1、第十一章 發(fā)酵工程下游技術(shù)發(fā)展及發(fā)酵液的預(yù)處理,下游技術(shù)發(fā)展與發(fā)酵液預(yù)處理,第一節(jié) 發(fā)酵工程下游技術(shù)發(fā)展 第二節(jié) 發(fā)酵液預(yù)處理,第一節(jié) 發(fā)酵工程下游技術(shù)發(fā)展,發(fā)酵工程下游技術(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,一、發(fā)酵工程下游技術(shù)領(lǐng)域,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。 從發(fā)酵液中可以獲得的產(chǎn)物 發(fā)酵產(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,1、從發(fā)酵液中可以獲得的產(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、多肽、維生素等，分為如下三類： 菌體及胞內(nèi)產(chǎn)物 酶 代謝產(chǎn)物,2、發(fā)酵產(chǎn)品特性,在發(fā)酵液或培養(yǎng)液中產(chǎn)物濃度很低；

2、含有產(chǎn)物的初始物料組成復(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； 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)品作為醫(yī)藥、食品和生物試劑時要求較嚴(yán)格；,3、發(fā)酵液組成特點,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，會影響分離過程； 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)雜質(zhì)，對提煉影響相當(dāng)大，必須除去。,4、發(fā)酵產(chǎn)物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)物生理活性； 能夠達(dá)到要求的純度，要選

3、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； 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)生廢物盡可能少并能夠處理； 實驗過程能成功進(jìn)行放大。,二、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)過程 發(fā)酵工程下游技術(shù)發(fā)展沿革 下游技術(shù)新概念、新技術(shù)、新產(chǎn)品和新裝備,1、發(fā)酵工程下游技術(shù)過程,發(fā)酵工程下游技術(shù)一般工藝過程如下： 發(fā)酵液或培養(yǎng)液的預(yù)處理與固液分離：主要是離心和過濾； 初步分離（產(chǎn)物提取）：除去與目標(biāo)產(chǎn)物性質(zhì)差別較大的雜質(zhì)，顯著提高產(chǎn)物濃度和質(zhì)量； 高度純化（產(chǎn)物精煉）：采用有限的單元操作，去除與目標(biāo)產(chǎn)物類似的雜質(zhì)； 成品

4、加工：產(chǎn)物的最終用途和要求，決定了最終加工方法，濃縮、結(jié)晶和干燥是主要過程。,發(fā)酵工程下游技術(shù)一般工藝流程,2、發(fā)酵工程下游技術(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，青霉素等抗生素生產(chǎn)出現(xiàn)以前的釀造產(chǎn)業(yè)。 第二代生物技術(shù)：20世紀(jì)40年代，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)。,3、下游技術(shù)新概念、新技術(shù)、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)胞破碎技術(shù)：球磨破碎、壓力

5、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)； 高度分離純化技術(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,新技術(shù)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)品和清潔能源等。,三、發(fā)酵工程下游技術(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

6、作的原理和特點見P263，表11-1。,第二節(jié) 發(fā)酵液的預(yù)處理,發(fā)酵液預(yù)處理的目的 發(fā)酵液過濾特性的改變 發(fā)酵液的相對純化 固液分離工程及設(shè)備,一、發(fā)酵液預(yù)處理的目的,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； 除去發(fā)酵液中部分雜質(zhì)，以利于后續(xù)各步操作 胞外產(chǎn)物盡可能轉(zhuǎn)移到液相，而胞內(nèi)產(chǎn)物則先進(jìn)行菌體和細(xì)胞的回收。,二、發(fā)酵液過濾特性的改變,發(fā)酵產(chǎn)品的性質(zhì) 發(fā)酵產(chǎn)品具體預(yù)處理的方法,發(fā)酵液的性質(zhì),發(fā)酵液中發(fā)酵產(chǎn)物濃度較低，懸浮液中大部分是水； 懸浮物顆粒較小，相對密度與液相相差不大； 固體顆?？蓧嚎s性大； 液相粘度大、多為

7、非牛頓型流體； 性質(zhì)不穩(wěn)定，隨時間變化，容易受到外界影響。,發(fā)酵產(chǎn)品具體預(yù)處理的方法,發(fā)酵液預(yù)處理方法要根據(jù)目標(biāo)發(fā)酵液的性質(zhì)進(jìn)行選擇。 降低發(fā)酵液的黏度 調(diào)整溶液的pH值 凝聚與絮凝 加入助濾劑 加入反應(yīng)劑,1、降低發(fā)酵液的黏度,降低液體的黏度有利于提高過濾速度。 加水稀釋法：加水降低發(fā)酵液的黏度，同時會增加懸浮液的體積，加大后處理的工作量。 升溫加熱法：加熱法是最簡單廉價的預(yù)處理方法，將溫度升高并保持一段時間，可以降低粘度，提高過濾速度。,2、調(diào)整溶液的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，則可以改善過濾性質(zhì)，促進(jìn)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

8、質(zhì)和氨基酸用等電點進(jìn)行提取。,3、凝聚與絮凝,凝聚和絮凝都是懸浮液預(yù)處理的重要方法，即將化學(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，使他們聚集成可分離的絮凝體，再進(jìn)行分離。 凝聚 絮凝 混凝,、凝 聚,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，而使膠體體系不穩(wěn)定的現(xiàn)象。 雙電層 電解質(zhì)的凝聚能力可以用凝聚值表示：使膠粒發(fā)生凝聚作用的最小電解質(zhì)濃度（mmol/L）。,、絮 凝,絮凝：在某些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)，

9、含有活性官能團(tuán)，通過靜電引力、范德華力等作用力強(qiáng)烈的吸附在膠粒表面。 絮凝劑結(jié)構(gòu)要求：分子必須含有相當(dāng)多的活性官能團(tuán)、必須具有長鏈線性結(jié)構(gòu)，便于吸附形成較大絮團(tuán)。 常用絮凝劑：聚丙烯酰胺類,高分子絮凝劑的作用機(jī)理,、混 凝,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電解質(zhì)，之后再加入絮凝劑，達(dá)到凝集和絮凝的雙重效果。,4、加入助濾劑,惰性助濾劑：一種顆粒均勻、質(zhì)地堅硬、不可壓縮的多孔微粒，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，降低過濾成本。 常用助濾劑：硅藻土、纖維素、石棉粉、珍珠巖、白土、碳粒、淀粉等。 助濾

10、劑的使用方法：在過濾介質(zhì)表面預(yù)涂助濾劑或者直接加入發(fā)酵液中。 助濾劑選擇和使用的要點,助濾劑選擇和使用的要點,根據(jù)目的產(chǎn)物選擇助濾劑品種：液相產(chǎn)物時要注意目的產(chǎn)物是否會被吸附，固相產(chǎn)物是一般用淀粉或纖維素等不影響品質(zhì)的助濾劑； 根據(jù)過濾介質(zhì)和過濾情況選擇助濾劑品種； 粒度選擇：粒度及分步情況對過濾速度和效果影響很大。,5、加入反應(yīng)劑,加入某些不影響目的產(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，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)。,三、發(fā)酵液的相對純化,發(fā)酵液中雜質(zhì)較多，其中有些雜質(zhì)不僅影響產(chǎn)品質(zhì)量和收率，同時對后續(xù)提取精制有很大影響。因此預(yù)

11、處理時必須采用合適方法去除這些雜質(zhì)，利于后續(xù)工作的進(jìn)行。 高價無極離子的去除：一般可采用草酸、草酸鹽、三聚磷酸鈉和黃血鹽等去除相應(yīng)的離子。 雜蛋白的去除：沉淀法、變性法和吸附法都可以去除不需要的雜蛋白。,四、固液分離工程及設(shè)備,固液分離是發(fā)酵生產(chǎn)中經(jīng)常用到得單元操作。 固液分離方法很多：分子篩、重力沉降、浮選分離、離心分離和過濾等等。 過濾法 離心法 切向流過濾法,1、過濾法,過濾法：在某一支撐物上放過濾介質(zhì)，注入含固體顆粒的溶液，使液體通過，固體顆粒留下。 過濾設(shè)備分類：重力過濾、加壓過濾、真空過濾和離心過濾。 過濾介質(zhì)的種類 過濾機(jī)類別,過濾設(shè)備選擇的標(biāo)準(zhǔn),被過濾液體的過濾特性； 生產(chǎn)規(guī)模

12、； 操作條件和要求；,被過濾液體的過濾特性,根據(jù)濾餅形成特性、固形物的沉淀性和含量可以分為如下5類： 固形物含量大于20%，能在數(shù)秒內(nèi)形成50mm以上濾餅的料液； 固形物含量10%-20%，能在30s內(nèi)形成50mm以上的濾餅； 固形物含量1%-10%； 固形物含量在0.1%-1%； 固形物含量小于0.1%。,過濾介質(zhì)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、合成纖維等。,過濾機(jī)類別,板框式壓濾機(jī) 真空轉(zhuǎn)鼓過濾機(jī) 硅藻土過濾機(jī),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

13、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。,板框過濾機(jī)結(jié)構(gòu)圖 1-尾板 2-濾框 3-濾板 4-主梁 5-頭板 6-緊壓裝置,真空轉(zhuǎn)鼓過濾機(jī),工作原理：負(fù)壓工作。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,硅藻土過濾機(jī),優(yōu)點：即是過濾介質(zhì)，又是助濾劑，形成濾餅空隙大，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。,2、離心法,離心法：基于固體顆粒和液體密