第二章发酵液的预处理和固液分离方法

第二章发酵液的预处理和固液分离①改变发酵液的物理性质，提高固液分离效率；②尽可能使产物转入便于后处理的某一相中(多为液相)；③去除发酵液中部分杂质，以利于提取和精制后续各工序的顺利进行。发酵液预处理的目的2.1发酵液的预处理和固液分离预处理和固液分离内容生物产品的分类（根据分离特点）培养液产品：如饮料酒类，没有提取与精制，只需考虑除去固相杂志即可。细胞产品：如活性干酵母，只需固液分离和洗涤可溶性杂志的过程。粗制产品：如工业用酶制剂，只需考虑产品提取。精制产品：有纯度要求，大多数生物产品属此类，其分离回收过程一般包括预处理和固液分离、提取、精制和成品加工四步。精制产品分离纯化一般流程胞外产品胞内产品2.1发酵液预处理2.1.1引言发酵液预处理的目的：改变滤液的性质除去部分可溶性杂质尽可能使产物转入便于后处理的一相中（多数是液相）以利于后续各工序的顺利进行预处理的方法加水稀释法Dilutionwithwater加热法Heating调节悬浮液的pH值RegulationofpH凝聚和絮凝Coagulationandflocculation助滤剂Filteraids和反应剂Reactant高价无机离子的去除Removalofinorganicion杂蛋白的去除RemovalofUSELESSPROTEIN2.1.2发酵液过滤性能的改变生物悬浮液的特性：①悬浮物颗粒小，比重与液相相差不大；②固体粒子可压缩性大；③粘度大，含有蛋白质、多糖等胶体物质，大多为非牛顿型流体。改性的目的：降低滤饼比阻，提高过滤与分离的速率。①发酵产物浓度较低，而且悬浮液中大部分是水；②悬浮物颗粒小，相对密度与液相相差不大；③固体粒子可压缩性大；④液相粘度大，大多为非牛顿型流体；⑤性质不稳定，随时间变化。微生物发酵液的特性一、降低液体粘度根据流体力学原理，滤液通过滤饼的速率与液体的粘度成反比，降低液体粘度就可有效提高过滤速率。降低液体粘度的常用方法加水稀释法加热法加水稀释法优点：降低液体粘度，提高过滤速率缺点：增加悬浮液的体积，加大后继过程的处理任务。加热法优点：1.升高温度可有效降低液体粘度，提高过滤速率；2.在适当温度和受热时间下可使蛋白质凝聚，形成较大颗粒的凝聚物，进一步改善了发酵液的过滤特性。实例：链霉素发酵液，调酸至pH3.0后，加热至70℃，维持半小时，液相粘度下降至原来的1/6，过滤速率可增大10～100倍。加热法注意事项：使用加热法时必须严格控制加热温度与时间。1.加热的温度必须控制在不影响目的产物活性变质的范围内；2.温度过高或时间过长，会使细胞溶解，胞内物质外溢，增加发酵液的复杂性，影响其后的产物分离与纯化。二、调整pHpH值直接影响发酵液中某些物质的电离度和电荷性质，适当调节pH值可改善其过滤特性。是发酵工业中发酵液预处理中常用的方法之一。氨基酸、蛋白质等两性物质，在其等电点处的溶解度最小，此即为等电点沉淀法。应用实例：味精生产中，利用等电点(pH3.22)沉淀法提取谷氨酸；对于蛋白质，由于羧基的电离度比氨基大，故蛋白质的酸性性质通常强于碱性，因而大多数蛋白质的等电点都在酸性范围内(pH4.0～5.5)。利用酸性来调节发酵液pH值使之达到等电点，可除去蛋白质等酸性两性物质。在膜过滤中，发酵液中的大分子物质易与膜发生吸附，通过调整pH值改变易吸附分子的电荷性质，即可减少堵塞和污染。细胞、细胞碎片及某些胶体物质等在某个pH值下也可能趋于絮凝而成为较大颗粒，有利于过滤的进行。应用实例：三、凝聚与絮凝采用凝聚和絮凝技术能有效改变大分子物质的分散状态，使其聚结成较大的颗粒，便于提高过滤速率；采用凝聚和絮凝技术能有效地除去杂蛋白质和固体杂质，提高滤液质量。作用：1．凝聚凝聚是指在电解质作用下，由于胶粒之间双电层电排斥作用降低，电位下降，而使胶体体系不稳定的现象。在生理pH值下，发酵液中的菌体或蛋白质常常带有负电荷，由于静电引力的作用，使溶液中带相反电荷的阳离子被吸附在其周围，在界面上形成双电层。但是，这些正离子还具有因热运动而离开胶粒表面的趋势。在相距胶核表面约一个离子半径Stern平面以内，正离子被紧密束缚在胶核表面，称为吸附层；在Stern平面以外，剩余的正离子在溶液中扩散开去，距离越远，浓度越小，最后达到主体溶液的平均浓度，称为扩散层。双电层的组成当胶粒在溶液中作相对运动时，总有一薄层液体，随着它一起滑移，这一薄层的厚度比吸附层稍大，滑移面在图中用波纹线表示。滑移面上的电位称为ξ电位（或电动电位），它是控制胶粒间电排斥作用的电位，用来表征双电层的特征，是研究凝聚机理的重要参数。带有相同电荷和扩散双电层的结构。ξ电位越大，电排斥作用就越强，胶粒的分散程度也越大，发酵液过滤就越困难。胶粒保持分散状态的原因胶粒表面的水化作用，形成了包围于粒子周围的水化层，也能阻碍胶粒间的直接聚集。如果在发酵液中加入具有相反电性的电解质，就可以中和胶粒的电性，使ξ电位降低，胶体体系变得不稳定。当双电层的排斥力不足以抗衡胶粒间的范德华引力时，由于热运动的结果就导致胶粒的互相碰撞而聚集。另外，由于电解质离子在水中的水化作用会破坏胶粒周围的水化层，使胶粒可以直接碰撞而聚集。影响凝聚作用的主要因素是无机盐的种类、化合价以及无机盐的用量。根据静电学基本定理，可推导ξ电位的基本公式为（2－1）q：胶体的电动电荷密度，即滑移面上的电荷密度，库仑/m2；D：水的介电常数，F·m-1；δ：扩散层的有效厚度，m（即吸附层和扩散层界面处电位Φd降低到其值为1/e处的距离，不能直接测定）Dq4（2-2)N：阿伏伽德罗常数，mol-1；e：电子电荷，库仑；k：波尔兹曼常数，J·K-1；T：热力学温度，K；ci：i离子摩尔浓度，mol/L；Zi：i离子的化合价。2141000iiZcNeTkD从上两式可知，ξ电位与溶液中带相反电荷的离子强度有关，因此，提高离子的化合价和浓度可以压缩扩散双电层，使其厚度减小，从而使ξ电位降低。电解质的凝聚能力可用凝聚值来表示，使胶粒发生凝聚作用的最小电解质浓度（mol/L）称为凝聚值。根据Schuze-Hardy法则，反离子的价数越高，该值就越小，即凝聚能力越强。阳离子对带负电荷的发酵液胶体粒子凝聚能力的次序为：Al3+Fe3+H+Ca2+Mg2+K+Na+Li+。常用的凝聚电解质有：硫酸铝A12(SO4)3·18H2O(明矾)氯化铝AICl3·6H2O三氯化铁FeCl3·6H2O硫酸亚铁FeSO4·7H2O石灰、ZnSO4、MgCO3等。2．絮凝采用凝聚方法得到的凝聚体，其颗粒常常是比较细小的，有时还不能有效地进行分离。采用絮凝法则常可形成粗大的絮凝体，使发酵液较易分离。絮凝是指在某些高分子絮凝剂存在下，基于架桥作用，使胶粒形成较大絮凝团的过程。絮凝剂是一种能溶于水的高分子聚合物，其相对分子质量可高达数万至一千万以上，它们具有长链状结构，其链节上含有许多活性功能团，包括带电荷的阴离子(如-COOH)或阳离子(如-NH2)基团以及不带电荷的非离子型基团。它们通过静电引力、范德华力或氢键的作用，强烈地吸附在胶粒的表面。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，产生桥架联接时，就形成了较大的絮团，这就是絮凝作用。对絮凝剂的化学结构一般有下列要求:分子必须含有相当多的活性官能团，使之能和胶粒表面相结合；必须具有长链的线性结构，以便同时与多个胶粒吸附形成较大的絮团，但絮凝剂的相对分子量不能超过一定限度，以使其具有良好的溶解性。根据其活性基团在水中解离情况的不同，絮凝剂可分为:非离子型阴离子型阳离子型根据其来源的不同又可分为如下三类：(1)有机高分子聚合物，如聚丙烯酰胺类衍生物、聚苯乙烯类衍生物。(2)无机高分子聚合物，如聚合铝盐、聚合铁盐等。(3)天然有机高分子絮凝剂，如聚糖类胶粘物、海藻酸钠、明胶、骨胶、壳多糖、脱乙酰壳多糖等。应用现状：目前最常用的絮凝剂是有机合成的聚丙烯酰胺类衍生物，其絮凝体粗大，分离效果好，絮凝速度快，用量少，适用范围广。它们的主要缺点是存在一定的毒性，特别是阳离子型聚丙烯酰胺，一般不宜用于食品及医药工业。近年来发展的聚丙烯酸类阴离子絮凝剂，无毒，可用于食品和医药工业。影响因素：较多的絮凝剂有助于增加桥架的数量，但过多的添加量反而会引起吸附饱和，絮凝剂争夺胶粒而使絮凝团的粒径变小，絮凝效果下降。絮凝剂的加量絮凝剂相对分子量和类型溶液的pH搅拌转速和时间溶液pH值的变化常会影响离子型絮凝剂中官能团的电离度，从而影响吸附作用的强弱。3．混凝对于带负电荷的菌体或蛋白质来说，采用阳离子型高分子絮凝剂同时具有降低胶粒双电层电位和产生吸附桥架的双重机理。这种包括凝聚和絮凝机理的过程，称为混凝。对于非离子型和阴离子型高分子絮凝剂，则可以与无机电解质凝聚剂搭配使用。首先加入电解质，使悬浮粒子间的双电层电位降低、脱稳，凝聚成微粒，然后再加入絮凝剂絮凝成较大的颗粒。无机电解质的凝聚作用为高分子絮凝剂的架桥创造了良好的条件，从而大大提高了絮凝的效果。四、加入惰性助滤剂助滤剂是一种不可压缩的多孔微粒，它能使滤饼疏松，滤速增大。使用助滤剂后，悬浮液中大量的细微胶体粒子被吸附到助滤剂的表面上，从而改变了滤饼结构，它的可压缩性下降，过滤阻力降低。硅藻土、纤维素、石棉粉、珍珠岩、白土、炭粒、淀粉常用的助滤剂助滤剂的使用方法：在过滤介质表面预涂助滤剂直接加入发酵液两种方法同时兼用使用时需要一个带搅拌器的混合槽，充分搅拌混合均匀，防止分层沉淀。五、加入反应剂加入某些不影响目的产物的反应剂，可消除发酵液中某些杂质对过滤的影响，从而提高过滤速率。加入反应剂，可以和某些可溶性盐类发生反应生成不溶性沉淀，如CaSO4、AlPO4等。生成的沉淀能防止菌丝体粘结，使菌丝具有块状结构，沉淀本身可作为助滤剂，并且能使胶状物和悬浮物凝固，从而改善过滤性能。正确选择反应剂和反应条件，能使过滤速率提高3~10倍。应用实例：在新生霉素发酵液中加入氯化钙和磷酸钠，生成的磷酸钙沉淀可充当助滤剂，另一方面可使某些蛋白质凝固。环丝氨酸发酵液用氧化钙和磷酸处理，生成磷酸钙沉淀，能使悬浮物凝固，多余的磷酸根离子还能除去钙、镁离子，并且在发酵液中不会引入其他阳离子，以免影响环丝氨酸的离子交换吸附。如果发酵液中含有不溶性多糖物质，则最好用酶将它转化为单糖，以提高过滤速率。例如万古霉素用淀粉作培养基，发酵液过滤前加入0.025％的淀粉酶，搅拌30min后，再加2.5％硅藻土助滤剂，从而可使过滤速率提高5倍。2.2发酵液中部分杂质的去除在预处理时，必须采用适当的方法使这些杂质沉淀，在固液分离时除去，以利于后提取与精制过程的顺利进行。一、高价无机离子的除去发酵液中常见的无机离子主要有Ca2+、Mg2+和Fe2+等。通常使用草酸当发酵液中钙离子浓度较高时，可用草酸的可溶性盐，如草酸钠。反应生成的草酸钙还能促使蛋白质凝固，改善发酵液的过滤性能。由于草酸价格较贵，应注意采用适当方法回收。钙离子的去除：Ca2+——加草酸钠沉淀C2O4Na2+Ca2+→C2O4Ca↓+2Na+应用实例：四环类抗生素发酵液常采用草酸钙沉淀法除去钙离子，在其废液中加入硫酸铅，在60℃下反应生成草酸铅，后者在90－95℃下用硫酸分解，再经过滤、冷却、结晶后即可回收草酸。镁离子的去除：可加入三聚磷酸钠，它和镁离子形成可溶性络合物后，即可消除对离子交换的影响。Na5P3O10+Mg2+MgNa3P3O10+2Na+加入黄血盐(三水合六氰合铁(Ⅱ)酸钾)，可与铁离子形成普鲁士蓝沉淀而除去。发酵液中铁离子的去除：4Fe3++3K4Fe(CN)6→Fe4[Fe(CN)6]3↓+12K+二、杂蛋白质的除去在改善发酵液过滤特性的众多方法中，有许多可在改善过滤特性的同时，除去杂蛋白质。1.沉淀法蛋白质是两性物质，在酸性溶液中，能与一些阴离子如三氯乙酸盐、水杨酸盐、钨酸盐、苦味酸盐、鞣酸盐、过氯酸盐等形成沉淀；在碱性溶液中，能与一些阳离子如Ag＋、Cu2＋、Zn