第九章-发酵工程下游技术发展及发酵液的预处理.ppt

五、发酵工业下游技术的一般工艺过程 下游加工过程由各种化工单元操作组成。由于生物产品品种多，性质各异，故用到的单元操作很多，其中如蒸馏、萃取、结晶、吸附、蒸发和干燥等属传统的单元操作，理论比较成熟，而另一些则为新近发展起来的单元操作，如细胞破碎、膜过程和色层分离等，缺乏完整的理论，介于两者之间的有离子交换过程等。 1、 一般工艺过程 一般说来，下游加工过程可分为4个阶段：培养液(发酵液)的预处理和固液分离；初步纯化(提取)；高度纯化(精制)；产品的最后加工。 下游加工一般工艺流程 第二节 发酵液的预处理 一、发酵液的一般特征 1、含水量高，一般可达90％～99% 2、产品浓度低 3、悬浮物颗粒小，密度与液体相差不大 4、固体粒子可压缩性大 5、液体黏度大，大多为非牛顿型流体 6、产物性质不稳定 二、发酵液预处理的目的和要求 1、预处理的目的： （1）改变发酵液的物理性质，促进悬浮液中分离固形物的速度，提高固液分离器的效率 （2）尽可能使产物转入便于后处理的某一相中（多数是液体） （3）去除发酵液中部分杂质，以利于后续各步操作。 2、发酵液预处理的要求: （1）菌体的分离 （2）固体悬浮物的去除 （3）蛋白质的去除 （4）重金属离子的去除 （5）色素、热原质、毒性物质等有机杂质的去除 （6）改变发酵液的性质 （7）调节适宜pH值和温度 三、预处理的方法 1、加热法 2、调节悬浮液的pH 3、发酵液的凝聚和絮凝 4、高价无机离子的去除方法 5、杂蛋白质的去除 1、加热法： 降低悬浮液的黏度，除去某些杂蛋白，降低悬浮物的最终体积，破坏凝胶状结构、增加滤饼的空隙度 不适用热敏性的物质 2、调节悬浮液的pH 通过调节发酵液pH到蛋白质的等电点使蛋白质沉淀，同时络合重金属离子； 常用的酸化剂有草酸、盐酸、硫酸和磷酸 絮凝技术预处理发酵液的优点不仅在于过滤速度的提高，还在于能有效地去除杂蛋白质和固体杂质，如菌体、细胞和细胞碎片等，提高了滤液质量 4、高价无机离子的去除方法 钙离子，可用草酸。 镁离子，可用三聚磷酸钠它和镁离子形成可溶性络合物，用磷酸盐处理，也能大大降低钙离子和镁离子的浓度。此法可用于环丝氨酸的提取。 铁离子，可加入黄血盐，使形成普鲁士蓝沉淀。 5、杂蛋白质的去除方法 热变性 沉淀 大幅度改变pH 四、 发酵液的过滤 微生物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。 在过滤操作中，要求滤速快，滤液澄清并且有高的收率。 1、影响过滤速度的因素 过滤速度和以下因素有关 菌种。 发酵条件。 培养基的组成 未用完培养基的数量 消泡剂 发酵周期 菌种对过滤速度影响 真菌的菌丝比较粗大，如青霉菌的菌丝直径可达10μm，发酵液容易过滤，不需特殊处理。其滤渣呈紧密饼状物，很容易从滤布上刮下来，故可采用鼓式真空过滤机过滤。 放线菌发酵液菌丝细而分枝，交织成网络状。如链霉素发酵液菌丝仅0.5~1.0μm左右，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，以凝固蛋白质等胶体。 细菌发酵液的菌体更细小，因此，过滤十分因准，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。 培养基的组成和消泡剂对过滤速度影响 用黄豆粉、花生粉作氮源、淀粉作碳源会使过滤困难； 发酵后期加消泡剂或剩余大量末用完的培养基也会使过滤困难。 发酵周期对过滤的影响 正确选择发酵终了时间对过滤影响很大。在菌体丝自溶前必须放罐，因为细胞自溶后的 分解产物一般很难过滤。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。 2、改善过滤性能的方法 等电点 蛋白质变性 吸附 凝聚和絮凝 加入助滤剂 直接在发酵液中形成填充-凝固剂 酶解作用 过滤助剂 助滤剂是一种不可压缩的多孔微粒，它能使滤饼疏松，滤速增大。 过滤助剂可解决两个问题 滤饼的可压缩性问题 小粒子如菌丝碎片和细菌细胞，会渗入到转鼓真空过滤预覆盖层内部。使得预覆盖层的部分孔被堵塞，影响了渗透性。加入助滤剂可以解决这一问题 常用的过滤助剂 硅藻土、珍珠岩、磨碎的木浆、淀粉 助滤剂的加入有两种方法： 在滤布上预先铺一层助滤剂(1~2mm)，该方法，会使滤速降低，但滤液透明度 直接加入发酵液中（助滤剂的用量，有一条经验规则可供参考，即助滤剂用量若等于悬浮液中固体含量时，滤速最快。）。 填充-凝固剂 改善过滤性能较好的方法是加入一些反应剂，它们能相互作用，或和某些溶解性盐类发生反应生成不溶解的沉淀(CaSO4，AlPO4等)。生成的沉淀能防止菌丝体粘结，使菌丝具有块状结构，沉淀本身即