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1、发酵液预处理发酵液预处理 与固液分离与固液分离第三章第三章3.1 发酵液的预处理l为什么要对发酵液进行预处理？为什么要对发酵液进行预处理？l预处理的目的是什么？预处理的目的是什么？l预处理有哪些方法？预处理有哪些方法？发酵液的基本特性 产物浓度低产物浓度低 具有极性具有极性 黏度大黏度大 表面张力大表面张力大 性质不稳定性质不稳定预处理的目的改变发酵液的物理性质，促进从悬浮液中分离改变发酵液的物理性质，促进从悬浮液中分离固形物的速度，提高固液分离器的效率；固形物的速度，提高固液分离器的效率；尽可能使产物转入便于后处理的一相中（多数尽可能使产物转入便于后处理的一相中（多数是液相）；是液相）；去除
2、发酵液中的部分杂质，以利于后续各步操去除发酵液中的部分杂质，以利于后续各步操作。作。加热加热 调节调节pH值值 凝聚和絮凝凝聚和絮凝 使用惰性助滤剂使用惰性助滤剂 使用反应剂使用反应剂发酵液预处理的方法 加热加热最简单和廉价的处理方法。最简单和廉价的处理方法。可降低发酵液的黏度；可降低发酵液的黏度；除去某些杂蛋白；除去某些杂蛋白；降低发酵液的体积；降低发酵液的体积；破坏凝胶状结构；破坏凝胶状结构；注意：产品的热稳定性。注意：产品的热稳定性。发酵液预处理的方法发酵液预处理的方法加热加热 全全细细胞胞的的聚聚集集作作用用高高度度依依赖赖于于pH值值的的大大小小，恰恰当当的的pH值值能能够够促促进进
3、聚聚集集作作用用。一一般般用用草草酸酸或或无机酸或碱来调节。无机酸或碱来调节。eg.1 味精生产味精生产 2 青霉素的提取（天大青霉素的提取（天大 王静康等）王静康等）发酵液预处理的方法发酵液预处理的方法调调pH 凝凝聚聚和和絮絮凝凝都都是是发发酵酵液液预预处处理理的的重重要要方方法法，其其处处理理过过程程就就是是将将化化学学药药剂剂预预先先投投加加到到悬悬浮浮液液中中，改改变变细细胞胞、菌菌体体和和蛋蛋白白质质等等粒粒子子的的分分散散状状态态，破破坏坏其其稳稳定定性性，使使它它们们聚聚集集成成可分离的絮凝体，再进行分离。可分离的絮凝体，再进行分离。发酵液预处理的方法发酵液预处理的方法凝聚和絮
4、凝凝聚和絮凝 这这两两种种方方法法的的特特点点是是不不仅仅能能使使颗颗粒粒尺尺寸寸有有效效增增加加，并并且且会会增增大大颗颗粒粒的的沉沉降降或或浮浮选选速速率率，提提高高滤滤饼饼的的渗渗透透性性或或者者在在深深床床过过滤时产生较好的颗粒保留作用。滤时产生较好的颗粒保留作用。应应当当注注意意，凝凝聚聚和和絮絮凝凝是是两两种种方方法法，两两个个概概念念，其其具具体体处处理理过过程程也也有有差差别别，应应该该明明确区分开来，不可混淆。确区分开来，不可混淆。凝凝聚聚指指在在投投加加的的化化学学物物质质（如如水水解解的的凝凝聚聚剂剂：铝铝、铁铁的的盐盐类类或或石石灰灰等等）作作用用下下，胶胶体体脱脱稳稳
5、并并使使粒粒子子相相互互聚聚集集成成1mm大大小小块块状状凝凝聚体的过程。聚体的过程。其其中中凝凝聚聚剂剂的的作作用用，有有些些是是对对初初始始粒粒子子表表面面电电荷荷的的简简单单中中和和，另另一一些些是是消消除除双双电电荷荷层层（采采用用中中性性盐盐，如如NaCl等等）而而脱脱稳稳，还还有有一一些些是是通通过过氢氢键键或或其其他他复复杂杂的的形形式式与与粒子相结合而产生凝聚。粒子相结合而产生凝聚。电电解解质质的的凝凝聚聚能能力力可可用用凝凝聚聚值值表表示示，即即使使胶胶粒粒发发生生凝凝聚聚作作用用的的最最小小电电解解质质浓浓度度（mmol/L）。）。一一般般反反离离子子的的价价数数越越高高，
6、凝凝聚聚值值越越小小，也就是说，凝聚能力越强。也就是说，凝聚能力越强。Al3+Fe3+H+Ca2+Mg2+K+Na+Li+絮絮凝凝指指使使用用絮絮凝凝剂剂（通通常常是是天天然然或或合合成成的的大大分分子子量量聚聚电电解解质质）将将胶胶体体粒粒子子交交联联成成网网，形形成成10mm大小絮凝团的过程。大小絮凝团的过程。其其中中絮絮凝凝剂剂主主要要起起桇桇桥桥作作用用，工工业业上上使使用用到到的的有有聚聚丙丙烯烯酰酰胺胺类类衍衍生生物物、聚聚合合铝铝盐盐、海海藻藻酸酸钠钠、壳壳聚聚糖糖等等，目目前前最最常常用用的的是聚丙烯酰胺类衍生物。是聚丙烯酰胺类衍生物。絮絮凝凝效效果果与与絮絮凝凝剂剂的的类类型
7、型、剂剂量量、溶溶液液pH、搅拌速度、处理时间等有关。、搅拌速度、处理时间等有关。图图1 絮凝剂添加量对絮凝液滤速的影响絮凝剂添加量对絮凝液滤速的影响 还有一种方法还有一种方法混凝，它包括了凝聚和混凝，它包括了凝聚和絮凝两个过程。絮凝两个过程。混凝剂投加量必须适当。量不足，达不到混凝剂投加量必须适当。量不足，达不到应用的混凝效果；量过大，则会造成胶体复稳。应用的混凝效果；量过大，则会造成胶体复稳。eg.活性污泥活性污泥/混凝法处理高含盐染料废混凝法处理高含盐染料废水的实验研究（鲁秀国等）水的实验研究（鲁秀国等）水样的混凝处理中，有三个过程：水样的混凝处理中，有三个过程：细小颗粒聚集作用使颗粒变
8、大；细小颗粒聚集作用使颗粒变大；絮状颗粒对水溶性物质的吸附作用；絮状颗粒对水溶性物质的吸附作用；絮状颗粒对水中悬浮粒子的粘着作用。絮状颗粒对水中悬浮粒子的粘着作用。惰惰性性助助滤滤剂剂是是一一种种颗颗粒粒均均匀匀、质质地地坚坚硬硬、不不可可压压缩缩的的粒粒状状物物质质，用用于于扩扩大大过过滤滤表表面面的的适适用用范范围围，使使非非常常稀稀薄薄或或非非常常细细小小的的悬悬浮浮液液在在过过滤滤时时发发生生的的快快速速挤挤压压和和介介质质堵堵塞塞现现象象得得到到减减轻轻，易于过滤。易于过滤。发酵液预处理的方法发酵液预处理的方法助滤剂助滤剂 助助滤滤剂剂表表面面具具有有吸吸附附胶胶体体的的能能力力，并
9、并且且由由此此形形成成的的滤滤饼饼具具有有格格子子型型结结构构，不不可可压压缩缩，滤滤孔孔不不会会被被全全部部堵堵塞塞，可可保保持持良良好好的的渗渗透透性性，因因此此能能大大大大提提高高过过滤滤能能力力和和生生产产效效率率，降降低低过滤成本。过滤成本。助滤剂的使用方法：助滤剂的使用方法：在在滤滤布布上上预预涂涂一一层层助助滤滤剂剂，作作为为过过滤滤介介质质使用，待滤毕后与滤饼一起除去；使用，待滤毕后与滤饼一起除去；助助滤滤剂剂按按一一定定比比例例均均匀匀地地混混入入待待滤滤的的悬悬浮浮液液中中，然然后后一一起起进进入入过过滤滤机机，使使其其形形成成较较松松的的滤滤饼饼，降降低低其其可可压压缩缩
10、性性，让让滤滤液液可可以以顺畅流通。顺畅流通。用作惰性助滤剂的材料：用作惰性助滤剂的材料：硅硅藻藻土土、膨膨胀胀珍珍珠珠岩岩、石石棉棉、纤纤维维素素、未未活活化化的的碳碳、炉炉渣渣、重重质质碳碳酸酸钙钙或或这这些些材材料料的的混合物。混合物。使使用用时时，要要根根据据目目的的产产物物、过过滤滤介介质质及及过过滤滤情情况况来来选选择择助助滤滤剂剂的的品品种种、助助滤滤剂剂的的粒粒度度、用量。用量。在在发发酵酵液液中中加加入入某某些些不不影影响响目目的的产产物物的的反反应应物物，以以消消除除发发酵酵液液中中的的某某些些杂杂质质对对过过滤滤的影响，提高过滤效率。的影响，提高过滤效率。发酵液预处理的方
11、法发酵液预处理的方法反应剂反应剂3.2 固液分离 过过滤滤不不但但是是传传统统的的化化工工单单元元操操作作，而而且且是是目目前前工工业业生生产产中中用用于于分分离离细细胞胞和和不不溶溶性性物物质质的的主主要要方方法法，其其操操作作是是迫迫使使液液体体通通过过固固体体支支承承物物或或过过滤滤介介质质，把把固固体体截截留留，从从而而达达到到固固、液液分分离的目的。离的目的。固液分离固液分离过滤法过滤法图图2 过滤介质的清除能力（以去除最小颗粒直径表示）过滤介质的清除能力（以去除最小颗粒直径表示）过过滤滤器器的的类类型型很很多多，在在生生物物工工艺艺中中应应用用较较广广并并具具有有工工业业意意义义的
12、的过过滤滤器器主主要要有有以以下下两两大类：大类：真空过滤器真空过滤器 压滤器压滤器 固液分离固液分离过滤法过滤法 图图3 水平圆盘过滤器水平圆盘过滤器1分配头分配头 2螺旋输送器螺旋输送器 3过滤盘过滤盘图图4 水平回转翻盘式真空过滤器水平回转翻盘式真空过滤器图图5 转鼓真空过滤机转鼓真空过滤机过过滤滤机机外外涂涂有有厚厚厚厚的的一一层层硅硅藻藻土土，水水和和酶酶可可以以渗渗透透过过去去，而而培培养养基基和和微微生生物物却却被被黏黏着着在在硅硅藻藻土土表表面面上上。转转鼓鼓过过滤滤机机旋旋转转的的过过程程中中，发发酵酵液液喷喷散散开开来来。水水和和酶酶被被吸吸进进过过滤滤机机的的中中央央，培
13、培养养基基和和微微生生物物则则留留在在硅硅藻藻土土表表面面，稍稍后后用用巨巨型型刀刀片片将将硅硅藻藻土及附着其上的培养基及微生物一同去除。土及附着其上的培养基及微生物一同去除。图图6 水平带式真空过滤器简图水平带式真空过滤器简图 用于各种悬浮液的固液分离，适用范围广。应用于食品、用于各种悬浮液的固液分离，适用范围广。应用于食品、环保、轻工、医药、化工、冶金、石油等工业。特别适用于环保、轻工、医药、化工、冶金、石油等工业。特别适用于大批量啤酒、白酒、葡萄酒、食用油等液体饮料的精滤或除大批量啤酒、白酒、葡萄酒、食用油等液体饮料的精滤或除菌过滤。菌过滤。图图7 板框过滤机板框过滤机滤饼滤饼传统的过滤
14、传统的过滤cakeConventional filtrationl封头过滤的问题封头过滤的问题自动反冲洗过滤机 过滤过程反冲过程 如如果果料料液液给给过过滤滤介介质质表表面面一一个个平平等等的的大大流流量量冲冲刷刷，则则过过滤滤介介质质表表面面积积累累的的滤滤饼饼就就会会减减少少到到可可以以忽忽略略的的程程度度，而而通通过过过过滤滤介介质质的的流流速速却却比比较较小小。这这种种过过滤滤方方式式称称为为错错流流过过滤滤或切向流过滤。或切向流过滤。现现代代的的膜膜分分离离过过程程主主要要采采用用这这种种过过滤滤方方式，如微滤和超滤。式，如微滤和超滤。图图8 微滤过程示意图，料液快速经过薄膜，以减少
15、形成滤饼微滤过程示意图，料液快速经过薄膜，以减少形成滤饼错流过滤与传统过滤的主要差别：错流过滤与传统过滤的主要差别：过滤介质过滤介质多孔的高分子或无机材质薄膜；多孔的高分子或无机材质薄膜；需需用用泵泵循循环环悬悬浮浮液液，周周期期性性的的放放料料，且且无无干干滤饼；滤饼；过滤器的几何形状不同。过滤器的几何形状不同。错流过滤的优点：错流过滤的优点：过滤收率高；过滤收率高；滤液质量好；滤液质量好；减少处理步骤；减少处理步骤；对染菌罐批易于处理也易进行扩大生产。对染菌罐批易于处理也易进行扩大生产。离离心心法法是是利利用用惯惯性性离离心心力力和和物物质质的的沉沉降降系系数数或或浮浮力力密密度度的的不不
16、同同而而进进行行的的一一项项分分离离、浓缩或提炼操作。浓缩或提炼操作。固液分离固液分离离心法离心法 这这种种方方法法对对于于固固体体颗颗粒粒很很小小或或液液体体黏黏度度很很大大，过过滤滤速速度度很很慢慢，甚甚至至难难以以过过滤滤的的悬悬浮浮液液十十分分有有效效，对对那那些些忌忌用用助助滤滤剂剂或或助助滤滤剂剂使使用用无无效效的的悬悬浮浮液液的的分分离离，也也能能得得到到满满意的效果。意的效果。离心分离可分为三种形式：离心分离可分为三种形式：离心沉降离心沉降 离心过滤离心过滤 离心分离和超离心离心分离和超离心固液分离固液分离离心法离心法 利利用用固固液液两两相相的的相相对对密密度度差差，在在离离
17、心心机机无无孔孔转转鼓鼓或或管管子子中中进进行行悬悬浮浮液液的的分离操作。分离操作。利利用用离离心心力力并并通通过过过过滤滤介介质质，在在有有孔转鼓离心机中分离悬浮液的操作。孔转鼓离心机中分离悬浮液的操作。利利用用不不同同溶溶质质颗颗粒粒在在液液体体中中各各部部分分布布的的差差异异，分分离离不不同同相对密度液体的操作。相对密度液体的操作。当当固固体体粒粒子子在在无无限限连连续续流流体体中中沉沉降降时时，受受到到两两种种力力的的作作用用，一一种种是是连连续续流流体体对对它它的的浮浮力，另一种是流体对运动粒子的粘滞力。力，另一种是流体对运动粒子的粘滞力。离心沉降的基本原理：固体沉降离心沉降的基本原
18、理：固体沉降 由由上上式式可可知知：重重力力场场中中固固体体粒粒子子最最终终的的沉沉降降速速率率与与粒粒子子直直径径的的平平方方成成正正比比，与与粒粒子子和和流流体体的的密密度度差差成成正正比比，而而与与流流体体的的黏黏度度成成反反比。比。在在离离心心力力场场中中，重重力力加加速速度度应应换换成成离离心心加加速速度度。这这样样，只只要要根根据据要要求求改改变变或或提提高高 ，使使粒粒子子作作快快速速旋旋转转，就就可可获获得得比比重重力力觉觉降降或或过过滤滤时时高高得得多多的的分分离离效效果果。可可用用离离心心分分离离因因子子Fr来来定量评价。定量评价。Fr表表示示了了粒粒子子在在离离心心机机中
19、中产产生生的的离离心心加加速速度度与与自自由由下下降降的的加加速速度度之之比比；Fr越越大大，越越有利于分离。有利于分离。在实践中常按在实践中常按Fr值的大小对离心机进行分类：值的大小对离心机进行分类：Fr 5000为高速离心机；为高速离心机；Fr=2*104106为超速成离心机。为超速成离心机。图图9 离心沉降设备类型离心沉降设备类型 碟碟式式离离心心机机是是沉沉降降式式离离心心机机中中的的一一种种，用用于于分分离离难难分分离离的的物物料料（例例如如粘粘性性液液体体与与细细小小固固体体颗颗粒粒组组成成的的悬悬浮浮液液或或密密度度相相近近的的液体组成的乳浊液等）。液体组成的乳浊液等）。碟碟式式
20、离离心心机机可可以以完完成成两两种种操操作作：液液-固固分分离离（即即低低浓浓度度悬悬浮浮液液的的分分离离），称称澄澄清清操操作作；液液-液液（或或液液-液液-固固）分分离离（即即乳乳浊浊液液的的分分离离），称称分分离离操操作作。以以其其结结构构紧紧凑凑，占占地地面面积积小小，生生产产能能力力大大等等特特点点，因因而而在在化化工工、医医药药、轻轻工工、食食品品、生生物物工工程程以以及及交通运输部门都获得广泛应用。交通运输部门都获得广泛应用。管管式式分分离离机机是是一一种种分分离离因因数数极极高高的的离离心心分分离离设设备备，能能澄澄清清及及分分离离流流体体物物质质，被被应应用用于于化化学学、生
21、生物物化化学学、制制药药、血血浆浆等等研研究领域。究领域。离离心心过过滤滤是是将将料料液液送送入入有有孔孔的的转转鼓鼓并并利利用用离离心心力力场场进进行行过过滤滤的的过过程程，以以离离心心力力为为推推动动力力完完成成过过滤滤作作业业，兼兼有有离离心心和和过过滤滤的的双双重重作作用用，如如右右图图所所示示，过过滤滤面面各各和和离离心心力力随随半半径径的的增增大大而增大。而增大。离心过滤的原理离心过滤的原理图图10 离心过滤工作原理离心过滤工作原理图图11 离心过滤设备离心过滤设备（a）分批产式轴）分批产式轴 （b）分批卧式轴）分批卧式轴 （c）连续锥形滤网）连续锥形滤网 （d）连续推送式）连续推
22、送式图图12 HR活塞推料离心机活塞推料离心机 HR（Z）活活塞塞推推料料离离心心机机是是一一种种连连续续进进料料，分分离离后后的的滤滤饼饼从从转转鼓鼓中中间间歇歇排排出出的的过过滤滤式式离离心心机机。该该机机生生产产能能力力大大、可可对对滤滤饼饼进进行行充充分分洗洗涤涤，洗洗涤涤效效率率高高、功功耗耗低低、干干燥燥快快、对对晶晶粒粒的的破破坏坏小小。适适于于分分离离固固相相颗颗粒粒的的结结晶晶状状或或纤纤维维状状物物料的悬浮液。料的悬浮液。根根据据物物质质的的沉沉降降系系数数、质质量量和和形形状状不不同同，应应用用强强大大的的离离心心力力，将将混混合合物物中中各各组组分分分分离离、浓浓缩缩、
23、提提纯纯的的方方法法称称为为超超离离心心法法。它它在在生生物物化化学学、分分子子生生物物学学以以及及细细胞胞生生物物学学的的发发展展中中起着非常重要的作用。起着非常重要的作用。应应用用超超离离心心技技术术中中的的差差速速离离心心、等等密密度度梯梯度度离离心心等等方方法法，已已经经成成功功的的分分离离制制取取各各种种亚亚细细胞胞物物质质，如如线线粒粒体体、微微粒粒体体、溶溶酶酶体体、肿肿瘤瘤病病毒毒等等。它它已已成成为为现现代代生生物物技技术术领领域域研研究中不可缺少的实验室分析和制备手段。究中不可缺少的实验室分析和制备手段。超超离离心心技技术术中中使使用用的的也也是是无无孔孔转转鼓鼓离离心心机
24、机，所以也属所以也属离心沉降离心沉降。如果粒子在离心力场中作匀速运动，即如果粒子在离心力场中作匀速运动，即 代入离心速率工式并积分，可得到：代入离心速率工式并积分，可得到：超离心法的基本原理超离心法的基本原理 由由上上式式可可知知，在在某某一一转转速速时时，沉沉降降一一组组均均匀匀的的球球形形颗颗粒粒所所需需要要的的时时间间与与它它们们直直径径的的平平方方以以及及它它们们的的密密度度和和悬悬浮浮介介质质的的密密度度之之差差成成反反比比，而而与与介介质质的的黏黏度度成成正正比比。也也就就是是说说，当当粒粒子子直直径径和和密密度度不不同同时时，移移动动同同样样距距离离所所需需时时间间不不同同，在在
25、同同样样的的沉沉降降时时间间，其其沉沉降降的的位置也不同，这就是位置也不同，这就是“微分离心微分离心”的基础。的基础。图图13 各类超离心分离示意图各类超离心分离示意图滴加样品滴加样品离离心心管管蔗糖浓度蔗糖浓度 生生物物大大分分子子及及颗颗粒粒的的沉沉降降不不仅仅决决定定于于它它的的大大小小，而而且且也也取取决决于于它它的的密密度度。颗颗粒粒在在具具有有密密度度梯梯度度的的介介质质中中离离心心时时，质质量量和和密密度度大大的的颗颗粒粒沉沉降降的的快快，并并且且每每种种蛋蛋白白质质颗颗粒粒沉沉降降到到与与自自身身密密度度相相等等的的介介质质密密度度梯梯度度时时，即即停停止止不不前前，最最后后各各自自在在离离心心管管中中被被分分离离成成独独立立的的区区带带。分分成成区区带带的的样样品品可可以以在在管管底底刺刺一一个个小小孔孔逐逐滴滴放放出出，分分步步收收集集。常常用用的的介介质质有有蔗蔗糖糖、氯氯化铯等。化铯等。蔗糖密度梯度蔗糖密度梯度思考思考:1 1、发酵液为什么要进行预处理？有哪、发酵液为什么要进行预处理？有哪些具体的方法？些具体的方法？2 2、凝聚与絮凝的区别是什么？、凝聚与絮凝的区别是什么？3 3、什么是错流过滤？错流微滤与传统、什么是错流过滤？错流微滤与传统过滤相比有何优点？过滤相比有何优点？4 4、超离心分离法的基本原理是什么？、超离心分离法的基本原理是什么？