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1、第二章发酵液的预处理和固液分离方法第1页，共156页，编辑于2022年，星期三改变发酵液的物理性质，提高固液分离效改变发酵液的物理性质，提高固液分离效率；率；尽可能使产物转入便于后处理的某一相尽可能使产物转入便于后处理的某一相中中(多为液相多为液相)；去除发酵液中部分杂质，以利于提取和去除发酵液中部分杂质，以利于提取和精制后续各工序的顺利进行。精制后续各工序的顺利进行。发酵液预处理的目的发酵液预处理的目的第2页，共156页，编辑于2022年，星期三2.1 发酵液的预处理和固液分发酵液的预处理和固液分离离第3页，共156页，编辑于2022年，星期三第4页，共156页，编辑于2022年，星期三预处
2、理和固液分离内容第5页，共156页，编辑于2022年，星期三生物产品的分类（根据分离特点）o培养液产品培养液产品：如饮料酒类，没有提取与精制，只需考虑除去：如饮料酒类，没有提取与精制，只需考虑除去固相杂志即可。固相杂志即可。o细胞产品细胞产品：如活性干酵母，只需固液分离和洗涤可溶性杂志的：如活性干酵母，只需固液分离和洗涤可溶性杂志的过程。过程。o粗制产品粗制产品：如工业用酶制剂，只需考虑产品提取。：如工业用酶制剂，只需考虑产品提取。o精制产品精制产品：有纯度要求，大多数生物产品属此类，其分离回：有纯度要求，大多数生物产品属此类，其分离回收过程一般包括预处理和固液分离、提取、精制和成品加工收过程
3、一般包括预处理和固液分离、提取、精制和成品加工四步。四步。第6页，共156页，编辑于2022年，星期三精制产品分离纯化一般流程精制产品分离纯化一般流程胞外产品胞外产品第7页，共156页，编辑于2022年，星期三胞内产品胞内产品第8页，共156页，编辑于2022年，星期三2.1 发酵液预处理发酵液预处理2.1.1 引言引言o发酵液预处理的目的：发酵液预处理的目的：o改变滤液的性质改变滤液的性质o除去部分可溶性杂质除去部分可溶性杂质o尽可能使产物转入便于后处理的一相中（多尽可能使产物转入便于后处理的一相中（多数是液相）数是液相）以利于后续各工序的顺利进行以利于后续各工序的顺利进行第9页，共156页
4、，编辑于2022年，星期三预处理的方法预处理的方法o加水稀释法加水稀释法Dilution with watero加热法加热法 Heatingo调节悬浮液的调节悬浮液的pH值值 Regulation of pHo凝聚和絮凝凝聚和絮凝 Coagulation and flocculationo助滤剂助滤剂Filter aids和反应剂和反应剂 Reactanto高价无机离子的去除高价无机离子的去除 Removal of inorganic iono杂蛋白的去除杂蛋白的去除 Removal of USELESS PROTEIN第10页，共156页，编辑于2022年，星期三2.1.2发酵液过滤性能的改
5、变发酵液过滤性能的改变o生物悬浮液的特性：生物悬浮液的特性：悬浮物颗粒小，比重与液相相差不大；悬浮物颗粒小，比重与液相相差不大；固体粒子可压缩性大；固体粒子可压缩性大；粘度大，含有蛋白质、多糖等胶体物质，大粘度大，含有蛋白质、多糖等胶体物质，大多为非牛顿型流体。多为非牛顿型流体。o改性的目的：降低滤饼比阻，提高过滤与分改性的目的：降低滤饼比阻，提高过滤与分离的速率。离的速率。第11页，共156页，编辑于2022年，星期三 发酵产物浓度较低，而且悬浮液中大部分是水；发酵产物浓度较低，而且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；悬浮物颗粒小，相对密度与液相相差不大；固体粒子可压缩
6、性大；固体粒子可压缩性大；液相粘度大，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。性质不稳定，随时间变化。微生物发酵液的特性微生物发酵液的特性第12页，共156页，编辑于2022年，星期三一、降低液体粘度一、降低液体粘度根据流体力学原理，滤液通过滤饼的速率与根据流体力学原理，滤液通过滤饼的速率与液体的粘度成反比，降低液体粘度就可有效提高液体的粘度成反比，降低液体粘度就可有效提高过滤速率。过滤速率。降低液体粘度的常用方法降低液体粘度的常用方法q 加水稀释法加水稀释法q 加热法加热法 第13页，共156页，编辑于2022年，星期三加水稀释法加水稀释法 优点：降低液体
7、粘度，提高过滤速率优点：降低液体粘度，提高过滤速率缺点：增加悬浮液的体积，加大后继缺点：增加悬浮液的体积，加大后继过程的处理任务。过程的处理任务。第14页，共156页，编辑于2022年，星期三加热法加热法 优点：优点：1.升高温度可有效降低液体粘度，提高过升高温度可有效降低液体粘度，提高过滤速率；滤速率；2.在适当温度和受热时间下可使蛋白质凝聚，在适当温度和受热时间下可使蛋白质凝聚，形成较大颗粒的凝聚物，进一步改善了发形成较大颗粒的凝聚物，进一步改善了发酵液的过滤特性。酵液的过滤特性。实例：链霉素发酵液，调酸至pH3.0后，加热至70，维持半小时，液相粘度下降至原来的1/6，过滤速率可增大10
8、100倍。第15页，共156页，编辑于2022年，星期三加热法注意事项：加热法注意事项：使用加热法时必须严格控制加热温度使用加热法时必须严格控制加热温度与时间。与时间。1.加热的温度必须控制在不影响目的产物活性变质的范围内；2.温度过高或时间过长，会使细胞溶解，胞内物质外溢，增加发酵液的复杂性，影响其后的产物分离与纯化。第16页，共156页，编辑于2022年，星期三二、调整二、调整pHpH值直接影响发酵液中某些物质的电离度值直接影响发酵液中某些物质的电离度和电荷性质，适当调节和电荷性质，适当调节pH值可改善其过滤特性。值可改善其过滤特性。是发酵工业中发酵液预处理中常用的方法之是发酵工业中发酵液
9、预处理中常用的方法之一。一。第17页，共156页，编辑于2022年，星期三氨基酸、蛋白质等两性物质，在其等电点处的溶氨基酸、蛋白质等两性物质，在其等电点处的溶解度最小，此即为解度最小，此即为等电点沉淀法等电点沉淀法。应用实例：味精生产中，利用等电点应用实例：味精生产中，利用等电点(pH3.22)(pH3.22)沉淀法提取沉淀法提取谷氨酸谷氨酸；对于蛋白质，由于羧基；对于蛋白质，由于羧基的电离度比氨基大，故蛋白质的酸性性质通常强于碱性，的电离度比氨基大，故蛋白质的酸性性质通常强于碱性，因而大多数蛋白质的等电点都在酸性范围内因而大多数蛋白质的等电点都在酸性范围内(pH 4.0(pH 4.05.5)
10、5.5)。利用酸性来调节发酵液。利用酸性来调节发酵液pHpH值使之达到等电值使之达到等电点，可除去蛋白质等酸性两性物质。点，可除去蛋白质等酸性两性物质。第18页，共156页，编辑于2022年，星期三在膜过滤中，发酵液中的大分子物质易与在膜过滤中，发酵液中的大分子物质易与膜发生吸附，通过调整膜发生吸附，通过调整pHpH值改变易吸附分子的值改变易吸附分子的电荷性质，即可减少堵塞和污染。电荷性质，即可减少堵塞和污染。细胞、细胞碎片及某些胶体物质等在某个细胞、细胞碎片及某些胶体物质等在某个pHpH值下也可能趋于絮凝而成为较大颗粒，有利于值下也可能趋于絮凝而成为较大颗粒，有利于过滤的进行。过滤的进行。应
11、用实例：应用实例：第19页，共156页，编辑于2022年，星期三三、凝聚与絮凝三、凝聚与絮凝 采用凝聚和絮凝技术能有效改变大分子物采用凝聚和絮凝技术能有效改变大分子物质的分散状态，使其聚结成较大的颗粒，便质的分散状态，使其聚结成较大的颗粒，便于提高过滤速率；于提高过滤速率；采用凝聚和絮凝技术能有效地除去杂蛋白采用凝聚和絮凝技术能有效地除去杂蛋白质和固体杂质，提高滤液质量。质和固体杂质，提高滤液质量。作用：作用：第20页，共156页，编辑于2022年，星期三1凝聚凝聚 凝聚凝聚是指在电解质作用下，由于胶粒之间是指在电解质作用下，由于胶粒之间双电层电排斥作用降低，电位下降，而使胶体双电层电排斥作用
12、降低，电位下降，而使胶体体系不稳定的现象。体系不稳定的现象。第21页，共156页，编辑于2022年，星期三第22页，共156页，编辑于2022年，星期三在生理在生理pHpH值下，发酵液中的菌体或蛋白质常常带值下，发酵液中的菌体或蛋白质常常带有负电荷，由于静电引力的作用，使溶液中带相反电有负电荷，由于静电引力的作用，使溶液中带相反电荷的阳离子被吸附在其周围，在界面上形成双电层。荷的阳离子被吸附在其周围，在界面上形成双电层。但是，这些正离子还具有因热运动而离开胶粒表面的但是，这些正离子还具有因热运动而离开胶粒表面的趋势。趋势。第23页，共156页，编辑于2022年，星期三在相距胶核表面约一个离子半
13、径在相距胶核表面约一个离子半径SternStern平面以内，平面以内，正离子被紧密束缚在胶核表面，称为正离子被紧密束缚在胶核表面，称为吸附层吸附层；在在SternStern平面以外，剩余的正离子在溶液中扩散开去，平面以外，剩余的正离子在溶液中扩散开去，距离越远，浓度越小，最后达到主体溶液的平均浓度，称为距离越远，浓度越小，最后达到主体溶液的平均浓度，称为扩散层扩散层。双电层的组成双电层的组成第24页，共156页，编辑于2022年，星期三当当胶胶粒粒在在溶溶液液中中作作相相对对运运动动时时，总总有有一一薄薄层层液液体体，随随着着它它一一起起滑滑移移，这这一一薄薄层层的的厚厚度度比比吸吸附附层层稍
14、稍大大，滑滑移移面面在在图图中中用波纹线表示。用波纹线表示。滑滑移移面面上上的的电电位位称称为为电电位位（或或电电动动电电位位），它它是是控控制制胶胶粒粒间间电电排排斥斥作作用用的的电电位位，用用来来表表征征双双电电层层的的特特征征，是是研究凝聚机理的重要参数。研究凝聚机理的重要参数。第25页，共156页，编辑于2022年，星期三 带有相同电荷和扩散双电层的结构。带有相同电荷和扩散双电层的结构。电电位越大，电排斥作用就越强，胶粒的分散程度也位越大，电排斥作用就越强，胶粒的分散程度也越大，发酵液过滤就越困难。越大，发酵液过滤就越困难。胶粒保持分散状态的原因胶粒保持分散状态的原因 胶粒表面的水化作
15、用，形成了包围于粒胶粒表面的水化作用，形成了包围于粒子周围的水化层，也能阻碍胶粒间的直接聚集。子周围的水化层，也能阻碍胶粒间的直接聚集。第26页，共156页，编辑于2022年，星期三如果在发酵液中加入具有相反电性的电解如果在发酵液中加入具有相反电性的电解质，就可以中和胶粒的电性，使质，就可以中和胶粒的电性，使电位降低，电位降低，胶体体系变得不稳定。胶体体系变得不稳定。当双电层的排斥力不足以抗衡胶粒间的当双电层的排斥力不足以抗衡胶粒间的范德华引力时，由于热运动的结果就导致胶范德华引力时，由于热运动的结果就导致胶粒的互相碰撞而聚集。粒的互相碰撞而聚集。另外，由于电解质离子在水中的水化作用会另外，由
16、于电解质离子在水中的水化作用会破坏胶粒周围的水化层，使胶粒可以直接碰撞而破坏胶粒周围的水化层，使胶粒可以直接碰撞而聚集。聚集。第27页，共156页，编辑于2022年，星期三影响凝聚作用的主要因素是影响凝聚作用的主要因素是无机盐的种类无机盐的种类、化合化合价价以及无机盐的用量。以及无机盐的用量。根据静电学基本定理，可推导根据静电学基本定理，可推导电位的基本公式电位的基本公式为为 （21）q：胶体的电动电荷密度，即滑移面上的电荷密度，库仑：胶体的电动电荷密度，即滑移面上的电荷密度，库仑/m2；D：水的介电常数，：水的介电常数，Fm-1；：扩散层的有效厚度，：扩散层的有效厚度，m（即吸附层和扩散层界
17、面处（即吸附层和扩散层界面处电位电位d降低到其值为降低到其值为1/e处的距离，不能直接测定）处的距离，不能直接测定）第28页，共156页，编辑于2022年，星期三 （2-2)N N：阿伏伽德罗常数，：阿伏伽德罗常数，molmol-1-1；e e：电子电荷，库仑；：电子电荷，库仑；k k：波尔兹曼常数，：波尔兹曼常数，J JK K-1-1；T T：热力学温度，：热力学温度，K K；c ci i：i i离子摩尔浓度，离子摩尔浓度，mol/Lmol/L；Z Zi i：i i离子的化合价。离子的化合价。第29页，共156页，编辑于2022年，星期三从上两式可知，从上两式可知，电位与溶液中电位与溶液中带
18、相反电荷的离子强度有关，因此，带相反电荷的离子强度有关，因此，提高离子的化合价和浓度可以压缩扩提高离子的化合价和浓度可以压缩扩散双电层，使其厚度减小，从而使散双电层，使其厚度减小，从而使电位降低。电位降低。第30页，共156页，编辑于2022年，星期三电解质的凝聚能力可用凝聚值来表示，电解质的凝聚能力可用凝聚值来表示，使胶粒发生凝聚作用的最小电解质浓度使胶粒发生凝聚作用的最小电解质浓度（mol/L）称为）称为凝聚值凝聚值。根据根据Schuze-Hardy法则，反离子的价法则，反离子的价数越高，该值就越小，即凝聚能力越强。数越高，该值就越小，即凝聚能力越强。第31页，共156页，编辑于2022年
19、，星期三阳离子对带负电荷的发酵液胶体粒子凝聚能力的阳离子对带负电荷的发酵液胶体粒子凝聚能力的次序为：次序为：Al3+Fe3+H+Ca2+Mg2+K+Na+Li+。常用的凝聚电解质有：常用的凝聚电解质有：硫酸铝硫酸铝A1A12 2(SO(SO4 4)3 318H18H2 2O(O(明矾明矾)氯化铝氯化铝AIClAICl3 36H6H2 2O O三氯化铁三氯化铁FeClFeCl3 36H6H2 2O O硫酸亚铁硫酸亚铁FeSOFeSO4 47H7H2 2O O石灰、石灰、ZnSOZnSO4 4、MgCOMgCO3 3等。等。第32页，共156页，编辑于2022年，星期三2絮凝絮凝采用凝聚方法得到的
20、凝聚体，其颗粒常采用凝聚方法得到的凝聚体，其颗粒常常是比较细小的，有时还不能有效地进行分常是比较细小的，有时还不能有效地进行分离。采用絮凝法则常可形成粗大的絮凝体，离。采用絮凝法则常可形成粗大的絮凝体，使发酵液较易分离。使发酵液较易分离。絮凝絮凝是指在某些高分子絮凝剂存在下，是指在某些高分子絮凝剂存在下，基于架桥作用，使胶粒形成较大絮凝团的基于架桥作用，使胶粒形成较大絮凝团的过程。过程。第33页，共156页，编辑于2022年，星期三絮凝剂是一种能溶于水的高分子聚合物，其相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万至一千万以上，它们具有长对分子质量可高达数万至一千万以上，它们具
21、有长链状结构，其链节上含有许多链状结构，其链节上含有许多活性功能团活性功能团，包括带，包括带电荷的阴离子电荷的阴离子(如如-COOH)-COOH)或阳离子或阳离子(如如-NH-NH2 2)基团以及基团以及不带电荷的非离子型基团。不带电荷的非离子型基团。它们通过静电引力、范德华力或氢键的作用，它们通过静电引力、范德华力或氢键的作用，强烈地吸附在胶粒的表面。当一个高分子聚合物的强烈地吸附在胶粒的表面。当一个高分子聚合物的许多链节分别吸附在不同的胶粒表面上，产生桥架许多链节分别吸附在不同的胶粒表面上，产生桥架联接时，就形成了较大的絮团，这就是联接时，就形成了较大的絮团，这就是絮凝作用絮凝作用。第34
22、页，共156页，编辑于2022年，星期三对絮凝剂的化学结构一般有下列要求对絮凝剂的化学结构一般有下列要求:q分子必须含有相当多的活性官能团，使之能分子必须含有相当多的活性官能团，使之能和胶粒表面相结合；和胶粒表面相结合；q必须具有长链的线性结构，以便同时与多个必须具有长链的线性结构，以便同时与多个胶粒吸附形成较大的絮团，但絮凝剂的相胶粒吸附形成较大的絮团，但絮凝剂的相对分子量不能超过一定限度，以使其具有对分子量不能超过一定限度，以使其具有良好的溶解性。良好的溶解性。第35页，共156页，编辑于2022年，星期三 根据其活性基团在水中解离情况的不根据其活性基团在水中解离情况的不同，絮凝剂可分为同
23、，絮凝剂可分为:非离子型非离子型 阴离子型阴离子型 阳离子型阳离子型 第36页，共156页，编辑于2022年，星期三根据其来源的不同又可分为如下三类：根据其来源的不同又可分为如下三类：(1)有机高分子聚合物，如聚丙烯酰胺类衍生物、有机高分子聚合物，如聚丙烯酰胺类衍生物、聚苯乙烯类衍生物。聚苯乙烯类衍生物。(2)无机高分子聚合物，如聚合铝盐、聚合铁盐等。无机高分子聚合物，如聚合铝盐、聚合铁盐等。(3)天然有机高分子絮凝剂，如聚糖类胶粘物、海天然有机高分子絮凝剂，如聚糖类胶粘物、海藻酸钠、明胶、骨胶、壳多糖、脱乙酰壳多藻酸钠、明胶、骨胶、壳多糖、脱乙酰壳多糖等。糖等。第37页，共156页，编辑于2
24、022年，星期三应用现状：应用现状：目前最常用的絮凝剂是有机合成的目前最常用的絮凝剂是有机合成的聚丙聚丙烯酰胺类衍生物烯酰胺类衍生物，其絮凝体粗大，分离效果好，其絮凝体粗大，分离效果好，絮凝速度快，用量少，适用范围广。它们的主絮凝速度快，用量少，适用范围广。它们的主要缺点是存在一定的毒性，特别是阳离子型聚要缺点是存在一定的毒性，特别是阳离子型聚丙烯酰胺，一般不宜用于食品及医药工业。丙烯酰胺，一般不宜用于食品及医药工业。近年来发展的近年来发展的聚丙烯酸类阴离子絮凝剂聚丙烯酸类阴离子絮凝剂，无毒，可用于食品和医药工业。无毒，可用于食品和医药工业。第38页，共156页，编辑于2022年，星期三影响因
25、素：影响因素：较多的絮凝剂有助于增加桥架的数量，较多的絮凝剂有助于增加桥架的数量，但过多的添加量反而会引起吸附饱和，但过多的添加量反而会引起吸附饱和，絮凝剂争夺胶粒而使絮凝团的粒径变絮凝剂争夺胶粒而使絮凝团的粒径变小，絮凝效果下降。小，絮凝效果下降。絮凝剂的加量絮凝剂的加量絮凝剂相对分子量和类型絮凝剂相对分子量和类型溶液的溶液的pH搅拌转速和时间搅拌转速和时间溶液溶液pHpH值的变化常会影响离子型值的变化常会影响离子型絮凝剂中官能团的电离度，从而絮凝剂中官能团的电离度，从而影响吸附作用的强弱。影响吸附作用的强弱。第39页，共156页，编辑于2022年，星期三3混凝混凝对于带负电荷的菌体或蛋白质
26、来说，采用对于带负电荷的菌体或蛋白质来说，采用阳离子型高分子絮凝剂同时具有降低胶粒双电阳离子型高分子絮凝剂同时具有降低胶粒双电层电位和产生吸附桥架的双重机理。层电位和产生吸附桥架的双重机理。这种包括凝聚和絮凝机理的过程，称为这种包括凝聚和絮凝机理的过程，称为混凝混凝。第40页，共156页，编辑于2022年，星期三对于非离子型和阴离子型高分子絮凝剂，对于非离子型和阴离子型高分子絮凝剂，则可以与无机电解质凝聚剂搭配使用。则可以与无机电解质凝聚剂搭配使用。首先加入电解质，使悬浮粒子间的双电层电首先加入电解质，使悬浮粒子间的双电层电位降低、脱稳，凝聚成微粒，然后再加入絮凝剂位降低、脱稳，凝聚成微粒，然
27、后再加入絮凝剂絮凝成较大的颗粒。无机电解质的凝聚作用为高絮凝成较大的颗粒。无机电解质的凝聚作用为高分子絮凝剂的架桥创造了良好的条件，从而大大分子絮凝剂的架桥创造了良好的条件，从而大大提高了絮凝的效果。提高了絮凝的效果。第41页，共156页，编辑于2022年，星期三四、加入惰性助滤剂四、加入惰性助滤剂助滤剂助滤剂是一种不可压缩的多孔微粒，它能是一种不可压缩的多孔微粒，它能使滤饼疏松，滤速增大。使滤饼疏松，滤速增大。使用助滤剂后，悬浮液中大量的细微胶体粒使用助滤剂后，悬浮液中大量的细微胶体粒子被吸附到助滤剂的表面上，从而改变了滤饼结子被吸附到助滤剂的表面上，从而改变了滤饼结构，它的可压缩性下降，过
28、滤阻力降低。构，它的可压缩性下降，过滤阻力降低。第42页，共156页，编辑于2022年，星期三硅藻土、纤维素、石棉粉、珍珠硅藻土、纤维素、石棉粉、珍珠岩、白土、炭粒、淀粉岩、白土、炭粒、淀粉常用的助滤剂常用的助滤剂助滤剂的使用方法：助滤剂的使用方法：在过滤介质表面预涂助滤剂在过滤介质表面预涂助滤剂直接加入发酵液直接加入发酵液两种方法同时兼用两种方法同时兼用使用时需要一个带搅拌器使用时需要一个带搅拌器的混合槽，充分搅拌混合的混合槽，充分搅拌混合均匀，防止分层沉淀。均匀，防止分层沉淀。第43页，共156页，编辑于2022年，星期三五、加入反应剂五、加入反应剂 加入某些不影响目的产物的反应剂，加入某
29、些不影响目的产物的反应剂，可消除发酵液中某些杂质对过滤的影响，可消除发酵液中某些杂质对过滤的影响，从而提高过滤速率。从而提高过滤速率。第44页，共156页，编辑于2022年，星期三加入反应剂，可以和某些可溶性盐类发生加入反应剂，可以和某些可溶性盐类发生反应生成不溶性沉淀，如反应生成不溶性沉淀，如CaSO4、AlPO4等。等。生成的沉淀能防止菌丝体粘结，使菌丝具生成的沉淀能防止菌丝体粘结，使菌丝具有块状结构，沉淀本身可作为助滤剂，并且能有块状结构，沉淀本身可作为助滤剂，并且能使胶状物和悬浮物凝固，从而改善过滤性能。使胶状物和悬浮物凝固，从而改善过滤性能。正确选择反应剂和反应条件，能使过滤速正确选
30、择反应剂和反应条件，能使过滤速率提高率提高310倍。倍。第45页，共156页，编辑于2022年，星期三应用实例：应用实例：在新生霉素发酵液中加入氯化钙和磷酸钠，在新生霉素发酵液中加入氯化钙和磷酸钠，生成的磷酸钙沉淀可充当助滤剂，另一方面可生成的磷酸钙沉淀可充当助滤剂，另一方面可使某些蛋白质凝固。使某些蛋白质凝固。环丝氨酸发酵液用氧化钙和磷酸处理，生环丝氨酸发酵液用氧化钙和磷酸处理，生成磷酸钙沉淀，能使悬浮物凝固，多余的磷成磷酸钙沉淀，能使悬浮物凝固，多余的磷酸根离子还能除去钙、镁离子，并且在发酵酸根离子还能除去钙、镁离子，并且在发酵液中不会引入其他阳离子，以免影响环丝氨液中不会引入其他阳离子，
31、以免影响环丝氨酸的离子交换吸附。酸的离子交换吸附。第46页，共156页，编辑于2022年，星期三如果发酵液中含有不溶性多糖物质，则最好用如果发酵液中含有不溶性多糖物质，则最好用酶将它转化为单糖，以提高过滤速率。酶将它转化为单糖，以提高过滤速率。例如万古霉素用淀粉作培养基，发酵液过滤前例如万古霉素用淀粉作培养基，发酵液过滤前加入加入0.0250.025的淀粉酶，搅拌的淀粉酶，搅拌30min30min后，再加后，再加2.52.5硅藻土助滤剂，从而可使过滤速率提高硅藻土助滤剂，从而可使过滤速率提高5 5倍。倍。第47页，共156页，编辑于2022年，星期三2.2 发酵液中部分杂质的去除发酵液中部分杂
32、质的去除在预处理时，必须采用适当的方法使这在预处理时，必须采用适当的方法使这些杂质沉淀，在固液分离时除去，以利于后些杂质沉淀，在固液分离时除去，以利于后提取与精制过程的顺利进行。提取与精制过程的顺利进行。第48页，共156页，编辑于2022年，星期三一、高价无机离子的除去一、高价无机离子的除去 发酵液中常见的无机离子主要有发酵液中常见的无机离子主要有Ca2+、Mg2+和和Fe2+等。等。第49页，共156页，编辑于2022年，星期三通常使用草酸通常使用草酸 当发酵液中钙离子浓度较高时，可用草酸的可当发酵液中钙离子浓度较高时，可用草酸的可溶性盐，如草酸钠。反应生成的草酸钙还能促使溶性盐，如草酸钠
33、。反应生成的草酸钙还能促使蛋白质凝固，改善发酵液的过滤性能。蛋白质凝固，改善发酵液的过滤性能。由于草酸价格较贵，应注意采用适当方法回收。由于草酸价格较贵，应注意采用适当方法回收。钙离子的去除：钙离子的去除：Ca2+加草酸钠沉淀加草酸钠沉淀 C2O4Na2+Ca2+C2O4Ca+2Na+第50页，共156页，编辑于2022年，星期三应用实例：应用实例：四环类抗生素发酵液常采用草酸钙沉四环类抗生素发酵液常采用草酸钙沉淀法除去钙离子，在其废液中加入硫酸铅，淀法除去钙离子，在其废液中加入硫酸铅，在在6060下反应生成草酸铅，后者在下反应生成草酸铅，后者在90909595下用硫酸分解，再经过滤、冷却、结
34、晶后即可下用硫酸分解，再经过滤、冷却、结晶后即可回收草酸。回收草酸。第51页，共156页，编辑于2022年，星期三镁离子的去除：镁离子的去除：可加入三聚磷酸钠，它和镁离子形成可可加入三聚磷酸钠，它和镁离子形成可溶性络合物后，即可消除对离子交换的影溶性络合物后，即可消除对离子交换的影响。响。Na5P3O10+Mg2+MgNa3P3O10+2Na+第52页，共156页，编辑于2022年，星期三加入黄血盐加入黄血盐(三水合六氰合铁三水合六氰合铁()酸钾酸钾)，可与铁离子形成普鲁士蓝沉淀而除去。可与铁离子形成普鲁士蓝沉淀而除去。发酵液中铁离子的去除：发酵液中铁离子的去除：4Fe3+3K4Fe(CN)6
35、Fe4Fe(CN)63+12K+第53页，共156页，编辑于2022年，星期三二、杂蛋白质的除去二、杂蛋白质的除去在改善发酵液过滤特性的众多在改善发酵液过滤特性的众多方法中，有许多可在改善过滤特性方法中，有许多可在改善过滤特性的同时，除去杂蛋白质。的同时，除去杂蛋白质。第54页，共156页，编辑于2022年，星期三1.沉淀法沉淀法 蛋白质是两性物质，蛋白质是两性物质，在酸性溶液中，能与一些阴离子如三氯乙酸在酸性溶液中，能与一些阴离子如三氯乙酸盐、水杨酸盐、钨酸盐、苦味酸盐、鞣酸盐、过盐、水杨酸盐、钨酸盐、苦味酸盐、鞣酸盐、过氯酸盐等形成沉淀；氯酸盐等形成沉淀；在碱性溶液中，能与一些阳离子如在碱
36、性溶液中，能与一些阳离子如Ag、Cu2、Zn2、Fe3和和Pb2等形成沉淀。等形成沉淀。第55页，共156页，编辑于2022年，星期三2.变性法变性法 使蛋白质变性的方法很多，其中最常用的使蛋白质变性的方法很多，其中最常用的是是加热法加热法。加热不仅使蛋白质变性，同时降低。加热不仅使蛋白质变性，同时降低液体粘度，提高过滤速率。液体粘度，提高过滤速率。将柠檬酸发酵液加热至将柠檬酸发酵液加热至8080以上，使蛋白以上，使蛋白质变性凝固和降低发酵液粘度，即可大大提高质变性凝固和降低发酵液粘度，即可大大提高过滤速率。过滤速率。第56页，共156页，编辑于2022年，星期三使蛋白质变性的其他方法有：大幅
37、度调使蛋白质变性的其他方法有：大幅度调节节pH，加酒精、丙酮等有机溶剂或表面活，加酒精、丙酮等有机溶剂或表面活性剂等。性剂等。变性法存在一定的局限性。变性法存在一定的局限性。加热法只适合于对热较稳定的目的产物；加热法只适合于对热较稳定的目的产物；极端极端pH也会导致某些目的产物失活，并且也会导致某些目的产物失活，并且要消耗大量酸碱；有机溶剂法通常只适用于要消耗大量酸碱；有机溶剂法通常只适用于所处理的液体数量较少的场合。所处理的液体数量较少的场合。第57页，共156页，编辑于2022年，星期三3.吸附法吸附法 加入某些吸附剂或沉淀剂吸附杂加入某些吸附剂或沉淀剂吸附杂蛋白质而除去。蛋白质而除去。第
38、58页，共156页，编辑于2022年，星期三在四环类抗生素中，采用黄血盐和硫酸在四环类抗生素中，采用黄血盐和硫酸锌的协同作用生成亚铁氰化锌钾的胶状沉淀锌的协同作用生成亚铁氰化锌钾的胶状沉淀来吸附蛋白质，在生产实际中已取得很好的来吸附蛋白质，在生产实际中已取得很好的效果。效果。在枯草芽孢杆菌发酵液中，加入氯化钙和磷在枯草芽孢杆菌发酵液中，加入氯化钙和磷酸氢二钠，两者生成庞大的凝胶，把蛋白质、菌酸氢二钠，两者生成庞大的凝胶，把蛋白质、菌体及其它不溶性粒子吸附并包裹在其中而除去，体及其它不溶性粒子吸附并包裹在其中而除去，从而可加快过滤速率。从而可加快过滤速率。应用实例：应用实例：第59页，共156页
39、，编辑于2022年，星期三2.3 固液分离过程和分类固液分离过程和分类 固液分离是生物产品工厂中经常遇到的重要单固液分离是生物产品工厂中经常遇到的重要单元操作。培养基、发酵液、某些中间产物和半成元操作。培养基、发酵液、某些中间产物和半成品等都需进行固液分离。品等都需进行固液分离。其中发酵液由于种类多、粘度大和成分复其中发酵液由于种类多、粘度大和成分复杂，其固液分离最为困难。杂，其固液分离最为困难。第60页，共156页，编辑于2022年，星期三固液分离的方法很多，根据颗粒收集固液分离的方法很多，根据颗粒收集的方式不同，可分为两大类型：的方式不同，可分为两大类型：第一类：第一类：沉降和浮选沉降和浮
40、选 第二类：第二类：过滤过滤第61页，共156页，编辑于2022年，星期三在沉降和浮选所组成的第一类中，液体受在沉降和浮选所组成的第一类中，液体受限于一个固定的或旋转的容器而颗粒在液体里限于一个固定的或旋转的容器而颗粒在液体里自由移动，分离是由于内、外力场的加速作用自由移动，分离是由于内、外力场的加速作用产生的质量力施加在颗粒上造成的，这种力场产生的质量力施加在颗粒上造成的，这种力场可能是重力场、离心力场或磁场。可能是重力场、离心力场或磁场。如果作用的是重力或离心力如果作用的是重力或离心力(除浮选外除浮选外)，为了进行分离，在固体和悬浮液体之间必须要有为了进行分离，在固体和悬浮液体之间必须要有
41、密度差。密度差。第62页，共156页，编辑于2022年，星期三第二类被不严格地统称为过滤，颗粒受第二类被不严格地统称为过滤，颗粒受到过滤介质的限制，而液体可自由通过介质。到过滤介质的限制，而液体可自由通过介质。在发酵液或生物培养液的分离过程中，当在发酵液或生物培养液的分离过程中，当前用得较多的还是过滤前用得较多的还是过滤(包括错流膜过滤包括错流膜过滤)和和离心两大方法。离心两大方法。第63页，共156页，编辑于2022年，星期三第64页，共156页，编辑于2022年，星期三2.4 过滤法过滤法（Filtration）过滤是传统的化工单元操过滤是传统的化工单元操作，而且是目前工业生产中作，而且是
42、目前工业生产中用于分离细胞和不溶性物质用于分离细胞和不溶性物质的主要方法，其操作是迫使的主要方法，其操作是迫使液体通过固体支承物或过滤液体通过固体支承物或过滤介质，把固体截留，从而达介质，把固体截留，从而达到固、液分离的目的。到固、液分离的目的。第65页，共156页，编辑于2022年，星期三过滤过滤o过滤介质：过滤采用的多孔物质；o滤浆：所处理的悬浮液；o滤液：通过多孔通道的液体；o滤饼或滤渣：被截留的固体物质第66页，共156页，编辑于2022年，星期三一发酵液的过滤特性和滤饼的重一发酵液的过滤特性和滤饼的重量比阻量比阻微生物的发酵液大多数属于非牛顿型液体，微生物的发酵液大多数属于非牛顿型液
43、体，滤渣为可压缩性的。滤渣为可压缩性的。衡量过滤特性的主要指标是滤饼的衡量过滤特性的主要指标是滤饼的重重量比阻量比阻rB，它表示单位滤饼厚度的阻力系数，它表示单位滤饼厚度的阻力系数，与滤饼的结构特性有关。与滤饼的结构特性有关。第67页，共156页，编辑于2022年，星期三对于不可压缩性滤饼，比阻值为常数，对于不可压缩性滤饼，比阻值为常数，但对于可压缩性滤饼，比阻但对于可压缩性滤饼，比阻rB是操作压力差是操作压力差的函数，一般可用下式表示：的函数，一般可用下式表示：rBr(p)m (2-3)r为不可压缩滤渣的比阻，对于一定的料液，其为不可压缩滤渣的比阻，对于一定的料液，其值为常数；值为常数；m为
44、压缩性指数，一般取为压缩性指数，一般取0.50.8，对不可压缩，对不可压缩性滤饼，性滤饼，m0；第68页，共156页，编辑于2022年，星期三由（由（23）式可知，滤饼的比阻值是随）式可知，滤饼的比阻值是随操作压力差的提高而增大的。操作压力差的提高而增大的。开始过滤时应注意不能很快提高压差，开始过滤时应注意不能很快提高压差，通常靠液柱的自然压差进料，并应缓慢地，通常靠液柱的自然压差进料，并应缓慢地，逐步地升高压力，一般在相当长的时间内，逐步地升高压力，一般在相当长的时间内，压力差不要超过压力差不要超过0.05 MPa，最后的压差也不，最后的压差也不超过超过0.30.4 MPa。第69页，共15
45、6页，编辑于2022年，星期三恒压下，可压缩性滤饼的比阻值应为常数。恒压下，可压缩性滤饼的比阻值应为常数。如过滤介质的阻力相对较小可以忽略不计，则恒如过滤介质的阻力相对较小可以忽略不计，则恒压下的过滤方程式如下：压下的过滤方程式如下：q2 （24）式中式中 q 到瞬间到瞬间通过单位过滤面积的滤液量，通过单位过滤面积的滤液量，m；p 压力差，压力差，Pa；滤液粘度，滤液粘度，Pas；rB 滤饼的重量比阻，滤饼的重量比阻，m/kg；XB通过单位体积滤液，通过单位体积滤液，所形成的滤渣重量（干重），所形成的滤渣重量（干重），kg/m3；过滤时间，过滤时间，s。第70页，共156页，编辑于2022年，
46、星期三重量比阻可根据式（重量比阻可根据式（24），利用图解法），利用图解法求得。以求得。以/q为纵轴，以为纵轴，以q为横轴所得的直线斜为横轴所得的直线斜率为率为M，则，则rB可按下式计算：可按下式计算：rB （25）根据滤饼的重量比阻值，可衡量各种不同发酵根据滤饼的重量比阻值，可衡量各种不同发酵液过滤的难易程度。液过滤的难易程度。第71页，共156页，编辑于2022年，星期三第72页，共156页，编辑于2022年，星期三练习题：练习题：在从庆大霉素发酵液过滤分离链霉菌的过滤实验在从庆大霉素发酵液过滤分离链霉菌的过滤实验中，使用硅藻土作助滤剂。小型过滤机的过滤面积中，使用硅藻土作助滤剂。小型过滤
47、机的过滤面积A0.01m3，滤液粘度，滤液粘度1.110-3 Pas，过滤压差，过滤压差p6.772104 Pa，且发酵液固体悬浮物浓度为，且发酵液固体悬浮物浓度为15kg/m3。过滤时间所对应的滤液量如下：过滤时间所对应的滤液量如下：/s5102030V V1010-6-6/m/m3 340558095求：滤饼比阻求：滤饼比阻rB。第73页，共156页，编辑于2022年，星期三二影响过滤速度的因素二影响过滤速度的因素 过滤速度和菌种、发酵条件（培养基过滤速度和菌种、发酵条件（培养基的组成，未用完培养基的数量，消泡剂，的组成，未用完培养基的数量，消泡剂，发酵周期）等有关。发酵周期）等有关。第7
48、4页，共156页，编辑于2022年，星期三1.菌种对过滤速度影响：菌种对过滤速度影响：真菌的菌丝比较粗大，发酵液容易过滤，常不真菌的菌丝比较粗大，发酵液容易过滤，常不需特殊处理。需特殊处理。放线菌发酵液菌丝细而分枝，交织成网络状。还含放线菌发酵液菌丝细而分枝，交织成网络状。还含有很多多糖类物质，粘性强，过滤较困难，一般需经预有很多多糖类物质，粘性强，过滤较困难，一般需经预处理，以凝固蛋白质等胶体。处理，以凝固蛋白质等胶体。细菌发酵液的菌体更细小，过滤十分困难，细菌发酵液的菌体更细小，过滤十分困难，如不用絮凝等方法预处理发酵液，往往难以采用如不用絮凝等方法预处理发酵液，往往难以采用常规过滤的设备
49、来完成过滤操作。常规过滤的设备来完成过滤操作。第75页，共156页，编辑于2022年，星期三第76页，共156页，编辑于2022年，星期三用黄豆粉、花生粉作氮源、淀粉作碳用黄豆粉、花生粉作氮源、淀粉作碳源会使过滤困难。源会使过滤困难。发酵后期加消泡剂或剩余大量未用完的发酵后期加消泡剂或剩余大量未用完的培养基，都会使过滤困难。培养基，都会使过滤困难。2.培养基的组成对过滤速度的影响培养基的组成对过滤速度的影响第77页，共156页，编辑于2022年，星期三在菌丝自溶前必须放罐，因为细胞自溶后在菌丝自溶前必须放罐，因为细胞自溶后的分解产物一般很难过滤。的分解产物一般很难过滤。延长发酵周期虽能使发酵单
50、位有所提延长发酵周期虽能使发酵单位有所提高，但严重影响发酵液质量，使色素和胶高，但严重影响发酵液质量，使色素和胶状杂质增多、过滤困难，最终造成成品质状杂质增多、过滤困难，最终造成成品质量降低。量降低。3.发酵终了时间对过滤的影响发酵终了时间对过滤的影响第78页，共156页，编辑于2022年，星期三三过滤设备三过滤设备生化工业常用的过滤设备主要有生化工业常用的过滤设备主要有加压叶滤机、板框过滤机和回转真空加压叶滤机、板框过滤机和回转真空过滤机等。过滤机等。第79页，共156页，编辑于2022年，星期三四错流过滤四错流过滤（Cross-Flow Filtration）错流过滤错流过滤又称又称切向切