14发酵液的预处理和固液分离方法2.ppt
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1、发酵液的预处理和固液分离方法发酵液的预处理和固液分离方法山东农业大学山东农业大学 孙中涛孙中涛 预处理和固液分离的目的: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、分离细胞、菌体和其它悬浮颗粒(细胞碎片、核酸细胞碎片、核酸和蛋白质的沉淀物和蛋白质的沉淀物)。2、除去部分可溶性杂质。、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。、改变滤液的性质(降低粘度等),以利于后继操作。总策略:总策略:1、胞外产物:胞外产物:应尽可能转移到液相中,常用应尽可能转移到液相中,常用调调pH至酸性或碱性的方法来达到。至酸性或碱性的方法来达到。2、胞内产物:、胞内产物:首先收
2、集细胞、破壁,生化物首先收集细胞、破壁,生化物质释放到液相,再分离细胞碎片。质释放到液相,再分离细胞碎片。3、通常,以含生化物质的、通常,以含生化物质的液相液相为出发点,进为出发点,进行后继操作。行后继操作。一、发酵液的预处理 1、改变液体物理性质,促进固液分离。、改变液体物理性质,促进固液分离。细菌及某些放线菌菌体细小,发酵液粘度大,不能直细菌及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、蛋白质及其它有机粘性物接过滤,由于菌体自溶,核酸、蛋白质及其它有机粘性物质的存在会造成滤液浑浊,滤速极慢,因此,在预处理中质的存在会造成滤液浑浊,滤速极慢,因此,在预处理中应采用应采
3、用絮凝或凝聚絮凝或凝聚的方法,设法增大悬浮报中固体粒子的的方法,设法增大悬浮报中固体粒子的大小,提高其沉降速度,或采用大小,提高其沉降速度,或采用稀释、加热稀释、加热等方法降低粘等方法降低粘度,以利于过滤。度,以利于过滤。必要性:必要性:2、发酵液杂质很多,其中影响最大的是高价无机、发酵液杂质很多,其中影响最大的是高价无机离子和杂蛋白,预处理时,应尽量除去。离子和杂蛋白,预处理时,应尽量除去。高价无机离子危害:高价无机离子危害:在采用离子交换法提炼时,影响树脂的交换在采用离子交换法提炼时,影响树脂的交换容量。容量。杂蛋白质的危害:杂蛋白质的危害:a)a)离子交换法和大网格树脂吸附法提炼时,会降
4、离子交换法和大网格树脂吸附法提炼时,会降低吸附能力,低吸附能力,b)b)萃取时,易产生乳化。萃取时,易产生乳化。c)c)过滤或膜过滤时,使滤速下降,膜受到污染。过滤或膜过滤时,使滤速下降,膜受到污染。(一)、高价无机离子的去除方法 宜加入宜加入草酸草酸。草酸溶解度小,用量大时,可用其盐,如。草酸溶解度小,用量大时,可用其盐,如草酸钠草酸钠。草酸钙草酸钙能促使蛋白质凝固,提高滤液质量。能促使蛋白质凝固,提高滤液质量。草酸的回收:草酸的回收:四环类抗生素废液中,加入硫酸铅,在四环类抗生素废液中,加入硫酸铅,在60下生成下生成草酸铅草酸铅。后者在。后者在90-95下用硫酸分解经过滤、冷下用硫酸分解经
5、过滤、冷却、结晶后可回收草酸。却、结晶后可回收草酸。1、去除钙离子:、去除钙离子:2、除去镁离子:、除去镁离子:加入加入三聚磷酸钠三聚磷酸钠,它和镁离子形成可溶性络它和镁离子形成可溶性络合物:合物:用用磷酸盐磷酸盐处理,也能大大降低钙离子和镁离子的浓处理,也能大大降低钙离子和镁离子的浓度。此法可用于环丝氨酸的提炼。度。此法可用于环丝氨酸的提炼。3、除去铁离子:、除去铁离子:可加入可加入黄血盐黄血盐,使形成普鲁士蓝沉淀。,使形成普鲁士蓝沉淀。(二)、杂蛋白的去除方法 蛋白质等电点多在蛋白质等电点多在pH 4.0一一5.5,此时溶解度最小。但单,此时溶解度最小。但单靠等电点法不能将大部分蛋白质除去
6、。靠等电点法不能将大部分蛋白质除去。在酸性溶液中,蛋白质能与一些阴离子如在酸性溶液中,蛋白质能与一些阴离子如三氯乙酸盐、三氯乙酸盐、水杨酸盐、钨酸盐、苦味酸盐、蹂酸盐、过氯酸盐水杨酸盐、钨酸盐、苦味酸盐、蹂酸盐、过氯酸盐等形成沉等形成沉淀。淀。在碱性溶液,蛋白质能与一些阳离子,如在碱性溶液,蛋白质能与一些阳离子,如Ag1+,Cu2+,Zn2+,Fe3+和和Pb2+等形成沉淀。等形成沉淀。等电点法:等电点法:变性蛋白质溶解度较小。最常用方法是变性蛋白质溶解度较小。最常用方法是加热加热。加热还能使液体加热还能使液体粘度降低粘度降低,加快过滤速度。,加快过滤速度。但热处理常对原液质量有影响,特别是会
7、使但热处理常对原液质量有影响,特别是会使色素增色素增多多。只适于热稳定的物质。只适于热稳定的物质。热变性法:热变性法:应用举例:应用举例:1、链霉素、链霉素发酵液,调至酸性发酵液,调至酸性(pH 3.0),加热至加热至70,维持维持l2h,能去除蛋白质,使过滤速度增大能去除蛋白质,使过滤速度增大10一一100倍,滤液粘度可降低倍,滤液粘度可降低1/6。2、柠檬酸、柠檬酸发酵液,加热至发酵液,加热至80C以上,使蛋白质变以上,使蛋白质变性凝固,降低发酵液钻度,大大提高过滤速度。性凝固,降低发酵液钻度,大大提高过滤速度。大幅度改变大幅度改变pH,加酒精、丙酮等有机溶剂或加酒精、丙酮等有机溶剂或表面
8、活性剂等。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(pH23)或较碱性范围(pH 89)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。使蛋白质变性的其它办法:使蛋白质变性的其它办法:举例:举例:1、四环类抗生素生产中,采用、四环类抗生素生产中,采用黄血盐和硫酸锌黄血盐和硫酸锌的协同的协同作用生成作用生成亚铁氰化锌钾亚铁氰化锌钾的胶状沉淀来吸附蛋白质,取得很好的胶状沉淀来吸附蛋白质,取得很好的效果。的效果。2、枯草杆菌发酵液,常加入、枯草杆菌发酵液,常加入氯化钙和磷酸氢二钠氯化钙和磷酸氢二钠,生,生成庞大的凝胶,把蛋白质、菌体及
9、不溶性粒子吸附并包裹在成庞大的凝胶,把蛋白质、菌体及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。其中而除去,从而加快了过滤速度。利用吸附作用除去蛋白质:利用吸附作用除去蛋白质:(三)、凝聚和絮凝技术 凝聚凝聚:在中性盐作用下:在中性盐作用下,由于双电层排斥电位的降低,由于双电层排斥电位的降低,而使胶体体系不稳定的现象。而使胶体体系不稳定的现象。絮凝絮凝:指在某些高分子絮凝剂存在下,基于:指在某些高分子絮凝剂存在下,基于架桥架桥作用,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。的过程。基本概念:基本概念:凝聚和絮
10、凝技术能有效地改变细胞、菌体和蛋凝聚和絮凝技术能有效地改变细胞、菌体和蛋白质等胶体粒子的分散状态,使聚集起来,增大体白质等胶体粒子的分散状态,使聚集起来,增大体积,以便于过滤。积,以便于过滤。常用于菌体细小而且粘度大的发酵液的预处理常用于菌体细小而且粘度大的发酵液的预处理。菌体或蛋白质等胶体粒子表面一般都带有电荷,带电原因主要是吸附菌体或蛋白质等胶体粒子表面一般都带有电荷,带电原因主要是吸附溶液中的离子或自身基团的电离。溶液中的离子或自身基团的电离。通常菌体带负电荷,由于静电作用使带正电荷的粒子被吸附在周围,通常菌体带负电荷,由于静电作用使带正电荷的粒子被吸附在周围,在界面上形成了双电层。在界
11、面上形成了双电层。但这些正离子还受到热运动的影响,具有离开胶粒表面的趋势,在相但这些正离子还受到热运动的影响,具有离开胶粒表面的趋势,在相距胶核表面约一个离子半径的距胶核表面约一个离子半径的stern平面以内,正离子被紧密柬缚在胶核表平面以内,正离子被紧密柬缚在胶核表面,称为面,称为吸附层或紧密层吸附层或紧密层,在,在stern平面以外,剩余的正离子则在溶液中扩平面以外,剩余的正离子则在溶液中扩散开去,距离越远,浓度越小,最后达到主体溶液的平均浓度,称为散开去,距离越远,浓度越小,最后达到主体溶液的平均浓度,称为扩散扩散层层。双电层理论:双电层理论:1、凝聚技术 当胶粒在溶液中作相当胶粒在溶液
12、中作相对运动时,总有一薄层液对运动时,总有一薄层液体,随着它一起滑移,这体,随着它一起滑移,这一薄层,厚度比吸附层稍一薄层,厚度比吸附层稍大,大,滑移面滑移面(剪切面剪切面)在图在图141中用波纹线表示。中用波纹线表示。双电层结构的电位:双电层结构的电位:1、扩散双电层的结构:、扩散双电层的结构:一旦由于布朗一旦由于布朗(Brown)运动运动使粒子间距离缩小到它们的扩散层部分重叠时,即产生电使粒子间距离缩小到它们的扩散层部分重叠时,即产生电排斥作用,阻止了粒子的聚集。排斥作用,阻止了粒子的聚集。电位电位越大,电排斥作用越大,电排斥作用就越强,胶粒的分散程度也越大。就越强,胶粒的分散程度也越大。
13、2、水化层:、水化层:由于胶粒表面的水化作用,形成了由于胶粒表面的水化作用,形成了水化水化层层,也能阻碍直接聚集。水化膜主要是伴随胶粒带电而引,也能阻碍直接聚集。水化膜主要是伴随胶粒带电而引起起,一旦一旦电位降低或消失,水化层也会随之减弱或消失。电位降低或消失,水化层也会随之减弱或消失。胶粒保持分散状态的原因胶粒保持分散状态的原因电位数学表达式:电位数学表达式:电位电位与与扩散层厚度扩散层厚度和和电动电荷密度电动电荷密度成正比,而扩散成正比,而扩散层厚度又与溶液中离子强度有关,因此,对带负电性菌体层厚度又与溶液中离子强度有关,因此,对带负电性菌体的发酵液,的发酵液,高价阳离子高价阳离子的存在,
14、可压缩扩散层厚度,促使的存在,可压缩扩散层厚度,促使电位电位迅速降低迅速降低,而且,化合价越高这种影响越显著而且,化合价越高这种影响越显著,当,当双电层的排斥力不足以抗衡胶粒间的范德华引力时,由于双电层的排斥力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碰撞而聚集起来。热运动的结果导致胶粒的互相碰撞而聚集起来。由式由式(141,2)知:知: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使胶粒发生凝聚作用的最小电解质浓度(毫摩尔升毫摩尔升),称,称为凝聚价或凝聚值为凝聚价或凝聚值。反离子的价数越高,该值就越
15、小,即凝聚能力越强。反离子的价数越高,该值就越小,即凝聚能力越强。阳离子对带负电荷的胶粒凝聚能力的次序:阳离子对带负电荷的胶粒凝聚能力的次序:常用的凝聚剂电解质有:常用的凝聚剂电解质有:凝聚价或凝聚值:凝聚价或凝聚值:有机高分子聚合物絮凝剂有机高分子聚合物絮凝剂具有长链线状结构,是水溶性具有长链线状结构,是水溶性聚合物,分子量高达数万至一千万以上,在长的链节上含有聚合物,分子量高达数万至一千万以上,在长的链节上含有相当多的活性功能团,可以带有多价电荷,也可以不带电性相当多的活性功能团,可以带有多价电荷,也可以不带电性。它们通过静电引力、范德华分子引力或氢键的作用,强它们通过静电引力、范德华分子
16、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,产生吸附在不同颗粒的表面上,产生架桥联接架桥联接,生成粗大的絮团,生成粗大的絮团,这就是这就是絮凝作用絮凝作用。2、絮凝作用、絮凝作用A.聚丙烯酰胺类衍生物聚丙烯酰胺类衍生物B.聚苯乙烯类衍生物聚苯乙烯类衍生物C.无机高分子聚合物无机高分子聚合物絮凝剂,如絮凝剂,如聚合铝盐和聚合铁盐聚合铝盐和聚合铁盐等。等。D.天然有机高分子絮凝剂:天然有机高分子絮凝剂:多聚糖类胶粘物,海藻酸钠,多聚糖类胶粘物,海藻酸钠,明胶、骨胶、壳多糖和脱乙酰壳多糖等。明胶、
17、骨胶、壳多糖和脱乙酰壳多糖等。絮凝剂絮凝剂 根据活性基团在水中解离情况不同,可分为根据活性基团在水中解离情况不同,可分为非离子型、非离子型、阴离子型阴离子型(含有羧基含有羧基)和阳离子型和阳离子型(含有胺基含有胺基)三类。三类。优点:优点:用量少,用量少,般以般以ppm计,絮凝体粗大,分离效计,絮凝体粗大,分离效果好,絮凝速度快、种类多,适用范围广。果好,絮凝速度快、种类多,适用范围广。缺点:缺点:存在一定的毒性,特别是阳离子型聚丙烯酰胺,存在一定的毒性,特别是阳离子型聚丙烯酰胺,因此,当用于食品及医药工业时,应谨慎使用,要考虑这因此,当用于食品及医药工业时,应谨慎使用,要考虑这些物质最终能否
18、从产品中去除。些物质最终能否从产品中去除。近年来还发展了近年来还发展了聚丙烯酸类阴离子聚凝剂聚丙烯酸类阴离子聚凝剂,它们无毒它们无毒,可用于食品和医药工业中。可用于食品和医药工业中。聚丙烯酰胺类絮凝剂:聚丙烯酰胺类絮凝剂:阳离子型阳离子型高分子絮凝剂对带负电菌体或蛋白质来说,同时高分子絮凝剂对带负电菌体或蛋白质来说,同时具有具有降低粒子排斥电位降低粒子排斥电位和和产生吸附架桥产生吸附架桥的双重机理,所以可以的双重机理,所以可以单独使用,单独使用,非离子型和阴离子型非离子型和阴离子型高分子絮凝剂,主要通过分子间引力高分子絮凝剂,主要通过分子间引力和氢键产生和氢键产生吸附架桥吸附架桥,常与无机电解
19、质凝聚剂搭配使用。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,提高了絮凝效果而,提高了絮凝效果。这种包括这种包括凝聚凝聚和和絮凝絮凝机理的过程,常称为机理的过程,常称为混凝混凝。混凝:混凝:1)絮凝剂浓度絮凝剂浓度2)絮凝剂分子量絮凝剂分子量3)絮凝剂类型絮凝剂类型4)溶液的溶液的pH5)搅拌速度和时间搅拌速度和时间6)助凝剂助凝剂影响絮凝效果的因素:影响絮凝效果的因素:A.絮凝剂浓度絮凝剂浓度 浓
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