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1、第三章 发酵液预处理第1页，共55页，编辑于2022年，星期二 微生物微生物菌体菌体及残存的及残存的固体培养基固体培养基外，还有未被微生外，还有未被微生物完全利用的物完全利用的糖类、无机盐、蛋白质糖类、无机盐、蛋白质，以及微生物的各，以及微生物的各种种代谢产物代谢产物。发酵液成分发酵液成分目目 的的 分离菌体和其他悬浮颗粒分离菌体和其他悬浮颗粒，除去除去部分可溶性部分可溶性杂质杂质和和改变滤液的性质改变滤液的性质，以利于提取和精制后继各工序的顺利，以利于提取和精制后继各工序的顺利进行。进行。第2页，共55页，编辑于2022年，星期二 对于对于胞外产物胞外产物，经预处理应尽可能使，经预处理应尽可
2、能使目的产物目的产物转移到液相转移到液相，然后经，然后经固液分离固液分离除去固相；除去固相；对于对于胞内产物胞内产物，则应首先，则应首先收集菌体或细胞收集菌体或细胞，经经细胞破碎细胞破碎后，目的产物进入液相，随后再将细胞后，目的产物进入液相，随后再将细胞碎片分离。碎片分离。方方 法法 选选 择择第3页，共55页，编辑于2022年，星期二一一、发酵液过滤特性的改变、发酵液过滤特性的改变发发酵酵产产物物浓浓度度较较低，大多低，大多为为1一一10，悬悬浮液浮液 中大部分是水；中大部分是水；悬悬浮物浮物颗颗粒小，相粒小，相对对密度与液相相差不大；密度与液相相差不大；固体粒子可固体粒子可压缩压缩性大；性
3、大；液相粘度大，大多液相粘度大，大多为为非牛非牛顿顿型流体；型流体；性性质质不不稳稳定，随定，随时间变时间变化，如易受空气氧化、微生化，如易受空气氧化、微生 物物污污染、蛋白染、蛋白酶酶水解等作用的影响。水解等作用的影响。这些特性使得发酵液的过滤与分离相当困难。这些特性使得发酵液的过滤与分离相当困难。（一）微生物发酵液的特性（一）微生物发酵液的特性第4页，共55页，编辑于2022年，星期二（二）改善发酵液过滤特性的物理化学方法（二）改善发酵液过滤特性的物理化学方法 通过对发酵液进行适当的预处理，即可改善其流体通过对发酵液进行适当的预处理，即可改善其流体性能，降低滤饼比阻，提高过滤与分离的速率。
4、性能，降低滤饼比阻，提高过滤与分离的速率。1.降低液体粘度降低液体粘度：根据流体力学原理，滤液通过滤饼的速率与液体的根据流体力学原理，滤液通过滤饼的速率与液体的粘度成反比，降低液体粘度可有效提高过滤速率。注意加粘度成反比，降低液体粘度可有效提高过滤速率。注意加热温度与时间，不影响产物活性和细胞的完整性。热温度与时间，不影响产物活性和细胞的完整性。有有加水稀释法和加热法加水稀释法和加热法第5页，共55页，编辑于2022年，星期二 pH值值直接影响直接影响发发酵液中某些物酵液中某些物质质的的电电离度和离度和电电荷荷性性质质，适当，适当调节调节pH值值可改善其可改善其过滤过滤特性。特性。氨基酸、蛋白
5、氨基酸、蛋白质质等等电电点的点的调节调节；在膜；在膜过滤过滤中，中，发发酵液中的大分子物酵液中的大分子物质质易与膜易与膜发发生吸附，通生吸附，通过调过调整整pH值值改改变变易吸附分子的易吸附分子的电电荷性荷性质质，即可减少堵塞和，即可减少堵塞和污污染；染；细细胞、胞、细细胞碎片及某些胶体物胞碎片及某些胶体物质质等在某个等在某个pH值值下下 也可能也可能趋趋于絮凝而成于絮凝而成为较为较大大颗颗粒，有利于粒，有利于过滤过滤的的进进行。行。主要有主要有等电点沉淀法等电点沉淀法 2.调调整整pH第6页，共55页，编辑于2022年，星期二 采用凝聚和絮凝技术能有效采用凝聚和絮凝技术能有效改变细胞、细胞碎
6、改变细胞、细胞碎片及溶解大分子物质的分散状态片及溶解大分子物质的分散状态，使其聚结成较，使其聚结成较大的颗粒，便于提高过滤速率。另外，还能有效地大的颗粒，便于提高过滤速率。另外，还能有效地除除去杂蛋白和固体杂质去杂蛋白和固体杂质，提高滤液质量。，提高滤液质量。3.凝聚与絮凝凝聚与絮凝第7页，共55页，编辑于2022年，星期二 助助滤剂滤剂是一种不可是一种不可压缩压缩的多孔微粒，它能使的多孔微粒，它能使滤饼滤饼疏疏松，松，滤滤速增大。速增大。悬悬浮液中大量的浮液中大量的细细微胶体粒子被吸附到微胶体粒子被吸附到助助滤剂滤剂的表面上，改的表面上，改变变了了滤饼结滤饼结构，降低了构，降低了过滤过滤阻力
7、。阻力。4.加入助加入助滤剂滤剂 常用的助滤剂常用的助滤剂 硅藻土、硅藻土、纤维纤维素、石棉粉、白土、炭粒、淀粉等。素、石棉粉、白土、炭粒、淀粉等。最常用的是硅藻土，使用最常用的是硅藻土，使用时时，通常，通常细细粒用量粒用量为为500 g/m3；中等粒度用量中等粒度用量为为700 g/m3；粗粒用量；粗粒用量为为700-1000 g/m3。第8页，共55页，编辑于2022年，星期二 加入反加入反应剂应剂和某些可溶性和某些可溶性盐类发盐类发生反生反应应生成不溶性沉淀，如生成不溶性沉淀，如CaSO4，AlPO4等。生成的沉淀能防止菌等。生成的沉淀能防止菌丝丝体粘体粘结结，使菌，使菌丝丝具有具有块块
8、状状结结构，沉淀本身可作构，沉淀本身可作为为助助滤剂滤剂，且能使胶状物和，且能使胶状物和悬悬浮物凝固，浮物凝固，改善过滤性能改善过滤性能；如；如发发酵液中含有不溶性多糖物酵液中含有不溶性多糖物质质，用，用酶酶将其将其转转化化为单为单糖，以糖，以提高过滤速率提高过滤速率。如万古霉素用淀粉作培养基，。如万古霉素用淀粉作培养基，发发酵液酵液过滤过滤前加入前加入0.025%的淀粉的淀粉酶酶，搅搅拌拌30min后，再加后，再加2.5%硅藻土助硅藻土助滤剂滤剂，可提高，可提高过滤过滤效率效率5倍。倍。不影响目的产物，可消除发酵液中某些杂不影响目的产物，可消除发酵液中某些杂质对过滤的影响，提高过滤速率。质对
9、过滤的影响，提高过滤速率。5.加入反加入反应剂应剂：第9页，共55页，编辑于2022年，星期二（三）凝聚与絮凝（三）凝聚与絮凝 凝聚和絮凝技术能有效地改变细胞、菌体和蛋白质等胶凝聚和絮凝技术能有效地改变细胞、菌体和蛋白质等胶体粒子的分散状态，使聚集起来，增大体积，以便于过滤，体粒子的分散状态，使聚集起来，增大体积，以便于过滤，常用于菌体细小而且粘度大的发酵液的预处理中。常用于菌体细小而且粘度大的发酵液的预处理中。通常发酵液中细胞或菌体带有负电荷，由于静电引力的通常发酵液中细胞或菌体带有负电荷，由于静电引力的作用使溶液中带相反电荷的粒子（即正离子）被吸附在其周作用使溶液中带相反电荷的粒子（即正离
10、子）被吸附在其周围，在界面上形成了围，在界面上形成了双电层双电层。但是这些正离子还受到使它们。但是这些正离子还受到使它们均匀分布开去的热运动的影响，具有离开胶粒表面的趋势，均匀分布开去的热运动的影响，具有离开胶粒表面的趋势，在这两种相反作用的影响下，双电层就分裂成两部分。在这两种相反作用的影响下，双电层就分裂成两部分。第10页，共55页，编辑于2022年，星期二 在相距胶核表面在相距胶核表面约约一个离子半径的一个离子半径的Stern平面以内，平面以内，正离子被正离子被紧紧密束密束缚缚在胶核表面，称在胶核表面，称为为吸附吸附层层或或紧紧密密层层；在在stern平面以外，剩余的正离子平面以外，剩余
11、的正离子则则在溶液中在溶液中扩扩散开散开去，距离越去，距离越远远，浓浓度越小，最后达到主体溶液的平均度越小，最后达到主体溶液的平均浓浓度，称度，称为为扩扩散散层层。这样这样就形成了就形成了扩扩散散双双电层电层的的结结构模型，构模型，如如图图所示。所示。第11页，共55页，编辑于2022年，星期二扩扩散双散双电层电层的的结结构模型构模型图图第12页，共55页，编辑于2022年，星期二 当胶粒在溶液中作相当胶粒在溶液中作相对对运运动时动时，总总有一薄有一薄层层液体随液体随着它一起滑移，着它一起滑移，这这一薄一薄层层，厚度比吸附，厚度比吸附层层稍大，滑移稍大，滑移面（剪切面）在面（剪切面）在图图14
12、l中用波中用波纹线纹线表示表示。第13页，共55页，编辑于2022年，星期二 这这三种三种电电位中只有位中只有电电位能位能实际测实际测得，所以可以得，所以可以认为认为是是控制胶粒控制胶粒间电间电排斥作用的排斥作用的电电位，用来表征双位，用来表征双电层电层的特征。的特征。4q/D D水的介水的介电电常数；常数；q胶体的胶体的电动电电动电荷密度，即滑移面上的荷密度，即滑移面上的电电荷密度；荷密度；扩扩散散层层的有效厚度，即的有效厚度，即为为吸附吸附层层和和扩扩散散层层界面界面处处 电电位位d降低到其降低到其值为值为1/e处处的距离，的距离，第14页，共55页，编辑于2022年，星期二 电电位位与与
13、扩扩散散层层厚度厚度和和电动电电动电荷密度荷密度q成正比成正比，而，而扩扩散散层层厚度又与溶液中离子厚度又与溶液中离子强强度有关，当双度有关，当双电层电层的排斥力不足的排斥力不足以抗衡胶粒以抗衡胶粒间间的范德的范德华华引力引力时时，由于，由于热热运运动动的的结结果果导导致胶致胶粒的互相碰撞而聚集起来。粒的互相碰撞而聚集起来。在在发发酵液中加入具有高价阳离子的酵液中加入具有高价阳离子的电电解解质质，能降低能降低电电位和脱除胶粒表面的水化膜位和脱除胶粒表面的水化膜，就能，就能导导致胶粒致胶粒间间的凝聚作用。的凝聚作用。第15页，共55页，编辑于2022年，星期二 凝聚：凝聚：指在电解质作用下，由于
14、胶粒之间双电层电排指在电解质作用下，由于胶粒之间双电层电排 斥作用降低，电位下降，而使斥作用降低，电位下降，而使胶体体系不稳胶体体系不稳 定定的现象。的现象。凝聚值：凝聚值：使胶粒发生凝聚作用的使胶粒发生凝聚作用的最小电解质浓度最小电解质浓度。反离子的价数越高，该值就越小，即凝聚能反离子的价数越高，该值就越小，即凝聚能 力越强。力越强。1 1、凝凝 聚聚第16页，共55页，编辑于2022年，星期二 硫酸硫酸铝铝 Al2(SO4)318H2O（明（明矾矾）；）；氯氯化化铝铝 AlCl36H2O;三三氯氯化化铁铁 FeCl3;硫酸硫酸亚铁亚铁 FeSO47H2O；石灰；石灰；ZnSO4；MgCO3
15、阳离子对带负电荷的胶粒凝聚能力的次序阳离子对带负电荷的胶粒凝聚能力的次序Al3+Fe3+H+Ca2+Mg2+K+Na+Li+常用的凝聚常用的凝聚剂电剂电解解质质有：有：第17页，共55页，编辑于2022年，星期二2 2、絮絮 凝凝絮凝：絮凝：指在某些高分子絮凝剂存在下，基于桥架作用，指在某些高分子絮凝剂存在下，基于桥架作用，使胶粒形成较大絮凝团的过程。使胶粒形成较大絮凝团的过程。絮凝剂：絮凝剂：是一种能是一种能溶于水的高分子聚合物溶于水的高分子聚合物，其相对，其相对 分子质量可高达数万至一千万以上，它们具分子质量可高达数万至一千万以上，它们具 有长链状结构，有长链状结构，其链节上含有许多活性官
16、能其链节上含有许多活性官能 团，团，包括带电荷的阴离子或阳离子基团以及包括带电荷的阴离子或阳离子基团以及 不带电荷的非离子型基团。不带电荷的非离子型基团。第18页，共55页，编辑于2022年，星期二 它们通过它们通过静电引力静电引力、范德华引力范德华引力或或氢键氢键的作的作用，强烈地吸附在胶粒的表面。用，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，产生桥架联结时，就形成了较大的絮的胶粒表面上，产生桥架联结时，就形成了较大的絮团，这就是团，这就是絮凝作用絮凝作用。第19页，共55页，编辑于2022年，星期二o工业上使用
17、的絮凝剂可分为三类：工业上使用的絮凝剂可分为三类：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、脱乙酰壳多糖等。藻酸钠、明胶、骨胶、壳多糖、脱乙酰壳多糖等。o目前最常见的高分子聚合物絮凝剂目前最常见的高分子聚合物絮凝剂 有机合成的聚丙烯酰胺（有机合成的聚丙烯酰胺（polyacrylamide）类衍生物）类衍生物 根据
18、活性基团在水中解离情况不同，可分为三类：根据活性基团在水中解离情况不同，可分为三类：非离子型、非离子型、阴离子型（含有羧基）阴离子型（含有羧基）阳离子型（含有胺基）阳离子型（含有胺基）第20页，共55页，编辑于2022年，星期二1）有机高分子聚合物，如聚丙）有机高分子聚合物，如聚丙烯酰烯酰胺胺类类衍生物、衍生物、聚聚苯乙苯乙烯类烯类衍生物；衍生物；2）无机高分子聚合物，如聚合）无机高分子聚合物，如聚合铝盐铝盐、聚合、聚合铁盐铁盐等；等；3）天然有机高分子絮凝）天然有机高分子絮凝剂剂，如聚糖，如聚糖类类胶粘物、海藻酸胶粘物、海藻酸钠钠、明、明胶、骨胶、壳多糖、脱乙胶、骨胶、壳多糖、脱乙酰酰壳多糖
19、等壳多糖等。工业上使用的絮凝剂工业上使用的絮凝剂第21页，共55页，编辑于2022年，星期二有机合成的聚丙有机合成的聚丙烯酰烯酰胺（胺（polyacrylamide）类类衍生物衍生物 根据活性基根据活性基团团在水中解离情况不同，可分在水中解离情况不同，可分为为三三类类：目前最常见的高分子聚合物絮凝剂目前最常见的高分子聚合物絮凝剂非离子型非离子型 阴离子型（含有羧基）阴离子型（含有羧基）阳离子型（含有胺基）阳离子型（含有胺基）第22页，共55页，编辑于2022年，星期二用量少，一般以用量少，一般以mg/L计计量；量；絮凝体粗大，分离效果好；絮凝体粗大，分离效果好；絮凝速度快；絮凝速度快；种种类类
20、多，适用范多，适用范围围广。广。聚丙烯酰胺类絮凝剂的优点聚丙烯酰胺类絮凝剂的优点存在一定的毒性，特别是阳离子型聚丙烯酰胺，存在一定的毒性，特别是阳离子型聚丙烯酰胺，用于食品和医药工业时应谨慎。用于食品和医药工业时应谨慎。聚丙烯酰胺类絮凝剂的缺点聚丙烯酰胺类絮凝剂的缺点第23页，共55页，编辑于2022年，星期二 医药和食品工业：医药和食品工业：聚丙烯酸类阴离子絮凝剂（无毒），聚丙烯酸类阴离子絮凝剂（无毒），聚苯乙烯类衍生物，无机高分子聚合物絮凝剂（聚合铝盐、聚苯乙烯类衍生物，无机高分子聚合物絮凝剂（聚合铝盐、聚合铁盐等），天然有机高分子絮凝剂（多聚糖类胶粘聚合铁盐等），天然有机高分子絮凝剂（多
21、聚糖类胶粘物、海藻酸钠、明胶、骨胶、壳多糖、脱乙酰壳多糖等）。物、海藻酸钠、明胶、骨胶、壳多糖、脱乙酰壳多糖等）。聚丙烯酰胺类絮凝剂的应用聚丙烯酰胺类絮凝剂的应用第24页，共55页，编辑于2022年，星期二 絮凝的效果与絮凝絮凝的效果与絮凝剂剂的加量、相的加量、相对对分子分子质质量和量和类类型、型、溶液的溶液的pH、搅搅拌拌转转速和速和时间时间等因素有关。在絮凝等因素有关。在絮凝过过程中，程中，常需加入一定量常需加入一定量助凝剂助凝剂以增加絮凝效果。以增加絮凝效果。较较多的絮凝多的絮凝剂剂有助于增加有助于增加桥桥架数量，但架数量，但过多的添加量过多的添加量反而会引起吸附反而会引起吸附饱饱和，絮
22、凝和，絮凝剂剂争争夺夺胶粒而使絮凝胶粒而使絮凝团团的粒径的粒径变变小，小，絮凝效果下降絮凝效果下降。第25页，共55页，编辑于2022年，星期二第26页，共55页，编辑于2022年，星期二n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层电位和产生吸附桥架的双重机理；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；n对于非离子型和阴离子型高分子絮凝剂，要采用凝聚和絮对于非离子型和阴离子型高分子絮凝剂，要采用凝聚和絮凝双重机理才能提高过滤效果，这种包括凝聚和絮凝机理凝双重机理才能提高过滤效果，这种包括凝聚和
23、絮凝机理的过程，称为的过程，称为混凝混凝。3 3、混、混、混、混 凝凝凝凝第27页，共55页，编辑于2022年，星期二二、二、发酵液的相对纯化发酵液的相对纯化 发酵液中杂质很多，其中有些杂质不仅直接影响产发酵液中杂质很多，其中有些杂质不仅直接影响产品质量利收得率，同时对后继提取和精制有很大影响。品质量利收得率，同时对后继提取和精制有很大影响。发酵液中的杂质发酵液中的杂质（1）高价无机离子（）高价无机离子（Ca2+、Mg2+、Fe2+）在采用离子交换提炼时，会影响树脂对生化物质在采用离子交换提炼时，会影响树脂对生化物质的交换容量。的交换容量。第28页，共55页，编辑于2022年，星期二u在采用离
24、子交换和吸附法提取时会降低其交换容量和吸附能在采用离子交换和吸附法提取时会降低其交换容量和吸附能力，力，u在有机溶剂法或双水相萃取时，易产生乳化现象，使两相分在有机溶剂法或双水相萃取时，易产生乳化现象，使两相分离不清。离不清。u在常规过滤或膜过滤时，易使过滤介质堵塞或受污染，影响在常规过滤或膜过滤时，易使过滤介质堵塞或受污染，影响过滤效率。过滤效率。因此，在预处理时，应尽量除去这些物质。因此，在预处理时，应尽量除去这些物质。（2）杂蛋白）杂蛋白第29页，共55页，编辑于2022年，星期二1.Ca2+：草酸、草酸草酸、草酸钠钠形成草酸形成草酸钙钙沉淀沉淀 但草酸价格但草酸价格较贵较贵，加入硫酸，
25、加入硫酸铅铅，在，在60下反下反应应生成草酸生成草酸铅铅。后者在。后者在 9095下用硫酸分解，下用硫酸分解，经过滤经过滤、冷却、冷却、结结晶后可以回收草酸。晶后可以回收草酸。草酸草酸镁镁的溶解度的溶解度较较大。故加入草酸不能除尽大。故加入草酸不能除尽镁镁离子。要除去离子。要除去镁镁离子，离子，可以加入三聚磷酸可以加入三聚磷酸钠钠，它和，它和镁镁离子形成可溶性离子形成可溶性络络合物合物 Na5P3O10MgMg Na3P3O102Na十十2.Mg2+：三聚磷酸三聚磷酸钠钠形成三聚磷酸形成三聚磷酸钠镁钠镁（可溶性可溶性络络合物合物）3.Fe2+黄血黄血盐盐，普普鲁鲁士士兰兰沉淀沉淀（一）高价无机
26、离子的去除方法（一）高价无机离子的去除方法第30页，共55页，编辑于2022年，星期二蛋白质一般以蛋白质一般以胶体状态胶体状态存在于发酵液中。存在于发酵液中。l在酸性溶液中带正电荷；在酸性溶液中带正电荷；l在碱性溶液中带负电荷。在碱性溶液中带负电荷。在某一在某一pH下，净电荷为零，溶解度最小，下，净电荷为零，溶解度最小，称为称为等电点等电点。（二）杂蛋白的去除方法（二）杂蛋白的去除方法第31页，共55页，编辑于2022年，星期二l在酸性溶液中在酸性溶液中，蛋白质与一些阴离子蛋白质与一些阴离子，如三，如三氯氯乙酸乙酸盐盐、水、水杨杨酸酸盐盐、钨钨酸酸盐盐、苦味酸、苦味酸盐盐、鞣酸、鞣酸盐盐、过氯
27、过氯酸酸盐盐等等形成沉淀形成沉淀；l在碱性溶液中在碱性溶液中，蛋白质与一些阳离子蛋白质与一些阳离子，如，如Ag+、Cu+、Zn+、Fe+和和Pb+等等形成沉淀形成沉淀。l由于由于羧羧基的基的电电离度比氨基大，故蛋白离度比氨基大，故蛋白质质的酸性性的酸性性质质通常通常强强于碱于碱性，因而很多蛋白性，因而很多蛋白质质的等的等电电点都在酸性范点都在酸性范围围内（内（pH 4.05.5）。但）。但单靠调节单靠调节pHpH至等电点至等电点的的办办法法不能将大部分蛋白质除去不能将大部分蛋白质除去。1.酸碱酸碱调节调节，使蛋白，使蛋白质质与与盐盐或离子形成沉淀或离子形成沉淀第32页，共55页，编辑于2022
28、年，星期二加加热热，大幅度大幅度调节调节pH值值，加酒精、丙加酒精、丙酮酮等有机溶等有机溶剂剂或表面活性或表面活性剂剂等。等。不足之不足之处处:a.加加热热法只适合于法只适合于对热较稳定对热较稳定的目的的目的产产物；物；o极端极端pH值值也会也会导导致某些目的致某些目的产产物失活，且要消耗大量酸碱；物失活，且要消耗大量酸碱；o有机溶有机溶剂剂法通常只适用于所法通常只适用于所处处理的液体数量理的液体数量较较少的少的场场合合 2.变变性法性法 第33页，共55页，编辑于2022年，星期二 加入某些加入某些加入某些加入某些吸附剂吸附剂吸附剂吸附剂或或或或沉淀剂沉淀剂沉淀剂沉淀剂吸附杂蛋白质而除去。吸
29、附杂蛋白质而除去。吸附杂蛋白质而除去。吸附杂蛋白质而除去。在在四环素类抗生素四环素类抗生素中，采用中，采用黄血盐和硫酸锌的协同作黄血盐和硫酸锌的协同作用用生成亚铁氰化锌钾的胶状沉淀来吸附蛋白质；生成亚铁氰化锌钾的胶状沉淀来吸附蛋白质；在在枯草杆菌枯草杆菌发酵液中，加入发酵液中，加入氯化钙和磷酸氢二钠氯化钙和磷酸氢二钠，两，两者生成庞大的凝胶，把蛋白质、菌体及其他不溶性粒子吸者生成庞大的凝胶，把蛋白质、菌体及其他不溶性粒子吸附并包裹在其中除去。附并包裹在其中除去。3.吸附法吸附法第34页，共55页，编辑于2022年，星期二三、三、固液分离工程及设备固液分离工程及设备范围：范围：培养基、发酵液、某
30、些中间产品和半成品。培养基、发酵液、某些中间产品和半成品。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，分离最为困难。杂，分离最为困难。方法：方法：分离筛、重力沉降、浮选分离、离心分离分离筛、重力沉降、浮选分离、离心分离 和过滤等，其中用于发酵液固液分离的主和过滤等，其中用于发酵液固液分离的主 要是离心分离和过滤分离。要是离心分离和过滤分离。第35页，共55页，编辑于2022年，星期二重力沉降重力沉降 浮浮 选选 通气，产生气泡，使固体附着在气泡表面除去。通气，产生气泡，使固体附着在气泡表面除去。用于固液比重差小、直径用于固液比重差小、直径530m m颗粒的分离
31、，污水处理颗粒的分离，污水处理旋液分离旋液分离 悬浮液以较高速度沿切线方向进入旋风分离器，悬浮液以较高速度沿切线方向进入旋风分离器，轻相由分离器中央排出，重相由分离器下部排出，轻相由分离器中央排出，重相由分离器下部排出，但不适合直径但不适合直径5 m颗粒去除（可用丝网分离器）。颗粒去除（可用丝网分离器）。介质过滤介质过滤 霉菌和放线菌为丝状菌，体形较大，发酵液采用过滤方法；霉菌和放线菌为丝状菌，体形较大，发酵液采用过滤方法；细菌和酵母菌为单细胞，体形较小，其发酵液采用高速离心细菌和酵母菌为单细胞，体形较小，其发酵液采用高速离心 分离，分离，如对发酵液进行预处理，也可用过滤进行固液分离。如对发酵
32、液进行预处理，也可用过滤进行固液分离。离离 心心 工业上常用工业上常用第36页，共55页，编辑于2022年，星期二1.原理原理：利用利用转转鼓高速鼓高速转动转动所所产产生的离心力，生的离心力，来来实现悬实现悬浮液、乳浮液、乳浊浊液的分离或液的分离或浓缩浓缩。2.优优点：点：分离速率快、分离效率高、液相澄清度好等。分离速率快、分离效率高、液相澄清度好等。3.缺点：缺点：设备设备投投资资高、能耗大。此外，高、能耗大。此外，连续连续排料排料时时，固相干度不如固相干度不如过滤设备过滤设备。4.种种类类：种种类类多，按其作用原理不同，可分多，按其作用原理不同，可分为过滤为过滤式式 离心机和沉降式离心机两
33、大离心机和沉降式离心机两大类类。（一）离心分离（一）离心分离第37页，共55页，编辑于2022年，星期二5.离心机种离心机种类类：a.碟片式离心机碟片式离心机第38页，共55页，编辑于2022年，星期二b.管式离心机管式离心机第39页，共55页，编辑于2022年，星期二C.倾倾析式离心机析式离心机第40页，共55页，编辑于2022年，星期二（二（二)过滤过滤微生物发酵液中含有大量菌体、细胞或微生物发酵液中含有大量菌体、细胞或 细胞碎片以及残余的固体培养基成分。细胞碎片以及残余的固体培养基成分。过滤就是将悬浮在发酵液中的固体颗粒与液过滤就是将悬浮在发酵液中的固体颗粒与液体进行分离的过程。体进行分
34、离的过程。在过滤操作中，要求滤速快、滤液澄清，并且有高在过滤操作中，要求滤速快、滤液澄清，并且有高的收率。的收率。1.1.原理原理：悬浮液通过过滤介质时，固态颗粒与溶液分离。悬浮液通过过滤介质时，固态颗粒与溶液分离。2.2.2.2.类型：类型：类型：类型：澄清过滤澄清过滤澄清过滤澄清过滤 滤饼过滤滤饼过滤滤饼过滤滤饼过滤第41页，共55页，编辑于2022年，星期二 过滤过滤介介质为质为硅藻土、砂、硅藻土、砂、颗颗粒活性炭、玻璃珠、粒活性炭、玻璃珠、塑料塑料颗颗粒等。粒等。当当悬悬浮液通浮液通过滤层时过滤层时，固体颗粒被阻拦或吸固体颗粒被阻拦或吸附在滤层的颗粒上附在滤层的颗粒上，使，使滤滤液得以
35、澄清。液得以澄清。适合于固体含量少于适合于固体含量少于0.1g/100mL、颗颗粒直径在粒直径在5-100um的的悬悬浮液的浮液的过滤过滤分离，如河水、麦芽汁、酒分离，如河水、麦芽汁、酒类类和和饮饮料等的澄清。料等的澄清。（1 1）澄清）澄清）澄清）澄清过滤过滤过滤过滤：第42页，共55页，编辑于2022年，星期二过滤过滤介介质为质为滤布滤布，包括天然或合成，包括天然或合成纤维织纤维织布、金属布、金属织织布、玻璃布、玻璃纤维纸纤维纸、合成、合成纤维纤维等无等无纺纺布。布。当当悬悬浮液通浮液通过滤过滤布布时时，固体颗粒被滤布阻拦而逐渐形成滤固体颗粒被滤布阻拦而逐渐形成滤饼（滤渣）饼（滤渣）。当。
36、当滤饼滤饼至一定厚度至一定厚度时时即起即起过滤过滤作用，此作用，此时时即即可可获获得澄清的得澄清的滤滤液，液，这这种方法叫做种方法叫做滤饼过滤滤饼过滤。在在滤饼过滤滤饼过滤中，中，悬悬浮液本身形成的浮液本身形成的滤饼滤饼起着主要的起着主要的过滤过滤作作用，适合于固体含量大于用，适合于固体含量大于0.1g/100mL的的悬悬浮液的浮液的过滤过滤分分离。离。（2 2）滤饼过滤滤饼过滤：第43页，共55页，编辑于2022年，星期二 广泛应用于培养基制备的过滤及霉菌、放线菌、广泛应用于培养基制备的过滤及霉菌、放线菌、酵母菌和细菌酵母菌和细菌 等多种发酵液的固液分离。适合等多种发酵液的固液分离。适合 于
37、固体含量于固体含量1-10%的悬浮液的分离。的悬浮液的分离。优点：优点：过滤面积大，结构简单，价格低，动力消耗少，过滤面积大，结构简单，价格低，动力消耗少，对不同过滤特性的发酵液适应性强。对不同过滤特性的发酵液适应性强。缺点：缺点：不能连续操作，设备笨重，劳动强度大，卫生不能连续操作，设备笨重，劳动强度大，卫生 条件差，非过滤的辅助时间较长。条件差，非过滤的辅助时间较长。3.常用过滤设备常用过滤设备（1）板框）板框压滤压滤机机第44页，共55页，编辑于2022年，星期二单元组成单元组成板板布布板板布布板板操作注意点操作注意点尽量使工作时间和辅助时间接近；尽量使工作时间和辅助时间接近；降低滤液粘
38、度降低滤液粘度第45页，共55页，编辑于2022年，星期二第46页，共55页，编辑于2022年，星期二(2 2)真真空空转转鼓鼓过过滤滤机机第47页，共55页，编辑于2022年，星期二（3）硅藻土）硅藻土过滤过滤机机硅藻土：硅藻土：较纯二氧化硅矿石。化学性能稳定，具有极较纯二氧化硅矿石。化学性能稳定，具有极 大的吸附和渗透能力，是良好的介质和助滤剂。大的吸附和渗透能力，是良好的介质和助滤剂。使用方法：使用方法：a.作作为为深深层过滤层过滤介介质质，以，以过滤过滤含少量含少量(01)悬悬 浮固形物的液体。硅藻土不浮固形物的液体。硅藻土不规则规则粒子粒子间间形成形成许许多曲折的多曲折的毛毛细孔道细
39、孔道，筛筛分和吸附作用除去分和吸附作用除去悬悬浮液中的固体粒子。浮液中的固体粒子。第48页，共55页，编辑于2022年，星期二b.在支持介在支持介质质(滤滤布布)的表面上的表面上预涂硅藻土薄层预涂硅藻土薄层(预涂层预涂层)，以保以保护护支持介支持介质质的毛的毛细细孔道在孔道在较长时间较长时间内不被内不被悬悬浮液浮液 中的固体粒子所堵塞，从而提高和中的固体粒子所堵塞，从而提高和稳稳定定过滤过滤速率。速率。c.将适当的将适当的硅藻土分散在待过滤的悬浮液中硅藻土分散在待过滤的悬浮液中，使形成的，使形成的 滤饼滤饼具有多孔隙性，降低具有多孔隙性，降低滤饼滤饼的可的可压缩压缩性，以提高性，以提高过过 滤
40、滤速率和延速率和延长过滤长过滤操作的周期。操作的周期。用量：用量：预预涂，涂，500g/m2左右，左右，2-4mm厚；厚；加入，加入，0.1左右。左右。第49页，共55页，编辑于2022年，星期二第50页，共55页，编辑于2022年，星期二第51页，共55页，编辑于2022年，星期二(三三)其他固液分离方法其他固液分离方法 又称又称错错流流过滤过滤、交叉、交叉过滤过滤和十字流和十字流过滤过滤，是一种，是一种 维维持恒持恒压压下高速下高速过滤过滤的技的技术术。其操作特点是使其操作特点是使悬悬浮液在浮液在过滤过滤介介质质表面作切向流表面作切向流动动，利用流利用流动动的剪切作用将的剪切作用将过滤过滤
41、介介质质表面的固体表面的固体(滤饼滤饼)移走，移走，过滤过滤速率就近似恒定。速率就近似恒定。(1)用用泵泵循循环环使使悬悬浮液流浮液流经过滤经过滤介介质质。(2)在在过滤过滤介介质质表面加以表面加以搅搅拌造成流拌造成流动动，产产生切向流生切向流。1切向流切向流过滤过滤（Cross-Flow Filtration）第52页，共55页，编辑于2022年，星期二 向水相中加入溶于水的某些高分子化合物向水相中加入溶于水的某些高分子化合物（如葡聚糖、聚乙二醇等）后，形成密度不同（如葡聚糖、聚乙二醇等）后，形成密度不同的两相，轻相中富含某种高分子化合物，重相的两相，轻相中富含某种高分子化合物，重相中富含盐
42、类或另一种高分子化合物，从而达到中富含盐类或另一种高分子化合物，从而达到分离和提纯某种高分子化合物的目的。分离和提纯某种高分子化合物的目的。2 2双水相萃取双水相萃取第53页，共55页，编辑于2022年，星期二3吸附法吸附法优点在于设备简优点在于设备简单、能耗低，主单、能耗低，主要的问题是很难要的问题是很难选择合适的吸附选择合适的吸附剂，以保证目的剂，以保证目的产物不致于吸附产物不致于吸附而损失。而损失。第54页，共55页，编辑于2022年，星期二化学渗透法有如下优缺点：化学渗透法有如下优缺点：优点：优点：(1)对产对产物物释释放具有一定放具有一定选择选择性。性。(2)细细胞外形保持完整，碎片少，胞外形保持完整，碎片少，浆浆液粘度液粘度 低，易于固液分离和低，易于固液分离和进进一步提取。一步提取。缺点：缺点：(1)通用性差，某种通用性差，某种试剂试剂只能作用于某些特定只能作用于某些特定类类型的型的细细胞。胞。(2)时间长时间长，效率低，一般胞内物，效率低，一般胞内物质释质释放率不超放率不超过过50。(3)有些化学有些化学试剂试剂有毒性，在其后的有毒性，在其后的产产物提取精制物提取精制过过程中程中 需需设设法分离除去法分离除去。第55页，共55页，编辑于2022年，星期二