02发酵液预处理和固液分离(精品).ppt

第二章第二章 发酵液的预处理和固发酵液的预处理和固液分离液分离1生物技术下游加工过程的一般步骤生物技术下游加工过程的一般步骤 2预处理和固液分离内容预处理和固液分离内容固液分离固液分离发酵液发酵液胞外胞外上清液上清液/滤液滤液预处理预处理提取生化物质的第一步，分两部分：提取生化物质的第一步，分两部分：胞内胞内富集细胞富集细胞3n发酵液成分很复杂，包含菌（细胞）体，胞内发酵液成分很复杂，包含菌（细胞）体，胞内外代谢产物，及剩余的培养基残分等。外代谢产物，及剩余的培养基残分等。n不管人们所需要的产物是胞内还是胞外，都首不管人们所需要的产物是胞内还是胞外，都首先要进行培养液的预处理和固液分离开，才能先要进行培养液的预处理和固液分离开，才能进行后续操作：进行后续操作：n对于胞外产物，可先将菌体或其他悬浮杂质去对于胞外产物，可先将菌体或其他悬浮杂质去除，才能从澄清的滤液中提取代谢产物。除，才能从澄清的滤液中提取代谢产物。n对于胞外产物，首先富集菌体，再进行细胞破对于胞外产物，首先富集菌体，再进行细胞破碎和碎片分离，然后提取胞内产物。碎和碎片分离，然后提取胞内产物。42.1 2.1 发酵发酵液的预处理液的预处理（Pretreatment）5为何要对发酵液进行预处理？为何要对发酵液进行预处理？发酵液的基本特性发酵液的基本特性n发酵产物浓度较低，大多为发酵产物浓度较低，大多为1-10%1-10%，n悬浮物颗粒小，悬浮物颗粒小，细胞的相对密度与培养液相似。细胞的相对密度与培养液相似。n可压缩性可压缩性n液相粘度大，大多为非牛顿型流体；液相粘度大，大多为非牛顿型流体；n悬浮状态稳定：双电层、水化膜、布朗运动悬浮状态稳定：双电层、水化膜、布朗运动6为何要对发酵液进行预处理？为何要对发酵液进行预处理？n固液分离方法主要是过滤和离心。固液分离方法主要是过滤和离心。n对于细菌及某些放线菌，菌体细小，液体粘度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，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）易产生设备昂贵。若用膜分离技术（如微滤）易产生膜污染，通量降低。膜污染，通量降低。n发酵液中由于菌体自溶，核酸、蛋白质及其它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。有机粘性物质的存在也会影响固液分离。n因而寻找一种经济有效的方法来提高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。速度显得十分必要。预处理是生化物质分离纯预处理是生化物质分离纯化过程中必不可少的首要步骤化过程中必不可少的首要步骤7预处理的目的预处理的目的促进从悬浮液中分离固形物的速度，提高固液分离的效促进从悬浮液中分离固形物的速度，提高固液分离的效率率：n改变发酵液的物理性质，包括增大悬浮液中固体粒改变发酵液的物理性质，包括增大悬浮液中固体粒子的尺寸，降低液体黏度。子的尺寸，降低液体黏度。n 相对纯化，去除发酵液中的部分杂质（高价无机离相对纯化，去除发酵液中的部分杂质（高价无机离子、杂蛋白质子、杂蛋白质、及色素、热原质、毒性物质等有机物、及色素、热原质、毒性物质等有机物质质），以利于后续各步操作。），以利于后续各步操作。n尽可能使产物转入便于后处理的一相中（多数是液尽可能使产物转入便于后处理的一相中（多数是液相）；相）；8预处理的方法预处理的方法n凝聚和絮凝凝聚和絮凝Coagulationandflocculationn加热法加热法Heatingn调节悬浮液的调节悬浮液的pH值值RegulationofpHn杂蛋白的去处杂蛋白的去处Removalofuselessproteinn高价无机离子的去处高价无机离子的去处Removalofinorganicionn助滤剂助滤剂Filteraids和反应剂和反应剂Reactant9一一 凝聚和絮凝在发酵液预处理中的应用凝聚和絮凝在发酵液预处理中的应用n凝聚与絮凝处理过程就是将化学药剂预先投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，胶体粒子的分散状态，破坏其稳定性，使其使其聚集起来聚集起来,增大体积以便固液分离增大体积以便固液分离。n凝聚和絮凝技术常用于菌体细小而且黏度大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的发酵液的预处理中。10凝聚和絮凝是两种方法，两个概念。凝聚和絮凝是两种方法，两个概念。n凝聚：凝聚：指在指在投加的化学物质（铝、铁的盐类）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作用下，胶体脱稳并使粒子相互聚集成mm大小块状凝聚体的过程。大小块状凝聚体的过程。n絮凝：絮凝：指使用絮凝剂（天然的和合成的大分子指使用絮凝剂（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大小絮凝团的过程。其中絮凝剂主要起架桥桥作用。作用。11凝聚：凝聚：胶体粒子在中性盐促进下脱稳相互聚集成胶体粒子在中性盐促进下脱稳相互聚集成大粒子（大粒子（1mm1mm）机理：机理：1）中和粒子表面电荷中和粒子表面电荷 2 2）消除双电层结构）消除双电层结构3 3）破坏水化膜）破坏水化膜12发酵液中菌体表面带有发酵液中菌体表面带有负电荷，由于静电引力负电荷，由于静电引力使溶液中反离子被吸附使溶液中反离子被吸附在其周围，在界面上形在其周围，在界面上形成了双电层。成了双电层。正离子同时受到使它们正离子同时受到使它们均匀分布的热运动影响，均匀分布的热运动影响，具有离开胶粒表面的趋具有离开胶粒表面的趋势。势。胶体双电层结构胶体双电层结构13两种相反作用力下，双电层分裂成两部：两种相反作用力下，双电层分裂成两部：1 1）吸附层或）吸附层或sternstern层；层；2 2）扩散层。）扩散层。形成了扩散双电层的结构模型形成了扩散双电层的结构模型(Gouy-Chapman-Sternmodel)。胶体双电层结构胶体双电层结构14n吸附层：距胶核表面约一个离子半径的Stern平面以内，正离子被紧密结合在胶核表面，不流动。n分散层：紧密层外围反离子浓度逐渐降低直至达到主体溶液的平均浓度。n滑移面：当胶体粒子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。15胶体双电层结构胶体双电层结构不同界面上形成不同不同界面上形成不同的电位的电位:l胶核表面的电位胶核表面的电位s是整个双电层的电位是整个双电层的电位;lStern平面上的电位平面上的电位为为d;l滑移面上的电位为滑移面上的电位为,称称电位（电动电位）电位（电动电位）。图 2-116n电位电位是控制胶粒间电排斥作用的电位，用来表征双是控制胶粒间电排斥作用的电位，用来表征双电层的特征，并作为研究凝聚机理的重要参数。电层的特征，并作为研究凝聚机理的重要参数。n带电粒子间的静电相互作用取决于带电粒子间的静电相互作用取决于电位的大电位的大小。小。n当双电层的当双电层的电位足够大时，静电排斥作用抵电位足够大时，静电排斥作用抵御分子间的相互吸引作用，使蛋白质溶液处于御分子间的相互吸引作用，使蛋白质溶液处于稳定状态。稳定状态。17电位的计算：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；扩散层的有效厚度，即为吸附层和扩散层界面处电位d降低到其值为1/e处的距离，不能直接测定.式 2-118 扩散层的有效厚度扩散层的有效厚度式中式中 N N 阿伏伽德罗常数；阿伏伽德罗常数；T T 热力学温度：热力学温度：k k 波尔兹曼常数；波尔兹曼常数；e e 电子电荷；电子电荷；Z Zi i i i种反离子的化合价；种反离子的化合价；C Ci i i i种离子的摩尔浓度。种离子的摩尔浓度。式 2-219双电层与凝聚n由式（由式（2 21 1）和式（）和式（2 22 2）可知，）可知，电位电位与扩散层厚度与扩散层厚度和电动电荷密度和电动电荷密度q q成正比，成正比，而扩散层厚度又与溶液中反离子强度和电而扩散层厚度又与溶液中反离子强度和电荷成反比。荷成反比。n对带负电性菌体的发酵液，高价阳离子的对带负电性菌体的发酵液，高价阳离子的存在，可压缩扩散层的厚度，促使存在，可压缩扩散层的厚度，促使电位电位迅速降低，而且化合价越高，这种影响越迅速降低，而且化合价越高，这种影响越显著。显著。20凝聚价或凝聚值 n在发酵液中加入具有高价阳离子的电解质，能在发酵液中加入具有高价阳离子的电解质，能脱除胶粒表面的水化膜，降低脱除胶粒表面的水化膜，降低电位，使电位，使双电双电层的排斥力减少，当不足以抗衡胶粒间的范德层的排斥力减少，当不足以抗衡胶粒间的范德华引力时，由于热运动的结果导致胶粒的互相华引力时，由于热运动的结果导致胶粒的互相碰撞而聚集起来。碰撞而聚集起来。n电解质的凝聚能力可用凝聚价或凝聚值来表示，电解质的凝聚能力可用凝聚价或凝聚值来表示，使胶粒发生凝聚作用的最小电解质浓度（毫摩使胶粒发生凝聚作用的最小电解质浓度（毫摩尔升），称为凝聚价或凝聚值。尔升），称为凝聚价或凝聚值。21nSchulzeHardy法则法则：反离子的价数越高，：反离子的价数越高，凝凝聚价聚价越小，即凝聚能力越强。越小，即凝聚能力越强。n阳离子对带负电荷的胶粒凝聚能力受化合价、阳离子对带负电荷的胶粒凝聚能力受化合价、水化半径、离子运动能力的影响，次序为水化半径、离子运动能力的影响，次序为Al3+Fe3+H+Ca2+Mg2+K+Na+Li+22常用的凝聚剂电解质有：常用的凝聚剂电解质有：硫酸铝硫酸铝Al2(SO4)318H2O（明矾）；明矾）；氯化铝氯化铝AlCl36H2O;三氯化铁三氯化铁FeCl3;硫酸亚铁硫酸亚铁FeSO47H2O；石灰；石灰；ZnSO4；MgCO323n絮凝絮凝：大分子聚电解质将胶体粒子交联大分子聚电解质将胶体粒子交联成网状，形成絮凝团的过程成网状，形成絮凝团的过程机理机理：架桥作用：架桥作用n采用絮凝法可形成粗大的絮凝体，使发采用絮凝法可形成粗大的絮凝体，使发酵液较易分离。酵液较易分离。24l絮凝剂是一种能溶于水的高分子聚合物，其相对分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，包括离子基团以及非离子节上含有许多活性官能团，包括离子基团以及非离子型基团。型基团。l它们通过静电引力、范德华引力或氢键的作用，强它们通过静电引力、范德华引力或氢键的作用，强烈地吸附在胶粒的表面。烈地吸附在胶粒的表面。l当一个高分子聚合物的许多链节分别吸附在不同的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，产生架桥联结时，就形成较大絮团，产胶粒表面上，产生架桥联结时，就形成较大絮团，产生絮凝作用。生絮凝作用。絮絮凝凝25高分子絮凝剂的吸附架桥作用高分子絮凝剂的吸附架桥作用 26可分为四类：人工合成有机高分子聚合物、天然有可分为四类：人工合成有机高分子聚合物、天然有机高分子聚合物、机高分子聚合物、无机高分子聚合物、无机高分子聚合物、微生物絮凝微生物絮凝剂剂1 1）目前常用的是人工合成有机高分子聚合物，如聚）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；丙烯酰胺类衍生物、聚乙烯亚胺衍生物；聚丙烯酸聚丙烯酸类和聚苯乙烯类衍生物。类和聚苯乙烯类衍生物。工业上使用的絮凝剂工业上使用的絮凝剂27 高分子聚合物絮凝剂高分子聚合物絮凝剂根据活性基团在水中解离情况根据活性基团在水中解离情况不同，可分为三类：阴离子型（含有羧基不同，可分为三类：阴离子型（含有羧基)、阳离子、阳离子型（含有胺基）型（含有胺基）、非离子型、非离子型28聚丙烯酰胺类絮凝剂的优点聚丙烯酰胺类絮凝剂的优点l用量少，一般以用量少，一般以mg/L计量；计量；l絮凝体粗大，分离效果好；絮凝体粗大，分离效果好；l絮凝速度快；絮凝速度快；l种类多，适用范围广种类多，适用范围广。聚丙烯酰胺类絮凝剂的缺点：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。于食品和医药工业时应谨慎。目前最常见：目前最常见：聚丙烯酰胺类聚丙烯酰胺类絮凝剂絮凝剂292 2）天然有机高分子絮凝剂）天然有机高分子絮凝剂人工合成有机高分子絮凝剂虽然发展很快，但还存在人工合成有机高分子絮凝剂虽然发展很快，但还存在着残留单体有毒，生物降解难等问题，所以其应用受着残留单体有毒，生物降解难等问题，所以其应用受到了限制。天然有机高分子絮凝剂具有无毒，易生物到了限制。天然有机高分子絮凝剂具有无毒，易生物降解，原料来源广等优点。降解，原料来源广等优点。n天然有机高分子改性絮凝剂根据其原料来源不同可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。分为淀粉类、纤维素类、植物胶类和聚多糖类。n其中淀粉改性絮凝剂的研究开发最引人注目。其中淀粉改性絮凝剂的研究开发最引人注目。303 3）无机高分子聚合物）无机高分子聚合物有聚合铁系和铝系两大类有聚合铁系和铝系两大类u铁系絮凝剂具有操作简单、费用低，受温度影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，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。缺点腐蚀性强、稳定性差。u铝系是目前应用广、工艺较成熟的一类无机金铝系是目前应用广、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。属盐絮凝剂，絮凝效果好，缺点具毒性等。31微生物微生物絮凝剂絮凝剂n微生物絮凝剂是近年来研究和开发的新型絮凝剂，微生物絮凝剂是近年来研究和开发的新型絮凝剂，n一类由一类由微生物微生物或其分泌物产生的具有絮凝细胞功能或其分泌物产生的具有絮凝细胞功能的代谢产物。的代谢产物。n包括直接利用微生物细胞的絮凝剂、利用微生物细包括直接利用微生物细胞的絮凝剂、利用微生物细胞壁代谢产物的絮凝剂和克隆技术所获得的絮凝剂胞壁代谢产物的絮凝剂和克隆技术所获得的絮凝剂 n主要成分是糖蛋白、粘多糖、纤维素及核酸等高分主要成分是糖蛋白、粘多糖、纤维素及核酸等高分子物质。子物质。n微生物絮凝剂和天然絮凝剂与化学合成的絮凝剂相微生物絮凝剂和天然絮凝剂与化学合成的絮凝剂相比，最大的优点是安全，无毒和不污染环境比，最大的优点是安全，无毒和不污染环境。32微生物絮凝剂微生物絮凝剂1、微生物絮凝剂的商业化生产始于、微生物絮凝剂的商业化生产始于20世纪世纪90年代，年代，如红平红球菌及由此制成的如红平红球菌及由此制成的NOC-1NOC-1是目前发现的最佳微生物是目前发现的最佳微生物絮凝剂絮凝剂 2、微生物絮凝剂或将大部分替代普通絮凝剂、微生物絮凝剂或将大部分替代普通絮凝剂3、浮游藻类、草分枝杆茵、硅酸盐芽孢杆菌。、浮游藻类、草分枝杆茵、硅酸盐芽孢杆菌。33絮凝的影响因素絮凝的影响因素n发酵液的性质（细胞浓度，表面电荷）；发酵液的性质（细胞浓度，表面电荷）；n絮凝剂的浓度，最佳用量为粒子表面积约有一絮凝剂的浓度，最佳用量为粒子表面积约有一 半被聚合物覆盖；半被聚合物覆盖；n絮凝剂的分子量；絮凝剂的分子量；npH pH 控制；控制；n搅拌速度。搅拌速度。34a.a.絮凝剂浓度絮凝剂浓度u浓度增加有助于架桥充分，但是过多的加量会引起吸附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。饱和，在胶粒上形成覆盖层而产生再次稳定现象。u最佳用量为粒子表面积约有一半被聚合物覆盖；最佳用量为粒子表面积约有一半被聚合物覆盖；35分子量提高、链增长，可使架桥效果明显；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，高分子絮凝剂的水溶性降低，因此，分子量的选择应适当。子絮凝剂的水溶性降低，因此，分子量的选择应适当。b.b.高分子絮凝剂分子量高分子絮凝剂分子量36n溶液溶液pHpH的变化会影响絮凝的变化会影响絮凝剂功能团的电离度，从而影剂功能团的电离度，从而影响分子链的伸展形态。响分子链的伸展形态。n电离度增大，链节上相邻电离度增大，链节上相邻离子基团间的电排斥作用，离子基团间的电排斥作用，使分子链从卷曲状态变为伸使分子链从卷曲状态变为伸展状态，架桥能力提高。展状态，架桥能力提高。c.c.溶液溶液pHpH37n对于带负电荷的菌体或蛋白质来说，采用对于带负电荷的菌体或蛋白质来说，采用阳离子阳离子型高分子絮凝剂型高分子絮凝剂同时具有降低胶粒双电层电位和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，单独使用可达到较好产生吸附桥架的双重机理，单独使用可达到较好絮凝效果；絮凝效果；n对于非离子型和阴离子型高分子絮凝剂，要采用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。凝聚和絮凝双重机理才能提高过滤效果。n这种包括凝聚和絮凝机理的过程，称为混凝。这种包括凝聚和絮凝机理的过程，称为混凝。38二 预处理-加热1 1 1 1）加热降低液体粘度）加热降低液体粘度）加热降低液体粘度）加热降低液体粘度流体力学原理：过滤速率与液流体力学原理：过滤速率与液体的粘度成反比，降低液体粘体的粘度成反比，降低液体粘度（加水稀释法和加热法等）度（加水稀释法和加热法等）可有效提高过滤速率。可有效提高过滤速率。液体黏度是温度的指数函数，液体黏度是温度的指数函数，升温是降低黏度的有效措施。升温是降低黏度的有效措施。加热是发酵液预处理最简单最常用的方法。加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。热能改善发酵液的操作特性。麦芽汁的黏度麦芽汁的黏度-温度曲线。温度曲线。39二 预处理-加热n2 2）加热使蛋白质变性凝固）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变性蛋白质的溶解度小。如柠檬酸发酵液加热至8080以上，可使蛋白质变性凝固，过滤速度加快。以上，可使蛋白质变性凝固，过滤速度加快。n加热处理只适用于对热较稳定的液体。加热处理只适用于对热较稳定的液体。注意加热温注意加热温度与时间，不影响产物活性和细胞的完整性。度与时间，不影响产物活性和细胞的完整性。l有时加热会增加发酵液的颜色增加后处理的难度。有时加热会增加发酵液的颜色增加后处理的难度。40三 预处理-调节pHpH 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。值可改善其过滤特性。u细胞细胞(碎片碎片)及某些胶体物质在某个及某些胶体物质在某个pHpH值下也可能趋于絮值下也可能趋于絮凝而成为较大颗粒，有利于过滤的进行。凝而成为较大颗粒，有利于过滤的进行。u调节发酵液的调节发酵液的pHpH到蛋白质的等电点是除去蛋白质的有效到蛋白质的等电点是除去蛋白质的有效方法。大幅度改变方法。大幅度改变pHpH还能使蛋白质变性凝固。还能使蛋白质变性凝固。u通过调整通过调整pHpH值改变膜过滤中易吸附分子的电荷性质，可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；减少膜堵塞和污染；u影响离子型絮凝剂的电离度。影响离子型絮凝剂的电离度。410020040060061218pH4.6pH4.2pH3.8pH2.8FiltrateVolume,cm3Time,minutesFigTheeffectonfiltratevolumeofpH42n案例案例n 链霉素生产中，采用调链霉素生产中，采用调pH至酸性至酸性pH3.0，加热至加热至70，维持半个小时的方法来使蛋白，维持半个小时的方法来使蛋白变性，能使过滤速度增大变性，能使过滤速度增大10-100倍，滤液粘倍，滤液粘度可降低度可降低1/6。43四 加入惰性助滤剂加入惰性助滤剂（filteraids）n助滤剂是一种颗粒均匀，质地坚助滤剂是一种颗粒均匀，质地坚硬，不可压缩的粒状惰性物质。硬，不可压缩的粒状惰性物质。n在发酵液中加入固体助滤剂，则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。饼的可压缩性，减小了过滤阻力。n目前生物工业中常用的助滤剂是目前生物工业中常用的助滤剂是硅藻土，其次是珍珠岩粉、活性硅藻土，其次是珍珠岩粉、活性炭、石英砂、石棉粉、纤维素、炭、石英砂、石棉粉、纤维素、白土等。白土等。44助滤剂的选择助滤剂的选择(1)粒度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。应采用细小的助滤剂。(2)助滤剂的品种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；择石棉粉、纤维素；采用细目滤布时，可使用细硅藻土；(3)用量用量间歇操作时，间歇操作时，过滤介质表面预涂助滤剂，过滤介质表面预涂助滤剂，其厚度应不小于其厚度应不小于2mm2mm。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/m500g/m3 3，中等粒度，中等粒度700g/m700g/m3 3,粗粒粗粒700-1000g/m700-1000g/m3 3。45五五.加入反应剂加入反应剂 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。杂质对过滤的影响，从而提高过滤速度。u1 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）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，生成的沉淀能防止菌丝体粘结，使菌丝具有块状结构，又能又能使蛋白质凝固，过滤性能上升，使蛋白质凝固，过滤性能上升，沉淀本身可作为助滤剂沉淀本身可作为助滤剂.如在如在新生霉素发酵液中加入新生霉素发酵液中加入CaClCaCl2 2和和NaNa3 3POPO4 4，生成，生成CaCa3 3(PO(PO4 4)2 2沉淀。沉淀。u2 2）发酵液中含有不溶性多糖物质时，用酶将其转化为单糖，）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，发酵液过滤前加入前加入0.025%0.025%的淀粉酶，搅拌的淀粉酶，搅拌30min30min后，再加后，再加2.5%2.5%硅藻土助滤硅藻土助滤剂，可提高过滤效率剂，可提高过滤效率5 5倍。倍。46发酵液中的杂质发酵液中的杂质A.A.高价无机离子（高价无机离子（CaCa2+2+、MgMg2+2+、FeFe2+2+）B.B.杂蛋白杂蛋白u常规过滤或膜过滤时，易使过滤介质堵塞，影响过滤效率。常规过滤或膜过滤时，易使过滤介质堵塞，影响过滤效率。u采用离子交换和吸附法提取时会降低其交换容量和吸附能力，采用离子交换和吸附法提取时会降低其交换容量和吸附能力，u有机溶剂法或双水相萃取时，易产生乳化，使两相分离不清。有机溶剂法或双水相萃取时，易产生乳化，使两相分离不清。因此，在预处理时，应尽量除去这些物质。因此，在预处理时，应尽量除去这些物质。六、发酵液的相对纯化六、发酵液的相对纯化u在采用离子交换提取时，会影响树脂对生化物质的交换容量在采用离子交换提取时，会影响树脂对生化物质的交换容量。47（一）高价无机离子的去除方法（一）高价无机离子的去除方法1.Ca2+草酸、草酸钠，草酸、草酸钠，形成草酸钙沉淀形成草酸钙沉淀（注（注意回收草酸）意回收草酸）；2.Mg2+三聚磷酸钠，三聚磷酸钠，形成三聚磷酸钠镁可形成三聚磷酸钠镁可溶性络合物；溶性络合物；3.Fe2+黄血盐，黄血盐，普鲁士兰沉淀普鲁士兰沉淀48（二）杂蛋白的去除方法（二）杂蛋白的去除方法沉淀法沉淀法precipitation变性法变性法 Denaturation吸附法吸附法 adsorption491.杂蛋白去除杂蛋白去除-沉淀法沉淀法 precipitationA A 等电点沉淀法等电点沉淀法 （isoelectric precipitation）蛋白质的等电点大都在酸性范围内蛋白质的等电点大都在酸性范围内(pH4.0(pH4.05.5)5.5)，调节发酵，调节发酵液的液的pHpH到蛋白质的等电点是除去蛋白质的有效方法。到蛋白质的等电点是除去蛋白质的有效方法。B.酸碱调节，使蛋白质与离子形成沉淀酸碱调节，使蛋白质与离子形成沉淀l在酸性溶液中，蛋白质与一些阴离子形成沉淀，如三氯乙在酸性溶液中，蛋白质与一些阴离子形成沉淀，如三氯乙酸盐、水杨酸盐、苦味酸盐等；酸盐、水杨酸盐、苦味酸盐等；l在碱性溶液中，蛋白质与一些阳离子形成沉淀，如在碱性溶液中，蛋白质与一些阳离子形成沉淀，如Ag+Ag+、CuCu2+2+、ZnZn2+2+、FeFe3+3+等。等。502.2.杂蛋白去除杂蛋白去除-变性变性 Denaturation 蛋白质从有规则的排列变成不规则结构的过程称为变蛋白质从有规则的排列变成不规则结构的过程称为变性。变性蛋白质溶解度较小。性。变性蛋白质溶解度较小。l加热，加热，l大幅度调节大幅度调节pHpH值，值，l加酒精、丙酮等有机溶剂或表面活性剂等。加酒精、丙酮等有机溶剂或表面活性剂等。不足之处：不足之处：a.a.加热法只适合于对热较稳定的目的产物；加热法只适合于对热较稳定的目的产物；b.b.极端极端pHpH值也会导致某些目的产物失活，且要消耗大量酸碱；值也会导致某些目的产物失活，且要消耗大量酸碱；c.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。有机溶剂法通常只适用于所处理的液体数量较少的场合。512蛋白质变性例子蛋白质变性例子链霉素生产中，采用链霉素生产中，采用调调pHpH至酸性至酸性（pH3.0pH3.0），加热至），加热至7070，维持半个小，维持半个小时的方法来使蛋白变性，能使过滤速度时的方法来使蛋白变性，能使过滤速度增大增大10-10010-100倍，滤液粘度可降低倍，滤液粘度可降低1/61/6。柠檬酸发酵液，采用加热至柠檬酸发酵液，采用加热至8080以上，以上，使蛋白质变性凝固和降低发酵液粘度，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。从而大大提高了过滤速度。523.3.杂蛋白去除杂蛋白去除-吸附法吸附法 adsorption加入某些吸附剂或沉淀剂吸附杂蛋白质而除去加入某些吸附剂或沉淀剂吸附杂蛋白质而除去加入某些吸附剂或沉淀剂吸附杂蛋白质而除去加入某些吸附剂或沉淀剂吸附杂蛋白质而除去。四环类抗生素生产中，采用黄血盐和硫酸锌的协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同作用生成亚铁氰化锌钾K K2 2ZnZn3 3Fe(CN)Fe(CN)5 5 2 2的胶状的胶状沉淀来吸附蛋白质，利用此法除蛋白质已取得很沉淀来吸附蛋白质，利用此法除蛋白质已取得很好的效果。好的效果。在枯草杆菌发酵液中，常加入氯化钙和磷酸氢二在枯草杆菌发酵液中，常加入氯化钙和磷酸氢二钠，这两者本身生成庞大的凝胶，把蛋白质、菌钠，这两者本身生成庞大的凝胶，把蛋白质、菌体及其它不溶性粒子吸附并包裹在其中而除去，体及其它不溶性粒子吸附并包裹在其中而除去，从而加快了过滤速度。从而加快了过滤速度。532.2 2.2 固液分离固液分离54一一 影响发酵液固液分离的因素影响发酵液固液分离的因素1 1）发酵液中悬浮粒子的大小）发酵液中悬浮粒子的大小552 2）发酵液的黏度）发酵液的黏度viscosity：固液分离速度通常与粘度成反比，粘度越大，固液分离越困固液分离速度通常与粘度成反比，粘度越大，固液分离越困难。影响粘度的因素：难。影响粘度的因素：l菌体的种类和浓度（重要因素），通常丝状菌、动物或植菌体的种类和浓度（重要因素），通常丝状菌、动物或植物细胞悬浮液粘度较大，浓度增大，粘度也提高。物细胞悬浮液粘度较大，浓度增大，粘度也提高。l培养液中蛋白质、核酸大量存在：通常细胞破碎或细胞自培养液中蛋白质、核酸大量存在：通常细胞破碎或细胞自溶后粘度增大。因此细胞破碎的程度应控制，发酵放罐时溶后粘度增大。因此细胞破碎的程度应控制，发酵放罐时间要适宜。间要适宜。l培养基成分：如用黄豆粉、花生粉作氮源，淀粉作碳源，培养基成分：如用黄豆粉、花生粉作氮源，淀粉作碳源，粘度都会升高。粘度都会升高。l此外，某些染菌发酵液，如染细菌，则粘度会增大。此外，某些染菌发酵液，如染细菌，则粘度会增大。l发酵过程的不正常处理，如大量过剩的培养基和消沫油加发酵过程的不正常处理，如大量过剩的培养基和消沫油加入，都会使粘度增大。入，都会使粘度增大。影响发酵液固液分离的因素56收集胞内产物的细胞或菌体，分离除去收集胞内产物的细胞或菌体，分离除去液相，液相，收集含生化物质的液相，分离除去固体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）。质的沉淀物和它们的絮凝体等）。固液分离的目的包括两方面：固液分离的目的包括两方面：57二二 常见的固液分离方法常见的固液分离方法过滤过滤 filtrationfiltration离心离心 Centrifugation 膜分离膜分离 membrane separationmembrane separation双水相萃取双水相萃取 ATPSATPS扩张床吸附扩张床吸附 EBAEBA582.2.1过过滤滤filtration过滤操作是借助于过滤介质，在一定的压力差过滤操作是借助于过滤介质，在一定的压力差PP作用下，使悬浮液中的液体通过介质的孔道，而作用下，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固体颗粒被截留在介质上，从而实现固液分离的单元操作。单元操作。过滤介质过滤介质filter medium:过滤采用的多孔物质；过滤采用的多孔物质；滤浆滤浆filter pulp:所处理的悬浮液；所处理的悬浮液；滤液滤液filtrate:通过多孔通道的液体；通过多孔通道的液体；滤饼或滤渣滤饼或滤渣 filter cakefilter cake:被截留的固体物质。被截留的固体物质。59滤饼过滤：滤饼过滤：当悬浮液通过滤布时，固体颗粒被滤布阻拦而逐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）。渐形成滤饼（滤渣）。在滤饼过滤中，当滤饼至一定厚度时即起主要的在滤饼过滤中，当滤饼至一定厚度时即起主要的过滤作用过滤作用适合于固体含量大于适合于固体含量大于0.1%0.1%的悬浮液的过滤分离。的悬浮液的过滤分离。60u过滤推动力：过滤推动力：悬浮液自身压强差、重力悬浮液自身压强差、重力悬浮液的悬浮液的外加压力外加压力过滤介质的过滤介质的抽真空抽真空离心力离心力u过滤阻力：过滤阻力：介质阻力介质阻力：可视为不变，且一般过滤初较明显：可视为不变，且一般过滤初较明显滤饼阻力滤饼阻力:滤饼厚度：随过滤进行而增加滤饼厚度：随过滤进行而增加滤饼特性：颗粒形状、大小。滤饼特性：颗粒形状、大小。大多情况下，过滤阻力主要取决于滤饼阻力。大多情况下，过滤阻力主要取决于滤饼阻力。61滤饼的质量比阻滤饼的质量比阻衡量过滤特性的主要指标是滤饼的质量比阻衡量过滤特性的主要指标是滤饼的质量比阻rBrB ，它表示单位滤饼厚度的阻力系数。它表示单位滤饼厚度的阻力系数。与滤饼的结构特性有关。对于不可压缩性滤饼，与滤饼的结构特性有关。对于不可压缩性滤饼，rBrB为常数，但对于可压缩性滤饼，为常数，但对于可压缩性滤饼，rBrB是操作压力是操作压力差的函数：差的函数：rBrBr(Pr(P)mm （2-32-3）r-r-不可压缩滤渣的比阻，对于一定的料液为常数；不可压缩滤渣的比阻，对于一定的料液为常数；m-m-压缩性指数，一般取压缩性指数，一般取0.50.8，对不可压缩性滤，对不可压缩性滤饼饼mm为为0 0。可压缩滤饼可压缩滤饼:形成的滤饼刚性不足，其内部空隙结构随着形成的滤饼刚性不足，其内部空隙结构随着滤饼的增厚或压差的增大而变形，空隙率滤饼的增厚或压差的增大而变形，空隙率减小减小.62滤饼的质量比阻与过滤关系滤饼的质量比阻与过滤关系滤饼的比阻值是随操作压力差的提高而增大的。滤饼的比阻值是随操作压力差的提高而增大的。开始过滤时应注意不能很快提高压差，通常靠液柱的开始过滤时应注意不能很快提高压差，通常靠液柱的自然压差进料，并应缓慢地，逐步地升高压力，一般自然压差进料，并应缓慢地，逐步地升高压力，一般在相当长的时间内，压力差不要超过在相当长的时间内，压力差不要超过0.05 0.05 MPaMPa，最后最后的压差也不超过的压差也不超过0.30.30.4 0.4 MPaMPa。若操作压力控制过高，由于比阻值的急剧增加，会使若操作压力控制过高，由于比阻值的急剧增加，会使过滤速度很快下降，以至达到不能继续过滤的程度。过滤速度很快下降，以至达到不能继续过滤的程度。63恒压下的过滤方程恒压下，可压缩性滤饼的比阻应为常数。如过滤介恒压下，可压缩性滤饼的比阻应为常数。如过滤介质的阻力相对较小可以忽略不计，质的阻力相对较小可以忽略不计，q 到瞬间到瞬间，通过单位过滤面积的滤液量，通过单位过滤面积的滤液量，m3；P P 压力差，压力差，PaPa；滤液粘度，滤液粘度，PaPas s；rBrB 滤饼的重量比阻，滤饼的重量比阻，m/kgm/kg；X XB B 通过单位体积滤液所形成的滤渣重量通过单位体积滤液所形成的滤渣重量(干重干重),kg),kgm m3 3；过滤时间，过滤时间，s s64过滤速度的强化过滤速度的强化1降低滤饼比阻力降低滤饼比阻力rB一切能够降低rB的方法：如添加电解质、絮凝剂、凝固剂助滤剂等。2降低滤液黏度降低滤液黏度黏度愈低，过滤阻力愈小。加热、去杂蛋白、絮凝、调pH、选择合适的放罐时间。3降低悬浮液中悬浮固体的浓度降低悬浮液中悬浮固体的浓度过滤速度与获得滤饼体积成反比。因此应尽可能降低培养基配料浓度（如玉米粉、豆饼粉的浓度）。4.对发酵液进行预处理，改善滤液性质。对发酵液进行预处理，改善滤液性质。65质量比阻的计算质量比阻可根据式质量比阻可根据式24，利用图解法求得。以，利用图解法求得。以/q为纵轴，为纵轴，以以q为横轴所得的直线斜率为为横轴所得的直线斜率为M，则，则rB可按下式计算：可按下式计算：根据滤饼的质量比阻值，可衡量各种不同发酵液过滤的难易程度。真菌的菌丝比较粗大真菌的菌丝比较粗大,如青霉素的重量比阻为如青霉素的重量比阻为(0.15一一0.20)xl012 m/kg左右，发酵液容易过滤。左右，发酵液容易过滤。放线菌发酵液菌丝细而分枝放线菌发酵液菌丝细而分枝,交织成网络状交织成网络状,如链霉素重量比阻为如链霉素重量比阻为2000 x1012m/kg左右左右,过滤较困难过滤较困难,一般需经预处理。一般需经预处理。细菌发酵液的菌体更细小，细菌发酵液的菌体更细小，质量比阻值更大，直接质量比阻值更大，直接过滤十分困难。过滤十分困难。2662 过滤介质选择过滤介质选择过滤介质起过滤作用，还是滤饼的支撑物。应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。具有足够的机械强度和尽可能小的流动阻力。合理选择过滤介质：合理选择过滤介质：过滤介质所能截留的固体粒子大小过滤介质所能截留的固体粒子大小：通常以过：通常以过滤介质的孔径表示。常用的过滤介质中，纤维滤介质的孔径表示。常用的过滤介质中，纤维滤布所能截留的最小粒子约滤布所能截留的最小粒子约10m10m，硅藻土为