第二章-发酵液预处理与固液分离.ppt

生物分离工程 Bioseparation Engineering 第二章 发酵液预处理与固液分离 生物分离过程的一般流程 2.发酵液预处理与固液分离 2.1 发酵液预处理 2.1.1 引言 2.1.2 发酵液过滤性能的改变 2.1.3 发酵液的相对纯化 2.2 固液分离 2.2.1 过滤 2.2.2 离心 预处理和固液分离内容 固液分离 发酵液 胞外 上清液 /滤液 预处理 提取生化物质的第一步，分两部分 胞内 富集细胞 生物产品的分类 （根据分离特点） n 培养液产品 如饮料酒类，没有提取与精制，只需考 虑除去固相杂质即可。 n 细胞产品 如活性干酵母，只需固液分离和洗涤可溶 性杂质的过程。 n 粗制产品 如工业用酶制剂，只需考虑产品提取。 n 精制产品 有纯度要求，大多数生物产品属此类，其 分离回收过程一般包括预处理与固液分离、提取、精制 和成品加工四步。 精制产品分离纯化一般流程 n 胞外产品 发酵液 ↓ 预处理 目的产物尽量进液相 ↓ 固液分离 收集液相 ↓ 后提取与精制 胞内产品 发酵液 ↓ 预处理 除杂、改变液相性质 ↓ 固－液分离 收集细胞或菌体 ↓ 细胞 破碎 目的产物进液相 ↓ 固－液分离 收集液相 ↓ 后提取与精制 2.1 发酵液预处理 2.1.1 引言 n 发酵液预处理的目的 ① 改变滤液的性质 ② 除去部分可溶性杂质 ③ 尽可能使产物转入便于后处理的一相中（多数 是液相） 以利于后继各工序的顺利进行 预处理的方法 n 加水稀释法 Dilution with water n 加热法 Heating n 调节悬浮液的 pH值 Regulation of pH n 凝聚和絮凝 Coagulation and flocculation n 助滤剂 Filter aids和反应剂 Reactant n 高价无机离子的去除 Removal of inorganic ion n 杂蛋白的去除 Removal of useless protein 2.1.2 发酵液过滤性能的改变 n 生物悬浮液的特性 ① 悬浮物颗粒小，比重与液相相差不大； ② 固体粒子可压缩性大； ③ 粘度大，含有蛋白质、多糖等胶体物质，大多 为非牛顿型流体。 n 改性的目的降低滤饼比阻，提高过滤与分离 的速率。 2.1.2.1 加水稀释 n 加水稀释法虽能降低液相粘度，但会增加悬浮液的 体积，加大后继过程的处理任务。 加水稀释 2.1.2.2 加热 n 加热可有效降低液相黏度，改善过滤性能。但加 热的温度必须是在不影响目的产物活性的范围内。 温度 ↑ 2.1.2.3 调整 pH n 对于氨基酸、蛋白质等两性物质，调 pH至等 电点，在等电点下溶解度最小，此即为等电点沉 淀。 n 在极端 pH值下，蛋白质发生凝固，使之分离 。 n 可以使存在于胞内的发酵产物转入液相或使发 酵产物以适合的离子状态或游离状态存在于发酵 液中，防止其沉淀、氧化或变性等。 n 通过调整 pH值改变膜过滤中易吸附分子的电荷 性质，可减少膜堵塞和污染。 n 调整 pH→ 改变某些物质的电荷性质与强度 → 发 生絮凝 → 便于分离。 n 细胞 碎片 及某些胶体物质在某个 pH值下也可 能趋于絮凝而成为较大颗粒，有利于过滤的进行 。 2.1.2.4 凝聚与絮凝 （ 1）凝聚指在电解质作用下，由于胶粒间双电层 排斥电位的降低，而使胶体体系不稳定的现象。 胶体稳定机理 菌体、蛋白质等胶体 粒子表面都带负电荷 ↓ 在静电引力作用下 形成双电层 ↓ 保持胶体的分散状态 凝聚作用机理 加入电解质 ↓ 电解质中的高价阳离子 对胶体周围离子的影响 ↓ 双电层电位 ↓ ↓ 胶体稳定性 ↓ ，发生凝聚 n 电解质的凝聚能力可用凝聚值来表示，使胶粒发生凝 聚作用的最小电解质浓度（ mmol/L称为凝聚值。 n 阳离子对带负电荷的发酵液胶体粒子凝聚能力的次序 为 Al3Fe3HCa2Mg2KNaLi n 常用的凝聚电解质有硫酸铝 Al2SO43·18H2O明矾 、 氯化铝 AlCl3·6H2O、三氯化铁 FeCl3·6H2O、硫酸亚铁 FeSO4·7H2O、石灰、 ZnSO4、 MgCO3等。 （ 2）絮凝 指在某些高分子絮凝剂存在下，基于 桥架作用，使胶粒形成较大絮凝团的过程。 胶 体 粒 子 高分子絮凝剂 静电引力 范德华力 氢键作用 相互吸附作用 形成絮团 n 絮凝剂是一种能溶于水的高分子聚合物，具长链状结 构，其链上含有许多 活性功能团 ，包括带电荷的离子基 团和不带电荷的非离子型基团。 n 根据其来源的不同，常用絮凝剂分为如下三类 ① 有机高分子聚合物，如聚丙烯酰胺类衍生物、聚苯乙 烯类衍生物； 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。 （ 3）混凝 n 凝聚的特点是速度快，但颗粒小； n 絮凝的特点是速度慢，而颗粒较大。 n 它们单独使用时效果较差，所以絮凝剂常与无机电解 质凝聚剂搭配使用 。 首先加入电解质，使悬浮粒子间的双电层电位降 低、脱稳、凝聚成微粒，然后再加入絮凝剂絮凝成较 大的颗粒。 无机电解质的凝聚作用为高分子絮凝剂的架桥创 造了良好的条件，从而大大提高了絮凝的效果。这种 包括凝聚和絮凝机理的过程，称为混凝。 胶体悬浮液 ↓ 加入电解质 粒子间的排斥作用降低、脱稳、凝聚成微粒 ↓ 加入絮凝剂 絮凝成较大的颗粒 2.1.2.5 加入助滤剂 n 助滤剂是一种 不可压缩的多孔微粒 。常用的助滤剂有 硅藻土 、纤维素、石棉粉、珍珠岩、白土、碳粒、淀粉 等。 悬浮液 ↓ 加入助滤剂 悬浮液中的细微胶体粒子被吸附到助滤剂的表面上 ↓ 滤饼的结构改变，可压缩性下降 ↓ 过滤阻力降低，过滤速率提高 助滤剂使用要点 （ 1）根据目的产物选择助滤剂品种 n 当目的产物为液相时，要注意目的产物是否会被助滤 剂吸附； n 当目的产物为固相时，要注意助滤剂对产品质量的影 响。 （ 2）根据过滤介质（如滤布）和过滤情况选择助滤剂 品种 n 要注意防止泄漏和堵塞过滤介质。 助滤剂使用要点 （ 3）粒度选择 n 助滤剂的粒度必须与悬浮液中固体粒子的尺寸相适应 ，颗粒较小的悬浮液应采用较细的助滤剂。 （ 4）使用量的选择 n 助滤剂的使用量必须适合，使用量过少，起不到有效 的作用； n 使用量过大，不仅浪费，而且会因助滤剂成为主要的 滤饼阻力而使过滤速率下降。 （ 过滤速率与使用量的关系 ） 2.1.2.6 加入反应剂 （ 1）生成不溶性沉淀 n 加入反应剂和某些可溶性盐类发生反应生成不溶性沉淀 ，如 CaSO4 、 AlPO4 等。 n 产生的沉淀可作为助滤剂，并且能使胶状物和悬浮物凝固，从而 改善过滤性能。 n 如环丝氨酸发酵液用氧化钙和磷酸处理，生成磷酸钙沉淀，能使 过滤速率提高 3～ 10倍。 （ 2）分解大分子物质 n 如发酵液中含有多糖、蛋白质等高分子物质，可用 内切酶 分解， 以提高过滤速率。 n 例如万古霉素发酵液残留一定的淀粉，过滤前加入 α -淀粉酶处理 ，配合硅藻土助滤剂，可使过滤速率提高 5倍。 2.1.3 发酵液的相对纯化 n 发酵液中的杂质不仅直接影响 产品质量 和 收得率 ，同 时对 后继提取和精制 有很大影响。 n 高价无机离子（ Ca2、 Mg2 、 Fe3 等） 影响离 子交换法提取时树脂的交换容量。 n 可溶性蛋白质 影响 离子交换 和 吸附法 提取时的交 换容量和吸附能力； 萃取 时易产生乳化现象，使两相分 离不清； 膜过滤 时，易堵塞或污染，影响过滤速率。 2.1.3.1 高价无机离子的去除 （ 1） Ca2 加草酸钠 沉淀 C2O4Na2 Ca2 → C 2O4Ca↓ 2Na （ 2） Mg2 加三聚磷酸钠形成 络合物 Na5P3O10 Mg2 →MgNa 3P3O10 2Na （ 3） Fe3 加入黄血盐，形成普鲁士蓝 沉淀 4Fe3 3K4FeCN6 → Fe4[FeCN6]3 ↓ 12K 2.1.3.2 杂蛋白质的去除 （ 1）沉淀法 n 酸性溶液加阴离子沉淀，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。 n 碱性溶液加阳离子沉淀，如 Ag、 Cu2 、 Zn2 、 Fe3 、 Pb2 等 。 （ 2）变性法 n 加热变性 70～ 80℃ ， 30min，蛋白质大多变性沉淀。 n 酸碱变性如在抗生素生产中，常将发酵液 pH调至 pH2～ 3或 pH8 ～ 9使蛋白质凝固。 n 有机溶剂变性如酒精、丙酮等使蛋白质凝固。 （ 3）吸附法 加入某些吸附剂或沉淀剂吸附杂蛋白质而去除 2.2 固液分离 n 固液分离的方法很多，其中用于细胞悬浮液分离的主要是 过滤 和 离心 分离。 n 霉菌和放线菌为丝状菌，体形较大，其细胞悬浮液大多采 用过滤方法处理。 n 细菌和酵母菌为单细胞，体形较小，外形尺寸大多在 1～ 10μm范围，一般采用高速离心机分离。 n 采用絮凝和添加助滤剂等方法进行预处理后，细菌和酵母 菌细胞悬浮液亦可采用过滤方法进行固液分离。 （粒度、密度差；投资、能耗、适应性） 过滤操作是借助于过滤介质，在一定的压力差 ΔP 作用下，使悬浮液中的液体通过介质的孔 道，而固体颗粒被截留在介质上，从而实现固 液分离的单元操作。 q 过滤介质 filter medium 过滤采用的多孔物质； q 滤浆 filter pulp 所处理的悬浮液； q 滤液 filtrate 通过多孔通道的液体； q 滤饼或滤渣 filter cake被截留的 固体物质。 2.2.1 过滤 n 板框过滤机是一种传统的过滤设备，可用于霉菌 、放线菌、酵母等多种发酵液的固液分离。 n 优点固相含水份低，动力消耗低，适应不同过 滤特性的发酵液的过滤。 n 缺点间歇操作、劳动强度大、生产效率较低。 n 适合于固形物含量 110的悬浮液的分离。 （ 1）板框过滤机 板框压滤机 n 包括板和框，多做成正方形，角端均开有小孔，装 合压紧后即构成供滤浆或洗水流通的孔道。框的两侧 覆以滤布，空框与滤布围成了容纳滤浆及滤饼的空间 ，滤板用以支撑滤布并提供滤液流出的通道。 板框式压滤机在过滤时，悬浮液由离心泵或齿轮 泵经滤浆通道打人框内，，滤液穿过滤框两侧滤 布，沿相邻滤板沟槽流至滤液出口，固体则被截 留于框内形成滤饼。滤饼充满滤框后停止过滤。 （ 2）真空转鼓过滤机 n 可用于霉菌、放线菌、酵母菌等细胞悬浮液的过 滤分离。 n 优点操作连续，处理量大，适合于固形物含量 大于 10的悬浮液的分离。 n 缺点不适合于菌体较小和粘度较大的细菌发酵 液的过滤，所得固相的干度不如板框过滤 。 转筒真空过滤机 结构 p转筒，扇形格 18格 ； Ø滤室； Ø分配头； ü动盘 18个孔，分别与扇 形格的 18个通道相连 ； ü定盘 三个凹槽 滤液真 空凹槽、洗水真空凹槽、 压缩空气凹槽 ，分别将动 盘的 18个孔道分成三个通 道 ； p滤浆槽。 n 转筒下部浸入滤浆槽中，浸没角约 900-1300，圆筒缓慢 旋转时 转速约 0.5-2r／ min，筒内每一空间相继与分配 头中的 3个室相通，可顺序进行过滤、洗涤、吸干、吹松 、卸饼等项操作。即整个圆筒分为过滤区、洗涤及脱水区 ，卸渣及再生区 3个区域。 （ 3） 错流过滤（ Cross-Flow Filtration ） n 在分离细菌、细胞碎片等悬浮液时，由于其固体颗粒细 微，可压缩性大，所形成的滤饼阻力很大，随着过滤过程 的进行，过滤速度迅速下降。因而一般过滤不适合细菌悬 浮液的分离。 n 错流过滤（ Cross-Flow Filtration又称切向流过滤，是 一种维持恒压下高速过滤的技术。其操作特点是使悬浮液 在过滤介质表面作切向流动，利用流动的剪切作用将过滤 介质表面的固体（滤饼）移走。 n 错流过滤广泛用于细菌和细胞碎片的分离，缺点 是固相（浓缩相）含液量较高，仅起浓缩作用。 （ 4） 澄清过滤 n 当悬浮液通过滤层时，固体颗粒被阻拦或吸附在 滤层的颗粒上，使滤液得以澄清，这种方法叫做澄 清过滤。 n 适合于固体含量少于 0.1V、颗粒直径较小的悬 浮液的过滤分离，多用于需要除菌的场合。 2.2.2 离心 n 是目前发酵生产中应用最广泛的固液分离技术 ，适合于各种微生物细胞悬浮液的分离。 n 优点分离速率快、分离效率高、液相澄清度 好等。 n 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。 n 对于小规模生产和实验室，常采用管式离心机 。 斜角式离心机 平抛式离心机 谢谢大家