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1、发酵液(或培养液) 的预处理 预处理和固液分离的目的: 1、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)。 2、除去部分可溶性杂质。 3、改变滤液的物理性质(降低粘度等),以利于后继 操作。 总策略: 1、胞外产物:应尽可能转移到液相中,常用 调pH至酸性或碱性的方法来达到。 2、胞内产物:首先收集细胞、破壁,生化物 质释放到液相,再分离细胞碎片。 3、通常,以含生化物质的液相为出发点,进 行后继操作。 一、发酵液的预处理 1、改变液体物理性质,促进固液分离。 细菌及某些放线菌菌体细小,发酵液粘度大,不能直 接过滤,由于菌体自溶,核酸、蛋白质及其它有机粘性物 质的存在会造成
2、滤液浑浊,滤速极慢,因此,在预处理中 应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、加热等方法降低粘 度,以利于过滤。 必要性: 2、发酵液杂质很多,其中影响最大的是高价无机 离子和杂蛋白,预处理时,应尽量除去。 高价无机离子危害: 在采用离子交换法提炼时,影响树脂的交换 容量。 杂蛋白质的危害: a) 离子交换法和大网格树脂吸附法提炼时,会降 低吸附能力, b) 萃取时,易产生乳化。 c) 过滤或膜过滤时,使滤速下降,膜受到污染。 (一)、凝聚和絮凝 凝聚:在中性盐电解质作用下,破坏胶体粒子 的分散状态使之聚集的过程。 絮凝:指在某些高分子絮凝剂存在下
3、,在悬浮 粒子之间产生架桥作用,使胶粒形成粗大的絮凝团 的过程。 基本概念: 凝聚和絮凝技术能有效地改变细胞、菌 体和蛋白质等胶体粒子的分散状态,使聚集 起来,增大体积,以便于过滤。 常用于菌体细小而且粘度大的发酵液的 预处理。 一般来说,反离子的价数越高,该值就越小,即凝聚能力越强。 阳离子对带负电荷的胶粒凝聚能力的次序: 常用的凝聚剂电解质有: Al(OH)3 、Fe3O4、Ca(OH)2、石灰等 有机高分子聚合物絮凝剂具有长链线状结构,是水溶性 聚合物,分子量高达数万至一千万以上,在长的链节上含有 相当多的活性功能团,可以带有多价电荷,也可以不带电性 。 它们通过静电引力、范德华分子引力
4、或氢键的作用,强 烈地吸附在胶粒的表面,一个高分子聚合物的许多链节分别 吸附在不同颗粒的表面上,产生架桥联接,生成粗大的絮团 ,这就是絮凝作用。 2、絮凝作用 A. 聚丙烯酰胺类衍生物 B. 聚苯乙烯类衍生物 C. 无机高分子聚合物絮凝剂,如聚合铝盐和聚合铁盐等 。 D. 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、壳多糖和脱乙酰壳多糖等。 絮凝剂 根据活性基团在水中解离情况不同,可分为非离子型、阴离 子型(含有羧基)和阳离子型(含有胺基)三类。 优点:用量少,般以ppm计,絮凝体粗大,分离效果好 ,絮凝速度快、种类多,适用范围广。 缺点:存在一定的毒性,特别是阳离子型聚丙烯
5、酰胺 。 近年来还发展了聚丙烯酸类阴离子聚凝剂,它们无毒 ,可用于食品和医药工业中。 聚丙烯酰胺类絮凝剂: 非离子型和阴离子型高分子絮凝剂,主要通过分子间引力和氢 键产生吸附架桥,常与无机电解质凝聚剂搭配使用。 首先加入无机电解质,使悬浮粒子脱稳而凝聚,然后,再 加入絮凝剂。凝聚作用为絮凝剂的架桥创造了良好的条件,从 而,提高了絮凝效果。 这种包括凝聚和絮凝机理的过程,常称为混凝。 混凝: 1) 絮凝剂浓度(用量) 2) 絮凝剂分子量 3) 絮凝剂类型 4) 溶液的pH 5) 搅拌速度和时间 6) 助凝剂 影响絮凝效果的因素: (二)、杂蛋白的去除方法 蛋白质等电点多在pH 4.0-5.5,此
6、时溶解度最小。但单 靠等电点法不能将大部分蛋白质除去。 1、等电点法: 2、变性法: 变性蛋白质溶解度较小。最常用方法是加热。 只适于热稳定的物质。 大幅度改变pH,加酒精、丙酮等有机溶剂或表面活性剂 等。 在酸性溶液中,蛋白质能与一些阴离子如三氯乙 酸盐、水杨酸盐、钨酸盐、苦味酸盐、蹂酸盐、 过氯酸盐等形成沉淀。 在碱性溶液,蛋白质能与一些阳离子,如 Ag+,Cu2+,Zn2+,Fe3+和Pb2+等形成沉 淀。 应用举例: 1、链霉素发酵液,调至酸性(pH 3.0),加热至70 ,维持l2h,能去除蛋白质,使过滤速度增大10一 100倍,滤液粘度可降低1/6。 2、柠檬酸发酵液,加热至80以
7、上,使蛋白质变性 凝固,降低发酵液粘度,大大提高过滤速度。 举例: 1、四环类抗生素生产中,采用黄血盐和硫酸锌的协同 作用生成亚铁氰化锌钾的胶状沉淀来吸附蛋白质,取得很好 的效果。 2、枯草杆菌发酵液,常加入氯化钙和磷酸氢二钠,生 成磷酸钙盐沉淀,把蛋白质、菌体及不溶性粒子吸附并包裹 在其中而除去,从而加快了过滤速度。 利用吸附作用除去蛋白质: (三)高价无机离子的去除 Ga2+:加入草酸和草酸盐,生成草酸钙;加入磷 酸盐,生成磷酸钙 Mg2+:加入草酸(沉淀不完全);加入磷酸盐, 生成磷酸镁;三聚磷酸钠(Na5P3O10),生成可 溶性络合物 Fe3+:加入黄血盐,生成普鲁士兰沉淀 二、 发
8、酵液的过滤 发酵液中含有大量菌体、细胞或细胞碎片以及残余的 固体培养基成分,过滤就是将悬浮在发酵液中的固体颗粒 与液体进行分离的过程。 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。 1.过滤介质 使滤液通过,截留固体颗粒并支撑滤饼的材料。 要求其具有多孔性、耐腐蚀性及足够的机械强度。 工业常用的过滤介质:织物介质、多孔性固体、 粒状介质。 无定形颗粒:无烟煤、砂、颗粒活性炭、铁矿砂等 成形颗粒:烧结金属、烧结塑料以及用合成树脂粘 结的硅砂、塑料颗粒等,做成圆筒形或板状。 非金属织补棉:化学纤维、玻璃纤维织品、长纤维 滤布、短纤维滤布。 金属
9、织布:不锈钢丝或铁丝等的织布。 无纺品:纸、毡、石棉板、合成纤维无纺布等。 2.滤饼的压缩性及助滤剂 (1)滤饼的压缩性:受力不变形的颗粒形成的滤饼 称不可压缩性滤饼,反之则称为可压缩性滤饼。发酵 液悬浮颗粒属于可压缩性颗粒 。 (2)助滤剂:减小过滤阻力、提高滤饼的刚性和孔 隙率的惰性材料。 (3)过滤推动力:过滤介质两侧的压力差。 (4)过滤速率:单位时间内通过的滤液体积。 3.过滤方式分类: 常压过滤、加压过滤、减压过滤、离心过滤。 4、过滤基本方程式 衡量各种物质过滤特性的主要指标是滤饼的重量比阻r B (),表示单位滤饼厚度的阻力系数,与滤饼的结构特性 有关。 对于不可压缩性滤饼,比
10、阻值为常数,但对于可压缩性 滤饼, r B是操作压力差的函数、一般可用下式表示: 由此可见滤饼的比阻值是随操作压力差的提高而增大的 。因此开始过滤时应注意不能很快提高压差,通常靠液柱的 自然压差进料,并应缓慢地逐步地升高压力,一般在相当长 的时间内,压力差不要超过0.05MPa,最后的压差(不包括榨 滤)也不超过0.3一0.4MPa。 滤饼阻力与滤饼干重之间的关系 Rc表示滤饼的阻力 A为过滤面积m2 恒压下,可压缩性滤饼的比阻值应为常数。如过滤 介质的阻力相对较小可以忽略不计,则恒压下的过滤方 程式如下: (二)、影响过滤速度的因素 菌种 发酵条件(培养基的组成,未用完培养基的数量,消沫油,
11、 发酵周期)。 过滤条件:压力等 菌种对过滤速度影响很大。 真菌:菌丝粗大,容易过滤,不需特殊处理。滤渣呈紧密 饼状物,易从滤布上刮下,可采用鼓式真空过滤机过滤。 放线菌:菌丝细而分枝,交织成网络状,还含有很多多糖 类物质,粘性强,重量比阻r B值高,过滤困难,一般需经预 处理,以凝固蛋白质等胶体。 细菌:菌体更细小,过滤十分困难,如不用絮凝等方法预 处理发酵液,往往难以采用常规过滤的设备来完成过滤操作。 1、菌种 培养基的组成对过滤速度影响也很大。 黄豆粉、花生饼作氮源、淀粉作碳源会使过滤困难。 举例:a 、在链霉素发酵液的培养基中,加以黄豆粉代替 玉米浆,则比阻值增大0.61.0倍。 b、
12、 在青霉素发酵的培养基中,加入酵母蛋白,rB 值也提高很多。 此外,发酵后期加消沫油或剩余大量末用完的培养基都 会使过滤困难。 2、培养基 正确选择发酵终了时间对过滤影响很大。 在菌丝自溶前必须放罐,因为细胞自溶后的分解产物很 难过滤。 有时延长发酵周期虽能使发酵单位有所提高,但严重影 响发酵液质量,使色素和胶状杂质增多、过滤困难,最终造 成成品质量降低。 3、发酵时间 (三)、改善过滤性能的方法 对于难过滤的发酵液,必须设法改善过滤性能、降低滤 饼的比阻值,以提高过滤速度。 改善过滤性能的方法: 1、预处理发酵液。等电点,蛋白质变性、吸附以及凝聚 和絮凝等方法。 2、加入助滤剂,直接在发酵液
13、中形成填充一凝固剂。 3、酶解作用 助滤剂是一种不可压缩的多孔微粒,能使滤饼疏松 ,滤速增大。 常用的助滤剂:硅酸盐粉末(硅藻土)、纸浆、珠光 石 (即珍珠岩,成分为二氧化硅)。 要求:助滤剂必须不吸附或很少吸附生化物质。 1、加入助滤剂 加入方式: 1、在滤布上预先铺一层助滤剂(12mm),采用此种 方法,会使滤速降低,但滤液透明度很快增加。 2、直接加入发酵液中。助滤剂用量若等于悬浮液中 固体含量时,滤速最快。 反应剂相互作用,或和溶解性盐发生反应,生成沉淀 。能防止菌丝体粘结,使菌丝具有块状结构。 沉淀本身即可作为助滤剂,并且还能使胶状物和悬浮 物凝固。 正确选择反应剂和反应条件,能使过
14、滤速度提高310 倍。 2、加入反应剂 举例: A. 新生霉素发酵液中加入氯化钙和磷酸钠,生成的磷酸钙 可作为填充凝固剂。一方面作为助滤剂,另一方面 还可使某些蛋白质凝固。 B. 环丝氨酸发酵液用氧化钙和磷酸处理,生成的磷酸钙沉 淀,熊使悬浮物凝固。多余的磷酸根离子,还能除去钙 、镁离子。 v 如果发酵液中有不溶解的多糖存在,则最好用酶将它转化 为单糖,以提高过滤速度。 v 例如:万古霉素用淀粉作培养基,加入淀粉酶后,能使过 滤速度加快。 3、采用酶制剂分解黏性物质 v 发酵液染菌后,会含很多细菌菌体,杂质也增多,造成过 滤困难。 v 杂菌的种类不同,对过滤的影响也不同。一般染霉菌尚可 ,染产
15、气杆菌则很难过滤。 v 处理方法:升高温度、增加纯化剂用量、加助滤剂等。 v 举例:四环素染菌发酵液可以采用加温至40一50,增 加黄血盐、硫酸锌用量,以正常批号的滤渣作为助滤剂等办 法。 4、染菌发酵液的处理方法 (四)、固液分离设备的选择 不同性状的发酵液应选择不同的固液分离设备。 常用分离设备:板框压滤机,鼓式真空过滤机和离心沉 降分离机等。 优点:过滤面积大,过滤推动力(压力差)能较大幅度地进行 调整,并能耐受较高的压力差,故对不同过滤特性的发酵液适 应性强,同时还具有结构简单,价格低,动力消托少等优点。 缺点:不能连续操作,设备笨重,劳动强度大,卫生条件差 ,非生产的辅助时间长(包括
16、解框、卸饼、洗滤饼,洗滤布, 重新压紧板框等),阻碍了过滤效率的提高。 自动板框过滤机: 是一种较新型的压滤设备,板框的拆装,滤渣的脱落 卸出和滤布的清洗等操作都能自动进行,大大缩短了非生 产的辅助时间和减轻了劳动强度。 对于菌体较细小、粘度较大的发酵液,可加入助滤剂或 采用絮凝等方法预处理后进行压滤。 对于难过滤的枯草杆菌发酵液,可设计一种特别薄的滤 框以减小滤饼的阻力。 另外,也可采用带有橡皮隔膜的压滤机,过滤结束时, 在滤板和橡皮膜之间通入压缩空气来压札滤饼,将液体挤压 出来。 常用技术措施 鼓式真空过滤机能连 续操作,并能实现自动化 控制,但是压差较小,主 要适用于霉菌发酵液的过 滤。而对菌体较细或粘稠 的发酵液不太适用。 一种较好的解决办法 是,过滤前在转鼓面上预 铺一层助滤剂,操作时, 用一把缓慢向鼓面移动的 刮刀将滤饼连同极薄的一 层助滤剂一起刮去,这样 使过滤面积不断更新,以 维持正常的过滤速度。 离心分离具有分离速度快,效率高,操作时卫生条件好 等优点,适合于大规模的分离过程。但是,离心分离的设备 投资费用高,