Ch2 发酵液的预处理和固液分离方法幻灯片.ppt

第二章发酵液的预处理和固液分离方法,1,一、发酵液的预处理的原因及其目的,改变发酵液的物理性质和降低溶液的粘度，增加固体粒子的粒度等，促进从悬浮液中分离固形物的速度，实现工业规模的过滤。,第一节发酵液的预处理,理由：,预处理的目的：,去除发酵液中部分杂质，以利于后续各步操作。,尽可能使产物转入便于以后处理的相中。,2,1、加热法：,二、发酵液预处理的方法,2、调节悬浮液的pH值,控制pH和去除高价无机离子：控制pH一般采用草酸酸化，从而改变发酵液的胶体状态或使产物转入到液相中。,Ca+去除：一般用草酸的钠盐生成草酸钙促进蛋白质凝固，提高滤液的质量。,3,Mg+去除：加入三聚磷酸钠，从而形成可溶性络合物，同时磷酸盐也能大大降低Ca+、Mg+的浓度。,Fe3+去除：黄血盐(亚铁氰化钠),3、杂蛋白的去除方法,改变pH值的大小；使杂蛋白变性；利用吸附作用沉淀蛋白质。,4,4、凝聚和絮凝技术：,概念：凝聚作用是在某些电解质作用下，如中性盐作用下，使扩散双电层的排斥电位降低，破坏胶体系统的分散状态，而使胶体粒子聚集的过程。,(1)凝聚技术(coagulation)：,5,6,胶粒能保持分散状态的原因：,主要是带有相同电荷和扩散双电层结构，一旦由于布朗(Brown)运动使粒子间距离缩小到它们的扩散层部分重叠时，即产生电排斥作用，使两个粒子分开，从而阻止了粒子的聚集。电位越大，电排斥作用就越强，胶粒的分散程度也越大，此外由于胶粒表面的水化作用，形成了包括于粒子周围的水化层，也能阻碍胶粒间的直接聚集。但是水化膜主要是伴随胶粒带电而引起的，一旦电位降低或消除，水化层也随之减弱消失。,7,8,凝聚价或凝聚值：单位为（mmol/L）,阳离子对带负电荷的胶粒凝聚能力的次序为：常用的凝聚剂电解质有：(中性盐),Al3+Fe3+H+Ca2+Mg2+K+Na+Li+,Al2(SO4)318H2O,AlCl36H2O，FeCl3，ZnSO4，MgCO3等。,实验得出：,9,(2)絮凝作用(flocculation)：,概念：指在某些高分子絮凝剂存在下，在悬浮粒子之间产生架桥作用，而使粒胶形成粗大的絮凝团的过程，它是一种以物理的集合为主的过程。,10,絮凝剂按其来源分：,第一种：天然的高分子絮凝剂,如多糖物质、壳聚糖及其衍生物、海藻酸钠、明胶等。特点：使用安全、无毒、适用于食品、医药,第二种：人工的絮凝剂，聚丙烯酰胺类衍生物,阳离子絮凝剂、阴离子絮凝剂、非离子型的絮凝剂。凝聚和絮凝机理的过程，常称为混凝。,絮凝剂按带电状况分：,11,影响絮凝效果的因素：,絮凝剂加量、分子量、类型、溶液的pH、搅拌速度和时间等,12,一、发酵液的过滤特性和滤饼的质量比阻过滤操作一般以压力差为透过推动力，只靠重力是不能达到足够大的透过速度。,第二节发酵液的固液分离,常用的机械分离法：过滤和离心分离等。,13,对于常规过滤通常适用于过滤直径为10100m的悬颗粒。过滤时固体颗粒被过滤介质截留，在介质表面形成滤饼。因此，料液必须穿过滤和过滤介质的微孔。,14,衡量过滤特性的主要指标是滤饼的重量比阻rB(或).它表示单位滤饼厚度的阻力系数，与滤饼的结构特性有关。rB(或)越小，则发酵液越易过滤。单位：(m/kg),15,发酵液经预处理后，其比阻一般大大降低，例如各种抗生素发酵液经不同的预处理方法后，其滤饼的比阻见下表：由表可知，放线菌发酵液经预处理后，比阻仍大于真菌发酵液，黄豆粉代替玉米浆，则rB增大等。,16,17,对于不可压缩滤饼，rB(或)为一常数，而对于可压缩滤饼rB(或)是操作压力差的函数。经验方式：,rB=r(p)m或=R(p)m（1）rp=1时的值。对一定料液，其值为一常数，它主要取决于悬浮固体粒子的大小和形状。,p操作压力差，m压缩性指数，0m1，不可压缩滤饼m=0，一般在(0.31.0),18,可压缩滤饼的质量比阻rB(或)随P而，过滤开始时，一定不能太快提高压差，一般在相当长时间内P0.05MPa,最后的压力差(不包括榨滤)也不超过0.30.4MPa。否则过早导致rB(或)，使过滤速度很快，以至于达不到继续过滤的目的。,结论：,19,20,二、可压缩滤饼的过滤方程式：,以t/q为纵轴，q为横轴所得直线的斜率为M。M为直线的斜率：,则rB(或)可按下式计算；,rB=2MP/XB,21,根据滤饼的rB(或)值，可衡量各不同发酵液过滤的难易程度。如霉菌的菌丝比较粗大，青霉素的比阻为(0.15-0.2)102m/kg，发酵液容易过滤，常不需特殊处理；而放线菌菌丝细而分枝交织成网络状，如链霉素的比阻为(2000-4000)1012m/kg左右,过滤较困难，一般需经有效的方法预处理。,意义：,22,例：在从庆大霉素发酵液过滤分离链霉菌的过滤实验中，使用硅藻土作助滤剂。小型过滤机的过滤面积A=0.01m2，滤液粘度=1.110-3Pas,过滤压差P=6.772104Pa，且发酵液固体悬浮物浓度为15kg/m3。过滤时间所对应的滤液量为：,T(s)5102030V(10-6m3)40558095求滤饼比阻和过滤介质阻力Rm。,23,解：据实验数据以q对t/q作图，得到一条过滤操作直线，其截矩B0，即过滤介质阻力Rm=0，由此可求得直线的斜率M=(2.8103)/(10.210-3)=2.75105代入公式可计算出rB=2.261012(m/kg),24,25,三降低滤饼的质量比阻的方法或改善过滤性能的方法:,发酵液要经过预处理(以上介绍的四种方法)加适当百分率的助滤剂,一般为液体体积的0.51.0%(硅藻土是百年前水生植物沉淀下来的遗骸珍珠岩是处理过的膨胀火山岩)直接在发酵液中形成填充凝固剂酶介作用提高过滤速度的方法,包括改进过滤设备等,26,27,28,发酵液要经过预处理(以上介绍的四种方法)加助滤剂有利于改善过滤性能，利于固液分离。常用的助滤剂有硅藻土，纸浆、珍珠岩（成分SiO2）等，它们是不可压缩的多孔微粒，能使滤饼疏松，过滤速度增大。,29,加入一些反应剂，它们能相互作用或和某些溶解性盐类发生沉淀，生成的沉淀可作为填充凝固剂，沉淀本身可作为助剂，另一方面还可使胶状物和悬浮物、某些prot、凝固，从而改善过滤性能。如环丝氨酸发酵液用CaO和H3PO4处理，能达到上述目的，而且多余的磷酸根离子还能除去Ca+、Mg+。正确选择反应剂和反应条件能使过滤速度提高3-10倍。,30,酶介作用：加入适当的酶来分解某些物质。,如：万古霉素用淀粉作培养基，加入淀粉酶后能使过滤速度加快。,31,四、影响固液分离的因素：,培养基组成未用完培养基的数量消沫油发酵周期等。,主要因素有菌种和发酵条件：,32,1、发酵液中各种悬浮粒子的形状和大小，是影响固液分离的主要因素。,如真菌的菌丝细胞比较粗大,青霉素D=10m鼓式真空过滤或板框过滤。酵母细胞为710m放线菌发酵液菌丝细而分枝，链霉素菌丝D=0.51.0m细菌细胞（12m）或细胞碎片(或0.40.4m菌体更小。,33,2、发酵液的粘度,（大量存在prot,核酸之故）固液分离的速度通常与粘度成反比,粘性溶液固-液分离十分困难。因此细胞破碎的程度和发醇过程的放罐时间都必须严格控制。,34,3、培养基的组分：,用黄豆粉、花生粉作氮源、淀粉作碳源、发酵液粘度会增大，此外，有些染菌的发酵液粘度也会增高。,35,4、发酵后期加消沫油或剩余大量未用完的培养基都会使固-液分离困难。,5、发酵液的pH、温度和加热对固-液分离影响也很大。,pH降低，过滤的rB（）、过滤速度V。发酵液中高温下的维持时间也是重要因素，对热敏感的生化物质不易用该法。,36,六、全发酵液提取,第三，用扩张床吸附进行全发酵液的提取,第二，用双水相萃取进行全发酵液的提取,为避开固液分离操作,从悬浮液中直接提取生化物质是国内外学者探索的方向,第一，用膜分离技术进行全发酵液的提取,37,重点：难点：,本章小结：