第二章发酵液的预处理和固液分离方法课件.ppt

1、第二章 发酵液的预处理和固液分离改变发酵液的物理性质，提高固液改变发酵液的物理性质，提高固液分离效率；分离效率；尽可能使产物转入便于后处理的某尽可能使产物转入便于后处理的某一相中一相中(多为液相多为液相)；去除发酵液中部分杂质，以利于提去除发酵液中部分杂质，以利于提取和精制后续各工序的顺利进行。取和精制后续各工序的顺利进行。发酵液预处理的目的发酵液预处理的目的2.1 发酵液的预处理和固液发酵液的预处理和固液分离分离预处理和固液分离内容生物产品的分类（根据分离特点）o培养液产品培养液产品：如饮料酒类，没有提取与精制，只需考：如饮料酒类，没有提取与精制，只需考虑除去固相杂志即可。虑除去固相杂志即可

2、。o细胞产品细胞产品：如活性干酵母，只需固液分离和洗涤可溶：如活性干酵母，只需固液分离和洗涤可溶性杂志的过程。性杂志的过程。o粗制产品粗制产品：如工业用酶制剂，只需考虑产品提取。：如工业用酶制剂，只需考虑产品提取。o精制产品精制产品：有纯度要求，大多数生物产品属此类，其：有纯度要求，大多数生物产品属此类，其分离回收过程一般包括预处理和固液分离、提取、精分离回收过程一般包括预处理和固液分离、提取、精制和成品加工四步。制和成品加工四步。精制产品分离纯化一般流程精制产品分离纯化一般流程胞外产品胞外产品胞内产品胞内产品2.1 发酵液预处理发酵液预处理2.1.1 引言引言o发酵液预处理的目的：发酵液预处

3、理的目的：o改变滤液的性质改变滤液的性质o除去部分可溶性杂质除去部分可溶性杂质o尽可能使产物转入便于后处理的一相中（多尽可能使产物转入便于后处理的一相中（多数是液相）数是液相）以利于后续各工序的顺利进行以利于后续各工序的顺利进行预处理的方法预处理的方法o加水稀释法加水稀释法Dilution with watero加热法加热法 Heatingo调节悬浮液的调节悬浮液的pH值值 Regulation of pHo凝聚和絮凝凝聚和絮凝 Coagulation and flocculationo助滤剂助滤剂Filter aids和反应剂和反应剂 Reactanto高价无机离子的去除高价无机离子的去除

4、Removal of inorganic iono杂蛋白的去除杂蛋白的去除 Removal of USELESS PROTEIN2.1.2发酵液过滤性能的改变发酵液过滤性能的改变o生物悬浮液的特性：生物悬浮液的特性：悬浮物颗粒小，比重与液相相差不大；悬浮物颗粒小，比重与液相相差不大；固体粒子可压缩性大；固体粒子可压缩性大；粘度大，含有蛋白质、多糖等胶体物质，大粘度大，含有蛋白质、多糖等胶体物质，大多为非牛顿型流体。多为非牛顿型流体。o改性的目的：降低滤饼比阻，提高过滤与分改性的目的：降低滤饼比阻，提高过滤与分离的速率。离的速率。发酵产物浓度较低，而且悬浮液中大部分是水；发酵产物浓度较低，而且悬

5、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；固体粒子可压缩性大；固体粒子可压缩性大；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。性质不稳定，随时间变化。微生物发酵液的特性微生物发酵液的特性一、降低液体粘度一、降低液体粘度根据流体力学原理，滤液通过滤饼的速根据流体力学原理，滤液通过滤饼的速率与液体的粘度成反比，降低液体粘度就可率与液体的粘度成反比，降低液体粘度就可有效提高过滤速率。有效提高过滤速率。降低液体粘度的常用方法降低液体粘度的常用方法q 加水稀释法加水稀释法q 加热法加热法 加水稀释法加水稀释法

6、 优点：降低液体粘度，提高过滤速优点：降低液体粘度，提高过滤速率率缺点：增加悬浮液的体积，加大后缺点：增加悬浮液的体积，加大后继过程的处理任务。继过程的处理任务。加热法加热法 优点：优点：1.升高温度可有效降低液体粘度，提升高温度可有效降低液体粘度，提高过滤速率；高过滤速率；2.在适当温度和受热时间下可使蛋白质在适当温度和受热时间下可使蛋白质凝聚，形成较大颗粒的凝聚物，进凝聚，形成较大颗粒的凝聚物，进一步改善了发酵液的过滤特性。一步改善了发酵液的过滤特性。实例：链霉素发酵液，调酸至pH3.0后，加热至70，维持半小时，液相粘度下降至原来的1/6，过滤速率可增大10100倍。加热法注意事项：加热

7、法注意事项：使用加热法时必须严格控制加热使用加热法时必须严格控制加热温度与时间。温度与时间。加热的温度必须控制在不影响目的产物活性变质的范围内；温度过高或时间过长，会使细胞溶解，胞内物质外溢，增加发酵液的复杂性，影响其后的产物分离与纯化。二、调整二、调整pHpH值直接影响发酵液中某些物质的电离值直接影响发酵液中某些物质的电离度和电荷性质，适当调节度和电荷性质，适当调节pH值可改善其过滤值可改善其过滤特性。特性。是发酵工业中发酵液预处理中常用的方是发酵工业中发酵液预处理中常用的方法之一。法之一。氨基酸、蛋白质等两性物质，在其等电点处的氨基酸、蛋白质等两性物质，在其等电点处的溶解度最小，此即为溶解

8、度最小，此即为等电点沉淀法等电点沉淀法。应用实例：味精生产中，利用等电点应用实例：味精生产中，利用等电点(pH3.22)(pH3.22)沉淀法提取沉淀法提取谷氨酸谷氨酸；对于蛋白质，由；对于蛋白质，由于羧基的电离度比氨基大，故蛋白质的酸性性于羧基的电离度比氨基大，故蛋白质的酸性性质通常强于碱性，因而大多数蛋白质的等电点质通常强于碱性，因而大多数蛋白质的等电点都在酸性范围内都在酸性范围内(pH 4.0(pH 4.05.5)5.5)。利用酸性来调。利用酸性来调节发酵液节发酵液pHpH值使之达到等电点，可除去蛋白质值使之达到等电点，可除去蛋白质等酸性两性物质。等酸性两性物质。在膜过滤中，发酵液中的大

9、分子物质易在膜过滤中，发酵液中的大分子物质易与膜发生吸附，通过调整与膜发生吸附，通过调整pHpH值改变易吸附分值改变易吸附分子的电荷性质，即可减少堵塞和污染。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细胞、细胞碎片及某些胶体物质等在某个个pHpH值下也可能趋于絮凝而成为较大颗粒，值下也可能趋于絮凝而成为较大颗粒，有利于过滤的进行。有利于过滤的进行。应用实例：应用实例：三、凝聚与絮凝三、凝聚与絮凝 采用凝聚和絮凝技术能有效改变大分子采用凝聚和絮凝技术能有效改变大分子物质的分散状态，使其聚结成较大的颗粒，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；便于提高过滤

10、速率；采用凝聚和絮凝技术能有效地除去杂蛋白采用凝聚和絮凝技术能有效地除去杂蛋白质和固体杂质，提高滤液质量。质和固体杂质，提高滤液质量。作用：作用：1凝聚凝聚 凝聚凝聚是指在电解质作用下，由于胶是指在电解质作用下，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。降，而使胶体体系不稳定的现象。在生理在生理pHpH值下，发酵液中的菌体或蛋白质常值下，发酵液中的菌体或蛋白质常常带有负电荷，由于静电引力的作用，使溶液中常带有负电荷，由于静电引力的作用，使溶液中带相反电荷的阳离子被吸附在其周围，在界面上带相反电荷的阳离子被吸附在其周围，在界面上形成双

11、电层。形成双电层。但是，这些正离子还具有因热运动而离开胶但是，这些正离子还具有因热运动而离开胶粒表面的趋势。粒表面的趋势。在相距胶核表面约一个离子半径在相距胶核表面约一个离子半径SternStern平面以内，平面以内，正离子被紧密束缚在胶核表面，称为正离子被紧密束缚在胶核表面，称为吸附层吸附层；在在SternStern平面以外，剩余的正离子在溶液中扩散平面以外，剩余的正离子在溶液中扩散开去，距离越远，浓度越小，最后达到主体溶液的开去，距离越远，浓度越小，最后达到主体溶液的平均浓度，称为平均浓度，称为扩散层扩散层。双电层的组成双电层的组成当胶粒在溶液中作相对运动时，总有一薄层液体，当胶粒在溶液中

12、作相对运动时，总有一薄层液体，随着它一起滑移，这一薄层的厚度比吸附层稍大，滑随着它一起滑移，这一薄层的厚度比吸附层稍大，滑移面在图中用波纹线表示。移面在图中用波纹线表示。滑移面上的电位称为滑移面上的电位称为电位电位（或（或电动电位电动电位），它是），它是控制胶粒间电排斥作用的电位，用来表征双电层的特控制胶粒间电排斥作用的电位，用来表征双电层的特征，是研究凝聚机理的重要参数。征，是研究凝聚机理的重要参数。带有相同电荷和扩散双电层的结构。带有相同电荷和扩散双电层的结构。电位越大，电排斥作用就越强，胶粒的分电位越大，电排斥作用就越强，胶粒的分散程度也越大，发酵液过滤就越困难。散程度也越大，发酵液过滤

13、就越困难。胶粒保持分散状态的原因胶粒保持分散状态的原因 胶粒表面的水化作用，形成了包围胶粒表面的水化作用，形成了包围于粒子周围的水化层，也能阻碍胶粒间的于粒子周围的水化层，也能阻碍胶粒间的直接聚集。直接聚集。如果在发酵液中加入具有相反电性的如果在发酵液中加入具有相反电性的电解质，就可以中和胶粒的电性，使电解质，就可以中和胶粒的电性，使电电位降低，胶体体系变得不稳定。位降低，胶体体系变得不稳定。当双电层的排斥力不足以抗衡胶粒间当双电层的排斥力不足以抗衡胶粒间的范德华引力时，由于热运动的结果就导的范德华引力时，由于热运动的结果就导致胶粒的互相碰撞而聚集。致胶粒的互相碰撞而聚集。另外，由于电解质离子

14、在水中的水化另外，由于电解质离子在水中的水化作用会破坏胶粒周围的水化层，使胶粒可作用会破坏胶粒周围的水化层，使胶粒可以直接碰撞而聚集。以直接碰撞而聚集。影响凝聚作用的主要因素是影响凝聚作用的主要因素是无机盐的种类无机盐的种类、化合化合价价以及无机盐的用量。以及无机盐的用量。根据静电学基本定理，可推导根据静电学基本定理，可推导电位的基本公式电位的基本公式为为 （21）q：胶体的电动电荷密度，即滑移面上的电荷密度，库：胶体的电动电荷密度，即滑移面上的电荷密度，库仑仑/m2；D：水的介电常数，：水的介电常数，Fm-1；：扩散层的有效厚度，：扩散层的有效厚度，m（即吸附层和扩散层界面处（即吸附层和扩散

15、层界面处电位电位d降低到其值为降低到其值为1/e处的距离，不能直接测定）处的距离，不能直接测定）Dq4 （2-2)N N：阿伏伽德罗常数，：阿伏伽德罗常数，molmol-1-1；e e：电子电荷，库仑；：电子电荷，库仑；k k：波尔兹曼常数，：波尔兹曼常数，J JK K-1-1；T T：热力学温度，：热力学温度，K K；c ci i：i i离子摩尔浓度，离子摩尔浓度，mol/Lmol/L；Z Zi i：i i离子的化合价。离子的化合价。2141000iiZcNeTkD从上两式可知，从上两式可知，电位与溶液电位与溶液中带相反电荷的离子强度有关，中带相反电荷的离子强度有关，因此，提高离子的化合价和

16、浓度因此，提高离子的化合价和浓度可以压缩扩散双电层，使其厚度可以压缩扩散双电层，使其厚度减小，从而使减小，从而使电位降低。电位降低。电解质的凝聚能力可用凝聚值来表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示，使胶粒发生凝聚作用的最小电解质浓度（质浓度（mol/L）称为）称为凝聚值凝聚值。根据根据Schuze-Hardy法则，反离子法则，反离子的价数越高，该值就越小，即凝聚能的价数越高，该值就越小，即凝聚能力越强。力越强。阳离子对带负电荷的发酵液胶体粒子凝聚阳离子对带负电荷的发酵液胶体粒子凝聚能力的次序为：能力的次序为：Al3+Fe3+H+Ca2+Mg2+K+Na+Li+。常

17、用的凝聚电解质有：常用的凝聚电解质有：硫酸铝硫酸铝A1A12 2(SO(SO4 4)3 318H18H2 2O(O(明矾明矾)氯化铝氯化铝AIClAICl3 36H6H2 2O O三氯化铁三氯化铁FeClFeCl3 36H6H2 2O O硫酸亚铁硫酸亚铁FeSOFeSO4 47H7H2 2O O石灰、石灰、ZnSOZnSO4 4、MgCOMgCO3 3等。等。2絮凝絮凝采用凝聚方法得到的凝聚体，其颗采用凝聚方法得到的凝聚体，其颗粒常常是比较细小的，有时还不能有效粒常常是比较细小的，有时还不能有效地进行分离。采用絮凝法则常可形成粗地进行分离。采用絮凝法则常可形成粗大的絮凝体，使发酵液较易分离。大

18、的絮凝体，使发酵液较易分离。絮凝絮凝是指在某些高分子絮凝剂存在是指在某些高分子絮凝剂存在下，基于架桥作用，使胶粒形成较大絮下，基于架桥作用，使胶粒形成较大絮凝团的过程。凝团的过程。絮凝剂是一种能溶于水的高分子聚合物，其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，它们具相对分子质量可高达数万至一千万以上，它们具有长链状结构，其链节上含有许多有长链状结构，其链节上含有许多活性功能团活性功能团，包括带电荷的阴离子包括带电荷的阴离子(如如-COOH)-COOH)或阳离子或阳离子(如如-NH-NH2 2)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。它们通

19、过静电引力、范德华力或氢键的作用，它们通过静电引力、范德华力或氢键的作用，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，产生的许多链节分别吸附在不同的胶粒表面上，产生桥架联接时，就形成了较大的絮团，这就是桥架联接时，就形成了较大的絮团，这就是絮凝絮凝作用作用。对絮凝剂的化学结构一般有下列要求对絮凝剂的化学结构一般有下列要求:q分子必须含有相当多的活性官能团，使之分子必须含有相当多的活性官能团，使之能和胶粒表面相结合；能和胶粒表面相结合；q必须具有长链的线性结构，以便同时与多必须具有长链的线性结构，以便同时与多个胶粒吸附

20、形成较大的絮团，但絮凝剂的个胶粒吸附形成较大的絮团，但絮凝剂的相对分子量不能超过一定限度，以使其具相对分子量不能超过一定限度，以使其具有良好的溶解性。有良好的溶解性。根据其活性基团在水中解离情况根据其活性基团在水中解离情况的不同，絮凝剂可分为的不同，絮凝剂可分为:非离子型非离子型 阴离子型阴离子型 阳离子型阳离子型 根据其来源的不同又可分为如下三类：根据其来源的不同又可分为如下三类：(1)有机高分子聚合物，如聚丙烯酰胺类衍生有机高分子聚合物，如聚丙烯酰胺类衍生物、聚苯乙烯类衍生物。物、聚苯乙烯类衍生物。(2)无机高分子聚合物，如聚合铝盐、聚合铁无机高分子聚合物，如聚合铝盐、聚合铁盐等。盐等。(

21、3)天然有机高分子絮凝剂，如聚糖类胶粘物、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、脱乙酰海藻酸钠、明胶、骨胶、壳多糖、脱乙酰壳多糖等。壳多糖等。应用现状：应用现状：目前最常用的絮凝剂是有机合成的目前最常用的絮凝剂是有机合成的聚聚丙烯酰胺类衍生物丙烯酰胺类衍生物，其絮凝体粗大，分离，其絮凝体粗大，分离效果好，絮凝速度快，用量少，适用范围效果好，絮凝速度快，用量少，适用范围广。它们的主要缺点是存在一定的毒性，广。它们的主要缺点是存在一定的毒性，特别是阳离子型聚丙烯酰胺，一般不宜用特别是阳离子型聚丙烯酰胺，一般不宜用于食品及医药工业。于食品及医药工业。近年来发展的近年来发

22、展的聚丙烯酸类阴离子絮凝聚丙烯酸类阴离子絮凝剂剂，无毒，可用于食品和医药工业。，无毒，可用于食品和医药工业。影响因素：影响因素：较多的絮凝剂有助于增加桥架的数较多的絮凝剂有助于增加桥架的数量，但过多的添加量反而会引起吸量，但过多的添加量反而会引起吸附饱和，絮凝剂争夺胶粒而使絮凝附饱和，絮凝剂争夺胶粒而使絮凝团的粒径变小，絮凝效果下降。团的粒径变小，絮凝效果下降。絮凝剂的加量絮凝剂的加量絮凝剂相对分子量和类型絮凝剂相对分子量和类型溶液的溶液的pH搅拌转速和时间搅拌转速和时间溶液溶液pHpH值的变化常会影响离子型值的变化常会影响离子型絮凝剂中官能团的电离度，从而絮凝剂中官能团的电离度，从而影响吸附

23、作用的强弱。影响吸附作用的强弱。3混凝混凝对于带负电荷的菌体或蛋白质来说，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桥架的双低胶粒双电层电位和产生吸附桥架的双重机理。重机理。这种包括凝聚和絮凝机理的过程，这种包括凝聚和絮凝机理的过程，称为称为混凝混凝。对于非离子型和阴离子型高分子絮凝剂，对于非离子型和阴离子型高分子絮凝剂，则可以与无机电解质凝聚剂搭配使用。则可以与无机电解质凝聚剂搭配使用。首先加入电解质，使悬浮粒子间的双电首先加入电解质，使悬浮粒子间的双电层电位降低、脱稳，凝聚成微粒，然后再加层电位降低、脱稳，

24、凝聚成微粒，然后再加入絮凝剂絮凝成较大的颗粒。无机电解质的入絮凝剂絮凝成较大的颗粒。无机电解质的凝聚作用为高分子絮凝剂的架桥创造了良好凝聚作用为高分子絮凝剂的架桥创造了良好的条件，从而大大提高了絮凝的效果。的条件，从而大大提高了絮凝的效果。四、加入惰性助滤剂四、加入惰性助滤剂助滤剂助滤剂是一种不可压缩的多孔微粒，是一种不可压缩的多孔微粒，它能使滤饼疏松，滤速增大。它能使滤饼疏松，滤速增大。使用助滤剂后，悬浮液中大量的细微使用助滤剂后，悬浮液中大量的细微胶体粒子被吸附到助滤剂的表面上，从而胶体粒子被吸附到助滤剂的表面上，从而改变了滤饼结构，它的可压缩性下降，过改变了滤饼结构，它的可压缩性下降，过

25、滤阻力降低。滤阻力降低。硅藻土、纤维素、石棉粉、硅藻土、纤维素、石棉粉、珍珠岩、白土、炭粒、淀粉珍珠岩、白土、炭粒、淀粉常用的助滤剂常用的助滤剂助滤剂的使用方法：助滤剂的使用方法：在过滤介质表面预涂助滤剂在过滤介质表面预涂助滤剂直接加入发酵液直接加入发酵液两种方法同时兼用两种方法同时兼用使用时需要一个带搅拌器使用时需要一个带搅拌器的混合槽，充分搅拌混合的混合槽，充分搅拌混合均匀，防止分层沉淀。均匀，防止分层沉淀。五、加入反应剂五、加入反应剂 加入某些不影响目的产物的反应剂，加入某些不影响目的产物的反应剂，可消除发酵液中某些杂质对过滤的影可消除发酵液中某些杂质对过滤的影响，从而提高过滤速率。响，

26、从而提高过滤速率。加入反应剂，可以和某些可溶性盐类发加入反应剂，可以和某些可溶性盐类发生反应生成不溶性沉淀，如生反应生成不溶性沉淀，如CaSO4、AlPO4等。等。生成的沉淀能防止菌丝体粘结，使菌丝生成的沉淀能防止菌丝体粘结，使菌丝具有块状结构，沉淀本身可作为助滤剂，并具有块状结构，沉淀本身可作为助滤剂，并且能使胶状物和悬浮物凝固，从而改善过滤且能使胶状物和悬浮物凝固，从而改善过滤性能。性能。正确选择反应剂和反应条件，能使过滤正确选择反应剂和反应条件，能使过滤速率提高速率提高310倍。倍。应用实例：应用实例：在新生霉素发酵液中加入氯化钙和磷在新生霉素发酵液中加入氯化钙和磷酸钠，生成的磷酸钙沉淀

27、可充当助滤剂，酸钠，生成的磷酸钙沉淀可充当助滤剂，另一方面可使某些蛋白质凝固。另一方面可使某些蛋白质凝固。环丝氨酸发酵液用氧化钙和磷酸处理，环丝氨酸发酵液用氧化钙和磷酸处理，生成磷酸钙沉淀，能使悬浮物凝固，多余生成磷酸钙沉淀，能使悬浮物凝固，多余的磷酸根离子还能除去钙、镁离子，并且的磷酸根离子还能除去钙、镁离子，并且在发酵液中不会引入其他阳离子，以免影在发酵液中不会引入其他阳离子，以免影响环丝氨酸的离子交换吸附。响环丝氨酸的离子交换吸附。如果发酵液中含有不溶性多糖物质，则最如果发酵液中含有不溶性多糖物质，则最好用酶将它转化为单糖，以提高过滤速率。好用酶将它转化为单糖，以提高过滤速率。例如万古霉

28、素用淀粉作培养基，发酵液过例如万古霉素用淀粉作培养基，发酵液过滤前加入滤前加入0.0250.025的淀粉酶，搅拌的淀粉酶，搅拌30min30min后，后，再加再加2.52.5硅藻土助滤剂，从而可使过滤速率硅藻土助滤剂，从而可使过滤速率提高提高5 5倍。倍。2.2 发酵液中部分杂质的去除发酵液中部分杂质的去除在预处理时，必须采用适当的方法在预处理时，必须采用适当的方法使这些杂质沉淀，在固液分离时除去，使这些杂质沉淀，在固液分离时除去，以利于后提取与精制过程的顺利进行。以利于后提取与精制过程的顺利进行。一、高价无机离子的除去一、高价无机离子的除去 发酵液中常见的无机离子主要有发酵液中常见的无机离子

29、主要有Ca2+、Mg2+和和Fe2+等。等。通常使用草酸通常使用草酸 当发酵液中钙离子浓度较高时，可用草酸当发酵液中钙离子浓度较高时，可用草酸的可溶性盐，如草酸钠。反应生成的草酸钙还的可溶性盐，如草酸钠。反应生成的草酸钙还能促使蛋白质凝固，改善发酵液的过滤性能。能促使蛋白质凝固，改善发酵液的过滤性能。由于草酸价格较贵，应注意采用适当方法由于草酸价格较贵，应注意采用适当方法回收。回收。钙离子的去除：钙离子的去除：Ca2+加草酸钠沉淀加草酸钠沉淀 C2O4Na2+Ca2+C2O4Ca+2Na+应用实例：应用实例：四环类抗生素发酵液常采用草酸钙四环类抗生素发酵液常采用草酸钙沉淀法除去钙离子，在其废液

30、中加入硫沉淀法除去钙离子，在其废液中加入硫酸铅，在酸铅，在6060下反应生成草酸铅，后者下反应生成草酸铅，后者在在90909595下用硫酸分解，再经过滤、下用硫酸分解，再经过滤、冷却、结晶后即可回收草酸。冷却、结晶后即可回收草酸。镁离子的去除：镁离子的去除：可加入三聚磷酸钠，它和镁离子可加入三聚磷酸钠，它和镁离子形成可溶性络合物后，即可消除对离形成可溶性络合物后，即可消除对离子交换的影响。子交换的影响。Na5P3O10+Mg2+MgNa3P3O10+2Na+加入黄血盐加入黄血盐(三水合六氰合铁三水合六氰合铁()酸酸钾钾)，可与铁离子形成普鲁士蓝沉淀，可与铁离子形成普鲁士蓝沉淀而除去。而除去。发

31、酵液中铁离子的去除：发酵液中铁离子的去除：4Fe3+3K4Fe(CN)6Fe4Fe(CN)63+12K+二、杂蛋白质的除去二、杂蛋白质的除去在改善发酵液过滤特性的众在改善发酵液过滤特性的众多方法中，有许多可在改善过滤多方法中，有许多可在改善过滤特性的同时，除去杂蛋白质。特性的同时，除去杂蛋白质。1.沉淀法沉淀法 蛋白质是两性物质，蛋白质是两性物质，在酸性溶液中，能与一些阴离子如三氯乙在酸性溶液中，能与一些阴离子如三氯乙酸盐、水杨酸盐、钨酸盐、苦味酸盐、鞣酸酸盐、水杨酸盐、钨酸盐、苦味酸盐、鞣酸盐、过氯酸盐等形成沉淀；盐、过氯酸盐等形成沉淀；在碱性溶液中，能与一些阳离子如在碱性溶液中，能与一些阳

32、离子如Ag、Cu2、Zn2、Fe3和和Pb2等形成沉淀。等形成沉淀。2.变性法变性法 使蛋白质变性的方法很多，其中最常使蛋白质变性的方法很多，其中最常用的是用的是加热法加热法。加热不仅使蛋白质变性，。加热不仅使蛋白质变性，同时降低液体粘度，提高过滤速率。同时降低液体粘度，提高过滤速率。将柠檬酸发酵液加热至将柠檬酸发酵液加热至8080以上，使以上，使蛋白质变性凝固和降低发酵液粘度，即可蛋白质变性凝固和降低发酵液粘度，即可大大提高过滤速率。大大提高过滤速率。使蛋白质变性的其他方法有：大幅使蛋白质变性的其他方法有：大幅度调节度调节pH，加酒精、丙酮等有机溶剂或，加酒精、丙酮等有机溶剂或表面活性剂等。

33、表面活性剂等。变性法存在一定的局限性。变性法存在一定的局限性。加热法只适合于对热较稳定的目的产加热法只适合于对热较稳定的目的产物；极端物；极端pH也会导致某些目的产物失活，也会导致某些目的产物失活，并且要消耗大量酸碱；有机溶剂法通常只并且要消耗大量酸碱；有机溶剂法通常只适用于所处理的液体数量较少的场合。适用于所处理的液体数量较少的场合。3.吸附法吸附法 加入某些吸附剂或沉淀剂吸加入某些吸附剂或沉淀剂吸附杂蛋白质而除去。附杂蛋白质而除去。在四环类抗生素中，采用黄血盐和硫酸在四环类抗生素中，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，在生

34、产实际中已取得很淀来吸附蛋白质，在生产实际中已取得很好的效果。好的效果。在枯草芽孢杆菌发酵液中，加入氯化钙在枯草芽孢杆菌发酵液中，加入氯化钙和磷酸氢二钠，两者生成庞大的凝胶，把和磷酸氢二钠，两者生成庞大的凝胶，把蛋白质、菌体及其它不溶性粒子吸附并包蛋白质、菌体及其它不溶性粒子吸附并包裹在其中而除去，从而可加快过滤速率。裹在其中而除去，从而可加快过滤速率。应用实例：应用实例：2.3 固液分离过程和分类固液分离过程和分类 固液分离是生物产品工厂中经常遇到的固液分离是生物产品工厂中经常遇到的重要单元操作。培养基、发酵液、某些中重要单元操作。培养基、发酵液、某些中间产物和半成品等都需进行固液分离。间产

35、物和半成品等都需进行固液分离。其中发酵液由于种类多、粘度大和成分其中发酵液由于种类多、粘度大和成分复杂，其固液分离最为困难。复杂，其固液分离最为困难。固液分离的方法很多，根据颗粒收固液分离的方法很多，根据颗粒收集的方式不同，可分为两大类型：集的方式不同，可分为两大类型：第一类：第一类：沉降和浮选沉降和浮选 第二类：第二类：过滤过滤在沉降和浮选所组成的第一类中，液体在沉降和浮选所组成的第一类中，液体受限于一个固定的或旋转的容器而颗粒在液受限于一个固定的或旋转的容器而颗粒在液体里自由移动，分离是由于内、外力场的加体里自由移动，分离是由于内、外力场的加速作用产生的质量力施加在颗粒上造成的，速作用产生

36、的质量力施加在颗粒上造成的，这种力场可能是重力场、离心力场或磁场。这种力场可能是重力场、离心力场或磁场。如果作用的是重力或离心力如果作用的是重力或离心力(除浮选除浮选外外)，为了进行分离，在固体和悬浮液体之，为了进行分离，在固体和悬浮液体之间必须要有密度差。间必须要有密度差。第二类被不严格地统称为过滤，颗第二类被不严格地统称为过滤，颗粒受到过滤介质的限制，而液体可自由粒受到过滤介质的限制，而液体可自由通过介质。通过介质。在发酵液或生物培养液的分离过程在发酵液或生物培养液的分离过程中，当前用得较多的还是过滤中，当前用得较多的还是过滤(包括错包括错流膜过滤流膜过滤)和离心两大方法。和离心两大方法。

37、2.4 过滤法过滤法（Filtration）过滤是传统的化工单元操过滤是传统的化工单元操作，而且是目前工业生产中作，而且是目前工业生产中用于分离细胞和不溶性物质用于分离细胞和不溶性物质的主要方法，其操作是迫使的主要方法，其操作是迫使液体通过固体支承物或过滤液体通过固体支承物或过滤介质，把固体截留，从而达介质，把固体截留，从而达到固、液分离的目的。到固、液分离的目的。过滤过滤o过滤介质：过滤采用的多孔物质；o滤浆：所处理的悬浮液；o滤液：通过多孔通道的液体；o滤饼或滤渣：被截留的固体物质一发酵液的过滤特性和滤饼的一发酵液的过滤特性和滤饼的重量比阻重量比阻微生物的发酵液大多数属于非牛顿微生物的发酵

38、液大多数属于非牛顿型液体，滤渣为可压缩性的。型液体，滤渣为可压缩性的。衡量过滤特性的主要指标是滤饼的衡量过滤特性的主要指标是滤饼的重量比阻重量比阻rB，它表示单位滤饼厚度的阻，它表示单位滤饼厚度的阻力系数，与滤饼的结构特性有关。力系数，与滤饼的结构特性有关。对于不可压缩性滤饼，比阻值为常数，对于不可压缩性滤饼，比阻值为常数，但对于可压缩性滤饼，比阻但对于可压缩性滤饼，比阻rB是操作压力差是操作压力差的函数，一般可用下式表示：的函数，一般可用下式表示：rBr(p)m (2-3)r为不可压缩滤渣的比阻，对于一定的料为不可压缩滤渣的比阻，对于一定的料液，其值为常数；液，其值为常数；m为压缩性指数，一

39、般取为压缩性指数，一般取0.50.8，对不，对不可压缩性滤饼，可压缩性滤饼，m0；由（由（23）式可知，滤饼的比阻值是）式可知，滤饼的比阻值是随操作压力差的提高而增大的。随操作压力差的提高而增大的。开始过滤时应注意不能很快提高压差，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，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，逐步地升高压力，一般在相当长的时间内，压力差不要超过压力差不要超过0.05 MPa，最后的压差也，最后的压差也不超过不超过0.30.4 MPa。恒压下，可压缩性滤饼的比阻值应为常数。恒压下，可压缩性滤饼的比阻值应为常数。

40、如过滤介质的阻力相对较小可以忽略不计，则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：恒压下的过滤方程式如下：q2 （24）BBXrp2 式中式中 q 到瞬间到瞬间通过单位过滤面积的滤液量，通过单位过滤面积的滤液量，m；p 压力差，压力差，Pa；滤液粘度，滤液粘度，Pas；rB 滤饼的重量比阻，滤饼的重量比阻，m/kg；XB通过单位体积滤液，所形成的滤渣重量（干重），通过单位体积滤液，所形成的滤渣重量（干重），kg/m3；过滤时间，过滤时间，s。重量比阻可根据式（重量比阻可根据式（24），利用图），利用图解法求得。以解法求得。以/q为纵轴，以为纵轴，以q为横轴所得为横轴所得的

41、直线斜率为的直线斜率为M，则，则rB可按下式计算：可按下式计算：rB （25）BXpM2根据滤饼的重量比阻值，可衡量各种不根据滤饼的重量比阻值，可衡量各种不同发酵液过滤的难易程度。同发酵液过滤的难易程度。练习题：练习题：在从庆大霉素发酵液过滤分离链霉菌的过滤实在从庆大霉素发酵液过滤分离链霉菌的过滤实验中，使用硅藻土作助滤剂。小型过滤机的过滤面验中，使用硅藻土作助滤剂。小型过滤机的过滤面积积A0.01m3，滤液粘度，滤液粘度1.110-3 Pas，过滤压，过滤压差差p6.772104 Pa，且发酵液固体悬浮物浓度，且发酵液固体悬浮物浓度为为15kg/m3。过滤时间所对应的滤液量如下：过滤时间所对

42、应的滤液量如下：求：滤饼比阻求：滤饼比阻rB。二影响过滤速度的因素二影响过滤速度的因素 过滤速度和菌种、发酵条件（培过滤速度和菌种、发酵条件（培养基的组成，未用完培养基的数量，养基的组成，未用完培养基的数量，消泡剂，发酵周期）等有关。消泡剂，发酵周期）等有关。1.菌种对过滤速度影响：菌种对过滤速度影响：真菌的菌丝比较粗大，发酵液容易过滤，真菌的菌丝比较粗大，发酵液容易过滤，常不需特殊处理。常不需特殊处理。放线菌发酵液菌丝细而分枝，交织成网络状。放线菌发酵液菌丝细而分枝，交织成网络状。还含有很多多糖类物质，粘性强，过滤较困难，还含有很多多糖类物质，粘性强，过滤较困难，一般需经预处理，以凝固蛋白质

43、等胶体。一般需经预处理，以凝固蛋白质等胶体。细菌发酵液的菌体更细小，过滤十分困难，细菌发酵液的菌体更细小，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。用常规过滤的设备来完成过滤操作。用黄豆粉、花生粉作氮源、淀粉作用黄豆粉、花生粉作氮源、淀粉作碳源会使过滤困难。碳源会使过滤困难。发酵后期加消泡剂或剩余大量未用发酵后期加消泡剂或剩余大量未用完的培养基，都会使过滤困难。完的培养基，都会使过滤困难。2.培养基的组成对过滤速度的影响培养基的组成对过滤速度的影响在菌丝自溶前必须放罐，因为细胞在菌丝自溶前必须放罐，因为细胞自溶

44、后的分解产物一般很难过滤。自溶后的分解产物一般很难过滤。延长发酵周期虽能使发酵单位有所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，最终造成和胶状杂质增多、过滤困难，最终造成成品质量降低。成品质量降低。3.发酵终了时间对过滤的影响发酵终了时间对过滤的影响三过滤设备三过滤设备生化工业常用的过滤设备主生化工业常用的过滤设备主要有加压叶滤机、板框过滤机和要有加压叶滤机、板框过滤机和回转真空过滤机等。回转真空过滤机等。四错流过滤四错流过滤（Cross-Flow Filtration）错流过滤错流过滤又称又称切切向流过滤向流过

45、滤，是一种维，是一种维持恒压下高速过滤的持恒压下高速过滤的技术。技术。发酵液在过滤介发酵液在过滤介质表面作切向流动，质表面作切向流动，利用流动的剪切作用利用流动的剪切作用将过滤介质表面的固将过滤介质表面的固体（滤饼）移走。体（滤饼）移走。错流过滤在膜分离过程中被广错流过滤在膜分离过程中被广泛使用，随着过滤介质的不断改进，泛使用，随着过滤介质的不断改进，采用精密微滤膜的错流过滤法已逐采用精密微滤膜的错流过滤法已逐渐成为过滤操作的主流。渐成为过滤操作的主流。与传统的真空过滤或板框过滤相比，错与传统的真空过滤或板框过滤相比，错流膜过滤用于抗生素生产的过滤工序具有如流膜过滤用于抗生素生产的过滤工序具有

46、如下优点：下优点：过滤收率高。过滤收率高。滤液质量好。滤液质量好。减少处理步骤。减少处理步骤。对染菌罐批易于处理，也容易对染菌罐批易于处理，也容易进行扩大生产。进行扩大生产。错流过滤的缺点：错流过滤的缺点：错流过滤产生的剪切作用容易使蛋白质产错流过滤产生的剪切作用容易使蛋白质产物失活；物失活；能耗比一般过滤高，大部分用来使流体产能耗比一般过滤高，大部分用来使流体产生快速流动；生快速流动；固相的含水量较高，主要是起浓缩作用；固相的含水量较高，主要是起浓缩作用；不能避免过滤介质的污染和堵塞，解决的不能避免过滤介质的污染和堵塞，解决的办法是采用脉冲反洗式错流过滤。办法是采用脉冲反洗式错流过滤。五五

47、澄清过滤澄清过滤o当悬浮液通过滤层时，固体颗粒被阻拦或吸当悬浮液通过滤层时，固体颗粒被阻拦或吸附在滤层的颗粒上，使滤液得以澄清，这种附在滤层的颗粒上，使滤液得以澄清，这种方法叫做澄清过滤。方法叫做澄清过滤。o适合于固体含量少于适合于固体含量少于0.1%(V)、颗粒直径、颗粒直径较小的悬浮液的过滤分离，多用于需要除菌较小的悬浮液的过滤分离，多用于需要除菌的场合。的场合。2.5 离心分离法离心分离法（Centrifugation）离心分离，是利用惯性离心力和离心分离，是利用惯性离心力和物质的沉降系数或浮力密度的不同物质的沉降系数或浮力密度的不同而进行的分离操作。而进行的分离操作。离心分离对那些固体

48、颗粒很小或液体黏离心分离对那些固体颗粒很小或液体黏度很大，过滤速度很慢，甚至难以过滤的悬度很大，过滤速度很慢，甚至难以过滤的悬浮液十分有效；浮液十分有效；对那些忌用助滤剂或助滤剂使用无效的对那些忌用助滤剂或助滤剂使用无效的悬浮液的分离，也能得到满意的结果。悬浮液的分离，也能得到满意的结果。分离速率快、分离效率高、液相澄清度分离速率快、分离效率高、液相澄清度好等。好等。优点：优点：离心分离结果得到的是浆状物而离心分离结果得到的是浆状物而不是干的滤饼；不是干的滤饼；离心设备复杂、价格昂贵。离心设备复杂、价格昂贵。缺点：缺点：离心分离的形式离心分离的形式 离心沉降离心沉降，利用固液两相的相对密度差，

49、在离心机无孔转鼓或管子中进行悬浮液的分离操作；离心过滤离心过滤，利用离心力并通过过滤介质，在有孔转鼓离心机中分离悬浮液的操作；离心分离和超离心离心分离和超离心，利用不同溶质颗粒在液体中各部分分布的差异，分离不同相对密度液体的操作。2.5.1 离心沉降离心沉降 一离心沉降的原理一离心沉降的原理 离心沉降的基础是固离心沉降的基础是固体的沉降。体的沉降。Ff球形颗粒沉降的受力情况当一个固体微粒通过当一个固体微粒通过无限连续流体时，其运动无限连续流体时，其运动速度受到两种力影响：速度受到两种力影响：一是连续流体对它一是连续流体对它的浮力的浮力FB；二是流体对运动粒子二是流体对运动粒子的粘滞力的粘滞力F

50、f。当这两种力达到平衡当这两种力达到平衡时，该微粒即以恒定的速时，该微粒即以恒定的速度沉降。度沉降。假设该微粒为球形，则该微粒所受的假设该微粒为球形，则该微粒所受的浮力可表示为：浮力可表示为：FB=(s-)gV=(2-6)gds)(63式中式中 d为粒子直径；为粒子直径；s和和分别为粒子和流体的密度；分别为粒子和流体的密度；g为重力加速度；为重力加速度；V为粒子体积。为粒子体积。在稀溶液中，作用于单个球形微粒上的在稀溶液中，作用于单个球形微粒上的粘滞力粘滞力Ff，可用，可用Stockes定律表示：定律表示：Ff=（2-7）ud3221uACD式中式中连续流体的黏度；连续流体的黏度；u为粒子的运