发酵液预处理和固液分离工艺

1、精选优质文档-倾情为你奉上专题 发酵液预处理和固液分离工艺从微生物发酵液或细胞培养液中提取生化物质的第一个重要步骤，就是预处理和固液分离。其目的不仅在于分离细胞、菌体和其他悬浮颗粒，还希望除去部分可溶性杂质和改变滤液的性质，以利于后续的各步操作。一、发酵液预处理工艺各种发酵产品，由于菌种不同和发酵液特性不同，其预处理方法的选择也有所不同。大多数发酵产物存在于发酵液中，但也有少数产物存在于菌体中，或发酵液和菌体中都含有，但无论产物是在胞内，还是在胞外或者是菌体本身，首先都要对发酵液进行过滤和预处理，将固、液分开，然后才能从澄清的滤液中采用物理、化学的方法提取代谢产物，或从细胞出发进行细胞破碎、碎

2、片的分离和提取胞内产物。预处理的方法完全取决于可分离物质的性质，如对PH和热的稳定性、是蛋白质还是非蛋白质、分子的质量和大小等等。具体方法主要有以下几种：1、加热法加热法是最简单和价廉的预处理方法，即把悬浮液加热到所需温度并保温适当时间。加热可降低液体的黏度，根据流体力学的原理，滤液通过滤饼的速率与液体的黏度成反比，可见降低液体黏度可有效提高过滤速率；同时，在适当温度和受热时间下可使蛋白质凝聚，形成较大颗粒的凝聚物，进一步改善了发酵液的过滤特性。例如，链霉素发酵液，调酸至PH3.0后，加热至70，维持半小时，其黏度下降至原来的1/6，过滤速率可增大10100倍。使用加热法时必须严格控制加热温度

3、和时间。首先，加热的温度必须控制在不影响目的产物活性的范围内；其次，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，影响产物后续的分离与纯化。因此，加热法的关键取决于产品的热稳定性。2、调节悬浮液的PH值PH值直接影响发酵液中某些物质的电离度和电荷性质，因此适当调节发酵液的PH值可改善其过滤特性。此法是发酵工业中发酵液预处理较常用的方法之一。对于Aa、Pro等两性物质，在等电点时，其溶解度最小，这就是等电沉淀法。例如，在味精生产中，利用等电点（PH3.22）沉淀法提取谷氨酸；在膜过滤中，发酵液中的大分子物质容易与膜发生吸附，通过调整PH值改变易吸附分子的电荷性质，即可减少堵

4、塞和污染。3、凝聚和絮凝凝聚和絮凝都是悬浮液预处理的重要方法，其处理过程就是将化学药剂预先加入到悬浮液中，改变细胞、细胞碎片、菌体和Pro等胶体粒子的分散状态，破坏其稳定性，使其凝结成较大的颗粒，便于提高过滤速率，而且能有效地除去杂蛋白和固体杂质，提高滤液质量。但凝聚和絮凝是两种不同方法，其具体处理过程还是有差别的，应该明确区分开来，不可混淆。（1）凝聚凝聚是指向胶体悬浮液中加入某种电解质，在电解质异电离子作用下，胶体粒子的双电层电位降低，从而使胶体失去稳定性并使粒子相互凝聚成1mm左右大小的块状凝聚体的过程。发酵液中的细胞、菌体或Pro等胶体粒子的表面，一般都带有电荷，由于静电引力的作用，使

5、溶液中带相反电荷的离子被吸附在其周围，这样在界面上就形成双电层。这种双电层的结构使胶体粒子之间不易凝聚而保持稳定的分散状态，其电位越高，电排斥作用越强，胶体粒子的分散程度也就越大，发酵液过滤就越困难。电解质的凝聚能力可用凝聚值来表示，使胶体粒子发生凝聚作用的最小电解质浓度（mmol / L）称为凝聚值。根据SchuzeHardy法则，反离子的价数越高，其凝聚值就越小，即凝聚能力越强。所以，阳离子对带负电荷的发酵液胶体粒子的凝聚能力依次为：Al3+>Fe3+>H+>Ca2+>Mg2+>K+>Na+>Li+。常用的凝聚剂有Al2(SO4)3·18

6、H2O、 AlCl3·6H2O、 ZnSO4 、FeCl3 、FeSO4·7H2O、 H2SO4、HCl、 NaOH 、Na2CO3、 Al(OH)3等。（2）絮凝絮凝是指使用絮凝剂将胶体粒子交联成网，形成10mm左右大小的絮凝团的过程。其中絮凝剂主要起架桥作用。采用凝聚方法得到的凝聚体，其颗粒常常只有1mm左右，比较细小，有时还不能有效地进行分离。而采用絮凝方法则常可形成粗大的絮凝体（10mm左右），使发酵液较容易分离。絮凝剂是一种能溶于水的高分子聚合物，具有长链状结构，其链节上带有许多活性官能团，包括带电荷的阳离子或阴离子基团以及不带电荷的非离子型基团，这些基团能强烈地

7、吸附在胶体粒子的表面，使其形成较大的絮凝团。根据其来源不同，工业上使用的絮凝剂可分为如下3类： 有机高分子聚合物，如聚丙烯酰胺类衍生物和聚苯乙烯类衍生物等； 无机高分子聚合物，如聚合铝盐和聚合铁盐等； 天然有机高分子絮凝剂，如海藻酸钠、明胶、骨胶、壳聚糖等。目前最常用的絮凝剂是有机合成的聚丙烯酰胺类衍生物，其优点是用量少（一般以mg/L计），絮凝速度快，分离效果好，应用广泛；缺点是具有一定毒性。4、添加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，滤速增大。这是因为使用助滤剂后，悬浮液中大量的细微粒子被吸附到助滤剂的表面上，从而改变了滤饼结构，使滤饼的可压缩性下降，过滤阻力降低。常用的

8、助滤剂有硅藻土、纤维素、石棉粉、珍珠岩、白土、炭粒和淀粉等。其中最常用的是硅藻土，它具有极大的吸附和渗透能力，能滤除0.11.0m的粒子，而且化学性能稳定，既是优良的过滤介质，同时也是优良的助滤剂。5、添加反应剂在某些情况下，通过添加一些不影响目的产物的反应剂，可消除发酵液中某些杂质对过滤的影响，从而提高过滤速率。加入的反应剂与某些可溶性盐类发生反应，生成不溶性沉淀，如CaSO4、 AlPO4等。生成的沉淀物能防止菌体粘结，使菌丝具有块状结构，另外沉淀物本身可作为助滤剂，并且能使胶状物和悬浮物凝固，从而改善过滤性能。若能正确选择反应剂和反应条件，则可使过滤速率提高310倍。如果发酵液中含有不溶

9、性的多糖物质，则最好先用酶将它转化为单糖，以提高过滤速率。例如，万古霉素用淀粉作培养基，发酵液过滤前加入0.025%的淀粉酶，搅拌30min后，再加2.5%硅藻土作助滤剂，可使过滤速率提高5倍。6、其他方法发酵液中杂质很多，其中有些杂质不仅直接影响产品质量和得率，同时对后续的提取和精制有很大影响，因此，在预处理时，必须采用适当方法使这些杂质沉淀，在固液分离时除去，以利于后面的提取和精制过程能顺利进行。(1) 添加草酸盐除去高价无机离子（主要是Ca2+、Mg2+和Fe2+等）(2) 去除杂蛋白的主要方法 沉淀法：Pro是两性物质，在酸性溶液中，能与一些阴离子如三氯乙酸盐、水杨酸盐、苦味酸盐等形成

10、沉淀，在碱性溶液中，能与一些阳离子如Ag+、Cu2+、Zn2+、Fe3+和Pb2+等形成沉淀； 变性法：其中最常用的是加热法，还有大幅度调节PH，加酒精、丙酮等有机溶剂或一些表面活性剂等方法； 吸附法：加入某些吸附剂吸附杂蛋白而将其除去。二、固液分离工艺固液分离是生物产品生产中经常遇到的重要单元操作。培养基、发酵液、某些中间产品和半成品等都需要进行固液分离，其方法很多，生物工业中常规的方法有分离筛、重力沉降，浮选分离、离心分离和过滤等，其中用于发酵液固液分离的主要是离心分离和过滤。1、发酵液的粗过滤过滤是发酵液处理中常用的单元操作，通过过滤可获得20%30%（W/V）细胞浓度的淤浆，或40%（

11、W/V）以上浓度的细胞固体。（1）澄清过滤在澄清过滤中，所用的过滤介质为硅藻土、砂、颗粒活性炭、玻璃珠和塑料颗粒等，填充于过滤器内部即构成过滤层；也有用烧结陶瓷、烧结金属、粘合塑料及用金属丝绕成的管子等组成的成型颗粒滤层。当悬浮液通过过滤层时，固体颗粒被阻拦或吸附在滤层的颗粒上，使滤液得以澄清，所以这种方法叫澄清过滤。该法适合于固体含量少于0.1g/100mL、颗粒直径在5100m的悬浮液的过滤分离，如麦芽汁、酒类和饮料等的澄清。（2）滤饼过滤 在滤饼过滤中，过滤介质为滤布，包括天然或合成纤维布、金属织布、石棉板、玻璃纤维纸等。当悬浮液通过滤布时，固体颗粒被滤布阻拦而逐渐形成滤饼（或称滤渣）。当滤饼达到一定厚度时即起过滤作用，此时即可获得澄清的滤液，故这种方法叫做滤饼过滤或滤渣过滤。该法适合于固体含量大于0.1g/100mL的悬浮液的分离。滤饼过滤按推动力的不同可分为4种：重力过滤、加压过滤、真空过滤和离心过滤。（3）错流过滤在一般过滤中，滤液的流动方向与滤饼基本垂直，采用这种方法时，随着过滤过程的进行，所积累形成的滤渣阻力很大，过滤速率迅速下降。为了维持较高的过滤速率，有效的方法是设法阻止滤渣的加厚，或者当滤渣达到一定厚度时采用反洗除去滤渣。