發(fā)酵液的預(yù)處理

1、第第2章章 發(fā)酵液的預(yù)處理及固液分離發(fā)酵液的預(yù)處理及固液分離重點(diǎn)：預(yù)處理的作用及常用方法 凝聚與絮凝的原理及異同點(diǎn) 雜蛋白、高價(jià)無(wú)機(jī)離子的去除方法 一一.生化分離工程的工藝流程：生化分離工程的工藝流程： 第一節(jié)第一節(jié) 發(fā)酵液的預(yù)處理發(fā)酵液的預(yù)處理二二. .發(fā)酵液的預(yù)處理技術(shù)：發(fā)酵液的預(yù)處理技術(shù)： 懸浮液的基本特性懸浮液的基本特性細(xì)胞的相對(duì)密度與培養(yǎng)液相似，沉降不細(xì)胞的相對(duì)密度與培養(yǎng)液相似，沉降不容易；容易；可壓縮性，粘稠，非牛頓流體，流動(dòng)性可壓縮性，粘稠，非牛頓流體，流動(dòng)性差，不利于進(jìn)行過(guò)濾、吸附、萃取等操差，不利于進(jìn)行過(guò)濾、吸附、萃取等操作；作；發(fā)酵液成分復(fù)雜，有些雜質(zhì)對(duì)后續(xù)分離發(fā)酵液成分復(fù)

2、雜，有些雜質(zhì)對(duì)后續(xù)分離有害。有害。二二. .發(fā)酵液的預(yù)處理技術(shù)：發(fā)酵液的預(yù)處理技術(shù)： 改善發(fā)酵液的物理性質(zhì)：改善發(fā)酵液的物理性質(zhì)：流變性質(zhì)、顆粒粒度流變性質(zhì)、顆粒粒度預(yù)處理預(yù)處理的目的的目的去除部分雜質(zhì)：雜蛋白、去除部分雜質(zhì)：雜蛋白、多糖、高價(jià)無(wú)機(jī)離子等多糖、高價(jià)無(wú)機(jī)離子等二二. .發(fā)酵液的預(yù)處理技術(shù)：發(fā)酵液的預(yù)處理技術(shù)： 物理性物理性質(zhì)的改善質(zhì)的改善雜質(zhì)雜質(zhì)的去除的去除預(yù)處理預(yù)處理的方法的方法加熱（降低黏度、加熱（降低黏度、去除雜蛋白）去除雜蛋白）凝聚與絮凝（增大凝聚與絮凝（增大粒度）粒度）加助濾劑（改善過(guò)加助濾劑（改善過(guò)濾）濾）去雜蛋白（等電點(diǎn)、去雜蛋白（等電點(diǎn)、變性劑、吸附）變性劑、吸附

3、）去多糖（酶解）去多糖（酶解）去離子（沉淀）去離子（沉淀）凝聚和絮凝技術(shù)能有效地改變細(xì)胞、菌體和蛋白質(zhì)等膠體粒子的分散狀態(tài)，使聚集起來(lái)，增大體積，以便于過(guò)濾，常用于菌體細(xì)小而且粘度大的發(fā)酵液的預(yù)處理中。三三.凝聚和絮凝技術(shù)凝聚和絮凝技術(shù) 凝聚凝聚是在高價(jià)無(wú)機(jī)鹽作用高價(jià)無(wú)機(jī)鹽作用下，由于雙電層排斥雙電層排斥電位的降低電位的降低，而使膠體體系不穩(wěn)定膠體體系不穩(wěn)定的現(xiàn)象。 絮凝絮凝是指在某些高分子絮凝劑存在下高分子絮凝劑存在下，基于架橋架橋作用作用，使膠粒形成粗大的絮凝團(tuán)絮凝團(tuán)的過(guò)程，是一種以物物理的集合為主理的集合為主的過(guò)程。 凝聚和絮凝的概念凝聚和絮凝的概念 擴(kuò)散雙電層的結(jié)構(gòu)模型圖 膠粒能保持分

4、散狀態(tài)的原因凝聚技術(shù)凝聚技術(shù)擴(kuò)散雙電層的結(jié)構(gòu)模型圖 膠粒能保持分散狀態(tài)的原因保持分散狀態(tài)的原因主要是帶有相同電荷和擴(kuò)散雙電層的結(jié)構(gòu)，一旦由于布朗（Brown）運(yùn)動(dòng)使粒子間距離縮小到它們的擴(kuò)散層部分重疊擴(kuò)散層部分重疊時(shí)，即產(chǎn)生使兩個(gè)粒子分開(kāi)：從而阻止了粒子的聚集阻止了粒子的聚集。電位電位越大越大，電排斥作用就越強(qiáng)，膠粒的分散程度也越大， 此外，由于膠粒表面的水化作用水化作用，形成了包圍于粒子周圍的水化層水化層，也能阻礙膠粒間的直接聚集直接聚集。 但是，水化膜水化膜主要是伴隨膠粒帶電而引起伴隨膠粒帶電而引起的，一旦電位電位降低或消除，水化層水化層也會(huì)隨之減弱或消失減弱或消失。常用的凝聚劑常用的凝聚

5、劑Al2(SO4)3.18H2O，AlCl3.6H2O，F(xiàn)eCl3，ZnSO4，MgCl2陽(yáng)離子對(duì)負(fù)電荷的膠粒凝聚能力次序?yàn)椋篈l3+Fe3+H+Ca2+Mg2+K+Na+Li+n絮凝劑是一種能溶于水的高分子聚合物絮凝劑是一種能溶于水的高分子聚合物，其相，其相對(duì)分子質(zhì)量可高達(dá)數(shù)萬(wàn)至一千萬(wàn)以上，長(zhǎng)鏈狀對(duì)分子質(zhì)量可高達(dá)數(shù)萬(wàn)至一千萬(wàn)以上，長(zhǎng)鏈狀結(jié)構(gòu)，其鏈節(jié)上含有許多活性官能團(tuán)，包括帶結(jié)構(gòu)，其鏈節(jié)上含有許多活性官能團(tuán)，包括帶電荷的陰離子（如電荷的陰離子（如-COOH）或陽(yáng)離子（如）或陽(yáng)離子（如-NH2）基團(tuán)以及不帶電荷的非離子型基團(tuán)。）基團(tuán)以及不帶電荷的非離子型基團(tuán)。n它們通過(guò)靜電引力、范德華引力或氫

6、鍵的作用，它們通過(guò)靜電引力、范德華引力或氫鍵的作用，強(qiáng)烈地吸附在膠粒的表面。強(qiáng)烈地吸附在膠粒的表面。當(dāng)一個(gè)高分子聚合當(dāng)一個(gè)高分子聚合物的許多鏈節(jié)分別吸附在不同的膠粒表面上，物的許多鏈節(jié)分別吸附在不同的膠粒表面上，產(chǎn)生產(chǎn)生橋架連接橋架連接時(shí)，就形成了較大的絮團(tuán)，這就時(shí)，就形成了較大的絮團(tuán)，這就是絮凝作用。是絮凝作用。 絮凝絮凝絮凝原理絮凝原理l 絮凝劑用量:絮凝效果呈鐘形變化。l 溶液的pH：pH主要影響離子型絮凝劑中功能團(tuán)的電離度，從而影響了分子鏈的伸展?fàn)顟B(tài)，改變了架橋能力。l 攪拌速度和時(shí)間：l 助濾劑：添加助濾劑能增加絮凝效果。絮凝作用的影響因素：1.1.聚丙烯酰胺（聚丙烯酰胺（Polya

7、crylamidePolyacrylamide）衍生物：）衍生物： 非離子型、陰離子型（含-COOH）、陽(yáng)離子型（含-NH2）由于聚丙烯酰胺類絮凝劑具有用量少，一般以由于聚丙烯酰胺類絮凝劑具有用量少，一般以ppm計(jì)量，絮凝體粗大，計(jì)量，絮凝體粗大，分離效果好，絮凝速度快以及種類多等優(yōu)點(diǎn)，所以適用范圍廣。分離效果好，絮凝速度快以及種類多等優(yōu)點(diǎn)，所以適用范圍廣。2.2.苯乙烯類衍生物及其無(wú)機(jī)高分子聚合物絮凝劑苯乙烯類衍生物及其無(wú)機(jī)高分子聚合物絮凝劑 聚合鋁鹽、聚合鐵鹽3.3.天然有機(jī)高分子絮凝劑天然有機(jī)高分子絮凝劑 明膠、海藻酸鈉在食品工業(yè)上應(yīng)用較多殼聚糖在生物產(chǎn)品分離中用得最多常用絮凝劑的種類：

8、四四 雜蛋白的去除雜蛋白的去除等電點(diǎn)沉淀等電點(diǎn)沉淀蛋白質(zhì)一般以膠體狀態(tài)膠體狀態(tài)存在于發(fā)酵液中。膠體粒膠體粒子的穩(wěn)定性和其所帶電荷有關(guān)子的穩(wěn)定性和其所帶電荷有關(guān)。蛋白質(zhì)在某一pH下，凈電荷為零，溶解度最小，稱為等電點(diǎn)等電點(diǎn)。因?yàn)轸然碾婋x度比氨基大羧基的電離度比氨基大，故蛋白質(zhì)的酸性酸性性質(zhì)通常強(qiáng)于堿性強(qiáng)于堿性，因而很多蛋白質(zhì)的等電點(diǎn)等電點(diǎn)都在酸性范圍內(nèi)（pH 4.05.5）。四四 雜蛋白的去除雜蛋白的去除變性沉淀變性沉淀蛋白質(zhì)從有規(guī)則排列變?yōu)椴灰?guī)則結(jié)構(gòu)的過(guò)程稱為變性。加熱：在鏈霉素生產(chǎn)中，在pH3.0時(shí)，加熱至7075，維持30min，黏度降為1/6，過(guò)濾速度提高3倍。加有機(jī)溶劑、表面活性劑、

9、酸堿等。四四 雜蛋白的去除雜蛋白的去除在酸性溶液中在酸性溶液中，蛋白質(zhì)能與一些陰離子如三氯乙酸陰離子如三氯乙酸鹽鹽、水楊酸鹽、鎢酸鹽、苦味酸鹽、鞣酸鹽、過(guò)水楊酸鹽、鎢酸鹽、苦味酸鹽、鞣酸鹽、過(guò)氯酸鹽氯酸鹽等形成沉淀沉淀；在堿性溶液中在堿性溶液中，能與一些陽(yáng)離子，如Ag，Cu2，Zn2，F(xiàn)e2和和Pb2等形成沉淀沉淀。 變性蛋白質(zhì)溶解度較小溶解度較小。最常用的使蛋白質(zhì)變性的方法是加熱加熱。加熱還能使液體粘度降低粘度降低，加快過(guò)濾速度。該法只適用于對(duì)熱較穩(wěn)定的生化物質(zhì)對(duì)熱較穩(wěn)定的生化物質(zhì)。四四 雜蛋白的去除雜蛋白的去除吸附吸附在發(fā)酵液中加入一些反應(yīng)劑，相互反應(yīng)后生成的沉淀物可吸附蛋白質(zhì)而使其沉淀。

10、如在四環(huán)素發(fā)酵液中加入黃血鹽和硫酸鋅，兩者反應(yīng)生成K2Zn3Fe(CN)62在枯草桿菌的堿性蛋白酶發(fā)酵液中加入氯化鈣和磷酸鹽等五五 不溶性多糖的去除不溶性多糖的去除當(dāng)發(fā)酵液中含有較多不溶性多糖時(shí)，黏度增大，固液分離困難，可用酶將其轉(zhuǎn)化為單糖。六六 高價(jià)無(wú)機(jī)離子的去除高價(jià)無(wú)機(jī)離子的去除n發(fā)酵液中雜質(zhì)很多，其中對(duì)提煉影響最大的是高價(jià)無(wú)機(jī)離子（高價(jià)無(wú)機(jī)離子（Ca2、Mg2、Fe2）等。 n 高價(jià)無(wú)機(jī)離子的存在高價(jià)無(wú)機(jī)離子的存在，會(huì)影響樹(shù)脂影響樹(shù)脂對(duì)生化物質(zhì)的交換容量交換容量。雜蛋白質(zhì)的存在雜蛋白質(zhì)的存在，不僅在采用離子交換法和大網(wǎng)格樹(shù)脂吸附法提煉時(shí)會(huì)降降低其吸附能力低其吸附能力，而且在采用有機(jī)溶劑或

11、兩水相兩水相萃取萃取時(shí)，容易產(chǎn)生乳化易產(chǎn)生乳化，使兩相分離不清兩相分離不清，在預(yù)處理時(shí)，應(yīng)盡量除去這些物質(zhì)。六六 高價(jià)無(wú)機(jī)離子的去除高價(jià)無(wú)機(jī)離子的去除n除去Ca2草酸鈉草酸鈉nMg2 草酸根（草酸鎂溶解度稍大）草酸根（草酸鎂溶解度稍大）或磷酸鹽或磷酸鹽nFe2 黃血鹽（生成普魯士蘭沉淀）黃血鹽（生成普魯士蘭沉淀）第二節(jié).發(fā)酵液的過(guò)濾發(fā)酵液的過(guò)濾發(fā)酵液過(guò)濾的目的：發(fā)酵液過(guò)濾的目的：收集胞內(nèi)產(chǎn)物的細(xì)胞或菌體，分離除去液相，或收集胞內(nèi)產(chǎn)物的細(xì)胞或菌體，分離除去液相，或者是收集含生化物質(zhì)的液相，分離除去固體懸浮者是收集含生化物質(zhì)的液相，分離除去固體懸浮物，如細(xì)胞、菌體、細(xì)胞碎片、蛋白質(zhì)的沉淀物物，如細(xì)

12、胞、菌體、細(xì)胞碎片、蛋白質(zhì)的沉淀物和它們的絮凝體等。和它們的絮凝體等。固液分離方法傳統(tǒng)方法：過(guò)濾（適合大規(guī)模，在發(fā)酵液預(yù)處理中最為常用）沉降 離心新方法：雙水相萃取膜分離過(guò)濾影響發(fā)酵液過(guò)濾性能的因素：影響發(fā)酵液過(guò)濾性能的因素：n菌種：真菌，放線菌，細(xì)菌菌種：真菌，放線菌，細(xì)菌n培養(yǎng)基：黃豆，花生，淀粉，后期加油，培養(yǎng)培養(yǎng)基：黃豆，花生，淀粉，后期加油，培養(yǎng)基未用完基未用完n發(fā)酵時(shí)間：菌絲自溶前放罐發(fā)酵時(shí)間：菌絲自溶前放罐過(guò)濾改善過(guò)濾的方法改善過(guò)濾的方法（一）助濾劑（一）助濾劑：能改善過(guò)濾操作的質(zhì)地堅(jiān)硬不可壓：能改善過(guò)濾操作的質(zhì)地堅(jiān)硬不可壓縮性固體縮性固體機(jī)理：機(jī)理：表面吸附膠體及不可壓縮型格子

13、結(jié)構(gòu)表面吸附膠體及不可壓縮型格子結(jié)構(gòu)助濾劑選擇：粒度與懸浮顆粒適當(dāng)助濾劑選擇：粒度與懸浮顆粒適當(dāng)使用方法：使用方法：a a 預(yù)先制成濾餅：濾液澄清度高預(yù)先制成濾餅：濾液澄清度高b b 助濾劑混入懸浮液中一起過(guò)濾：容易達(dá)到濾速最助濾劑混入懸浮液中一起過(guò)濾：容易達(dá)到濾速最大大c c 兩種方法混用兩種方法混用常用助濾劑常用助濾劑：硅藻土，珍珠巖，活性炭：硅藻土，珍珠巖，活性炭（二）填充凝固劑（二）填充凝固劑（三）加降解酶（三）加降解酶過(guò)濾介質(zhì)（一）濾布：棉纖維（帆布）、尼龍、滌綸（一）濾布：棉纖維（帆布）、尼龍、滌綸特點(diǎn)：特點(diǎn)：廉價(jià)、耐用、易更換廉價(jià)、耐用、易更換（二）粒狀介質(zhì)：起深層過(guò)濾、助濾劑作

14、用（二）粒狀介質(zhì)：起深層過(guò)濾、助濾劑作用（三）多孔玻璃、石英砂芯（三）多孔玻璃、石英砂芯（四）各種膜材料：一般只能采用錯(cuò)流過(guò)濾（四）各種膜材料：一般只能采用錯(cuò)流過(guò)濾板框壓濾機(jī)真空過(guò)濾機(jī)過(guò)濾的常用設(shè)備：轉(zhuǎn)鼓真空過(guò)濾機(jī) DryWashImmersionKnifeCakeFeedRotary vacuum filter轉(zhuǎn)鼓真空過(guò)濾機(jī)保證絮凝效保證絮凝效果最佳果最佳堿化堿化分離實(shí)例分離實(shí)例n乳酸發(fā)酵液預(yù)處理乳酸發(fā)酵液預(yù)處理80保溫保溫3min3min發(fā)酵液發(fā)酵液變性去除變性去除雜蛋白雜蛋白加適量加適量CaCO3調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)pH4.0殼聚糖殼聚糖50mg/m3于于30攪拌攪拌5min加硅藻土作助濾加硅藻土作助濾劑，板框過(guò)濾劑，板框過(guò)濾濾液濾液活性炭活性炭脫色脫色過(guò)濾