第二章发酵液的预处理与固液分离ppt课件.ppt

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1、第二章发酵液的预处理与固液分离1目标产品细胞内细胞外细胞发酵液(培养液)目标产品、菌体细胞;代谢副产物;蛋白/酶、色素等残余培养基成分;碳/氮源、无机盐等菌体裂解成分;蛋白/酶、核酸、细胞碎片、细胞器等组成(1)发酵液基本组成Why?2发酵产物浓度较低悬浮物颗粒小且相对密度与液相相近固体颗粒可压缩性大悬浮状态稳定(双电层、水化膜、布朗运动)液相粘度大,大多为非牛顿流体性质不稳定,随时间变化(2)发酵液性质3固液分离方法:过滤、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。发

2、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。直接固液分离4预处理的目的改变发酵液的物理性质,提高固液分离的效率。预处理的过程蛋白质无机离子色素降低黏度调节pH值絮凝与凝聚发酵液处理性能的改善发酵液杂质的去除5主要内容第一节:发酵液性质改变方法第二节:发酵液的相对纯化第三节:固液分离工程及装备6第一节发酵液性质改变方法7(一)加热作用:①降低发酵液粘度;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。因此,降低液体的粘度可有效提

3、高过滤速度。②促进菌体和/或蛋白质凝聚。注意:适用于产物热稳定好的发酵液;需要严格控制温度和时间,避免细胞裂解。8举例2.柠檬酸发酵液,加热至80℃以上,使蛋白质变性凝固,降低发酵液粘度,大大提高过滤速度。1.9作用:改变某些物质的电离度和电荷性质氨基酸、蛋白质,等电点溶解度最低;膜过滤中——减少膜堵塞和污染胶体物质絮凝(二)调节pH值10举例1、赖氨酸发酵液,调pH4.0过滤,滤速提高3倍以上。2、链霉素发酵液,调至酸性(pH3.0),加热至70℃,维持0.5h,能去除蛋白质,使过滤速度增大10—100倍,滤液粘度可降低

4、为原来的1/6。11(三)絮凝和凝聚细菌、放线菌菌体细小,液体粘度大菌体自溶核酸、蛋白质及其他生物大分子物质直接过滤+离心细胞絮凝技术:固体粒子大小,沉降速率固液分离12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,破坏其稳定性,使其聚集起来,增大体积以便固液分离。絮凝:指在高分子絮凝剂作用下,基于架桥作用,使胶粒形成粗大絮凝团的过程。凝聚:指在中性盐作用下,双电层排斥电位降低,使胶体体系不稳定的现象。凝聚(Coagulation)vs絮凝(Flocculation)13凝

5、聚现象絮凝现象14(1)凝聚(Coagulation)凝聚机理破坏水化膜消除双电层结构中和粒子表面电荷胶体双电层结构示意图15不同界面上形成不同的电位(电势):胶核表面的电位φs是整个双电层的电位;吸附层(Stern)平面上的电位为φd;滑动面上的电位为ζ,称ζ电位(电动电位)。δ—扩散层的有效厚度,即吸附层和扩散层界面处电位φd降低到其值为1/e处(φd/e)的距离16ζ电位的计算:D—水的介电常数q—胶体的电动电荷密度,即滑动面上的电荷密度δ—扩散层的有效厚度(3-1)ζ电位是控制胶粒间电排斥作用的电位,用来表征双电层

6、的特征,并作为研究凝聚机理的重要参数。17δ—扩散层的有效厚度N一阿伏伽德罗常数;T一热力学温度: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。(3-2)18双电层与凝聚由式(3-1)和式(3-2)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δ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。19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,能脱除胶粒表面的水化膜,

7、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(mmol/L),称为凝聚价或凝聚值。20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+>Li+21常用的凝聚剂有:硫酸铝Al2(SO4)3•18H2O(明矾);氯化铝AlCl3•6H2O;三氯化铁FeC

8、l3;硫酸亚铁FeSO4·7H2O;石灰;ZnSO4;MgCO322(2)絮凝(Flocculation)絮凝是指在某些高分子絮凝剂存在下,基于桥架作用,使胶体粒子形成较大絮凝团(10mm)的过程。23高分子絮凝剂的吸附架桥作用24絮凝剂(Flocculant)是一种能溶于水的高分子聚合物,其相对分子质

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