第三章发酵液预处理.ppt

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1、第三章第三章 发酵液预处理发酵液预处理第一节第一节 发酵液过滤特性的改变发酵液过滤特性的改变第第三三章章 发发酵酵液液预预处处理理发酵液成分复杂：菌体，残存的固体培养基，未被微生物完全利用的糖类、无机盐、蛋白质，以及微生物的各种代谢产物。第一节第一节 发酵液过滤特性的改变发酵液过滤特性的改变第一节第一节 发酵液过滤特性的改变发酵液过滤特性的改变第第三三章章 发发酵酵液液预预处处理理发酵产物浓度较低，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（细胞在很大程度上属于可压缩的粘稠物料）；发酵液特性 第一节第一节 发酵液过滤特性的改变发酵液过滤特性的

2、改变第第三三章章 发发酵酵液液预预处处理理以上使固液分离变得相当困难，应进行适当预处理才行，降低滤饼比阻，提高过滤与分离速度。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、蛋白质酶水解等作用的影响。第一节第一节 发酵液过滤特性的改变发酵液过滤特性的改变第第三三章章 发发酵酵液液预预处处理理一般情况下发酵醪的过滤属于滤饼过滤，其过滤器的过滤速度可表示为：式中：S是过滤面积；rm是介质阻力系数；rc是滤饼的阻力系数；是发酵醪的粘度；从以上式子可以看出，过滤速度主要取决于发酵醪的性质，即粘度和杂质含量（、rc）。第一节第一节 发酵液过滤特性的改变发酵液过滤特性的

3、改变第第三三章章 发发酵酵液液预预处处理理一、降低液体粘度（加水、加热）1、加水稀释法：（1）加大后继过程的处理任务；（2）实际效果：即若加水一倍，则稀释后液体的粘度下降50%以上才能有效提高过滤速度。第一节第一节 发酵液过滤特性的改变发酵液过滤特性的改变第第三三章章 发发酵酵液液预预处处理理2、加热：加热可降低粘度：如12Be麦芽汁40加热到75粘下降一半，速可加倍。如链霉素pH3.0时，加热70，半小时，过滤速度可增大10-100倍。（有蛋白质凝聚）（1）加热温度控制：不影响目标产物的活性；（2）时间控制：不造成细胞溶解，胞内物外溢，使后续分离纯化复杂化。第一节第一节 发酵液过滤特性的改变

4、发酵液过滤特性的改变第第三三章章 发发酵酵液液预预处处理理二、调整pH（1）对于两性物质（氨基酸、蛋白质），调pH至等电点，所带净电荷为零，溶解度最小，发生等电点沉淀。（2）膜过滤中，调整pH改变易吸附分子的电荷性质，减少堵塞和污染；（3）细胞、细胞碎片及某些胶体物质等在某个pH值下有可能凝聚成较大颗粒，有利过滤。第一节第一节 发酵液过滤特性的改变发酵液过滤特性的改变第第三三章章 发发酵酵液液预预处处理理三、凝聚与絮凝 1、凝聚（1）双电层：发酵液中胶体粒子的表面带电荷,如菌体或蛋白体（生理pH值下）带负荷静电引力，吸附阳离子,在界面形成双电层,使胶粒之间不易凝聚，稳定分散。双电层电位越高，电

5、排反越强，胶粒稳定，分散越好，过滤越难。第一节第一节 发酵液过滤特性的改变发酵液过滤特性的改变第第三三章章 发发酵酵液液预预处处理理（2）电解质的凝聚：加入电解质，在异电离子作用下，双电层电位降低，胶体稳定下降，相互碰撞而凝聚。第一节第一节 发酵液过滤特性的改变发酵液过滤特性的改变第第三三章章 发发酵酵液液预预处处理理（3）凝聚值 凝聚值：使胶粒发生凝集作用的最小电解质浓度（mmol/L）。反离子的价数越高，凝聚值就越小。A13+Fe3+H+常用的有明矾（硫酸铝）、石灰、硫酸亚铁、三氯化铁等。第一节第一节 发酵液过滤特性的改变发酵液过滤特性的改变第第三三章章 发发酵酵液液预预处处理理2、絮凝

6、相对凝聚颗粒粗大；相对凝聚更为昂贵；第一节第一节 发酵液过滤特性的改变发酵液过滤特性的改变第第三三章章 发发酵酵液液预预处处理理（1）絮凝剂的絮凝作用：絮凝剂（能溶于水的高分子聚合物，相对分子质量数万-1千万，长链结构）其链节上含有许多活性官能团，阴离子或阳离子、不带电的非离子型基团，能通过静电引力、范德华力、氢键等吸收在胶粒表面；当许多链节分别吸附在不同胶粒表面上，产生桥架联接，形成较大絮团。第一节第一节 发酵液过滤特性的改变发酵液过滤特性的改变第第三三章章 发发酵酵液液预预处处理理（2）絮凝剂化学结构 含有相当多的活性官能团，能与胶粒表面结合。长链线性结构，与较多的胶粘液表面结合。相对分子

7、质量不能超过限度，保证其有良好的水溶性。第一节第一节 发酵液过滤特性的改变发酵液过滤特性的改变第第三三章章 发发酵酵液液预预处处理理（3）絮凝剂的分类：有机高分子聚合物：如聚丙稀类（絮团粗大、用量少、絮凝快、效好，但有毒）、聚丙烯酸类（无毒，可用于医药、食品）、聚乙烯等。无机高分子聚合物、如聚合铝盐、聚合铁盐等。天然有机高分子絮凝剂，如明胶、骨胶、壳多糖、海藻酸钠、聚糖类胶粘物。第一节第一节 发酵液过滤特性的改变发酵液过滤特性的改变第第三三章章 发发酵酵液液预预处处理理（4）影响絮凝效果的因素（确定了某种絮凝剂）添加量：试验确定最适添加量少：胶粒吸附不完全多：形成的絮团小 pH值：影响絮凝剂活

8、性官能团的电离度，进一步影响吸附强弱。另外还有：搅拌转速、时间等。第一节第一节 发酵液过滤特性的改变发酵液过滤特性的改变第第三三章章 发发酵酵液液预预处处理理3、混凝 混凝是包括凝聚和絮凝机理的过程。（1）单独使用絮凝剂 如带负电的菌体、蛋白质+阳离子型高分子絮凝剂具有降低胶粒双电层电位，产生吸附桥架的双重作用。第一节第一节 发酵液过滤特性的改变发酵液过滤特性的改变第第三三章章 发发酵酵液液预预处处理理（2）电解质+絮凝剂 在无机电解质的凝聚作用基础上，高分子絮凝剂架桥絮凝效果更好 第一节第一节 发酵液过滤特性的改变发酵液过滤特性的改变第第三三章章 发发酵酵液液预预处处理理四、加入助滤剂 1、

9、助滤剂：是一种不可压缩的多孔微粒，使滤饼疏松，过滤阻力下降，滤速加快。2、使用方法：在过滤介质表面预涂助滤剂 直接加入发酵液也可以以上两种并用 第一节第一节 发酵液过滤特性的改变发酵液过滤特性的改变第第三三章章 发发酵酵液液预预处处理理3、助滤剂选择（1）不吸附目的产物（2）粒度与悬浮与悬浮液中固体粒子的尺寸相适应（颗粒小、用较细的助滤剂）（3）使用量适合 过少：起不到有效的作用过多：浪费、助滤助成为主要的滤饼阻力，速率下降。（4）与过滤介质和过滤情况相配合。第一节第一节 发酵液过滤特性的改变发酵液过滤特性的改变第第三三章章 发发酵酵液液预预处处理理粗目滤网：防泄漏：石棉粉、纤维素、淀粉细目滤

10、网：细硅藻土烧结成粘结材料介质：纤维素。第一节第一节 发酵液过滤特性的改变发酵液过滤特性的改变第第三三章章 发发酵酵液液预预处处理理五、加入反应剂 1、目的：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。2、举例：（1）加入反应剂生成不溶性沉淀助滤剂、凝固胶体等物质过滤性能上升，如在新生霉素发酵液中加入CaCl2和Na3PO4，生成Ca3(PO4)2下降，既是助滤剂，又能使某些蛋白质凝固。第一节第一节 发酵液过滤特性的改变发酵液过滤特性的改变第第三三章章 发发酵酵液液预预处处理理（2）含有不溶性多糖物质的发酵液中，加入酶水解成单糖过滤速率上升，如万古霉

11、用淀粉作培养基，发酵过滤前加入0.025%的淀粉酶，搅30min，再加2.5%硅藻土助滤剂速率提高5倍。第二节第二节 发酵液的相对纯化发酵液的相对纯化第第三三章章 发发酵酵液液预预处处理理第二节 发酵液的相对纯化 一、高价无机离子的除去 1、高价无机离子的影响 在采取离子交换法时，这些高价无机离子会影响树脂对生化物质的变换容量。发酵液中的主要无机离子有Ca2+、Mg2+和Fe2+等。第二节第二节 发酵液的相对纯化发酵液的相对纯化第第三三章章 发发酵酵液液预预处处理理（1）Ca2+草酸：贵，不宜大量用，回收；草酸钠：Ca2+浓度大时用。草酸钙还能使蛋白质凝固，过滤性上升；2、高价无机离子的除去

12、第二节第二节 发酵液的相对纯化发酵液的相对纯化第第三三章章 发发酵酵液液预预处处理理（2）Mg2+弱酸镁盐溶解度较大；发酵液中Mg2+浓度小；不用沉淀法。可用三聚磷酸钠形成络合物，消除对离子交换的影响。Na5P3O10+Mg2+MgNa3P3O10+2Na+(3)Fe3+可用黄血盐（K4Fe(CH)63H2O）麦鲁士兰 第二节第二节 发酵液的相对纯化发酵液的相对纯化第第三三章章 发发酵酵液液预预处处理理二、杂蛋白质的除去（1）沉淀法酸性环境：加某些阴离子物质，如三氯乙酸盐、水杨酸盐、苦味酸盐等碱性环境：加某些阳离子物质；第二节第二节 发酵液的相对纯化发酵液的相对纯化第第三三章章 发发酵酵液液预

13、预处处理理（2）变性法蛋白质从有规则的排列变成不规则结构的过程称为变性。加热 调pH 加有机溶剂 表面活性剂目的产物不失活（3）吸附法如在四环类抗生素中，采用黄血盐和硫酸锌生成亚铁氰化锌钾 k2Zn3Fe(CN)62的胶状沉淀来吸附蛋白质。第三节第三节 固液分离工程及设备固液分离工程及设备第第三三章章 发发酵酵液液预预处处理理发酵液的固液分离主要是离心分离和过滤。一、离心分离 Fdd=2R球形颗粒沉降的受力情况球形颗粒沉降的受力情况第三节 固液分离工程及设备 第三节第三节 固液分离工程及设备固液分离工程及设备第第三三章章 发发酵酵液液预预处处理理1.概述（1）原理 利用转鼓高速转动所产生的离心

14、力，来实现悬浮液、浮浊液分离或浓缩。第三节第三节 固液分离工程及设备固液分离工程及设备第第三三章章 发发酵酵液液预预处处理理（2）适用 由于离心力场所产生的离心力可以比重力高几千至几十万倍，所以利用离心分离可分离悬浮液中极小的固体微粒和大分子物质。如细菌和酵母为单细胞，体形较小，其发酵液一般采用离心分离。第三节第三节 固液分离工程及设备固液分离工程及设备第第三三章章 发发酵酵液液预预处处理理（3）特点 优点：快速、高效、液相澄清良好缺点：投资高，能耗大，连续排料时。固相干度不如过滤设备 第三节第三节 固液分离工程及设备固液分离工程及设备第第三三章章 发发酵酵液液预预处处理理（4）分类 过滤式离

15、心-转鼓上开有小孔，有过滤介质，离心时，液体穿过过滤介质经小孔流而得以分离。用于悬浮液固体颗粒大，固含量较高的场合。沉降式离心-无孔，不需过滤介质，在离心力作用下，物料按密度大小不同，分层沉降而得以分离。第三节第三节 固液分离工程及设备固液分离工程及设备第第三三章章 发发酵酵液液预预处处理理2.碟片式离心机（沉降式，工业应用最广泛）（1）工作过程 第三节第三节 固液分离工程及设备固液分离工程及设备第第三三章章 发发酵酵液液预预处处理理第三节第三节 固液分离工程及设备固液分离工程及设备第第三三章章 发发酵酵液液预预处处理理（2）卸料方式 人工卸料：为间歇式操作，每次操作完成后需停机人工卸料。自动

16、间歇排料：机工作一段时间后，不停机的状态下，自动打开排排泄口，借离心力甩出固相。连续排料：运行中连续从排泄口排料。适合于固相含量大的悬浮记分离，但分离后的固相干度较差。第三节第三节 固液分离工程及设备固液分离工程及设备第第三三章章 发发酵酵液液预预处处理理（3）最大允许处理量 其中 第三节第三节 固液分离工程及设备固液分离工程及设备第第三三章章 发发酵酵液液预预处处理理Q：离心机的最大允许进料量（m3/s）：离心机的角转速度（rad/s）v：固体颗粒的自然沉降速率（m/s）Z：与离心机结构有关的常数d：颗粒直径（m）s：固体密度（Kg/m3）L：液体密度（Kg/m3）：液体粘度n：碟片数r2、

17、r1：碟片的外径和内径（m）：碟片的倾斜角度 g：重力加速度（m/s2）第三节第三节 固液分离工程及设备固液分离工程及设备第第三三章章 发发酵酵液液预预处处理理上式没有考虑到进料液体中颗粒浓度对分离能力的影响，实际中Z 与Q并不呈严格的线性关系。因此应根据实验结果，加以校正系数。（4）分离因数（离心力强度）Fr Fr表示了粒子在离心机中产生的离心加速度与自由下降加速度之比。Fr越大，越有利于分离。第三节第三节 固液分离工程及设备固液分离工程及设备第第三三章章 发发酵酵液液预预处处理理第三节第三节 固液分离工程及设备固液分离工程及设备第第三三章章 发发酵酵液液预预处处理理第三节第三节 固液分离工

18、程及设备固液分离工程及设备第第三三章章 发发酵酵液液预预处处理理第三节第三节 固液分离工程及设备固液分离工程及设备第第三三章章 发发酵酵液液预预处处理理第三节第三节 固液分离工程及设备固液分离工程及设备第第三三章章 发发酵酵液液预预处处理理3、管式离心机与倾析式离心机比较 管式管式倾析式倾析式Fr104610515003000适用适用细胞、细胞碎片、胞血细胞、细胞碎片、胞血（小微粒）、病毒、蛋（小微粒）、病毒、蛋白质、核酸（大分子）白质、核酸（大分子）不适用于前者这不适用于前者这些些特点特点容量小、不能连续操作容量小、不能连续操作操作连续、液相操作连续、液相溶度差溶度差第三节第三节 固液分离工

19、程及设备固液分离工程及设备第第三三章章 发发酵酵液液预预处处理理二、过滤二、过滤 滤饼滤饼传统的过滤第三节第三节 固液分离工程及设备固液分离工程及设备第第三三章章 发发酵酵液液预预处处理理1、分类（1）澄清过滤-将硅藻土、砂芯、颗粒活性炭、玻璃珠、塑料颗粒等过滤介质填充于过滤器内构成过滤层（也有烧结的陶瓷、金属制成的成型颗粒滤层），当悬浮液通过时，固体颗粒被阻拦与吸附在滤层的颗粒上，使滤液得以澄清。特点：过滤介质起主要的过滤作用，适合于固体含量少于0.1g/100mL，颗粒直径在5100m的悬浮液的分离。第三节第三节 固液分离工程及设备固液分离工程及设备第第三三章章 发发酵酵液液预预处处理理（

20、2）滤饼过滤（滤渣过滤）以滤布（天然或合成纤维织布、金属织布，及毡、石棉板、玻动纤维纸、合成纤维等无纺布）为过滤介质，当悬浮液通过滤布时，固体颗粒被滤布所阻拦逐渐形成滤饼（滤渣），当滤饼至一定厚度时即起过滤作用。特点：滤饼起主要的过滤作用，适合于固体容量大于0.1g/100mL（悬浮液的过滤分离）。第三节第三节 固液分离工程及设备固液分离工程及设备第第三三章章 发发酵酵液液预预处处理理2、真空转鼓过滤机（大规模生物工业生产，常用的过滤设备之一）（1）特点 自动化程度高、操作连续、处理量大；适合于固体含量较大（10%）的悬浮液的分离；一般不适合于菌体较小和粘度较大的细菌发酵液的过滤。（可以离心）

21、所得固相的干度较差。第三节第三节 固液分离工程及设备固液分离工程及设备第第三三章章 发发酵酵液液预预处处理理（2 2）工作过程）工作过程 第三节第三节 固液分离工程及设备固液分离工程及设备第第三三章章 发发酵酵液液预预处处理理第三节第三节 固液分离工程及设备固液分离工程及设备第第三三章章 发发酵酵液液预预处处理理第三节第三节 固液分离工程及设备固液分离工程及设备第第三三章章 发发酵酵液液预预处处理理第三节第三节 固液分离工程及设备固液分离工程及设备第第三三章章 发发酵酵液液预预处处理理第三节第三节 固液分离工程及设备固液分离工程及设备第第三三章章 发发酵酵液液预预处处理理第三节第三节 固液分离工程及设备固液分离工程及设备第第三三章章 发发酵酵液液预预处处理理练习：1、何谓过滤2、凝聚和絮凝的区别3、离心设备可分为哪两大类