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第三章 发酵液预处理 两个问题 1、为什么要进行发酵液的预处理? 不仅在于分离菌体和其他悬浮颗粒，还着眼于除去部分可溶性杂质和改变滤液的性质，以利于提取和精制后继各工序的顺利进行。 2、如何选择合适的预处理方法? 各种发酵产品，由于菌种不同和发酵液特性不同，其预处理方法的选择也有不同。大多数发酵产物存在于发酵液中，也有少数产物存在于菌体中，或发酵液和菌体中都含有。 对于胞内产物，经预处理应尽可能使目的产物转移到液相，然后经固液分离除去固相；对于胞内产物，则应首先收集菌体或细胞，经细胞破碎后，目的产物进入液相，随后再将细胞碎片分离。 发酵液的特性 特性： ⑴发酵产物浓度较低，大多为1~10%，悬浮液中大部分是水； ⑵悬浮物颗粒小，相对密度与液相相差不大； ⑶固体粒子可压缩性大； ⑷液相粘度大，大多为非牛顿型流体； ⑸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。 这些特性，使得发酵液的过滤与分离相当困难。 物理化学方法 一、降低液体粘度 常用方法： （1）加水稀释法：有效（稀释后过滤速率提高的百分比必须大于加水比才能认为有效） （2）加热法：同时，在适当温度和受热时间下使蛋白质凝聚，进一步改善了过滤特性。 严格控制加热温度与时间 二、调整PH 等电点法 对某一具体的单元操作的作用：改变大分子物质的电荷特性，减少堵塞和污染，如膜过滤。 一些物质（如细胞、细胞碎片、胶休物质等）在某个PH下也可能趋于絮凝，有利于过滤进行。 三、凝聚与絮凝 凝聚与絮凝其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的分散状态，破坏其稳定性，使它们聚集成可分离的絮凝体，再进行分离。 1、概念上的差别 凝聚是指在电解质的作用下，由于胶粒之间双电层排斥作用降低，电位下降，而使胶体体系不稳定的现象。絮凝则是指在某些絮凝剂存在下，基于桥架作用，使胶粒形成较大絮凝团的过程。 2、凝聚 胶体粒子(10-100nm)中性盐促进下脱稳相互聚集成大粒子（1mm） 机理： （1）中和粒子表面电荷 （2）消除双电层结构 发酵液的带电现象 发酵液中的细胞、菌体或蛋白质等胶体粒子的表面，一般都带有电荷，带电的原因很多，主要是吸附溶液中的离子或自身基团的电离。 发酵液的带电现象——双电层结构 通常发酵液中细胞或菌体带有负电荷，由于静电引力的作用使溶液中带相反电荷的粒于（即正离子）被吸附在其周围，在界面上形成了双电层。 但是这些正离子还受到使它们均匀分布开去的热运动的影响，具有离开胶粒表面的趋势，在这两种相反作用的影响下，双电层就分裂成两部分，在相距胶核表面约一个离子半径的stern平面以内，正离子被紧密束缚在胶核表面，称为吸附层或stern层；在stern平面以外，剩余的正离子则在溶液中扩散开去，距离越远，浓度越小，最后达到主体溶液的平均浓度，称为扩散层。这样就形成了扩散双电层的结构模型。 胶体双电层结构 凝聚值或凝聚价 在发酵液中加入具有高价阳离子的电解质，由于能降低ζ电位和脱除胶粒表面的水化膜，就能导致胶粒间的凝聚作用。 电解质的凝聚能力可用凝聚值或凝聚价来表示，使胶粒发生凝聚作用的最小电解质浓度（mmol/L），称为凝聚值或凝聚价。 Schulze-Hardy法则——叔米-哈第法则 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为A13＋＞Fe3+ ＞H＋＞Ca2十＞Mg2+＞K+＞Na+＞Li+，常用的凝聚剂电解质有： Al2(SO4)3·18H20（明矾）；AlC13·6H2O；FeC13；ZnSO4；MgCO3等。 3、絮凝 大分子絮凝剂将胶体粒子交联成网状，形成絮凝团的过程。 机理：架桥作用。絮凝剂通过静电引力、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，这就是絮凝作用。 高分子絮凝剂的吸附架桥作用 常用的絮凝剂 聚丙烯酰胺（po1yacry1amide）类和聚乙烯亚胺（polyethyleneimine）衍生物，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。由于聚丙烯酰胺类絮凝剂具有用量少，一般以ppm计量，絮凝体粗大，分离效果好，絮凝速度快以及种类多等优点，所以适用范围广。 聚丙烯酸类阴离子絮凝剂和聚苯乙烯类衍生物。 无机高分子聚合物也是较好的一类絮凝剂，如聚合铝盐和聚合铁盐等。 常用的絮凝剂 天然有机高分子絮凝剂，如壳聚糖和葡聚糖等聚糖类，还有明胶、骨胶、海藻酸钠等。 微生物絮凝剂是近年来研究和开发的新型絮凝剂，它是一类由微生物产生的具有絮凝细胞功能的物质。主要成分是糖蛋白、粘多糖、纤维素及核酸等高分子物质。微生物絮凝剂和天