第一章 发酵液预处理与固液分离

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
（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。
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
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。
2.4.3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。
平纹 斜纹 缎纹
滤 液 澄清度 阻力 依 依 次 次 降 降
滤饼中 含 水 依 次 减
滤饼 脱落 依 次 易
寿命 堵孔 倾向 中 依 长 次 短 易
过滤介质-粒状介质
有硅藻土、珍珠岩粉、细砂、活性炭、白土等。 最常用的是硅藻土，是优良的过滤介质： 使用方法： （1）预涂法：将硅藻土用水配成一定浓度浆液，用泵将浆液打入
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 无百度文库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。
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。
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。
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。
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。
2.3、发酵醪预处理的目的
（1）改变发酵液的物理性质，促进悬浮液中分离固形物 的速度，提高固液分离器的效率 （2）尽可能使产物转入便于后处理的某一相中（多数是 液体） （3）去除发酵液中部分杂质，以利于后续各步操作。
2.4预处理方法 凝聚和絮凝 加热法 调节悬浮液的pH值 助滤剂和反应剂
2.4.1 凝聚和絮凝
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。
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。
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。
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
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
2.4.5 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）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
2）真空转鼓过滤机
真空过滤设备以大气与真空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。
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：
工作原理
优点： 优点： 转筒真空过滤机可吸滤、洗涤、卸饼、再生连续化操作， 生产能力大，劳动强度小， 缺点： 缺点： 辅助设备多，投资大， 且由于真空过滤，推动力小（不超过8×104 Pa），滤饼 湿度大（20％～30％）。 主要适用霉菌发酵液，对菌体细小、黏度大铺助滤剂。对 于滤饼阻力较大的物料适应能力较差。
1.3.发酵提取一般工艺流程 发酵提取一般工艺流程
二、发酵液预处理
2.1 发酵醪的一般特征
1、含水量高，一般可达90％～99% 2、产品浓度低 3、悬浮物颗粒小，密度与液体相差不大 4、固体粒子可压缩性大 5、液体黏度大，大多为非牛顿型流体 6、产物性质不稳定
2.2为何要进行预处理？
固液分离方法主要是过滤和离心。 对于细菌及某些放线菌，菌体细小，液体粘度大，不能直 接过滤，若用高速离心，能耗很大，设备昂贵。若用膜分 离技术（如微滤）易产生膜污染，通量降低。 发酵液中由于菌体自溶，核酸、蛋白质及其它有机粘性物 质的存在也会影响固液分离。 因而寻找一种经济有效的方法来提高固液分离速度显得十 分必要。
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。