第二章发酵液预处理与固液分离案例

（2）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。
胶 体 粒 子 高分子絮凝剂
静电引力 范德华力 氢键作用源自相互吸附作用形成絮团

絮凝剂是一种能溶于水的高分子聚合物，具长链状结 构，其链上含有许多活性功能团，包括带电荷的离子 基团和不带电荷的非离子型基团。
根据其来源的不同，常用絮凝剂分为如下三类：
滤饼或滤渣 filter cake:被截留的 固体物质。
（1）板框过滤机

板框过滤机是一种传统的过滤设备，可用于霉菌、 放线菌、酵母等多种发酵液的固液分离。 优点：固相含水份低，动力消耗低，适应不同过 滤特性的发酵液的过滤。



缺点：间歇操作、劳动强度大、生产效率较低。
适合于固形物含量1~10%的悬浮液的分离。
2.1.3.1 高价无机离子的去除
（1）Ca2+——加草酸钠沉淀 C2O4Na2 + Ca2+ → C2O4Ca↓ + 2Na+ （2）Mg2+——加三聚磷酸钠形成络合物 Na5P3O10 + Mg2+ →MgNa3P3O10 + 2Na+ （3）Fe3+——加入黄血盐，形成普鲁士蓝沉淀
4Fe3+ + 3K4Fe(CN)6 →Fe4[Fe(CN)6]3 ↓ + 12K+

转筒下部浸入滤浆槽中，浸没角约900-1300，圆筒缓慢 旋转时(转速约0.5-2r／min)，筒内每一空间相继与分 配头中的3个室相通，可顺序进行过滤、洗涤、吸干、 吹松、卸饼等项操作。即整个圆筒分为过滤区、洗涤及 脱水区，卸渣及再生区3个区域。
（3） 错流过滤（Cross-Flow Filtration ）



2.2.1 过滤
过滤操作是借助于过滤介质，在一定的压力差 ΔP作用下，使悬浮液中的液体通过介质的孔 道，而固体颗粒被截留在介质上，从而实现固 液分离的单元操作。

过滤介质filter medium :
过滤采用的多孔物质；


滤浆filter pulp :
所处理的悬浮液；
滤液filtrate : 通过多孔通道的液体；

有机溶剂变性：如酒精、丙酮等使蛋白质凝固。
（3）吸附法 ——加入某些吸附剂或沉淀剂吸附杂蛋白质而去除
2.2 固液分离

固液分离的方法很多，其中用于细胞悬浮液分离的主要是 过滤和离心分离。
霉菌和放线菌为丝状菌，体形较大，其细胞悬浮液大多采 用过滤方法处理。 细菌和酵母菌为单细胞，体形较小，外形尺寸大多在1～ 10μm范围，一般采用高速离心机分离。 采用絮凝和添加助滤剂等方法进行预处理后，细菌和酵母 菌细胞悬浮液亦可采用过滤方法进行固液分离。 （粒度、密度差；投资、能耗、适应性）
2.1.2.5 加入助滤剂

助滤剂是一种不可压缩的多孔微粒。常用的助滤剂有 硅藻土、纤维素、石棉粉、珍珠岩、白土、碳粒、淀 粉等。
悬浮液 ↓加入助滤剂 悬浮液中的细微胶体粒子被吸附到助滤剂的表面上 ↓ 滤饼的结构改变，可压缩性下降 ↓
过滤阻力降低，过滤速率提高
助滤剂使用要点：
（1）根据目的产物选择助滤剂品种：
粘度 过滤速率 加水稀释 发酵液体积 产物浓度 后处理能耗
2.1.2.2 加热

加热：可有效降低液相黏度，改善过滤性能。但加 热的温度必须是在不影响目的产物活性的范围内。
粘度 过滤速率 热凝固 粘度 过滤速率 蛋白质等胶体物质发生 目的产物活性有可能下 降 细胞溶解 胞内产物释放 分离的复杂性

发酵液预处理的目的：
①改变滤液的性质 ②除去部分可溶性杂质 ③尽可能使产物转入便于后处理的一相中（多数
是液相）
——以利于后继各工序的顺利进行
预处理的方法



加水稀释法Dilution with water 加热法 Heating 调节悬浮液的pH值 Regulation of pH 凝聚和絮凝 Coagulation and flocculation 助滤剂Filter aids和反应剂 Reactant 高价无机离子的去除 Removal of inorganic ion 杂蛋白的去除 Removal of useless protein
2.1.3.2 杂蛋白质的去除
（1）沉淀法

酸性溶液：加阴离子沉淀，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。 碱性溶液：加阳离子沉淀，如Ag+、Cu2+ 、Zn2+ 、Fe3+ 、Pb2+ 等。

（2）变性法


加热变性：70～80℃，30min，蛋白质大多变性沉淀。
酸碱变性：如在抗生素生产中，常将发酵液pH调至pH2～3或 pH8～9使蛋白质凝固。

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。
（3）混凝

凝聚的特点是速度快，但颗粒小； 絮凝的特点是速度慢，而颗粒较大。 它们单独使用时效果较差，所以絮凝剂常与无机电解 质凝聚剂搭配使用 。
2.1.2 发酵液过滤性能的改变

生物悬浮液的特性：
①悬浮物颗粒小，比重与液相相差不大； ②固体粒子可压缩性大； ③粘度大，含有蛋白质、多糖等胶体物质，大多 为非牛顿型流体。

改性的目的：降低滤饼比阻，提高过滤与分离 的速率。
2.1.2.1 加水稀释

加水稀释法：虽能降低液相粘度，但会增加悬浮液的 体积，加大后继过程的处理任务。

在分离细菌、细胞碎片等悬浮液时，由于其固体颗粒细 微，可压缩性大，所形成的滤饼阻力很大，随着过滤过 程的进行，过滤速度迅速下降。因而一般过滤不适合细 菌悬浮液的分离。

电解质的凝聚能力可用凝聚值来表示，使胶粒发生凝 聚作用的最小电解质浓度（mmol/L)称为凝聚值。 阳离子对带负电荷的发酵液胶体粒子凝聚能力的次序 为： Al3+>Fe3+>H+>Ca2+>Mg2+>K+>Na+>Li+ 常用的凝聚电解质有硫酸铝Al2(SO4)3· 18H2O(明矾)、 氯化铝AlCl3· 6H2O、三氯化铁FeCl3· 6H2O、硫酸亚 铁FeSO4· 7H2O、石灰、ZnSO4、MgCO3等。
板框压滤机

包括板和框，多做成正方形，角端均开有小孔，装 合压紧后即构成供滤浆或洗水流通的孔道。框的两 侧覆以滤布，空框与滤布围成了容纳滤浆及滤饼的 空间，滤板用以支撑滤布并提供滤液流出的通道。
•板框式压滤机在过滤时，悬浮液由离心泵或齿轮 泵经滤浆通道打人框内，，滤液穿过滤框两侧滤 布，沿相邻滤板沟槽流至滤液出口，固体则被截 留于框内形成滤饼。滤饼充满滤框后停止过滤。
（2）分解大分子物质


2.1.3 发酵液的相对纯化

发酵液中的杂质不仅直接影响产品质量和收得率，同 时对后继提取和精制有很大影响。 高价无机离子（Ca2+、Mg2+ 、Fe3+ 等）——影响离 子交换法提取时树脂的交换容量。


可溶性蛋白质——影响离子交换和吸附法提取时的交 换容量和吸附能力；萃取时易产生乳化现象，使两相 分离不清；膜过滤时，易堵塞或污染，影响过滤速率。


2.1.2.4 凝聚与絮凝
（1）凝聚：指在电解质作用下，由于胶粒间双电层 排斥电位的降低，而使胶体体系不稳定的现象。
胶体稳定机理： 菌体、蛋白质等胶体 粒子表面都带负电荷 ↓ 在静电引力作用下 形成双电层 ↓ 保持胶体的分散状态 凝聚作用机理： 加入电解质 ↓ 电解质中的高价阳离子 对胶体周围离子的影响 ↓ 双电层电位↓ ↓ 胶体稳定性↓，发生凝聚
路线一A
2.发酵液预处理与固液分离
2.1 发酵液预处理
2.1.1 引言
2.1.2 发酵液过滤性能的改变
2.1.3 发酵液的相对纯化
2.2 固液分离
2.2.1 过滤 2.2.2 离心
预处理和固液分离内容
提取生化物质的第一步，分两部分： 发酵液
胞外 上清液/滤液
预处理
固液分离
胞内 富集细胞
生物产品的分类（根据分离特点）：
《生物分离工程》 Bioseparation Engineering
第二章 发酵液预处理与固液分离
生物分离过程的一般流程
原料液 原料液 细胞分离 ( 细胞分离 ( 离心，过滤 离心，过滤 )) 细胞－胞内产物 细胞－胞内产物 路线一B 包含体 溶解(加盐酸胍、脲 加盐酸胍、脲 ) 复性 细胞破碎 碎片分离 碎片分离 粗分离( 盐析、萃取、超过滤等 盐析、萃取、超过滤等 ) 纯化( 层析、电泳 层析、电泳 ) 脱盐( 凝胶过滤、超过滤 凝胶过滤、超过滤 ) 浓缩( 超过滤 超过滤) 精制( 结晶、干燥 结晶、干燥 ) 路线一 路线二 清液－胞外产物
精制产品分离纯化一般流程：

胞外产品：
发酵液 ↓预处理 目的产物尽量进液相 ↓固液分离 收集液相 ↓ 后提取与精制
•胞内产品：
发酵液 ↓预处理 除杂、改变液相性质 ↓固－液分离 收集细胞或菌体 ↓细胞破碎 目的产物进液相 ↓固－液分离 收集液相 ↓ 后提取与精制
2.1 发酵液预处理
2.1.1 引言

当目的产物为液相时，要注意目的产物是否会被助滤 剂吸附；

当目的产物为固相时，要注意助滤剂对产品质量的影 响。
（2）根据过滤介质（如滤布）和过滤情况选择助滤剂 品种：