生物下游技术.ppt
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1、 第三章第三章 发酵液预处理发酵液预处理目的目的n不仅在于分离细胞、菌体和其它悬浮颗粒(细胞不仅在于分离细胞、菌体和其它悬浮颗粒(细胞碎片、核酸和蛋白质的沉淀物),碎片、核酸和蛋白质的沉淀物),n还希望除去部分可溶性杂质和改变滤液的性质,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。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;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。或采用稀释、加热等方法降低黏度,以利于过滤。第一节第一节 发酵液的预处理发酵液的预处理一、发酵液
2、过滤特性的改变一、发酵液过滤特性的改变微生物发酵液的特性为:微生物发酵液的特性为:发酵产物浓度较低,大多为发酵产物浓度较低,大多为1-10%,悬浮液中大部分是水;,悬浮液中大部分是水;悬浮物颗粒小,相对密度与液相相差不大;悬浮物颗粒小,相对密度与液相相差不大;液相粘度大,大多为非牛顿型流体;液相粘度大,大多为非牛顿型流体;性质不稳定,随时间变化,如易受空气氧化、微生物污染、蛋性质不稳定,随时间变化,如易受空气氧化、微生物污染、蛋白酶水解等作用的影响。白酶水解等作用的影响。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
3、培养基外,还有未被微生物完全利用的糖类、无机盐、蛋存的固体培养基外,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。白质,以及微生物的各种代谢产物。改善发酵液过滤特性的物理化学方法: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、冷冻加表面活性物质、添加反应剂、冷冻-解冻及添加助滤剂等。解冻及添加助滤剂等。1.1.降低液体粘度降低液体粘度降低液体粘度降低液体粘度 2.2.调整调整调整调整pHpH3.3.凝聚与絮凝凝聚与絮凝凝聚与絮凝凝聚与絮凝 根据流体力学原
4、理,滤液通过滤饼的速率与液体的粘度成反比,降低根据流体力学原理,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。温度与时间,不影响产物活性和细胞的完整性。pH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值值可改善其过滤特性。氨基酸、蛋白质等电点的调节;在膜过滤中,发酵可改善其过滤特性。氨基酸、蛋白质等电点的调节;在膜过滤中,发酵液中的大分子物质易与膜发生吸附,通过调整液中的
5、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。值下也可能趋于絮凝而成为较大颗粒,有利于过滤的进行。采用凝聚和絮凝技术能有效改变细胞、细胞碎片及溶解大分子物质的采用凝聚和絮凝技术能有效改变细胞、细胞碎片及溶解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。另外,还能分散状态,使其聚结成较大的颗粒,便于提高过滤速率。另外,还能有效地除去杂蛋白和固体杂质,提高滤液质量。有效
6、地除去杂蛋白和固体杂质,提高滤液质量。n凝聚凝聚指在电解质作用下,由于胶粒之间双电层电排斥指在电解质作用下,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;作用降低,电位下降,而使胶体体系不稳定的现象;n絮凝絮凝指在某些高分子絮凝剂存在下,基于桥架作用,指在某些高分子絮凝剂存在下,基于桥架作用,使胶粒形成较大絮凝团的过程。使胶粒形成较大絮凝团的过程。阳离子对带负电荷的胶粒凝聚能力的次序为: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:常用的凝聚剂电解质有:硫酸铝硫酸铝 Al2(SO4)318H2O(明矾)
7、;(明矾);氯化铝氯化铝 AlCl36H2O;三氯化铁三氯化铁 FeCl3;硫酸亚铁硫酸亚铁 FeSO47H2O;石灰;石灰;ZnSO4;MgCO3(1)凝聚)凝聚 发酵液中的细胞、菌体或蛋白质等胶体粒子双电层发酵液中的细胞、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。的结构使胶粒之间不易聚集而保持稳定的分散状态。l采用絮凝法可形成粗大的絮凝体,使发酵液较易分离。采用絮凝法可形成粗大的絮凝体,使发酵液较易分离。l絮凝剂是一种能溶于水的高分子聚合物絮凝剂是一种能溶于水的高分子聚合物,其相对分子质量,其相对分子质量可高达数万至一千万以上,长链状结构,其链节上含有许可高
8、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(如多活性官能团,包括带电荷的阴离子(如-COOH)或阳或阳离子(如离子(如-NH2)基团以及不带电荷的非离子型基团。基团以及不带电荷的非离子型基团。l它们通过静电引力、范德华引力或氢键的作用,强烈地吸它们通过静电引力、范德华引力或氢键的作用,强烈地吸附在胶粒的表面。附在胶粒的表面。l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。凝作用。(2)絮凝)絮凝高分
9、子絮凝剂的吸附和絮凝作用示意图高分子絮凝剂的吸附和絮凝作用示意图1)有机高分子聚合物,如聚丙烯酰胺类衍生物、聚苯乙)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;烯类衍生物;2)无机高分子聚合物,如聚合铝盐、聚合铁盐等;)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、)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。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目前最常见的高分子聚合物絮凝剂有机合成的聚丙烯酰胺(有机合成的聚丙烯酰胺(polyacrylamide)类衍生物)类衍生
10、物根据活性基团在水中解离情况不同,可分为三类:根据活性基团在水中解离情况不同,可分为三类:非离子型、非离子型、阴离子型(含有羧基)阴离子型(含有羧基)阳离子型(含有胺基)阳离子型(含有胺基)工业上使用的絮凝剂可分为三类:工业上使用的絮凝剂可分为三类:聚丙烯酰胺絮凝剂聚丙烯酰胺絮凝剂聚丙烯酰胺类絮凝剂的聚丙烯酰胺类絮凝剂的优点优点l用量少,一般以用量少,一般以mg/L计量;计量;l絮凝体粗大,分离效果好;絮凝体粗大,分离效果好;l絮凝速度快;絮凝速度快;l种类多,适用范围广。种类多,适用范围广。聚丙烯酰胺类絮凝剂的聚丙烯酰胺类絮凝剂的缺点缺点u存在一定的毒性,特别是阳离子型聚丙烯酰胺,存在一定的
11、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。用于食品和医药工业时应谨慎。聚丙烯酰胺类絮凝剂的聚丙烯酰胺类絮凝剂的应用应用n医药和食品工业: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)。酰壳多糖等)。影响絮凝的因素絮凝剂的加量絮凝剂的加量(图图3-13-1)絮凝
12、剂的分子量絮凝剂的分子量溶液的溶液的pHpH搅拌速度搅拌速度搅拌时间搅拌时间n对于带负电荷的菌体或蛋白质来说,采用阳离子型高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;桥架的双重机理;n对于非离子型和阴离子型高分子絮凝剂,要采用凝聚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。絮凝机理的过程,称为混凝。(3 3)混凝)混凝)混凝)混凝4.4.加入助滤剂加入助滤剂加入助滤
13、剂加入助滤剂5.5.加入反应剂加入反应剂加入反应剂加入反应剂 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。滤阻力。常用的助滤剂有:常用的助滤剂有:硅藻土、纤维素、石棉粉、白土、炭粒、淀粉等,最硅藻土、纤维素、石棉粉、白土、炭粒、淀粉等,最常用的是硅藻土。常用的是硅藻土。使用硅藻土时,通常细粒用量为使用硅藻土时,通常细粒用量为500 g/m3;中等粒度用量为;中等粒度用量为700 g/m
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