發(fā)酵液的預(yù)處理和固液分離課件

02發(fā)酵液的預(yù)處理和固液分離02發(fā)酵液的預(yù)處理和固液分離02發(fā)酵液的預(yù)處理和固液分離第二章

發(fā)酵液的預(yù)處理和固液分離2生物技術(shù)下游加工過(guò)程的一般步驟302發(fā)酵液的預(yù)處理和固液分離02發(fā)酵液的預(yù)處理和固液分離02發(fā)酵液的預(yù)處理和固液分離課件發(fā)酵液的預(yù)處理和固液分離課件發(fā)酵液的預(yù)處理和固液分離課件發(fā)酵液的預(yù)處理和固液分離課件2.1發(fā)酵液的預(yù)處理（Pretreatment）62.1發(fā)酵液的預(yù)處理（Pretreatment）6為何要對(duì)發(fā)酵液進(jìn)行預(yù)處理？發(fā)酵液的基本特性發(fā)酵產(chǎn)物濃度較低，大多為1-10%，懸浮物顆粒小，細(xì)胞的相對(duì)密度與培養(yǎng)液相似。可壓縮性液相粘度大，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(yùn)動(dòng)7為何要對(duì)發(fā)酵液進(jìn)行預(yù)處理？發(fā)酵液的基本特性7為何要對(duì)發(fā)酵液進(jìn)行預(yù)處理？固液分離方法主要是過(guò)濾和離心。對(duì)于細(xì)菌及某些放線菌，菌體細(xì)小，液體粘度大，不能直接過(guò)濾，若用高速離心，能耗很大，設(shè)備昂貴。若用膜分離技術(shù)（如微濾）易產(chǎn)生膜污染，通量降低。發(fā)酵液中由于菌體自溶，核酸、蛋白質(zhì)及其它有機(jī)粘性物質(zhì)的存在也會(huì)影響固液分離。因而尋找一種經(jīng)濟(jì)有效的方法來(lái)提高固液分離速度顯得十分必要。預(yù)處理是生化物質(zhì)分離純化過(guò)程中必不可少的首要步驟8為何要對(duì)發(fā)酵液進(jìn)行預(yù)處理？固液分離方法主要是過(guò)濾和離心。8預(yù)處理的目的促進(jìn)從懸浮液中分離固形物的速度，提高固液分離的效率：⑴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。⑵相對(duì)純化，去除發(fā)酵液中的部分雜質(zhì)（高價(jià)無(wú)機(jī)離子、雜蛋白質(zhì)、及色素、熱原質(zhì)、毒性物質(zhì)等有機(jī)物質(zhì)），以利于后續(xù)各步操作。⑶盡可能使產(chǎn)物轉(zhuǎn)入便于后處理的一相中（多數(shù)是液相）；

9預(yù)處理的目的促進(jìn)從懸浮液中分離固形物的速度，提高固液分離的效預(yù)處理的方法凝聚和絮凝Coagulationandflocculation

加熱法Heating調(diào)節(jié)懸浮液的pH值RegulationofpH雜蛋白的去處Removalofuselessprotein高價(jià)無(wú)機(jī)離子的去處Removalofinorganicion助濾劑Filteraids和反應(yīng)劑Reactant

10預(yù)處理的方法凝聚和絮凝Coagulationandfl一凝聚和絮凝在發(fā)酵液預(yù)處理中的應(yīng)用凝聚與絮凝處理過(guò)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)等膠體粒子的分散狀態(tài)，破壞其穩(wěn)定性，使其聚集起來(lái),增大體積以便固液分離。凝聚和絮凝技術(shù)常用于菌體細(xì)小而且黏度大的發(fā)酵液的預(yù)處理中。11一凝聚和絮凝在發(fā)酵液預(yù)處理中的應(yīng)用凝聚與絮凝處理過(guò)程就是將凝聚和絮凝是兩種方法，兩個(gè)概念。凝聚：指在投加的化學(xué)物質(zhì)（鋁、鐵的鹽類(lèi)）作用下，膠體脫穩(wěn)并使粒子相互聚集成１mm大小塊狀凝聚體的過(guò)程。絮凝：指使用絮凝劑（天然的和合成的大分子量聚電解質(zhì)）將膠體粒子交聯(lián)成網(wǎng)，形成10mm大小絮凝團(tuán)的過(guò)程。其中絮凝劑主要起架橋作用。凝聚和絮凝12凝聚和絮凝是兩種方法，兩個(gè)概念。凝聚和絮凝12凝聚：膠體粒子在中性鹽促進(jìn)下脫穩(wěn)相互聚集成大粒子（1mm）

機(jī)理：

1）中和粒子表面電荷

2）消除雙電層結(jié)構(gòu)3）破壞水化膜

（一）凝聚Coagulation13凝聚：膠體粒子在中性鹽促進(jìn)下脫穩(wěn)相互聚集成大粒子（1mm）（發(fā)酵液中菌體表面帶有負(fù)電荷，由于靜電引力使溶液中反離子被吸附在其周?chē)?，在界面上形成了雙電層。正離子同時(shí)受到使它們均勻分布的熱運(yùn)動(dòng)影響，具有離開(kāi)膠粒表面的趨勢(shì)。膠體雙電層結(jié)構(gòu)14發(fā)酵液中菌體表面帶有負(fù)電荷，由于靜電引力使溶液中反離子被吸附兩種相反作用力下，雙電層分裂成兩部：1）吸附層或stern層；2）擴(kuò)散層。形成了擴(kuò)散雙電層的結(jié)構(gòu)模型(Gouy-Chapman-Sternmodel)。膠體雙電層結(jié)構(gòu)15兩種相反作用力下，雙電層分裂成兩部：膠體雙電層結(jié)構(gòu)15吸附層：距膠核表面約一個(gè)離子半徑的Stern平面以?xún)?nèi)，正離子被緊密結(jié)合在膠核表面，不流動(dòng)。分散層：緊密層外圍反離子濃度逐漸降低直至達(dá)到主體溶液的平均濃度。滑移面：當(dāng)膠體粒子在溶液中作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，總有一薄層液體，隨著它一起滑移，這一薄層，厚度比吸附層稍大。16吸附層：距膠核表面約一個(gè)離子半徑的Stern平面以?xún)?nèi)，正離子膠體雙電層結(jié)構(gòu)不同界面上形成不同的電位:膠核表面的電位φs是整個(gè)雙電層的電位;Stern平面上的電位為φd;滑移面上的電位為ζ,稱(chēng)ζ電位（電動(dòng)電位）。圖2-117膠體雙電層結(jié)構(gòu)不同界面上形成不同的電位:圖2-117ζ電位是控制膠粒間電排斥作用的電位，用來(lái)表征雙電層的特征，并作為研究凝聚機(jī)理的重要參數(shù)。帶電粒子間的靜電相互作用取決于ζ電位的大小。當(dāng)雙電層的ζ電位足夠大時(shí)，靜電排斥作用抵御分子間的相互吸引作用，使蛋白質(zhì)溶液處于穩(wěn)定狀態(tài)。18ζ電位是控制膠粒間電排斥作用的電位，用來(lái)表征雙電層的特征，并ζ電位的計(jì)算：D—水的介電常數(shù)；q—膠體的電動(dòng)電荷密度，即滑移面上的電荷密度；

δ—擴(kuò)散層的有效厚度，即為吸附層和擴(kuò)散層界面處電位φd降低到其值為1/e處的距離，不能直接測(cè)定.式2-119ζ電位的計(jì)算：D—水的介電常數(shù)；式2-119δ—擴(kuò)散層的有效厚度式中N—阿伏伽德羅常數(shù)；T—熱力學(xué)溫度：k—波爾茲曼常數(shù)；e—電子電荷；Zi—i種反離子的化合價(jià)；Ci—i種離子的摩爾濃度。式2-220δ—擴(kuò)散層的有效厚度式中N—阿伏伽德羅常數(shù)；式雙電層與凝聚由式（2－1）和式（2－2）可知，ζ電位與擴(kuò)散層厚度δ和電動(dòng)電荷密度q成正比，而擴(kuò)散層厚度又與溶液中反離子強(qiáng)度和電荷成反比。對(duì)帶負(fù)電性菌體的發(fā)酵液，高價(jià)陽(yáng)離子的存在，可壓縮擴(kuò)散層的厚度，促使ζ電位迅速降低，而且化合價(jià)越高，這種影響越顯著。21雙電層與凝聚由式（2－1）和式（2－2）可知，ζ電位與擴(kuò)散層凝聚價(jià)或凝聚值在發(fā)酵液中加入具有高價(jià)陽(yáng)離子的電解質(zhì)，能脫除膠粒表面的水化膜，降低ζ電位，使雙電層的排斥力減少，當(dāng)不足以抗衡膠粒間的范德華引力時(shí)，由于熱運(yùn)動(dòng)的結(jié)果導(dǎo)致膠粒的互相碰撞而聚集起來(lái)。電解質(zhì)的凝聚能力可用凝聚價(jià)或凝聚值來(lái)表示，使膠粒發(fā)生凝聚作用的最小電解質(zhì)濃度（毫摩爾／升），稱(chēng)為凝聚價(jià)或凝聚值。22凝聚價(jià)或凝聚值在發(fā)酵液中加入具有高價(jià)陽(yáng)離子的電解質(zhì)，能脫除Schulze－Hardy法則：反離子的價(jià)數(shù)越高，凝聚價(jià)越小，即凝聚能力越強(qiáng)。陽(yáng)離子對(duì)帶負(fù)電荷的膠粒凝聚能力受化合價(jià)、水化半徑、離子運(yùn)動(dòng)能力的影響，次序?yàn)锳l3+>Fe3+>H+>Ca2+>Mg2+>K+>Na+>Li+23Schulze－Hardy法則：反離子的價(jià)數(shù)越高，凝聚價(jià)越小常用的凝聚劑電解質(zhì)有：硫酸鋁Al2(SO4)3?18H2O（明礬）；氯化鋁AlCl3?6H2O;三氯化鐵FeCl3;硫酸亞鐵FeSO4·7H2O；石灰；ZnSO4；MgCO324常用的凝聚劑電解質(zhì)有：硫酸鋁Al2(SO4)3?18H2O絮凝：大分子聚電解質(zhì)將膠體粒子交聯(lián)成網(wǎng)狀，形成絮凝團(tuán)的過(guò)程

機(jī)理：架橋作用

采用絮凝法可形成粗大的絮凝體，使發(fā)酵液較易分離。（二）絮凝flocculation25絮凝：大分子聚電解質(zhì)將膠體粒子交聯(lián)成網(wǎng)狀，形成絮凝團(tuán)的過(guò)程

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)萬(wàn)至一千萬(wàn)以上，長(zhǎng)鏈狀結(jié)構(gòu)，其鏈節(jié)上含有許多活性官能團(tuán)，包括離子基團(tuán)以及非離子型基團(tuán)。它們通過(guò)靜電引力、范德華引力或氫鍵的作用，強(qiáng)烈地吸附在膠粒的表面。當(dāng)一個(gè)高分子聚合物的許多鏈節(jié)分別吸附在不同的膠粒表面上，產(chǎn)生架橋聯(lián)結(jié)時(shí)，就形成較大絮團(tuán)，產(chǎn)生絮凝作用。

絮凝26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)萬(wàn)高分子絮凝劑的吸附架橋作用27高分子絮凝劑的吸附架橋作用27可分為四類(lèi)：人工合成有機(jī)高分子聚合物、天然有機(jī)高分子聚合物、無(wú)機(jī)高分子聚合物、微生物絮凝劑1）目前常用的是人工合成有機(jī)高分子聚合物，如聚丙烯酰胺類(lèi)衍生物、聚乙烯亞胺衍生物；聚丙烯酸類(lèi)和聚苯乙烯類(lèi)衍生物。工業(yè)上使用的絮凝劑28可分為四類(lèi)：人工合成有機(jī)高分子聚合物、天然有機(jī)高分子聚合物、高分子聚合物絮凝劑根據(jù)活性基團(tuán)在水中解離情況不同，可分為三類(lèi)：陰離子型（含有羧基)、陽(yáng)離子型（含有胺基）、非離子型29高分子聚合物絮凝劑根據(jù)活性基團(tuán)在水中解離情況不同，可聚丙烯酰胺類(lèi)絮凝劑的優(yōu)點(diǎn)用量少，一般以mg/L計(jì)量；絮凝體粗大，分離效果好；絮凝速度快；種類(lèi)多，適用范圍廣。聚丙烯酰胺類(lèi)絮凝劑的缺點(diǎn)：存在一定的毒性，特別是陽(yáng)離子型聚丙烯酰胺，用于食品和醫(yī)藥工業(yè)時(shí)應(yīng)謹(jǐn)慎。目前最常見(jiàn)：聚丙烯酰胺類(lèi)絮凝劑30聚丙烯酰胺類(lèi)絮凝劑的優(yōu)點(diǎn)聚丙烯酰胺類(lèi)絮凝劑的缺點(diǎn)：目前最常見(jiàn)2）天然有機(jī)高分子絮凝劑人工合成有機(jī)高分子絮凝劑雖然發(fā)展很快，但還存在著殘留單體有毒，生物降解難等問(wèn)題，所以其應(yīng)用受到了限制。天然有機(jī)高分子絮凝劑具有無(wú)毒，易生物降解，原料來(lái)源廣等優(yōu)點(diǎn)。天然有機(jī)高分子改性絮凝劑根據(jù)其原料來(lái)源不同可分為淀粉類(lèi)、纖維素類(lèi)、植物膠類(lèi)和聚多糖類(lèi)。其中淀粉改性絮凝劑的研究開(kāi)發(fā)最引人注目。312）天然有機(jī)高分子絮凝劑人工合成有機(jī)高分子絮凝劑雖然發(fā)展很快3）無(wú)機(jī)高分子聚合物有聚合鐵系和鋁系兩大類(lèi)鐵系絮凝劑具有操作簡(jiǎn)單、費(fèi)用低，受溫度影響小，親和力強(qiáng)，能有效地去除懸浮物、表面活性劑、破壞油水乳狀液的能力很強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)腐蝕性強(qiáng)、穩(wěn)定性差。鋁系是目前應(yīng)用廣、工藝較成熟的一類(lèi)無(wú)機(jī)金屬鹽絮凝劑，絮凝效果好，缺點(diǎn)具毒性等。323）無(wú)機(jī)高分子聚合物有聚合鐵系和鋁系兩大類(lèi)32微生物絮凝劑微生物絮凝劑是近年來(lái)研究和開(kāi)發(fā)的新型絮凝劑，一類(lèi)由微生物或其分泌物產(chǎn)生的具有絮凝細(xì)胞功能的代謝產(chǎn)物。包括直接利用微生物細(xì)胞的絮凝劑、利用微生物細(xì)胞壁代謝產(chǎn)物的絮凝劑和克隆技術(shù)所獲得的絮凝劑主要成分是糖蛋白、粘多糖、纖維素及核酸等高分子物質(zhì)。微生物絮凝劑和天然絮凝劑與化學(xué)合成的絮凝劑相比，最大的優(yōu)點(diǎn)是安全，無(wú)毒和不污染環(huán)境。33微生物絮凝劑微生物絮凝劑是近年來(lái)研究和開(kāi)發(fā)的新型絮凝劑，33微生物絮凝劑1、微生物絮凝劑的商業(yè)化生產(chǎn)始于20世紀(jì)90年代，如紅平紅球菌及由此制成的NOC-1是目前發(fā)現(xiàn)的最佳微生物絮凝劑

2、微生物絮凝劑或?qū)⒋蟛糠痔娲胀ㄐ跄齽?、浮游藻類(lèi)、草分枝桿茵、硅酸鹽芽孢桿菌。34微生物絮凝劑1、微生物絮凝劑的商業(yè)化生產(chǎn)始于20世紀(jì)90年代絮凝的影響因素發(fā)酵液的性質(zhì)（細(xì)胞濃度，表面電荷）；絮凝劑的濃度，最佳用量為粒子表面積約有一半被聚合物覆蓋；絮凝劑的分子量；pH控制；攪拌速度。35絮凝的影響因素發(fā)酵液的性質(zhì)（細(xì)胞濃度，表面電荷）；35

a.絮凝劑濃度

濃度增加有助于架橋充分，但是過(guò)多的加量會(huì)引起吸附飽和，在膠粒上形成覆蓋層而產(chǎn)生再次穩(wěn)定現(xiàn)象。最佳用量為粒子表面積約有一半被聚合物覆蓋；36

a.絮凝劑濃度36

分子量提高、鏈增長(zhǎng)，可使架橋效果明顯；但分子量不能超過(guò)一定的限度，因?yàn)殡S分子量提高，高分子絮凝劑的水溶性降低，因此，分子量的選擇應(yīng)適當(dāng)。b.高分子絮凝劑分子量37

分子量提高、鏈增長(zhǎng)，可使架橋效果明顯；b.高分子絮凝劑分子

溶液pH的變化會(huì)影響絮凝劑功能團(tuán)的電離度，從而影響分子鏈的伸展形態(tài)。電離度增大，鏈節(jié)上相鄰離子基團(tuán)間的電排斥作用，使分子鏈從卷曲狀態(tài)變?yōu)樯煺範(fàn)顟B(tài)，架橋能力提高。c.溶液pH38

溶液pH的變化會(huì)影響絮凝劑功能團(tuán)的電離度，從而影響分子鏈的對(duì)于帶負(fù)電荷的菌體或蛋白質(zhì)來(lái)說(shuō)，采用陽(yáng)離子型高分子絮凝劑同時(shí)具有降低膠粒雙電層電位和產(chǎn)生吸附橋架的雙重機(jī)理，單獨(dú)使用可達(dá)到較好絮凝效果；對(duì)于非離子型和陰離子型高分子絮凝劑，要采用凝聚和絮凝雙重機(jī)理才能提高過(guò)濾效果。這種包括凝聚和絮凝機(jī)理的過(guò)程，稱(chēng)為混凝。（三）混凝39對(duì)于帶負(fù)電荷的菌體或蛋白質(zhì)來(lái)說(shuō)，采用陽(yáng)離子型高分子絮凝劑同時(shí)二預(yù)處理-加熱1）加熱降低液體粘度流體力學(xué)原理：過(guò)濾速率與液體的粘度成反比，降低液體粘度（加水稀釋法和加熱法等）可有效提高過(guò)濾速率。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。加熱是發(fā)酵液預(yù)處理最簡(jiǎn)單最常用的方法。加熱能改善發(fā)酵液的操作特性。麥芽汁的黏度-溫度曲線。40二預(yù)處理-加熱1）加熱降低液體粘度加熱是發(fā)酵液預(yù)處理最簡(jiǎn)單二預(yù)處理-加熱2）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)酵液加熱至80℃以上，可使蛋白質(zhì)變性凝固，過(guò)濾速度加快。加熱處理只適用于對(duì)熱較穩(wěn)定的液體。注意加熱溫度與時(shí)間，不影響產(chǎn)物活性和細(xì)胞的完整性。有時(shí)加熱會(huì)增加發(fā)酵液的顏色增加后處理的難度。

41二預(yù)處理-加熱2）加熱使蛋白質(zhì)變性凝固41三預(yù)處理-調(diào)節(jié)pHpH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)pH值可改善其過(guò)濾特性。細(xì)胞(碎片)及某些膠體物質(zhì)在某個(gè)pH值下也可能趨于絮凝而成為較大顆粒，有利于過(guò)濾的進(jìn)行。調(diào)節(jié)發(fā)酵液的pH到蛋白質(zhì)的等電點(diǎn)是除去蛋白質(zhì)的有效方法。大幅度改變pH還能使蛋白質(zhì)變性凝固。通過(guò)調(diào)整pH值改變膜過(guò)濾中易吸附分子的電荷性質(zhì)，可減少膜堵塞和污染；影響離子型絮凝劑的電離度。42三預(yù)處理-調(diào)節(jié)pHpH值直接影響發(fā)酵液中某些物質(zhì)的電

0020040060061218pH4.6pH4.2pH3.8pH2.8FiltrateVolume,cm3Time,minutesFigTheeffectonfiltratevolumeofpH43

0020040060061218pH4.6pH4.2p

案例

鏈霉素生產(chǎn)中，采用調(diào)pH至酸性pH3.0，加熱至70℃，維持半個(gè)小時(shí)的方法來(lái)使蛋白變性，能使過(guò)濾速度增大10-100倍，濾液粘度可降低1/6。44

案例44四

加入惰性助濾劑（filteraids）

助濾劑是一種顆粒均勻，質(zhì)地堅(jiān)硬，不可壓縮的粒狀惰性物質(zhì)。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，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(guò)濾阻力。目前生物工業(yè)中常用的助濾劑是硅藻土，其次是珍珠巖粉、活性炭、石英砂、石棉粉、纖維素、白土等。45四加入惰性助濾劑（filteraids）助濾劑是一種顆助濾劑的選擇(1)粒度根據(jù)懸浮液中的顆粒和濾液的澄清度確定，一般顆粒較小的濾餅應(yīng)采用細(xì)小的助濾劑。(2)助濾劑的品種應(yīng)根據(jù)過(guò)濾介質(zhì)選擇助濾劑品種。使用粗目濾網(wǎng)時(shí)易泄漏，可選擇石棉粉、纖維素；采用細(xì)目濾布時(shí)，可使用細(xì)硅藻土；(3)用量間歇操作時(shí)，過(guò)濾介質(zhì)表面預(yù)涂助濾劑，其厚度應(yīng)不小于2mm。連續(xù)過(guò)濾機(jī)中根據(jù)過(guò)濾速度確定。使用硅藻土?xí)r，通常細(xì)粒為500g/m3，中等粒度700g/m3,粗粒700-1000g/m3。46助濾劑的選擇(1)粒度46五.加入反應(yīng)劑加入某些不影響目標(biāo)產(chǎn)物的反應(yīng)劑，可消除發(fā)酵液中的一些雜質(zhì)對(duì)過(guò)濾的影響，從而提高過(guò)濾速度。

1）加入反應(yīng)劑與某些可溶性鹽類(lèi)發(fā)生反應(yīng)生成不溶性沉淀,生成的沉淀能防止菌絲體粘結(jié)，使菌絲具有塊狀結(jié)構(gòu)，又能使蛋白質(zhì)凝固，過(guò)濾性能上升，沉淀本身可作為助濾劑.如在新生霉素發(fā)酵液中加入CaCl2和Na3PO4，生成Ca3(PO4)2沉淀。2）發(fā)酵液中含有不溶性多糖物質(zhì)時(shí)，用酶將其轉(zhuǎn)化為單糖，以提高過(guò)濾速率。如萬(wàn)古霉素用淀粉作培養(yǎng)基，發(fā)酵液過(guò)濾前加入0.025%的淀粉酶，攪拌30min后，再加2.5%硅藻土助濾劑，可提高過(guò)濾效率5倍。47五.加入反應(yīng)劑加入某些不影響目標(biāo)產(chǎn)物的反應(yīng)劑，可消除發(fā)酵液中的雜質(zhì)高價(jià)無(wú)機(jī)離子（Ca2+、Mg2+、Fe2+）雜蛋白常規(guī)過(guò)濾或膜過(guò)濾時(shí)，易使過(guò)濾介質(zhì)堵塞，影響過(guò)濾效率。采用離子交換和吸附法提取時(shí)會(huì)降低其交換容量和吸附能力，有機(jī)溶劑法或雙水相萃取時(shí)，易產(chǎn)生乳化，使兩相分離不清。因此，在預(yù)處理時(shí)，應(yīng)盡量除去這些物質(zhì)。六、發(fā)酵液的相對(duì)純化

在采用離子交換提取時(shí)，會(huì)影響樹(shù)脂對(duì)生化物質(zhì)的交換容量。48發(fā)酵液中的雜質(zhì)高價(jià)無(wú)機(jī)離子（Ca2+、Mg2+、Fe2+）常（一）高價(jià)無(wú)機(jī)離子的去除方法Ca2+——草酸、草酸鈉，→形成草酸鈣沉淀（注意回收草酸）

；Mg2+——三聚磷酸鈉，→形成三聚磷酸鈉鎂可溶性絡(luò)合物；Fe2+——黃血鹽，→普魯士蘭沉淀49（一）高價(jià)無(wú)機(jī)離子的去除方法Ca2+——草酸、草酸鈉，→形（二）雜蛋白的去除方法沉淀法precipitation變性法Denaturation吸附法adsorption50（二）雜蛋白的去除方法沉淀法precipitation501.雜蛋白去除-沉淀法precipitationA等電點(diǎn)沉淀法（isoelectricprecipitation）蛋白質(zhì)的等電點(diǎn)大都在酸性范圍內(nèi)(pH4.0～5.5)，調(diào)節(jié)發(fā)酵液的pH到蛋白質(zhì)的等電點(diǎn)是除去蛋白質(zhì)的有效方法。B.酸堿調(diào)節(jié)，使蛋白質(zhì)與離子形成沉淀在酸性溶液中，蛋白質(zhì)與一些陰離子形成沉淀，如三氯乙酸鹽、水楊酸鹽、苦味酸鹽等；在堿性溶液中，蛋白質(zhì)與一些陽(yáng)離子形成沉淀，如Ag+、Cu2+、Zn2+、Fe3+等。511.雜蛋白去除-沉淀法precipitationA等電2.雜蛋白去除-變性

Denaturation

蛋白質(zhì)從有規(guī)則的排列變成不規(guī)則結(jié)構(gòu)的過(guò)程稱(chēng)為變性。變性蛋白質(zhì)溶解度較小。加熱，大幅度調(diào)節(jié)pH值，加酒精、丙酮等有機(jī)溶劑或表面活性劑等。不足之處：加熱法只適合于對(duì)熱較穩(wěn)定的目的產(chǎn)物；極端pH值也會(huì)導(dǎo)致某些目的產(chǎn)物失活，且要消耗大量酸堿；有機(jī)溶劑法通常只適用于所處理的液體數(shù)量較少的場(chǎng)合。

522.雜蛋白去除-變性Denaturation蛋白2蛋白質(zhì)變性例子鏈霉素生產(chǎn)中，采用調(diào)pH至酸性（pH3.0），加熱至70℃，維持半個(gè)小時(shí)的方法來(lái)使蛋白變性，能使過(guò)濾速度增大10-100倍，濾液粘度可降低1/6。檸檬酸發(fā)酵液，采用加熱至80℃以上，使蛋白質(zhì)變性凝固和降低發(fā)酵液粘度，從而大大提高了過(guò)濾速度。532蛋白質(zhì)變性例子鏈霉素生產(chǎn)中，采用調(diào)pH至酸性（pH3.0）3.雜蛋白去除-吸附法adsorption加入某些吸附劑或沉淀劑吸附雜蛋白質(zhì)而除去。四環(huán)類(lèi)抗生素生產(chǎn)中，采用黃血鹽和硫酸鋅的協(xié)同作用生成亞鐵氰化鋅鉀K2Zn3[Fe(CN)5]2的膠狀沉淀來(lái)吸附蛋白質(zhì)，利用此法除蛋白質(zhì)已取得很好的效果。在枯草桿菌發(fā)酵液中，常加入氯化鈣和磷酸氫二鈉，這兩者本身生成龐大的凝膠，把蛋白質(zhì)、菌體及其它不溶性粒子吸附并包裹在其中而除去，從而加快了過(guò)濾速度。543.雜蛋白去除-吸附法adsorption加入某些吸附劑2.2固液分離552.2固液分離55一影響發(fā)酵液固液分離的因素1）發(fā)酵液中懸浮粒子的大小56一影響發(fā)酵液固液分離的因素1）發(fā)酵液中懸浮粒子的大小562）發(fā)酵液的黏度viscosity

：固液分離速度通常與粘度成反比，粘度越大，固液分離越困難。影響粘度的因素：菌體的種類(lèi)和濃度（重要因素），通常絲狀菌、動(dòng)物或植物細(xì)胞懸浮液粘度較大，濃度增大，粘度也提高。培養(yǎng)液中蛋白質(zhì)、核酸大量存在：通常細(xì)胞破碎或細(xì)胞自溶后粘度增大。因此細(xì)胞破碎的程度應(yīng)控制，發(fā)酵放罐時(shí)間要適宜。培養(yǎng)基成分：如用黃豆粉、花生粉作氮源，淀粉作碳源，粘度都會(huì)升高。此外，某些染菌發(fā)酵液，如染細(xì)菌，則粘度會(huì)增大。發(fā)酵過(guò)程的不正常處理，如大量過(guò)剩的培養(yǎng)基和消沫油加入，都會(huì)使粘度增大。影響發(fā)酵液固液分離的因素572）發(fā)酵液的黏度viscosity：影響發(fā)酵液固液分離的因收集胞內(nèi)產(chǎn)物的細(xì)胞或菌體，分離除去液相，收集含生化物質(zhì)的液相，分離除去固體懸浮物（細(xì)胞、菌體、細(xì)胞碎片、蛋白質(zhì)的沉淀物和它們的絮凝體等）。固液分離的目的包括兩方面：58收集胞內(nèi)產(chǎn)物的細(xì)胞或菌體，分離除去液相，固液分離的目的包括兩二常見(jiàn)的固液分離方法過(guò)濾filtration離心Centrifugation

膜分離membraneseparation雙水相萃取ATPS擴(kuò)張床吸附EBA59二常見(jiàn)的固液分離方法過(guò)濾filtration592.2.1過(guò)濾filtration過(guò)濾操作是借助于過(guò)濾介質(zhì)，在一定的壓力差ΔP作用下，使懸浮液中的液體通過(guò)介質(zhì)的孔道，而固體顆粒被截留在介質(zhì)上，從而實(shí)現(xiàn)固液分離的單元操作。過(guò)濾介質(zhì)filtermedium

:過(guò)濾采用的多孔物質(zhì)；濾漿filterpulp

:所處理的懸浮液；濾液filtrate

:通過(guò)多孔通道的液體；濾餅或?yàn)V渣filtercake:被截留的固體物質(zhì)。602.2.1過(guò)濾filtration過(guò)濾操作是借助于過(guò)濾餅過(guò)濾：當(dāng)懸浮液通過(guò)濾布時(shí)，固體顆粒被濾布阻攔而逐漸形成濾餅（濾渣）。在濾餅過(guò)濾中，當(dāng)濾餅至一定厚度時(shí)即起主要的過(guò)濾作用適合于固體含量大于0.1%的懸浮液的過(guò)濾分離。61濾餅過(guò)濾：當(dāng)懸浮液通過(guò)濾布時(shí)，固體顆粒被濾布阻攔而逐漸形成濾過(guò)濾推動(dòng)力：懸浮液自身壓強(qiáng)差、重力懸浮液的—外加壓力過(guò)濾介質(zhì)的—抽真空離心力過(guò)濾阻力：介質(zhì)阻力：可視為不變，且一般過(guò)濾初較明顯濾餅阻力:濾餅厚度：隨過(guò)濾進(jìn)行而增加濾餅特性：顆粒形狀、大小。大多情況下，過(guò)濾阻力主要取決于濾餅阻力。62過(guò)濾推動(dòng)力：62濾餅的質(zhì)量比阻衡量過(guò)濾特性的主要指標(biāo)是濾餅的質(zhì)量比阻rB，它表示單位濾餅厚度的阻力系數(shù)。與濾餅的結(jié)構(gòu)特性有關(guān)。對(duì)于不可壓縮性濾餅，rB為常數(shù)，但對(duì)于可壓縮性濾餅，rB是操作壓力差的函數(shù)：

rB＝r(ΔP)m（2-3）r-不可壓縮濾渣的比阻，對(duì)于一定的料液為常數(shù)；m-壓縮性指數(shù)，一般取0.5~0.8，對(duì)不可壓縮性濾餅m為0?？蓧嚎s濾餅:形成的濾餅剛性不足，其內(nèi)部空隙結(jié)構(gòu)隨著濾餅的增厚或壓差的增大而變形，空隙率減小.63濾餅的質(zhì)量比阻衡量過(guò)濾特性的主要指標(biāo)是濾餅的質(zhì)量比阻rB，濾餅的質(zhì)量比阻與過(guò)濾關(guān)系濾餅的比阻值是隨操作壓力差的提高而增大的。開(kāi)始過(guò)濾時(shí)應(yīng)注意不能很快提高壓差，通?？恳褐淖匀粔翰钸M(jìn)料，并應(yīng)緩慢地，逐步地升高壓力，一般在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，壓力差不要超過(guò)0.05MPa，最后的壓差也不超過(guò)0.3－0.4MPa。若操作壓力控制過(guò)高，由于比阻值的急劇增加，會(huì)使過(guò)濾速度很快下降，以至達(dá)到不能繼續(xù)過(guò)濾的程度。64濾餅的質(zhì)量比阻與過(guò)濾關(guān)系濾餅的比阻值是隨操作壓力差的提高而增恒壓下的過(guò)濾方程恒壓下，可壓縮性濾餅的比阻應(yīng)為常數(shù)。如過(guò)濾介質(zhì)的阻力相對(duì)較小可以忽略不計(jì)，

q—

到瞬間τ，通過(guò)單位過(guò)濾面積的濾液量，m3；ΔP—壓力差，Pa；μ—濾液粘度，Pa·s；rB—濾餅的重量比阻，m/kg；XB—通過(guò)單位體積濾液所形成的濾渣重量(干重),kg／m3；τ—過(guò)濾時(shí)間，s65恒壓下的過(guò)濾方程恒壓下，可壓縮性濾餅的比阻應(yīng)為常數(shù)。如過(guò)濾介過(guò)濾速度的強(qiáng)化1．降低濾餅比阻力rB

一切能夠降低rB的方法：如添加電解質(zhì)、絮凝劑、凝固劑助濾劑等。2．降低濾液黏度μ

黏度愈低，過(guò)濾阻力愈小。加熱、去雜蛋白、絮凝、調(diào)pH、選擇合適的放罐時(shí)間。3．降低懸浮液中懸浮固體的濃度過(guò)濾速度與獲得濾餅體積成反比。因此應(yīng)盡可能降低培養(yǎng)基配料濃度（如玉米粉、豆餅粉的濃度）。4.對(duì)發(fā)酵液進(jìn)行預(yù)處理，改善濾液性質(zhì)。66過(guò)濾速度的強(qiáng)化1．降低濾餅比阻力rB66質(zhì)量比阻的計(jì)算質(zhì)量比阻可根據(jù)式2－4，利用圖解法求得。以τ/q為縱軸，以q為橫軸所得的直線斜率為M，則rB可按下式計(jì)算：根據(jù)濾餅的質(zhì)量比阻值，可衡量各種不同發(fā)酵液過(guò)濾的難易程度。真菌的菌絲比較粗大,如青霉素的重量比阻為(0.15一0.20)xl012m/kg左右，發(fā)酵液容易過(guò)濾。放線菌發(fā)酵液菌絲細(xì)而分枝,交織成網(wǎng)絡(luò)狀,如鏈霉素重量比阻為2000x1012m/kg左右,過(guò)濾較困難,一般需經(jīng)預(yù)處理。細(xì)菌發(fā)酵液的菌體更細(xì)小，質(zhì)量比阻值更大，直接過(guò)濾十分困難。2—67質(zhì)量比阻的計(jì)算質(zhì)量比阻可根據(jù)式2－4，利用圖解法求得。以τ/2過(guò)濾介質(zhì)選擇過(guò)濾介質(zhì)起過(guò)濾作用，還是濾餅的支撐物。應(yīng)具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和盡可能小的流動(dòng)阻力。合理選擇過(guò)濾介質(zhì)：過(guò)濾介質(zhì)所能截留的固體粒子大?。和ǔＲ赃^(guò)濾介質(zhì)的孔徑表示。常用的過(guò)濾介質(zhì)中，纖維濾布所能截留的最小粒子約10μm，硅藻土為lμm，超濾膜可小于0.5μm。過(guò)濾介質(zhì)的透過(guò)性：是指在一定的壓力差下，單位時(shí)間單位過(guò)濾面積上通過(guò)濾液的體積量，它取決于過(guò)濾介質(zhì)上毛細(xì)孔徑的大小及數(shù)目。682過(guò)濾介質(zhì)選擇過(guò)濾介質(zhì)起過(guò)濾作用，還是濾餅的支撐物。應(yīng)具有過(guò)濾介質(zhì)-織物介質(zhì)又稱(chēng)濾布，應(yīng)用最廣泛，包括由棉、麻等天然纖維濾布和合成纖維濾布。其過(guò)濾性能受許多因素的影響，其中最重要的是纖維的特性、編織紋法和線型。

最高溫度℃密度(kg／m3)吸水率％耐磨棉尼綸滌綸92105—12014515511413816-226.5-8.30.04-0.08良優(yōu)優(yōu)

濾

液澄清度阻力濾餅中含

水濾餅脫落壽命堵孔傾向平紋斜紋緞紋依次降依次降依次減依次易中長(zhǎng)短依次易69過(guò)濾介質(zhì)-織物介質(zhì)又稱(chēng)濾布，應(yīng)用最廣泛，包括由棉、麻等天然纖過(guò)濾介質(zhì)-粒狀介質(zhì)有硅藻土、珍珠巖粉、細(xì)砂、活性炭、白土等。最常用的是硅藻土，是優(yōu)良的過(guò)濾介質(zhì)：①一般不與酸堿反應(yīng)，化學(xué)性能穩(wěn)定；②形狀不規(guī)則，空隙大且多孔，具有很大的吸附表面；③無(wú)毒且不可壓縮，形成的過(guò)濾層阻力不隨操作壓力變化。硅藻土過(guò)濾介質(zhì)通常有三種用法：（1）作為深層過(guò)濾介質(zhì)。硅藻土過(guò)濾層具有曲折的毛細(xì)孔道，借篩分、吸附和深層效應(yīng)作用除去懸浮液中的固體粒子，截留效果可達(dá)到1μm。（2）作為預(yù)涂層。在支持介質(zhì)的表面上預(yù)先形成一層較薄的硅藻土預(yù)涂層，用以保護(hù)支持介質(zhì)的毛細(xì)孔道不被濾餅層中的固體粒子堵塞。（3）用作助濾劑。70過(guò)濾介質(zhì)-粒狀介質(zhì)有硅藻土、珍珠巖粉、細(xì)砂、活性炭、白土等。過(guò)濾介質(zhì)-多孔固體介質(zhì)

如多孔陶瓷、多孔玻璃、多孔塑料等，可加工成板狀或管狀，孔隙很小且耐腐蝕，常用于過(guò)濾含有少量微粒的懸浮液。71過(guò)濾介質(zhì)-多孔固體介質(zhì)71典型過(guò)濾設(shè)備：按操作方式分類(lèi)：間歇過(guò)濾機(jī)、連續(xù)過(guò)濾機(jī)按操作壓強(qiáng)差分類(lèi)：壓濾、吸濾和離心過(guò)濾實(shí)驗(yàn)室用抽濾裝置板框壓濾機(jī)（間歇操作）轉(zhuǎn)筒真空過(guò)濾機(jī)（連續(xù)操作）過(guò)濾式離心機(jī)固液分離過(guò)濾設(shè)備72典型過(guò)濾設(shè)備：按操作方式分類(lèi)：間歇過(guò)濾機(jī)、連續(xù)過(guò)濾機(jī)按操作壓1）實(shí)驗(yàn)室用抽濾裝置731）實(shí)驗(yàn)室用抽濾裝置732）板框壓濾機(jī)

plateandframefilter

板框壓濾機(jī)的過(guò)濾推動(dòng)力來(lái)自泵產(chǎn)生的液壓或進(jìn)料貯槽中的氣壓。廣泛應(yīng)用于培養(yǎng)基制備的過(guò)濾及霉菌、放線菌、酵母菌和細(xì)菌等多種發(fā)酵液的固液分離。適合于固體含量1-10%的懸浮液的分離。

742）板框壓濾機(jī)

plateandframefilter板框壓濾機(jī)包括板和框，多做成正方形，角端均開(kāi)有小孔，裝合壓緊后即構(gòu)成供濾漿或洗水流通的孔道。框的兩側(cè)覆以濾布，空框與濾布圍成了容納濾漿及濾餅的空間，濾板用以支撐濾布并提供濾液流出的通道。75板框壓濾機(jī)包括板和框，多做成正方形，角端均開(kāi)有小孔，裝合壓緊板框式壓濾機(jī)在過(guò)濾時(shí)，懸浮液由離心泵或齒輪泵經(jīng)濾漿通道打入框內(nèi)，濾液穿過(guò)濾框兩側(cè)濾布，沿相鄰濾板溝槽流至濾液出口，固體則被截留于框內(nèi)形成濾餅。濾餅充滿濾框后停止過(guò)濾。76板框式壓濾機(jī)在過(guò)濾時(shí)，懸浮液由離心泵或齒輪泵經(jīng)濾漿通道打入框板框壓濾機(jī)優(yōu)點(diǎn)過(guò)濾面積大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低，動(dòng)力消耗少，對(duì)不同過(guò)濾特性的發(fā)酵液適應(yīng)性強(qiáng)。它最重要的特征是通過(guò)過(guò)濾介質(zhì)時(shí)產(chǎn)生的壓力降可以超過(guò)0.1MPa,這是真空過(guò)濾器無(wú)法達(dá)到的。缺點(diǎn)不能連續(xù)操作，設(shè)備笨重，勞動(dòng)強(qiáng)度大，衛(wèi)生條件差，非過(guò)濾的輔助時(shí)間較長(zhǎng)。77板框壓濾機(jī)優(yōu)點(diǎn)過(guò)濾面積大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低，動(dòng)力消耗少，缺點(diǎn)自動(dòng)板框式壓濾機(jī)自動(dòng)板框壓濾機(jī)在板框壓緊；卸餅、清洗等操作中可自動(dòng)完成，勞動(dòng)強(qiáng)度小，輔助操作時(shí)間短。

自動(dòng)壓濾機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴，在一定程度上限制了它的應(yīng)用和發(fā)展。78自動(dòng)板框式壓濾機(jī)自動(dòng)板框壓濾機(jī)在板框壓緊；卸餅、清洗等操作中3）真空轉(zhuǎn)鼓過(guò)濾機(jī)（rotary-drumvacuumfilter）真空過(guò)濾設(shè)備以大氣與真空之間的壓力差作為過(guò)濾操作的推動(dòng)力。生物工業(yè)中，用得較多的是轉(zhuǎn)筒式真空過(guò)濾機(jī)和帶式真空過(guò)濾機(jī)。轉(zhuǎn)筒真空過(guò)濾機(jī)的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)筒真空過(guò)濾機(jī)是一種連續(xù)操作的過(guò)濾設(shè)備，設(shè)備的主體是一個(gè)由篩板組成能轉(zhuǎn)動(dòng)的水平圓筒，表面有一層金屬絲網(wǎng)，網(wǎng)上覆蓋濾布,圓筒內(nèi)沿徑向被篩板分隔成若干個(gè)空間。793）真空轉(zhuǎn)鼓過(guò)濾機(jī)（rotary-drumvacuumf轉(zhuǎn)筒真空過(guò)濾機(jī)結(jié)構(gòu)：轉(zhuǎn)筒，扇形格(18格)；

濾室；分配頭；動(dòng)盤(pán)(18個(gè)孔，分別與扇形格的18個(gè)通道相連)；定盤(pán)(三個(gè)凹槽：濾液真空凹槽、洗水真空凹槽、壓縮空氣凹槽，分別將動(dòng)盤(pán)的18個(gè)孔道分成三個(gè)通道)；

濾漿槽。工作過(guò)程80轉(zhuǎn)筒真空過(guò)濾機(jī)結(jié)構(gòu)：轉(zhuǎn)筒，扇形格(18格)；工作過(guò)程80轉(zhuǎn)筒下部浸入濾漿槽中，浸沒(méi)角約900-1300，圓筒緩慢旋轉(zhuǎn)時(shí)(轉(zhuǎn)速約0.5-2r／min)，筒內(nèi)每一空間相繼與分配頭中的3個(gè)室相通，可順序進(jìn)行過(guò)濾、洗滌、吸干、吹松、卸餅等項(xiàng)操作。即整個(gè)圓筒分為過(guò)濾區(qū)、洗滌及脫水區(qū)，卸渣及再生區(qū)3個(gè)區(qū)域。81轉(zhuǎn)筒下部浸入濾漿槽中，浸沒(méi)角約900-1300，圓筒緩慢旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)筒真空過(guò)濾機(jī)優(yōu)點(diǎn)：轉(zhuǎn)筒真空過(guò)濾機(jī)可吸濾、洗滌、卸餅、再生連續(xù)化操作，生產(chǎn)能力大，勞動(dòng)強(qiáng)度小，缺點(diǎn)：輔助設(shè)備多，投資大，且由于真空過(guò)濾，推動(dòng)力?。ú怀^(guò)8×104Pa），濾餅濕度大（20％～30％）。主要適用霉菌發(fā)酵液，對(duì)菌體細(xì)小、黏度大鋪助濾劑。對(duì)于濾餅阻力較大的物料適應(yīng)能力較差。82轉(zhuǎn)筒真空過(guò)濾機(jī)優(yōu)點(diǎn)：82帶式真空過(guò)濾機(jī)帶式真空過(guò)濾機(jī)（是自動(dòng)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)、并能按工藝要求進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)速以及操作方便和動(dòng)力消耗低的一種新型高效的脫水設(shè)備。83帶式真空過(guò)濾機(jī)帶式真空過(guò)濾機(jī)（是自動(dòng)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)、并能按工藝要求帶式真空過(guò)濾機(jī)流程1、進(jìn)料→過(guò)濾→濾餅洗滌→吸干→卸料→濾布清洗連續(xù)進(jìn)行，配有PLC控制，自動(dòng)化程度高。

2、真空過(guò)濾盤(pán)分段設(shè)計(jì)，可滿足不同物料過(guò)濾、洗滌、吸干的工藝要求，濾帶運(yùn)行速度采用變頻無(wú)級(jí)調(diào)速，對(duì)不同物料有廣泛的適應(yīng)性。

3、在同一設(shè)備上可采用多次逆流洗滌得到高濃度的濾液，也可采用并流洗滌或順流洗滌獲得高純度的濾餅。84帶式真空過(guò)濾機(jī)流程1、進(jìn)料→過(guò)濾→濾餅洗滌→吸干→卸料→濾布結(jié)構(gòu)：轉(zhuǎn)鼓濾餅濾布濾網(wǎng)離心過(guò)濾機(jī)工作原理圖轉(zhuǎn)鼓(上有小孔，亦稱(chēng)懸框)；濾網(wǎng)；濾布；機(jī)架。原理：

由于離心力作用，液體產(chǎn)生徑向壓差，通過(guò)濾餅、濾網(wǎng)及濾筐而流出。4）離心過(guò)濾機(jī)（centrifugalfilter）85結(jié)構(gòu)：轉(zhuǎn)鼓濾餅濾布濾網(wǎng)離心過(guò)濾機(jī)工作原理圖轉(zhuǎn)鼓(上有小孔，亦設(shè)備主要結(jié)構(gòu)過(guò)程特點(diǎn)適用性板框壓濾機(jī)濾板/濾框/夾緊機(jī)構(gòu)/機(jī)架裝合過(guò)濾洗滌卸渣整理加壓過(guò)濾，推動(dòng)力較大結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低；過(guò)濾面積大，能耗少；間歇操作；洗滌時(shí)間長(zhǎng)，生產(chǎn)效率低。應(yīng)用廣泛。對(duì)原料的適應(yīng)性強(qiáng)轉(zhuǎn)鼓真空過(guò)濾機(jī)轉(zhuǎn)筒(濾網(wǎng)、濾布)/分配頭、濾漿槽過(guò)濾洗滌吹干卸渣連續(xù)化生產(chǎn)，自動(dòng)化程度高真空過(guò)濾，推動(dòng)力較小；，濾餅濕度大，設(shè)備投資高適于粒度中等，粘度不太大的物料離心過(guò)濾機(jī)轉(zhuǎn)鼓(濾網(wǎng)、濾布)/機(jī)架過(guò)濾洗滌卸渣離心過(guò)濾，推動(dòng)力最大；濾液濕度小，設(shè)備成本高，應(yīng)用廣泛，過(guò)濾面積小。幾種過(guò)濾設(shè)備的比較86設(shè)備主要結(jié)構(gòu)過(guò)程特點(diǎn)適用性板框壓濾機(jī)濾板/濾框/夾緊機(jī)構(gòu)/機(jī)5）硅藻土過(guò)濾機(jī)diatomitefilter硅藻土中的硅藻有許多不同的形狀，由于硅藻土具有細(xì)膩、松散、質(zhì)輕、多孔、吸水和滲透性強(qiáng)的特性，所以它是一種性能優(yōu)良的工業(yè)濾劑。硅藻土過(guò)濾是以硅藻土作為過(guò)濾介質(zhì)，它是一種預(yù)涂型過(guò)濾器，預(yù)涂、過(guò)濾、反沖洗是硅藻土過(guò)濾的一般工藝過(guò)程。在釀造、飲料、酒類(lèi)和水處理等方面得到廣泛應(yīng)用。目前，國(guó)內(nèi)主要用于酒類(lèi)和飲料過(guò)濾

875）硅藻土過(guò)濾機(jī)diatomitefilter硅藻土中的硅

藻

88硅

藻

88硅藻土過(guò)濾機(jī)89硅藻土過(guò)濾機(jī)89又稱(chēng)切向流過(guò)濾（Cross-FlowFiltration）傳統(tǒng)過(guò)濾時(shí)過(guò)濾液體垂直于過(guò)濾介質(zhì)，過(guò)濾阻力主要來(lái)之濾餅。錯(cuò)流過(guò)濾打破了傳統(tǒng)過(guò)濾的機(jī)制，即液體的流向和濾膜相切。在壓力推動(dòng)下，懸浮液以高速在管狀濾膜的內(nèi)壁作切向流動(dòng)，利用流動(dòng)的剪切作用將過(guò)濾介質(zhì)表面的固體（濾餅）移走，而附著在濾膜上的濾餅很薄，因而能在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定不變的過(guò)濾速度６）錯(cuò)流過(guò)濾90又稱(chēng)切向流過(guò)濾（Cross-FlowFiltration）微濾過(guò)程示意圖,料液快速經(jīng)過(guò)薄膜,以減少形成濾餅錯(cuò)流過(guò)濾91微濾過(guò)程示意圖,料液快速經(jīng)過(guò)薄膜,以減少形成濾餅錯(cuò)流過(guò)朗極化工公司膜澄清過(guò)濾和膜濃縮的“錯(cuò)流過(guò)濾系統(tǒng)”

陶瓷膜錯(cuò)流過(guò)濾92朗極化工公司膜澄清過(guò)濾和膜濃縮的“錯(cuò)流過(guò)濾系統(tǒng)”錯(cuò)流過(guò)錯(cuò)流過(guò)濾特點(diǎn)收率高（97-98%）質(zhì)量好減少處理步聚染菌罐也能進(jìn)行處理介質(zhì)阻力大不能得到干濾餅需要大的膜面積目前適用于小分子的分離93錯(cuò)流過(guò)濾特點(diǎn)收率高（97-98%）932.2固液分離

2.2.2離心942.2固液分離

2.2.2離心94一、基本原理對(duì)于濃度較小，粒徑較大，硬度較強(qiáng)的不溶物，可以采用過(guò)濾分離。但當(dāng)固體顆粒細(xì)小而難以過(guò)濾時(shí)，發(fā)酵液不易被過(guò)濾純化，離心操作往顯得十分有效。離心分離是基于固體顆粒和周?chē)后w密度存在差異，在離心場(chǎng)中使不同密度的固體顆粒加速沉降的分離過(guò)程。動(dòng)植物細(xì)胞的收集、細(xì)胞碎片和沉淀的分離等常用離心分離。95一、基本原理對(duì)于濃度較小，粒徑較大，硬度較強(qiáng)的不溶物，可以采優(yōu)點(diǎn)：分離速度快，分離效率高、液相澄清度好；缺點(diǎn)：與過(guò)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(guò)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漿體。而過(guò)濾可獲得的水分含量較低的濾餅。離心分離96優(yōu)點(diǎn)：離心分離96按速度和離心力：1、常速離心機(jī)最大轉(zhuǎn)速8000rpm(r/min),相對(duì)離心力(RCF)104g以下,用于細(xì)胞、菌體和培養(yǎng)基殘?jiān)确蛛x；2、高速（冷凍）離心機(jī)1×104-2.5×104rpm，相對(duì)離心力104~105g,用于細(xì)胞碎片、較大細(xì)胞器、大分子沉淀物等分離；3、超速離心機(jī)轉(zhuǎn)速2.5×104-8×104rpm，相對(duì)離心力5×105g；用于DNA、RNA、蛋白質(zhì)、細(xì)胞器、病毒分離純化；檢測(cè)純度；沉降系數(shù)和相對(duì)分子量測(cè)定等。二、離心機(jī)的種類(lèi)與用途97按速度和離心力：二、離心機(jī)的種類(lèi)與用途97按離心機(jī)的作用方式：斜角式平拋式管式碟片式螺旋式多室98按離心機(jī)的作用方式：981）斜角式離心機(jī)是一類(lèi)結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)室常用離心機(jī)，指離心管腔與轉(zhuǎn)軸成一定傾角的轉(zhuǎn)子；角度越大，沉降越結(jié)實(shí)，分離效果越好，角度越小，顆粒沉降距離短，沉降速度快，但分離效果差。顆粒在角轉(zhuǎn)子中沉降時(shí)，先沿離心力方向撞向離心管，然后再沿管壁滑向管底，因此管的一側(cè)會(huì)出現(xiàn)顆粒沉積。991）斜角式離心機(jī)991）斜角式離心機(jī)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，可裝載較多的樣品使用較高的轉(zhuǎn)速。加速或減速時(shí)，對(duì)樣品有攪動(dòng)。有些梯度離心要求用角轉(zhuǎn)頭，否則形成的梯度不均一，線性很差．1001）斜角式離心機(jī)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，1002）平拋式離心機(jī)平拋式離心機(jī)一類(lèi)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)室常用的低中速離心機(jī)，轉(zhuǎn)速一般在3000-6000rpm。顆粒在水平轉(zhuǎn)子中的沉降是沿管子軸向移動(dòng)。樣品便于收集受振動(dòng)和變速攪亂后對(duì)流現(xiàn)象小，但轉(zhuǎn)頭結(jié)構(gòu)復(fù)雜，最高轉(zhuǎn)速相對(duì)要低容量也小一些。

1012）平拋式離心機(jī)101平拋式離心機(jī)轉(zhuǎn)子102平拋式離心機(jī)轉(zhuǎn)子102３）管式離心機(jī)

（tubular-bowlcentrifuge）管式離心機(jī)具有一個(gè)細(xì)長(zhǎng)而高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)鼓，轉(zhuǎn)鼓內(nèi)裝有縱向平板，其下部有進(jìn)料口，上部?jī)蓚?cè)有重液相和輕液相出口。103３）管式離心機(jī)

（tubular-bowlcentrif管式離心機(jī)待處理的物料在一定壓力（3×104Pa左右）下由進(jìn)料管經(jīng)底部空心軸進(jìn)入鼓內(nèi)，靠擋板分布于鼓的四周，并使料液迅速達(dá)到與轉(zhuǎn)鼓相同的角速度。轉(zhuǎn)鼓帶動(dòng)物料高速旋轉(zhuǎn)，在離心力下，懸浮液沿轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁向上流動(dòng)的料液，因其密度差的存在而分離。澄清后的液相流動(dòng)到轉(zhuǎn)鼓上部的排液口排出。比重大的固體微粒逐漸沉積在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁形成沉渣層，達(dá)到一定數(shù)量后，停機(jī)人工清除。104管式離心機(jī)待處理的物料在一定壓力（3×104Pa左右）下由管式離心機(jī)特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可提供較大離心力，轉(zhuǎn)速高，分離因數(shù)高達(dá)15000-65000。管狀離心機(jī)可以冷卻，有利蛋白質(zhì)分離間歇操作，須定時(shí)拆卸、清洗適用于于分離乳濁液及含細(xì)顆粒的稀懸浮液，適用于固含量低于1%，顆粒度小于5μm，黏度大的懸浮液澄清或固液兩相密度差較小的分離。105管式離心機(jī)特點(diǎn)：1054）碟片式離心機(jī)disk-bowlcentrifuge是在管式離心機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，在轉(zhuǎn)鼓中加入了許多重迭的碟片，縮短了顆粒的沉降距離，提高了分離效率。

是生物工業(yè)中應(yīng)用最為廣泛的一種離心機(jī)

有一個(gè)密封的轉(zhuǎn)鼓，內(nèi)裝十至上百個(gè)錐頂角為60~100゜的錐形碟片。碟片間的距離一般為0.5-2.5mm,1064）碟片式離心機(jī)disk-bowlcentrifuge是在碟片式離心機(jī)工作原理當(dāng)懸浮液在動(dòng)壓頭的作用下，經(jīng)中心管流入高速旋轉(zhuǎn)的碟片之間的間隙時(shí)，便產(chǎn)生了慣性離心力，其中密度較大的固體顆粒在離心力作用下向上層碟片的下表面運(yùn)動(dòng)，而后在離心力作用下被向外甩出，沿碟片下表面向轉(zhuǎn)子外圍下滑，而液體則由于密度小，在后續(xù)液體的推動(dòng)下沿著碟片的隙道向轉(zhuǎn)子中心流動(dòng)，然后沿中心軸上升，從套管中排出，達(dá)到分離的目的

107碟片式離心機(jī)工作原理當(dāng)懸浮液在動(dòng)壓頭的作用下，經(jīng)中心管流入高5）螺旋式離心機(jī)scroll-typecentrifuge連續(xù)操作的沉降設(shè)備。轉(zhuǎn)鼓內(nèi)有可旋轉(zhuǎn)的螺旋輸送器，其轉(zhuǎn)數(shù)比轉(zhuǎn)鼓的轉(zhuǎn)數(shù)稍低。有立式和臥式兩種，臥螺機(jī)是一種全速旋轉(zhuǎn)，連續(xù)進(jìn)料、分離和卸料的離心機(jī)，最大離心力可達(dá)6000，操作溫度可達(dá)300℃用于分離含固量較多的懸浮液，生產(chǎn)能力較大。1085）螺旋式離心機(jī)scroll-typecentrifug螺旋式離心機(jī)工作原理轉(zhuǎn)鼓與螺旋以一定差速同向高速旋轉(zhuǎn)，懸浮液通過(guò)螺旋輸送器的空心軸進(jìn)入機(jī)內(nèi)中部，由進(jìn)料管連續(xù)引入螺旋內(nèi)筒，加速后進(jìn)入轉(zhuǎn)鼓。在離心力場(chǎng)作用下，固相物沉積在轉(zhuǎn)鼓壁上形成沉渣層。輸料螺旋將沉積的固相物連續(xù)不斷定推至轉(zhuǎn)鼓錐端，經(jīng)排渣口排出機(jī)外，較輕的液相物則形成內(nèi)層液環(huán)，由轉(zhuǎn)鼓大端溢流口連續(xù)溢出轉(zhuǎn)鼓，經(jīng)排液口排出機(jī)外。109螺旋式離心機(jī)工作原理轉(zhuǎn)鼓與螺旋以一定差速同向高速旋轉(zhuǎn)，懸浮液6）多室式multichambercentrifuge

轉(zhuǎn)鼓內(nèi)有若干同心圓筒組成的環(huán)狀分離室，加長(zhǎng)了被分離液體的流程，使液層減薄，增加了沉降面積，減少了沉降距離。同時(shí)還有粒度篩分的作用，懸浮液中的粗顆粒沉降到靠近內(nèi)部的分離室壁上，細(xì)顆粒則沉降到靠近外部的室壁上，澄清的分離液經(jīng)溢流排出。常用于抗菌素液－液萃取分離，果汁和酒類(lèi)飲料的澄清等。1106）多室式multichambercentrifuge轉(zhuǎn)1、差速離心

2、密度梯度離心

3、等密梯度離心

三、超離心法111三、超離心法1111、差速離心

差速離心是指采用不同的離心速度和離心時(shí)間，使不同沉降速度的顆粒分批分離的方法。1121、差速離心1122、密度梯度離心

（1）定義：樣品在密度梯度介質(zhì)中進(jìn)行離心，使沉降系數(shù)比較接近的物質(zhì)分離的一種區(qū)帶分離方法。

（2）梯度介質(zhì)：為了使沉降系數(shù)比較接近的顆粒得以分離，必須配制好適宜的密度梯度系統(tǒng)。密度梯度系統(tǒng)是在溶劑中加入一定的溶質(zhì)制成的。這種溶質(zhì)稱(chēng)為梯度介質(zhì)。常用的梯度介質(zhì)有蔗糖、甘油等。使用最多的是蔗糖密度梯度系統(tǒng)，其適用范圍是：蔗糖濃度5～60%，密度范圍1.02～1.30g/cm3。1132、密度梯度離心113（3）不同密度梯度條件下物質(zhì)的分離離心后不同大小、不同形狀、具有一定沉降系數(shù)差異的顆粒，在密度梯度溶液中形成若干條界面清楚的不連續(xù)區(qū)帶。114（3）不同密度梯度條件下物質(zhì)的分離離心后不同大小、不同形狀、（4）密度梯度的形成

兩種不同濃度的溶液（蔗糖溶液）以不同比例混合形成。115（4）密度梯度的形成1153、等密度梯度離心

當(dāng)欲分離的不同顆粒的密度范圍處于離心介質(zhì)的密度范圍內(nèi)時(shí)，在離心力的作用下，不同密度的顆?；蛳蛳鲁两?，或向上飄浮，只要時(shí)間足夠長(zhǎng)，就可以一直移動(dòng)到與它們各自的密度恰好相等的位置（等密度點(diǎn)），形成區(qū)帶。這種方法稱(chēng)為等密度梯度離心，或稱(chēng)為平衡等密度離心。

1163、等密度梯度離心116等密梯度離心常用的離心介質(zhì)是銫鹽，如氯化銫（CsCl）、硫酸銫（Cs2SO4）、溴化銫（CsBr）等。有時(shí)也可以采用三碘苯的衍生物作為離心介質(zhì)。

117117118118四、離心條件的確定1、離心力（離心速度）2、離心時(shí)間3、溫度與pH

119四、離心條件的確定1、離心力（離心速度）1191、離心力（離心速度）◆一般可以用離心速度，即轉(zhuǎn)子每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù)表示。如5000r/min等。◆在高速離心，特別是超速離心時(shí)，往往以相對(duì)離心力（RCF）表示。如60000×g等。（此表示方法已不經(jīng)常使用）◆相對(duì)離心力是指顆粒所受到的離心力與地心引力之比值。

1201、離心力（離心速度）120

FcRCF=——=mrω2/mgFg=4π2n2r/3600×980=1.118×10-5·n2·r(ω＝2πn/60)式中:RCF:相對(duì)離心力(×g)Fc：離心力Fg：地心引力n:轉(zhuǎn)子每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)(r/min)r:旋轉(zhuǎn)半徑(cm)121Fc121離心力與轉(zhuǎn)速

換算轉(zhuǎn)速/rpm相對(duì)離心力/g離心半徑/cm122離心力與轉(zhuǎn)速

換算轉(zhuǎn)速/rpm相對(duì)離心力/g離心半徑/cm12、離心時(shí)間◆對(duì)于常速離心、高速離心和差速離心來(lái)說(shuō)，離心時(shí)間是指顆粒從離心管中樣品液的液面完全沉降到離心管底的時(shí)間，稱(chēng)為沉降時(shí)間或澄清時(shí)間；◆對(duì)于密度梯度離心而言，離心時(shí)間是指形成界限分明的區(qū)帶的時(shí)間，稱(chēng)為區(qū)帶形成時(shí)間；◆等密梯度離心所需的離心時(shí)間是指顆粒完全達(dá)到等密度點(diǎn)的平衡時(shí)間，稱(chēng)為平衡時(shí)間。

1232、離心時(shí)間123◆最常用到的是沉降時(shí)間。沉降時(shí)間決定于顆粒的沉降速度和沉降距離。對(duì)于已經(jīng)知道沉降系數(shù)的顆粒，其沉降時(shí)間可以用下列公式計(jì)算：

124◆最常用到的是沉降時(shí)間。124◆沉降時(shí)間的計(jì)算公式：

式中，t：沉降時(shí)間（s）S：顆粒的沉降系數(shù)（s）：顆粒在單位離心力場(chǎng)中粒子移動(dòng)的速度。ω：轉(zhuǎn)子角速度（rad/s）r1，r2：分別為旋轉(zhuǎn)軸中心到樣品液液面和離心管底的距離（cm）

125◆沉降時(shí)間的計(jì)算公式：125上式中括號(hào)中部分可以用轉(zhuǎn)子的效率因子K表示。

K與轉(zhuǎn)子的半徑和轉(zhuǎn)速有關(guān)。生產(chǎn)廠家已經(jīng)在轉(zhuǎn)子出廠時(shí)表示出了最大轉(zhuǎn)速式的K值。

對(duì)于某一具體的顆粒來(lái)說(shuō)，沉降系數(shù)S為定值，所以K值越小，其沉降時(shí)間就越短，轉(zhuǎn)子的使用效率就越高。126上式中括號(hào)中部分可以用轉(zhuǎn)子的效率因子K表示。1263、溫度與pH◆對(duì)于生物活性物質(zhì)，離心溫度一般控制在4℃左右，對(duì)于某些耐熱性較好的物質(zhì)，也可以在室溫條件下進(jìn)行離心分離?！綦x心介質(zhì)的pH值必須是處于被分離物質(zhì)穩(wěn)定的pH值范圍內(nèi)，必要時(shí)可以采用緩沖溶液。1273、溫度與pH1272.3全發(fā)酵液提取一種新型的生物分離技術(shù)概念被提出：集成化分離技術(shù)，即對(duì)已有的兩種或兩種以上的單元操作進(jìn)行有效的組合，組成一種有效的單元操作，以達(dá)到提高產(chǎn)品收率、縮短純化步驟、降低純化費(fèi)用和投資成本的目的。1.用膜技術(shù)進(jìn)行全發(fā)酵液提取2.用雙水相萃取進(jìn)行全發(fā)酵液提取3.用擴(kuò)張床吸附進(jìn)行全發(fā)酵液提取1282.3全發(fā)酵液提取一種新型的生物分離技術(shù)概念被提出：集成化分?jǐn)U張床亦稱(chēng)膨脹床是發(fā)展中的吸附分離技術(shù)。九十年代初，英國(guó)劍橋大學(xué)的H.A.Chase等通過(guò)對(duì)吸附劑的改進(jìn)及對(duì)層析柱和流體分布器的精心設(shè)計(jì)，得到了穩(wěn)定、返混小的擴(kuò)張床。

擴(kuò)張床吸附技術(shù)

Expandedbedadsorption129擴(kuò)張床亦稱(chēng)膨脹床是發(fā)展中的吸附分離技術(shù)。擴(kuò)張床吸附技術(shù)

Ex

吸附介質(zhì)顆粒在向上流動(dòng)的上清作用下擴(kuò)張起來(lái)，上清中的目標(biāo)蛋白被吸附于介質(zhì)上，而細(xì)胞及碎片通過(guò)柱子而流出，而洗脫目標(biāo)蛋白時(shí)從反方向?qū)⑽浇橘|(zhì)壓緊，再用洗脫液將目標(biāo)蛋白洗下來(lái)。操作分為五個(gè)部分:(1)平衡、(2)吸附、(3)沖洗、(4)洗脫和(5)再生。130吸附介質(zhì)顆粒在向上流動(dòng)的上清作用下擴(kuò)張起來(lái)擴(kuò)張床吸附技術(shù)擴(kuò)張床吸附集澄清、濃縮和初步純化于一體的分離純化技術(shù)。可以減少離心或過(guò)濾等單元操作步驟，節(jié)約操作周期。提高目標(biāo)產(chǎn)物的收率，降低了分離純化的成本，被稱(chēng)為近幾十年來(lái)出現(xiàn)的第一個(gè)新的單元操作。隨著商業(yè)化吸附劑和裝置的出現(xiàn)，愈來(lái)愈多地引起人們的興趣和關(guān)注。131擴(kuò)張床吸附技術(shù)擴(kuò)張床吸附集澄清、濃縮和初步純化于一體的分離純132132思考題１發(fā)酵液為何需要預(yù)處理？處理方法有哪些？2

何謂過(guò)濾操作？如何強(qiáng)化過(guò)濾速度？3凝集與絮凝過(guò)程有何區(qū)別？如何將兩者結(jié)合使用？4固液分離的方法有哪些？5改善過(guò)濾過(guò)程的方法？6為什么說(shuō)擴(kuò)張床吸附是一種集成化的分離技術(shù)?133思考題１發(fā)酵液為何需要預(yù)處理？處理方法有哪些？133謝謝46、我們?nèi)粢呀邮茏顗牡?，就再?zèng)]有什么損失。——卡耐基

47、書(shū)到用時(shí)方恨少、事非經(jīng)過(guò)不知難?！懹?/p>

48、書(shū)籍把我們引入最美好的社會(huì)，使我們認(rèn)識(shí)各個(gè)時(shí)代的偉大智者?！访罓査?/p>

49、熟讀唐詩(shī)三百首，不會(huì)作詩(shī)也會(huì)吟。——孫洙

50、誰(shuí)和我一樣用功，誰(shuí)就會(huì)和我一樣成功?！刂x謝46、我們?nèi)粢呀邮茏顗牡?，就再?zèng)]有什么損失?！突?2發(fā)酵液的預(yù)處理和固液分離02發(fā)酵液的預(yù)處理和固液分離02發(fā)酵液的預(yù)處理和固液分離第二章

發(fā)酵液的預(yù)處理和固液分離2生物技術(shù)下游加工過(guò)程的一般步驟302發(fā)酵液的預(yù)處理和固液分離02發(fā)酵液的預(yù)處理和固液分離02發(fā)酵液的預(yù)處理和固液分離課件發(fā)酵液的預(yù)處理和固液分離課件發(fā)酵液的預(yù)處理和固液分離課件發(fā)酵液的預(yù)處理和固液分離課件2.1發(fā)酵液的預(yù)處理（Pretreatment）1402.1發(fā)酵液的預(yù)處理（Pretreatment）6為何要對(duì)發(fā)酵液進(jìn)行預(yù)處理？發(fā)酵液的基本特性發(fā)酵產(chǎn)物濃度較低，大多為1-10%，懸浮物顆粒小，細(xì)胞的相對(duì)密度與培養(yǎng)液相似。可壓縮性液相粘度大，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(yùn)動(dòng)141為何要對(duì)發(fā)酵液進(jìn)行預(yù)處理？發(fā)酵液的基本特性7為何要對(duì)發(fā)酵液進(jìn)行預(yù)處理？固液分離方法主要是過(guò)濾和離心。對(duì)于細(xì)菌及某些放線菌，菌體細(xì)小，液體粘度大，不能直接過(guò)濾，若用高速離心，能耗很大，設(shè)備昂貴。若用膜分離技術(shù)（如微濾）易產(chǎn)生膜污染，通量降低。發(fā)酵液中由于菌體自溶，核酸、蛋白質(zhì)及其它有機(jī)粘性物質(zhì)的存在也會(huì)影響固液分離。因而尋找一種經(jīng)濟(jì)有效的方法來(lái)提高固液分離速度顯得十分必要。預(yù)處理是生化物質(zhì)分離純化過(guò)程中必不可少的首要步驟142為何要對(duì)發(fā)酵液進(jìn)行預(yù)處理？固液分離方法主要是過(guò)濾和離心。8預(yù)處理的目的促進(jìn)從懸浮液中分離固形物的速度，提高固液分離的效率：⑴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。⑵相對(duì)純化，去除發(fā)酵液中的部分雜質(zhì)（高價(jià)無(wú)機(jī)離子、雜蛋白質(zhì)、及色素、熱原質(zhì)、毒性物質(zhì)等有機(jī)物質(zhì)），以利于后續(xù)各步操作。⑶盡可能使產(chǎn)物轉(zhuǎn)入便于后處理的一相中（多數(shù)是液相）；

143預(yù)處理的目的促進(jìn)從懸浮液中分離固形物的速度，提高固液分離的效預(yù)處理的方法凝聚和絮凝Coagulationandflocculation

加熱法Heating調(diào)節(jié)懸浮液的pH值RegulationofpH雜蛋白的去處Removalofuselessprotein高價(jià)無(wú)機(jī)離子的去處Removalofinorganicion助濾劑Filteraids和反應(yīng)劑Reactant

144預(yù)處理的方法凝聚和絮凝Coagulationandfl一凝聚和絮凝在發(fā)酵液預(yù)處理中的應(yīng)用凝聚與絮凝處理過(guò)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)等膠體粒子的分散狀態(tài)，破壞其穩(wěn)定性，使其聚集起來(lái),增大體積以便固液分離。凝聚和絮凝技術(shù)常用于菌體細(xì)小而且黏度大的發(fā)酵液的預(yù)處理中。145一凝聚和絮凝在發(fā)酵液預(yù)處理中的應(yīng)用凝聚與絮凝處理過(guò)程就是將凝聚和絮凝是兩種方法，兩個(gè)概念。凝聚：指在投加的化學(xué)物質(zhì)（鋁、鐵的鹽類(lèi)）作用下，膠體脫穩(wěn)并使粒子相互聚集成１mm大小塊狀凝聚體的過(guò)程。絮凝：指使用絮凝劑（天然的和合成的大分子量聚電解質(zhì)）將膠體粒子交聯(lián)成網(wǎng)，形成10mm大小絮凝團(tuán)的過(guò)程。其中絮凝劑主要起架橋作用。凝聚和絮凝146凝聚和絮凝是兩種方法，兩個(gè)概念。凝聚和絮凝12凝聚：膠體粒子在中性鹽促進(jìn)下脫穩(wěn)相互聚集成大粒子（1mm）

機(jī)理：

1）中和粒子表面電荷

2）消除雙電層結(jié)構(gòu)3）破壞水化膜

（一）凝聚Coagulation147凝聚：膠體粒子在中性鹽促進(jìn)下脫穩(wěn)相互聚集成大粒子（1mm）（發(fā)酵液中菌體表面帶有負(fù)電荷，由于靜電引力使溶液中反離子被吸附在其周?chē)?，在界面上形成了雙電層。正離子同時(shí)受到使它們均勻分布的熱運(yùn)動(dòng)影響，具有離開(kāi)膠粒表面的趨勢(shì)。膠體雙電層結(jié)構(gòu)148發(fā)酵液中菌體表面帶有負(fù)電荷，由于靜電引力使溶液中反離子被吸附兩種相反作用力下，雙電層分裂成兩部：1）吸附層或stern層；2）擴(kuò)散層。形成了擴(kuò)散雙電層的結(jié)構(gòu)模型(Gouy-Chapman-Sternmodel)。膠體雙電層結(jié)構(gòu)149兩種相反作用力下，雙電層分裂成兩部：膠體雙電層結(jié)構(gòu)15吸附層：距膠核表面約一個(gè)離子半徑的Stern平面以?xún)?nèi)，正離子被緊密結(jié)合在膠核表面，不流動(dòng)。分散層：緊密層外圍反離子濃度逐漸降低直至達(dá)到主體溶液的平均濃度。滑移面：當(dāng)膠體粒子在溶液中作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，總有一薄層液體，隨著它一起滑移，這一薄層，厚度比吸附層稍大。150吸附層：距膠核表面約一個(gè)離子半徑的Stern平面以?xún)?nèi)，正離子膠體雙電層結(jié)構(gòu)不同界面上形成不同的電位:膠核表面的電位φs是整個(gè)雙電層的電位;Stern平面上的電位為φd;滑移面上的電位為ζ,稱(chēng)ζ電位（電動(dòng)電位）。圖2-1151膠體雙電層結(jié)構(gòu)不同界面上形成不同的電位:圖2-117ζ電位是控制膠粒間電排斥作用的電位，用來(lái)表征雙電層的特征，并作為研究凝聚機(jī)理的重要參數(shù)。帶電粒子間的靜電相互作用取決于ζ電位的大小。當(dāng)雙電層的ζ電位足夠大時(shí)，靜電排斥作用抵御分子間的相互吸引作用，使蛋白質(zhì)溶液處于穩(wěn)定狀態(tài)。152ζ電位是控制膠粒間電排斥作用的電位，用來(lái)表征雙電層的特征，并ζ電位的計(jì)算：D—水的介電常數(shù)；q—膠體的電動(dòng)電荷密度，即滑移面上的電荷密度；

δ—擴(kuò)散層的有效厚度，即為吸附層和擴(kuò)散層界面處電位φd降低到其值為1/e處的距離，不能直接測(cè)定.式2-1153ζ電位的計(jì)算：D—水的介電常數(shù)；式2-119δ—擴(kuò)散層的有效厚度式中N—阿伏伽德羅常數(shù)；T—熱力學(xué)溫度：k—波爾茲曼常數(shù)；e—電子電荷；Zi—i種反離子的化合價(jià)；Ci—i種離子的摩爾濃度。式2-2154δ—擴(kuò)散層的有效厚度式中N—阿伏伽德羅常數(shù)；式雙電層與凝聚由式（2－1）和式（2－2）可知，ζ電位與擴(kuò)散層厚度δ和電動(dòng)電荷密度q成正比，而擴(kuò)散層厚度又與溶液中反離子強(qiáng)度和電荷成反比。對(duì)帶負(fù)電性菌體的發(fā)酵液，高價(jià)陽(yáng)離子的存在，可壓縮擴(kuò)散層的厚度，促使ζ電位迅速降低，而且化合價(jià)越高，這種影響越顯著。155雙電層與凝聚由式（2－1）和式（2－2）可知，ζ電位與擴(kuò)散層凝聚價(jià)或凝聚值在發(fā)酵液中加入具有高價(jià)陽(yáng)離子的電解質(zhì)，能脫除膠粒表面的水化膜，降低ζ電位，使雙電層的排斥力減少，當(dāng)不足以抗衡膠粒間的范德華引力時(shí)，由于熱運(yùn)動(dòng)的結(jié)果導(dǎo)致膠粒的互相碰撞而聚集起來(lái)。電解質(zhì)的凝聚能力可用凝聚價(jià)或凝聚值來(lái)表示，使膠粒發(fā)生凝聚作用的最小電解質(zhì)濃度（毫摩爾／升），稱(chēng)為凝聚價(jià)或凝聚值。156凝聚價(jià)或凝聚值在發(fā)酵液中加入具有高價(jià)陽(yáng)離子的電解質(zhì)，能脫除Schulze－Hardy法則：反離子的價(jià)數(shù)越高，凝聚價(jià)越小，即凝聚能力越強(qiáng)。陽(yáng)離子對(duì)帶負(fù)電荷的膠粒凝聚能力受化合價(jià)、水化半徑、離子運(yùn)動(dòng)能力的影響，次序?yàn)锳l3+>Fe3+>H+>Ca2+>Mg2+>K+>Na+>Li+157Schulze－Hardy法則：反離子的價(jià)數(shù)越高，凝聚價(jià)越小常用的凝聚劑電解質(zhì)有：硫酸鋁Al2(SO4)3?18H2O（明礬）；氯化鋁AlCl3?6H2O;三氯化鐵FeCl3;硫酸亞鐵FeSO4·7H2O；石灰；ZnSO4；MgCO3158常用的凝聚劑電解質(zhì)有：硫酸鋁Al2(SO4)3?18H2O絮凝：大分子聚電解質(zhì)將膠體粒子交聯(lián)成網(wǎng)狀，形成絮凝團(tuán)的過(guò)程

機(jī)理：架橋作用

采用絮凝法可形成粗大的絮凝體，使發(fā)酵液較易分離。（二）絮凝flocculation159絮凝：大分子聚電解質(zhì)將膠體粒子交聯(lián)成網(wǎng)狀，形成絮凝團(tuán)的過(guò)程

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)萬(wàn)至一千萬(wàn)以上，長(zhǎng)鏈狀結(jié)構(gòu)，其鏈節(jié)上含有許多活性官能團(tuán)，包括離子基團(tuán)以及非離子型基團(tuán)。它們通過(guò)靜電引力、范德華引力或氫鍵的作用，強(qiáng)烈地吸附在膠粒的表面。當(dāng)一個(gè)高分子聚合物的許多鏈節(jié)分別吸附在不同的膠粒表面上，產(chǎn)生架橋聯(lián)結(jié)時(shí)，就形成較大絮團(tuán)，產(chǎn)生絮凝作用。

絮凝160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)萬(wàn)高分子絮凝劑的吸附架橋作用161高分子絮凝劑的吸附架橋作用27可分為四類(lèi)：人工合成有機(jī)高分子聚合物、天然有機(jī)高分子聚合物、無(wú)機(jī)高分子聚合物、微生物絮凝劑1）目前常用的是人工合成有機(jī)高分子聚合物，如聚丙烯酰胺類(lèi)衍生物、聚乙烯亞胺衍生物；聚丙烯酸類(lèi)和聚苯乙烯類(lèi)衍生物。工業(yè)上使用的絮凝劑162可分為四類(lèi)：人工合成有機(jī)高分子聚合物、天然有機(jī)高分子聚合物、高分子聚合物絮凝劑根據(jù)活性基團(tuán)在水中解離情況不同，可分為三類(lèi)：陰離子型（含有羧基)、陽(yáng)離子型（含有胺基）、非離子型163高分子聚合物絮凝劑根據(jù)活性基團(tuán)在水中解離情況不同，可聚丙烯酰胺類(lèi)絮凝劑的優(yōu)點(diǎn)用量少，一般以mg/L計(jì)量；絮凝體粗大，分離效果好；絮凝速度快；種類(lèi)多，適用范圍廣。聚丙烯酰胺類(lèi)絮凝劑的缺點(diǎn)：存在一定的毒性，特別是陽(yáng)離子型聚丙烯酰胺，用于食品和醫(yī)藥工業(yè)時(shí)應(yīng)謹(jǐn)慎。目前最常見(jiàn)：聚丙烯酰胺類(lèi)絮凝劑164聚丙烯酰胺類(lèi)絮凝劑的優(yōu)點(diǎn)聚丙烯酰胺類(lèi)絮凝劑的缺點(diǎn)：目前最常見(jiàn)2）天然有機(jī)高分子絮凝劑人工合成有機(jī)高分子絮凝劑雖然發(fā)展很快，但還存在著殘留單體有毒，生物降解難等問(wèn)題，所以其應(yīng)用受到了限制。天然有機(jī)高分子絮凝劑具有無(wú)毒，易生物降解，原料來(lái)源廣等優(yōu)點(diǎn)。天然有機(jī)高分子改性絮凝劑根據(jù)其原料來(lái)源不同可分為淀粉類(lèi)、纖維素類(lèi)、植物膠類(lèi)和聚多糖類(lèi)。其中淀粉改性絮凝劑的研究開(kāi)發(fā)最引人注目。1652）天然有機(jī)高分子絮凝劑人工合成有機(jī)高分子絮凝劑雖然發(fā)展很快3）無(wú)機(jī)高分子聚合物有聚合鐵系和鋁系兩大類(lèi)鐵系絮凝劑具有操作簡(jiǎn)單、費(fèi)用低，受溫度影響小，親和力強(qiáng)，能有效地去除懸浮物、表面活性劑、破壞油水乳狀液的能力很強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)腐蝕性強(qiáng)、穩(wěn)定性差。鋁系是目前應(yīng)用廣、工藝較成熟的一類(lèi)無(wú)機(jī)金屬鹽絮凝劑，絮凝效果好，缺點(diǎn)具毒性等。1663）無(wú)機(jī)高分子聚合物有聚合鐵系和鋁系兩大類(lèi)32微生物絮凝劑微生物絮凝劑是近年來(lái)研究和開(kāi)發(fā)的新型絮凝劑，一類(lèi)由微生物或其分泌物產(chǎn)生的具有絮凝細(xì)胞功能的代謝產(chǎn)物。包括直接利用微生物細(xì)胞的絮凝劑、利用微生物細(xì)胞壁代謝產(chǎn)物的絮凝劑和克隆技術(shù)所獲得的絮凝劑主要成分是糖蛋白、粘多糖、纖維素及核酸等高分子物質(zhì)。微生物絮凝劑和天然絮凝劑與化學(xué)合成的絮凝劑相比，最大的優(yōu)點(diǎn)是安全，無(wú)毒和不污染環(huán)境。167微生物絮凝劑微生物絮凝劑是近年來(lái)研究和開(kāi)發(fā)的新型絮凝劑，33微生物絮凝劑1、微生物絮凝劑的商業(yè)化生產(chǎn)始于20世紀(jì)90年代，如紅平紅球菌及由此制成的NOC-1是目前發(fā)現(xiàn)的最佳微生物絮凝劑

2、微生物絮凝劑或?qū)⒋蟛糠痔娲胀ㄐ跄齽?、浮游藻類(lèi)、草分枝桿茵、硅酸鹽芽孢桿菌。168微生物絮凝劑1、微生物絮凝劑的商業(yè)化生產(chǎn)始于20世紀(jì)90年代絮凝的影響因素發(fā)酵液的性質(zhì)（細(xì)胞濃度，表面電荷）；絮凝劑的濃度，最佳用量為粒子表面積約有一半被聚合物覆蓋；絮凝劑的分子量；pH控制；攪拌速度。169絮凝的影響因素發(fā)酵液的性質(zhì)（細(xì)胞濃度，表面電荷）；35

a.絮凝劑濃度

濃度增加有助于架橋充分，但是過(guò)多的加量會(huì)引起吸附飽和，在膠粒上形成覆蓋層而產(chǎn)生再次穩(wěn)定現(xiàn)象。最佳用量為粒子表面積約有一半被聚合物覆蓋；170

a.絮凝劑濃度36

分子量提高、鏈增長(zhǎng)，可使架橋效果明顯；但分子量不能超過(guò)一定的限度，因?yàn)殡S分子量提高，高分子絮凝劑的水溶性降低，因此，分子量的選擇應(yīng)適當(dāng)。b.高分子絮凝劑分子量171

分子量提高、鏈增長(zhǎng)，可使架橋效果明顯；b.高分子絮凝劑分子

溶液pH的變化會(huì)影響絮凝劑功能團(tuán)的電離度，從而影響分子鏈的伸展形態(tài)。電離度增大，鏈節(jié)上相鄰離子基團(tuán)間的電排斥作用，使分子鏈從卷曲狀態(tài)變?yōu)樯煺範(fàn)顟B(tài)，架橋能力提高。c.溶液pH172

溶液pH的變化會(huì)影響絮凝劑功能團(tuán)的電離度，從而影響分子鏈的對(duì)于帶負(fù)電荷的菌體或蛋白質(zhì)來(lái)說(shuō)，采用陽(yáng)離子型高分子絮凝劑同時(shí)具有降低膠粒雙電層電位和產(chǎn)生吸附橋架的雙重機(jī)理，單獨(dú)使用可達(dá)到較好絮凝效果；對(duì)于非離子型和陰離子型高分子絮凝劑，要采用凝聚和絮凝雙重機(jī)理才能提高過(guò)濾效果。這種包括凝聚和絮凝機(jī)理的過(guò)程，稱(chēng)為混凝。（三）混凝173對(duì)于帶負(fù)電荷的菌體或蛋白質(zhì)來(lái)說(shuō)，采用陽(yáng)離子型高分子絮凝劑同時(shí)二預(yù)處理-加熱1）加熱降低液體粘度流體力學(xué)原理：過(guò)濾速率與液體的粘度成反比，降低液體粘度（加水稀釋法和加熱法等）可有效提高過(guò)濾速率。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。加熱是發(fā)酵液預(yù)處理最簡(jiǎn)單最常用的方法。加熱能改善發(fā)酵液的操作特性。麥芽汁的黏度-溫度曲線。174二預(yù)處理-加熱1）加熱降低液體粘度加熱是發(fā)酵液預(yù)處理最簡(jiǎn)單二預(yù)處理-加熱2）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)酵液加熱至80℃以上，可使蛋白質(zhì)變性凝固，過(guò)濾速度加快。加熱處理只適用于對(duì)熱較穩(wěn)定的液體。注意加熱溫度與時(shí)間，不影響產(chǎn)物活性和細(xì)胞的完整性。有時(shí)加熱會(huì)增加發(fā)酵液的顏色增加后處理的難度。

175二預(yù)處理-加熱2）加熱使蛋白質(zhì)變性凝固41三預(yù)處理-調(diào)節(jié)pHpH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)pH值可改善其過(guò)濾特性。細(xì)胞(碎片)及某些膠體物質(zhì)在某個(gè)pH值下也可能趨于絮凝而成為較大顆粒，有利于過(guò)濾的進(jìn)行。調(diào)節(jié)發(fā)酵液的pH到蛋白質(zhì)的等電點(diǎn)是除去蛋白質(zhì)的有效方法。大幅度改變pH還能使蛋白質(zhì)變性凝固。通過(guò)調(diào)整pH值改變膜過(guò)濾中易吸附分子的電荷性質(zhì)，可減少膜堵塞和污染；影響離子型絮凝劑的電離度。176三預(yù)處理-調(diào)節(jié)pHpH值直接影響發(fā)酵液中某些物質(zhì)的電

0020040060061218pH4.6pH4.2pH3.8pH2.8FiltrateVolume,cm3Time,minutesFigTheeffectonfiltratevolumeofpH177

0020040060061218pH4.6pH4.2p

案例

鏈霉素生產(chǎn)中，采用調(diào)pH至酸性pH3.0，加熱至70℃，維持半個(gè)小時(shí)的方法來(lái)使蛋白變性，能使過(guò)濾速度增大10-100倍，濾液粘度可降低1/6。178

案例44四

加入惰性助濾劑（filteraids）

助濾劑是一種顆粒均勻，質(zhì)地堅(jiān)硬，不可壓縮的粒狀惰性物質(zhì)。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，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(guò)濾阻力。目前生物工業(yè)中常用的助濾劑是硅藻土，其次是珍珠巖粉、活性炭、石英砂、石棉粉、纖維素、白土等。179四加入惰性助濾劑（filteraids）助濾劑是一種顆助濾劑的選擇(1)粒度根據(jù)懸浮液中的顆粒和濾液的澄清度確定，一般顆粒較小的濾餅應(yīng)采用細(xì)小的助濾劑。(2)助濾劑的品種應(yīng)根據(jù)過(guò)濾介質(zhì)選擇助濾劑品種。使用粗目濾網(wǎng)時(shí)易泄漏，可選擇石棉粉、纖維素；采用細(xì)目濾布時(shí)，可使用細(xì)硅藻土；(3)用量間歇操作時(shí)，過(guò)濾介質(zhì)表面預(yù)涂助濾劑，其厚度應(yīng)不小于2mm。連續(xù)過(guò)濾機(jī)中根據(jù)過(guò)濾速度確定。使用硅藻土?xí)r，通常細(xì)粒為500g/m3，中等粒度700g/m3,粗粒700-1000g/m3。180助濾劑的選擇(1)粒度46五.加入反應(yīng)劑加入某些不影響目標(biāo)產(chǎn)物的反應(yīng)劑，可消除發(fā)酵液中的一些雜質(zhì)對(duì)過(guò)濾的影響，從而提高過(guò)濾速度。

1）加入反應(yīng)劑與某些可溶性鹽類(lèi)發(fā)