发酵液预处理及固液分离.ppt

发酵液的预处理和固液分离方法
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
一、发酵液过滤特性的改变
微生物发酵液的特性为:
发酵产物浓度较低,大多为1-10%,悬浮液中大部分是水;
悬浮物颗粒小,相对密度与液相相差不大;
固体粒子可压缩性大;
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。
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。




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。
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pH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。
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,还能有效地除去杂蛋白和固体杂质,提高滤液质量。
凝聚——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;
絮凝——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。
(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
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。
(2)絮凝
絮凝机理示意图