第2章发酵液的预处理.ppt

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1、第第2章章 发酵液的预处理及固液分离发酵液的预处理及固液分离重点：预处理的作用及常用方法 凝聚与絮凝的原理及异同点 杂蛋白、高价无机离子的去除方法 一一.生化分离工程的工艺流程：生化分离工程的工艺流程：第一节第一节 发酵液的预处理发酵液的预处理二二.发酵液的预处理技术：发酵液的预处理技术：悬浮液的基本特性悬浮液的基本特性细胞的相对密度与培养液相似，沉降不细胞的相对密度与培养液相似，沉降不容易；容易；可压缩性，粘稠，非牛顿流体，流动性可压缩性，粘稠，非牛顿流体，流动性差，不利于进行过滤、吸附、萃取等操差，不利于进行过滤、吸附、萃取等操作；作；发酵液成分复杂，有些杂质对后续分离发酵液成分复杂，有些

2、杂质对后续分离有害。有害。二二.发酵液的预处理技术：发酵液的预处理技术：改善发酵液的物理性质：改善发酵液的物理性质：流变性质、颗粒粒度流变性质、颗粒粒度预处理预处理的目的的目的去除部分杂质：杂蛋白、去除部分杂质：杂蛋白、多糖、高价无机离子等多糖、高价无机离子等二二.发酵液的预处理技术：发酵液的预处理技术：物理性物理性质的改善质的改善杂质杂质的去除的去除预处理预处理的方法的方法加热（降低黏度、加热（降低黏度、去除杂蛋白）去除杂蛋白）凝聚与絮凝（增大凝聚与絮凝（增大粒度）粒度）加助滤剂（改善过加助滤剂（改善过滤）滤）去杂蛋白（等电点、去杂蛋白（等电点、变性剂、吸附）变性剂、吸附）去多糖（酶解）去多

3、糖（酶解）去离子（沉淀）去离子（沉淀）凝聚和絮凝技术能有效地改变细胞、菌体和蛋白质等胶体粒子的分散状态，使聚集起来，增大体积，以便于过滤，常用于菌体细小而且粘度大的发酵液的预处理中。三三.凝聚和絮凝技术凝聚和絮凝技术 凝聚凝聚是在高价无机盐作用高价无机盐作用下，由于双电层排斥双电层排斥电位的降低电位的降低，而使胶体体系不稳定胶体体系不稳定的现象。絮凝絮凝是指在某些高分子絮凝剂存在下高分子絮凝剂存在下，基于架桥架桥作用作用，使胶粒形成粗大的絮凝团絮凝团的过程，是一种以物物理的集合为主理的集合为主的过程。凝聚和絮凝的概念凝聚和絮凝的概念 扩散双电层的结构模型图 胶粒能保持分散状态的原因凝聚技术凝聚

4、技术扩散双电层的结构模型图 胶粒能保持分散状态的原因保持分散状态的原因主要是带有相同电荷和扩散双电层的结构，一旦由于布朗（Brown）运动使粒子间距离缩小到它们的扩散层部分重叠扩散层部分重叠时，即产生使两个粒子分开：从而阻止了粒子的聚集阻止了粒子的聚集。电位电位越大越大，电排斥作用就越强，胶粒的分散程度也越大，此外，由于胶粒表面的水化作用水化作用，形成了包围于粒子周围的水化层水化层，也能阻碍胶粒间的直接聚集直接聚集。但是，水化膜水化膜主要是伴随胶粒带电而引起伴随胶粒带电而引起的，一旦电位电位降低或消除，水化层水化层也会随之减弱或消失减弱或消失。常用的凝聚剂常用的凝聚剂Al2(SO4)3.18H

5、2O，AlCl3.6H2O，FeCl3，ZnSO4，MgCl2阳离子对负电荷的胶粒凝聚能力次序为：Al3+Fe3+H+Ca2+Mg2+K+Na+Li+n絮凝剂是一种能溶于水的高分子聚合物絮凝剂是一种能溶于水的高分子聚合物，其相，其相对分子质量可高达数万至一千万以上，长链状对分子质量可高达数万至一千万以上，长链状结构，其链节上含有许多活性官能团，包括带结构，其链节上含有许多活性官能团，包括带电荷的阴离子（如电荷的阴离子（如-COOH）或阳离子（如）或阳离子（如-NH2）基团以及不带电荷的非离子型基团。）基团以及不带电荷的非离子型基团。n它们通过静电引力、范德华引力或氢键的作用，它们通过静电引力、

6、范德华引力或氢键的作用，强烈地吸附在胶粒的表面。强烈地吸附在胶粒的表面。当一个高分子聚合当一个高分子聚合物的许多链节分别吸附在不同的胶粒表面上，物的许多链节分别吸附在不同的胶粒表面上，产生产生桥架连接桥架连接时，就形成了较大的絮团，这就时，就形成了较大的絮团，这就是絮凝作用。是絮凝作用。絮凝絮凝絮凝原理絮凝原理l 絮凝剂用量:絮凝效果呈钟形变化。l 溶液的pH：pH主要影响离子型絮凝剂中功能团的电离度，从而影响了分子链的伸展状态，改变了架桥能力。l 搅拌速度和时间：l 助滤剂：添加助滤剂能增加絮凝效果。絮凝作用的影响因素：1.1.聚丙烯酰胺（聚丙烯酰胺（PolyacrylamidePolyac

7、rylamide）衍生物：）衍生物：非离子型、阴离子型（含-COOH）、阳离子型（含-NH2）由于聚丙烯酰胺类絮凝剂具有用量少，一般以由于聚丙烯酰胺类絮凝剂具有用量少，一般以ppm计量，絮凝体粗大，计量，絮凝体粗大，分离效果好，絮凝速度快以及种类多等优点，所以适用范围广。分离效果好，絮凝速度快以及种类多等优点，所以适用范围广。2.2.苯乙烯类衍生物及其无机高分子聚合物絮凝剂苯乙烯类衍生物及其无机高分子聚合物絮凝剂 聚合铝盐、聚合铁盐3.3.天然有机高分子絮凝剂天然有机高分子絮凝剂 明胶、海藻酸钠在食品工业上应用较多壳聚糖在生物产品分离中用得最多常用絮凝剂的种类：四四 杂蛋白的去除杂蛋白的去除等

8、电点沉淀等电点沉淀蛋白质一般以胶体状态胶体状态存在于发酵液中。胶体粒胶体粒子的稳定性和其所带电荷有关子的稳定性和其所带电荷有关。蛋白质在某一pH下，净电荷为零，溶解度最小，称为等电点等电点。因为羧基的电离度比氨基大羧基的电离度比氨基大，故蛋白质的酸性酸性性质通常强于碱性强于碱性，因而很多蛋白质的等电点等电点都在酸性范围内（pH 4.05.5）。四四 杂蛋白的去除杂蛋白的去除变性沉淀变性沉淀蛋白质从有规则排列变为不规则结构的过程称为变性。加热：在链霉素生产中，在pH3.0时，加热至7075，维持30min，黏度降为1/6，过滤速度提高3倍。加有机溶剂、表面活性剂、酸碱等。四四 杂蛋白的去除杂蛋白

9、的去除在酸性溶液中在酸性溶液中，蛋白质能与一些阴离子如三氯乙酸阴离子如三氯乙酸盐盐、水杨酸盐、钨酸盐、苦味酸盐、鞣酸盐、过水杨酸盐、钨酸盐、苦味酸盐、鞣酸盐、过氯酸盐氯酸盐等形成沉淀沉淀；在碱性溶液中在碱性溶液中，能与一些阳离子，如Ag，Cu2，Zn2，Fe2和和Pb2等形成沉淀沉淀。变性蛋白质溶解度较小溶解度较小。最常用的使蛋白质变性的方法是加热加热。加热还能使液体粘度降低粘度降低，加快过滤速度。该法只适用于对热较稳定的生化物质对热较稳定的生化物质。四四 杂蛋白的去除杂蛋白的去除吸附吸附在发酵液中加入一些反应剂，相互反应后生成的沉淀物可吸附蛋白质而使其沉淀。如在四环素发酵液中加入黄血盐和硫酸

10、锌，两者反应生成K2Zn3Fe(CN)62在枯草杆菌的碱性蛋白酶发酵液中加入氯化钙和磷酸盐等五五 不溶性多糖的去除不溶性多糖的去除当发酵液中含有较多不溶性多糖时，黏度增大，固液分离困难，可用酶将其转化为单糖。六六 高价无机离子的去除高价无机离子的去除n发酵液中杂质很多，其中对提炼影响最大的是高价无机离子（高价无机离子（Ca2、Mg2、Fe2）等。n 高价无机离子的存在高价无机离子的存在，会影响树脂影响树脂对生化物质的交换容量交换容量。杂蛋白质的存在杂蛋白质的存在，不仅在采用离子交换法和大网格树脂吸附法提炼时会降降低其吸附能力低其吸附能力，而且在采用有机溶剂或两水相两水相萃取萃取时，容易产生乳化

11、易产生乳化，使两相分离不清两相分离不清，在预处理时，应尽量除去这些物质。六六 高价无机离子的去除高价无机离子的去除n除去Ca2草酸钠草酸钠nMg2 草酸根（草酸镁溶解度稍大）草酸根（草酸镁溶解度稍大）或磷酸盐或磷酸盐nFe2 黄血盐（生成普鲁士兰沉淀）黄血盐（生成普鲁士兰沉淀）第二节.发酵液的过滤发酵液的过滤发酵液过滤的目的：发酵液过滤的目的：收集胞内产物的细胞或菌体，分离除去液相，或收集胞内产物的细胞或菌体，分离除去液相，或者是收集含生化物质的液相，分离除去固体悬浮者是收集含生化物质的液相，分离除去固体悬浮物，如细胞、菌体、细胞碎片、蛋白质的沉淀物物，如细胞、菌体、细胞碎片、蛋白质的沉淀物和

12、它们的絮凝体等。和它们的絮凝体等。固液分离方法传统方法：过滤（适合大规模，在发酵液预处理中最为常用）沉降 离心新方法：双水相萃取膜分离过滤影响发酵液过滤性能的因素：影响发酵液过滤性能的因素：n菌种：真菌，放线菌，细菌菌种：真菌，放线菌，细菌n培养基：黄豆，花生，淀粉，后期加油，培养培养基：黄豆，花生，淀粉，后期加油，培养基未用完基未用完n发酵时间：菌丝自溶前放罐发酵时间：菌丝自溶前放罐过滤改善过滤的方法改善过滤的方法（一）助滤剂（一）助滤剂：能改善过滤操作的质地坚硬不可压：能改善过滤操作的质地坚硬不可压缩性固体缩性固体机理：机理：表面吸附胶体及不可压缩型格子结构表面吸附胶体及不可压缩型格子结构

13、助滤剂选择：粒度与悬浮颗粒适当助滤剂选择：粒度与悬浮颗粒适当使用方法：使用方法：a a 预先制成滤饼：滤液澄清度高预先制成滤饼：滤液澄清度高b b 助滤剂混入悬浮液中一起过滤：容易达到滤速最助滤剂混入悬浮液中一起过滤：容易达到滤速最大大c c 两种方法混用两种方法混用常用助滤剂常用助滤剂：硅藻土，珍珠岩，活性炭：硅藻土，珍珠岩，活性炭（二）填充凝固剂（二）填充凝固剂（三）加降解酶（三）加降解酶过滤介质（一）滤布：棉纤维（帆布）、尼龙、涤纶（一）滤布：棉纤维（帆布）、尼龙、涤纶特点：特点：廉价、耐用、易更换廉价、耐用、易更换（二）粒状介质：起深层过滤、助滤剂作用（二）粒状介质：起深层过滤、助滤剂

14、作用（三）多孔玻璃、石英砂芯（三）多孔玻璃、石英砂芯（四）各种膜材料：一般只能采用错流过滤（四）各种膜材料：一般只能采用错流过滤板框压滤机真空过滤机过滤的常用设备：转鼓真空过滤机 DryWashImmersionKnifeCakeFeedRotary vacuum filter转鼓真空过滤机保证絮凝效保证絮凝效果最佳果最佳碱化碱化分离实例分离实例n乳酸发酵液预处理乳酸发酵液预处理80保温保温3min3min发酵液发酵液变性去除变性去除杂蛋白杂蛋白加适量加适量CaCO3调节调节pH4.0壳聚糖壳聚糖50mg/m3于于30搅拌搅拌5min加硅藻土作助滤加硅藻土作助滤剂，板框过滤剂，板框过滤滤液滤液活性炭活性炭脱色脱色过滤，过滤，取虑液取虑液浓缩浓缩（蒸发、（蒸发、膜分离）膜分离）结晶结晶（降温至（降温至510）洗涤、洗涤、酸解、酸解、脱色、脱色、过滤过滤成品成品保证产物稳保证产物稳定定稀释稀释分离实例分离实例n透明质酸发酵液预处理透明质酸发酵液预处理1/2V10%TCA发酵液发酵液变性去除降解变性去除降解酶及杂蛋白酶及杂蛋白0.8V95%乙醇乙醇调节调节pH7.0加硅藻土作助滤加硅藻土作助滤剂，板框过滤剂，板框过滤滤液滤液2V95%乙醇乙醇离心离心粗品粗品