发酵工业与发酵工程_08发酵液的预处理和固液分离

1、第一节第一节 发酵工程下游技术发展发酵工程下游技术发展一、下游加工过程的特点和重要性一、下游加工过程的特点和重要性下游加工过程：下游加工过程：指从发酵液或酶反应液或动指从发酵液或酶反应液或动植物细胞培养液中分离、纯化生物产品的过程。植物细胞培养液中分离、纯化生物产品的过程。 下游加工过程包括：下游加工过程包括：目标产物的提取、浓缩、目标产物的提取、浓缩、纯化及成品化等过程。纯化及成品化等过程。 发酵产物的种类发酵产物的种类1菌体及胞内产物：菌体及胞内产物：如单细胞蛋白、面包酵母、饲料酵母、辅酶如单细胞蛋白、面包酵母、饲料酵母、辅酶A等。等。 2酶：酶：包括胞外酶和胞内酶。如淀粉酶、蛋白酶、纤维

2、素酶等。包括胞外酶和胞内酶。如淀粉酶、蛋白酶、纤维素酶等。3代谢产物：代谢产物：有机酸，有机溶剂，氨基酸，核苷酸，抗有机酸，有机溶剂，氨基酸，核苷酸，抗 生素，多糖，生素，多糖，维生素，甾体氧化的产物。维生素，甾体氧化的产物。发酵液的组成特点发酵液的组成特点发酵液大部分是水；发酵液大部分是水；发酵液发酵液中中发酵产物浓度低；发酵产物浓度低；发酵液中的悬浮物固型物主要有菌体和蛋白质的胶发酵液中的悬浮物固型物主要有菌体和蛋白质的胶状物，使发酵液黏度增加，不利于过滤，增加了提状物，使发酵液黏度增加，不利于过滤，增加了提取和精制的操作困难；取和精制的操作困难；发酵液的培养基残留忠还有无机盐类、非蛋白质

3、发酵液的培养基残留忠还有无机盐类、非蛋白质大分子杂质及其降解产物相似，使分离提纯操作大分子杂质及其降解产物相似，使分离提纯操作困难；困难；发酵液中还有色素、热源质、毒性物质等有机杂发酵液中还有色素、热源质、毒性物质等有机杂质，难于提炼。质，难于提炼。条件温和；条件温和；能够达到所要求的纯度；能够达到所要求的纯度；收率高；收率高；生产成本尽可能低；生产成本尽可能低；分离纯化技术的选择原则分离纯化技术的选择原则工艺过程尽可能缩短和简化；工艺过程尽可能缩短和简化；分离快速；分离快速；生产中所产生的废物能够处理；生产中所产生的废物能够处理；实验过程能够成功地进行放大。实验过程能够成功地进行放大。产物的

4、产物的初级分离初级分离阶段；阶段；产物的产物的纯化精制纯化精制阶段。阶段。二、发酵工程下游加工技术的一般流程二、发酵工程下游加工技术的一般流程分离纯化路线包括两个阶段：分离纯化路线包括两个阶段：(1)发酵液的预处理与固液分离发酵液的预处理与固液分离(2)初步分离初步分离(3)高度纯化高度纯化(4)成品加工成品加工(精制精制)发酵工程下游加工技术的一般流程发酵工程下游加工技术的一般流程第二节第二节 发酵液的预处理发酵液的预处理1、改变液体物理性质，促进固液分离。、改变液体物理性质，促进固液分离。2、尽可能使产物转入便于处理的某一相中，、尽可能使产物转入便于处理的某一相中， 多数情况下是液相。多数

5、情况下是液相。 3、除去部分可溶性杂质。、除去部分可溶性杂质。 预处理和固液分离的目的：预处理和固液分离的目的：一、改善发酵液过滤特性的方法：一、改善发酵液过滤特性的方法：1. 降低液体黏度降低液体黏度2. 调整调整pH4. 加入助滤剂加入助滤剂5. 加入反应剂加入反应剂3. 凝聚和絮凝凝聚和絮凝 常用的方法有常用的方法有加水稀释法加水稀释法和和加热法加热法。1. 降低液体黏度降低液体黏度注意事项：注意事项：严格控制加热温度与时间。严格控制加热温度与时间。首先首先，加热的温度必须控制在不影响目的产物活性变，加热的温度必须控制在不影响目的产物活性变质的范围内；质的范围内；其次其次，温度过高或时间

6、过长，会使细胞溶解，胞内物，温度过高或时间过长，会使细胞溶解，胞内物质外溢，增加发酵液的复杂性，影响其后的产物分离质外溢，增加发酵液的复杂性，影响其后的产物分离与纯化。与纯化。 如利用酸碱性来调节如利用酸碱性来调节pH值使蛋白质等两性物质值使蛋白质等两性物质达到等电点得以除去。又如过滤中，发酵液中的大达到等电点得以除去。又如过滤中，发酵液中的大分子物质易与膜发生吸附，通过调整分子物质易与膜发生吸附，通过调整pH值改变易吸值改变易吸附分子的电荷性质，即可减少堵塞和污染。附分子的电荷性质，即可减少堵塞和污染。 2. 调整调整pH 凝聚法凝聚法是在悬浮液中加入无机凝聚剂，使是在悬浮液中加入无机凝聚剂

7、，使胶体的排斥电位降低脱稳而发生聚沉（凝聚胶体的排斥电位降低脱稳而发生聚沉（凝聚成成1mm大小的块状凝聚体），称为大小的块状凝聚体），称为凝聚凝聚。3.凝聚和絮凝凝聚和絮凝a. 中和粒子表面电荷中和粒子表面电荷 .b. 消除双电层结构消除双电层结构.机理：机理：无机凝聚剂无机凝聚剂: 主要是铝盐、铁盐、钙盐、锌盐主要是铝盐、铁盐、钙盐、锌盐等无机盐类电解质，如硫酸铝、氯化钙、氯等无机盐类电解质，如硫酸铝、氯化钙、氯化铁、碱式氯化铝化铁、碱式氯化铝.絮凝：絮凝：大分子聚电解质将胶体粒子交联成网大分子聚电解质将胶体粒子交联成网状，形成絮凝团的过程（将胶体粒子交联成状，形成絮凝团的过程（将胶体粒子交

8、联成网，形成网，形成10mm大小的絮凝团），称为絮凝。大小的絮凝团），称为絮凝。机理：机理：架桥作用架桥作用根据其活性基团在水中解离情况的不同分为：根据其活性基团在水中解离情况的不同分为：u阳离子型：阳离子型：阳离子聚丙烯酰胺，聚丙烯酸二烷基胺阳离子聚丙烯酰胺，聚丙烯酸二烷基胺 乙酯，聚二烯丙基四胺盐。乙酯，聚二烯丙基四胺盐。u阴离子型：阴离子型：聚丙烯酸钠，聚苯乙烯磺酸，木质素聚丙烯酸钠，聚苯乙烯磺酸，木质素 磺酸盐磺酸盐u非离子型：非离子型：聚氧乙烯聚氧乙烯絮凝剂的类型絮凝剂的类型根据来源不同分为：根据来源不同分为：u有机高分子聚合物：有机高分子聚合物：聚丙烯酰胺类衍生物，聚苯乙聚丙烯酰胺

9、类衍生物，聚苯乙烯烯类衍生物等类衍生物等u无机高分子聚合物：无机高分子聚合物：聚合铝盐、聚合铁盐等聚合铝盐、聚合铁盐等u天然有机高分子聚合物天然有机高分子聚合物：海藻酸钠、壳聚糖海藻酸钠、壳聚糖4. 添加助滤剂添加助滤剂 助滤剂是一种不可压缩的多孔微粒，能使滤饼疏松，助滤剂是一种不可压缩的多孔微粒，能使滤饼疏松，滤速增大。滤速增大。 常用的助滤剂：常用的助滤剂：硅酸盐粉末硅酸盐粉末(硅藻土）、纸浆、珠光硅藻土）、纸浆、珠光石石 (即珍珠岩，成分为二氧化硅）。即珍珠岩，成分为二氧化硅）。 选择和使用助滤剂的要求见选择和使用助滤剂的要求见P271。 反应剂相互作用，或和溶解性盐发生反应，生成沉反应

10、剂相互作用，或和溶解性盐发生反应，生成沉淀。能防止菌丝体粘结，使菌丝具有块状结构。淀。能防止菌丝体粘结，使菌丝具有块状结构。 沉淀本身即可作为助滤剂，并且还能使胶状物和悬沉淀本身即可作为助滤剂，并且还能使胶状物和悬浮物凝固。浮物凝固。 正确选择反应剂和反应条件，能使过滤速度提高正确选择反应剂和反应条件，能使过滤速度提高3-10倍。倍。5、加入反应剂、加入反应剂(一一) 高价无机离子的去除方法高价无机离子的去除方法 宜加入宜加入草酸草酸。 草酸钙能促使蛋白质凝固，提高滤液质量。草酸钙能促使蛋白质凝固，提高滤液质量。1、去除钙离子：、去除钙离子：二、发酵液的相对纯化二、发酵液的相对纯化加入加入三聚

11、磷酸钠三聚磷酸钠，它和镁离子形成可溶性络合物：，它和镁离子形成可溶性络合物： 用磷酸盐处理，也能大大降低钙离子和镁离子的浓用磷酸盐处理，也能大大降低钙离子和镁离子的浓度。此法可用于环丝氨酸的提炼。度。此法可用于环丝氨酸的提炼。 2、除去镁离子：、除去镁离子：3、除去铁离子：、除去铁离子： 可加入黄血盐，使形成普鲁士蓝沉淀。可加入黄血盐，使形成普鲁士蓝沉淀。（二）杂蛋白的去除方法（二）杂蛋白的去除方法 在酸性溶液中，在酸性溶液中，蛋白质能与一些阴离子如三氯乙酸盐、蛋白质能与一些阴离子如三氯乙酸盐、水杨酸盐等形成沉淀。水杨酸盐等形成沉淀。 在碱性溶液，在碱性溶液，蛋白质能与一些阳离子，如蛋白质能与

12、一些阳离子，如Ag1+，Cu2+，Zn2+，Fe3+和和Pb2+等形成沉淀。等形成沉淀。沉淀法沉淀法u热变性：适于热稳定物质热变性：适于热稳定物质u大幅度调整大幅度调整pH：根据产物特性反向调节，：根据产物特性反向调节，u加有机溶剂加有机溶剂变性法变性法吸附法吸附法 举例：举例： 1、四环类抗生素生产中，采用、四环类抗生素生产中，采用黄血盐黄血盐和和硫酸锌硫酸锌的协的协同作用生成亚铁氰化锌钾的胶状沉淀来吸附蛋白质，同作用生成亚铁氰化锌钾的胶状沉淀来吸附蛋白质，取得很好的效果。取得很好的效果。 2、枯草杆菌发酵液，常加入、枯草杆菌发酵液，常加入氯化钙氯化钙和和磷酸氢二钠磷酸氢二钠，生成庞大的凝胶

13、，把蛋白质、菌体及不溶性粒子吸附生成庞大的凝胶，把蛋白质、菌体及不溶性粒子吸附并包裹在其中而除去，从而加快了过滤速度。并包裹在其中而除去，从而加快了过滤速度。三、发酵液的固液分离三、发酵液的固液分离1.过滤过滤定义：定义： 在一定的压力差下，利用在一定的压力差下，利用多孔性介质截留固液悬浮多孔性介质截留固液悬浮液中的固体粒子，进行固液中的固体粒子，进行固液分离的方法称为液分离的方法称为过滤过滤。过滤介质过滤介质无定形颗粒：无定形颗粒：无烟煤、砂、颗粒活性炭、铁矿砂等无烟煤、砂、颗粒活性炭、铁矿砂等成形颗粒：成形颗粒：烧结金属、烧结塑料以及用合成树脂粘烧结金属、烧结塑料以及用合成树脂粘结的硅砂、

14、塑料颗粒等，做成圆筒形或板状。结的硅砂、塑料颗粒等，做成圆筒形或板状。非金属织布棉、化学纤维、玻璃纤维织品、长纤维非金属织布棉、化学纤维、玻璃纤维织品、长纤维滤布、短纤维滤布滤布、短纤维滤布。金属织布：金属织布：不锈钢丝或铁丝等的织布。不锈钢丝或铁丝等的织布。无纺品、纸、毡、石棉板、合成纤维无纺布等无纺品、纸、毡、石棉板、合成纤维无纺布等。过滤设备选择的依据过滤设备选择的依据被过滤液体的特性被过滤液体的特性 固形物含量固形物含量1-10是采用连续式过滤机的极限。是采用连续式过滤机的极限。生产规模：生产规模：大规模大规模连续式连续式 小规模小规模间歇式间歇式操作要求操作要求过滤机的材料：过滤机的

15、材料：食品和药品工业食品和药品工业聚丙烯或聚酯聚丙烯或聚酯过滤设备过滤设备优点：优点： 结构简单、装配紧凑、过滤面积大、允许采用较大结构简单、装配紧凑、过滤面积大、允许采用较大的操作压力，辅助设备少，动力消耗小，过滤和洗涤的操作压力，辅助设备少，动力消耗小，过滤和洗涤质量好，对固形物含量要求低，材料选择范围广。质量好，对固形物含量要求低，材料选择范围广。缺点：缺点： 设备笨重、占地面积多、辅助时间长生产效率低。设备笨重、占地面积多、辅助时间长生产效率低。板框过滤机板框过滤机 板框过滤机板框过滤机优点：优点： 真空转鼓过滤机具有自动化程度高、操作连真空转鼓过滤机具有自动化程度高、操作连续、处理量

16、大。特别适合固体含量大（续、处理量大。特别适合固体含量大（10）的悬浮液的分离，在发酵工业中广泛用于霉菌、的悬浮液的分离，在发酵工业中广泛用于霉菌、放线菌和酵母发酵液或细胞悬浮液的过滤分离。放线菌和酵母发酵液或细胞悬浮液的过滤分离。 真空转鼓过滤机真空转鼓过滤机 由于受真空度的限制，不适于菌体较小由于受真空度的限制，不适于菌体较小和粘度较大的细菌发酵液的过滤，且过滤所和粘度较大的细菌发酵液的过滤，且过滤所得固相的干度不如加压过滤。得固相的干度不如加压过滤。缺点：缺点： 真空转鼓过滤机真空转鼓过滤机2. 离离 心心定义：定义： 借助离心机旋转所产生的离心力的作用，借助离心机旋转所产生的离心力的作

17、用，促使不同大小，不同密度的粒子分离的技术。促使不同大小，不同密度的粒子分离的技术。碟片式离心机碟片式离心机 是传统离心机，为目前工业上应用最广泛的离是传统离心机，为目前工业上应用最广泛的离心机。分离因数可达心机。分离因数可达1000-20000，最大处理量达到，最大处理量达到300m3/h，常用于大规模的分离过程。，常用于大规模的分离过程。适用范围适用范围 细菌、酵母菌、放线菌、细胞碎片细菌、酵母菌、放线菌、细胞碎片离心分离设备离心分离设备管式离心机是一种分离效率很高的离心分离设备，其转管式离心机是一种分离效率很高的离心分离设备，其转鼓细长，可在鼓细长，可在15000-50000的高转速下工

18、作，分离因数的高转速下工作，分离因数可达可达104-6105。它设备简单、操作稳定。它设备简单、操作稳定。适用范围适用范围 细胞、细胞碎片、细胞器、病毒、蛋白质、核酸等。细胞、细胞碎片、细胞器、病毒、蛋白质、核酸等。特别适合一般分离机难以分离的固形物含量特别适合一般分离机难以分离的固形物含量1% 发酵发酵液的分离。液的分离。 管式离心机管式离心机是一种靠离心力和螺旋的推动力作用自动连续排渣是一种靠离心力和螺旋的推动力作用自动连续排渣的离心机。具操作连续、适应性强、结构紧凑和维的离心机。具操作连续、适应性强、结构紧凑和维修方便的优点。分离因数为修方便的优点。分离因数为1500-3000。适用范围适用范围 特别适合固形物含量较多