Chapter 2 发酵液的预处理与固液分离.ppt
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1、生物分离工程生物分离工程Bioseparation南京工业大学南京工业大学南京工业大学南京工业大学制药与生物工程学院制药与生物工程学院制药与生物工程学院制药与生物工程学院国家精品课程国家精品课程第二讲 发酵液的预处理与固液分离u 通过本章学习应掌握的内容概述发酵液的预处理固液分离工程及常用设备一、概述u微生物或动植物细胞在合适的培养基,p值,温度和通气搅拌(或厌气)等发酵条件下进行生长和合成生物活性物质目标产品;u培养(发酵)液中包含了菌(细胞)体,胞内外代谢产物,胞内的细胞物质及剩余的培养基残分等;u只有将固,液分离开,才能从澄清的滤液中采用物理、化学的方法提取代谢产物,或从细胞出发进行破碎
2、、碎片分离和提取胞内产物。二、发酵液的预处理1、微生物发酵液特性2、发酵液预处理的目的3、发酵液预处理方法1、微生物发酵液的特性u发酵产物浓度较低,处理体积量大;u各类细胞的颗粒小,相对密度与液相相差不大;u细胞等固型物含水量大,可压缩性大;u液相粘度大,大多为非牛顿型流体;u产品生物活性不稳定;u动植物细胞不耐剪切。工业技术中典型的固体粒子固体粒子的类型尺寸(umum)细胞碎片Fe Fe3+3+H H+Ca Ca2+2+Mg Mg2+2+K K+Na Na+Li Li+硫酸铝硫酸铝 AlAl2 2(SO(SO4 4)3 3 18H18H2 2O O(明矾);明矾);氯化铝氯化铝 AlClAl
3、Cl3 36H6H2 2O;O;三氯化铁三氯化铁 FeClFeCl3 3;硫酸亚铁硫酸亚铁 FeSOFeSO4 47H7H2 2O O;石灰;石灰;ZnSOZnSO4 4;MgCOMgCO3 3 豆腐的原料黄豆富含蛋白质,蛋白质含量36%-40%,经水浸、磨浆、除渣、加热,得到的蛋白质的胶体。点豆腐就是设法使蛋白质发生凝聚而与水分离。盐卤是结晶氯化镁MgCl26H2O的水溶液,属电解质溶液,可以中和胶体微粒表面吸附的离子的电荷,使蛋白质分子凝聚起来得到豆腐。其他如石膏、酯酸、柠檬酸等都有相同的作用,都可用来点豆腐。在市场上销售一种盒装豆腐,洁白细腻,质量明显高于传统方法制做的豆腐,原来,它的凝
4、固剂采用了一种新的化学物质葡萄糖酸内酯。凝聚的运用絮凝 在某些高分子絮凝剂存在下,基于桥架作用,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,产生桥架联接时,形成粗大的絮凝团(10mm)的过程。絮凝是一种以物理的集合为主的过程。polyacrylamide Flocculation絮凝剂u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,其链节上含有许多活性官能团,包括带电荷的阴离子(如-COOH)或阳离子(如-NH2)基团以及不带电荷的非离子型基团。u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。u当一个高分子聚合物的许多链节分别
5、吸附在不同的胶粒表面上,产生桥架联结时,就形成了较大的絮团,这就是絮凝作用。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。絮凝剂的分类u有机高分子聚合物,如聚丙烯酰胺类衍生物、聚苯乙类衍生物、聚丙烯酸类絮凝剂。u无机高分子聚合物,如聚合铝盐、聚合铁盐等。u天然有机高分子絮凝剂,如聚糖类胶粘物、海藻酸钠、明胶、骨胶、壳多糖、脱乙酰壳多糖等。微生物絮凝剂u直接利用微生物细胞的絮凝剂,如某些细菌、霉菌、放线菌和酵母;u利用微生物细胞提取物的絮凝
6、剂,如酵母细胞壁的葡聚糖、甘露聚糖、蛋白质和N一乙酰葡萄糖胺等成分;u微生物细胞代谢产物的絮凝剂,主要是细菌的荚膜和粘液质,主要成分为多糖、少量的多肽、蛋白质、脂类及其复合物。目前最常见的高分子聚合物絮凝剂目前最常见的高分子聚合物絮凝剂有机合成的聚丙烯酰胺(有机合成的聚丙烯酰胺(polyacrylamidepolyacrylamide)类衍生物类衍生物根据活性基团在水中解离情况不同,可分为三类:根据活性基团在水中解离情况不同,可分为三类:非离子型、非离子型、阴离子型(含有羧基)阴离子型(含有羧基)阳离子型(含有胺基)阳离子型(含有胺基)l用量少,一般以用量少,一般以mg/Lmg/L计量;计量;
7、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。u存在一定的毒性,特别是存在一定的毒性,特别是阳离子型聚丙烯酰胺,用阳离子型聚丙烯酰胺,用于食品和医药工业时应谨于食品和医药工业时应谨慎。慎。絮凝运用絮凝运用絮凝效果与絮凝剂的加量、相对分子质量和类型、溶液的pH、搅拌转速和时间等因素有关。1、絮凝剂浓度增加有助于架桥充分,但是,过多的加量反而会引起吸附饱和,在每个胶粒上形成覆盖层而使胶粒产生再次稳定现象。适宜的加量通常由实验得出。2、虽然高分子絮凝剂分子量提高,链增长,可使架桥效果明显,但是,分子量不能超过一定的限度,因为随分
8、子量提高,高分子絮凝剂的水溶性降低。絮凝运用注意点絮凝运用注意点絮凝运用注意点絮凝运用注意点3、溶液pH的变化常会影响离子型絮凝剂中功能团的电离度,从而影响分子链的伸展形态。电离度增大,由于链节上相邻离子基团间的电排斥作用,而使分子链从卷曲状态变为伸展状态,所以架桥能力提高。4、搅拌、温度等的影响混凝u对于带负电荷的菌体或蛋白质来说,采用阳离子型高分子絮凝剂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;u对于非离子型和阴离子型高分子絮凝剂,则主要通过分子间引力和氢键作用产生吸附架桥,它们常与无机电解质凝聚剂搭配使用。混凝u 首先加入无机电解质,使悬浮粒子间的相互排斥能降低,脱稳而凝聚成微
9、粒,u然后,再加入絮凝剂。无机电解质的凝聚作用为高分子絮凝剂的架桥创造了良好的条件,从而,提高了絮凝效果。u这种包括凝聚和絮凝机理的过程,常称为混凝混凝。助滤剂u助滤剂是一种不可压缩的多孔微粒,它能使滤饼疏松,吸附胶体,扩大过滤面积,滤速增大。u常用的助滤剂有硅藻土、纤维素、石棉粉、珍珠岩、白土、炭粒、淀粉等,其中最常用的是硅藻土。u使用方法有两种:一种是在过滤介质表面预涂助滤剂,另一种是直接加入发酵液,也可两种方法同时兼用。使用硅藻土时,通常细粒用量为使用硅藻土时,通常细粒用量为500 g/m3500 g/m3;中等粒中等粒度用量为度用量为700 g/m3700 g/m3;粗粒用量为粗粒用量
10、为700-1000 g/m3700-1000 g/m3。助滤剂的作用u由简单表面过滤变为深床过滤,可得到高质量的滤液。u可防止过滤介质被污染。u可增加滤速。助滤剂的选择u粒度先中等,再根据情况逐渐放大或缩小粒径u助滤剂的品种可根据过滤介质调整:酸(碱)性、固形物颗粒大小,滤饼开裂等u用量选择最小厚度是2mm加入反应剂 利用反应剂和某些可溶性盐类发生反应生成不溶性沉淀。作用:生成的沉淀能防止菌丝体粘结,使菌丝具有块状结构,沉淀本身可作为助滤剂,并且能使胶状物和悬浮物凝固,消除发酵液中某些杂质对过滤的影响,从而改善过滤性能。u在新生霉素发酵液中加入氯化钙和磷酸钠。u环丝氨酸发酵液用氧化钙和磷酸处理
11、,生成磷酸钙沉淀。u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。高价无机离子的除去 去除钙离子:通常使用草酸。但由于草酸溶解度较小,不适合用量较大的场合,可用其可溶性盐,草酸价格昂贵,注意回收。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。杂蛋白质的除去 (1)(1)沉淀法 蛋白质在酸性溶液中,能与一些阴离子,如三氯乙酸盐、水杨酸盐、钨酸盐、苦味酸盐、鞣酸盐、过氯酸盐等形成沉淀;在碱性溶液
12、中,能与一些阳离子如Ag+、Cu2+、Zn 2+、Fe 3+和Pb2+等形成沉淀。杂蛋白质的除去(2)吸附法加入某些吸附剂或沉淀剂吸附杂蛋白质而除去。1、在枯草芽孢杆菌发酵液中,加入氯化钙和磷酸氢二钠,两者生成庞大的凝胶,把蛋白质、菌体及其他不溶性粒子吸附并包裹在其中而除去,从而可加快过滤速率。2、在四环素类抗生素中,采用黄血盐和硫酸锌的协同作用生成亚铁氰化锌钾的胶状沉淀来吸附蛋白质(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。局限性:加热
13、法只适合于对热较稳定的目的产物;极端pH也会导致某些目的产物失活,并且要消耗大量酸碱;而有机溶剂法通常只适用于所处理的液体数量较少的场合。杂蛋白质的除去三、固液分离工程及设备三、固液分离工程及设备1、过滤2、离心与沉降3、双水相萃取4、扩张床吸附1、过滤(Filtration)u过滤是在某一支撑物上放过滤介质,注入含固体颗粒的溶液,在外力作用下,实现固液分离目的的操作。过滤的分类u按固体颗粒在过滤介质上的滞留情况可以分为表层过滤和深层过滤;u按悬浮液的含固量可以分为澄清过滤和成饼过滤;u按料浆在过滤器内的流动方向可以分为终端过滤和横流过滤(又错流过滤或动态过滤);u从过滤过程操作方式上分为恒速
14、过滤、恒压过滤和先升压后恒压过滤。过滤操作介质滤饼阻力过滤洗涤干燥卸料洗涤滤饼,提高收率压缩空气或真空辅助操作u织物介质 u多孔固体介质u堆积介质u多孔膜过滤介质织物介质u 最常用的过滤介质,工业上称为滤布(网)1、天然或人造纤维如:棉、毛、合成纤维等编织成各种形式的非金属滤布,织物组织采用平纹和斜纹组织。2、耐腐蚀的不锈钢丝、铜丝或镍丝等织成各种形式的金属滤布。u孔隙率的大小及孔分布是过滤效率的影响因素u可截留的最小颗粒的直径为5-65m 性能 涤纶 锦纶 丙纶 维纶 耐酸性 强 较差 良好 不耐酸 耐碱性 耐弱碱 良好 强 耐强碱 导电性 很差 较好 良好 一般 断裂伸长 30%-40%1
15、8%-45%大与涤纶 12%-25%回复性 很好 在 10%伸长时回复率 90%以上 略好与涤纶 较差 耐磨性 很好 很好 好 较好 耐热性 170 130 略收缩 90 略收缩 100 有收缩 软化点 230-240 180 140-150 200 熔化点 255-265 210-215 165-170 220 工业滤布材质性能指标 多孔固体介质u如多孔陶瓷、多孔玻璃、多孔塑料、不锈钢粉末冶金等均属此类u多作成板状或管状,耐腐蚀性好,孔隙小,强度高u常用于过滤含有少量微粒的悬浮液,能截留1-3m的微小颗粒,例如白酒、糖液的过滤。堆积介质u焦炭、石砾、细砂、锯屑、活性炭、玻璃碴、酸性白土等。由
16、上述固体颗粒堆积而成的床层,称作滤床。u用作过滤介质使含少量悬浮物的液体澄清,多用于深层过滤,如城市给水。多孔膜u用于膜过滤的各种有机分子膜和无机材料膜。u多孔过滤膜的过滤精度可达1um以下。u主要用于医药工业及生物化学带菌污水处理等精密过滤场合。类型实例可有效滤除的最小颗粒/m表面型金属元件片式5线隙式5金属编制网金属网式5纤维织品天然或合成纤维制品10深度型刚性多孔介质陶瓷1金属粉末烧结式3微孔材料泡沫塑料3微孔滤膜亚微米非织品纤维毛毡、棉丝10滤纸5合成纤维滤材5无机纤维滤材(玻璃、陶瓷纤维)1不锈钢纤维毡3松散固体颗粒硅藻土、膨胀珍珠岩、非活性炭亚微米选择过滤介质的基本要求u过滤介质对
17、固体颗粒的捕集能力 u过滤介质的渗透率u卸渣和清洗再生性能 u化学稳定性能 u材料的机械性能深层过滤(Deep bed filtrationDeep bed filtration)u 将过滤介质填充于过滤器内构成过滤层,当悬浮液通过滤层时,固体颗粒被阻拦或吸在滤层的颗粒上,使滤液得以澄清,这种方法也叫做澄清过滤。深层过滤u 过滤介质:硅藻土、石英砂、颗粒活性炭、玻璃珠、塑料颗粒等,也有用烧结陶瓷、烧结金属、粘合塑料及用金属丝绕成的管子等组成的成型颗粒滤层。深层过滤 适合于固体含量少于0.1gl00ml、颗粒直径在5-100m的悬浮液的过滤分离,如河水、麦芽汁、酒类和饮料等的澄清。u当悬浮液通过
18、滤布时,固体颗粒被滤布所阻拦而逐渐形成滤饼(或称滤渣)。当滤饼至一定厚度时即起过滤作用,此时即可获得澄清的滤液,这种方法叫做滤饼过滤或滤渣过滤。u适合于固体含量大于0.1g100ml的悬浮液的过滤分离。滤饼过滤(Cake Cake filterationfilteration)过滤操作 根据推动力分为重力过滤加压过滤真空过滤离心过滤根据操作方式分为连续过滤间隙过滤过滤过程数学描述u不可压缩滤饼的一般方程液体的粘度 过滤介质阻力 滤饼阻力u过滤介质阻力为常数u滤饼的阻力可描述为:滤饼的阻力特性单位体积滤液中固体的含量u 用At/V对V/A做图,斜率为K,截距为B;u 过滤介质阻力忽略不计。不可压
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