发酵液的预处理及回收

第二章 发酵液的预处理和菌体的回收为固体密度为液体密度为固体颗粒直径为液体黏度为重力加速度固体颗粒沉降速度固体颗粒沉降速度与固液分离相关的微生物发酵液特性： 发酵产物浓度较低，大多为 1 10，悬浮液中大部分是水，处理体积量大； 各类细胞的颗粒小，相对密度与液相相差不大； 细胞含水量大，可压缩性大，一经压缩就会变形； 流变特性复杂，液相粘度大，吸附在滤布上； 性质不稳定，随时间变化，如易受空气氧化、微生物污染、蛋白酶水解等作用的影响。 动植物细胞没有微生物细胞耐剪切，不适于离心。因此，这些特性使得发酵液的过滤与离心相当困难。工业技术中典型的固体粒子固体粒子的 类 型 尺寸（ mm mm)细 胞碎片 Fe 3+ H+ Ca2+ Mg2+ K + Na + Li + 。l 常用的凝聚电解质有硫酸铝 (明矾 )、氯化铝 、 三氯化铁 、 硫酸亚铁 、 石灰、 硫酸锌、碳酸镁等。 l 胶体双电层的构造絮凝 是指在某些高分子絮凝剂存在下，基于桥架作用， 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，产生桥架联接时，形成粗大的絮凝团（ 10mm）的过程。絮凝 是一种以物理的集合为主的过程。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，它们具有长链状结构，其 链节上含有许多活性官能团 ，这些基团通过静电引力、范德华引力或氢键的作用，强烈地吸附在胶粒的表面。絮凝剂的化学结构1. 要求其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；2. 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，3. 相对分子质量不能超过一定限度，以使其具有良好的溶解性。l 根据其活性基团在水中解离情况的不同，絮凝剂可分为非离子型、阴离子型和阳离子型三类。l 根据其来源的不同，工业上使用的絮凝剂又可分为如下三类：(1)有机高分子聚合物，如聚丙烯酰胺类衍生物、聚苯乙类衍生物。 (2)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、海藻酸钠、明胶、骨胶、壳多糖、脱乙酰壳多糖等。絮凝剂的分类絮凝效果与絮凝剂的加量、相对分子质量和类型、溶液的 pH、 搅拌转速和时间等因素有关。影响絮凝效果的因素带负电荷的菌体或蛋白质阳离子型高分子絮凝剂非离子型和阴离子型高分子絮凝剂电解质 非离子型和阴离子型高分子絮凝剂+?包括凝聚和絮凝机理的过程，称为混凝。4 加入助滤剂助滤剂 是一种不可压缩的多孔微粒，它能使滤饼疏松，吸附胶体，扩大过滤面积，滤速增大。常用的助滤剂 有硅藻土、纤维素、石棉粉、珍珠岩、白土、炭粒、淀粉等，其中最常用的是硅藻土。助滤剂的 使用方法 有两种：一种是在过滤介质表面预涂助滤剂，另一种是直接加入发酵液，也可两种方法同时兼用。助滤剂使用要点l 根据目的产物选择助滤剂品种l 根据过滤介质和过滤情况选择助滤剂品种l 粒度选择l 使用量选择5 加入反应剂利用 反应剂和某些可溶性盐类发生反应生成不溶性沉淀 。作用：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，并且能使胶状物和悬浮物凝固， 消除发酵液中某些杂质对过滤的影响， 从而改善过滤性能。举例 ：如在新生霉素发酵液中加入氯化钙和磷酸钠。环丝氨酸发酵液用氧化钙和磷酸处理，生成磷酸钙沉淀。 （二）发酵液的相对纯化高价无机离子的存在：影响树脂对生化物质的交换容量。可溶性蛋白质的存在：降低离子交换和吸附法提取时交换容量和吸附能力；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；在常规过滤或膜过滤时，易使过滤介质堵塞或受污染，影响过滤速率。1 高价无机离子的除去去除钙离子 ：通常使用草酸。但由于草酸溶解度较小，不适合用量较大的场合，可用其可溶性盐，草酸价格昂贵，注意回收。去除镁离子 ：加入三聚磷酸钠，与镁离子形成络合物。用磷酸盐处理，也能大大降低钙离子和镁离子的浓度。例如：环丝氨酸的提取。去除铁离子 ，可加入黄血盐，使其形成普鲁士蓝沉淀而除去。 l 2 杂蛋白质的除去(1) 沉淀法 蛋白质在酸性溶液中，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、过氯酸盐等形成沉淀；在碱性溶液中，能与一些阳离子如 Ag+、 Cu2+ 、Zn 2+、 Fe 3+ 和 Pb2+等形成沉淀。(2) 吸附法加入某些吸附剂或沉淀剂吸附杂蛋白质而除去。例如 ：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、菌体及其他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。(3)变性法加热，大幅度调节 pH，加酒精等有机溶剂或表面活性剂等。例如 ：在抗生素生产中，常将发酵液 pH调至偏酸性范围(pH2 3) 或较碱性范围 (pH8 9)使蛋白质凝固，一般以酸性下除去的蛋白质较多。变性法的局限性 ：加热法只适合于对热较稳定的目的产物；极端 pH也会导致某些目的产物失活，并且要消耗大量酸碱；而有机溶剂法通常只适用于所处理的液体数量较少的场合。二、固液分离发酵液固液分离的主要是离心分离和过滤。不同性状的发酵液应选择不同的固液分离方法霉菌和放线菌发酵液：过滤方法细菌和酵母菌发酵液（未经预处理）：高速离心。细菌和酵母菌发酵液（进行预处理）：过滤方法。举例 ：如菌体较小的氨基酸发酵液，采用絮凝和添加助滤剂等方法进行预处理后，即可用板框过滤机或带式过滤机进行菌体分离 （一）离心分离离心分离是利用转鼓高速转动所产生的离心力，来实现悬浮液、乳浊液分离或浓缩的分离的过程。特点：分离速率快、分离效率高、液相澄清度好等优点。缺点：设备投资高、 能耗大，此外连续排料时，固相干度不如过滤设备。 碟片式离心机按卸料方式的不同，碟片式离心机分为 :人工卸料自动间歇排料喷嘴连续排料特点：前两种适合于悬浮液固形颗粒含量较少的场合。间歇式操作，固相干度较好；而连续操作固相含液量较大，其固相仍具有流动性。适用范围碟片式离心机适应于细菌、酵母菌、放线菌等多种微生物细胞悬浮液及细胞碎片悬浮液的分离。它的生产能力较大，最大允许处理量达300m3 h，一般用于大规模的分离过程。 管式离心机管式离心机也是一种沉降式离心机，可用于液液分离和固液分离。当用于液液分离时为连续操作，而用于固液分离时则为间歇操作，操作一段时间后需将沉积于转鼓壁上的固体定期人工卸除。管式离心机的转鼓直径较小，容量有限，因此生产能力较小。转速相对较低的管式离心机最大处理量可达 10m3 h。管式离心机除可用于微生物细胞的分离外，还可用于细胞碎片、细胞器、病毒、蛋白质、核酸等生物大分子的分离。管式离心机设备简单，操作稳定，分离效率高。在生物工业中，特别适合于一般离心机难以分离而固形物含量 1的发酵液的分离。对于固形物含量较高的发酵液，由于不能进行连续分离，需频繁拆机卸料，影响生产能力，且易损坏机件。