发酵液预处理.ppt
第三章 发酵液预处理,第一节 发酵液过滤特性的改变,第三章 发酵液预处理,发酵液成分复杂：菌体，残存的固体培养基，未被微生物完全利用的糖类、无机盐、蛋白质，以及微生物的各种代谢产物。,第一节 发酵液过滤特性的改变,第一节 发酵液过滤特性的改变,第三章 发酵液预处理,发酵产物浓度较低，大多为1%10%，悬浮液中大部分是水；悬浮物颗粒小，相对密度与液相相差不大；固体粒子可压缩性大（细胞在很大程度上属于可压缩的粘稠物料）；,发酵液特性,第一节 发酵液过滤特性的改变,第三章 发酵液预处理,以上使固液分离变得相当困难，应进行适当预处理才行，降低滤饼比阻，提高过滤与分离速度。,液相粘度大，大多为非牛顿型流体；性质不稳定，随时间变化，如易受空气氧化、微生物污染、蛋白质酶水解等作用的影响。,第一节 发酵液过滤特性的改变,第三章 发酵液预处理,一般情况下发酵醪的过滤属于滤饼过滤，其过滤器的过滤速度可表示为：,式中：S是过滤面积；rm是介质阻力系数；rc是滤饼的阻力系数；是发酵醪的粘度；从以上式子可以看出，过滤速度主要取决于发酵醪的性质，即粘度和杂质含量（、rc）。,第一节 发酵液过滤特性的改变,第三章 发酵液预处理,一、降低液体粘度（加水、加热）,1、加水稀释法：,（1）加大后继过程的处理任务；,（2）实际效果：即若加水一倍，则稀释后液体的粘度下降50%以上才能有效提高过滤速度。,第一节 发酵液过滤特性的改变,第三章 发酵液预处理,2、加热：,加热可降低粘度：如12Be麦芽汁40加热到75粘下降一半，速可加倍。如链霉素pH3.0时，加热70，半小时，过滤速度可增大10-100倍。（有蛋白质凝聚）,（1）加热温度控制：不影响目标产物的活性；,（2）时间控制：不造成细胞溶解，胞内物外溢，使后续分离纯化复杂化。,第一节 发酵液过滤特性的改变,第三章 发酵液预处理,二、调整pH,（1）对于两性物质（氨基酸、蛋白质），调pH至等电点，所带净电荷为零，溶解度最小，发生等电点沉淀。,（2）膜过滤中，调整pH改变易吸附分子的电荷性质，减少堵塞和污染；,（3）细胞、细胞碎片及某些胶体物质等在某个pH值下有可能凝聚成较大颗粒，有利过滤。,第一节 发酵液过滤特性的改变,第三章 发酵液预处理,三、凝聚与絮凝,1、凝聚,（1）双电层：发酵液中胶体粒子的表面带电荷,如菌体或蛋白体（生理pH值下）带负荷静电引力，吸附阳离子,在界面形成双电层,使胶粒之间不易凝聚，稳定分散。双电层电位越高，电排反越强，胶粒稳定，分散越好，过滤越难。,第一节 发酵液过滤特性的改变,第三章 发酵液预处理,（2）电解质的凝聚：,加入电解质，在异电离子作用下，双电层电位降低，胶体稳定下降，相互碰撞而凝聚。,第一节 发酵液过滤特性的改变,第三章 发酵液预处理,（3）凝聚值,凝聚值：使胶粒发生凝集作用的最小电解质浓度（mmol/L）。,反离子的价数越高，凝聚值就越小。A13+Fe3+H+,常用的有明矾（硫酸铝）、石灰、硫酸亚铁、三氯化铁等。,第一节 发酵液过滤特性的改变,第三章 发酵液预处理,2、絮凝,相对凝聚颗粒粗大；相对凝聚更为昂贵；,第一节 发酵液过滤特性的改变,第三章 发酵液预处理,（1）絮凝剂的絮凝作用：,絮凝剂（能溶于水的高分子聚合物，相对分子质量数万-1千万，长链结构）其链节上含有许多活性官能团，阴离子或阳离子、不带电的非离子型基团，能通过静电引力、范德华力、氢键等吸收在胶粒表面；当许多链节分别吸附在不同胶粒表面上，产生桥架联接，形成较大絮团。,第一节 发酵液过滤特性的改变,第三章 发酵液预处理,（2）絮凝剂化学结构,含有相当多的活性官能团，能与胶粒表面结合。长链线性结构，与较多的胶粘液表面结合。相对分子质量不能超过限度，保证其有良好的水溶性。,第一节 发酵液过滤特性的改变,第三章 发酵液预处理,（3）絮凝剂的分类：,有机高分子聚合物：如聚丙稀类（絮团粗大、用量少、絮凝快、效好，但有毒）、聚丙烯酸类（无毒，可用于医药、食品）、聚乙烯等。无机高分子聚合物、如聚合铝盐、聚合铁盐等。天然有机高分子絮凝剂，如明胶、骨胶、壳多糖、海藻酸钠、聚糖类胶粘物。,第一节 发酵液过滤特性的改变,第三章 发酵液预处理,（4）影响絮凝效果的因素（确定了某种絮凝剂）,添加量：试验确定最适添加量少：胶粒吸附不完全多：形成的絮团小,pH值：影响絮凝剂活性官能团的电离度，进一步影响吸附强弱。另外还有：搅拌转速、时间等。,第一节 发酵液过滤特性的改变,第三章 发酵液预处理,3、混凝,混凝是包括凝聚和絮凝机理的过程。,（1）单独使用絮凝剂,如带负电的菌体、蛋白质+阳离子型高分子絮凝剂具有降低胶粒双电层电位，产生吸附桥架的双重作用。,第一节 发酵液过滤特性的改变,第三章 发酵液预处理,（2）电解质+絮凝剂,在无机电解质的凝聚作用基础上，高分子絮凝剂架桥絮凝效果更好,第一节 发酵液过滤特性的改变,第三章 发酵液预处理,四、加入助滤剂,1、助滤剂：是一种不可压缩的多孔微粒，使滤饼疏松，过滤阻力下降，滤速加快。,2、使用方法：,在过滤介质表面预涂助滤剂 直接加入发酵液也可以以上两种并用,第一节 发酵液过滤特性的改变,第三章 发酵液预处理,3、助滤剂选择,（1）不吸附目的产物（2）粒度与悬浮与悬浮液中固体粒子的尺寸相适应（颗粒小、用较细的助滤剂）（3）使用量适合 过少：起不到有效的作用过多：浪费、助滤助成为主要的滤饼阻力，速率下降。（4）与过滤介质和过滤情况相配合。,第一节 发酵液过滤特性的改变,第三章 发酵液预处理,粗目滤网：防泄漏：石棉粉、纤维素、淀粉细目滤网：细硅藻土烧结成粘结材料介质：纤维素。,第一节 发酵液过滤特性的改变,第三章 发酵液预处理,五、加入反应剂,1、目的：加入某些不影响目标产物的反应剂，可消除发酵液中的一些杂质对过滤的影响，从而提高过滤速度。,2、举例：,（1）加入反应剂生成不溶性沉淀助滤剂、凝固胶体等物质过滤性能上升，如在新生霉素发酵液中加入CaCl2和Na3PO4，生成Ca3(PO4)2下降，既是助滤剂，又能使某些蛋白质凝固。,第一节 发酵液过滤特性的改变,第三章 发酵液预处理,（2）含有不溶性多糖物质的发酵液中，加入酶水解成单糖过滤速率上升，如万古霉用淀粉作培养基，发酵过滤前加入0.025%的淀粉酶，搅30min，再加2.5%硅藻土助滤剂速率提高5倍。,第二节 发酵液的相对纯化,第三章 发酵液预处理,第二节 发酵液的相对纯化,一、高价无机离子的除去,1、高价无机离子的影响,在采取离子交换法时，这些高价无机离子会影响树脂对生化物质的变换容量。发酵液中的主要无机离子有Ca2+、Mg2+和Fe2+等。,第二节 发酵液的相对纯化,第三章 发酵液预处理,（1）Ca2+草酸：贵，不宜大量用，回收；草酸钠：Ca2+浓度大时用。草酸钙还能使蛋白质凝固，过滤性上升；,2、高价无机离子的除去,第二节 发酵液的相对纯化,第三章 发酵液预处理,（2）Mg2+弱酸镁盐溶解度较大；发酵液中Mg2+浓度小；不用沉淀法。可用三聚磷酸钠形成络合物，消除对离子交换的影响。Na5P3O10+Mg2+MgNa3P3O10+2Na+,(3)Fe3+可用黄血盐（K4Fe(CH)63H2O）麦鲁士兰,第二节 发酵液的相对纯化,第三章 发酵液预处理,二、杂蛋白质的除去,（1）沉淀法酸性环境：加某些阴离子物质，如三氯乙酸盐、水杨酸盐、苦味酸盐等碱性环境：加某些阳离子物质；,第二节 发酵液的相对纯化,第三章 发酵液预处理,（2）变性法蛋白质从有规则的排列变成不规则结构的过程称为变性。加热 调pH 加有机溶剂 表面活性剂目的产物不失活,（3）吸附法如在四环类抗生素中，采用黄血盐和硫酸锌生成亚铁氰化锌钾 k2Zn3Fe(CN)62的胶状沉淀来吸附蛋白质。,第三节 固液分离工程及设备,第三章 发酵液预处理,发酵液的固液分离主要是离心分离和过滤。,一、离心分离,F,b,F,g,Fd,d=2R,球形颗粒沉降的受力情况,第三节 固液分离工程及设备,第三节 固液分离工程及设备,第三章 发酵液预处理,1.概述,（1）原理 利用转鼓高速转动所产生的离心力，来实现悬浮液、浮浊液分离或浓缩。,第三节 固液分离工程及设备,第三章 发酵液预处理,（2）适用 由于离心力场所产生的离心力可以比重力高几千至几十万倍，所以利用离心分离可分离悬浮液中极小的固体微粒和大分子物质。,如细菌和酵母为单细胞，体形较小，其发酵液一般采用离心分离。,第三节 固液分离工程及设备,第三章 发酵液预处理,（3）特点,优点：快速、高效、液相澄清良好缺点：投资高，能耗大，连续排料时。固相干度不如过滤设备,第三节 固液分离工程及设备,第三章 发酵液预处理,（4）分类,过滤式离心-转鼓上开有小孔，有过滤介质，离心时，液体穿过过滤介质经小孔流而得以分离。用于悬浮液固体颗粒大，固含量较高的场合。,沉降式离心-无孔，不需过滤介质，在离心力作用下，物料按密度大小不同，分层沉降而得以分离。,第三节 固液分离工程及设备,第三章 发酵液预处理,2.碟片式离心机（沉降式，工业应用最广泛）,（1）工作过程,第三节 固液分离工程及设备,第三章 发酵液预处理,第三节 固液分离工程及设备,第三章 发酵液预处理,（2）卸料方式,人工卸料：为间歇式操作，每次操作完成后需停机人工卸料。自动间歇排料：机工作一段时间后，不停机的状态下，自动打开排排泄口，借离心力甩出固相。连续排料：运行中连续从排泄口排料。适合于固相含量大的悬浮记分离，但分离后的固相干度较差。,第三节 固液分离工程及设备,第三章 发酵液预处理,（3）最大允许处理量,其中,第三节 固液分离工程及设备,第三章 发酵液预处理,Q：离心机的最大允许进料量（m3/s）：离心机的角转速度（rad/s）v：固体颗粒的自然沉降速率（m/s）Z：与离心机结构有关的常数d：颗粒直径（m）s：固体密度（Kg/m3）L：液体密度（Kg/m3）：液体粘度n：碟片数r2、r1：碟片的外径和内径（m）：碟片的倾斜角度 g：重力加速度（m/s2）,第三节 固液分离工程及设备,第三章 发酵液预处理,上式没有考虑到进料液体中颗粒浓度对分离能力的影响，实际中Z 与Q并不呈严格的线性关系。因此应根据实验结果，加以校正系数。,（4）分离因数（离心力强度）Fr,Fr表示了粒子在离心机中产生的离心加速度与自由下降加速度之比。Fr越大，越有利于分离。,第三节 固液分离工程及设备,第三章 发酵液预处理,第三节 固液分离工程及设备,第三章 发酵液预处理,第三节 固液分离工程及设备,第三章 发酵液预处理,第三节 固液分离工程及设备,第三章 发酵液预处理,第三节 固液分离工程及设备,第三章 发酵液预处理,3、管式离心机与倾析式离心机比较,第三节 固液分离工程及设备,第三章 发酵液预处理,二、过滤,滤饼,传统的过滤,第三节 固液分离工程及设备,第三章 发酵液预处理,1、分类,（1）澄清过滤-将硅藻土、砂芯、颗粒活性炭、玻璃珠、塑料颗粒等过滤介质填充于过滤器内构成过滤层（也有烧结的陶瓷、金属制成的成型颗粒滤层），当悬浮液通过时，固体颗粒被阻拦与吸附在滤层的颗粒上，使滤液得以澄清。,特点：过滤介质起主要的过滤作用，适合于固体含量少于0.1g/100mL，颗粒直径在5100m的悬浮液的分离。,第三节 固液分离工程及设备,第三章 发酵液预处理,（2）滤饼过滤（滤渣过滤）,以滤布（天然或合成纤维织布、金属织布，及毡、石棉板、玻动纤维纸、合成纤维等无纺布）为过滤介质，当悬浮液通过滤布时，固体颗粒被滤布所阻拦逐渐形成滤饼（滤渣），当滤饼至一定厚度时即起过滤作用。,特点：滤饼起主要的过滤作用，适合于固体容量大于0.1g/100mL（悬浮液的过滤分离）。,第三节 固液分离工程及设备,第三章 发酵液预处理,2、真空转鼓过滤机（大规模生物工业生产，常用的过滤设备之一）,（1）特点,自动化程度高、操作连续、处理量大；适合于固体含量较大（10%）的悬浮液的分离；一般不适合于菌体较小和粘度较大的细菌发酵液的过滤。（可以离心）所得固相的干度较差。,第三节 固液分离工程及设备,第三章 发酵液预处理,（2）工作过程,第三节 固液分离工程及设备,第三章 发酵液预处理,第三节 固液分离工程及设备,第三章 发酵液预处理,第三节 固液分离工程及设备,第三章 发酵液预处理,第三节 固液分离工程及设备,第三章 发酵液预处理,第三节 固液分离工程及设备,第三章 发酵液预处理,第三节 固液分离工程及设备,第三章 发酵液预处理,练习：1、何谓过滤2、凝聚和絮凝的区别3、离心设备可分为哪两大类,
