發(fā)酵液的預(yù)處理和菌體的回收.ppt

第二章發(fā)酵液的預(yù)處理和菌體的回收 固體顆粒沉降速度 與固液分離相關(guān)的微生物發(fā)酵液特性 發(fā)酵產(chǎn)物濃度較低 大多為1 10 懸浮液中大部分是水 處理體積量大 各類細(xì)胞的顆粒小 相對密度與液相相差不大 細(xì)胞含水量大 可壓縮性大 一經(jīng)壓縮就會變形 流變特性復(fù)雜 液相粘度大 吸附在濾布上 性質(zhì)不穩(wěn)定 隨時間變化 如易受空氣氧化 微生物污染 蛋白酶水解等作用的影響 動植物細(xì)胞沒有微生物細(xì)胞耐剪切 不適于離心 因此 這些特性使得發(fā)酵液的過濾與離心相當(dāng)困難 工業(yè)技術(shù)中典型的固體粒子 發(fā)酵液的預(yù)處理 發(fā)酵液的預(yù)處理目的和內(nèi)容 改變發(fā)酵液的物理性質(zhì) 促進(jìn)從懸浮液中分離固形物的速度 提高固液分離器的效率 分離菌體和其他懸浮顆粒 除去部分可溶性雜質(zhì)和改變?yōu)V液的性質(zhì) 以利于提取和精制后繼各工序的順利進(jìn)行 發(fā)酵液的預(yù)處理主要包括 發(fā)酵液過濾特性的改變 相對純化 濾餅的過濾速率 一 發(fā)酵液過濾特性的改變目的 通過對發(fā)酵液進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)處理 即可改善其流體性能 降低濾餅阻力 提高過濾與分離的速率 方法 調(diào)酸 等電點(diǎn) 熱處理 電解質(zhì)處理 添加凝聚劑 添加表面活性物質(zhì) 添加反應(yīng)劑 冷凍 解凍及添加助濾劑等 濾餅的過濾速率 1降低液體粘度 加水稀釋法 能降低液體粘度 但會增加懸浮液的體積 加大后繼過程的處理任務(wù) 而且 單從過濾操作看 稀釋后過濾速率提高的百分比必須大于加水比才能認(rèn)為有效 即若加水一倍 則稀釋后液體的粘度必須下降50 以上才能有效提高過濾速率 升高溫度 可有效降低液體粘度 提高過濾速率 同時 在適當(dāng)溫度和受熱時間下可使蛋白質(zhì)凝聚 形成較大顆粒的凝聚物 進(jìn)一步改善了發(fā)酵液的過濾特性 注意事項(xiàng) 嚴(yán)格控制加熱溫度與時間 首先 加熱的溫度必須控制在不影響目的產(chǎn)物活性變質(zhì)的范圍內(nèi) 其次 溫度過高或時間過長 會使細(xì)胞溶解 胞內(nèi)物質(zhì)外溢 增加發(fā)酵液的復(fù)雜性 影響其后的產(chǎn)物分離與純化 2調(diào)整pHpH值直接影響發(fā)酵液中某些物質(zhì)的電離度和電荷性質(zhì) 適當(dāng)調(diào)節(jié)pH值可改善其過濾特性 此法是發(fā)酵工業(yè)中發(fā)酵液預(yù)處理較常用的方法之一 如利用酸堿性來調(diào)液pH值使蛋白質(zhì)等兩性物質(zhì)達(dá)到等電點(diǎn)得以除去 又如過濾中 發(fā)酵液中的大分子物質(zhì)易與膜發(fā)生吸附 通過調(diào)整pH值改變易吸附分子的電荷性質(zhì) 即可減少堵塞和污染 細(xì)胞組成 3凝聚與絮凝采用凝聚和絮凝技術(shù)能有效改變細(xì)胞 細(xì)胞碎片及溶解大分子物質(zhì)的分散狀態(tài) 使其聚結(jié)成較大的顆粒 便于提高過濾速率 除此之外 還能有效地除去雜蛋白質(zhì)和固體雜質(zhì) 提高濾液質(zhì)量 因此 凝聚和絮凝是目前工業(yè)上最常用的預(yù)處理方法之一 常用于菌體細(xì)小而且粘度大的發(fā)酵液的預(yù)處理 凝聚作用就是向膠體懸浮液中加入某種電解質(zhì) 在電解質(zhì)中異電離子作用下 膠粒的雙電層電位降低 使膠體體系不穩(wěn)定 膠體粒子間因相互碰撞而產(chǎn)生凝集 1mm左右 的現(xiàn)象 Al3 Fe3 H Ca2 Mg2 K Na Li 常用的凝聚電解質(zhì)有硫酸鋁 明礬 氯化鋁 三氯化鐵 硫酸亞鐵 石灰 硫酸鋅 碳酸鎂等 膠體雙電層的構(gòu)造 絮凝是指在某些高分子絮凝劑存在下 基于橋架作用 當(dāng)一個高分子聚合物的許多鏈節(jié)分別吸附在不同的膠粒表面上 產(chǎn)生橋架聯(lián)接時 形成粗大的絮凝團(tuán) 10mm 的過程 絮凝是一種以物理的集合為主的過程 絮凝劑是一種能溶于水的高分子聚合物 其相對分子質(zhì)量可高達(dá)數(shù)萬至一千萬以上 它們具有長鏈狀結(jié)構(gòu) 其鏈節(jié)上含有許多活性官能團(tuán) 這些基團(tuán)通過靜電引力 范德華引力或氫鍵的作用 強(qiáng)烈地吸附在膠粒的表面 絮凝劑的化學(xué)結(jié)構(gòu) 1 要求其分子必須含有相當(dāng)多的活性官能團(tuán) 使之能和膠粒表面相結(jié)合 2 具有長鏈的線性結(jié)構(gòu) 以便同時與多個膠粒吸附形成較大的絮團(tuán) 3 相對分子質(zhì)量不能超過一定限度 以使其具有良好的溶解性 根據(jù)其活性基團(tuán)在水中解離情況的不同 絮凝劑可分為非離子型 陰離子型和陽離子型三類 根據(jù)其來源的不同 工業(yè)上使用的絮凝劑又可分為如下三類 1 有機(jī)高分子聚合物 如聚丙烯酰胺類衍生物 聚苯乙類衍生物 2 無機(jī)高分子聚合物 如聚合鋁鹽 聚合鐵鹽等 3 天然有機(jī)高分子絮凝劑 如聚糖類膠粘物 海藻酸鈉 明膠 骨膠 殼多糖 脫乙酰殼多糖等 絮凝劑的分類 絮凝效果與絮凝劑的加量 相對分子質(zhì)量和類型 溶液的pH 攪拌轉(zhuǎn)速和時間等因素有關(guān) 影響絮凝效果的因素 帶負(fù)電荷的菌體或蛋白質(zhì) 陽離子型高分子絮凝劑 非離子型和陰離子型高分子絮凝劑 電解質(zhì) 非離子型和陰離子型高分子絮凝劑 包括凝聚和絮凝機(jī)理的過程 稱為混凝 4加入助濾劑助濾劑是一種不可壓縮的多孔微粒 它能使濾餅疏松 吸附膠體 擴(kuò)大過濾面積 濾速增大 常用的助濾劑有硅藻土 纖維素 石棉粉 珍珠巖 白土 炭粒 淀粉等 其中最常用的是硅藻土 助濾劑的使用方法有兩種 一種是在過濾介質(zhì)表面預(yù)涂助濾劑 另一種是直接加入發(fā)酵液 也可兩種方法同時兼用 助濾劑使用要點(diǎn) 根據(jù)目的產(chǎn)物選擇助濾劑品種根據(jù)過濾介質(zhì)和過濾情況選擇助濾劑品種粒度選擇使用量選擇 5加入反應(yīng)劑利用反應(yīng)劑和某些可溶性鹽類發(fā)生反應(yīng)生成不溶性沉淀 作用 生成的沉淀能防止菌絲體粘結(jié) 使菌絲具有塊狀結(jié)構(gòu) 沉淀本身可作為助濾劑 并且能使膠狀物和懸浮物凝固 消除發(fā)酵液中某些雜質(zhì)對過濾的影響 從而改善過濾性能 舉例 如在新生霉素發(fā)酵液中加入氯化鈣和磷酸鈉 環(huán)絲氨酸發(fā)酵液用氧化鈣和磷酸處理 生成磷酸鈣沉淀 二 發(fā)酵液的相對純化高價無機(jī)離子的存在 影響樹脂對生化物質(zhì)的交換容量 可溶性蛋白質(zhì)的存在 降低離子交換和吸附法提取時交換容量和吸附能力 在有機(jī)溶劑法或雙水相萃取時 易產(chǎn)生乳化現(xiàn)象 使兩相分離不清 在常規(guī)過濾或膜過濾時 易使過濾介質(zhì)堵塞或受污染 影響過濾速率 1高價無機(jī)離子的除去去除鈣離子 通常使用草酸 但由于草酸溶解度較小 不適合用量較大的場合 可用其可溶性鹽 草酸價格昂貴 注意回收 去除鎂離子 加入三聚磷酸鈉 與鎂離子形成絡(luò)合物 用磷酸鹽處理 也能大大降低鈣離子和鎂離子的濃度 例如 環(huán)絲氨酸的提取 去除鐵離子 可加入黃血鹽 使其形成普魯士藍(lán)沉淀而除去 2雜蛋白質(zhì)的除去 1 沉淀法蛋白質(zhì)在酸性溶液中 能與一些陰離子 如三氯乙酸鹽 水楊酸鹽 鎢酸鹽 苦味酸鹽 鞣酸鹽 過氯酸鹽等形成沉淀 在堿性溶液中 能與一些陽離子如Ag Cu2 Zn2 Fe3 和Pb2 等形成沉淀 2 吸附法加入某些吸附劑或沉淀劑吸附雜蛋白質(zhì)而除去 例如 在枯草芽孢桿菌發(fā)酵液中 加入氯化鈣和磷酸氫二鈉 兩者生成龐大的凝膠 把蛋白質(zhì) 菌體及其他不溶性粒子吸附并包裹在其中而除去 從而可加快過濾速率 3 變性法加熱 大幅度調(diào)節(jié)pH 加酒精等有機(jī)溶劑或表面活性劑等 例如 在抗生素生產(chǎn)中 常將發(fā)酵液pH調(diào)至偏酸性范圍 pH2 3 或較堿性范圍 pH8 9 使蛋白質(zhì)凝固 一般以酸性下除去的蛋白質(zhì)較多 變性法的局限性 加熱法只適合于對熱較穩(wěn)定的目的產(chǎn)物 極端pH也會導(dǎo)致某些目的產(chǎn)物失活 并且要消耗大量酸堿 而有機(jī)溶劑法通常只適用于所處理的液體數(shù)量較少的場合 二 固液分離發(fā)酵液固液分離的主要是離心分離和過濾 不同性狀的發(fā)酵液應(yīng)選擇不同的固液分離方法霉菌和放線菌發(fā)酵液 過濾方法細(xì)菌和酵母菌發(fā)酵液 未經(jīng)預(yù)處理 高速離心 細(xì)菌和酵母菌發(fā)酵液 進(jìn)行預(yù)處理 過濾方法 舉例 如菌體較小的氨基酸發(fā)酵液 采用絮凝和添加助濾劑等方法進(jìn)行預(yù)處理后 即可用板框過濾機(jī)或帶式過濾機(jī)進(jìn)行菌體分離 一 離心分離離心分離是利用轉(zhuǎn)鼓高速轉(zhuǎn)動所產(chǎn)生的離心力 來實(shí)現(xiàn)懸浮液 乳濁液分離或濃縮的分離的過程 特點(diǎn) 分離速率快 分離效率高 液相澄清度好等優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn) 設(shè)備投資高 能耗大 此外連續(xù)排料時 固相干度不如過濾設(shè)備 碟片式離心機(jī) 按卸料方式的不同 碟片式離心機(jī)分為 人工卸料自動間歇排料噴嘴連續(xù)排料特點(diǎn) 前兩種適合于懸浮液固形顆粒含量較少的場合 間歇式操作 固相干度較好 而連續(xù)操作固相含液量較大 其固相仍具有流動性 適用范圍 碟片式離心機(jī)適應(yīng)于細(xì)菌 酵母菌 放線菌等多種微生物細(xì)胞懸浮液及細(xì)胞碎片懸浮液的分離 它的生產(chǎn)能力較大 最大允許處理量達(dá)300m3 h 一般用于大規(guī)模的分離過程 管式離心機(jī) 管式離心機(jī)也是一種沉降式離心機(jī) 可用于液液分離和固液分離 當(dāng)用于液液分離時為連續(xù)操作 而用于固液分離時則為間歇操作 操作一段時間后需將沉積于轉(zhuǎn)鼓壁上的固體定期人工卸除 管式離心機(jī)的轉(zhuǎn)鼓直徑較小 容量有限 因此生產(chǎn)能力較小 轉(zhuǎn)速相對較低的管式離心機(jī)最大處理量可達(dá)10m3 h 管式離心機(jī)除可用于微生物細(xì)胞的分離外 還可用于細(xì)胞碎片 細(xì)胞器 病毒 蛋白質(zhì) 核酸等生物大分子的分離 管式離心機(jī)設(shè)備簡單 操作穩(wěn)定 分離效率高 在生物工業(yè)中 特別適合于一般離心機(jī)難以分離而固形物含量 1 的發(fā)酵液的分離 對于固形物含量較高的發(fā)酵液 由于不能進(jìn)行連續(xù)分離 需頻繁拆機(jī)卸料 影響生產(chǎn)能力 且易損壞機(jī)件 傾析式離心機(jī)靠離心力和螺旋的推進(jìn)作用自動連續(xù)排渣 因而也稱為螺旋卸料沉降離心機(jī) 傾析式離心機(jī)的轉(zhuǎn)動部分由轉(zhuǎn)鼓及裝在轉(zhuǎn)鼓中的螺旋輸送器組成 兩者以稍有差別的轉(zhuǎn)速同向旋轉(zhuǎn) 在離心力作用下 固體顆粒發(fā)生沉降分離 沉積在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁上 堆積在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁上的固相靠螺旋推向轉(zhuǎn)鼓的錐形部分 從排渣口排出 優(yōu)點(diǎn) 具有操作連續(xù) 適應(yīng)性強(qiáng) 應(yīng)用范圍廣 結(jié)構(gòu)緊湊和維修方便等優(yōu)點(diǎn) 特別適合于含固形物較多的懸浮液的分離 缺點(diǎn) 這種離心機(jī)的分離效果較差 因而不適合于細(xì)菌 酵母菌等微小微生物懸浮液的分離 此外 液相的澄清度也相對較差 常用離心機(jī)的特性及選用 二 過濾根據(jù)過濾機(jī)理的不同 過濾操作可分為澄清過濾和濾餅過濾兩種 澄清過濾 將過濾介質(zhì)填充于過濾器內(nèi)構(gòu)成過濾層 當(dāng)懸浮液通過濾層時 固體顆粒被阻攔或吸在濾層的顆粒上 使濾液得以澄清 這種方法叫做澄清過濾 過濾介質(zhì) 硅藻土 砂 顆?；钚蕴?玻璃珠 塑料顆粒等 也有用燒結(jié)陶瓷 燒結(jié)金屬 粘合塑料及用金屬絲繞成的管子等組成的成型顆粒濾層 適合于固體含量少于0 1g l00ml 顆粒直徑在5 100 m的懸浮液的過濾分離 如河水 麥芽汁 酒類和飲料等的澄清 濾餅過濾 過濾介質(zhì)為濾布 包括天然或合成纖維織布 金屬織布 及氈 石棉板 玻璃纖維紙 合成纖維等無紡布 當(dāng)懸浮液通過濾布時 固體顆粒被濾布所阻攔而逐漸形成濾餅 或稱濾渣 當(dāng)濾餅至一定厚度時即起過濾作用 此時即可獲得澄清的濾液 這種方法叫做濾餅過濾或?yàn)V渣過濾 此種方法適合于固體含量 0 1g 100ml的懸浮液的過濾分離 濾餅過濾按推動力的不同可以分為四種 即重力過濾 加壓過濾 真空過濾和離心過濾 板框過濾機(jī)是一種傳統(tǒng)的過濾設(shè)備 在發(fā)酵工業(yè)中廣泛應(yīng)用于培養(yǎng)基制備的過濾及霉菌 放線菌 酵母菌和細(xì)菌等多種發(fā)酵液的固液分離 板框過濾機(jī) 特點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn) 結(jié)構(gòu)簡單 裝配緊湊 過濾面積大 過濾的推動力 壓力差 能大幅度調(diào)整 并能耐受較高的壓力差 因而固相含水分低 并能適應(yīng)不同過濾特性的發(fā)酵液的過濾 輔助設(shè)備少 維修方便 價格低和動力消耗少等 缺點(diǎn) 設(shè)備笨重 間歇操作 勞動強(qiáng)度大 衛(wèi)生條件差 輔助時間多和生產(chǎn)效率低 板框過濾機(jī)比較適合于固體含量1 10 的懸浮液的分離 特點(diǎn) 自動化程度高 操作連續(xù)和處理量大適合于固體含量較大 10 的懸浮液的分離 在發(fā)酵工業(yè)中廣泛用于霉菌 放線菌和酵母菌發(fā)酵液或細(xì)胞懸浮液的過濾分離 由于受推動力 真空度 的限制 真空轉(zhuǎn)鼓過濾機(jī)一般不適于菌體較小和粘度較大的細(xì)菌發(fā)酵液的過濾 此外 采用真空轉(zhuǎn)鼓過濾機(jī)過濾所得固相的干度不如加壓過濾 真空轉(zhuǎn)鼓過濾機(jī) 又稱錯流過濾 交叉過濾和十字流過濾 是一種維持恒壓下高速過濾的技術(shù) 其操作特點(diǎn)是使懸浮液