2024/9/5第三章第三章 发酵液的预处理发酵液的预处理(Pretreatments of biochemicals)第一节第一节 发酵液过滤特性的改变发酵液过滤特性的改变第二节第二节 发酵液的相对纯化发酵液的相对纯化第三节第三节 固液分离工程与设备固液分离工程与设备 2024/9/5 2024/9/5生物分离过程的一般流程本节内容2024/9/5 2024/9/5预处理和固液分离内容固液分离固液分离发酵液发酵液胞外胞外上清液上清液/滤液滤液预处理预处理提取生化物质的第一步，分两部分：提取生化物质的第一步，分两部分：胞内胞内富集细胞富集细胞2024/9/5 2024/9/5第一节 发酵液过滤特性的改变一、发酵液的基本特性•发酵产物浓度较低，大多为发酵产物浓度较低，大多为1-10%1-10%；；•悬浮固形物主要为菌体和蛋白的胶状物；悬浮固形物主要为菌体和蛋白的胶状物；（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）•发酵液中含有少量代谢副产物；发酵液中含有少量代谢副产物；•发酵液中还含有培养基残留成分、色素、毒性物质、发酵液中还含有培养基残留成分、色素、毒性物质、热原。
热原2024/9/5 2024/9/5•固液分离方法主要是固液分离方法主要是过滤过滤和和离心离心•对于菌体细小，液体粘度大，不能直接过滤，若对于菌体细小，液体粘度大，不能直接过滤，若用高速离心，能耗很大，设备昂贵用高速离心，能耗很大，设备昂贵•膜分离技术（微滤）易产生膜污染，通量降低膜分离技术（微滤）易产生膜污染，通量降低•菌体自溶，核酸、蛋白质及其它有机粘性物质的菌体自溶，核酸、蛋白质及其它有机粘性物质的存在也会影响固液分离存在也会影响固液分离•因而寻找一种经济有效的方法来提高固液分离速因而寻找一种经济有效的方法来提高固液分离速度显得十分必要度显得十分必要2024/9/5 2024/9/5二、预处理目的二、预处理目的⑴⑴改变发酵液改变发酵液固体粒子物理性质固体粒子物理性质，如增大悬浮液，如增大悬浮液中固体粒子的尺寸，加快固体粒子的沉降速度中固体粒子的尺寸，加快固体粒子的沉降速度⑵⑵相对纯化，去除发酵液中的部分相对纯化，去除发酵液中的部分杂质杂质（高价无（高价无机离子和杂蛋白质），以利于后续各步操作机离子和杂蛋白质），以利于后续各步操作⑶⑶尽可能使产物转入便于后处理的一相中（多数尽可能使产物转入便于后处理的一相中（多数是液相）；四环素类抗生素、链霉素。
是液相）；四环素类抗生素、链霉素2024/9/5 2024/9/51.1.凝聚和絮凝凝聚和絮凝 Coagulation and flocculation 2.2.加热法加热法 Heating3.3.调节悬浮液的调节悬浮液的pH值值 Regulation of pH4.4.加入助滤剂加入助滤剂 Filter aids5.加入反应剂加入反应剂 Reactant 2024/9/5 2024/9/51、凝聚和絮凝The first pretreatment method is the addition of The first pretreatment method is the addition of electrolyteselectrolytes to promote to promote coagulation and flocculationcoagulation and flocculation in the initial solution. Useful agents rang from simple in the initial solution. Useful agents rang from simple electrolytes through electrolytes through acids and bases to synthetic acids and bases to synthetic polyelectrolytes.polyelectrolytes.通过电解质的加入促进原始溶液的凝聚和絮凝，通过电解质的加入促进原始溶液的凝聚和絮凝，试剂有简单的电解质、酸、碱、合成的聚合电试剂有简单的电解质、酸、碱、合成的聚合电解质。
解质2024/9/5 2024/9/5•凝聚与絮凝处理过程就是将化学药剂预先投加到凝聚与絮凝处理过程就是将化学药剂预先投加到悬浮液中，改变细胞、菌体和蛋白质等胶体粒子悬浮液中，改变细胞、菌体和蛋白质等胶体粒子的分散状态，破坏其稳定性，的分散状态，破坏其稳定性，使其聚集起来使其聚集起来, ,增增大体积以便固液分离大体积以便固液分离•凝聚和絮凝技术常用于凝聚和絮凝技术常用于菌体细小菌体细小而且而且黏度大黏度大的发的发酵液的预处理中酵液的预处理中絮凝絮凝2024/9/5 2024/9/5凝聚凝聚 在投加的化学物质（铝、铁的盐类）作用在投加的化学物质（铝、铁的盐类）作用下，下，胶体脱稳胶体脱稳并使粒子相互聚集成并使粒子相互聚集成1mm1mm大小块大小块状凝聚体的过程状凝聚体的过程机理机理1 1）中和粒子表面电荷；）中和粒子表面电荷； 2 2）消除双电层结构；）消除双电层结构；3 3）使胶体粒子的排斥电位降低而发生集沉使胶体粒子的排斥电位降低而发生集沉2024/9/5 2024/9/5•发酵液中菌体表发酵液中菌体表面带有负电荷，面带有负电荷，由于静电引力使由于静电引力使溶液中反离子被溶液中反离子被吸附在其周围，吸附在其周围，在界面上形成了在界面上形成了双电层。
双电层•正离子同时受到正离子同时受到使它们均匀分布使它们均匀分布的热运动影响，的热运动影响，具有离开胶粒表具有离开胶粒表面的趋势面的趋势胶体双电层结构2024/9/5 2024/9/5两种相反作用力下，双电层分裂成两部：吸附层或两种相反作用力下，双电层分裂成两部：吸附层或sternstern层；扩散层层；扩散层扩散双电层的结构模型扩散双电层的结构模型( (Gouy-Chapman-Stern model) )由于离子的溶剂化作用，当由于离子的溶剂化作用，当固液两相作相对运动时，紧固液两相作相对运动时，紧密层会结合一定数量的溶剂密层会结合一定数量的溶剂分子一起移动，所以滑动面分子一起移动，所以滑动面是在紧密层（是在紧密层（SternStern层）与扩层）与扩散层的界面上散层的界面上2024/9/5 2024/9/5常用的凝聚电解质有：常用的凝聚电解质有： Al2(SO4)3，，AlCl3，， FeCl3, ZnSO4，，MgSO42024/9/5 2024/9/5•絮凝絮凝 指使用絮凝剂（指使用絮凝剂（天然的和合成的大分天然的和合成的大分子量聚电解质子量聚电解质）将胶体粒子交联成网，）将胶体粒子交联成网，形成形成10mm大小絮凝团的过程。
大小絮凝团的过程•机理机理：架桥作用：架桥作用 采用絮凝法可形成粗大的絮凝体，使采用絮凝法可形成粗大的絮凝体，使发酵液较易分离发酵液较易分离2024/9/5 2024/9/5l絮凝剂是一种能溶于水的高分子聚合物，其相对分子质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，包括离子基团以及非离子型基团许多活性官能团，包括离子基团以及非离子型基团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吸附在胶粒的表面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，产生架桥联结时，就形成较大絮团，产生絮凝作表面上，产生架桥联结时，就形成较大絮团，产生絮凝作用 絮絮 凝凝2024/9/5 2024/9/5高分子絮凝剂的吸附架桥作用高分子絮凝剂的吸附架桥作用 2024/9/5 2024/9/52024/9/5 2024/9/5 工业上使用的絮凝剂可分为工业上使用的絮凝剂可分为人工合成有机人工合成有机高分子聚合物高分子聚合物、、天然有机高分子聚合物天然有机高分子聚合物、、无无机高分子聚合物机高分子聚合物三类。
三类 1 1）常用的是人工合成有机高分子聚合物，）常用的是人工合成有机高分子聚合物，如聚丙烯酰胺类衍生物、聚乙烯亚胺衍生物；如聚丙烯酰胺类衍生物、聚乙烯亚胺衍生物；聚丙烯酸类和聚苯乙烯类衍生物聚丙烯酸类和聚苯乙烯类衍生物2024/9/5 2024/9/5聚合物絮凝剂分聚合物絮凝剂分: :1)1)阴离子型阴离子型 （含有羧基（含有羧基) )2)2)阳离子型阳离子型 ( (含有胺基含有胺基) )3)3)非离子型非离子型活性基团在水中活性基团在水中解离情况不同解离情况不同2024/9/5 2024/9/5聚丙烯酰胺类絮凝剂的优点聚丙烯酰胺类絮凝剂的优点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 有一定的毒性，特别是阳离子型聚丙烯酰胺，有一定的毒性，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用于食品和医药工业时应谨慎目前最常见：目前最常见：聚丙烯酰胺类聚丙烯酰胺类絮凝剂絮凝剂2024/9/5 聚合铝盐、聚合铁盐2）无机高分子聚合物）无机高分子聚合物3）天然有机高分子絮凝剂）天然有机高分子絮凝剂天然有机高分子絮凝剂具有无毒，易生物降解，天然有机高分子絮凝剂具有无毒，易生物降解，原料来源广等优点。
原料来源广等优点天然有机高分子改性絮凝剂根据其原料来源不天然有机高分子改性絮凝剂根据其原料来源不同可分为同可分为淀粉类、纤维素类、植物胶类和聚多淀粉类、纤维素类、植物胶类和聚多淀粉类、纤维素类、植物胶类和聚多淀粉类、纤维素类、植物胶类和聚多糖类糖类糖类糖类其中，其中，淀粉改性絮凝剂淀粉改性絮凝剂淀粉改性絮凝剂淀粉改性絮凝剂的研究开发最引人注目的研究开发最引人注目2024/9/5 2024/9/5微生物絮凝剂•微生物絮凝剂是近年来研究和开发的新型絮凝剂，微生物絮凝剂是近年来研究和开发的新型絮凝剂，•由由微生物微生物或其分泌物产生的具有絮凝细胞功能的代或其分泌物产生的具有絮凝细胞功能的代谢产物•主要成分是主要成分是糖蛋白、粘多糖、纤维素及核酸糖蛋白、粘多糖、纤维素及核酸糖蛋白、粘多糖、纤维素及核酸糖蛋白、粘多糖、纤维素及核酸等高分等高分子物质•微生物絮凝剂和天然絮凝剂最大的优点是安全，无微生物絮凝剂和天然絮凝剂最大的优点是安全，无毒和不污染环境毒和不污染环境2024/9/5 2024/9/5絮凝的影响因素•发酵液的性质（细胞浓度，表面电荷）；发酵液的性质（细胞浓度，表面电荷）；•絮凝剂的种类和用量；絮凝剂的种类和用量；•pHpH值控制；值控制；•搅拌速度和时间。
搅拌速度和时间2024/9/5 2024/9/52 2、加、加 热热1 1 1 1）加热降低液体粘度）加热降低液体粘度）加热降低液体粘度）加热降低液体粘度 加水稀释法和加热法等加水稀释法和加热法等可有效提高过滤速率可有效提高过滤速率 加热是发酵液预处理最简单最常用的方法加加热是发酵液预处理最简单最常用的方法加热能改善发酵液的操作特性热能改善发酵液的操作特性麦芽汁的黏度麦芽汁的黏度-温度曲线温度曲线2024/9/5 2024/9/52 2）加热使蛋白质变性凝固）加热使蛋白质变性凝固 变性蛋白质的溶解度小如柠檬酸发酵液加热至变性蛋白质的溶解度小如柠檬酸发酵液加热至80℃80℃以上，可使蛋白质变性凝固，过滤速度加快以上，可使蛋白质变性凝固，过滤速度加快 The simplest pretreatment and the least expensive method is to heat the feed. Such heating can not only improve the feed’s handling characteristics, but also may pasteurize it. The chief constraint of this approach is the thermal stability of the product.( lead to irreversible reaction).2024/9/5 2024/9/53 3、调节、调节pH pH值直接影响发酵液中某些物质的电离度和值直接影响发酵液中某些物质的电离度和电电荷性质，适当调节荷性质，适当调节pHpH值可改善其过滤特性。
值可改善其过滤特性u调节调节pHpH值到蛋白质的等电点是除去蛋白质的有效值到蛋白质的等电点是除去蛋白质的有效方法方法, ,大幅度改变大幅度改变pHpH还能使蛋白质变性凝固还能使蛋白质变性凝固; ;u通过调整通过调整pHpH值改变膜过滤中易吸附分子的电荷值改变膜过滤中易吸附分子的电荷 性质，可减少膜堵塞和污染；性质，可减少膜堵塞和污染；u影响离子型絮凝剂的电离度影响离子型絮凝剂的电离度2024/9/5 2024/9/5 0020040060061218pH 4.6pH 4.2pH 3.8pH 2.8Filtrate Volume, cm 3Time,minutes The effect on filtrate volume of pH2024/9/5 2024/9/54 4、加入助滤剂（、加入助滤剂（filter aidsfilter aids）） •一种一种不可压缩不可压缩的的多孔多孔微粒微粒•菌体可吸附于助滤剂微粒上，菌体可吸附于助滤剂微粒上，降低了滤饼的可压缩性，减降低了滤饼的可压缩性，减小了过滤阻力小了过滤阻力•常用的助滤剂是硅藻土，其常用的助滤剂是硅藻土，其次是珍珠岩粉、活性炭、石次是珍珠岩粉、活性炭、石英砂、石棉粉、纤维素等。
英砂、石棉粉、纤维素等 The effect on filtrate volume of filter aids2024/9/5 2024/9/5助滤剂的选择(1)粒度粒度 根据根据悬浮液中的颗粒悬浮液中的颗粒和滤液的澄清度确定，一般颗粒较小和滤液的澄清度确定，一般颗粒较小的滤饼应采用细小的助滤剂；的滤饼应采用细小的助滤剂；(2)助滤剂的品种助滤剂的品种 根据过滤介质选择助滤剂品种使用粗目滤网时易泄漏，根据过滤介质选择助滤剂品种使用粗目滤网时易泄漏，可选择石棉粉、纤维素；采用细目滤布时，可使用细硅藻土；可选择石棉粉、纤维素；采用细目滤布时，可使用细硅藻土；(3)用量用量 间歇操作时，间歇操作时，过滤介质表面预涂助滤剂，过滤介质表面预涂助滤剂，其厚度应不小于其厚度应不小于2mm2mm2024/9/5 2024/9/55.5.加入反应剂加入反应剂1 1））反应剂与某些可溶性盐类发生反应生成不溶性沉淀反应剂与某些可溶性盐类发生反应生成不溶性沉淀, ,生成的生成的沉淀能防止菌丝体粘结，使菌丝具有块状结构，又能使蛋白沉淀能防止菌丝体粘结，使菌丝具有块状结构，又能使蛋白质凝固，过滤性能上升，沉淀本身可作为助滤剂。
质凝固，过滤性能上升，沉淀本身可作为助滤剂 如新生霉素发酵液中加入如新生霉素发酵液中加入CaClCaCl2 2和和NaNa3 3POPO4 4，生成，生成CaCa3 3(PO(PO4 4) )2 2沉淀2 2）发酵液中含有不溶性多糖物质时，用酶将其转化为单糖，以）发酵液中含有不溶性多糖物质时，用酶将其转化为单糖，以提高过滤速率提高过滤速率 如万古霉素用淀粉作培养基，发酵液过滤前加入如万古霉素用淀粉作培养基，发酵液过滤前加入0.025%0.025%的淀粉的淀粉酶，搅拌酶，搅拌30min30min后，再加后，再加2.5%2.5%硅藻土助滤剂，可提高过滤效率硅藻土助滤剂，可提高过滤效率5 5倍2024/9/5 2024/9/5一、发酵液中的杂质一、发酵液中的杂质 1 1、高价无机离子（、高价无机离子（CaCa2+2+、、MgMg2+2+、、FeFe3+3+）） 在采用离子交换提炼时，会影响树脂对生化物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质的交换容量 2 2、杂蛋白、杂蛋白 常规过滤或膜过滤时，易使过滤介质堵塞常规过滤或膜过滤时，易使过滤介质堵塞。
采用离子交换和吸附法提取时会降低其交换容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量和吸附能力 有机溶剂法或双水相萃取时，易产生乳化有机溶剂法或双水相萃取时，易产生乳化第二节第二节 发酵液的相对纯化发酵液的相对纯化2024/9/5 2024/9/5二、高价无机离子的去除方法二、高价无机离子的去除方法Ca2+ ——草酸、草酸钠草酸、草酸钠 →→形成草酸钙沉淀形成草酸钙沉淀（（链霉链霉素发酵液，加草酸素发酵液，加草酸8-12Kg/m3，搅拌，搅拌30-60min，调，调pH2.8-3.5,可以除去金属离子可以除去金属离子）） ；；Mg2+——三聚磷酸钠三聚磷酸钠 →→三聚磷酸钠镁；三聚磷酸钠镁；Fe3+ ——黄血盐黄血盐 →→普鲁士兰沉淀普鲁士兰沉淀2024/9/5 2024/9/5三、杂蛋白的去除方法三、杂蛋白的去除方法沉淀法沉淀法变性法变性法吸附法吸附法2024/9/5 2024/9/51.1.杂蛋白去除杂蛋白去除- -沉淀法沉淀法 precipitationprecipitationA.A.等电点沉淀法等电点沉淀法 （（isoelectric precipitationisoelectric precipitation ） 蛋白质的等电点大都在酸性范围内蛋白质的等电点大都在酸性范围内(pH4.0(pH4.0～～5.5)5.5)，调节发，调节发酵液的酵液的pHpH到蛋白质的等电点是除去蛋白质的有效方法。
到蛋白质的等电点是除去蛋白质的有效方法B.B.酸碱调节，使蛋白质与离子形成沉淀酸碱调节，使蛋白质与离子形成沉淀l在酸性溶液中，蛋白质与一些阴离子形成沉淀，如三氯乙在酸性溶液中，蛋白质与一些阴离子形成沉淀，如三氯乙酸盐、水杨酸盐、苦味酸盐等；酸盐、水杨酸盐、苦味酸盐等；l在碱性溶液中，蛋白质与一些阳离子形成沉淀，如在碱性溶液中，蛋白质与一些阳离子形成沉淀，如Ag+Ag+、、CuCu2+2+、、ZnZn2+2+、、FeFe3+3+等2024/9/5 2024/9/52.2.杂蛋白去除杂蛋白去除- -变性变性 DenaturationDenaturation 蛋白质从有规则的排列变成不规则结构的过程称为变性蛋白质从有规则的排列变成不规则结构的过程称为变性变性蛋白质溶解度较小变性蛋白质溶解度较小l加热加热l大幅度调节大幅度调节pHpH值值l加酒精、丙酮等有机溶剂或表面活性剂加酒精、丙酮等有机溶剂或表面活性剂不足之处：不足之处：a.a.加热法只适合于对热较稳定的目的产物；加热法只适合于对热较稳定的目的产物；b.b.极端极端pHpH值也会导致某些目的产物失活，且要消耗大量酸碱；值也会导致某些目的产物失活，且要消耗大量酸碱；c.c.有机溶剂法通常只适用于所处理的液体数量较少的场合。
有机溶剂法通常只适用于所处理的液体数量较少的场合 2024/9/5 2024/9/5•链霉素生产中，采用调链霉素生产中，采用调pHpH至酸性至酸性（（pH3.0pH3.0），加热至），加热至70℃70℃，维持半个小时，维持半个小时的方法来使蛋白变性，能使过滤速度增大的方法来使蛋白变性，能使过滤速度增大10-10010-100倍，滤液粘度可降低倍，滤液粘度可降低1/61/6•柠檬酸发酵液，采用加热至柠檬酸发酵液，采用加热至80℃80℃以上，使以上，使蛋白质变性凝固和降低发酵液粘度，从而蛋白质变性凝固和降低发酵液粘度，从而大大提高了过滤速度大大提高了过滤速度2024/9/5 2024/9/53.3.杂蛋白去除杂蛋白去除- -吸附法吸附法 adsorptionadsorption•加入某些吸附剂或沉淀剂吸附杂蛋白质而除去加入某些吸附剂或沉淀剂吸附杂蛋白质而除去加入某些吸附剂或沉淀剂吸附杂蛋白质而除去加入某些吸附剂或沉淀剂吸附杂蛋白质而除去•四环类抗生素生产中，采用黄血盐和硫酸锌的协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同作用生成亚铁氰化锌钾K K2 2ZnZn3 3[Fe(CN)[Fe(CN)5 5] ]2 2的的胶状胶状沉淀沉淀来吸附蛋白质，利用此法除蛋白质已取得很来吸附蛋白质，利用此法除蛋白质已取得很好的效果。
好的效果•在枯草杆菌发酵液中，常加入氯化钙和磷酸盐，在枯草杆菌发酵液中，常加入氯化钙和磷酸盐，生成生成磷酸钙沉淀磷酸钙沉淀，把蛋白质、菌体及其它不溶性，把蛋白质、菌体及其它不溶性粒子吸附并包裹在其中而除去，从而加快了过滤粒子吸附并包裹在其中而除去，从而加快了过滤速度，还可以作为助滤剂速度，还可以作为助滤剂2024/9/5 2024/9/5第三节第三节 发酵液的固液分离发酵液的固液分离一、影响发酵液固液分离的因素一、影响发酵液固液分离的因素二、过滤分离与设备二、过滤分离与设备三、离心分离与设备三、离心分离与设备2024/9/5 2024/9/5一、影响发酵液固液分离的因素1 1）发酵液中悬浮粒子的大小）发酵液中悬浮粒子的大小2024/9/5 2024/9/52 2）发酵液的黏度）发酵液的黏度l放罐时间放罐时间l发酵条件（培养基成分）发酵条件（培养基成分）l发酵液染菌，如染细菌，则发酵液染菌，如染细菌，则黏黏度会增大度会增大l发酵过程的不正常处理，如大量过剩的发酵过程的不正常处理，如大量过剩的培养基和消沫油加入，都会使培养基和消沫油加入，都会使黏黏度增大2024/9/5 2024/9/5•收集胞内产物的细胞或菌体，分离除去收集胞内产物的细胞或菌体，分离除去液相。
液相•收集含生化物质的液相，分离除去固体收集含生化物质的液相，分离除去固体悬浮物（细胞、菌体、细胞碎片、蛋白悬浮物（细胞、菌体、细胞碎片、蛋白质的沉淀物和它们的絮凝体等）质的沉淀物和它们的絮凝体等）固液分离目的2024/9/5 2024/9/5•过滤过滤 filtration•离心离心 Centrifugation 二、固液分离方法二、固液分离方法2024/9/5 2024/9/5过过 滤滤 过滤操作是借助于过滤介质，在一定的过滤操作是借助于过滤介质，在一定的压压力差力差ΔPΔP作用作用下，使下，使悬浮液中的液体通过介质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的孔道，而固体颗粒被截留在介质上，从而实，从而实现固液分离的单元操作现固液分离的单元操作2024/9/5 2024/9/5•恒恒压压过过滤滤:将将过过滤滤操操作作的的推推动动力力维维持持在在某某一一不不变的压力下进行变的压力下进行•恒恒速速过过滤滤:操操作作中中以以恒恒定定的的流流量量向向过过滤滤机机供供料料以维持过滤速率不变以维持过滤速率不变 •常规过滤常规过滤:料液流动方向与过滤介质垂直料液流动方向与过滤介质垂直•错流过滤错流过滤:料液流动方向与过滤介质平行。
料液流动方向与过滤介质平行 2024/9/5 2024/9/5–过滤介质过滤介质filter medium : :过滤采用的多孔物质；过滤采用的多孔物质； –滤浆滤浆filter pulp : :所处理的悬浮液；所处理的悬浮液； –滤液滤液filtrate : :通过多孔通道的液体；通过多孔通道的液体； –滤饼或滤渣滤饼或滤渣filter cake: :被截留的固体物质被截留的固体物质几个基本概念几个基本概念2024/9/5 2024/9/5生物物料过滤特点生物物料过滤特点•滤饼有高度可压缩性，过滤困难滤饼有高度可压缩性，过滤困难 •胶胶体体粒粒子子能能吸吸水水，，形形成成不不流流动动的的液液体体层层，，过滤阻力增大过滤阻力增大2024/9/5 2024/9/5过滤介质过滤介质（一）过滤介质的特性（一）过滤介质的特性 1 1、过滤介质所能截留的固体粒子的大小、过滤介质所能截留的固体粒子的大小 纤维纤维 10um 10um 硅藻土硅藻土 1um 1um 超滤膜超滤膜 0.5um 0.5um 2 2、过滤介质的渗透性、过滤介质的渗透性 渗透性越大，阻力越小渗透性越大，阻力越小 3 3、其他、其他 耐酸碱性、耐热性耐酸碱性、耐热性2024/9/5 2024/9/5( (二二) )天然纤维滤布和合成纤维滤布天然纤维滤布和合成纤维滤布棉花纤维或合成纤维织成的滤布是工业上应用棉花纤维或合成纤维织成的滤布是工业上应用最广的过滤介质。
最广的过滤介质影响因素：纤维特性，耐热性，耐磨性，耐酸影响因素：纤维特性，耐热性，耐磨性，耐酸性等2024/9/5 2024/9/5(三三) 松散粉粒过滤介质松散粉粒过滤介质构成沙滤床的硅藻土：构成沙滤床的硅藻土：1.1.作为深层过滤介质过滤悬浮液作为深层过滤介质过滤悬浮液2.2.在支持性介质表面上欲先形成硅藻土薄层，以保护在支持性介质表面上欲先形成硅藻土薄层，以保护支持性介质的毛细孔，在过滤时不被微小的颗粒所支持性介质的毛细孔，在过滤时不被微小的颗粒所堵塞3.3.使形成的滤饼具有多孔隙，并降低滤饼的可压缩性，使形成的滤饼具有多孔隙，并降低滤饼的可压缩性，提高提高过滤速度过滤速度和和延长延长过滤操作的周期过滤操作的周期2024/9/5 2024/9/5过滤速率的强化过滤速率的强化过滤速率：过滤速率：单位时间通过单位面积的 滤液体积1/A)*dV/dt = △△P/(μ Rc)△△P －压力差－压力差μ －－ 粘度粘度Rc－－滤饼的阻力滤饼的阻力2024/9/5 2024/9/5滤饼比阻力的异常性与过滤速度的强化滤饼比阻力的异常性与过滤速度的强化1 1．降低滤饼阻力．降低滤饼阻力Rc, R c = 128a/(nлd4) (a,滤饼的阻力特性滤饼的阻力特性增大毛细孔直径增大毛细孔直径d ，滤饼阻力，滤饼阻力Rc下降下降。
采用方法：采用方法：ü 添加电解质、絮凝剂、凝固剂：添加电解质、絮凝剂、凝固剂：d增大增大ü 加助滤剂：小粒子附于其上成大粒子，加助滤剂：小粒子附于其上成大粒子，d增大增大 ü 加热：胶体粒子变性凝固，加热：胶体粒子变性凝固，d增大增大ü 调调PHPH：蛋白质等电点，溶解度变小或凝固，：蛋白质等电点，溶解度变小或凝固，d增大增大2024/9/5 2024/9/52 2．降低滤液粘度．降低滤液粘度μμ 升温升温 使粘度使粘度μμ下降下降 加酶加酶 热敏性物料用加酶法热敏性物料用加酶法3 3．降低悬浮液中悬浮固体的浓度．降低悬浮液中悬浮固体的浓度 工艺方面工艺方面 主要从培养基方面考虑主要从培养基方面考虑 设备方面设备方面 用连续能除渣的设备（培养基）用连续能除渣的设备（培养基）4 4．热处理．热处理 热处理能使蛋白质等胶体粒子变性凝固，热处理能使蛋白质等胶体粒子变性凝固，d增大，增大，使过滤速度大为提高。
使过滤速度大为提高2024/9/5 2024/9/5 5. 5. 5. 5. 提高过滤压力差提高过滤压力差提高过滤压力差提高过滤压力差ΔPΔPΔPΔPΔPΔP增加，增加， dV/dτdV/dτ增大增大•允许压差操作允许压差操作≦≦0.3Mpa0.3Mpa•开始压力小，逐步提高压力开始压力小，逐步提高压力2024/9/5 2024/9/5Ø典型过滤设备典型过滤设备Ø按操作方式分类：间歇过滤机、连续过滤机按操作方式分类：间歇过滤机、连续过滤机Ø按操作压强差分类：压滤、吸滤和离心过滤按操作压强差分类：压滤、吸滤和离心过滤实验室用抽滤装置实验室用抽滤装置板框压滤机（间歇操作）板框压滤机（间歇操作） 转筒真空过滤机（连续操作）转筒真空过滤机（连续操作） 过滤式离心机过滤式离心机固液分离过滤设备2024/9/5 2024/9/51）实验室用抽滤装置2024/9/5 2024/9/52）板框压滤机 plate and frame filter •板框压滤机的过滤推动力来自泵产生的板框压滤机的过滤推动力来自泵产生的液压或进料贮槽中的气压液压或进料贮槽中的气压广泛应用于培养基制备的过滤及霉菌、放线菌、广泛应用于培养基制备的过滤及霉菌、放线菌、酵母菌和细菌等多种发酵液的固液分离。
酵母菌和细菌等多种发酵液的固液分离适合于固体含量适合于固体含量1-10%1-10%的悬浮液的分离的悬浮液的分离 2024/9/5 2024/9/5•包括板和框，多做成方形，角端均开有小孔，装合压紧后包括板和框，多做成方形，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布并提供滤液流出的通道2024/9/5 2024/9/5板框压滤机板框压滤机优点优点缺点缺点不能连续操作，设备笨重，劳动强度大，不能连续操作，设备笨重，劳动强度大，卫生条件差，非过滤的辅助时间较长卫生条件差，非过滤的辅助时间较长过滤面积大，结构简单，价格低，动力消耗过滤面积大，结构简单，价格低，动力消耗少，对不同过滤特性的发酵液适应性强少，对不同过滤特性的发酵液适应性强它最重要的特征是通过过滤介质时产生的压它最重要的特征是通过过滤介质时产生的压力降可以超过力降可以超过0.1MPa,0.1MPa,这是真空过滤器无法达这是真空过滤器无法达到的。
到的2024/9/5 2024/9/53 3））真空转鼓过滤机真空转鼓过滤机（（rotary-drum vacuum filter）） 真空过滤设备以大气与真空之间的压力差作为过真空过滤设备以大气与真空之间的压力差作为过滤操作的推动力生物工业中，用得较多的是转筒滤操作的推动力生物工业中，用得较多的是转筒式真空过滤机和带式真空过滤机式真空过滤机和带式真空过滤机2024/9/5 2024/9/5Ø结构结构：：转鼓转鼓滤饼滤饼滤布滤布滤网滤网离心过滤机工作原理图离心过滤机工作原理图p转鼓转鼓( (上有小孔，亦称悬框上有小孔，亦称悬框) )；； Ø滤网；滤网； Ø滤布；滤布； p机架 Ø原理：原理： 由于离心力作用，液体产生径向压差，通过滤饼、滤由于离心力作用，液体产生径向压差，通过滤饼、滤网及滤筐而流出网及滤筐而流出4）离心过滤机（centrifugal filter）2024/9/5 2024/9/5几种过滤设备的比较2024/9/5 2024/9/5三、离心分离 当固体当固体当固体当固体颗粒细小而难以过滤颗粒细小而难以过滤颗粒细小而难以过滤颗粒细小而难以过滤时，发酵液不易被过滤纯化，时，发酵液不易被过滤纯化，时，发酵液不易被过滤纯化，时，发酵液不易被过滤纯化，离心十分有效。
离心十分有效离心十分有效离心十分有效 离心分离是离心分离是基于固体颗粒基于固体颗粒和周围液体密度存在差异和周围液体密度存在差异，在，在离心场中使不同密度的固体颗离心场中使不同密度的固体颗粒加速沉降的分离过程粒加速沉降的分离过程2024/9/5 2024/9/5优点优点•分离速度快，分离效率高、分离速度快，分离效率高、液相澄清度好；液相澄清度好；缺点缺点•与过滤设备相比，与过滤设备相比，与过滤设备相比，与过滤设备相比，设备投资高、能耗大设备投资高、能耗大•离心产生的固体浓缩物和过滤产生的浓缩物不同离心产生的固体浓缩物和过滤产生的浓缩物不同 通常离心只能得到一种较为浓缩的悬浮液或浆体通常离心只能得到一种较为浓缩的悬浮液或浆体而过滤可获得的水分含量较低的滤饼而过滤可获得的水分含量较低的滤饼2024/9/5 离心的几种原理类型离心的几种原理类型 （一）差速离心（一）差速离心 （二）密度梯度离心（二）密度梯度离心2024/9/5 （一）差速离心（一）差速离心 Differential centrifugation特点：特点：介质密度均一；速度由低向高，逐级离心。
介质密度均一；速度由低向高，逐级离心用途：用途： 分离大小相差悬殊的细胞和细胞器分离大小相差悬殊的细胞和细胞器 可可将将细细胞胞器器初初步步分分离离，，常常需需进进一一步步通通过过密密度度梯梯度离心再行分离纯化度离心再行分离纯化 2024/9/5 2024/9/5Low speedHigh speedDifferential centrifugation2024/9/5 2024/9/5（二）密度梯度离心（二）密度梯度离心•用用介介质质在在离离心心管管内内形形成成一一连连续续或或不不连连续续的的密密度度梯梯度度，，将将细细胞胞混混悬悬液液或或匀匀浆浆置置于于介介质质的的顶顶部部，，通通过过离离心心力力场场的的作作用用使使细胞和细胞成分分层、分离细胞和细胞成分分层、分离•类型：速度沉降、等密度沉降类型：速度沉降、等密度沉降•常用介质：氯化铯、蔗糖、多聚蔗糖常用介质：氯化铯、蔗糖、多聚蔗糖•分离活细胞的介质要求：分离活细胞的介质要求：1）能产生密度梯度，且密度高时，粘度不高；）能产生密度梯度，且密度高时，粘度不高；2））pH中性或易调为中性；中性或易调为中性；3）浓度大时渗透压不大；）浓度大时渗透压不大；4）对细胞无毒。
对细胞无毒2024/9/5 2024/9/5速度沉降（区带离心）速度沉降（区带离心）velocity sedimentation 用途：用途：分离密度相近而大小不等的细胞或细胞器分离密度相近而大小不等的细胞或细胞器特点：介质密度较低，特点：介质密度较低，介质的最大密度应小于被分离生物颗介质的最大密度应小于被分离生物颗 粒的最小密度粒的最小密度原理：介质密度梯度平缓，分离物按各自的沉降系数以不同原理：介质密度梯度平缓，分离物按各自的沉降系数以不同 的速度沉降而达到分离的速度沉降而达到分离2024/9/5 2024/9/5等密度离心等密度离心用途：用途：分离密度不等的颗粒分离密度不等的颗粒特特点点：：1））介介质质密密度度高高，，陡陡度度大大，，介介质质最最高高密密度度大大于于被被分分离离组组分分的的最最大大密密度度2））力力场场比比速速率率沉沉降降法法大大10~100倍倍，，需需要高速或超速离心要高速或超速离心原原理理：：样样品品各各成成分分在在连连续续梯梯度度的的介介质质中中经经过过一一定定时时间间的的离离心心则则沉沉降降到到与与自自身身密密度度相相等等的的介介质质处处，，并并停停留留在在那那里里达达到到平平衡衡，从而将不同密度的成分分离，从而将不同密度的成分分离。
Iso-density (Isopycnic) Centrifugation2024/9/5 2024/9/52024/9/5 2024/9/5常見的密度梯度材料及常見的密度梯度材料及应应用用•蔗糖蔗糖：水溶性大，性：水溶性大，性质稳质稳定，定，渗透压较高，渗透压较高，其最高密度可其最高密度可达达1.33g/ml1.33g/ml，且由，且由于价格于价格低容易低容易制备制备，，实验实验室室中中常用常用于细于细胞胞器、病毒、器、病毒、RNARNA分分离离，但由，但由于于有有较较大的大的渗透压渗透压，不宜用，不宜用于细于细胞的分胞的分离离•聚蔗糖聚蔗糖：相：相对对分子重量分子重量为为400000400000 ，，FicollFicoll渗透压渗透压低，但低，但它的粘度特它的粘度特别别高，常高，常与与泛影泛影葡胺混合使用以降低粘度主葡胺混合使用以降低粘度主要要用用与与分分离离各各种细种细胞包括血胞包括血细细胞、成胞、成纤维细纤维细胞、胞、肿瘤细肿瘤细胞、胞、鼠肝鼠肝细细胞等2024/9/5 2024/9/5•氯化氯化铯铯：：离子离子性介性介质质、水溶性大，最高密度可、水溶性大，最高密度可达达1.7g/ml1.7g/ml。
由由于于它是重金它是重金属盐类，属盐类，在在离离心心时时形成的梯度有形成的梯度有较较好的好的分分离离度，被度，被广广泛地用泛地用于于DNADNA、、质质粒、病毒和脂蛋白粒、病毒和脂蛋白的分的分离离，，但但价价格格较贵较贵•卤化盐类卤化盐类：：KBrKBr和和NaClNaCl可用可用于于脂蛋白分脂蛋白分离离，，KIKI和和NaINaI可用可用于于RNARNA分分离离其其效果高于铯盐效果高于铯盐NaClNaCl梯度也可用梯度也可用于于分分离离脂蛋白脂蛋白，，NaINaI梯度可分梯度可分离离天然或天然或变变性的性的DNADNA2024/9/5 2024/9/52024/9/51 1、常速离心机、常速离心机 最大转速最大转速8000rpm,8000rpm, 用于细胞、菌体和培养基残渣等用于细胞、菌体和培养基残渣等2 2、高速（冷冻）离心机、高速（冷冻）离心机 1×101×104 4-2.5×10-2.5×104 4rpmrpm，用于细胞，用于细胞碎片、细胞器、大分子沉淀物等；碎片、细胞器、大分子沉淀物等；3 3、超速离心机、超速离心机 转速转速2.5-8×102.5-8×104 4rpmrpm；用于；用于DNADNA、、RNARNA蛋白质、细胞器、病毒分离蛋白质、细胞器、病毒分离纯化；检测纯度；沉降系数和相对分子量测定等。
纯化；检测纯度；沉降系数和相对分子量测定等离心机的种类与用途离心机的种类与用途按转速分按转速分2024/9/5 •过滤离心机过滤离心机•沉降离心机沉降离心机按作用原理分按作用原理分2024/9/5 2024/9/5按离心机的作用方式按离心机的作用方式–斜角式斜角式–平抛式平抛式–管式管式–蝶式蝶式–螺旋式螺旋式–多室多室2024/9/5 2024/9/51 1）斜角式离心机）斜角式离心机v指离心管腔与转轴成一定倾角的转子；指离心管腔与转轴成一定倾角的转子；v角度越大，沉降越结实，分离效果越好，角度越大，沉降越结实，分离效果越好，v角度越小，颗粒沉降距离短，沉降速度角度越小，颗粒沉降距离短，沉降速度 快，但分离效果差快，但分离效果差v颗粒在角转子中沉降时，先沿离心力方颗粒在角转子中沉降时，先沿离心力方 向撞向离心管，然后再沿管壁滑向管底，向撞向离心管，然后再沿管壁滑向管底， 因此管的一侧会出现颗粒沉积因此管的一侧会出现颗粒沉积2024/9/5 2024/9/5•结构稳定结构稳定•可装载较多的样品可装载较多的样品•使用较高的转速使用较高的转速•加速或减速时，对样品有搅动加速或减速时，对样品有搅动•有些梯度离心要求用角转头，否则形成的梯度有些梯度离心要求用角转头，否则形成的梯度不均一，线性很差不均一，线性很差2024/9/5 2024/9/52 2）平抛式离心机）平抛式离心机v平抛式离心机平抛式离心机, ,低中速离心机，低中速离心机，转速一般在转速一般在 3000-6000rpm3000-6000rpm。
v 转子活动管套内的离心管，静止时垂转子活动管套内的离心管，静止时垂直挂在转头上，旋转时随着转子转动直挂在转头上，旋转时随着转子转动v颗粒在水平转子中的沉降是沿管子轴向移动颗粒在水平转子中的沉降是沿管子轴向移动v样品便于收集样品便于收集v转头结构复杂，最高转速相对要低转头结构复杂，最高转速相对要低v容量也小一些容量也小一些 2024/9/5 2024/9/5平抛式离心机转子2024/9/5 常见离心分离设备常见离心分离设备1、碟片式离心机、碟片式离心机2024/9/5 •分离因数为1000-20000•适于细菌、酵母菌、放线菌等多种微生物悬浮液及细胞碎片悬浮液的分离•生产能力大，一般应用于大规模分离过程300m3/h2024/9/5 2、管式离心机、管式离心机Ø分离因数大；分离效率高；Ø除可用于分离细胞外，还可用于细胞碎片、细胞器、病毒、蛋白质、核酸的等生物大分子的分离2024/9/5 Ø可连续排渣，适合固形物较多的悬浮液的分离可连续排渣，适合固形物较多的悬浮液的分离Ø分离因数较低，液相澄清度较差，不适合于细分离因数较低，液相澄清度较差，不适合于细菌、酵母菌等微小生物悬浮液的分离菌、酵母菌等微小生物悬浮液的分离。
3、倾析式式离心机、倾析式式离心机2024/9/5 2024/9/51 1 发酵液为何需要预处理？处理方法有哪些？其简要机理如发酵液为何需要预处理？处理方法有哪些？其简要机理如何？何？2 2 凝集与絮凝过程有何区别？凝集与絮凝过程有何区别？3 3 发酵液中杂蛋白去除方法有哪些？发酵液中杂蛋白去除方法有哪些？4 4 固液分离的方法有哪些？常见的过滤介质有哪些？改善过固液分离的方法有哪些？常见的过滤介质有哪些？改善过滤速度的途径有哪些？常见的过滤设备有哪些？滤速度的途径有哪些？常见的过滤设备有哪些？5 5 常见的过滤设备有哪些？举例说明其作用原理常见的过滤设备有哪些？举例说明其作用原理6 6 离心操作按原理分可为哪两类离心操作按原理分可为哪两类7 7 离心设备的分类举例说明常见离心设备的分离原理及特离心设备的分类举例说明常见离心设备的分离原理及特点思考题思考题2024/9/5 。