第二章-发酵液的预处理

第二章发酵液的预处理第二章发酵液的预处理西北师范大学生命科学学院2020/5/72概述无论是胞内产物还是胞外产物，在分离纯化目的产物之前，首先要对发酵液进行预处理，将固相、液相分离后，才能采用各种物理、化学、生物的方法进行产物的进一步分离纯化。预处理(Pretreatment)是指采用絮凝和凝集等技术加速固液分离，提高过滤速度。过滤和离心是其最基本的操作单元。第二章发酵液的预处理西北师范大学生命科学学院2020/5/73第一节发酵液预处理的方法一、发酵液的一般特性二、发酵液预处理的目的和要求三、发酵液预处理的方法第二章发酵液的预处理西北师范大学生命科学学院2020/5/74一、发酵液的一般特性水分含量高（90-99%）产物浓度低（10%）发酵液黏度大，不易过滤残留培养基成分含有发酵代谢副产物发酵液含有色素、毒性物质和热源物质等有机杂质第二章发酵液的预处理西北师范大学生命科学学院2020/5/75二、发酵液预处理的目的和要求（一）目的改变发酵液特性，加速固液分离富集分离产物于固相（或液相）去除部分杂质，减少后续分离负荷第二章发酵液的预处理西北师范大学生命科学学院2020/5/76二、发酵液预处理的目的和要求（二）要求菌体分离发酵悬浮物的去除固液悬浮物的去除蛋白质的去除重金属离子的去除色素、毒物和热源物等有机质的去除改变发酵液特性，利于后续分离工作调节适宜的pH值和温度第二章发酵液的预处理西北师范大学生命科学学院2020/5/77三、发酵液预处理的方法（一）凝集和絮凝方法1、凝集在凝聚剂的作用下，使发酵液中的胶体脱稳并使粒子相互凝聚为1mm大小块状絮凝体的过程。本质：对初始粒子表面电荷的中和、消除离子表面稳定的双电荷层。第二章发酵液的预处理西北师范大学生命科学学院2020/5/78卤水点豆腐——凝聚原理黄豆里的蛋白质团粒被水簇拥着不停地运动，聚不到一块儿，形成了“胶体”溶液。点卤用盐卤或石膏，盐卤主要含氯化镁，石膏是硫酸钙，它们能使分散的蛋白质团粒很快地聚集到一块儿，成了白花花的豆腐脑。第二章发酵液的预处理西北师范大学生命科学学院2020/5/79胶体双电子层的结构————————————++++++电荷密度+++++++++———————————————+++++++++吸附层扩散层距固体表面的距离正电荷分布负电荷分布第二章发酵液的预处理西北师范大学生命科学学院2020/5/710破坏双电荷层的方法加入具有相反电性的电解质，中和胶粒电性，降低双电子层的排斥力，导致胶粒的相互碰撞。另外，由于电解质在水中的水化作用，会破坏胶粒周围的水化层，促使胶粒碰撞、聚集、沉降。第二章发酵液的预处理西北师范大学生命科学学院2020/5/711三、发酵液预处理的方法（一）凝集和絮凝方法2、絮凝在高分子絮凝剂的作用下，通过桥架作用使粒子相互作用形成较大的絮凝团的过程。本质：悬浮粒子与絮凝剂之间的桥架作用。第二章发酵液的预处理西北师范大学生命科学学院2020/5/712絮凝现象与原理絮凝剂菌体细胞第二章发酵液的预处理西北师范大学生命科学学院2020/5/713絮凝现象与原理第二章发酵液的预处理西北师范大学生命科学学院2020/5/714絮凝剂的种类无机絮凝剂硫酸铝、氯化钙、氯化镁、碱式氯化铝有机絮凝剂壳多糖、海藻酸钠、明胶、聚丙烯酰胺、聚乙烯亚胺等微生物絮凝剂真菌、细菌等代谢产生的多糖、蛋白质和核酸类大分子物质。第二章发酵液的预处理西北师范大学生命科学学院2020/5/715复合型生物絮凝剂(CompoundBio-flocculants)第二章发酵液的预处理西北师范大学生命科学学院2020/5/716影响絮凝效果的因素絮凝剂的种类絮凝剂的浓度pH值搅拌速度和时间Vml/minVml/min浓度pHFR/%时间温度第二章发酵液的预处理西北师范大学生命科学学院2020/5/7173、对发酵液凝聚和絮凝方法的研究见教材Page13-14文中内容均为文献研究报告的摘要和重要结论部分。第二章发酵液的预处理西北师范大学生命科学学院2020/5/718（二）加热法前提：产物的热稳定性高目的：降低发酵液黏度加速凝聚作用除去热变性蛋白破坏凝胶状胶体稳定性增加滤饼空隙率第二章发酵液的预处理西北师范大学生命科学学院2020/5/719（三）调节pH值法促进絮凝和凝聚作用释放或稳定产物，防止其氧化、变性或沉淀。调节pH值时应防止过酸或过碱（四）加水稀释法提高后续的离心沉降速度第二章发酵液的预处理西北师范大学生命科学学院2020/5/720不同pH值条件下小球藻具有不同的悬浮特性第二章发酵液的预处理西北师范大学生命科学学院2020/5/721小球藻调pH值自絮凝沉淀实验加入磷酸氢二钠和氯化钙形成的CaHPO4凝胶第二章发酵液的预处理西北师范大学生命科学学院2020/5/722（五）加入助滤剂法防止滤布或生成的滤饼阻塞而影响过滤。常用的助滤剂：纸浆石棉活性炭硅藻土酸性白土第二章发酵液的预处理西北师范大学生命科学学院2020/5/723助滤剂的使用方法先涂层后再过滤先预混后再一起过滤将含助滤剂的发酵液先压滤形成过滤介质层，然后再进行过滤。过滤介质助滤层滤液第二章发酵液的预处理西北师范大学生命科学学院2020/5/724（六）加吸附剂或盐吸附细胞常用的吸附剂有磷酸氢二钠和氯化钙形成的CaHPO4凝胶、氧化铝凝胶和聚丙烯酰胺凝胶等。第二章发酵液的预处理西北师范大学生命科学学院2020/5/725（七）高价态无机离子的去除方法在发酵液中高价态的无机离子主要为Ca2+、Mg2+、Fe3+三种。Ca2+：加入草酸或草酸钠Mg2+：与磷酸盐生成磷酸镁沉淀，三聚磷酸钠Fe3+：加入黄血盐，生成普鲁士沉淀而去除。也可加入碱化剂（NaOH、Na2CO3等）。第二章发酵液的预处理西北师范大学生命科学学院2020/5/726（八）可溶性杂蛋白质的去除方法等电点沉淀法酸化剂和碱化剂调节pH至等电点热处理法加热变性蛋白质沉淀化学变性沉淀法酸、有机溶剂、重金属变性蛋白质吸附法利用吸附法去除杂蛋白第二章发酵液的预处理西北师范大学生命科学学院2020/5/727（九）色素及其它杂质的去除方法常用的脱色方法有离子交换法和吸附法。第二章发酵液的预处理西北师范大学生命科学学院2020/5/728第二节发酵液的过滤一、发酵液过滤的目的二、影响发酵液过滤的因素三、发酵液过滤的方法四、提高过滤性能的方法五、过滤介质的选择六、过滤操作条件优化七、过滤设备第二章发酵液的预处理西北师范大学生命科学学院2020/5/729一、发酵液过滤的目的获得含有目标产物的细胞或发酵液。除去发酵液中的固形杂质。发酵液的固液分离是指用过滤或离心等手段除去发酵液中的悬浮固体（如菌体、细胞、细胞碎片、蛋白质及其絮凝体）的过程。第二章发酵液的预处理西北师范大学生命科学学院2020/5/730二、影响发酵液过滤的因素（一）菌种（二）发酵液黏度发酵条件放罐时间发酵染菌发酵液的pH值、温度第二章发酵液的预处理西北师范大学生命科学学院2020/5/731三、发酵液过滤的方法（一）过滤常规过滤错流过滤（二）离心过滤式离心沉降式离心（三）不经固液分离的直接分离提取离子交换萃取第二章发酵液的预处理西北师范大学生命科学学院2020/5/732错流过滤设备装置错流过滤运行示意图第二章发酵液的预处理西北师范大学生命科学学院2020/5/733离心分离机分为过滤式离心机和沉降式离心机。卧式离心分离机第二章发酵液的预处理西北师范大学生命科学学院2020/5/734三足离心机SS型三足离心机运转正常时，从顶部加料管进入物料，物料在离心力场的作用下，均匀分布于转鼓内壁，液体穿过离心机网经转鼓滤孔而泄出，固体则被截留在转鼓的内壁，当达到分离要求后，关闭电机，制动停机，由人工把物料从该机上部卸出。具有结构简单、操作方便，通用性强等特点。第二章发酵液的预处理西北师范大学生命科学学院2020/5/735离心分离机优缺点比较优点：分离速度快、效率高；操作卫生条件好，占地面积小；可实现自动化、连续化和程序化控制；适合于大规模分离过程。缺点：投资费用高；耗能高。第二章发酵液的预处理西北师范大学生命科学学院2020/5/736四、提高过滤性能的方法（一）加入助滤剂粒度品种用量（二）添加填充凝固剂生成不溶解的沉淀，防止菌丝体粘结（三）加入降解酶多糖、蛋白质水解酶——（纯生啤酒过滤膜的生物清洗剂）第二章发酵液的预处理西北师范大学生命科学学院2020/5/737五、过滤介质的选择（一）织物介质天然或合成纤维滤布（二）粒状介质硅藻土、活性炭、白土（三）多孔固体介质多孔陶瓷、金属陶瓷、烧结树脂、多孔塑料、泡沫金属（四）微孔纤维素薄膜和金属薄膜醋酸纤维膜、聚碳酸酯纤维素第二章发酵液的预处理西北师范大学生命科学学院2020/5/738过滤介质滤布蜂窝陶瓷过滤片微孔膜过滤芯硅藻土第二章发酵液的预处理西北师范大学生命科学学院2020/5/739六、过滤操作条件优化（一）改善悬浮液的物理性质酸化絮凝法、热处理法、絮凝和凝集法、添加助滤剂法。（二）改善设备结构扩大设备尺寸、增加过滤面积（三）改变过滤方式反向过滤、动态过滤、错流过滤（四）适当增加压力第二章发酵液的预处理西北师范大学生命科学学院2020/5/740七、过滤设备过滤机分类图示文献来源：李英昌,周志鸿.板框式压滤机技术发展概况[J].冶金设备,2007,(4):42-45.第二章发酵液的预处理西北师范大学生命科学学院2020/5/741七、过滤设备（一）板框式压滤机第二章发酵液的预处理西北师范大学生命科学学院2020/5/742滤框和滤板1-滤框2-滤板3-滤板外框架4-滤板栅5-支撑格筛6-压盖框第二章发酵液的预处理西北师范大学生命科学学院2020/5/743西班牙TH公司的APN-18型压滤机结构示意图文献来源：李英昌,周志鸿.板框式压滤机技术发展概况[J].冶金设备,2007,(4):42-45.第二章发酵液的预处理西北师范大学生命科学学院2020/5/744七、过滤设备（二）板式压滤机第二章发酵液的预处理西北师范大学生命科学学院2020/5/745七、过滤设备（三）自动板框压滤机第二章发酵液的预处理西北师范大学生命科学学院2020/5/746板框压滤机的优缺点优点：适应性强；结构简单、造价低、动力消耗少。缺点：不能连续工作；设备笨重、劳动强度大；非生产的辅助时间长。压滤机改进设备：自动板框压滤机——非生产时间缩短，劳动强度降低。第二章发酵液的预处理西北师范大学生命科学学院2020/5/747七、过滤设备（四）真空过滤机第二章发酵液的预处理西北师范大学生命科学学院2020/5/748真空鼓式过滤机——利用真空吸滤原理第二章发酵液的预处理西北师范大学生命科学学院2020/5/749转筒真空过滤机转筒结构及工作过程1一转鼓2一过滤室3一分配阀4一料液槽5一摇摆式搅拌器6一洗涤液喷嘴7一刮刀吸滤洗涤吸洗液刮渣第二章发酵液的预处理西北师范大学生命科学学院2020/5/750转鼓真空过滤机实物图第二章发酵液的预处理西北师范大学生命科学学院2020/5/751真空鼓式过滤机优缺点优点：可实现连续化操作和自动控制；劳动强度降低。缺点：压差较小，效率较低；适用范围较小。重点思考题：P29-1、2、4、8题