1、生物工业下游技术生物工业下游技术-第三章第三章 发酵液预处理发酵液预处理发酵液成分发酵液成分：微生物菌体及残存的固体培养基外，还有未被微：微生物菌体及残存的固体培养基外，还有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。代谢产物。目的目的：分离菌体和其他悬浮颗粒，除去部分可溶性杂质和改变：分离菌体和其他悬浮颗粒，除去部分可溶性杂质和改变滤液的性质，以利于提取和精制后继各工序的顺利进行。滤液的性质，以利于提取和精制后继各工序的顺利进行。方法选择方法选择：对于胞外产物，经预处理应尽可能使目的产物转移：对于胞外产物，经预处理应
2、尽可能使目的产物转移到液相，然后经固液分离除去固相；对于胞内产物，则应首到液相，然后经固液分离除去固相；对于胞内产物，则应首先收集菌体或细胞，经细胞破碎后先收集菌体或细胞，经细胞破碎后,目的产物进入液相，随目的产物进入液相，随后再将细胞碎片分离。后再将细胞碎片分离。-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微生物发酵液的特性可归纳为：微生物发酵液的特性可归纳为：发酵产物浓度较低，大多为发酵产物浓度较低，大多为1一一10，悬浮液中大部分，悬浮液中大部分是水；是水；悬浮物颗粒小，相对密度与液相相差不大；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；固体粒子可压缩性大；液相
3、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；性质不稳定，随时间变化，如易受空气氧化、微生物污性质不稳定，随时间变化，如易受空气氧化、微生物污染、蛋白酶水解等作用的影响。染、蛋白酶水解等作用的影响。这些特性使得发酵液的过滤与分离相当困难。这些特性使得发酵液的过滤与分离相当困难。-改善发酵液过滤特性的物理化学方法改善发酵液过滤特性的物理化学方法 通过对发酵液进行适当的预处理，即可改善其流体通过对发酵液进行适当的预处理，即可改善其流体性能，降低滤饼比阻，提高过滤与分离的速率。性能，降低滤饼比阻，提高过滤与分离的速率。一、一、降低液体粘度降低液体粘度：加水稀释法和加热法：加水稀释法和加
4、热法二、二、调整调整pH：等电点沉淀法：等电点沉淀法三、三、凝聚与絮凝凝聚与絮凝四、四、加入助滤剂加入助滤剂：助滤剂是一种不可压缩的多孔微粒，它：助滤剂是一种不可压缩的多孔微粒，它能使滤饼疏松，滤速增大。如：硅藻土、纤维素、石棉能使滤饼疏松，滤速增大。如：硅藻土、纤维素、石棉粉、珍珠岩、白土、炭粒、淀粉等。粉、珍珠岩、白土、炭粒、淀粉等。五、五、加入反应剂加入反应剂：不影响目的产物，可消除发酵液中某些：不影响目的产物，可消除发酵液中某些杂质对过滤的影响，提高过滤速率。杂质对过滤的影响，提高过滤速率。-凝聚与絮凝凝聚与絮凝凝聚凝聚：指在电解质作用下，由于胶粒之间双电层电排斥作用降低，电位：指在电
5、解质作用下，由于胶粒之间双电层电排斥作用降低，电位下降，而使胶体体系不稳定的现象。下降，而使胶体体系不稳定的现象。凝聚值凝聚值：使胶粒发生凝聚作用的最小电解质浓度。反离子的价数越高，：使胶粒发生凝聚作用的最小电解质浓度。反离子的价数越高，该值就越小，即凝聚能力越强。该值就越小，即凝聚能力越强。絮凝：絮凝：指在某些高分子絮凝剂存在下，基于桥架作用，使胶粒形成较大指在某些高分子絮凝剂存在下，基于桥架作用，使胶粒形成较大絮凝团的过程。絮凝团的过程。絮凝剂：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，它们具有长链状结构
6、，其链节上含有许多活性官万至一千万以上，它们具有长链状结构，其链节上含有许多活性官能团，包括带电荷的阴离子或阳离子基团以及不带电荷的非离子型能团，包括带电荷的阴离子或阳离子基团以及不带电荷的非离子型基团。基团。目前，最常用的絮凝剂是有机合成的聚丙烯酰胺。目前，最常用的絮凝剂是有机合成的聚丙烯酰胺。-第二节第二节 发酵液的相对纯化发酵液的相对纯化 发酵液中杂质很多，其中有些杂质不仅直接影响产发酵液中杂质很多，其中有些杂质不仅直接影响产品质量和收得率，同时对后续提取和精制有很大影响。品质量和收得率，同时对后续提取和精制有很大影响。一、一、高价无机离子的除去高价无机离子的除去 发酵液中主要的无机离子
7、有：发酵液中主要的无机离子有：Ca2+；Mg2+；Fe2+等。等。二、二、杂蛋白质的除去杂蛋白质的除去(1)沉淀法沉淀法：蛋白质是两性物质，在酸性溶液中，能与一些阴离子蛋白质是两性物质，在酸性溶液中，能与一些阴离子（三氯乙酸盐、水扬酸盐）形成沉淀；在碱性溶液中，能与一些阳（三氯乙酸盐、水扬酸盐）形成沉淀；在碱性溶液中，能与一些阳离子（离子（Ag+、Cu2+、Zn2+、Fe3+等）形成沉淀。等）形成沉淀。(2)变性法：变性法：使蛋白质变性的方法很多，如：加热，调节使蛋白质变性的方法很多，如：加热，调节PH，有机，有机溶剂，表面活性剂等。其中最常用的是加热法。溶剂，表面活性剂等。其中最常用的是加热
8、法。(3)吸附法：吸附法：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。-第三节第三节 固液分离工程及设备固液分离工程及设备范围范围：培养基、发酵液、某些中间产品和半成品。：培养基、发酵液、某些中间产品和半成品。其中发酵液由于种类多、粘度大和成分复杂，分其中发酵液由于种类多、粘度大和成分复杂，分离最为困难。离最为困难。方法方法：分离筛、重力沉降、浮选分离、离心分离和：分离筛、重力沉降、浮选分离、离心分离和过滤等，其中用于发酵液固液分离的主要是离心过滤等，其中用于发酵液固液分离的主要是离心分离和过滤分离。分离和过滤分离。一、一、离心分离离心分离 二、二、过滤
9、分离过滤分离-一、离心分离一、离心分离原理原理：利用转鼓高速转动所产生的离心力来实：利用转鼓高速转动所产生的离心力来实现悬浮液、乳浊液的分离或浓缩。现悬浮液、乳浊液的分离或浓缩。优点优点：分离速率快、分离效率高、液相澄清度好：分离速率快、分离效率高、液相澄清度好等。等。缺点缺点：设备投资高、能耗大。此外，连续排料时，：设备投资高、能耗大。此外，连续排料时，固相干度不如过滤设备。固相干度不如过滤设备。种类种类：多，按其作用原理不同，可分为过滤式离：多，按其作用原理不同，可分为过滤式离心机和沉降式离心机两大类。心机和沉降式离心机两大类。-1碟片式离心机碟片式离心机-2管管式式离离心心机机-3倾析式
10、离心机倾析式离心机-二、过滤二、过滤原理原理：悬浮液通过过滤介质时，固态颗粒与溶液分离。：悬浮液通过过滤介质时，固态颗粒与溶液分离。过滤操作可分为澄清过滤和滤饼过滤两种。过滤操作可分为澄清过滤和滤饼过滤两种。澄清过滤澄清过滤：所用的过滤介质为硅藻土、砂、颗粒活性炭、玻：所用的过滤介质为硅藻土、砂、颗粒活性炭、玻璃珠、塑料颗粒等，填充于过滤器内即构成过滤层；也璃珠、塑料颗粒等，填充于过滤器内即构成过滤层；也有用烧结陶瓷、烧结金属、粘合塑料及用金属丝绕成的有用烧结陶瓷、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。管子等组成的成型颗粒滤层。滤饼过滤滤饼过滤：过滤介质为滤布，包括天然或
11、合成纤维织布、金：过滤介质为滤布，包括天然或合成纤维织布、金属织布属织布;毡、石棉扳、玻璃纤维纸、合成纤维等无纺布。毡、石棉扳、玻璃纤维纸、合成纤维等无纺布。滤饼过滤按推动力的不同可以分为四种，即重力过滤、滤饼过滤按推动力的不同可以分为四种，即重力过滤、加压过滤、真空过滤和离心过滤。加压过滤、真空过滤和离心过滤。-1板框过滤机板框过滤机-2真真空空转转鼓鼓过过滤滤机机-3硅藻土过滤机硅藻土过滤机硅藻土硅藻土：较纯二氧化硅矿石。化学性能稳定，具有极大的吸附和渗透较纯二氧化硅矿石。化学性能稳定，具有极大的吸附和渗透能力，是良好的介质和助滤剂。能力，是良好的介质和助滤剂。使用方法使用方法：(1)作为
12、深层过滤介质，以过滤含少量作为深层过滤介质，以过滤含少量(01)悬浮固形物的液体。硅悬浮固形物的液体。硅藻土不规则粒子间形成许多曲折的毛细孔道，藉筛分和吸附作用除去藻土不规则粒子间形成许多曲折的毛细孔道，藉筛分和吸附作用除去悬浮液中的固体粒子。悬浮液中的固体粒子。(2)在支持介质在支持介质(滤布滤布)的表面上预涂硅藻土薄层的表面上预涂硅藻土薄层(预涂层预涂层)，以保护支持介，以保护支持介质的毛细孔道在较长时间内不被悬浮液中的固体粒子所堵塞，从而提质的毛细孔道在较长时间内不被悬浮液中的固体粒子所堵塞，从而提高和稳定过滤速率。高和稳定过滤速率。(3)将适当的硅藻土分散在待过滤的悬浮液中，使形成的滤
13、饼具有多孔隙将适当的硅藻土分散在待过滤的悬浮液中，使形成的滤饼具有多孔隙性，降低滤饼的可压缩性，以提高过滤速率和延长过滤操作的周期。性，降低滤饼的可压缩性，以提高过滤速率和延长过滤操作的周期。用量用量：预涂，预涂，500g/m2左右，左右，2-4mm厚；加入，厚；加入，01左右。左右。-三、其他固液分离方法三、其他固液分离方法 1切向流过滤：切向流过滤：又称错流过滤、交叉过滤和十字流过滤，又称错流过滤、交叉过滤和十字流过滤，是一种维持恒压下高速过滤的技术。其操作特点是使悬浮是一种维持恒压下高速过滤的技术。其操作特点是使悬浮液在过滤介质表面作切向流动，利用流动的剪切作用将过液在过滤介质表面作切向
14、流动，利用流动的剪切作用将过滤介质表面的固体滤介质表面的固体(滤饼滤饼)移走，过滤速率就近似恒定。移走，过滤速率就近似恒定。(1)用泵循环使悬浮液流经过滤介质。用泵循环使悬浮液流经过滤介质。(2)在过滤介质表面加以搅拌造成流动，产生切向流。在过滤介质表面加以搅拌造成流动，产生切向流。2双水相萃取双水相萃取3吸附法吸附法：优点在于设备简单、能耗低，主要的问题是很：优点在于设备简单、能耗低，主要的问题是很难选择合适的吸附剂，以保证目的产物不致于被吸附而损难选择合适的吸附剂，以保证目的产物不致于被吸附而损失。失。-第三节第三节 破碎率的测定与破碎破碎率的测定与破碎 技术的研究方向技术的研究方向一、破碎率的测定一、破碎率的测定 1直接测定法直接测定法 2目的产物测定法目的产物测定法 3导电率测定法导电率测定法二、破碎技术的研究方向二、破碎技术的研究方向 1多种破碎方法相结合多种破碎方法相结合 2与上游过程相结合与上游过程相结合 3与下游过程相结合与下游过程相结合-
