分離與純化（課堂PPT）

1、1生物工業(yè)下游技術(shù)生物工業(yè)下游技術(shù)2第三章第三章 發(fā)酵液預(yù)處理發(fā)酵液預(yù)處理發(fā)酵液成分發(fā)酵液成分：微生物菌體及殘存的固體培養(yǎng)基外，還有未被微：微生物菌體及殘存的固體培養(yǎng)基外，還有未被微生物完全利用的糖類(lèi)、無(wú)機(jī)鹽、蛋白質(zhì)，以及微生物的各種生物完全利用的糖類(lèi)、無(wú)機(jī)鹽、蛋白質(zhì)，以及微生物的各種代謝產(chǎn)物。代謝產(chǎn)物。目的目的：分離菌體和其他懸浮顆粒，除去部分可溶性雜質(zhì)和改變：分離菌體和其他懸浮顆粒，除去部分可溶性雜質(zhì)和改變?yōu)V液的性質(zhì)，以利于提取和精制后繼各工序的順利進(jìn)行。濾液的性質(zhì)，以利于提取和精制后繼各工序的順利進(jìn)行。方法選擇方法選擇：對(duì)于胞外產(chǎn)物，經(jīng)預(yù)處理應(yīng)盡可能使目的產(chǎn)物轉(zhuǎn)移：對(duì)于胞外產(chǎn)物，經(jīng)預(yù)處理

2、應(yīng)盡可能使目的產(chǎn)物轉(zhuǎn)移到液相，然后經(jīng)固液分離除去固相；對(duì)于胞內(nèi)產(chǎn)物，則應(yīng)首到液相，然后經(jīng)固液分離除去固相；對(duì)于胞內(nèi)產(chǎn)物，則應(yīng)首先收集菌體或細(xì)胞，經(jīng)細(xì)胞破碎后先收集菌體或細(xì)胞，經(jīng)細(xì)胞破碎后,目的產(chǎn)物進(jìn)入液相，隨目的產(chǎn)物進(jìn)入液相，隨后再將細(xì)胞碎片分離。后再將細(xì)胞碎片分離。3第一節(jié)第一節(jié) 發(fā)酵液過(guò)濾特性的改變發(fā)酵液過(guò)濾特性的改變微生物發(fā)酵液的特性可歸納為：微生物發(fā)酵液的特性可歸納為：發(fā)酵產(chǎn)物濃度較低，大多為發(fā)酵產(chǎn)物濃度較低，大多為1一一10，懸浮液中大部分，懸浮液中大部分是水；是水；懸浮物顆粒小，相對(duì)密度與液相相差不大；懸浮物顆粒小，相對(duì)密度與液相相差不大；固體粒子可壓縮性大；固體粒子可壓縮性大；液

3、相粘度大，大多為非牛頓型流體；液相粘度大，大多為非牛頓型流體；性質(zhì)不穩(wěn)定，隨時(shí)間變化，如易受空氣氧化、微生物污性質(zhì)不穩(wěn)定，隨時(shí)間變化，如易受空氣氧化、微生物污染、蛋白酶水解等作用的影響。染、蛋白酶水解等作用的影響。 這些特性使得發(fā)酵液的過(guò)濾與分離相當(dāng)困難。這些特性使得發(fā)酵液的過(guò)濾與分離相當(dāng)困難。4改善發(fā)酵液過(guò)濾特性的物理化學(xué)方法改善發(fā)酵液過(guò)濾特性的物理化學(xué)方法 通過(guò)對(duì)發(fā)酵液進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)處理，即可改善其流體通過(guò)對(duì)發(fā)酵液進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)處理，即可改善其流體性能，降低濾餅比阻，提高過(guò)濾與分離的速率。性能，降低濾餅比阻，提高過(guò)濾與分離的速率。一、一、降低液體粘度降低液體粘度：加水稀釋法和加熱法：加水稀釋法

4、和加熱法二、二、調(diào)整調(diào)整pH：等電點(diǎn)沉淀法：等電點(diǎn)沉淀法三、三、凝聚與絮凝凝聚與絮凝四、四、加入助濾劑加入助濾劑：助濾劑是一種不可壓縮的多孔微粒，它：助濾劑是一種不可壓縮的多孔微粒，它能使濾餅疏松，濾速增大。如：硅藻土、纖維素、石棉能使濾餅疏松，濾速增大。如：硅藻土、纖維素、石棉粉、珍珠巖、白土、炭粒、淀粉等。粉、珍珠巖、白土、炭粒、淀粉等。五、五、加入反應(yīng)劑加入反應(yīng)劑：不影響目的產(chǎn)物，可消除發(fā)酵液中某些：不影響目的產(chǎn)物，可消除發(fā)酵液中某些雜質(zhì)對(duì)過(guò)濾的影響，提高過(guò)濾速率。雜質(zhì)對(duì)過(guò)濾的影響，提高過(guò)濾速率。5凝聚與絮凝凝聚與絮凝凝聚凝聚：指在電解質(zhì)作用下，由于膠粒之間雙電層電排斥作用降低，電位：指

5、在電解質(zhì)作用下，由于膠粒之間雙電層電排斥作用降低，電位下降，而使膠體體系不穩(wěn)定的現(xiàn)象。下降，而使膠體體系不穩(wěn)定的現(xiàn)象。 凝聚值凝聚值：使膠粒發(fā)生凝聚作用的最小電解質(zhì)濃度。反離子的價(jià)數(shù)越高，：使膠粒發(fā)生凝聚作用的最小電解質(zhì)濃度。反離子的價(jià)數(shù)越高，該值就越小，即凝聚能力越強(qiáng)。該值就越小，即凝聚能力越強(qiáng)。絮凝：絮凝：指在某些高分子絮凝劑存在下，基于橋架作用，使膠粒形成較大指在某些高分子絮凝劑存在下，基于橋架作用，使膠粒形成較大絮凝團(tuán)的過(guò)程。絮凝團(tuán)的過(guò)程。 絮凝劑：絮凝劑：是一種能溶于水的高分子聚合物，其相對(duì)分子質(zhì)量可高達(dá)數(shù)是一種能溶于水的高分子聚合物，其相對(duì)分子質(zhì)量可高達(dá)數(shù)萬(wàn)至一千萬(wàn)以上，它們具有長(zhǎng)

6、鏈狀結(jié)構(gòu)，其鏈節(jié)上含有許多活性官萬(wàn)至一千萬(wàn)以上，它們具有長(zhǎng)鏈狀結(jié)構(gòu)，其鏈節(jié)上含有許多活性官能團(tuán)，包括帶電荷的陰離子或陽(yáng)離子基團(tuán)以及不帶電荷的非離子型能團(tuán)，包括帶電荷的陰離子或陽(yáng)離子基團(tuán)以及不帶電荷的非離子型基團(tuán)?；鶊F(tuán)。 目前，最常用的絮凝劑是有機(jī)合成的聚丙烯酰胺。目前，最常用的絮凝劑是有機(jī)合成的聚丙烯酰胺。67第二節(jié)第二節(jié) 發(fā)酵液的相對(duì)純化發(fā)酵液的相對(duì)純化 發(fā)酵液中雜質(zhì)很多，其中有些雜質(zhì)不僅直接影響產(chǎn)發(fā)酵液中雜質(zhì)很多，其中有些雜質(zhì)不僅直接影響產(chǎn)品質(zhì)量和收得率，同時(shí)對(duì)后續(xù)提取和精制有很大影響。品質(zhì)量和收得率，同時(shí)對(duì)后續(xù)提取和精制有很大影響。一、一、高價(jià)無(wú)機(jī)離子的除去高價(jià)無(wú)機(jī)離子的除去 發(fā)酵液中主

7、要的無(wú)機(jī)離子有：發(fā)酵液中主要的無(wú)機(jī)離子有：Ca2+；Mg2+；Fe2+等。等。二、二、雜蛋白質(zhì)的除去雜蛋白質(zhì)的除去(1) 沉淀法沉淀法：蛋白質(zhì)是兩性物質(zhì)，在酸性溶液中，能與一些陰離子蛋白質(zhì)是兩性物質(zhì)，在酸性溶液中，能與一些陰離子（三氯乙酸鹽、水揚(yáng)酸鹽）形成沉淀；在堿性溶液中，能與一些陽(yáng)（三氯乙酸鹽、水揚(yáng)酸鹽）形成沉淀；在堿性溶液中，能與一些陽(yáng)離子（離子（Ag+、Cu2+、Zn2+、Fe3+等）形成沉淀。等）形成沉淀。(2) 變性法：變性法：使蛋白質(zhì)變性的方法很多，如：加熱，調(diào)節(jié)使蛋白質(zhì)變性的方法很多，如：加熱，調(diào)節(jié)PH，有機(jī)，有機(jī)溶劑，表面活性劑等。其中最常用的是加熱法。溶劑，表面活性劑等。其

8、中最常用的是加熱法。(3) 吸附法：吸附法：加入某些吸附劑或沉淀劑吸附雜蛋白質(zhì)而除去。加入某些吸附劑或沉淀劑吸附雜蛋白質(zhì)而除去。8第三節(jié)第三節(jié) 固液分離工程及設(shè)備固液分離工程及設(shè)備范圍范圍：培養(yǎng)基、發(fā)酵液、某些中間產(chǎn)品和半成品。：培養(yǎng)基、發(fā)酵液、某些中間產(chǎn)品和半成品。其中發(fā)酵液由于種類(lèi)多、粘度大和成分復(fù)雜，分其中發(fā)酵液由于種類(lèi)多、粘度大和成分復(fù)雜，分離最為困難。離最為困難。方法方法：分離篩、重力沉降、浮選分離、離心分離和：分離篩、重力沉降、浮選分離、離心分離和過(guò)濾等，其中用于發(fā)酵液固液分離的主要是離心過(guò)濾等，其中用于發(fā)酵液固液分離的主要是離心分離和過(guò)濾分離。分離和過(guò)濾分離。 一、一、離心分離離

9、心分離 二、二、過(guò)濾分離過(guò)濾分離9一、離心分離一、離心分離原理原理：利用轉(zhuǎn)鼓高速轉(zhuǎn)動(dòng)所產(chǎn)生的離心力來(lái)實(shí)：利用轉(zhuǎn)鼓高速轉(zhuǎn)動(dòng)所產(chǎn)生的離心力來(lái)實(shí)現(xiàn)懸浮液、乳濁液的分離或濃縮。現(xiàn)懸浮液、乳濁液的分離或濃縮。優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：分離速率快、分離效率高、液相澄清度好：分離速率快、分離效率高、液相澄清度好等。等。缺點(diǎn)缺點(diǎn)：設(shè)備投資高、能耗大。此外，連續(xù)排料時(shí)，：設(shè)備投資高、能耗大。此外，連續(xù)排料時(shí)，固相干度不如過(guò)濾設(shè)備。固相干度不如過(guò)濾設(shè)備。種類(lèi)種類(lèi)：多，按其作用原理不同，可分為過(guò)濾式離：多，按其作用原理不同，可分為過(guò)濾式離心機(jī)和沉降式離心機(jī)兩大類(lèi)。心機(jī)和沉降式離心機(jī)兩大類(lèi)。10 1碟片式離心機(jī)碟片式離心機(jī)11 2管

10、管式式離離心心機(jī)機(jī)123傾析式離心機(jī)傾析式離心機(jī)13二、過(guò)濾二、過(guò)濾原理原理：懸浮液通過(guò)過(guò)濾介質(zhì)時(shí)，固態(tài)顆粒與溶液分離。：懸浮液通過(guò)過(guò)濾介質(zhì)時(shí)，固態(tài)顆粒與溶液分離。 過(guò)濾操作可分為澄清過(guò)濾和濾餅過(guò)濾兩種。過(guò)濾操作可分為澄清過(guò)濾和濾餅過(guò)濾兩種。澄清過(guò)濾澄清過(guò)濾：所用的過(guò)濾介質(zhì)為硅藻土、砂、顆?；钚蕴俊ⅲ核玫倪^(guò)濾介質(zhì)為硅藻土、砂、顆?；钚蕴俊⒉Ａе?、塑料顆粒等，填充于過(guò)濾器內(nèi)即構(gòu)成過(guò)濾層；玻璃珠、塑料顆粒等，填充于過(guò)濾器內(nèi)即構(gòu)成過(guò)濾層；也有用燒結(jié)陶瓷、燒結(jié)金屬、粘合塑料及用金屬絲繞成也有用燒結(jié)陶瓷、燒結(jié)金屬、粘合塑料及用金屬絲繞成的管子等組成的成型顆粒濾層。的管子等組成的成型顆粒濾層。濾餅過(guò)濾濾

11、餅過(guò)濾：過(guò)濾介質(zhì)為濾布，包括天然或合成纖維織布、：過(guò)濾介質(zhì)為濾布，包括天然或合成纖維織布、金屬織布金屬織布;氈、石棉扳、玻璃纖維紙、合成纖維等無(wú)紡布。氈、石棉扳、玻璃纖維紙、合成纖維等無(wú)紡布。 濾餅過(guò)濾按推動(dòng)力的不同可以分為四種，即重力過(guò)濾、濾餅過(guò)濾按推動(dòng)力的不同可以分為四種，即重力過(guò)濾、加壓過(guò)濾、真空過(guò)濾和離心過(guò)濾。加壓過(guò)濾、真空過(guò)濾和離心過(guò)濾。141板框過(guò)濾機(jī)板框過(guò)濾機(jī)15162真真空空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)鼓鼓過(guò)過(guò)濾濾機(jī)機(jī)173硅藻土過(guò)濾機(jī)硅藻土過(guò)濾機(jī)硅藻土硅藻土：較純二氧化硅礦石?；瘜W(xué)性能穩(wěn)定，具有極大的吸附和滲透較純二氧化硅礦石。化學(xué)性能穩(wěn)定，具有極大的吸附和滲透能力，是良好的介質(zhì)和助濾劑。能力，是良

12、好的介質(zhì)和助濾劑。使用方法使用方法：(1)作為深層過(guò)濾介質(zhì)，以過(guò)濾含少量作為深層過(guò)濾介質(zhì)，以過(guò)濾含少量(01)懸浮固形物的液體。硅懸浮固形物的液體。硅藻土不規(guī)則粒子間形成許多曲折的毛細(xì)孔道，藉篩分和吸附作用除去藻土不規(guī)則粒子間形成許多曲折的毛細(xì)孔道，藉篩分和吸附作用除去懸浮液中的固體粒子。懸浮液中的固體粒子。(2)在支持介質(zhì)在支持介質(zhì)(濾布濾布)的表面上預(yù)涂硅藻土薄層的表面上預(yù)涂硅藻土薄層(預(yù)涂層預(yù)涂層)，以保護(hù)支持介，以保護(hù)支持介質(zhì)的毛細(xì)孔道在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)不被懸浮液中的固體粒子所堵塞，從而提質(zhì)的毛細(xì)孔道在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)不被懸浮液中的固體粒子所堵塞，從而提高和穩(wěn)定過(guò)濾速率。高和穩(wěn)定過(guò)濾速率。(3)將

13、適當(dāng)?shù)墓柙逋练稚⒃诖^(guò)濾的懸浮液中，使形成的濾餅具有多孔隙將適當(dāng)?shù)墓柙逋练稚⒃诖^(guò)濾的懸浮液中，使形成的濾餅具有多孔隙性，降低濾餅的可壓縮性，以提高過(guò)濾速率和延長(zhǎng)過(guò)濾操作的周期。性，降低濾餅的可壓縮性，以提高過(guò)濾速率和延長(zhǎng)過(guò)濾操作的周期。用量用量：預(yù)涂，預(yù)涂，500g/m2左右，左右，2-4mm厚；加入，厚；加入， 01左右。左右。18三、其他固液分離方法三、其他固液分離方法 1切向流過(guò)濾：切向流過(guò)濾：又稱(chēng)錯(cuò)流過(guò)濾、交叉過(guò)濾和十字流過(guò)濾，又稱(chēng)錯(cuò)流過(guò)濾、交叉過(guò)濾和十字流過(guò)濾，是一種維持恒壓下高速過(guò)濾的技術(shù)。其操作特點(diǎn)是使懸浮是一種維持恒壓下高速過(guò)濾的技術(shù)。其操作特點(diǎn)是使懸浮液在過(guò)濾介質(zhì)表面作切向流動(dòng)，利用流動(dòng)的剪切作用將過(guò)液在過(guò)濾介質(zhì)表面作切向流動(dòng)，利用流動(dòng)的剪切作用將過(guò)濾介質(zhì)表面的固體濾介質(zhì)表面的固體(濾餅濾餅)移走，過(guò)濾速率就近似恒定。移走，過(guò)濾速率就近似恒定。 (1)用泵循環(huán)使懸浮液流經(jīng)過(guò)濾介質(zhì)。用泵循環(huán)使懸浮液流經(jīng)過(guò)濾介質(zhì)。 (2)在過(guò)濾介質(zhì)表面加以攪拌造成流動(dòng)，產(chǎn)生切向流。在過(guò)濾介質(zhì)表面加以攪拌造成流動(dòng)，產(chǎn)生切向流。2雙水相萃取雙水相萃取3吸附法吸附法：優(yōu)點(diǎn)在于設(shè)備簡(jiǎn)單、能耗低，主要的問(wèn)題是很：優(yōu)點(diǎn)在于設(shè)備簡(jiǎn)單、能耗低，主要的問(wèn)題是很難選擇合適的吸附劑，以保證目的產(chǎn)物不