发酵液预处理和固液分离方法

发酵液预处理和固液分离方法预处理的定义：以培养液和发酵液为出发点，设法将细胞(菌体)富集或除去，使所需目标产物转移至液相，除去其它悬浮颗粒(如培养基残渣、菌体或絮凝体等)以及改善滤液性状，以利于后续各步操作。一、预处理无论是胞内还是胞外产物，都涉及细胞的富集或固体悬浮物的分离除去。常用方法：过滤、离心。1.固液分离速度主要取决于介质的理化性质：主要影响因素菌体大小和黏度：菌体小、黏度大，不利于分离A.不能直接过滤B.高速离心能耗大C.膜分离易污染杂质高价无机离子(Ca2+、Mg2+、Fe3+)：影响离子交换的容量蛋白质：降低离子交换和大孔吸附能力，有机溶剂萃取或两水相提取时出现乳化2.凝聚和絮凝技术凝聚：在中性盐的作用下，由于双电层排斥电位降低，而使胶体体系不稳定。凝聚：在某些高分子絮凝剂存在下，基于架桥作用使细胞凝聚成粗大凝絮团的过程。定义胶体粒子表面双电层结构细胞、菌体或蛋白质等胶体粒子带有负电荷形成双电层。粒子周围正离子存在两种作用力：静电力和热运动。因此分裂成两部分。胶核表面stern层Stern层外扩散层双电层φs胶核表面电位，整个双电层上的电位φdStern平面上的电位ξ电位电动电位，滑动面上的电位三种电位三种电位中，只有ξ电位可以实际测量。它是控制胶粒间电排斥的作用的电位，可用来表征双电层的特征。1.双电层结构ξ电位越大，电排斥越大，分散状态越稳定。2.胶体表面水化水化层阻碍胶粒间直接聚集。胶粒能保持分散状态度原因ξ电位但基本公式Dq4D：水的介电常数。q：胶体的电动电荷密度(滑动面上的电荷密度)。δ是胶体扩散层的有效厚度，不能直接测定。22141000iiZCNeDkTδ与溶液离子强度有关。ζ电位与扩散层厚度δ和电动电荷密度q成正比，而δ又与溶液中离子强度有关。增加溶液中离子强度会减少ζ电位。当双电层斥力不足以抗衡范德华力的时，胶粒会能凝聚。1.反离子价数价数越高凝聚能力越强Al3+Fe3+H+Ca2+Mg2+K+Na+Li+常用凝聚剂:明矾、氯化铝、氯化铁和硫酸锌。2.离子强度溶液离子强度越高，凝聚力越强影响因素高分子聚合物絮凝剂絮凝剂多是长链水溶性聚合物。可以分为非离子性、阴离子性(含羧基)和阳离子(含氨基)。机理：分别吸附在不同胶粒表面，产生架桥连接。必要条件：链足够长超过胶粒间的有效排斥距离。1.有机聚丙烯酰氨、聚乙烯亚胺、聚丙烯酸、聚苯乙烯2.无机聚合铝盐、聚合铁盐3.天然壳聚糖、葡聚糖、明胶、海藻盐4.微生物粘多糖、糖蛋白、纤维素分类阳离子絮凝剂降低粒子间排斥力、架桥非离子絮凝剂通过氢键和范德华力交桥机理影响因素发酵液性质：细胞浓度、表面电荷种类和多少絮凝剂1.加量过量引起饱和，在每个胶粒上形成覆盖层，使胶粒再次被稳定2.分子量分子量增大，架桥作用加强。但过大，水溶性降低3.pH值影响官能团的解离度，使卷曲态变成伸展态。4.搅拌速度和时间加入初期应高速，有利于均匀分散。接下来应是低速，有利于絮凝团增大。杂蛋白的去除等电点酸性：pH4.5-5.5去除杂蛋白较多碱性：pH7.5-8.5变性使液体黏度减低，蛋白变性。也会使色素增多加热加入有机溶剂、表面活性剂沉淀剂酸性：三氯乙酸、水杨酸、苦味酸碱性：Ag+,Cu2+,Zn2+,Fe3+,Pb2+高价无机离子去除1.Ca2+加草酸(贵)，注意回收2.Mg2+不能用草酸，三聚磷酸钠(Na3P3O10)3.用磷酸盐可以大大降低钙、镁离子浓度4.Fe3+加入黄血盐二、固液分离目的1.收集胞内产物的细胞或菌体，除去液相2.收集含目标产物的液相，如细胞、菌体离心过滤1.影响因素发酵液是非牛顿流体。因素细胞或菌体的大小、形状介质的黏度菌体的大小粒子越小，难度越大真菌和絮凝体，容易分离，可用常规过滤细菌和细胞碎片，离心过滤难。用高速离心或需预处理。黏度与分离速度成反比影响因素1.细胞和军提到种类和浓度2.蛋白、核酸含量使黏度增大3.培养基成分4.染菌发酵液，黏度增大2.过滤衡量过滤性质的指标是滤饼的质量比阻rBmBprr)(m:可压缩系数(0.5~0.8)过滤缓慢加压，长时间内压力0.05MPa。最终压力0.4MPa。操作压力过大会使过滤速度很快下降。恒压下，rB为常数q为单位面积的滤液量BBBBXpMrXrpq222主要设备:板框过滤器和鼓式真空过滤器板框过滤器优点过滤面大、适应性强、结构简单缺点不连续操作、设备沉重、劳动强度大、卫生条件差、非生成时间长鼓式真空过滤器实现自动控制、但差较小。离心分离颗粒沉降速度uprdumpp2218)(ρp颗粒密度、ρm液体密度、η液体黏度影响离心的因素1.粒径d越大、易沉降2.密度差越大、易沉降3.黏度η越小、易沉降速度差别低速：收集细胞、菌体、培养基大的固体颗粒高速：分离细胞碎片、较大的细胞器、生物大分子盐析沉淀物等较小固体颗粒超速：生物大分子、细胞器、病毒等分子水平微粒分离优点：与常规过滤相比、离心分离的速度大、效率高、操作卫生适合大规模分离。缺点：投资费用高、能耗较大。全发酵液提取研究趋势1.膜技术如膜直接吸附。2.双水相萃取通常悬浊液在下面而产物在上面3.扩张床