第二章發(fā)酵液的預(yù)處理和固液分離第一節(jié)發(fā)酵液的預(yù)處理預(yù)處理的目的：分離菌體和其他懸浮顆粒，除去部分可溶性雜質(zhì)和改變?yōu)V液性質(zhì)，利于提取精制后續(xù)工序的順利進(jìn)行；菌種不同、發(fā)酵液特性不同，預(yù)處理方法選擇也不同。胞外產(chǎn)物：經(jīng)預(yù)處理使目的產(chǎn)物移至液相，經(jīng)固液分離，除去固相；胞內(nèi)產(chǎn)物：收集菌體或細(xì)胞，進(jìn)行破碎，使目的產(chǎn)物移至液相，進(jìn)行細(xì)胞碎片分離。發(fā)酵液的預(yù)處理微生物發(fā)酵液的成分：

微生物菌體、殘存的培養(yǎng)基、未利用完的糖類、無機(jī)鹽、蛋白質(zhì)、微生物的各種代謝產(chǎn)物等。發(fā)酵液過濾特性的改變

目的：通過對發(fā)酵液進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)處理，即可改善其流體性能，降低濾餅阻力，提高過濾與分離的速率。方法：調(diào)酸(等電點)、熱處理、電解質(zhì)處理、添加凝聚劑、添加表面活性物質(zhì)、添加反應(yīng)劑、冷凍—解凍及添加助濾劑等。濾餅的過濾速率一、微生物發(fā)酵液的特性微生物發(fā)酵液的特性：發(fā)酵產(chǎn)物濃度較低（1~10%），懸浮液中大部分為水；發(fā)酵液是組分非常復(fù)雜的混合物；懸浮物顆粒小，相對密度與液相相差不大；固體粒子的可壓縮性大；液相粘度大（多為非牛頓型流體）；性質(zhì)不穩(wěn)定，隨時間發(fā)生變化。二、發(fā)酵液的預(yù)處理（改善發(fā)酵液過濾特性的物化方法）降低液體粘度：濾液通過濾餅的速率與液體粘度成反比。加水稀釋法：

↓

ρ

，

過濾↑，會增加懸浮液的體積，加大后續(xù)處理任務(wù)。加熱法：提高溫度，有效↓

ρ，↑

過濾；蛋白質(zhì)凝聚成較大顆粒凝聚物。一般加熱溫度控制在65~80oC。適用于對非熱敏感性產(chǎn)品發(fā)酵液預(yù)處理；使用時嚴(yán)格控制加熱溫度和時間。二、發(fā)酵液的預(yù)處理（續(xù)）調(diào)整pH（預(yù)處理中較常用方法）：pH直接影響發(fā)酵液中某些物質(zhì)的電離度和電荷性質(zhì)，調(diào)節(jié)pH可改善其過濾特性；

如調(diào)液pH值使蛋白質(zhì)等達(dá)到等電點以除去；膜過濾中，發(fā)酵液中的大分子物質(zhì)易與膜發(fā)生吸附，調(diào)pH值改變易吸附分子的電荷性質(zhì)，即可減少堵塞和污染。調(diào)pH時，選較溫和的酸或堿，防止局部過酸、過堿。常用草酸凝聚凝聚：在電解質(zhì)（中性鹽）作用下，膠粒間雙電層電排斥作用降低，電位下降，使膠體體系不穩(wěn)定的現(xiàn)象。凝聚作用就是向膠體懸浮液中加入某種電解質(zhì)，在電解質(zhì)中異電離子作用下，膠粒的雙電層電位降低，使膠體體系不穩(wěn)定，膠體粒子間因相互碰撞而產(chǎn)生凝集的現(xiàn)象。凝聚技術(shù)陽離子對帶負(fù)電荷的發(fā)酵液膠粒凝聚能力的次序為：Al3+Fe3+H+Ca2+Mg2+K+Na+Li+常用的凝聚劑（電解質(zhì)）為：Al2(SO4)3·18H2O(明礬)、AlCl3·6H2O、FeCl3、ZnSO4等。采用凝聚的方法得到的凝聚體顆粒比較小。絮凝劑絮凝劑化學(xué)結(jié)構(gòu)：分子含相當(dāng)多的活性官能團(tuán)，使之能與膠粒表面相結(jié)合；必須具有長鏈的線性結(jié)構(gòu)以便同時與多個膠粒吸附形成較大的絮團(tuán)。相對分子質(zhì)量不能超過一定限度，以使其具有良好的溶解性。絮凝劑的分類按其活性基團(tuán)在水中的解離情況分為三類：非離子型、陽離子型和陰離子型按來源不同，工業(yè)使用的絮凝劑又分為：有機(jī)高分子聚合物（聚丙烯酰胺類衍生物和聚苯乙烯類衍生物、聚丙烯酸類陰離子）；無機(jī)高分子聚合物（聚合鋁鹽、鐵鹽等）；天然有機(jī)高分子絮凝劑（聚糖類膠粘物、海藻酸鈉、明膠、殼多糖等）微生物絮凝劑（含糖蛋白、黏多糖、纖維素、核酸等高分子）絮凝技術(shù)優(yōu)點：提高固液分離速度，分離菌體、細(xì)胞和細(xì)胞碎片等；有效去除雜蛋白質(zhì)和固體雜質(zhì)，提高濾液質(zhì)量。親和絮凝：細(xì)胞絮凝技術(shù)發(fā)展的新動向，利用絮凝劑和細(xì)胞膜表面某種組分間具有的專一性親和連接作用而產(chǎn)生吸附架橋作用。帶負(fù)電荷的菌體或蛋白質(zhì)陽離子型高分子絮凝劑

非離子型和陰離子型高分子絮凝劑電解質(zhì)

非離子型和陰離子型高分子絮凝劑+???包括凝聚和絮凝機(jī)理的過程，稱為混凝。先加凝聚劑，再加絮凝劑。二、發(fā)酵液的預(yù)處理（續(xù)）加入助濾劑：助濾劑是一種不可壓縮的多孔微粒，可使濾餅疏松，提高過濾速度。常用助濾劑：硅藻土、纖維素、石棉粉、珍珠巖等。加入方法：過濾介質(zhì)表面預(yù)涂助濾劑；直接加入發(fā)酵液中；或兩種方法兼用。二、發(fā)酵液的預(yù)處理（續(xù)）加入反應(yīng)劑：加入某些反應(yīng)劑（不影響產(chǎn)物），利用反應(yīng)劑和某些可溶性鹽類發(fā)生反應(yīng)生成不溶性沉淀。作用：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)，沉淀本身可作為助濾劑，并且能使膠狀物和懸浮物凝固，消除發(fā)酵液中某些雜質(zhì)對過濾的影響，從而改善過濾性能。三、發(fā)酵液的相對純化高價無機(jī)離子的存在：影響樹脂對生化物質(zhì)的交換容量?？扇苄缘鞍踪|(zhì)的存在：

降低離子交換和吸附法提取時交換容量和吸附能力；在有機(jī)溶劑法或雙水相萃取時，易產(chǎn)生乳化現(xiàn)象，使兩相分離不清；在常規(guī)過濾或膜過濾時，易使過濾介質(zhì)堵塞或受污染，影響過濾速率。1、高價無機(jī)離子的去除方法發(fā)酵液中的主要無機(jī)離子：Ca2+、Mg2+、Fe2+等。去除鈣離子，宜加入草酸；去除鎂離子，可加入三聚磷酸鈉；去除鐵離子，可加入黃血鹽，形成普魯士藍(lán)沉淀。2、雜蛋白質(zhì)的去除方法變性法：加熱，大幅度調(diào)節(jié)pH，加酒精等有機(jī)溶劑或表面活性劑等。例如：抗生素生產(chǎn)中，常將發(fā)酵液pH調(diào)至偏酸性范圍(pH2-3)或較堿性范圍(pH8-9)使蛋白質(zhì)凝固，一般以酸性下除去的蛋白質(zhì)較多。變性法的局限性：加熱法只適合于對熱較穩(wěn)定的目的產(chǎn)物；極端pH也會導(dǎo)致某些目的產(chǎn)物失活，并且要消耗大量酸堿；而有機(jī)溶劑法通常只適用于所處理的液體數(shù)量較少的場合。第二節(jié)發(fā)酵液的固液分離固液分離的目的：收集胞內(nèi)產(chǎn)物的細(xì)菌或菌體，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；固液分離的方法：離心分離、過濾、分離篩、重力沉降、浮選分離。二、過濾發(fā)酵液的過濾特性：發(fā)酵液屬非牛頓型液體，濾渣為可壓縮性的。1、影響過濾速度的因素過濾速度與菌種、發(fā)酵條件有關(guān)：菌種對過濾速度影響很大：真菌：菌絲較粗大，易過濾；放線菌：菌絲細(xì)而分枝，交織成網(wǎng)狀，較難過濾，需預(yù)處理；細(xì)菌：菌體細(xì)小，過濾十分困難，要預(yù)處理。培養(yǎng)基組成：發(fā)酵終了時間的確定。2、過濾設(shè)備板框壓濾機(jī)：傳統(tǒng)設(shè)備，廣泛應(yīng)用結(jié)構(gòu)簡單、裝配緊湊、過濾面積大，適應(yīng)性強(qiáng)，過濾推動力能大幅調(diào)整等。設(shè)備笨重，間歇操作、輔助時間多，效率低；自動板框過濾機(jī)2、過濾設(shè)備鼓式真空過濾機(jī)：大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)；連續(xù)操作，實現(xiàn)自動控制，處理量大，適于固含量10%的懸液（霉菌發(fā)酵液）；不適于菌體較小和黏度較大的細(xì)菌發(fā)酵液過濾（受推動力——真空度限制）。其過濾所得固相干度不如加壓過濾。3、過濾設(shè)備硅藻土過濾機(jī)：硅藻土是優(yōu)良的過濾介質(zhì)，也是優(yōu)良的助濾劑；硅藻土用法：作為深層過濾介質(zhì)；支持介質(zhì)表面預(yù)涂硅藻土薄層；分散在待過濾的懸液中。三、離心分離離心機(jī)：利用轉(zhuǎn)鼓高速轉(zhuǎn)動所產(chǎn)生的離心力，實現(xiàn)分離?？煞蛛x懸浮液中極小的固體微粒和大分子物質(zhì)。優(yōu)點：分離速度快，效率高，液相澄清度好等。缺點：設(shè)備投資高，能耗大。1、離心機(jī)：按作用原理分類過濾式離心機(jī)：轉(zhuǎn)鼓上開小孔，有過濾介質(zhì)，離心力下，液體穿過過濾介質(zhì)經(jīng)小孔流出而得以分離。用于處理懸浮液固體顆粒較大、固含量較高的物料。沉降式離心機(jī)：轉(zhuǎn)鼓上無孔，離心力下，物料按密度大小不同分層沉降分離。用于液-固、液-液、液-液-固分離。2、常見離心分離設(shè)備碟片式離心機(jī)：是沉降式離心的一種，應(yīng)用較廣泛；適應(yīng)于細(xì)菌、酵母菌、放線菌等懸浮液及細(xì)胞碎片分離。管式離心機(jī)：沉降式離心機(jī)，分離效率很高；生產(chǎn)能力小，適宜一般離心機(jī)難以分離，固含量1%的發(fā)酵液的分離。可用于細(xì)胞、細(xì)胞碎片、細(xì)胞器、病毒、蛋白質(zhì)、核酸等生物大分子的分離。2、常見離心分離設(shè)備傾析式離心機(jī)：螺旋卸料沉降離心機(jī)；靠離心力和螺旋推進(jìn)作用自動連續(xù)排渣；可連續(xù)操作，適應(yīng)性強(qiáng)，應(yīng)用范圍廣，結(jié)構(gòu)緊湊，適于固含量高的懸浮液分離；不適于細(xì)菌、酵母菌等分離；常用于淀粉精制、廢液處理等。常用離心機(jī)的特性及選用管式碟片式螺旋傾析式間歇排渣連續(xù)固體含量（%）0.01-0.20.1-51-105-50微粒直徑（10-6m）0.01-10.5-150.5-15>2排渣方式間歇或連續(xù)間歇連續(xù)連續(xù)濾渣狀況團(tuán)塊裝（間歇）糊膏狀糊膏狀較干分離因素（g）104-6×105103-2×104103-2×104103-104最大處理量（m3/h)102003002003、其他固液分離方法切向流過濾（又稱錯流、交叉、十字流過濾）：維持恒壓下高速過濾的技術(shù)。懸浮液在過濾介質(zhì)表面作切向流動，利用流動的剪切力作用將介質(zhì)表面的固體（濾餅）移走，提高過濾速度。在膜過濾中廣泛使用。3、其他固液分離方法雙水相萃?。悍蛛x大分子物質(zhì)；分離細(xì)胞碎片、胞內(nèi)蛋白質(zhì)第三節(jié)全發(fā)酵液提取避開固液分離操作，從懸浮液中直接提取生化物質(zhì)。直接吸附有可能回收液相中的全部產(chǎn)物；直接吸附縮短了加工時間，減少產(chǎn)物受污染和降解的機(jī)會，有可能提高產(chǎn)量；直接吸附可同時除去大量的液相雜質(zhì)，使產(chǎn)物很快得到純化。全發(fā)酵液提取研究趨向用膜技術(shù)進(jìn)行全發(fā)酵液的提?。魂P(guān)鍵是連接的配基容量要大；要解決膜孔道污染問題用雙水相萃取進(jìn)行全發(fā)酵液的提取；要選擇合適的雙水相系統(tǒng)和操作條件用擴(kuò)張床吸附進(jìn)行全發(fā)酵液提取。擴(kuò)張床吸附(expandedbedadsorption)一種將固體顆粒去除和目標(biāo)蛋白純化合并在一步完成的新型技術(shù)。經(jīng)一步操作即可同時完成料液的澄清、濃縮和初步純化，減少操作步驟，縮短時間，降低成本，提高收率?？蓱?yīng)用于各種發(fā)酵液和培養(yǎng)液中初步提純生物大分子產(chǎn)物。其吸附機(jī)理涉及各種分離技術(shù)（離子交換、親和及疏水作用。擴(kuò)張床吸附是固定床和流化床優(yōu)點的綜合擴(kuò)張床吸附擴(kuò)張床，料液自下而上，床層中球形介質(zhì)處于松散狀態(tài)，由于顆粒大小不同而穩(wěn)定分級在床層的某一位置，料液中的固體可以穿過床層中顆粒之間的松散空隙而透過床層，省去固液分離步驟。傳統(tǒng)的固定床，料液自上而下，床層顆粒緊密堆積，料液必須先除去固體，以免堵塞顆粒間空隙，因此，需要在前面設(shè)置固液分離步驟。擴(kuò)張床設(shè)備包括恒流泵、裝有吸附介質(zhì)的吸附柱、在線檢測裝置及收集器。擴(kuò)張床在不同操作階段進(jìn)料方向可能不同。吸附介質(zhì)擴(kuò)張床介質(zhì)應(yīng)易于在液體自下而上的流動場中懸浮，并實現(xiàn)穩(wěn)定。松散的床層高度一般要達(dá)到堆積高度的2~3倍，因此，流速和擴(kuò)張度有嚴(yán)格的關(guān)系。流速和擴(kuò)張度與介質(zhì)的物性有關(guān)（介質(zhì)顆粒的尺寸及分布、密度及透水性等。擴(kuò)張床吸附操作經(jīng)平衡、進(jìn)料、淋洗、洗脫、清洗等步驟。操作前要確定適宜的床層擴(kuò)張高度。擴(kuò)張度受流速的影響。流速低，擴(kuò)張度小，固體顆粒通過床層困難，容易滯留；流速高，擴(kuò)張度大，固體易通過床層，但對目標(biāo)產(chǎn)物的捕集效率下降。一般流速選為300cm/h，擴(kuò)張度2倍，效果較好。擴(kuò)張床吸附操作進(jìn)料：實現(xiàn)穩(wěn)定擴(kuò)張后，把平衡液切換成原料液；操作時應(yīng)注意床層膨松度的變化。擴(kuò)張床吸附操作淋洗：沖出柱內(nèi)滯留的細(xì)胞