第三章發(fā)酵液的預(yù)處理與菌體的回收

1、1第三章第三章 發(fā)酵液的預(yù)處理發(fā)酵液的預(yù)處理和菌體的回收和菌體的回收2預(yù)處理和固液分離內(nèi)容固液分離固液分離發(fā)酵液發(fā)酵液胞外胞外上清液上清液/濾液濾液預(yù)處理預(yù)處理提取生化物質(zhì)的第一步，分兩部分：提取生化物質(zhì)的第一步，分兩部分：胞內(nèi)胞內(nèi)富集細胞富集細胞3發(fā)酵液成分很復(fù)雜，包含菌（細胞）體，胞內(nèi)外代發(fā)酵液成分很復(fù)雜，包含菌（細胞）體，胞內(nèi)外代謝產(chǎn)物，及剩余的培養(yǎng)基殘分等。謝產(chǎn)物，及剩余的培養(yǎng)基殘分等。不管人們所需要的產(chǎn)物是胞內(nèi)還是胞外，都首先要不管人們所需要的產(chǎn)物是胞內(nèi)還是胞外，都首先要進行培養(yǎng)液的預(yù)處理和固液分離開，才能進行后續(xù)進行培養(yǎng)液的預(yù)處理和固液分離開，才能進行后續(xù)操作：操作：對于胞外產(chǎn)物，

2、可先將菌體或其他懸浮雜質(zhì)去處，對于胞外產(chǎn)物，可先將菌體或其他懸浮雜質(zhì)去處，才能從澄清的濾液中提取代謝產(chǎn)物。才能從澄清的濾液中提取代謝產(chǎn)物。對于胞內(nèi)產(chǎn)物，首先富集菌體，再進行細胞破碎和對于胞內(nèi)產(chǎn)物，首先富集菌體，再進行細胞破碎和碎片分離，然后提取胞內(nèi)產(chǎn)物。碎片分離，然后提取胞內(nèi)產(chǎn)物。4主要內(nèi)容主要內(nèi)容懸浮液的基本特性懸浮液的預(yù)處理懸浮液分離過程和分類過濾法過濾的理論基礎(chǔ)過濾器的類型過濾器的選擇錯流過濾51 懸浮液的基本特性懸浮液的基本特性懸浮液 固體顆粒在10-5cm以上的固液分散體系生物細胞培養(yǎng)液 液相,大部分為水；固相,生物體細胞；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1-10%;

3、懸浮物顆粒小，細胞的相對密度與培養(yǎng)液相似懸浮物顆粒小，細胞的相對密度與培養(yǎng)液相似;可壓縮性可壓縮性;液相粘度大，大多為非牛頓型流體；液相粘度大，大多為非牛頓型流體；懸浮狀態(tài)穩(wěn)定：雙電層、水化膜、布朗運動懸浮狀態(tài)穩(wěn)定：雙電層、水化膜、布朗運動6為何要對發(fā)酵液進行預(yù)處理？固液分離方法主要是過濾和離心。固液分離方法主要是過濾和離心。對于細菌及某些放線菌，菌體細小，液體粘對于細菌及某些放線菌，菌體細小，液體粘度大，不能直接過濾度大，不能直接過濾;若用高速離心，能耗很若用高速離心，能耗很大，設(shè)備昂貴大，設(shè)備昂貴;若用膜分離技術(shù)若用膜分離技術(shù)(如微濾如微濾)易產(chǎn)易產(chǎn)生膜污染，通量降低。生膜污染，通量降低。

4、發(fā)酵液中由于菌體自溶，核酸、蛋白質(zhì)及其發(fā)酵液中由于菌體自溶，核酸、蛋白質(zhì)及其它有機粘性物質(zhì)的存在也會影響固液分離。它有機粘性物質(zhì)的存在也會影響固液分離。72 懸浮液的預(yù)處理懸浮液的預(yù)處理預(yù)處理的目的預(yù)處理的目的 促進從懸浮液中分離固形物的速度，提高固液分離的效率促進從懸浮液中分離固形物的速度，提高固液分離的效率改變發(fā)酵液的物理性質(zhì)，包括增大懸浮液中固體粒子的尺寸，改變發(fā)酵液的物理性質(zhì)，包括增大懸浮液中固體粒子的尺寸，降低液體黏度等；降低液體黏度等；盡可能使產(chǎn)物轉(zhuǎn)入便于后處理的某一相中（多數(shù)為液相）；盡可能使產(chǎn)物轉(zhuǎn)入便于后處理的某一相中（多數(shù)為液相）；相對純化，去除發(fā)酵液中部分雜質(zhì)（高價無機離子

5、和雜蛋白相對純化，去除發(fā)酵液中部分雜質(zhì)（高價無機離子和雜蛋白質(zhì)），質(zhì)）， 便于后續(xù)各部操作；便于后續(xù)各部操作；82. 懸浮液的預(yù)處理懸浮液的預(yù)處理 具體方法具體方法加熱法；調(diào)節(jié)懸浮液的pH值；凝聚和絮凝；使用惰性助濾劑；92.1 加熱法加熱法把懸浮液加熱到所需溫度并保溫適當(dāng)時間。把懸浮液加熱到所需溫度并保溫適當(dāng)時間。加熱是發(fā)酵液預(yù)處理最簡單最常用的方法，加熱是發(fā)酵液預(yù)處理最簡單最常用的方法，加熱能改善發(fā)酵液的操作特性，也可以進行加熱能改善發(fā)酵液的操作特性，也可以進行滅菌。滅菌。適用性：適用性：熱穩(wěn)定性的產(chǎn)物。熱穩(wěn)定性的產(chǎn)物。注意加熱溫度注意加熱溫度與時間，不影響產(chǎn)物活性和細胞的完整性。與時間，

6、不影響產(chǎn)物活性和細胞的完整性。102.1 加熱法加熱法1 1）加熱降低液體粘度）加熱降低液體粘度液體黏度是溫度的指數(shù)函數(shù)，升溫是降低黏液體黏度是溫度的指數(shù)函數(shù)，升溫是降低黏度的有效措施。流體力學(xué)原理過濾速率與液度的有效措施。流體力學(xué)原理過濾速率與液體的粘度成反比，降低液體粘度（加水稀釋體的粘度成反比，降低液體粘度（加水稀釋法和加熱法等）可有效提高過濾速率。法和加熱法等）可有效提高過濾速率。麥芽汁的黏度麥芽汁的黏度-溫度曲線。溫度曲線。112.1 加熱法加熱法2 2）加熱使蛋白質(zhì)變性凝固）加熱使蛋白質(zhì)變性凝固變性蛋白質(zhì)的溶解度小。如檸檬酸發(fā)酵液加變性蛋白質(zhì)的溶解度小。如檸檬酸發(fā)酵液加熱至熱至80

7、80以上，可使蛋白質(zhì)變性凝固，過濾以上，可使蛋白質(zhì)變性凝固，過濾速度加快。速度加快。122.2 調(diào)節(jié)懸浮液的調(diào)節(jié)懸浮液的pH值值pH值直接影響發(fā)酵液中某些物質(zhì)的電離度和電荷值直接影響發(fā)酵液中某些物質(zhì)的電離度和電荷性質(zhì)，適當(dāng)調(diào)節(jié)性質(zhì)，適當(dāng)調(diào)節(jié)pH值可改善其過濾特性。如利用值可改善其過濾特性。如利用酸堿性來調(diào)節(jié)酸堿性來調(diào)節(jié)pH值使蛋白質(zhì)等兩性物質(zhì)達到等電值使蛋白質(zhì)等兩性物質(zhì)達到等電點得以除去。點得以除去。又如過濾中，發(fā)酵液中的大分子物質(zhì)易與膜發(fā)生又如過濾中，發(fā)酵液中的大分子物質(zhì)易與膜發(fā)生吸附，通過調(diào)整吸附，通過調(diào)整pH值改變易吸附分子的電荷性質(zhì)，值改變易吸附分子的電荷性質(zhì)，即可減少堵塞和污染。即可

8、減少堵塞和污染。草酸、無機酸或堿草酸、無機酸或堿132.3 凝聚和絮凝凝聚和絮凝均為懸浮液預(yù)處理的重要方法，適用于菌體細小而且均為懸浮液預(yù)處理的重要方法，適用于菌體細小而且粘度大的發(fā)酵液的預(yù)處理。粘度大的發(fā)酵液的預(yù)處理。 。處理過程：是將化學(xué)藥劑預(yù)先投加到懸浮液中，改變處理過程：是將化學(xué)藥劑預(yù)先投加到懸浮液中，改變細胞、菌體和蛋白質(zhì)等膠體粒子的分散狀態(tài)，破壞其細胞、菌體和蛋白質(zhì)等膠體粒子的分散狀態(tài)，破壞其穩(wěn)定性，使它們聚集成可分離的絮凝體，再進行分離。穩(wěn)定性，使它們聚集成可分離的絮凝體，再進行分離。特點特點可使顆粒尺寸有效增加可使顆粒尺寸有效增加增大顆粒的沉降或浮選速率增大顆粒的沉降或浮選速率

9、提高濾餅的滲透性或在深床過濾時產(chǎn)生較好的顆粒保提高濾餅的滲透性或在深床過濾時產(chǎn)生較好的顆粒保留作用。留作用。142.3 凝聚和絮凝凝聚和絮凝 概念凝聚凝聚指在投加的化學(xué)物質(zhì)作用下，膠體脫穩(wěn)并使指在投加的化學(xué)物質(zhì)作用下，膠體脫穩(wěn)并使粒子相互聚集成粒子相互聚集成1mm大小塊狀凝聚體的過程。大小塊狀凝聚體的過程。絮凝絮凝指使用絮凝劑將膠體粒子交聯(lián)成網(wǎng)，形成指使用絮凝劑將膠體粒子交聯(lián)成網(wǎng)，形成10mm大小絮凝團的過程。大小絮凝團的過程。其中絮凝劑主要起架其中絮凝劑主要起架橋作用。橋作用。凝聚劑的作用機理凝聚劑的作用機理 初始粒子表面電荷的簡單中初始粒子表面電荷的簡單中和；消除雙電荷層而脫穩(wěn)；破壞水化膜

10、；通過氫和；消除雙電荷層而脫穩(wěn)；破壞水化膜；通過氫鍵或其它復(fù)雜的形式與粒子相結(jié)合而產(chǎn)生凝聚。鍵或其它復(fù)雜的形式與粒子相結(jié)合而產(chǎn)生凝聚。絮凝劑的作用機理絮凝劑的作用機理 架橋作用架橋作用 價格較昂貴價格較昂貴 15發(fā)酵液中菌體表面帶有發(fā)酵液中菌體表面帶有負電荷，由于靜電引力負電荷，由于靜電引力使溶液中反離子被吸附使溶液中反離子被吸附在其周圍，在界面上形在其周圍，在界面上形成了雙電層。成了雙電層。正離子同時受到使它們正離子同時受到使它們均勻分布的熱運動影響，均勻分布的熱運動影響，具有離開膠粒表面的趨具有離開膠粒表面的趨勢。勢。膠體雙電層結(jié)構(gòu)16高分子絮凝劑的吸附架橋作用 172.3 2.3 凝聚和

11、絮凝凝聚和絮凝常用凝聚劑常用凝聚劑 無機類電解質(zhì)無機類電解質(zhì) 多為陽離子型多為陽離子型無機鹽類無機鹽類 硫酸鋁、明礬、硫酸鐵和硫酸亞鐵、三氯化硫酸鋁、明礬、硫酸鐵和硫酸亞鐵、三氯化鐵、氯化鋅、硫酸鋅、硫酸鎂等鐵、氯化鋅、硫酸鋅、硫酸鎂等金屬氧化物類金屬氧化物類 氫氧化鋁、氫氧化鐵、氫氧化鈣或石灰氫氧化鋁、氫氧化鐵、氫氧化鈣或石灰等等聚合無機鹽類聚合無機鹽類 聚合鋁、聚合鐵等聚合鋁、聚合鐵等常用絮凝劑常用絮凝劑 聚丙烯酰胺經(jīng)不同改性可成為下述三種類型聚丙烯酰胺經(jīng)不同改性可成為下述三種類型之一；微生物絮凝劑之一；微生物絮凝劑陰離子型陰離子型 聚丙烯酸納、聚苯乙烯磺酸聚丙烯酸納、聚苯乙烯磺酸陽離子型

12、陽離子型 聚丙烯酸二烷基胺乙酯、聚二烯丙基四胺鹽聚丙烯酸二烷基胺乙酯、聚二烯丙基四胺鹽非離子型非離子型 聚氧化乙烯聚氧化乙烯182.4 使用惰性助濾劑使用惰性助濾劑惰性助濾劑惰性助濾劑是一種顆粒均勻、質(zhì)地堅硬、不可壓縮的粒狀物是一種顆粒均勻、質(zhì)地堅硬、不可壓縮的粒狀物質(zhì)，用于擴大過濾表面的適用范圍，使非常稀薄或非常細小質(zhì)，用于擴大過濾表面的適用范圍，使非常稀薄或非常細小的懸浮液在過濾時發(fā)生的快速擠壓和介質(zhì)堵塞現(xiàn)象得到減輕，的懸浮液在過濾時發(fā)生的快速擠壓和介質(zhì)堵塞現(xiàn)象得到減輕，易于過濾。易于過濾。在發(fā)酵液中加入固體助濾劑，則菌體可吸附于助濾劑微粒上，在發(fā)酵液中加入固體助濾劑，則菌體可吸附于助濾劑

13、微粒上，助濾劑就作為膠體粒子的載體，均勻地分布于濾餅層中，降助濾劑就作為膠體粒子的載體，均勻地分布于濾餅層中，降低了濾餅的可壓縮性，減小了過濾阻力。低了濾餅的可壓縮性，減小了過濾阻力。使用方法使用方法：在濾布上預(yù)涂一層助濾劑，作為過濾介質(zhì)使用，：在濾布上預(yù)涂一層助濾劑，作為過濾介質(zhì)使用，待濾畢后與濾餅一起除去；助濾劑按一定比例混入待濾的懸待濾畢后與濾餅一起除去；助濾劑按一定比例混入待濾的懸浮液中，然后一起進入過濾機，使其形成較松的濾餅，降低浮液中，然后一起進入過濾機，使其形成較松的濾餅，降低其可壓縮性，讓濾液可順暢通過。其可壓縮性，讓濾液可順暢通過。材料材料：如硅藻土、膨脹珍珠巖、石棉、纖維素

14、、未活化的碳、：如硅藻土、膨脹珍珠巖、石棉、纖維素、未活化的碳、爐渣、重質(zhì)碳酸鈣或這些材料的混合物。爐渣、重質(zhì)碳酸鈣或這些材料的混合物。192.5 雜蛋白的其它去除方法雜蛋白的其它去除方法 等電點沉淀變性吸附沉淀202.6 高價無機離子的去除方法高價無機離子的去除方法加酸 鈣離子 草酸 鎂離子 三聚磷酸鈉 鐵離子 黃血鹽213 懸浮液分離過程和分類懸浮液分離過程和分類22 3.1過濾法過濾法 (Filtration)過濾過濾是指以某種多孔物質(zhì)作為介質(zhì)，在外力是指以某種多孔物質(zhì)作為介質(zhì)，在外力(壓壓力差力差PP)的作用下，流體通過介質(zhì)的孔道，而使的作用下，流體通過介質(zhì)的孔道，而使固體顆粒被截留下

15、來，從而實現(xiàn)固體顆粒與流體固體顆粒被截留下來，從而實現(xiàn)固體顆粒與流體分離目的的操作。分離目的的操作。過濾可去除氣固體中的固體顆粒，也可去除液過濾可去除氣固體中的固體顆粒，也可去除液固體中的固體顆粒。固體中的固體顆粒。對于好的定形的晶體，這是一種最直接的步驟對于好的定形的晶體，這是一種最直接的步驟。23過 濾 filtration過濾介質(zhì)過濾介質(zhì)filter medium : 過濾采用的多孔物質(zhì)；過濾采用的多孔物質(zhì)； 濾漿濾漿filter pulp : 所處理的懸浮液；所處理的懸浮液； 濾液濾液filtrate : 通過多孔通道的液體；通過多孔通道的液體； 濾餅或濾渣濾餅或濾渣 filter c

16、ake:被截留的固體物質(zhì)。被截留的固體物質(zhì)。24工業(yè)過濾方式: 深層過濾、濾餅過濾 特點：特點：固體顆粒的沉積發(fā)生在較厚的粒狀過濾介質(zhì)內(nèi)部，過濾介質(zhì)表面上無顆粒層形成 。特點特點：固體顆粒呈餅層狀沉積于過濾介質(zhì)的上游一側(cè)，形成濾餅層 。適用適用：處理顆粒含量較高的懸浮液（0.1%）適用適用：懸浮液中顆粒尺寸甚小而且含量甚微的場合。(10)的懸浮液的分離，在發(fā)酵工業(yè)中廣泛用于霉菌、放線菌和酵母菌發(fā)酵液或細胞懸浮液的過濾分離。由于受推動力(真空度)的限制，真空轉(zhuǎn)鼓過濾機一般不適于菌體較小和粘度較大的細菌發(fā)酵液的過濾。此外，采用真空轉(zhuǎn)鼓過濾機過濾所得固相的干度不如加壓過濾。59圓盤真空過濾器圓盤真空

17、過濾器由槽體、過濾圓盤和分配頭組成；圓盤直徑大，更易實現(xiàn)大型化；60圓盤真空過濾器圓盤真空過濾器61硅藻土過濾機 diatomite filteru硅藻土中的硅藻有許多不同的形狀，由于硅藻土具硅藻土中的硅藻有許多不同的形狀，由于硅藻土具有細膩、松散、質(zhì)輕、多孔、吸水和滲透性強的特有細膩、松散、質(zhì)輕、多孔、吸水和滲透性強的特性，所以它是一種性能優(yōu)良的工業(yè)濾劑。性，所以它是一種性能優(yōu)良的工業(yè)濾劑。u硅藻土過濾是以硅藻土作為過濾介質(zhì)，它是一種預(yù)硅藻土過濾是以硅藻土作為過濾介質(zhì)，它是一種預(yù)涂型過濾器，預(yù)涂、過濾、反沖洗是硅藻土過濾的涂型過濾器，預(yù)涂、過濾、反沖洗是硅藻土過濾的一般工藝過程。一般工藝過程

18、。u在釀造、飲料、酒類和水處理等方面得到廣泛應(yīng)用。在釀造、飲料、酒類和水處理等方面得到廣泛應(yīng)用。目前，國內(nèi)主要用于酒類和飲料過濾目前，國內(nèi)主要用于酒類和飲料過濾 62硅藻63硅藻土過濾機硅藻土過濾機643.4錯流過濾錯流過濾又稱切向流過濾（又稱切向流過濾（Cross-Flow Filtration）傳統(tǒng)過濾時過濾液體垂直于過濾介質(zhì)，過濾傳統(tǒng)過濾時過濾液體垂直于過濾介質(zhì)，過濾阻力主要來之濾餅。錯流過濾打破了傳統(tǒng)過阻力主要來之濾餅。錯流過濾打破了傳統(tǒng)過濾的機制，即液體的流向和濾膜相切。濾的機制，即液體的流向和濾膜相切。在壓力推動下，在壓力推動下，懸浮液懸浮液以高速在管狀濾膜的以高速在管狀濾膜的內(nèi)壁

19、內(nèi)壁作切向流動作切向流動，利用流動的剪切作用將過利用流動的剪切作用將過濾介質(zhì)表面的固體（濾餅）移走，濾介質(zhì)表面的固體（濾餅）移走，而附著在而附著在濾膜上的濾餅很薄，因而能在長時間內(nèi)保持濾膜上的濾餅很薄，因而能在長時間內(nèi)保持穩(wěn)定不變的過濾速度穩(wěn)定不變的過濾速度65微濾過程示意圖微濾過程示意圖, ,料液快速經(jīng)過薄膜料液快速經(jīng)過薄膜, ,以減少形成濾餅以減少形成濾餅錯流過濾錯流過濾Cross-Flow Filtration66錯流過濾特點(收率高收率高 （97-98%97-98%）(質(zhì)量好質(zhì)量好(減少處理步聚減少處理步聚(染菌罐也能進行處理染菌罐也能進行處理(介質(zhì)阻力大介質(zhì)阻力大(不能得到干濾餅不能

20、得到干濾餅(需要大的膜面積需要大的膜面積(目前適用于小分子的分離目前適用于小分子的分離 67The end684 離心分離離心分離對于濃度較小，粒徑較大，硬度較強的不溶物，可以采用過對于濃度較小，粒徑較大，硬度較強的不溶物，可以采用過濾分離。濾分離。但當(dāng)固體顆粒細小而難以過濾時，發(fā)酵液不易被過濾純化，但當(dāng)固體顆粒細小而難以過濾時，發(fā)酵液不易被過濾純化，離心操作往顯得十分有效。離心操作往顯得十分有效。離心分離是基于固體顆粒和周圍液體密度存在差異，在離心離心分離是基于固體顆粒和周圍液體密度存在差異，在離心場中使不同密度的固體顆粒加速沉降的分離過程。場中使不同密度的固體顆粒加速沉降的分離過程。動植物

21、細胞的收集、細胞碎片和沉淀的分離等常用離心分離。動植物細胞的收集、細胞碎片和沉淀的分離等常用離心分離。69離心分離離心分離優(yōu)點：優(yōu)點：分離速度快，分離效率高、液相澄清度好；分離速度快，分離效率高、液相澄清度好；缺點：缺點：與過濾設(shè)備相比，設(shè)備投資高、能耗大、離心產(chǎn)生與過濾設(shè)備相比，設(shè)備投資高、能耗大、離心產(chǎn)生的固體濃縮物和過濾產(chǎn)生的濃縮不同。的固體濃縮物和過濾產(chǎn)生的濃縮不同。 通常情況下離心只能得到一種較為濃縮的懸浮液或通常情況下離心只能得到一種較為濃縮的懸浮液或漿體；而過濾可獲得的水分含量較低的濾餅。漿體；而過濾可獲得的水分含量較低的濾餅。70離心分離離心分離利用慣性離心力和物質(zhì)的沉降系數(shù)或

22、浮力密度的利用慣性離心力和物質(zhì)的沉降系數(shù)或浮力密度的不同而進行的分離、濃縮或提煉操作。不同而進行的分離、濃縮或提煉操作。分類分類離心沉降離心沉降 利用固液兩相的密度差，在離心機無孔轉(zhuǎn)鼓利用固液兩相的密度差，在離心機無孔轉(zhuǎn)鼓或管子中進行的懸浮液的分離；或管子中進行的懸浮液的分離；離心過濾離心過濾 利用離心力并通過過濾介質(zhì)，在有孔轉(zhuǎn)鼓離利用離心力并通過過濾介質(zhì)，在有孔轉(zhuǎn)鼓離心機中分離懸浮液的操作；心機中分離懸浮液的操作；離心分離和超離心離心分離和超離心 利用不同溶質(zhì)顆粒在液體中各部分利用不同溶質(zhì)顆粒在液體中各部分分布的差異，分離不同相對密度液體的操作。分布的差異，分離不同相對密度液體的操作。714

23、.1 原理原理u=d2/(18 )(s-) 2rd:粒子直徑； s和分別為粒子和流體的密度；：流體粘度；u：粒子的運動速度；CD：阻滯系數(shù)；A：粒子在運動方向的投影面積；CDf(Re) Re=du / Re1 CD=24/Re 1Re104 CD=24/Re +3/Re0.5+0.34對于生化溶質(zhì)，一般滿足Re1的要求。 ：流體粘度；u：粒子的運動速度；CD：阻滯系數(shù)；A：粒子在運動方向的投影面積；CDf(Re) Re=du / Re1 CD=24/Re 1Re104 CD=24/Re +3/Re0.5+0.34對于生化溶質(zhì)，一般滿足Re1的要求。72離心分離因數(shù)離心分離因數(shù) Fr = 2r/g；常速離心機常速離心機Fr 3000，中速離心