如：万古霉素用淀粉作培养基，加入淀粉酶后，能使过 滤速度加快。
4、染菌发酵液的处理方法
混凝：
阳离子型高分子絮凝剂对带负电菌体或蛋白质来说，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， 非离子型和阴离子型高分子絮凝剂，主要通过分子间引力 和氢键产生吸附架桥，常与无机电解质凝聚剂搭配使用。 首先加入无机电解质，使悬浮粒子脱稳而凝聚，然后，再 加入絮凝剂。凝聚作用为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。
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。
发酵液预处理与固液分离
发酵液的预处理和固液分离方法综述摘要：从微生物发酵液或细胞培养液中提取生化物质的第一个重要步骤，就是预处理和固液分离。
其目的不仅在于分离细胞、菌体和其他悬浮颗粒，还希望除去部分可溶性杂质和改变滤液的性质，以利于后续的各步操作。
关键字：预处理固液分离正文：一、发酵液预处理微生物发酵和细胞培养的目标产物主要有菌体、胞内产物和胞外产物三类物质。
从发酵液和细胞培养液中提取所需的生化物质，第一步就需进行预处理，以便于固液分离，使代谢产物后续的分离纯化工序顺利进行。
其原因有三个方面：首先，发酵液多为悬浮液，粘度大，为非牛顿型流体，不易过滤，而所需的生化物质往往只有分布在液相，才能有效地提纯。
并且，在有些发酵液中，菌体自溶，核酸、蛋白质及其他有机粘性物质这三类物质会造成滤液混浊、滤速极慢，必须设法增大悬浮物的颗粒直径，提高沉降速度，以利于过滤；其次，目标产物在发酵液中的浓度通常较低；此外，发酵液的成分复杂，大量的菌丝体、菌种代谢物和剩余培养基会对提取造成很大的影响。
所以，对发酵液进行适当的预处理，从而分离细胞、菌体和其他悬浮颗粒（如细胞碎片、核酸以及蛋白质的沉淀物），并除去部分可溶性杂质和改变发酵液的过滤性能，是生化物质分离纯化过程中必不可少的首要步骤。
预处理方法要根据发酵产品、所用菌种和发酵液特性来选择。
大多数发酵产品存于发酵液中，少数存于菌体中，而发酵液和菌体中都有产物存在的情形也比较常见。
如果目的产物是胞外产物，则通过离心或过滤实现固液分离，使其转入液相；而对于胞内产物而言，收集细胞是预处理的首要一步。
细胞经破碎或整体细胞萃取使目的产物释放，转入液相，再进行细胞碎片的分离。
如果所需的产物为细胞，离心或过滤所得固相经干燥等过程就可得到菌体。
图1－1为生化产品分离纯化的一般步骤，图中虚线以上为预处理过程示意图。
图1－1 生化产品分离纯化的一般步骤【1】1.1 预处理简述发酵液经过预处理，一些物理性质会改变，从悬浮液中分离固形物的速度随之提高，过滤操作更易进行；在预处理过程中，产物大多转移进入易于后处理的相中（一般为液相）。
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
生物分离工程填空简答)
《生物分离工程》复习题一（第1~3章）二、填空题1、Cohn方程logS=β-KsI中，Ks越大，β值越小，盐析效果越好。
2、固液分离的主要方法有离心和过滤。
3、对发酵液进行预处理方法主要有加热法、调节PH值、凝聚和絮凝、使用惰性助助滤剂、加入反应剂。
4、根据过滤机理的不同，过滤操作可分为澄清过滤和滤饼过滤两种类型5、盐析的操作方法有加入固体盐、加入饱和溶液法、透析平衡法。
6、核酸的沉淀方法主要有有机溶剂沉淀法、等电点沉淀发、钙盐沉淀法、溶剂沉淀法。
7、蛋白质胶体溶液的稳定性主要靠蛋白质分子间静电排斥作用、蛋白质周围的水化层等因素稳定。
8、为使过滤进行的顺利通常要加入惰性助滤剂。
9、典型的工业过滤设备有半框压滤机和真空转鼓过滤机。
10、常用的蛋白质沉析方法有盐析、等电点和有机溶剂。
二、填空1、常用离心设备可分为离心沉降和离心过滤两大类；2、在一个转子中，将粒子沉降下来的效率可以用 K系数来描述。
3、超离心法是根据物质的沉降系数、质量和形状不同，应用强大的离心力，将混合物中各组分分离、浓缩、提纯的方法。
4、密度梯度离心中，制备密度梯度的常用方法有手工法、梯度混合仪法、离心形成法。
5、阳离子交换树脂按照活性基团分类，可分为强酸型、弱酸型和中等强度；其典型的活性基团分别有磺酸基团、羧基和磷酸基。
7、蛋白质分离常用的层析方法有凝胶层析、多糖基离子交换、亲和层析和疏水层析。
8、离子交换分离操作中，常用的梯度洗脱方法有 PH梯度和离子强度梯度。
10、多糖基离子交换剂包括葡集团离子交换剂和离子交换纤维素两大类。
11、离子交换树脂由载体、活性基团和可交换离子组成。
12、DEAE Sepharose是阴离子交换树脂，其活性基团是二乙基氨基乙基。
13、CM Sepharose是阳离子交换树脂，其活性基团是羧甲基。
14、离子交换操作一般分为动态和静态两种。
15、利用薄层定量测定时，一般控制待测组分的Rf在 0.2-0.5 之间。
发酵液预处理方法
03
综合应用
结合凝聚和絮凝技术，提高过滤效果 。先使用凝聚剂使胶体颗粒变大，再 加入絮凝剂形成絮凝团，便于固液分 离。
综合使用多种方法
根据实际情况选择合适的方法
01
考虑发酵液特性、过滤要求及设备条件，例如对于含大量固体
颗粒的发酵液，先离心再过滤。
优化过滤工艺参数
02
调节转速、温度、压力等参数及助滤剂种类和用量，提升过滤
凝聚和絮凝技术
01
凝聚技术
定义：在中性盐作用下，胶体体系因 双电层排斥电位降低而变得不稳定的 现象。过程：加入电解质后，胶体粒 子间排斥作用减弱，导致电位下降， 胶体体系脱稳，粒子相互碰撞形成 1mm大小的凝聚体。
02
絮凝技术
定义：在高分子絮凝剂存在下，胶粒 形成粗大絮凝团的过程，主要基于物 理集合。絮凝剂特性：溶于水的高分 子聚合物，长链状结构，链节含活性 官能团，能强烈吸附在胶粒表面。
效果。
定期维护和保养过滤设备
03
定期检查、清洗设备，校准传感器和控制系统，确保设备正常
运行。
04
预处理和固液分离
胞内产物的预处理
降低液体黏度
通过加热或加水稀释发酵液来降 低其黏度，从而改善过滤特性。 加热法虽然有效，但可能影响产 物的活性和细胞自溶；加水法则 会增加发酵液体积和降低目标产 物浓度。
度减慢。
滤饼堵塞
随着过滤的进行，滤饼会逐渐增厚 ，导致过滤阻力增大，最终使过滤 操作无法继续进行。
目标产物损失
在过滤过程中，由于滤饼的堵塞和 吸附作用，容易导致目标产物的损 失，影响产品的质量和产量。
过滤工艺优化的重要性
提高过滤速度
延长过滤介质的使用寿命
通过优化过滤工艺，可以有效地提高 过滤速度，减少过滤时间，提高生产 效率。
发酵液的预处理和固液分离方法
章 发酵液的预处理和固液分离方法
处添加文本具体内容，简明扼要地阐述你的观点。单击此处添加正文，文字是您思想的 请尽量言简意赅的阐述观点。
一.发酵液的预处理： 二.凝聚和絮凝技术： 三.发酵液的过滤：
一.生化分离工 程的工艺流程：
目录
CONTENTS
01 发 酵 液 的 预 处 理 技 术 ：
单击添加文本体内容
1.聚丙烯酰胺（Polyacrylamide）衍生物： 非离子型： 阴离子型：（含-COOH） 阳离子型：（含-NH2）
2.苯乙烯类衍生物及其无机高分子聚合物絮凝剂 聚合铝盐 聚合铁盐
3.天然有机高分子絮凝剂 明胶 海藻酸钠 骨胶 甲壳素 甲酰胺 多聚糖类胶粘物
四.发酵液的过 滤：
通常微生物的发酵液多属非 牛顿型液体，具可压缩性。
絮凝原理
01 架桥连接 02 絮凝作用的影响因素 03 常用絮凝剂的种类
絮凝剂用量:絮凝效果呈钟形变化。
○ 溶液的pH：pH主要影响离 子型絮凝剂中功能团的电离 度，从而影响了分子链的伸 展状态，改变了架桥能力。
○ 搅拌速度和时间： ○ 助滤剂：添加助滤剂能增加
絮凝效果。
絮凝作用的影响因素：
常用絮凝剂的 种类：
在恒压条件下，可压缩性滤 饼的比阻值rB视为常数，其 过滤方程为：
q2=2*Δp/(μ*rB*XB)*τ 据滤饼的重量比阻rB可衡量
不同发酵液过滤的难易程度。 rB越小越易过滤，单位面积 滤液量q越大。
1
过滤方程式： 2
01
板框压缩机 鼓式真空过滤机 离心分离机 错流过滤系统
02
固液分离设备：
02 胶 粒 能 保 持 分 散 状 态 的 原 因 单击添加文本具体内容
处添加文本具体内容，简明扼要地阐述你的观点。单击此处添加正文，文字是您思想的 请尽量言简意赅的阐述观点。
一.发酵液的预处理： 二.凝聚和絮凝技术： 三.发酵液的过滤：
一.生化分离工 程的工艺流程：
目录
CONTENTS
01 发 酵 液 的 预 处 理 技 术 ：
单击添加文本体内容
1.聚丙烯酰胺（Polyacrylamide）衍生物： 非离子型： 阴离子型：（含-COOH） 阳离子型：（含-NH2）
2.苯乙烯类衍生物及其无机高分子聚合物絮凝剂 聚合铝盐 聚合铁盐
3.天然有机高分子絮凝剂 明胶 海藻酸钠 骨胶 甲壳素 甲酰胺 多聚糖类胶粘物
四.发酵液的过 滤：
通常微生物的发酵液多属非 牛顿型液体，具可压缩性。
絮凝原理
01 架桥连接 02 絮凝作用的影响因素 03 常用絮凝剂的种类
絮凝剂用量:絮凝效果呈钟形变化。
○ 溶液的pH：pH主要影响离 子型絮凝剂中功能团的电离 度，从而影响了分子链的伸 展状态，改变了架桥能力。
○ 搅拌速度和时间： ○ 助滤剂：添加助滤剂能增加
絮凝效果。
絮凝作用的影响因素：
常用絮凝剂的 种类：
在恒压条件下，可压缩性滤 饼的比阻值rB视为常数，其 过滤方程为：
q2=2*Δp/(μ*rB*XB)*τ 据滤饼的重量比阻rB可衡量
不同发酵液过滤的难易程度。 rB越小越易过滤，单位面积 滤液量q越大。
1
过滤方程式： 2
01
板框压缩机 鼓式真空过滤机 离心分离机 错流过滤系统
02
固液分离设备：
02 胶 粒 能 保 持 分 散 状 态 的 原 因 单击添加文本具体内容
固液分离技术PPT课件
.
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
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。
发酵液的预处理讲解
首先加入无机电解质，使悬浮粒子脱稳而凝聚，然后，再 加入絮凝剂。凝聚作用为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。
影响絮凝效果的因素：
1) 絮凝剂浓度（用量） 2) 絮凝剂分子量 3) 絮凝剂类型 4) 溶液的pH 5) 搅拌速度和时间 6) 助凝剂
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
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：
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，产生架桥联接，生成粗大的絮团， 这就是絮凝作用。
絮凝剂
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。
A. 聚丙烯酰胺类衍生物 B. 聚苯乙烯类衍生物 C. 无机高分子聚合物絮凝剂，如聚合铝盐和聚合铁盐等。 D. 天然有机高分子絮凝剂：多聚糖类胶粘物，海藻酸钠，
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.过滤介质
使滤液通过，截留固体颗粒并支撑滤饼的材料。 要求其具有多孔性、耐腐蚀性及足够的机械强度。
工业常用的过滤介质：织物介质、多孔性固体、 粒状介质。 无定形颗粒：无烟煤、砂、颗粒活性炭、铁矿砂等
成形颗粒：烧结金属、烧结塑料以及用合成树脂粘 结的硅砂、塑料颗粒等，做成圆筒形或板状。
这种包括凝聚和絮凝机理的过程，常称为混凝。
影响絮凝效果的因素：
1) 絮凝剂浓度（用量） 2) 絮凝剂分子量 3) 絮凝剂类型 4) 溶液的pH 5) 搅拌速度和时间 6) 助凝剂
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
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：
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，产生架桥联接，生成粗大的絮团， 这就是絮凝作用。
絮凝剂
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。
A. 聚丙烯酰胺类衍生物 B. 聚苯乙烯类衍生物 C. 无机高分子聚合物絮凝剂，如聚合铝盐和聚合铁盐等。 D. 天然有机高分子絮凝剂：多聚糖类胶粘物，海藻酸钠，
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.过滤介质
使滤液通过，截留固体颗粒并支撑滤饼的材料。 要求其具有多孔性、耐腐蚀性及足够的机械强度。
工业常用的过滤介质：织物介质、多孔性固体、 粒状介质。 无定形颗粒：无烟煤、砂、颗粒活性炭、铁矿砂等
成形颗粒：烧结金属、烧结塑料以及用合成树脂粘 结的硅砂、塑料颗粒等，做成圆筒形或板状。
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
3）天然无机高分子絮凝剂 有聚合铁系和铝系两大类 铁系絮凝剂具有操作简单、费用低，受温度影响小，亲和 力强，能有效地去除悬浮物、表面活性剂、破坏油水乳状 液的能力很强等优点，缺点腐蚀性强、稳定性差。 铝系是目前应用广、工艺较成熟的一类无机金属盐絮凝剂， 絮凝效果好，缺点具毒性等。
2.4.2 加热
3.2.2合理选择过滤介质：
过滤介质所能截留的固体粒子大小：通常以过滤介质的孔 径表示。常用的过滤介质中，纤维滤布所能截留的最小粒 子约10μm，硅藻土为lμm，超滤膜可小于0.5μm。 过滤介质的透过性：是指在一定的压力差下，单位时间单 位过滤面积上通过滤液的体积量，它取决于过滤介质上毛 细孔径的大小及数目。
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等。
常用的絮凝剂：
可分为三类：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 1）目前常用的是人工合成有机高分子聚合物，如聚丙烯 酰胺类衍生物、聚乙烯亚胺衍生物；聚丙烯酸类和聚苯乙 烯类衍生物。 2）天然有机高分子絮凝剂 天然有机高分子改性絮凝剂根据其原料来源不同可分为淀 粉类、纤维素类、植物胶类和聚多糖类。
过滤介质-织物介质
又称滤布，应用最广泛，包括由棉、麻等天然纤维滤布和 合成纤维滤布。 其过滤性能受许多因素的影响，其中最重要的是纤维的特 性、编织纹法和线型。
织物介质特性
最高温度 密度 吸水率％ (kg／ ℃ (kg／m3) 吸水率％ 16棉 92 155 16-22 105—120 6.5尼纶 105 120 114 6.5-8.3 涤纶 138 0.04145 0.04-0.08 耐磨 良 优 优
2.4.3调节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。 细胞(碎片)及某些胶体物质在某个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。 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。大幅度改变pH还能使蛋白质变性凝固。 通过调整pH值改变膜过滤中易吸附分子的电荷性质，可减 少膜堵塞和污染； 影响离子型絮凝剂的电离度。
3.4常见固液分离过滤设备
板框压滤机（间歇操作） 板框压滤机（间歇操作） 真空转鼓过滤机（连续操作） 真空转鼓过滤机（连续操作） 带式过滤器 三足式离心机 管式离心机 碟片式离心机
3.4.1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。 的气压。 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。 工作过程示意图
结构简单，可提供较大离心力，转速高，分离因 数高达15000-65000。 管状离心机可以冷却，有利蛋白质分离 间歇操作，须定时拆卸、清洗 适用于于分离乳浊液及含细颗粒的稀悬浮液，适 用于固含量低于1%，颗粒度小于5微米，黏度大的 悬浮液澄清或固液两相密度差较小的分离。
碟片式离心机
是在管式离心机的基础上发展起来的，在转鼓中加入了许 多重迭的碟片，缩短了颗粒的沉降距离，提高了分离效率。 是生物工业中应用最为广泛的一种离心机。
工作原理
4.工艺实例
4.1链霉素发酵液的过滤 链霉素发酵液的过滤
1.预处理 a.稀释，加水稀释发酵液,降低发酵液黏度，增加过滤速度 b.酸化，草酸酸化pH3.0 ±3.2，目的沉淀蛋白质。 c.蒸汽加热，70 ～75℃，促进蛋白质凝固。 2.板框压滤机过滤
4.2链霉素发酵液过滤 链霉素发酵液过滤
2.4.5 加入反应剂
加入某些不影响目标产物的反应剂，可消除发酵液中的一 些杂质对过滤的影响，从而提高过滤速度。 1）加入反应剂与某些可溶性盐类发生反应生成不溶性沉淀 ,生成的沉淀能防止菌丝体粘结，使菌丝具有块状结构，又 能使蛋白质凝固，过滤性能上升，沉淀本身可作为助滤剂. 如在新生霉素发酵液中加入CaCl2和Na3PO4，生成Ca3(PO4)2 沉淀。 2）发酵液中含有不溶性多糖物质时，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。
3）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。
• • •
• • •
优点： 分离速度快， 分离效率高、 液相澄清度好； 缺点： 与过滤设备相比，设备投资高、 与过滤设备相比， 能耗大、 离心产生的固体浓缩物和过滤产生的浓缩不同。 通常情况下离心只能得到一种较为浓缩的悬浮液或浆体 。而过滤可获得的水分含量较低的滤饼。
助滤剂的选择
(1)粒度 根据悬浮液中的颗粒和滤液的澄清度确定，一般颗粒较 小的滤饼应采用细小的助滤剂。 (2)助滤剂的品种 应根据过滤介质选择助滤剂品种。使用粗目滤网时易泄 漏，可选择石棉粉、纤维素；采用细目滤布时，可使用细硅 藻土； (3)用量 间歇操作时，过滤介质表面预涂助滤剂，其厚度应不小 于2mm。 连续过滤机中根据过滤速度确定。使用硅藻土时，通常 细粒为500g/m3，中等粒度700g/m3,粗粒700-1000g/m3。
三、发酵液的固液分离
3.1固液分离的目的包括两方面： 收集胞内产物的细胞或菌体，分离除去液相， 收集含生化物质的液相，分离除去固体悬浮物（细胞、菌 体、细胞碎片、蛋白质的沉淀物和它们的絮凝体等）。 2.2 常见的固液分离方法 过滤、离心、膜分离、萃取。
3.2过 滤 filtration
过滤操作是借助于过滤介质，在一定的压力差ΔP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。 3.2.1过滤介质选择 过滤介质起过滤作用，还是滤饼的支撑物。应具有足够的 机械强度和尽可能小的流动阻力。
（1）稀释 加水稀释发酵液至链霉素浓度达5000U/mL,加水 目的是降低黏度，增加滤速。 （2）酸化 草酸酸化pH=3.0±3.2.目的：使发酵液大多数蛋 白质沉淀，同时还能去除Ca2+ 、Mg2+ （3）加热 直接用蒸汽加热70～75℃，使蛋白凝固。 （4）板框过滤
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。
凝聚和絮凝是两种方法，两个概念。
凝聚：指在投加的化学物质（铝、铁的盐类）作用下，胶 体脱稳并使粒子相互聚集成1mm 大小块状凝聚体的过程 原理：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：指使用絮凝剂（天然的和合成的大分子量聚电解质 ）将胶体粒子交联成网，形成10mm大小絮凝团的过程。其 中絮凝剂主要起架桥作用。原理：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。
加热是发酵液预处理最简单最常用的方法。加热能改善发 酵液的操作特性。 1）加热降低液体粘度 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。 注意： 注意：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。
第一章 发酵液预处 理与固液分离
一、发酵产物提取的一般过程 1.1、发酵产物的分类
1、菌体 2、酶 3、代谢产物
初级代谢产物和次级代谢产物。
1.2、发酵提取过程的特点
1、成分复杂：细胞、代谢产物、残余培养基 2、产品浓度低：传统发酵一般1～10％ 3、收率低：50％左右 4、失活问题 5、不稳定性
三足式离心机
是世界上最早出现的过滤式离心机
管式离心机
管式离心机分离因素极高，转速可达15000 ～50000rpm，主要运用于食品、化工、生物 制品、医药中间体等物料的固液分离和及液 液分离。 该机型分离效果好、占地面积小、操作方便。 管式离心机主要分为：澄清型和分离型。
基本构造及工作原理
管式离心机特点：
板框压滤机
优点：过滤面积大，结构简单，价格低，动力消耗少， 优点：过滤面积大，结构简单，价格低，动力消耗少，对 不同过滤特性的发酵液适应性强。 不同过滤特性的发酵液适应性强。它最重要的特征是通过 过滤介质时产生的压力降可以超过0.1MPa,这是真空过滤 过滤介质时产生的压力降可以超过0.1MPa,这是真空过滤 0.1MPa, 器无法达到的。 器无法达到的。 缺点：不能连续操作，设备笨重，劳动强度大， 缺点：不能连续操作，设备笨重，劳动强度大，卫生条件 差，非过滤的辅助时间较长。 非过滤的辅助时间较长。
2.4.4 加入助滤剂（filter aids）
助滤剂是一种不可压缩的多孔微粒。 在发酵液中加入固体助滤剂，则菌体 可吸附于助滤剂微 粒上，助滤剂就作为胶体粒子的载体，均匀地分布于滤饼 层中，降低了滤饼的可压缩性，减小了过滤阻力。 目前生物工业中常用的助滤剂是硅藻土，其次是珍珠岩粉、 活性炭、石英砂、石棉粉、纤维素、白土等。
过滤器进行循环，经过一定时间循环，硅藻土在滤袋上形成一 层均匀预涂膜。
（2）掺浆加料法：将硅藻土按一定比例加入到料液中进行 过滤。
3.3离心原理
离心分离机的作用原理有离心过滤和离心沉降两种。 离心过滤是使悬浮物在离心力场作用下产生离心压力，作 用在过滤介质上，使得液体通过介质成为滤液，而固体颗 粒被截留形成滤饼。 离心沉降是利用悬浮液（或乳浊液）密度不同的各组分在 离心力场中迅速沉降分层的原理，实现液固（或液液）分 离。
2）之间的压力差作为过滤操作的 推动力。生物工业中，用得较多的是转筒式真空过滤机和 带式真空过滤机。 转筒真空过滤机的结构 转筒真空过滤机是一种连续操作的过滤设备，设备的主体 是一个由筛板组成能转动的水平圆筒，表面有一层金属丝 网，网上覆盖滤布,圆筒内沿径向被筋板分隔成若干个空 间。