预处理和固液分离生物分离工程

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1、发酵液的预处理和固液分离第一讲1预处理和固液分离内容固液分离发酵液胞外上清液/滤液预处理提取生化物质的第一步，分两部分：胞内富集细胞2发酵液成分很复杂，包含菌（细胞）体，胞内外代谢产物，及剩余的培养基残分等。不管人们所需要的产物是胞内还是胞外，都首先要进行培养液的预处理和固液分离开，才能进行后续操作：对于胞外产物，可先将菌体或其他悬浮杂质去处，才能从澄清的滤液中提取代谢产物。对于胞内产物，首先富集菌体，再进行细胞破碎和碎片分离，然后提取胞内产物。314.1发酵液的预处理（Pretreatment）4为何要对发酵液进行预处理？发酵液的基本特性发酵产物浓度较低，大多为1-10%，悬浮物颗

2、粒小，细胞的相对密度与培养液相似。固体粒子可压缩性大液相粘度大，大多为非牛顿型流体；悬浮状态稳定：双电层、水化膜、布朗运动5为何要对发酵液进行预处理？固液分离方法主要是过滤和离心。对于细菌及某些放线菌，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。若用膜分离技术（如微滤）易产生膜污染，通量降低。发酵液中由于菌体自溶，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。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。6预处理的目的预处理的目的：促进从悬浮液中分离固形物的速度，提高固液分离的效率：⑴改变发酵液的物理性质，包括增大悬浮液中固体粒子的尺寸，

3、降低液体黏度。⑵相对纯化，去除发酵液中的部分杂质（高价无机离子和杂蛋白质），以利于后续各步操作。⑶尽可能使产物转入便于后处理的一相中（多数是液相）；7预处理的方法凝聚和絮凝Coagulationandflocculation加热法Heating调节悬浮液的pH值RegulationofpH杂蛋白的去除Removalofuselessprotein高价无机离子的去除Removalofinorganicion助滤剂Filteraids和反应剂Reactant8一凝聚和絮凝在发酵液预处理中的应用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的分散状态，

4、破坏其稳定性，使其聚集起来,增大体积以便固液分离。凝聚和絮凝技术常用于菌体细小而且黏度大的发酵液的预处理中。9凝聚和絮凝是两种方法，两个概念。凝聚：指在投加的化学物质（铝、铁的盐类）作用下，胶体脱稳并使粒子相互聚集成１mm大小块状凝聚体的过程。絮凝：指使用絮凝剂（天然的和合成的大分子量聚电解质）将胶体粒子交联成网，形成10mm大小絮凝团的过程。其中絮凝剂主要起架桥作用。凝聚和絮凝10凝聚：胶体粒子在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3）破坏水化膜（一）凝聚Coagulation11发酵液中菌体表面带有负电荷，由于静电引力使溶液中反离

5、子被吸附在其周围，在界面上形成了双电层。正离子同时受到使它们均匀分布的热运动影响，具有离开胶粒表面的趋势。胶体双电层结构12两种相反作用力下，双电层分裂成两部：1）吸附层或stern层；2）扩散层。形成了扩散双电层的结构模型(Gouy-Chapman-Sternmodel)。胶体双电层结构13胶体双电层结构不同界面上形成不同的电位:胶核表面的电位φs是整个双电层的电位;Stern平面上的电位为φd;滑移面上的电位为ζ,称ζ电位（电动电位）。14ζ电位的计算：D—水的介电常数；q—胶体的电动电荷密度，即滑移面上的电荷密度；δ—扩散层的有效厚度，即为吸附层和扩散层界面处电位φd降低到其值

6、为1/e处的距离，不能直接测定.ζ电位是控制胶粒间电排斥作用的电位，用来表征双电层的特征，并作为研究凝聚机理的重要参数。15δ—扩散层的有效厚度式中N-阿伏伽德罗常数；T-热力学温度：k—波尔兹曼常数；e—电子电荷；Zi—i种反离子的化合价；Ci—i种离子的摩尔浓度。16双电层与凝聚由式（14－1）和式（14-2）可知，ζ电位与扩散层厚度δ和电动电荷密度q成正比，而扩散层厚度又与溶液中反离子强度和电荷成反比。对带负电性菌体的发酵液，高价阳离子的存在，可压缩扩散层的厚度，促使ζ电位迅速降低，而且化合价越高，这种影响越显著。17凝聚价或凝聚值在发酵液中加入具有高价阳离子的电解质，能脱除胶

7、粒表面的水化膜，降低ζ电位，使双电层的排斥力减少，当不足以抗衡胶粒间的范德华引力时，由于热运动的结果导致胶粒的互相碰撞而聚集起来。电解质的凝聚能力可用凝聚价或凝聚值来表示，使胶粒发生凝聚作用的最小电解质浓度（毫摩尔／升），称为凝聚价或凝聚值。18Schulze－Hardy法则：反离子的价数越高，凝聚价越小，即凝聚能力越强。阳离子对带负电荷的胶粒凝聚能力受化合价、水化半径、离子运动能力的影响，次序为Al3+>Fe3+>H+>Ca2+>Mg2+>K+>Na+>