發(fā)酵液的預(yù)處理和菌體的回收

第二章發(fā)發(fā)酵液的的預(yù)處理和和菌體的回回收為固體密度為液體密度為固體顆粒直徑為液體黏度為重力加速度固體顆粒沉沉降速度與固液分離離相關(guān)的微微生物發(fā)酵酵液特性：：①發(fā)酵產(chǎn)物物濃度較低低，大多為為1％～10％，懸浮液液中大部分分是水，處處理體積量量大；②各類細(xì)胞胞的顆粒小小，相對密密度與液相相相差不大大；③細(xì)胞含水水量大，可可壓縮性大大，一經(jīng)壓壓縮就會變變形；④流變特性性復(fù)雜，液液相粘度大大，吸附在在濾布上；；⑤性質(zhì)不穩(wěn)穩(wěn)定，隨時時間變化，，如易受空空氣氧化、、微生物污污染、蛋白白酶水解等等作用的影影響。⑥動植物細(xì)細(xì)胞沒有微微生物細(xì)胞胞耐剪切，，不適于離離心。因此，這些些特性使得得發(fā)酵液的的過濾與離離心相當(dāng)困困難。工業(yè)技術(shù)中中典型的固固體粒子固體粒子的類型尺寸（mm×mm)細(xì)胞碎片<0.4×0.4尺寸增加回首費(fèi)用增加細(xì)菌細(xì)胞1×2酵母細(xì)胞7×10哺乳動物細(xì)胞40×40植物細(xì)胞100×100真菌菌絲或絲狀細(xì)菌1-10絲網(wǎng)狀絮凝物100×100發(fā)酵液的預(yù)預(yù)處理發(fā)酵液的預(yù)預(yù)處理目的的和內(nèi)容：①改變發(fā)發(fā)酵液的物物理性質(zhì)，，促進(jìn)從懸懸浮液中分分離固形物物的速度，，提高固液液分離器的的效率；②分離菌菌體和其他他懸浮顆粒粒，除去部部分可溶性性雜質(zhì)和改改變?yōu)V液的的性質(zhì)，以以利于提取取和精制后后繼各工序序的順利進(jìn)進(jìn)行。發(fā)酵液的預(yù)預(yù)處理主要要包括：①發(fā)酵液過過濾特性的的改變；②相對純化化。濾餅的過濾濾速率（一）發(fā)酵酵液過濾特特性的改變變目的：通過過對發(fā)酵液液進(jìn)行適當(dāng)當(dāng)?shù)念A(yù)處理理，即可改改善其流體體性能，降降低濾餅阻阻力，提高高過濾與分分離的速率率。方法：調(diào)酸酸(等電點(diǎn))、熱處理、、電解質(zhì)處處理、添加加凝聚劑、、添加表面面活性物質(zhì)質(zhì)、添加反反應(yīng)劑、冷冷凍—解凍凍及添加助助濾劑等。。濾餅的過濾濾速率1降低液液體粘度①加水稀稀釋法：能降低液液體粘度，，但會增加加懸浮液的的體積，加加大后繼過過程的處理理任務(wù)。而而且，單從從過濾操作作看，稀釋釋后過濾速速率提高的的百分比必必須大于加加水比才能能認(rèn)為有效效，即若加加水一倍，，則稀釋后后液體的粘粘度必須下下降50％％以上才能能有效提高高過濾速率率。②升高溫溫度：可有效降降低液體粘粘度，提高高過濾速率率。同時，，在適當(dāng)溫溫度和受熱熱時間下可可使蛋白質(zhì)質(zhì)凝聚，形形成較大顆顆粒的凝聚聚物，進(jìn)一一步改善了了發(fā)酵液的的過濾特性性。注意事項：嚴(yán)格控制制加熱溫度度與時間。。首先，加加熱的溫度度必須控制制在不影響響目的產(chǎn)物物活性變質(zhì)質(zhì)的范圍內(nèi)內(nèi)；其次，，溫度過高高或時間過過長，會使使細(xì)胞溶解解，胞內(nèi)物物質(zhì)外溢，，增加發(fā)酵酵液的復(fù)雜雜性，影響響其后的產(chǎn)產(chǎn)物分離與與純化。2調(diào)整pHpH值直接接影響發(fā)酵酵液中某些些物質(zhì)的電電離度和電電荷性質(zhì)，，適當(dāng)調(diào)節(jié)節(jié)pH值可可改善其過過濾特性。。此法是發(fā)發(fā)酵工業(yè)中中發(fā)酵液預(yù)預(yù)處理較常常用的方法法之一。如利用酸堿堿性來調(diào)液液pH值使使蛋白質(zhì)等等兩性物質(zhì)質(zhì)達(dá)到等電電點(diǎn)得以除除去。又如如過濾中，，發(fā)酵液中中的大分子子物質(zhì)易與與膜發(fā)生吸吸附，通過過調(diào)整pH值改變易易吸附分子子的電荷性性質(zhì)，即可可減少堵塞塞和污染。。細(xì)胞組組成類型蛋白質(zhì)（%）核酸（%）多糖（%）類脂物（%）細(xì)菌40-7013-342-1010-15酵母40-504-10<151-6絲狀真菌10-251-3<102-9藻類10-601-5<154-803凝聚與與絮凝采用凝聚和和絮凝技術(shù)術(shù)能有效改改變細(xì)胞、、細(xì)胞碎片片及溶解大大分子物質(zhì)質(zhì)的分散狀狀態(tài)，使其其聚結(jié)成較較大的顆粒粒，便于提提高過濾速速率。除此此之外，還還能有效地地除去雜蛋蛋白質(zhì)和固固體雜質(zhì)，，提高濾液液質(zhì)量。因因此，凝聚聚和絮凝是是目前工業(yè)業(yè)上最常用用的預(yù)處理理方法之一一。常用于于菌體細(xì)小小而且粘度度大的發(fā)酵酵液的預(yù)處處理。凝聚作用就是向膠體體懸浮液中中加入某種種電解質(zhì)，，在電解質(zhì)質(zhì)中異電離離子作用下下，膠粒的的雙電層電電位降低，，使膠體體體系不穩(wěn)定定，膠體粒粒子間因相相互碰撞而而產(chǎn)生凝集集（1mm左右）的的現(xiàn)象。Al3+>Fe3+>H+>Ca2+>Mg2+>K+>Na+>Li+。常用的凝聚聚電解質(zhì)有有硫酸鋁(明礬)、、氯化鋁、、三氯化鐵鐵、硫酸亞亞鐵、石灰、硫酸鋅、碳碳酸鎂等。膠體雙電層層的構(gòu)造絮凝是指在某些些高分子絮絮凝劑存在在下，基于于橋架作用用，當(dāng)一個高分分子聚合物物的許多鏈鏈節(jié)分別吸吸附在不同同的膠粒表表面上，產(chǎn)產(chǎn)生橋架聯(lián)聯(lián)接時，形形成粗大的的絮凝團(tuán)（（10mm）的過程程。絮凝是一種以物物理的集合合為主的過過程。絮凝劑是一種能溶于水的的高分子聚聚合物，其相對分子質(zhì)質(zhì)量可高達(dá)數(shù)萬萬至一千萬萬以上，它它們具有長長鏈狀結(jié)構(gòu)構(gòu)，其鏈節(jié)上含有有許多活性性官能團(tuán)，這些基團(tuán)團(tuán)通過靜電電引力、范范德華引力力或氫鍵的的作用，強(qiáng)強(qiáng)烈地吸附附在膠粒的的表面。絮凝劑的化化學(xué)結(jié)構(gòu)1.要求求其分子必必須含有相相當(dāng)多的活活性官能團(tuán)團(tuán)，使之能能和膠粒表表面相結(jié)合合；2.具有有長鏈的線線性結(jié)構(gòu)，，以便同時時與多個膠膠粒吸附形形成較大的的絮團(tuán)，3.相對對分子質(zhì)量量不能超過過一定限度度，以使其其具有良好好的溶解性性。根據(jù)其活性性基團(tuán)在水水中解離情情況的不同同，絮凝劑劑可分為非非離子型、、陰離子型型和陽離子子型三類。。根據(jù)其來源源的不同，，工業(yè)上使使用的絮凝凝劑又可分分為如下三三類：(1)有機(jī)機(jī)高分子聚聚合物，如如聚丙烯酰酰胺類衍生生物、聚苯苯乙類衍生生物。(2)無機(jī)機(jī)高分子聚聚合物，如如聚合鋁鹽鹽、聚合鐵鐵鹽等。(3)天然然有機(jī)高分分子絮凝劑劑，如聚糖糖類膠粘物物、海藻酸酸鈉、明膠膠、骨膠、、殼多糖、、脫乙酰殼殼多糖等。。絮凝劑的分分類絮凝效果與與絮凝劑的的加量、相相對分子質(zhì)質(zhì)量和類型型、溶液的的pH、攪拌轉(zhuǎn)速速和時間等等因素有關(guān)關(guān)。影響絮凝效效果的因素素帶負(fù)電荷的的菌體或蛋白質(zhì)陽離子型高高分子絮凝凝劑非離子型和和陰離子型高高分子絮凝凝劑電解質(zhì)非離子型和和陰離子型高高分子絮凝凝劑+???包括凝聚和和絮凝機(jī)理理的過程，，稱為混凝凝。4加入助助濾劑助濾劑是一種不可可壓縮的多多孔微粒，，它能使濾濾餅疏松，，吸附膠體體，擴(kuò)大過過濾面積，，濾速增大大。常用的助濾濾劑有硅藻土、、纖維素、、石棉粉、、珍珠巖、、白土、炭炭粒、淀粉粉等，其中中最常用的的是硅藻土土。助濾劑的使用方法有兩種：一一種是在過過濾介質(zhì)表表面預(yù)涂助助濾劑，另另一種是直直接加入發(fā)發(fā)酵液，也也可兩種方方法同時兼兼用。助濾劑使用用要點(diǎn)根據(jù)目的產(chǎn)產(chǎn)物選擇助助濾劑品種種根據(jù)過濾介介質(zhì)和過濾濾情況選擇擇助濾劑品品種粒度選擇使用量選擇擇5加入反反應(yīng)劑利用反應(yīng)劑和某某些可溶性性鹽類發(fā)生生反應(yīng)生成成不溶性沉沉淀。作用：生成成的沉淀能能防止菌絲絲體粘結(jié)，，使菌絲具具有塊狀結(jié)結(jié)構(gòu)，沉淀淀本身可作作為助濾劑劑，并且能能使膠狀物物和懸浮物物凝固，消除發(fā)酵液液中某些雜雜質(zhì)對過濾濾的影響，，從而改善過過濾性能。。舉例：如在新生生霉素發(fā)酵酵液中加入入氯化鈣和和磷酸鈉。。環(huán)絲氨酸發(fā)發(fā)酵液用氧氧化鈣和磷磷酸處理，，生成磷酸酸鈣沉淀。。（二）發(fā)酵酵液的相對對純化高價無機(jī)離離子的存在在：影響樹脂對對生化物質(zhì)質(zhì)的交換容容量?？扇苄缘鞍装踪|(zhì)的存在在：降低離子交交換和吸附附法提取時時交換容量量和吸附能能力；在有有機(jī)溶劑法法或雙水相相萃取時，，易產(chǎn)生乳乳化現(xiàn)象，，使兩相分分離不清；；在常規(guī)過過濾或膜過過濾時，易易使過濾介介質(zhì)堵塞或或受污染，，影響過濾濾速率。1高價無無機(jī)離子的的除去去除鈣離子子：通常使用用草酸。但但由于草酸酸溶解度較較小，不適適合用量較較大的場合合，可用其其可溶性鹽鹽，草酸價價格昂貴，，注意回收收。去除鎂離子子：加入三聚聚磷酸鈉，，與鎂離子子形成絡(luò)合合物。用磷酸鹽處處理，也能能大大降低低鈣離子和和鎂離子的的濃度。例例如：環(huán)絲絲氨酸的提提取。去除鐵離子子，可加入黃黃血鹽，使使其形成普普魯士藍(lán)沉沉淀而除去去。2雜蛋白白質(zhì)的除去去(1)沉沉淀法蛋白質(zhì)在酸酸性溶液中中，能與一一些陰離子子，如三氯氯乙酸鹽、、水楊酸鹽鹽、鎢酸鹽鹽、苦味酸酸鹽、鞣酸酸鹽、過氯氯酸鹽等形形成沉淀；；在堿性溶溶液中，能能與一些陽陽離子如Ag+、Cu2+、Zn2+、Fe3+和Pb2+等形成沉淀淀。(2)吸附法加入某些吸吸附劑或沉沉淀劑吸附附雜蛋白質(zhì)質(zhì)而除去。。例如：在枯草芽芽孢桿菌發(fā)發(fā)酵液中，，加入氯化化鈣和磷酸酸氫二鈉，，兩者生成成龐大的凝凝膠，把蛋蛋白質(zhì)、菌菌體及其他他不溶性粒粒子吸附并并包裹在其其中而除去去，從而可可加快過濾濾速率。(3)變性性法加熱，大幅幅度調(diào)節(jié)pH，加酒酒精等有機(jī)機(jī)溶劑或表表面活性劑劑等。例如：在抗生素素生產(chǎn)中，，常將發(fā)酵酵液pH調(diào)調(diào)至偏酸性性范圍(pH2～～3)或或較堿堿性范圍(pH8～～9)使蛋蛋白質(zhì)凝固固，一般以以酸性下除除去的蛋白白質(zhì)較多。。變性法的局局限性：加熱法只只適合于對對熱較穩(wěn)定定的目的產(chǎn)產(chǎn)物；極端端pH也會會導(dǎo)致某些些目的產(chǎn)物物失活，并并且要消耗耗大量酸堿堿；而有機(jī)機(jī)溶劑法通通常只適用用于所處理理的液體數(shù)數(shù)量較少的的場合。二、固液分分離發(fā)酵液固液液分離的主主要是離心心分離和過過濾。不同性狀的的發(fā)酵液應(yīng)應(yīng)選擇不同同的固液分分離方法霉菌和放線線菌發(fā)酵液液：過濾方方法細(xì)菌和酵母母菌發(fā)酵液液（未經(jīng)預(yù)預(yù)處理）：：高速離心心。細(xì)菌和酵母母菌發(fā)酵液液（進(jìn)行預(yù)預(yù)處理）：：過濾方法法。舉例：如菌體較較小的氨基基酸發(fā)酵液液，采用絮絮凝和添加加助濾劑等等方法進(jìn)行行預(yù)處理后后，即可用用板框過濾濾機(jī)或帶式式過濾機(jī)進(jìn)進(jìn)行菌體分分離（一）離心心分離離心分離是是利用轉(zhuǎn)鼓鼓高速轉(zhuǎn)動動所產(chǎn)生的的離心力，，來實現(xiàn)懸懸浮液、乳乳濁液分離離或濃縮的的分離的過過程。特點(diǎn)：分離離速率快、、分離效率率高、液相相澄清度好好等優(yōu)點(diǎn)。。缺點(diǎn)：設(shè)備備投資高、、能耗大，此此外連續(xù)排排料時，固固相干度不不如過濾設(shè)設(shè)備。碟片式離心心機(jī)按卸料方式式的不同，，碟片式離離心機(jī)分為為:人工卸料自動間歇排排料噴嘴連續(xù)排排料特點(diǎn)：前兩兩種適合于于懸浮液固固形顆粒含含量較少的的場合。間間歇式操作作，固相干干度較好；；而連續(xù)操操作固相含含液量較大大，其固相相仍具有流流動性。適用范圍碟片式離心心機(jī)適應(yīng)于于細(xì)菌、酵酵母菌、放放線菌等多多種微生物物細(xì)胞懸浮浮液及細(xì)胞胞碎片懸浮浮液的分離離。它的生產(chǎn)能能力較大，，最大允許許處理量達(dá)達(dá)300m3／h，一般般用于大規(guī)規(guī)模的分離離過程。管式離心機(jī)機(jī)管式離心機(jī)機(jī)也是一種種沉降式離離心機(jī)，可可用于液液液分離和固固液分離。。當(dāng)用于液液液分離時時為連續(xù)操操作，而用用于固液分分離時則為為間歇操作作，操作一一段時間后后需將沉積積于轉(zhuǎn)鼓壁壁上的固體體定期人工工卸除。管式離心機(jī)機(jī)的轉(zhuǎn)鼓直直徑較小，，容量有限限，因此生生產(chǎn)能力較較小。轉(zhuǎn)速速相對較低低的管式離離心機(jī)最大大處理量可可達(dá)10m3／h。管式離心機(jī)機(jī)除可用于于微生物細(xì)細(xì)胞的分離離外，還可可用于細(xì)胞胞碎片、細(xì)細(xì)胞器、病病毒、蛋白白質(zhì)、核酸酸等生物大大分子的分分離。管式離心機(jī)機(jī)設(shè)備簡單單，操作穩(wěn)穩(wěn)定，分離離效率高。。在生物工工業(yè)中，特特別適合于于一般離心心機(jī)難以分分離而固形形物含量<1％的發(fā)發(fā)酵液的分分離。對于于固形物含含量較高的的發(fā)酵液，，由于不能能進(jìn)行連續(xù)續(xù)分離，需需頻繁拆機(jī)機(jī)卸料，影影響生產(chǎn)能能力，且易易損壞機(jī)件件。傾析式離心心機(jī)靠離心力和和螺旋的推推進(jìn)作用自自動連續(xù)排排渣，因而而也稱為螺螺旋卸料沉沉降離心機(jī)機(jī)。傾析式離心心機(jī)的轉(zhuǎn)動動部分由轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)鼓及裝在在轉(zhuǎn)鼓中的的螺旋輸送送器組成，，兩者以稍有差別的的轉(zhuǎn)速同向向旋轉(zhuǎn)。在離心力力作用下，，固體顆粒粒發(fā)生沉降降分離，沉沉積在轉(zhuǎn)鼓鼓內(nèi)壁上。。堆積在轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁上上的固相靠靠螺旋推向向轉(zhuǎn)鼓的錐錐形部分，，從排渣口口排出。優(yōu)點(diǎn)：具有操作連續(xù)續(xù)、適應(yīng)性性強(qiáng)、應(yīng)用用范圍廣、、結(jié)構(gòu)緊湊湊和維修方方便等優(yōu)點(diǎn)點(diǎn)，特別適適合于含固固形物較多多的懸浮液液的分離。。缺點(diǎn)：這種種離心機(jī)的的分離效果果較差，因因而不適合合于細(xì)菌、、酵母菌等等微小微生生物懸浮液液的分離。。此外，液液相的澄清清度也相對對較差。常用離心機(jī)機(jī)的特性及及選用管式碟片式螺旋傾析式間歇排渣連續(xù)固體含量（%）0.01-0.20.1-51-105-50微粒直徑（10-6m）0.01-10.5-150.5-15>2排渣方式間歇或連續(xù)間歇連續(xù)連續(xù)濾渣狀況團(tuán)塊裝（間歇）糊膏狀糊膏狀較干分離因素（g）104-6×105103-2×104103-2×104103-104最大處理量（m3/h)10200300200（二）過濾濾根據(jù)過濾機(jī)機(jī)理的不同同，過濾操操作可分為為澄清過濾和濾餅過濾兩種。澄清過濾:將過濾介質(zhì)質(zhì)填充于過過濾器內(nèi)構(gòu)構(gòu)成過濾層層，當(dāng)懸浮浮液通過濾濾層時，固固體顆粒被被阻攔或吸吸在濾層的的顆粒上，，使濾液得得以澄清，，這種方法法叫做澄清清過濾。過濾介質(zhì)：：硅藻土、、砂、顆粒?；钚蕴俊ⅰ⒉Ａе?、、塑料顆粒粒等，也有有用燒結(jié)陶陶瓷、燒結(jié)結(jié)金屬、粘粘合塑料及及用金屬絲絲繞成的管管子等組成成的成型顆顆粒濾層。。適合合于于固固體體含含量量少少于于0.1g／l00ml、顆顆粒粒直直徑徑在在5～100μm的懸懸浮浮液液的的過過濾濾分分離離，，如如河河水水、、麥麥芽芽汁汁、、酒酒類類和和飲飲料料等等的的澄澄清清。。濾餅餅過過濾濾：過過濾濾介介質(zhì)質(zhì)為為濾濾布布，，包包括括天天然然或或合合成成纖纖維維織織布布、、金金屬屬織織布布，，及及氈氈、、石石棉棉板板、、玻玻璃璃纖纖維維紙紙、、合合成成纖纖維維等等無無紡紡布布。。當(dāng)當(dāng)懸懸浮浮液液通通過過濾濾布布時時，，固固體體顆顆粒粒被被濾濾布布所所阻阻攔攔而而逐逐漸漸形形成成濾濾餅餅(或或稱稱濾濾渣渣)。。當(dāng)當(dāng)濾濾餅餅至至一一定定厚厚度度時時即即起起過過濾濾作作用用，，此此時時即即可可獲獲得得澄澄清清的的濾濾液液，，這這種種方方法法叫叫做做濾濾餅餅過過濾濾或或濾濾渣渣過過濾濾。。此種種方方法法適適合合于于固固體體含含量量>0.1g／／100ml的的懸懸浮浮液液的的過過濾濾分分離離。。濾餅餅過過濾濾按按推推動動力力的的不不同同可可以以分分為為四四種種，，即即重重力力過過濾濾、、加加壓壓過過濾濾、、真真空空過過濾濾和和離離心心過過濾濾。。板框框過過濾濾機(jī)機(jī)是是一一種種傳傳統(tǒng)統(tǒng)的的過過濾濾設(shè)設(shè)備備，，在在發(fā)發(fā)酵酵工工業(yè)業(yè)中中廣廣泛泛應(yīng)應(yīng)用用于于培培養(yǎng)養(yǎng)基基制制備備的的過過濾濾及及霉霉菌菌、、放放線線菌菌、、酵酵母母菌菌和和細(xì)細(xì)菌菌等等多多種種發(fā)發(fā)酵酵液液的的固固液液分分離離。。板框框過過濾濾機(jī)機(jī)特點(diǎn)點(diǎn)：：優(yōu)點(diǎn)點(diǎn)：：結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)簡簡單單，，裝裝配配緊緊湊湊，，過過濾濾面面積積大大；；過過濾濾的的推推動動力力(壓壓力力差差)能能大大幅幅度度調(diào)調(diào)整整，，并并能能耐耐受受較較高高的的壓壓力力差差，，因因而而固固相相含含水水分分低低，，并并能能適適應(yīng)應(yīng)不不同同過過濾濾特特性性的的發(fā)發(fā)酵酵液液的的過過濾濾；；輔輔助助設(shè)設(shè)備備少少、、維維修修方方便便、、價價格格低低和和動動力力消消耗耗少少等等。。缺點(diǎn)點(diǎn)：：設(shè)設(shè)備備笨笨重重、、間間歇歇操操作作、、勞勞動動強(qiáng)強(qiáng)度度大大、、衛(wèi)衛(wèi)生生條條件件差差、、輔輔助助時時間間多多和和生生產(chǎn)產(chǎn)效效率率低低。。板框框過過濾濾機(jī)機(jī)比比較較適適合合于于固固體體含含量量1％％～～10％％的的懸懸浮浮液液的的分分離離。。特點(diǎn)點(diǎn)：：自動動化化程程度度高高、、操操作作連連續(xù)續(xù)和和處處理理量量大大適適合合于于固固體體含含量量較較大大(>10％)的懸懸浮浮液液的的分分離離，，在在發(fā)發(fā)酵酵工工業(yè)業(yè)中中廣廣泛泛用用于于霉霉菌菌、、放放線線菌菌和和酵酵母母菌菌發(fā)發(fā)酵酵液液或或細(xì)細(xì)胞胞懸懸浮浮液液的的過過濾濾分分離離。。由于于受受推推動動力力(真空空度度)的限限制制，，真真空空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)鼓鼓過過濾濾機(jī)機(jī)一一般般