生物工業(yè)下游技術(shù)第二章發(fā)酵液的預(yù)處理

生物工業(yè)下游技術(shù)第二章發(fā)酵液的預(yù)處理第一頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期日預(yù)處理的目的：不僅在于分離菌體和其他懸浮顆粒，還著眼于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序進行。發(fā)酵液的成分：微生物菌體、殘存的固體培養(yǎng)基、未被完全利用的糖類、無機鹽、蛋白質(zhì)、微生物的各種代謝產(chǎn)物。第二頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期日第三頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期日第一節(jié)發(fā)酵液過濾特性的改變微生物發(fā)酵的特性：發(fā)酵產(chǎn)物濃度低，懸浮液大部分是水；懸浮物顆粒小，相對密度與液相相差?。还腆w粒子可壓縮性大；液相黏度大，大多為非牛頓型流體；性質(zhì)不穩(wěn)定隨時間變化，如易受空氣氧化、微生物污染、蛋白酶水解等影響。第四頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期日非牛頓型流體不服從牛頓摩擦定律的流體。一般粘性較大，且隨著流動速度而變化。例如石灰乳、泥漿、污水和許多高分子溶液等。

第五頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期日分離過程做到迅速加工，縮短停留時間；控制好操作溫度和pH值；減少或避免與空氣接觸受污染的機會；設(shè)計好各組分的分離順序。第六頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期日一、降低液體黏度黏度：液體在壓力、重力、剪切力等外力的作用下，分子間相互作用而產(chǎn)生阻礙分子間相對運動的能力，即液體流動的阻力。

濾液通過濾餅的速率與液體的黏度成反比，降低黏度可有效提高過濾速率。方法：加水稀釋和加熱法第七頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期日一、降低液體黏度水稀釋法注意事項：稀釋后過濾速度提高的百分比必須大于加水比。(即加水一倍，稀釋后液體的黏度必須下降50%以上才能有效提高過濾速度。)第八頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期日一、降低液體黏度加熱法注意事項：加熱可以降低液體黏度；適當溫度和受熱時間下使蛋白凝聚，形成大的凝聚物。如：鏈霉素發(fā)酵液，調(diào)酸至pH3后，加熱70℃，黏度下降至1/6，過濾速度可增加10～100倍。加熱法必須嚴格控制加熱溫度與時間。第九頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期日二、調(diào)整pH對于提取蛋白質(zhì)、氨基酸等目的產(chǎn)物常用的方法；對于提取小分子物質(zhì)，可以利用等電點方法去除蛋白質(zhì)等雜質(zhì)；在膜過濾中，減少堵塞和污染；細胞、細胞碎片和一些膠體物質(zhì)絮凝成為大顆粒，利于過濾。第十頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期日三、凝聚與絮凝凝聚：在電解質(zhì)作用下，由于膠粒之間雙電層電排斥作用降低，電位下降，使膠體體系不穩(wěn)定。絮凝：在某些高分子絮凝劑作用下，基于橋架作用，使膠粒形成較大絮凝團的過程。第十一頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期日第十二頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期日三、凝聚與絮凝凝聚與絮凝的目的：能有效改變細胞、細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，便于提高過濾速度；還能有效除去雜蛋白質(zhì)和固體雜質(zhì)，提高濾液質(zhì)量。第十三頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期日1.凝聚發(fā)酵液中的細胞、菌體或蛋白質(zhì)等膠粒表面一般都帶電荷；在生理條件下，發(fā)酵液的菌體或蛋白質(zhì)常帶負電荷，會吸引溶液中的陽離子，形成雙電子層。雙電子層電位越高，膠體粒子的分散程度高；加入某種電解質(zhì)，由于異電粒子作用，雙電位降低，膠體粒子間因碰撞產(chǎn)生凝集現(xiàn)象。第十四頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期日1.凝聚凝聚值——使膠粒發(fā)生凝聚作用的最小電解質(zhì)濃度（mmol/L）常用的凝聚電解質(zhì)：硫酸鋁Al2(SO4)3·18H2O、氯化鋁AlCl3·6H2O、三氯化鐵FeCl3·6H2O、硫酸亞鐵FeSO4·7H2O、石灰、硫酸鋅ZnSO4

、MgCO3等。陽離子對負電荷的凝聚力：Al3+>Fe3+>H+>Ca2+>Mg2+>K+>Na+>Li+第十五頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期日2.絮凝絮凝劑：水溶性、高分子聚合物、長鏈狀、鏈節(jié)上含有官能團（陽離子、陰離子、非離子型基團）。原理：通過靜電引力、范德華力或氫鍵的作用，強烈吸附在膠粒的表面，當一個高分子聚合物的許多鏈接分別吸附在不同的膠粒表面。第十六頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期日2.絮凝絮凝劑：水溶性、高分子聚合物、長鏈狀、鏈節(jié)上含有官能團（陽離子、陰離子、非離子型基團）。絮凝劑的化學(xué)結(jié)構(gòu)：

含有相當多的活性基團；具有長鏈的線性結(jié)構(gòu)。分類：

非離子型、陰離子型、陽離子型。第十七頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期日工業(yè)上使用的絮凝劑有機高分子聚合物，例如：聚丙烯酰胺類衍生物；無機高分子聚合物，例如：聚合鋁鹽；天然有機高分子絮凝劑，如：聚糖類膠粘劑、海藻酸鈉、明膠、骨膠等。第十八頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期日海藻酸鈉(C6H7O8Na)n主要由海藻酸的鈉鹽組成，由α-L-甘露糖醛酸(M單元)與β-D-古羅糖醛酸(G單元)依靠1,4-糖苷鍵連接并由不同GGGMMM片段組成的共聚物。一種天然多糖，具有藥物制劑輔料所需的穩(wěn)定性、溶解性、粘性和安全性。海藻酸鈉第十九頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期日1881年，英國化學(xué)家E.C.Stanford首先對褐色海藻中的海藻酸鹽提取物進行科學(xué)研究。他發(fā)現(xiàn)該褐藻酸的提取物具有幾種很有趣的特性，它具有濃縮溶液、形成凝膠和成膜的能力。商業(yè)化生產(chǎn)始于1927年，現(xiàn)在全世界每年約生產(chǎn)30000噸，其中30％用于食品工業(yè)，剩下的用于其它工業(yè)，制藥業(yè)和牙科。

海藻酸鈉第二十頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期日絮凝效果絮凝劑的加量相對分子質(zhì)量類型溶液的pH攪拌轉(zhuǎn)速和時間a—絮凝時間10s(快攪結(jié)束時拍攝)b—絮凝時間50s(慢攪過程拍攝)c—絮凝時間180s(慢攪過程拍攝)d—絮凝時間600s(慢攪結(jié)束時拍攝)e—攪拌停止15s后拍攝;f—a圖的局部掃描照片第二十一頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期日3.混凝包括聚凝和絮凝機理的過程。先加入電解質(zhì)，使懸浮粒子間的雙電層電位降低、脫穩(wěn)，凝聚成微粒；再加入絮凝劑絮凝成較大的顆粒。第二十二頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期日四、加入助濾劑一種不可壓縮的多孔微粒，能使濾餅疏松，濾速增大。常用硅藻土。使用助濾劑后，懸浮液中大量的細微膠體粒子被吸附到助濾劑表面，從而改變?yōu)V餅結(jié)構(gòu)，它的可壓縮性下降，過濾阻力下降。第二十三頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期日四、加入助濾劑兩種加入方法：

在過濾介質(zhì)表面預(yù)涂助濾劑;直接加入發(fā)酵液。第二十四頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期日四、加入助濾劑選擇與使用助濾劑的要點：根據(jù)目的產(chǎn)物選擇：目的產(chǎn)物為液相時，注意是否被助濾劑吸附；目的產(chǎn)物為固相時，一般用淀粉、纖維素等不影響產(chǎn)品質(zhì)量的助濾劑。第二十五頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期日四、加入助濾劑選擇與使用助濾劑的要點：根據(jù)過濾介質(zhì)和過濾情況：對于粗目濾網(wǎng)，易泄漏，采用石棉粉、纖維素、淀粉等；對于細目濾布，采用細硅藻土；使用燒結(jié)或粘結(jié)材料，采用纖維素助濾劑。第二十六頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期日我國工業(yè)標準篩常用“目”數(shù)表示篩號，即以每一英寸(25.4mm)長度上的篩孔數(shù)目表示。篩號一號篩二號篩三號篩四號篩五號篩六號篩七號篩八號篩九號篩篩孔平均內(nèi)徑（μm）20008503552501801501259075第二十七頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期日四、加入助濾劑選擇與使用助濾劑的要點：粒度選擇：當粒度一定時，過濾速度與澄清度成反比；助濾劑的粒度必須與懸浮液中固體粒子的尺寸相適應(yīng)。第二十八頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期日四、加入助濾劑選擇與使用助濾劑的要點：使用量的選擇：當采用預(yù)涂助濾劑時，助濾劑的厚度<2mm。助濾劑直接加入發(fā)酵液，若助濾劑用量與懸浮液中固形物含量相等，過濾速度最快。使用硅藻土?xí)r，細粒用量為500g/m3；中等粒度為700g/m3；粗粒為700～1000g/m3。第二十九頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期日第三十頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期日五、加入反應(yīng)劑加入某些不影響目的產(chǎn)物的反應(yīng)劑，可消除發(fā)酵液中某些雜質(zhì)對過濾的影響。加入反應(yīng)劑如CaSO4、AlPO4和一些可溶性鹽類發(fā)生反應(yīng)生成不溶性沉淀，使菌絲具有塊狀結(jié)構(gòu)，沉淀本身可作為助濾劑，改善過濾性能。例如：萬古霉素，以淀粉為發(fā)酵培養(yǎng)基，過濾前加入0.025%淀粉酶，攪拌30min,再加入2.5%硅藻土作為助濾劑，過濾速度提高5倍。第三十一頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期日萬古霉素[英文名]Vancomycin[類別]抗生素[別名]凡古霉素;凡可霉素;鹽酸萬古霉素，萬古霉素[適應(yīng)癥]主要用于葡萄球菌（包括耐青霉素和耐新青霉素株）、難辨梭狀芽胞桿菌等所致的系統(tǒng)感染和腸道感染，如心內(nèi)膜炎、敗血癥、偽膜性腸炎等。第三十二頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期日

第二節(jié)發(fā)酵液的相對純化雜質(zhì)存在的影響：高價無機離子在采用離子交換法提取時，會影響樹脂的交換容量；可溶性蛋白，不僅會降低樹脂的交換容量和吸附能力，而且在有機溶劑法和雙水相法萃取時，易產(chǎn)生乳化現(xiàn)象；在常規(guī)過濾時，易使過濾介質(zhì)堵塞或受污染，影響過濾速率。第三十三頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期日一、高價無機離子的除去無機離子：Ca2+、Mg2+、Fe2+

等。鈣離子的去除：用草酸。草酸的回收：用硫酸鉛形成草酸鉛，在90℃-95℃

用硫酸分解。鎂離子的去處：用三聚磷酸鈉。鐵離子的去處：用黃血鹽形成普魯士藍沉淀而除去。第三十四頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期日二、雜蛋白質(zhì)的除去

沉淀法：與陽離子例如Ag+、Cu2+、Zn2+、Pb2+等或與陰離子如三氯乙酸鹽，水楊酸鹽等結(jié)合形成沉淀；變性法：加熱法、大幅度調(diào)節(jié)pH、加酒精或丙酮等有機溶劑；

吸附法：加入吸附劑或沉淀劑吸附雜蛋白而除去。在枯草芽孢桿菌發(fā)酵液中，加入氯化鈣和磷酸氫二鈉，兩者形成凝膠把菌體、蛋白質(zhì)及其不溶性顆粒吸附包裹在其中而除去。第三十五頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期日第三節(jié)固液分離工程及設(shè)備

固液分離的方法很多，生物工業(yè)中常規(guī)的方法有分離篩、重力沉降、浮懸分離、離心分離和過濾等。對于發(fā)酵液固液分離的主要是離心分離和過濾。第三十六頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期日一、離心分離

離心機是利用轉(zhuǎn)鼓高速轉(zhuǎn)動所產(chǎn)生的離心力，來實現(xiàn)懸浮液、乳濁液分離或濃縮的分離機械。特點：分離速率快、分離效率高、液相澄清度好等。缺點：設(shè)備投資高、能耗大、固相干度低不如過濾設(shè)備。第三十七頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期日將懸浮液中的固體顆粒與液體分開；將乳濁液中兩種密度不同，又互不相溶的液體分開(例如從牛奶中分離出奶油)；用于排除濕固體中的液體，例如用洗衣機甩干濕衣服；特殊的超速管式分離機還可分離不同密度的氣體混合物，例如濃縮、分離氣態(tài)六氟化鈾；利用不同密度或粒度的固體顆粒在液體中沉降速度不同的特點，有的沉降離心機還可對固體顆粒按密度或粒度進行分級。用途第三十八頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期日Stokes方程V=d2(S-L)18μrω2V是顆粒沉降速度；d是顆粒直徑（假定為球形）S是固體密度；L是液體密度；μ是液體黏度R是離心半徑；ω是角速度第三十九頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期日

過濾式離心機：轉(zhuǎn)鼓上開有小孔，有過濾介質(zhì)，在離心力的作用下，液體穿過過濾介質(zhì)經(jīng)小孔流出而得以分離。主要處理懸浮液固體顆粒較大、固體含量較高的場合。沉降式離心機：轉(zhuǎn)鼓上無孔，不需過濾介質(zhì)，在離心力的作用下，物料按密度的大小不同分層沉降而得以分離。離心機的分類第四十頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期日第四十一頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期日離心機轉(zhuǎn)鼓離心機螺旋第四十二頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期日碟片式離心機碟片式離心機可以完成兩種操作：液-固分離（即低濃度懸浮液的分離），稱澄清操作；液-液（或液-液-固）分離（即乳濁液的分離），稱分離操作。是沉降機的一種，1877年由瑞典的DeLaval發(fā)明，是目前工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的離心機。第四十三頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期日第四十四頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期日第四十五頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期日分離因數(shù)為1000-20000；生產(chǎn)能力大，最大允許處理量達300m3/h；適合于細菌、酵母菌、放線菌等多種微生物細胞懸浮液及細胞碎片懸浮液的分離。用于大規(guī)模的分離。分離因數(shù)：它表示被分離物料在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)所受的離心力與其重力的比值，分離因數(shù)越大，通常分離也越迅速，分離效果越好。a=rω2g第四十六頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期日管式離心機分離因數(shù)高達104-6*105；用于微生物細胞的分離，還用于細胞碎片、細胞器、病毒、蛋白質(zhì)、核酸等生物大分子的分離；生產(chǎn)能力較?。辉谏锕I(yè)中，特別適合一般離心機難以分離而固形物含量﹤1%的發(fā)酵液的分離。第四十七頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期日第四十八頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期日傾析式離心機是一種廣泛用于制藥、化工、食品等行業(yè)處理懸浮液固液分離的離心機。適合于粗結(jié)晶及短纖維物料的分離。特別適用于中藥材提取液的分離，對花類、切片類中藥材經(jīng)蒸煮后可采用本機過濾，藥渣子含濕率可低于25%，藥液收率高于其它中藥分離方法。

具有操作連續(xù)、適應(yīng)性強、應(yīng)用范圍廣、結(jié)構(gòu)緊湊、維修方便等優(yōu)點；適用于含固形物較多的懸浮液的分離；分離因數(shù)較低，大多為1500-3000。第四十九頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期日靠離心力和螺旋的推進作用自動連續(xù)排渣第五十頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期日如何選擇離心分離機？？？根據(jù)懸浮液(或乳濁液)中固體顆粒的大小和濃度、固體與液體(或兩種液體)的密度差、液體粘度、濾渣(或沉渣)的特性，以及分離的要求等進行綜合分析，滿足對濾渣(沉渣)含濕量和濾液(分離液)澄清度的要求，初步選擇采用哪一類離心分離機；然后按處理量和對操作的自動化要求，確定離心機的類型和規(guī)格；最后經(jīng)實際試驗驗證。第五十一頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期日離心分離機未來的發(fā)展趨勢將是強化分離性能、發(fā)展大型的離心分離機、改進卸渣機構(gòu)、增加專用和組合轉(zhuǎn)鼓離心機、加強分離理論研究和研究離心分離過程最佳化控制技術(shù)等。第五十二頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期日二、過濾

第五十三頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期日過濾原理：懸浮液通過過濾介質(zhì)，固態(tài)顆粒與溶液分離。根據(jù)機理分為：澄清過濾和濾餅過濾兩種。第五十四頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期日澄清過濾：適合固體含量少于0.1g/100ml、顆粒直徑在5-100μm的懸浮液的過濾分離，如：河水、麥芽汁、酒類和飲料等；過濾介質(zhì)為硅藻土、砂、顆?；钚蕴?、玻璃珠、塑料顆粒等，填充于過濾器內(nèi)即構(gòu)成過濾層；也有用燒結(jié)陶瓷、金屬、粘合塑料及金屬絲燒成的管子等組成的成型顆粒濾層。第五十五頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期日濾餅過濾：適合固體含量大于0.1g/100ml的懸浮液的過濾分離。過濾介質(zhì)為濾布，包括天然或合成的纖維織布等。當懸浮液通過濾布時，固體顆粒被擋在濾布上形成濾餅，當濾餅達到一定厚度時即起過濾作用。第五十六頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期日第五十七頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期日板框過濾機