第十一章發(fā)酵工程上游技術(shù)發(fā)展及發(fā)酵液的預(yù)處理

1、主講(zhjing)：鮑成滿第十一章 發(fā)酵(f jio)工程下游技術(shù)發(fā)展及發(fā)酵液的預(yù)處理共七十四頁第一節(jié) 發(fā)酵工程下游(xiyu)技術(shù)發(fā)展第二節(jié) 發(fā)酵液預(yù)處理共七十四頁第一節(jié) 發(fā)酵工程下游技術(shù)(jsh)發(fā)展發(fā)酵工程(gngchng)下游技術(shù)領(lǐng)域發(fā)酵工程下游技術(shù)過程和發(fā)展動態(tài)發(fā)酵工程下游技術(shù)原理共七十四頁一、發(fā)酵工程下游(xiyu)技術(shù)領(lǐng)域 什么是發(fā)酵工程下游技術(shù)？是指從發(fā)酵液中分離、純化(chn hu)生物產(chǎn)品的過程。發(fā)酵工程下游技術(shù)的范疇包括:物質(zhì)分離和產(chǎn)品加工。共七十四頁從發(fā)酵液中可以獲得的產(chǎn)物發(fā)酵(f jio)產(chǎn)品特性發(fā)酵液組成特點發(fā)酵產(chǎn)物后處理過程的分離純化必須的注意事項共七十四頁1、

2、從發(fā)酵液中可以(ky)獲得的產(chǎn)物 從發(fā)酵液中獲得的產(chǎn)物可以是多種，如抗生素、核酸(h sun)、多肽、維生素等，分為如下三類：代謝產(chǎn)物菌體及胞內(nèi)產(chǎn)物酶共七十四頁2、發(fā)酵產(chǎn)品(chnpn)特性在發(fā)酵液或培養(yǎng)液中產(chǎn)物濃度很低含有產(chǎn)物的初始物料組成(z chn)復(fù)雜發(fā)酵產(chǎn)物多為生物活性物質(zhì)，穩(wěn)定性差，易失活共七十四頁發(fā)酵產(chǎn)品種類繁多，包括各種分子量和結(jié)構(gòu)的生物活性物質(zhì)許多產(chǎn)品(chnpn)作為醫(yī)藥、食品和生物試劑時要求較嚴(yán)格；共七十四頁3、發(fā)酵液組成(z chn)特點發(fā)酵液大部分是水發(fā)酵液中發(fā)酵產(chǎn)物濃度較低，一般低于10%發(fā)酵液中懸浮固形物主要含有菌體和蛋白質(zhì)膠體(jio t)，會影響分離過程共七十

3、四頁發(fā)酵液的培養(yǎng)基殘留還含有無機(jī)鹽、非蛋白質(zhì)大分子及降解產(chǎn)物均會影響分離過程發(fā)酵液中常有代謝副產(chǎn)物發(fā)酵液中含有色素、熱原質(zhì)等有機(jī)(yuj)雜質(zhì)，對提煉影響相當(dāng)大，必須除去共七十四頁4、發(fā)酵產(chǎn)物(chnw)后處理過程的分離純化必須的注意事項 條件溫和，必須保持產(chǎn)物(chnw)生理活性能夠達(dá)到要求的純度，要選擇合適的分離技術(shù)收率高，目的產(chǎn)物的量和活性必須有較高收率共七十四頁生產(chǎn)成本盡量降低工藝過程盡可能縮短和簡化分離快速，以提高生產(chǎn)能力生產(chǎn)中所產(chǎn)生廢物(fiw)盡可能少并能夠處理實驗過程能成功進(jìn)行放大。共七十四頁二、發(fā)酵工程下游技術(shù)過程(guchng)和發(fā)展動態(tài)發(fā)酵工程下游技術(shù)過程發(fā)酵工程下游技術(shù)

4、發(fā)展沿革下游技術(shù)新概念(ginin)、新技術(shù)、新產(chǎn)品和新裝備共七十四頁1、發(fā)酵工程下游(xiyu)技術(shù)過程發(fā)酵工程下游技術(shù)一般(ybn)工藝流程共七十四頁發(fā)酵液或培養(yǎng)液的預(yù)處理與固液分離：除去發(fā)酵液中菌體細(xì)胞和不溶性固體雜質(zhì)初步分離（產(chǎn)物提取(tq)）：除去與產(chǎn)物性質(zhì)差異較大的雜質(zhì)高度純化（產(chǎn)物精煉）：除去與產(chǎn)物物理化學(xué)性質(zhì)接近的雜質(zhì)成品加工：獲得最終產(chǎn)品共七十四頁2、發(fā)酵(f jio)工程下游技術(shù)發(fā)展沿革 利用下游技術(shù)可獲得的產(chǎn)品可分為直接獲得產(chǎn)物和間接獲得產(chǎn)物第一代生物技術(shù)：19世紀(jì)60年代-20世紀(jì)40年代，釀造(ningzo)產(chǎn)業(yè)，壓濾、蒸餾共七十四頁第二代生物技術(shù)：20世紀(jì)40年代，

5、二戰(zhàn)后，抗生素工業(yè)發(fā)展，大型好氧發(fā)酵裝置的開發(fā)和化工單元操作(cozu)引進(jìn)，釀造工業(yè)擴(kuò)展為發(fā)酵工業(yè)第三代生物技術(shù)：20世紀(jì)70年代以來，大量生物活性物質(zhì)作為產(chǎn)品出現(xiàn)。共七十四頁3、下游技術(shù)(jsh)新概念、新技術(shù)(jsh)、新產(chǎn)品和新裝備固液分離技術(shù)：絮凝、離心、過濾、微過濾細(xì)胞(xbo)破碎技術(shù)：球磨破碎、壓力釋放破碎、冷凍加壓釋放破碎和化學(xué)破碎初步分離純化技術(shù)：沉淀、離子交換、萃取、超濾等技術(shù)共七十四頁高度(god)分離純化技術(shù)：離子交換、脫色、結(jié)晶、重結(jié)晶、色譜技術(shù)其他新型分離技術(shù)：超臨界CO2萃取技術(shù)、納米濾技術(shù)、滲透蒸發(fā)技術(shù)、液膜技術(shù)等等新技術(shù)發(fā)展體現(xiàn)在那里共七十四頁新技術(shù)(jsh

6、)發(fā)展的體現(xiàn)傳統(tǒng)分離技術(shù)的提高和完善，集中在節(jié)能和提高效率；新技術(shù)的研究和開發(fā)；清潔生產(chǎn)，包括清潔生產(chǎn)工藝、清潔產(chǎn)品(chnpn)和清潔能源等。共七十四頁三、發(fā)酵(f jio)工程下游技術(shù)原理發(fā)酵工程下游技術(shù)的總體目標(biāo)是高產(chǎn)率和低成本。選擇(xunz)相應(yīng)下游技術(shù)時要考慮：產(chǎn)品規(guī)格、生產(chǎn)規(guī)模、發(fā)酵液組成和產(chǎn)品形式、產(chǎn)品性質(zhì)、下游工程產(chǎn)生的廢水以及操作方式。下游工程技術(shù)單元操作的原理和特點見P263，表11-1。共七十四頁第二節(jié) 發(fā)酵液的預(yù)處理共七十四頁預(yù)處理的目的是什么(shn me)？預(yù)處理有哪些方法？共七十四頁一、發(fā)酵液預(yù)處理的目的(md)改變發(fā)酵液的物理性質(zhì)，促進(jìn)從懸浮液中分離固形物的速

7、率，提高固液分離的效率盡可能使產(chǎn)物轉(zhuǎn)入便于后處理的某一相中除去(ch q)發(fā)酵液中部分雜質(zhì)，以利于后續(xù)各步操作共七十四頁二 發(fā)酵液預(yù)處理的方法(fngf)降低發(fā)酵液的濃度調(diào)節(jié)(tioji)pH值凝聚和絮凝使用助濾劑使用反應(yīng)劑共七十四頁1、降低(jingd)發(fā)酵液的黏度加水稀釋法：降低發(fā)酵液的黏度，但增加懸浮液的體積，加大后處理的工作量升溫加熱法：降低發(fā)酵液的黏度； 除去某些雜蛋白； 降低發(fā)酵液的體積； 破壞凝膠狀結(jié)構(gòu)； 注意(zh y)：產(chǎn)品的熱穩(wěn)定性。共七十四頁2、調(diào)整(tiozhng)溶液的pH值 全細(xì)胞的聚集作用高度依賴于pH值的高低。適當(dāng)調(diào)整(tiozhng)，則可以改善過濾性質(zhì)，促進(jìn)

8、凝集作用。一般調(diào)整用無機(jī)酸堿進(jìn)行調(diào)節(jié)，方法較簡單蛋白質(zhì)和氨基酸用等電點進(jìn)行提取共七十四頁3、凝聚(nngj)與絮凝 發(fā)酵液預(yù)處理的重要方法，其處理過程就是將化學(xué)藥劑預(yù)先投加到懸浮液中，改變細(xì)胞、菌體和蛋白質(zhì)等粒子的分散狀態(tài)，破壞其穩(wěn)定性，使它們(t men)聚集成可分離的絮凝體，再進(jìn)行分離。 共七十四頁 凝聚：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(jio t)體系不穩(wěn)定的現(xiàn)象。共七十四頁 電解質(zhì)的凝聚能力可用凝聚值表示，即使膠粒發(fā)生(fshng)凝聚作用的最小電解質(zhì)濃度（mmol/L）。 共七十四頁常用凝聚劑高價(o ji)陽離子凝聚能力的次序為：Al3+Fe3+

9、H+Ca2+Mg2+K+Na+Li+常用電解質(zhì)：Al2(SO4)318H2O、AlCl36H2O、FeCl3、ZnSO4、MgSO4共七十四頁絮 凝絮凝：在某些(mu xi)高分子絮凝劑存在下，使膠體粒子交聯(lián)成網(wǎng)，形成較大絮凝團(tuán)的過程。絮凝劑：是一種能溶于水的高分子聚合物，其相對分子質(zhì)量高達(dá)數(shù)萬至千萬，具有長鏈結(jié)構(gòu)，含有活性官能團(tuán)，通過靜電引力、范德華力等作用力強(qiáng)烈(qin li)的吸附在膠粒表面。共七十四頁高分子絮凝劑的作用(zuyng)機(jī)理共七十四頁常用(chn yn)絮凝劑：人工高分子聚合物：聚丙烯酰胺、聚苯乙烯，聚乙稀亞胺的衍生物無機(jī)高分子聚合物：聚合鋁鹽、聚合鐵鹽天然有機(jī)高分子絮凝劑

10、：殼聚糖、葡聚糖、明膠、骨膠微生物絮凝劑：糖蛋白，粘多糖，纖維素，核酸共七十四頁聚丙烯酰胺絮凝劑共七十四頁 絮凝效果與絮凝劑的類型、劑量、溶液(rngy)pH、攪拌速度、處理時間等有關(guān)。 圖1 絮凝劑添加(tin ji)量對絮凝液濾速的影響共七十四頁混 凝 將凝集和絮凝機(jī)理混合使用的方法，叫做混凝，適用于帶電荷的菌體或蛋白質(zhì)。 混凝的使用一般會先加入(jir)電解質(zhì)，之后再加入(jir)絮凝劑，達(dá)到凝集和絮凝的雙重效果。共七十四頁4、加入(jir)助濾劑 惰性助濾劑：一種顆粒均勻、質(zhì)地堅硬、不可壓縮(y su)的多孔微粒，能使濾餅疏松，濾速增大，提高過濾能力和生產(chǎn)效率，改善濾液澄清度，降低過濾

11、成本。共七十四頁硅藻土石棉(shmin)常用助濾劑：硅藻土、纖維素、石棉粉、珍珠巖、白土(bi t)、碳粒、淀粉等。共七十四頁助濾劑的使用方法： 在過濾(gul)介質(zhì)表面預(yù)涂助濾劑或者直接加入發(fā)酵液中共七十四頁5、加入(jir)反應(yīng)劑 加入某些不影響(yngxing)目的產(chǎn)物的反應(yīng)劑，可以消除發(fā)酵液中的某些雜質(zhì)對過濾的影響(yngxing)，從而提高過濾速率。 加入反應(yīng)劑可以產(chǎn)生不溶性沉淀，防止菌體黏結(jié)，改善過濾性質(zhì)。共七十四頁三、發(fā)酵液的相對(xingdu)純化雜蛋白的其他去除方法變性沉淀熱變性：適于熱穩(wěn)定物質(zhì)大幅度調(diào)整pH：根據(jù)產(chǎn)物特性反向(fn xin)調(diào)節(jié)，加有機(jī)溶劑等電點沉淀共七十四

12、頁化合法沉淀 在酸性(sun xn)溶液中，蛋白質(zhì)與陰離子形成沉淀，如：三氯乙酸，水楊酸鹽，鎢酸鹽，苦味酸鹽，鞣酸鹽，過氯酸鹽等 在堿性溶液中，與陽離子形成沉淀，如：Ag+，Cu2+，Zn2+，F(xiàn)e3+，Pb2+等共七十四頁高價無機(jī)離子(lz)的去除Ga2+：加入草酸和草酸鹽，生成(shn chn)草酸鈣；加入磷酸鹽，生成(shn chn)磷酸鈣Mg2+：加入草酸；加入磷酸鹽，生成磷酸鎂；三聚磷酸鈉（Na5P3O10），生成可溶性絡(luò)合物Fe3+：加入黃血鹽，生成普魯士蘭沉淀共七十四頁四、固液分離(fnl)工程及設(shè)備共七十四頁過濾法離心法切向流過濾法共七十四頁1、過濾法 在某一支撐物上放過濾介質(zhì)

13、，注入含固體顆粒(kl)的溶液，使液體通過，固體顆粒(kl)留下。共七十四頁過濾介質(zhì)(jizh)的種類無定形顆粒：活性炭、砂和無煙煤等；形成顆粒：燒結(jié)金屬、燒結(jié)塑料、合成樹脂等；非金屬織布棉、化纖、玻璃纖維紙品等；金屬織布無紡布、石棉(shmin)、合成纖維等。共七十四頁圖2 過濾介質(zhì)的清除(qngch)能力（以去除最小顆粒直徑表示）共七十四頁 一般過濾設(shè)備分類：重力過濾、加壓過濾、真空(zhnkng)過濾和離心過濾過濾(gul)設(shè)備共七十四頁 圖3 水平圓盤過濾器1分配頭 2螺旋輸送(sh sn)器 3過濾盤圖4 水平回轉(zhuǎn)翻盤(fn pn)式真空過濾器共七十四頁板框式壓濾機(jī)真空(zhnkng

14、)轉(zhuǎn)鼓過濾機(jī)硅藻土過濾機(jī)過濾機(jī)類別(libi)共七十四頁板框式壓濾機(jī)適用范圍：霉菌、放線菌、酵母菌等多種發(fā)酵液的固液分離；優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、價格低廉、耐受力強(qiáng)、動力(dngl)消耗少；缺點：設(shè)備笨重、勞動強(qiáng)度大、間歇操作、生產(chǎn)效率低。共七十四頁 板框過濾機(jī)共七十四頁真空(zhnkng)轉(zhuǎn)鼓過濾機(jī)工作原理：負(fù)壓(f y)工作。過濾面是一個很低轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)、開有許多小孔或篩板組成的圓筒，外附金屬網(wǎng)等過濾介質(zhì)，轉(zhuǎn)鼓形成真空，濾液則可通過過濾機(jī)，完成過濾。優(yōu)點：能連續(xù)操作、能實現(xiàn)自動化控制；缺點：壓力過??；適用范圍：霉菌發(fā)酵液的過濾共七十四頁共七十四頁 真空(zhnkng)轉(zhuǎn)鼓過濾機(jī)共七十四頁硅藻

15、土過濾機(jī)優(yōu)點：即是過濾介質(zhì)，又是助濾劑，形成(xngchng)濾餅空隙大，具有不可壓縮性；使用方法：作為深層過濾介質(zhì)過濾懸浮液、在撓性和剛性支持性介質(zhì)表面預(yù)涂或分散到過濾液中。共七十四頁自動反沖洗過濾機(jī) 過濾過程反沖過程2、切向流過濾法 切向流過濾：也叫錯流過濾、交叉過濾、十字過濾等，是指料液的流動(lidng)方向與濾餅基本垂直。共七十四頁濾餅(l bn)傳統(tǒng)(chuntng)的過濾Conventional filtration共七十四頁操作方法：懸浮液在過濾介質(zhì)表面做切向流動，利用流動的剪切力將過濾介質(zhì)表面的固體移走。代表(dibio)方式：用泵循環(huán)使懸浮液流經(jīng)過濾介質(zhì)、在過濾介質(zhì)表面攪拌

16、造成流動產(chǎn)生切向流。共七十四頁共七十四頁 現(xiàn)代的膜分離過程主要采用這種過濾(gul)方式，如微濾和超濾。圖8 微濾過程示意圖，料液快速經(jīng)過(jnggu)薄膜，以減少形成濾餅共七十四頁錯流過濾(gul)與傳統(tǒng)過濾(gul)的主要差別：過濾介質(zhì)多孔的高分子或無機(jī)材質(zhì)薄膜；需用泵循環(huán)懸浮液，周期性的放料，且無干濾餅；過濾器的幾何形狀不同。共七十四頁錯流過濾的優(yōu)點： 過濾收率高； 濾液質(zhì)量好； 減少處理(chl)步驟； 對染菌罐批易于處理也易進(jìn)行擴(kuò)大生產(chǎn)。共七十四頁3、離心法 基于固體顆粒和液體密度存在差異，在離心(lxn)場中使不同密度的固體顆粒加速沉降的分離過程。 離心只能獲得一種較為濃縮的懸浮液或漿體。共七十四頁碟片式離心機(jī) 是傳統(tǒng)離心機(jī)，為目前工業(yè)(gngy)上應(yīng)用最廣泛的離心機(jī)。分離因數(shù)可達(dá)1000-20000，最大處理量達(dá)到300m3/h，常用于大規(guī)模的分離過程。適用范圍 細(xì)菌、酵母菌、放線菌、細(xì)胞碎片共七十四頁共七十四頁共七十四頁 管式