第三章 发酵液预处理

一、发酵液过滤特性的改变
微生物发酵液的成分极为复杂，其中除了所培养的微生物菌体及残 存的固体培养基外，还有未被微生物完全利用的糖类、无机盐、蛋 白质，以及微生物的各种代谢产物。
微生物发酵液的特性为：
① 发酵产物浓度较低，大多为1-10%，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 液相粘度大，大多为非牛顿型流体ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ ④ 性质不稳定，随时间变化，如易受空气氧化、微生物污染、
因此，在预处理时，应尽量除去这些物质。
（一）、高价无机离子的去除方法
1. Ca2+ ——草酸、草酸钠，→形成草酸钙沉淀（注 意回收草酸） ；
2. Mg2+——三聚磷酸钠，→形成三聚磷酸钠镁可 溶性络合物；
3. Fe2+ ——黄血盐，→普鲁士蓝沉淀
（二）杂蛋白的去除方法
1. 沉淀法
蛋白质一般以胶体状态存在于发酵液中。 在酸性溶液中带正电荷； 在碱性溶液中带负电荷。 在某一pH下，净电荷为零，溶解度最小，称为等电点。
影响絮凝的因素
➢ 絮凝剂的加量(图3-1） ➢ 絮凝剂的分子量 ➢ 溶液的pH ➢ 搅拌速度 ➢ 搅拌时间
（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；
对于非离子型和阴离子型高分子絮凝剂，要采用凝 聚和絮凝双重机理才能提高过滤效果，这种包括凝聚 和絮凝机理的过程，称为混凝。
二、发酵液的相对纯化
发酵液中的杂质 a. 高价无机离子（Ca2+、Mg2+、Fe2+）
在采用离子交换提炼时，会影响树脂对生化物质的交换容量。
b. 杂蛋白
在采用离子交换和吸附法提取时会降低其交换容量和吸附能力 在有机溶剂法或双水相萃取时，易产生乳化现象，使两相分离不清 在常规过滤或膜过滤时，易使过滤介质堵塞或受污染，影响过滤效率。
E.离心
工业上常用
1. 离心分离
在液相非均一系统中，利用离心力达到液－液、液－固、 液－液－固分离的方法，统称为离心分离。
优点：分离速度快，分离效率高、液相澄清度好； 缺点：设备投资高、能耗大。
离心机种类：碟片式离心机、管式离心机、倾析式离心机。
碟片式离心机
是传统离心机，为目前工 业上应用最广泛的离心机。 分离因数可达1000-20000， 最 大 处 理 量 达 到 300m3/h ， 常用于大规模的分离过程。
5.加入反应剂
加入反应剂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，且能使胶状物和悬浮物凝固，改善过滤性能；
如发酵液中含有不溶性多糖物质，用酶将其转化为单糖，以提高过滤 速率。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，可提高过滤效率5倍。
2 过滤
定义： 在一定的压力差
下，利用多孔性介质 截留固液悬浮液中的 固体粒子，进行固液 分离的方法称为过滤。
通常发酵液的黏度大，其中的微生物 体积小，造成过滤的困难。
在过滤前，一般需对料液进行絮凝或 凝聚等预处理，此外可添加助滤剂提 高过滤速度。
A. 根据过滤机理，过滤操作可分为澄清过滤和滤饼过滤。
（1）凝聚
发酵液中的细胞、菌体或蛋白质等胶体粒子双电层 的结构使胶粒之间不易聚集而保持稳定的分散状态。
阳离子对带负电荷的胶粒凝聚能力的次序为：
Al3+ >Fe3+ >H+ >Ca2+ >Mg2+ >K+ >Na+ >Li+
常用的凝聚剂电解质有：
硫酸铝 Al2(SO4)3•18H2O（明矾）； 氯化铝 AlCl3•6H2O; 三氯化铁 FeCl3; 硫酸亚铁 FeSO4·7H2O ； 石灰；ZnSO4；MgCO3
管式离心机
管式离心机是一种分离效率很高的离心分 离设备，其转鼓细长，可在15000-50000 的高转速下工作，分离因数可达1046×105。它设备简单、操作稳定。
适用范围
细胞、细胞碎片、细胞器、病毒、蛋白质、 核酸等。特别适合一般分离机难以分离的固 形物含量<1% 发酵液的分离。
管式离心机工作原理图
聚丙烯酰胺类絮凝剂的缺点
存在一定的毒性，特别是阳离子型聚丙烯酰胺， 用于食品和医药工业时应谨慎。
聚丙烯酰胺类絮凝剂的应用
医药和食品工业：聚丙烯酸类阴离子絮凝剂（无毒），聚苯乙烯类衍 生物，无机高分子聚合物絮凝剂（聚合铝盐、聚合铁盐等），天然有 机高分子絮凝剂（多聚糖类胶粘物、海藻酸钠、明胶、骨胶、壳多糖、 脱乙酰壳多糖等）。
4.加入助滤剂
一种不可压缩的多孔微粒，它能使滤饼疏松，滤速增大。悬浮液中大量 的细微胶体粒子被吸附到助滤剂的表面上，改变了滤饼结构，降低了过 滤阻力。 常用的助滤剂有： 硅藻土、纤维素、石棉粉、白土、炭粒、淀粉等， 最常用的是硅藻土。 使用硅藻土时，通常细粒用量为500 g/m3；中等粒度用量为700 g/m3； 粗粒用量为700-1000 g/m3。
倾析式分离机
是一种靠离心力和螺旋的推动力作用自动 连续排渣的离心机。具操作连续、适应性 强、结构紧凑和维修方便的优点。分离因 数为1500-3000。
适用范围
特别适合固形物含量较多的悬浮液的分 离。因分离因数较低，不适合细菌、酵母 等微小微生物悬浮液的分离。（P53图）
可以在高温高压下操作，也可用于催化剂的回收。
蛋白酶水解等作用的影响。
改善发酵液过滤特性的物理化学方法：
调酸（等电点）、热处理、电解质处理、添加凝聚剂、添 加表面活性物质、添加反应剂、冷冻-解冻及添加助滤剂等。
1.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（加水稀释法和加热法等）可有效提高过滤速率。注意加热 温度与时间，不影响产物活性和细胞的完整性。
有机合成的聚丙烯酰胺（polyacrylamide）类衍生物
根据活性基团在水中解离情况不同，可分为三类： ① 非离子型 ② 阴离子型（含有羧基） ③ 阳离子型（含有胺基）
聚丙烯酰胺絮凝剂
聚丙烯酰胺类絮凝剂的优点
用量少，一般以mg/L计量； 絮凝体粗大，分离效果好； 絮凝速度快； 种类多，适用范围广。
第三章 发酵液预处理
目的
不仅在于分离细胞、菌体和其它悬浮颗粒（细胞 碎片、核酸和蛋白质的沉淀物）， 还希望除去部分可溶性杂质和改变滤液的性质， 以利于后继各步操作。
✓采用絮凝或凝聚的方法，设法增大悬浮液中固体粒子
的大小，提高其沉降速度；
✓或采用稀释、加热等方法降低黏度，以利于过滤。
第一节 发酵液的预处理
酸碱调节，使蛋白质与盐或离子形成沉淀。
在酸性溶液中，蛋白质与一些阴离子，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，蛋白质与一些阳离子，如Ag+、Cu2+、 Zn2+、Fe3+和Pb2+等形成沉淀。
2. 变性法
① 加热 ② 大幅度调节pH值 ③ 加酒精、丙酮等有机溶剂或表面活性剂等。
（2）絮凝
采用絮凝法可形成粗大的絮凝体，使发酵液较易分离。 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，长链状结构，其链节上含有 许多活性官能团，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、范德华引力或氢键的作用，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，产生桥架联结时，就形成了较大的絮团，这就是 絮凝作用。
GF型，用于分离各种乳浊液, 特别适用于二相相对 密度差甚微的液一液分离以及含有少量杂质的液一 液一固分离。 分离原理：密度大的液相形成外环，密度轻的液相 形成内环，流体到转鼓上部各自的排液口排出，微 量固体沉积在转鼓壁上，待停机后人工卸出。
GQ型，用于分离各种难于分离的悬浮液。特别适 合于浓度小、粘度大，固相颗粒细，固液重度差较 小的固液分离。 分离原理：密度较大的固体微粒逐渐沉积在转鼓内 壁形成沉渣层，待停机后人工卸出，澄清后的液相 流动转鼓上部的排液口排出。
高分子絮凝剂的吸附和絮凝作用示意图
工业上使用的絮凝剂可分为三类：
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。
目前最常见的高分子聚合物絮凝剂
澄清过滤：
过滤介质为硅藻土、砂、颗粒活性炭、玻璃珠、塑料颗粒等，当悬浮液通过滤层 时，固体颗粒被阻拦或吸附在滤层的颗粒上，使滤液得以澄清，适合于固体含量 少于0.1g/100ml、颗粒直径在5-100μm的悬浮液的过滤分离，如河水、麦芽汁、 酒类和饮料等的澄清。
滤饼过滤：
过滤介质为滤布，包括天然或合成纤维织布、金属织布、玻璃纤维纸、合成纤 维等无纺布。当悬浮液通过滤布时，固体颗粒被滤布阻拦而逐渐形成滤饼（滤 渣）。当滤饼至一定厚度时即起过滤作用，此时即可获得澄清的滤液，这种方 法叫做滤饼过滤，在滤饼过滤中，悬浮液本身形成的滤饼起着主要的过滤作用， 适合于固体含量大于0.1g/100ml的悬浮液的过滤分离。
3，活塞排渣
利用活门启闭排渣孔进行断续自动 排渣。
位于转鼓底部的环板状活门在操作时 可上下移动，位置在上，关闭排渣 口，停止卸料。下降时开启排渣口， 因此排渣时可以不停机。
最大处理能力：40m3/h
适合处理直径0.1-500微米，固液密度 差大于0.01g/m3，固相含量小于 10%的悬浮液。