分離與純化（課堂PPT）

1、1生物工業(yè)下游技術生物工業(yè)下游技術2第三章第三章 發(fā)酵液預處理發(fā)酵液預處理發(fā)酵液成分發(fā)酵液成分：微生物菌體及殘存的固體培養(yǎng)基外，還有未被微：微生物菌體及殘存的固體培養(yǎng)基外，還有未被微生物完全利用的糖類、無機鹽、蛋白質，以及微生物的各種生物完全利用的糖類、無機鹽、蛋白質，以及微生物的各種代謝產物。代謝產物。目的目的：分離菌體和其他懸浮顆粒，除去部分可溶性雜質和改變：分離菌體和其他懸浮顆粒，除去部分可溶性雜質和改變?yōu)V液的性質，以利于提取和精制后繼各工序的順利進行。濾液的性質，以利于提取和精制后繼各工序的順利進行。方法選擇方法選擇：對于胞外產物，經預處理應盡可能使目的產物轉移：對于胞外產物，經預處理

2、應盡可能使目的產物轉移到液相，然后經固液分離除去固相；對于胞內產物，則應首到液相，然后經固液分離除去固相；對于胞內產物，則應首先收集菌體或細胞，經細胞破碎后先收集菌體或細胞，經細胞破碎后,目的產物進入液相，隨目的產物進入液相，隨后再將細胞碎片分離。后再將細胞碎片分離。3第一節(jié)第一節(jié) 發(fā)酵液過濾特性的改變發(fā)酵液過濾特性的改變微生物發(fā)酵液的特性可歸納為：微生物發(fā)酵液的特性可歸納為：發(fā)酵產物濃度較低，大多為發(fā)酵產物濃度較低，大多為1一一10，懸浮液中大部分，懸浮液中大部分是水；是水；懸浮物顆粒小，相對密度與液相相差不大；懸浮物顆粒小，相對密度與液相相差不大；固體粒子可壓縮性大；固體粒子可壓縮性大；液

3、相粘度大，大多為非牛頓型流體；液相粘度大，大多為非牛頓型流體；性質不穩(wěn)定，隨時間變化，如易受空氣氧化、微生物污性質不穩(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。染、蛋白酶水解等作用的影響。 這些特性使得發(fā)酵液的過濾與分離相當困難。這些特性使得發(fā)酵液的過濾與分離相當困難。4改善發(fā)酵液過濾特性的物理化學方法改善發(fā)酵液過濾特性的物理化學方法 通過對發(fā)酵液進行適當?shù)念A處理，即可改善其流體通過對發(fā)酵液進行適當?shù)念A處理，即可改善其流體性能，降低濾餅比阻，提高過濾與分離的速率。性能，降低濾餅比阻，提高過濾與分離的速率。一、一、降低液體粘度降低液體粘度：加水稀釋法和加熱法：加水稀釋法

4、和加熱法二、二、調整調整pH：等電點沉淀法：等電點沉淀法三、三、凝聚與絮凝凝聚與絮凝四、四、加入助濾劑加入助濾劑：助濾劑是一種不可壓縮的多孔微粒，它：助濾劑是一種不可壓縮的多孔微粒，它能使濾餅疏松，濾速增大。如：硅藻土、纖維素、石棉能使濾餅疏松，濾速增大。如：硅藻土、纖維素、石棉粉、珍珠巖、白土、炭粒、淀粉等。粉、珍珠巖、白土、炭粒、淀粉等。五、五、加入反應劑加入反應劑：不影響目的產物，可消除發(fā)酵液中某些：不影響目的產物，可消除發(fā)酵液中某些雜質對過濾的影響，提高過濾速率。雜質對過濾的影響，提高過濾速率。5凝聚與絮凝凝聚與絮凝凝聚凝聚：指在電解質作用下，由于膠粒之間雙電層電排斥作用降低，電位：指

5、在電解質作用下，由于膠粒之間雙電層電排斥作用降低，電位下降，而使膠體體系不穩(wěn)定的現(xiàn)象。下降，而使膠體體系不穩(wěn)定的現(xiàn)象。 凝聚值凝聚值：使膠粒發(fā)生凝聚作用的最小電解質濃度。反離子的價數(shù)越高，：使膠粒發(fā)生凝聚作用的最小電解質濃度。反離子的價數(shù)越高，該值就越小，即凝聚能力越強。該值就越小，即凝聚能力越強。絮凝：絮凝：指在某些高分子絮凝劑存在下，基于橋架作用，使膠粒形成較大指在某些高分子絮凝劑存在下，基于橋架作用，使膠粒形成較大絮凝團的過程。絮凝團的過程。 絮凝劑：絮凝劑：是一種能溶于水的高分子聚合物，其相對分子質量可高達數(shù)是一種能溶于水的高分子聚合物，其相對分子質量可高達數(shù)萬至一千萬以上，它們具有長

6、鏈狀結構，其鏈節(jié)上含有許多活性官萬至一千萬以上，它們具有長鏈狀結構，其鏈節(jié)上含有許多活性官能團，包括帶電荷的陰離子或陽離子基團以及不帶電荷的非離子型能團，包括帶電荷的陰離子或陽離子基團以及不帶電荷的非離子型基團。基團。 目前，最常用的絮凝劑是有機合成的聚丙烯酰胺。目前，最常用的絮凝劑是有機合成的聚丙烯酰胺。67第二節(jié)第二節(jié) 發(fā)酵液的相對純化發(fā)酵液的相對純化 發(fā)酵液中雜質很多，其中有些雜質不僅直接影響產發(fā)酵液中雜質很多，其中有些雜質不僅直接影響產品質量和收得率，同時對后續(xù)提取和精制有很大影響。品質量和收得率，同時對后續(xù)提取和精制有很大影響。一、一、高價無機離子的除去高價無機離子的除去 發(fā)酵液中主

7、要的無機離子有：發(fā)酵液中主要的無機離子有：Ca2+；Mg2+；Fe2+等。等。二、二、雜蛋白質的除去雜蛋白質的除去(1) 沉淀法沉淀法：蛋白質是兩性物質，在酸性溶液中，能與一些陰離子蛋白質是兩性物質，在酸性溶液中，能與一些陰離子（三氯乙酸鹽、水揚酸鹽）形成沉淀；在堿性溶液中，能與一些陽（三氯乙酸鹽、水揚酸鹽）形成沉淀；在堿性溶液中，能與一些陽離子（離子（Ag+、Cu2+、Zn2+、Fe3+等）形成沉淀。等）形成沉淀。(2) 變性法：變性法：使蛋白質變性的方法很多，如：加熱，調節(jié)使蛋白質變性的方法很多，如：加熱，調節(jié)PH，有機，有機溶劑，表面活性劑等。其中最常用的是加熱法。溶劑，表面活性劑等。其

8、中最常用的是加熱法。(3) 吸附法：吸附法：加入某些吸附劑或沉淀劑吸附雜蛋白質而除去。加入某些吸附劑或沉淀劑吸附雜蛋白質而除去。8第三節(jié)第三節(jié) 固液分離工程及設備固液分離工程及設備范圍范圍：培養(yǎng)基、發(fā)酵液、某些中間產品和半成品。：培養(yǎng)基、發(fā)酵液、某些中間產品和半成品。其中發(fā)酵液由于種類多、粘度大和成分復雜，分其中發(fā)酵液由于種類多、粘度大和成分復雜，分離最為困難。離最為困難。方法方法：分離篩、重力沉降、浮選分離、離心分離和：分離篩、重力沉降、浮選分離、離心分離和過濾等，其中用于發(fā)酵液固液分離的主要是離心過濾等，其中用于發(fā)酵液固液分離的主要是離心分離和過濾分離。分離和過濾分離。 一、一、離心分離離

9、心分離 二、二、過濾分離過濾分離9一、離心分離一、離心分離原理原理：利用轉鼓高速轉動所產生的離心力來實：利用轉鼓高速轉動所產生的離心力來實現(xiàn)懸浮液、乳濁液的分離或濃縮?，F(xiàn)懸浮液、乳濁液的分離或濃縮。優(yōu)點優(yōu)點：分離速率快、分離效率高、液相澄清度好：分離速率快、分離效率高、液相澄清度好等。等。缺點缺點：設備投資高、能耗大。此外，連續(xù)排料時，：設備投資高、能耗大。此外，連續(xù)排料時，固相干度不如過濾設備。固相干度不如過濾設備。種類種類：多，按其作用原理不同，可分為過濾式離：多，按其作用原理不同，可分為過濾式離心機和沉降式離心機兩大類。心機和沉降式離心機兩大類。10 1碟片式離心機碟片式離心機11 2管

10、管式式離離心心機機123傾析式離心機傾析式離心機13二、過濾二、過濾原理原理：懸浮液通過過濾介質時，固態(tài)顆粒與溶液分離。：懸浮液通過過濾介質時，固態(tài)顆粒與溶液分離。 過濾操作可分為澄清過濾和濾餅過濾兩種。過濾操作可分為澄清過濾和濾餅過濾兩種。澄清過濾澄清過濾：所用的過濾介質為硅藻土、砂、顆?；钚蕴?、：所用的過濾介質為硅藻土、砂、顆?；钚蕴?、玻璃珠、塑料顆粒等，填充于過濾器內即構成過濾層；玻璃珠、塑料顆粒等，填充于過濾器內即構成過濾層；也有用燒結陶瓷、燒結金屬、粘合塑料及用金屬絲繞成也有用燒結陶瓷、燒結金屬、粘合塑料及用金屬絲繞成的管子等組成的成型顆粒濾層。的管子等組成的成型顆粒濾層。濾餅過濾濾

11、餅過濾：過濾介質為濾布，包括天然或合成纖維織布、：過濾介質為濾布，包括天然或合成纖維織布、金屬織布金屬織布;氈、石棉扳、玻璃纖維紙、合成纖維等無紡布。氈、石棉扳、玻璃纖維紙、合成纖維等無紡布。 濾餅過濾按推動力的不同可以分為四種，即重力過濾、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。加壓過濾、真空過濾和離心過濾。141板框過濾機板框過濾機15162真真空空轉轉鼓鼓過過濾濾機機173硅藻土過濾機硅藻土過濾機硅藻土硅藻土：較純二氧化硅礦石?；瘜W性能穩(wěn)定，具有極大的吸附和滲透較純二氧化硅礦石?；瘜W性能穩(wěn)定，具有極大的吸附和滲透能力，是良好的介質和助濾劑。能力，是良

12、好的介質和助濾劑。使用方法使用方法：(1)作為深層過濾介質，以過濾含少量作為深層過濾介質，以過濾含少量(01)懸浮固形物的液體。硅懸浮固形物的液體。硅藻土不規(guī)則粒子間形成許多曲折的毛細孔道，藉篩分和吸附作用除去藻土不規(guī)則粒子間形成許多曲折的毛細孔道，藉篩分和吸附作用除去懸浮液中的固體粒子。懸浮液中的固體粒子。(2)在支持介質在支持介質(濾布濾布)的表面上預涂硅藻土薄層的表面上預涂硅藻土薄層(預涂層預涂層)，以保護支持介，以保護支持介質的毛細孔道在較長時間內不被懸浮液中的固體粒子所堵塞，從而提質的毛細孔道在較長時間內不被懸浮液中的固體粒子所堵塞，從而提高和穩(wěn)定過濾速率。高和穩(wěn)定過濾速率。(3)將

13、適當?shù)墓柙逋练稚⒃诖^濾的懸浮液中，使形成的濾餅具有多孔隙將適當?shù)墓柙逋练稚⒃诖^濾的懸浮液中，使形成的濾餅具有多孔隙性，降低濾餅的可壓縮性，以提高過濾速率和延長過濾操作的周期。性，降低濾餅的可壓縮性，以提高過濾速率和延長過濾操作的周期。用量用量：預涂，預涂，500g/m2左右，左右，2-4mm厚；加入，厚；加入， 01左右。左右。18三、其他固液分離方法三、其他固液分離方法 1切向流過濾：切向流過濾：又稱錯流過濾、交叉過濾和十字流過濾，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。其操作特點是使懸浮是一種維持恒壓下高速過濾的技術。其操作特點是使懸浮液在過濾介質表面作切向流動，利用流動的剪切作用將過液在過濾介質表面作切向流動，利用流動的剪切作用將過濾介質表面的固體濾介質表面的固體(濾餅濾餅)移走，過濾速率就近似恒定。移走，過濾速率就近似恒定。 (1)用泵循環(huán)使懸浮液流經過濾介質。用泵循環(huán)使懸浮液流經過濾介質。 (2)在過濾介質表面加以攪拌造成流動，產生切向流。在過濾介質表面加以攪拌造成流動，產生切向流。2雙水相萃取雙水相萃取3吸附法吸附法：優(yōu)點在于設備簡單、能耗低，主要的問題是很：優(yōu)點在于設備簡單、能耗低，主要的問題是很難選擇合適的吸附劑，以保證目的產物不