生物分离工程预处理和固液分离省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

发酵液预处理和固液分离发酵液预处理和固液分离第1页第一章 发酵液预处理和固液分离发酵液预处理和固液分离发酵液预处理和固液分离第2页概述发酵液预处理和固液分离发酵液预处理和固液分离第3页生物分离过程普通流程生物分离过程普通流程概述原料液原料液细胞分离细胞分离(离心，过滤离心，过滤)细胞胞内产物细胞胞内产物细胞破碎细胞破碎碎片分离碎片分离清液胞外产物清液胞外产物粗分离粗分离(盐析、萃取、超出滤等盐析、萃取、超出滤等)纯化纯化(层析、电泳层析、电泳)脱盐脱盐(凝胶过滤、超出滤凝胶过滤、超出滤)浓缩浓缩(超出滤超出滤)精制精制(结晶、干燥结晶、干燥)包含体包含体溶解溶解(加盐酸胍、脲加盐酸胍、脲)复性复性发酵液预处理和固液分离发酵液预处理和固液分离第4页概述概述发酵液预处理和固液分离发酵液预处理和固液分离概述微生物或动植物细胞在适当培养基，值，温度和微生物或动植物细胞在适当培养基，值，温度和通气搅拌（或厌气）等发酵条件下进行生长和合成生通气搅拌（或厌气）等发酵条件下进行生长和合成生物活性物质，因为在其培养（发酵）液中包含了菌物活性物质，因为在其培养（发酵）液中包含了菌（细胞）体，胞内外代谢产物，胞内细胞物质及剩下（细胞）体，胞内外代谢产物，胞内细胞物质及剩下培养基残分等。不论人们所需要产物是胞内还是胞外培养基残分等。不论人们所需要产物是胞内还是胞外或是菌体本身，都首先要进行培养液预处理和菌体回或是菌体本身，都首先要进行培养液预处理和菌体回收，只有将固，液分离开，才能从澄清滤液中采取物收，只有将固，液分离开，才能从澄清滤液中采取物理、化学方法提取代谢产物，或从细胞出发进行破碎、理、化学方法提取代谢产物，或从细胞出发进行破碎、碎片分离和提取胞内产物。碎片分离和提取胞内产物。第5页14.14.发酵液预处理和固液分离发酵液预处理和固液分离发酵液预处理和固液分离发酵液预处理和固液分离悬浮液预处理 14.1 14.1 悬浮液预处理悬浮液预处理 悬浮液基本特征悬浮液基本特征细胞相对密度与培养液相同细胞相对密度与培养液相同可压缩性，粘稠，非牛顿流体，流变行为复杂可压缩性，粘稠，非牛顿流体，流变行为复杂悬浮状态稳定悬浮状态稳定第6页为何要对发酵液进行预处理？为何要对发酵液进行预处理？发酵液预处理和固液分离发酵液预处理和固液分离悬浮液预处理 因为所需产品在培养液和菌体中浓度很低，并与许因为所需产品在培养液和菌体中浓度很低，并与许多杂质夹杂在一起，同时发酵液或生物溶液又属于非多杂质夹杂在一起，同时发酵液或生物溶液又属于非牛顿型流体，所以必须进行预处理。牛顿型流体，所以必须进行预处理。第7页预处理目标预处理目标发酵液预处理和固液分离发酵液预处理和固液分离悬浮液预处理预处理目标主要有三个：预处理目标主要有三个：改变发酵液物理性质，促进从悬浮液中分离固形物改变发酵液物理性质，促进从悬浮液中分离固形物速度，提升固液分离器效率；速度，提升固液分离器效率；尽可能使产物转入便于后处理一相中（多数是液相）；尽可能使产物转入便于后处理一相中（多数是液相）；去除发酵液中部分杂质，以利于后续各步操作。去除发酵液中部分杂质，以利于后续各步操作。第8页预处理方法预处理方法发酵液预处理和固液分离发酵液预处理和固液分离悬浮液预处理加热法加热法调整悬浮液调整悬浮液PHPH值值凝聚和絮凝凝聚和絮凝第9页凝聚与絮凝凝聚与絮凝发酵液预处理和固液分离发酵液预处理和固液分离悬浮液预处理凝聚与絮凝其处理过程就是将化学药剂预先投加到悬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分散状浮液中，改变细胞、菌体和蛋白质等胶体粒子分散状态，破坏其稳定性，使它们聚集成可分离絮凝体，再态，破坏其稳定性，使它们聚集成可分离絮凝体，再进行分离。进行分离。第10页发酵液预处理和固液分离发酵液预处理和固液分离悬浮液预处理凝聚和絮凝是两种方法，两个概念。凝聚和絮凝是两种方法，两个概念。凝聚：指在投加化学物质（铝、铁盐类或石灰等）作凝聚：指在投加化学物质（铝、铁盐类或石灰等）作用下，胶体脱稳并使粒子相互聚集成用下，胶体脱稳并使粒子相互聚集成 mm mm 大小块状大小块状凝聚体过程。凝聚体过程。絮凝：指使用絮凝剂（天然和合成大分子量聚电解质）絮凝：指使用絮凝剂（天然和合成大分子量聚电解质）将胶体粒子交联成网，形成将胶体粒子交联成网，形成10mm10mm大小絮凝团过程。其大小絮凝团过程。其中絮凝剂主要起架桥作用。中絮凝剂主要起架桥作用。第11页发酵液预处理和固液分离发酵液预处理和固液分离悬浮液预处理凝聚：凝聚：胶体粒子胶体粒子(10-100nm)(10-100nm)中性盐促进下脱稳相互聚中性盐促进下脱稳相互聚集成大粒子（集成大粒子（1mm1mm）机理：机理：a a 中和粒子表面电荷中和粒子表面电荷 b b 消除双电层结构消除双电层结构絮凝：絮凝：大分子聚电解质将胶体粒子交联成网状，形成大分子聚电解质将胶体粒子交联成网状，形成絮凝团过程絮凝团过程机理：架桥作用机理：架桥作用第12页凝聚和絮凝在发酵液预处理中应用凝聚和絮凝在发酵液预处理中应用发酵液预处理和固液分离发酵液预处理和固液分离悬浮液预处理 凝聚和絮凝技术能有效改变细胞菌体和蛋白凝聚和絮凝技术能有效改变细胞菌体和蛋白质等胶体粒子分散状态质等胶体粒子分散状态,使其聚集起来使其聚集起来,增大致积增大致积方便固液分离方便固液分离,惯用于菌体细小而且黏度大发酵液惯用于菌体细小而且黏度大发酵液预处理中预处理中.第13页发酵液预处理和固液分离发酵液预处理和固液分离悬浮液预处理发酵液中细胞、菌体或蛋白质等胶体粒子表面，普通都带发酵液中细胞、菌体或蛋白质等胶体粒子表面，普通都带有电荷，带电原因很多，主要是吸附溶液中离子或本身基有电荷，带电原因很多，主要是吸附溶液中离子或本身基团电离。通常发酵液中细胞或菌体带有负电荷，因为静电团电离。通常发酵液中细胞或菌体带有负电荷，因为静电引力作用使溶液中带相反电荷粒于（即正离子）被吸附在引力作用使溶液中带相反电荷粒于（即正离子）被吸附在其周围，在界面上形成了双电层。其周围，在界面上形成了双电层。不过这些正离子还受到使它们均匀分布开去热运动影响，不过这些正离子还受到使它们均匀分布开去热运动影响，含有离开胶粒表面趋势，在这两种相反作用影响下，双电含有离开胶粒表面趋势，在这两种相反作用影响下，双电层就分裂成两部分，在相距胶核表面约一个离子半径层就分裂成两部分，在相距胶核表面约一个离子半径sternstern平面以内，正离子被紧密束缚在胶核表面，称为平面以内，正离子被紧密束缚在胶核表面，称为吸附层吸附层或或sternstern层；在层；在sternstern平面以外，剩下正离子则在溶液中扩散平面以外，剩下正离子则在溶液中扩散开去，距离越远，浓度越小，最终到达主体溶液平均浓度，开去，距离越远，浓度越小，最终到达主体溶液平均浓度，称为称为扩散层扩散层。这么就形成了扩散双电层结构模型。这么就形成了扩散双电层结构模型。第14页胶体双电层结构胶体双电层结构悬浮液预处理发酵液预处理和固液分离发酵液预处理和固液分离第15页预处理方法预处理方法发酵液预处理和固液分离发酵液预处理和固液分离悬浮液预处理高价无机离子去除高价无机离子去除CaCa2+2+草酸草酸MgMg2+2+三聚磷酸钠三聚磷酸钠FeFe3+3+黄血盐黄血盐 （普鲁士蓝）（普鲁士蓝）蛋白质去除蛋白质去除加热加热调调pH(pH(草酸，无机酸或碱草酸，无机酸或碱)有机溶剂有机溶剂蛋白沉淀剂蛋白沉淀剂第16页电位电位发酵液预处理和固液分离发酵液预处理和固液分离悬浮液预处理在不一样界面上就会形成不一样电位，胶核表面电位在不一样界面上就会形成不一样电位，胶核表面电位ss是整个双电层电位，是整个双电层电位，SternStern平面上电位为平面上电位为dd，在滑，在滑移面上电位为移面上电位为,称称电位（或称电动电位）。这三种电位（或称电动电位）。这三种电位中只有电位中只有电位能实际测得，所以能够认为它是控电位能实际测得，所以能够认为它是控制胶粒间电排斥作用电位，用来表征双电层特征，并制胶粒间电排斥作用电位，用来表征双电层特征，并作为研究凝聚机理主要参数。作为研究凝聚机理主要参数。第17页电位计算：电位计算：悬浮液预处理发酵液预处理和固液分离发酵液预处理和固液分离第18页符号说明：符号说明：发酵液预处理和固液分离发酵液预处理和固液分离悬浮液预处理其中其中 D D 水介电常数；水介电常数；q q 胶体电动电荷密度，即滑移面上电荷密度；胶体电动电荷密度，即滑移面上电荷密度；扩散层有效厚度，即为吸附层和扩散层界扩散层有效厚度，即为吸附层和扩散层界面处电位面处电位dd降低到其值为降低到其值为1/e1/e处距离，不能直接测定处距离，不能直接测定 第19页 扩散层有效厚度计算式扩散层有效厚度计算式悬浮液预处理发酵液预处理和固液分离发酵液预处理和固液分离第20页符号说明：符号说明：发酵液预处理和固液分离发酵液预处理和固液分离悬浮液预处理式中式中 N N一一 阿伏伽德罗常数；阿伏伽德罗常数；T T一一 热力学温度：热力学温度：k k 波尔兹曼常数；波尔兹曼常数；e e 电子电荷；电子电荷；Zi iZi i种反离子化合价；种反离子化合价；Ci iCi i种离子摩尔浓度。种离子摩尔浓度。第21页（14141 1）和式（）和式（1414一一2 2）说明）说明发酵液预处理和固液分离发酵液预处理和固液分离悬浮液预处理由式（由式（14141 1）和式（）和式（1414一一2 2）可知，）可知，电位与扩散层电位与扩散层厚度厚度和电动电荷密度和电动电荷密度q q成正比，而扩散层厚度又与溶成正比，而扩散层厚度又与溶液中离子强度相关，所以，对带负电性菌体发酵液，液中离子强度相关，所以，对带负电性菌体发酵液，高价阳离子存在，可压缩扩散层厚度，促使高价阳离子存在，可压缩扩散层厚度，促使电位快电位快速降低，而且，化合价越高，这种影响越显著，当双速降低，而且，化合价越高，这种影响越显著，当双电层排斥力不足以抗衡胶粒间范德华引力时，因为热电层排斥力不足以抗衡胶粒间范德华引力时，因为热运动结果造成胶粒相互碰撞而聚集起来。运动结果造成胶粒相互碰撞而聚集起来。第22页凝聚价或凝聚值凝聚价或凝聚值 发酵液预处理和固液分离发酵液预处理和固液分离悬浮液预处理在发酵液中加入含有高价阳离子电解质，因为能降低在发酵液中加入含有高价阳离子电解质，因为能降低电位和脱除胶粒表面水化膜，就能造成胶粒间凝聚电位和脱除胶粒表面水化膜，就能造成胶粒间凝聚作用。电解质凝聚能力可用凝聚价或凝聚值来表示，作用。电解质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最小电解质浓度（毫摩尔升），使胶粒发生凝聚作用最小电解质浓度（毫摩尔升），称为凝聚价或凝聚值。称为凝聚价或凝聚值。第23页SchulzeSchulzeHardyHardy法则法则 发酵液预处理和固液分离发酵液预处理和固液分离悬浮液预处理叔米叔米-哈第法则：哈第法则：反离子价数越高，该值就越小，即凝聚能力越强，阳反离子价数越高，该值就越小，即凝聚能力越强，阳离子对带负电荷胶粒凝聚能力次序为离子对带负电荷胶粒凝聚能力次序为A1A13 3FeFe3+3+H HCaCa2 2十十MgMg2+2+K K+NaNa+LiLi+，惯用凝聚剂电解质有：，惯用凝聚剂电解质有：AlAl2 2(SO(SO4 4)3 318H18H2 20 0（明矾）；（明矾）；AlC1AlC13 36H6H2 2O O；FeC1FeC13 3；ZnSOZnSO4 4；MgCOMgCO3 3等。等。第24页高分子絮凝剂吸附架桥作用高分子絮凝剂吸附架桥作用 悬浮液预处理发酵液预处理和固液分离发酵液预处理和固液分离第25页惯用絮凝剂惯用絮凝剂发酵液预处理和固液分离发酵液预处理和固液分离悬浮液预处理聚丙烯酰胺（聚丙烯酰胺（po1yacry1amidepo1yacry1amide）类和聚乙烯亚胺）类和聚乙烯亚胺（polyethyleneiminepolyethyleneimine）衍生物，依据活性基团在水中解离情况不一）衍生物，依据活性基团在水中解离情况不一样，可分为非离子型、阴离子型（含有羧基）和阳离子型（含有胺基）样，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。因为聚丙烯酰胺类絮凝剂含有用量少，普通以三类。因为聚丙烯酰胺类絮凝剂含有用量少，普通以ppmppm计量，絮凝计量，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。广。聚丙烯酸类阴离子絮凝剂和聚苯乙烯类衍生物。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很好一类絮凝剂，如聚合铝盐和聚合铁盐等。无机高分子聚合物也是很好一类絮凝剂，如聚合铝盐和聚合铁盐等。天然有机高分子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，如壳聚糖和葡聚糖等聚糖类，还有明胶、骨胶、海藻酸钠等。胶、海藻酸钠等。微生物絮凝剂微生物絮凝剂是近年来研究和开发新型絮凝剂，它是一类由微生物产是近年来研究和开发新型絮凝剂，它是一类由微生物产生含有絮凝细胞功效物质。主要成份是糖蛋白、粘多糖、纤维素及核生含有絮凝细胞功效物质。主要成份是糖蛋白、粘多糖、纤维素及核酸等高分子物质。微生物絮凝剂和天然絮凝剂与化学合成絮凝剂相比，酸等高分子物质。微生物絮凝剂和天然絮凝剂与化学合成絮凝剂相比，最大优点是安全，无毒和不污染环境。最大优点是安全，无毒和不污染环境。第26页絮凝剂应用优化絮凝剂应用优化发酵液预处理和固液分离发酵液预处理和固液分离悬浮液预处理 用量控制用量控制 最正确用量为粒子表面积约有一最正确用量为粒子表面积约有一 半被半被 聚合物覆盖时所用絮凝剂量。聚合物覆盖时所用絮凝剂量。pH pH 控制控制.固体浓度与粒子尺寸分布。固体浓度与粒子尺寸分布。电解质含量。电解质含量。后续工艺要求。后续工艺要求。第27页14.1.2 14.1.2 杂蛋白质其它去除方法杂蛋白质其它去除方法发酵液预处理和固液分离发酵液预处理和固液分离悬浮液预处理蛋白质普通以胶体状态存在于发酵液中，胶体粒子稳蛋白质普通以胶体状态存在于发酵液中，胶体粒子稳定性和其所带电荷相关。和氨基酸等两性物质一样，定性和其所带电荷相关。和氨基酸等两性物质一样，蛋白质在酸性溶液中带正电荷，在碱性溶液中带负电蛋白质在酸性溶液中带正电荷，在碱性溶液中带负电荷，而在某一荷，而在某一pHpH下，净电荷为零，溶解度最小，可使下，净电荷为零，溶解度最小，可使其产生沉淀而除去，其产生沉淀而除去，称为等电点沉淀法称为等电点沉淀法。第28页蛋白质变性蛋白质变性发酵液预处理和固液分离发酵液预处理和固液分离悬浮液预处理蛋白质从有规则排列变成不规则结构过程称为蛋白质从有规则排列变成不规则结构过程称为变性变性。变性蛋白质溶解度较小。变性蛋白质溶解度较小。最惯用使蛋白质变性方法是最惯用使蛋白质变性方法是加热加热。加热还能使液体粘。加热还能使液体粘度降低，加紧过滤速度。度降低，加紧过滤速度。链霉素生产中，采取链霉素生产中，采取调调pHpH至酸性（至酸性（pH3.0pH3.0），加热至），加热至7070，维持半个小时方法来去除蛋白质，能使过滤速，维持半个小时方法来去除蛋白质，能使过滤速度增大度增大10-10010-100倍，滤液粘度可降低倍，滤液粘度可降低1/61/6。柠檬酸发酵液，采取加热至柠檬酸发酵液，采取加热至8080以上，使蛋白质变性以上，使蛋白质变性凝固和降低发酵液粘度，从而大大提升了过滤速度。凝固和降低发酵液粘度，从而大大提升了过滤速度。第29页吸附作用吸附作用 发酵液预处理和固液分离发酵液预处理和固液分离悬浮液预处理利用吸附作用也可除去蛋白质。利用吸附作用也可除去蛋白质。四环类抗生素生产中，采取黄血盐和硫酸锌协同作用四环类抗生素生产中，采取黄血盐和硫酸锌协同作用生成亚铁氰化锌钾生成亚铁氰化锌钾K K2 2ZnZn3 3Fe(CN)Fe(CN)5 5 2 2胶状沉淀来吸附蛋胶状沉淀来吸附蛋白质，利用此法除蛋白质已取得很好效果。白质，利用此法除蛋白质已取得很好效果。在枯草杆菌发酵液中，常加入氯化钙和磷酸氢二钠，在枯草杆菌发酵液中，常加入氯化钙和磷酸氢二钠，这二者本身生成庞大凝胶，把蛋白质、菌体及其它不这二者本身生成庞大凝胶，把蛋白质、菌体及其它不溶性粒子吸附并包裹在其中而除去，从而加紧了过滤溶性粒子吸附并包裹在其中而除去，从而加紧了过滤速度。速度。第30页14.1.3 14.1.3 高价无机离子去除方法高价无机离子去除方法发酵液预处理和固液分离发酵液预处理和固液分离悬浮液预处理为了去除钙离子，宜加入草酸。但草酸溶解度较小，故用量大时，为了去除钙离子，宜加入草酸。但草酸溶解度较小，故用量大时，可用其可溶性盐，如草酸钠。反应生成草酸钙还能促使蛋白质凝可用其可溶性盐，如草酸钠。反应生成草酸钙还能促使蛋白质凝固，提升滤液（也称为原液）质量。但草酸价格较贵，应注意回固，提升滤液（也称为原液）质量。但草酸价格较贵，应注意回收。如四环类抗生素废液中，加入硫酸铅，在收。如四环类抗生素废液中，加入硫酸铅，在6060下反应生成草下反应生成草酸铅。后者在酸铅。后者在9090一一9595下用硫酸分解，经过滤、冷却、结晶后能下用硫酸分解，经过滤、冷却、结晶后能够回收草酸。够回收草酸。草酸镁溶解度较大，故加入草酸不能除尽镁离子。要除去镁离子，草酸镁溶解度较大，故加入草酸不能除尽镁离子。要除去镁离子，能够加入三聚磷酸钠能够加入三聚磷酸钠Na5P3O10Na5P3O10，它和镁离子形成可溶性络合物：，它和镁离子形成可溶性络合物：Na5P3010 Na5P3010 MgMg2+2+MgNa3P3O10 MgNa3P3O10 2Na2Na+用磷酸盐处理，也能大大降低钙离子和镁离子浓度。用磷酸盐处理，也能大大降低钙离子和镁离子浓度。要除去铁离子，可加入黄血盐，使形成普鲁士蓝沉淀要除去铁离子，可加入黄血盐，使形成普鲁士蓝沉淀:4Fe 4Fe3+3+3K4Fe(CN)6 Fe4Fe(CN)63+12K+3K4Fe(CN)6 Fe4Fe(CN)63+12K+第31页14.2 14.2 发酵液固液分离发酵液固液分离发酵液预处理和固液分离发酵液预处理和固液分离发酵液固液分离固液分离目标包含两方面：固液分离目标包含两方面：搜集胞内产物细胞或菌体，分离除去液相，或者是搜搜集胞内产物细胞或菌体，分离除去液相，或者是搜集含生化物质液相，分离除去固体悬浮物，如细胞、集含生化物质液相，分离除去固体悬浮物，如细胞、菌体、细胞碎片、蛋白质沉淀物和它们絮凝体等。菌体、细胞碎片、蛋白质沉淀物和它们絮凝体等。惯用方法为过滤和离心分离等化工单元操作。惯用方法为过滤和离心分离等化工单元操作。第32页常见固液分离方法常见固液分离方法发酵液预处理和固液分离发酵液预处理和固液分离发酵液固液分离离心沉降离心沉降微孔膜过滤微孔膜过滤 双水相萃取双水相萃取泡沫分离法泡沫分离法避开固液分离探索扩张床吸附避开固液分离探索扩张床吸附第33页影响过滤原因影响过滤原因发酵液预处理和固液分离发酵液预处理和固液分离发酵液固液分离菌种：真菌，放线菌，细菌菌种：真菌，放线菌，细菌培养基：黄豆，花生，淀粉，后期加油，培养基未用培养基：黄豆，花生，淀粉，后期加油，培养基未用完完发酵时间：菌丝自溶前放罐发酵时间：菌丝自溶前放罐黏度（发酵液）黏度（发酵液）第34页14.2.2 14.2.2 过滤过滤发酵液预处理和固液分离发酵液预处理和固液分离发酵液固液分离过滤操作是借助于过滤介质，在一定压力差过滤操作是借助于过滤介质，在一定压力差PP作用下，作用下，将悬浮液中固体粒子截留，而与液体分离技术。衡量将悬浮液中固体粒子截留，而与液体分离技术。衡量过滤特征主要指标是滤饼过滤特征主要指标是滤饼重量比阻重量比阻rBrB，它，它表示单位滤表示单位滤饼厚度阻力系数饼厚度阻力系数，与滤饼结构特征相关。对于不可压，与滤饼结构特征相关。对于不可压缩性滤饼，比阻值为常数，但对于可压缩性滤饼，比缩性滤饼，比阻值为常数，但对于可压缩性滤饼，比阻阻rBrB，是操作压力差函数，普通可用下式表示：，是操作压力差函数，普通可用下式表示：rBrBr(P)r(P)m m （14-314-3）式中式中 r r 不可压缩滤渣比阻，对于一定料液，其值不可压缩滤渣比阻，对于一定料液，其值为常数；为常数；m m 压缩性指数，普通取压缩性指数，普通取0 05 5一一0 08 8，对不可，对不可压缩性滤饼，压缩性滤饼，m m为为0 0。第35页恒压下过滤方程恒压下过滤方程发酵液预处理和固液分离发酵液预处理和固液分离发酵液固液分离恒压下，可压缩性滤饼比阻值应为常数。如过滤恒压下，可压缩性滤饼比阻值应为常数。如过滤介质阻力相对较小能够忽略不计，介质阻力相对较小能够忽略不计，则：则：第36页过滤方程符号说明以下过滤方程符号说明以下发酵液预处理和固液分离发酵液预处理和固液分离发酵液固液分离 式中式中q q 到瞬间到瞬间，经过单位过滤面积滤液量，经过单位过滤面积滤液量，m m3 3；P P 压力差，压力差，PaPa；滤液粘度，滤液粘度，PasPas；rB rB 滤饼重量比阻，滤饼重量比阻，m/kgm/kg；XB XB 经过单位体积滤液，所形成滤渣重量（干重）经过单位体积滤液，所形成滤渣重量（干重），kgkgm m3 3；过滤时间，过滤时间，s s重量比阻可依据式重量比阻可依据式14144 4，利用图解法求得。以，利用图解法求得。以/q/q为纵为纵轴，以轴，以q q为横轴所得直线斜率为为横轴所得直线斜率为M M，则，则rBrB可按下式计算：可按下式计算：第37页rBrB计算计算发酵液固液分离发酵液预处理和固液分离发酵液预处理和固液分离第38页过滤难易程度过滤难易程度发酵液预处理和固液分离发酵液预处理和固液分离发酵液固液分离依据滤饼重量比阻值，可衡量各种不一样发酵液过滤依据滤饼重量比阻值，可衡量各种不一样发酵液过滤难易程度。难易程度。普通，真菌菌丝比较粗大，如青霉素重量普通，真菌菌丝比较粗大，如青霉素重量比阻为（比阻为（0.150.15一一0.200.20）l0 l01212 m mkgkg左右，发酵液轻左右，发酵液轻易过滤，常不需特殊处理。放线菌发酵液菌丝细而分易过滤，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，如链霉素重量比阻为枝，交织成网络状，如链霉素重量比阻为10101212m/kgm/kg左左右，过滤较困难，普通需经预处理。右，过滤较困难，普通需经预处理。第39页改进过滤方法改进过滤方法发酵液预处理和固液分离发酵液预处理和固液分离发酵液固液分离助滤剂助滤剂：质地坚硬不可压缩性固体：质地坚硬不可压缩性固体机理：机理：表面吸附胶体及不可压缩型格子结构表面吸附胶体及不可压缩型格子结构使用方法：使用方法：a a 预先制成滤饼预先制成滤饼b b 助滤剂混入悬浮液中一起过滤助滤剂混入悬浮液中一起过滤惯用助滤剂惯用助滤剂：硅藻土，珍珠岩，活性炭：硅藻土，珍珠岩，活性炭应用优化原因应用优化原因 a a 单位质量助滤剂滤液最大产量单位质量助滤剂滤液最大产量 b b 使用周期使用周期 c c 流速流速 第40页固液分离设备固液分离设备发酵液预处理和固液分离发酵液预处理和固液分离发酵液固液分离 板框板框鼓式真空鼓式真空过滤过滤机机错错流流过滤过滤离心机离心机平抛式平抛式管式管式多室多室蝶式蝶式螺旋式螺旋式第41页板框压滤机板框压滤机发酵液固液分离发酵液预处理和固液分离发酵液预处理和固液分离第42页板框压滤机板框压滤机发酵液预处理和固液分离发酵液预处理和固液分离发酵液固液分离板框压滤机过滤推进力来自泵产生液压或进料贮槽中板框压滤机过滤推进力来自泵产生液压或进料贮槽中气压。气压。它最主要特征是经过过滤介质时产生压力降能够超出它最主要特征是经过过滤介质时产生压力降能够超出0.1MPa,0.1MPa,这是真空过滤器无法到达。这是真空过滤器无法到达。板框压滤机已经有很长历史。板框压滤机已经有很长历史。第43页错流过滤错流过滤发酵液固液分离微滤过程示意图微滤过程示意图,料液快速经过薄膜料液快速经过薄膜,以降低形成滤饼以降低形成滤饼发酵液预处理和固液分离发酵液预处理和固液分离第44页特点特点发酵液预处理和固液分离发酵液预处理和固液分离发酵液固液分离a a介质阻力大介质阻力大b b 不能得到干滤饼不能得到干滤饼 c c 需要大膜面积需要大膜面积 d d 收率高收率高 （97-98%97-98%）e e 质量好质量好f f 降低处理步聚降低处理步聚g g 染菌罐也能进行处理染菌罐也能进行处理第45页离心分离离心分离发酵液固液分离发酵液预处理和固液分离发酵液预处理和固液分离第46页平抛式平抛式发酵液固液分离发酵液预处理和固液分离发酵液预处理和固液分离第47页平抛式平抛式发酵液预处理和固液分离发酵液预处理和固液分离发酵液固液分离平抛式也称瓶式离心机这是一类结构最简单试验室惯平抛式也称瓶式离心机这是一类结构最简单试验室惯用低，中速离心机，转速普通在用低，中速离心机，转速普通在 3000-6000rpm3000-6000rpm。第48页发酵液固液分离管式管式发酵液预处理和固液分离发酵液预处理和固液分离第49页管式离心机管式离心机发酵液预处理和固液分离发酵液预处理和固液分离发酵液固液分离管式离心机：分为液液分离连续式管式离心机和液管式离心机：分为液液分离连续式管式离心机和液固分离间歇式管式离心机。固分离间歇式管式离心机。结构简单结构简单转速很高转速很高有利于蛋白质分离有利于蛋白质分离间歇操作间歇操作第50页多室多室发酵液固液分离发酵液预处理和固液分离发酵液预处理和固液分离第51页发酵液预处理和固液分离发酵液预处理和固液分离发酵液固液分离多室式离心机转鼓内有若干同心圆筒组成若干同心环多室式离心机转鼓内有若干同心圆筒组成若干同心环状分离室状分离室加长了被分离液体流程，使液层减薄，增加了沉降面加长了被分离液体流程，使液层减薄，增加了沉降面积，降低了沉降距离。积，降低了沉降距离。同时还有粒度筛分作用，悬浮液中粗颗粒沉降到靠近同时还有粒度筛分作用，悬浮液中粗颗粒沉降到靠近内部分离室壁上，细颗粒则沉降到靠近外部室壁上，内部分离室壁上，细颗粒则沉降到靠近外部室壁上，澄清分离液经溢流或由向心泵排出。澄清分离液经溢流或由向心泵排出。惯用于抗菌素液液萃取分离，果汁和酒类饮料澄清惯用于抗菌素液液萃取分离，果汁和酒类饮料澄清等。等。第52页发酵液固液分离发酵液预处理和固液分离发酵液预处理和固液分离第53页螺旋式螺旋式发酵液预处理和固液分离发酵液预处理和固液分离发酵液固液分离螺旋卸料沉降离心机螺旋卸料沉降离心机有立式和卧式两种有立式和卧式两种卧螺机是一个全速旋转，连续进料，分离和卸料离心卧螺机是一个全速旋转，连续进料，分离和卸料离心机。机。最大离心力强度可达最大离心力强度可达60006000操作温度可达操作温度可达300300操作压力普通为常压操作压力普通为常压惯用于胰岛素，细胞色素，胰酶分离等。惯用于胰岛素，细胞色素，胰酶分离等。第54页碟式碟式发酵液固液分离发酵液预处理和固液分离发酵液预处理和固液分离第55页碟片式离心机碟片式离心机发酵液预处理和固液分离发酵液预处理和固液分离发酵液固液分离是一个应用最为广泛离心机是一个应用最为广泛离心机有一个密封转鼓，内装十至上百个锥顶角为有一个密封转鼓，内装十至上百个锥顶角为6010060100锥形碟片。锥形碟片。固体沉降距离极短，分离效果很好。固体沉降距离极短，分离效果很好。碟片间距离普通为碟片间距离普通为0.52.5mm,0.52.5mm,与被分离物料性质相关。与被分离物料性质相关。第56页碟片式离心机碟片式离心机发酵液预处理和固液分离发酵液预处理和固液分离发酵液固液分离人工排渣碟片离心机人工排渣碟片离心机喷嘴排渣碟片离心机喷嘴排渣碟片离心机活门（活塞）排渣碟片离心机活门（活塞）排渣碟片离心机活门排渣喷嘴碟片式离心机活门排渣喷嘴碟片式离心机（这是近年来开发机型，（这是近年来开发机型，它和相同直径活塞机相同，其速度可增加它和相同直径活塞机相同，其速度可增加23%30%,23%30%,故故可使分离原因达可使分离原因达15000 15000 左右，该机型可用于酶制剂，左右，该机型可用于酶制剂，疫苗和胰岛素生产中分离物澄清，醇生产中细菌采集疫苗和胰岛素生产中分离物澄清，醇生产中细菌采集以及以及r-DNAr-DNA中采集和澄清。中采集和澄清。第57页包含体产物分离工艺包含体产物分离工艺（牛生长激素分离提取）（牛生长激素分离提取）发酵液固液分离发酵液预处理和固液分离发酵液预处理和固液分离第58页14.314.3全发酵液提取全发酵液提取发酵液预处理和固液分离发酵液预处理和固液分离全发酵液提取1.1.用用膜技术膜技术进行全发酵液提取进行全发酵液提取2.2.用用双水相双水相萃取进行全发酵液提取萃取进行全发酵液提取3.3.用用扩张床扩张床吸附进行全发酵液提取吸附进行全发酵液提取第59页发酵液预处理和固液分离发酵液预处理和固液分离全发酵液提取 一个新型生物分离技术概念被提出：一个新型生物分离技术概念被提出：集成化分离技术集成化分离技术，即对已经有两种或两种以上单元操作进行有效组合，组成即对已经有两种或两种以上单元操作进行有效组合，组成一个有效单元操作，以到达提升产品收率、缩短纯化步骤、一个有效单元操作，以到达提升产品收率、缩短纯化步骤、降低纯化费用和投资成本目标。降低纯化费用和投资成本目标。基于以上两点，基于以上两点，2020世纪世纪9090年代人们发展了一个集成年代人们发展了一个集成化分离技术化分离技术扩张床吸附技术。扩张床吸附技术。第60页二二 扩张床吸附技术扩张床吸附技术发酵液预处理和固液分离发酵液预处理和固液分离全发酵液提取 扩张床（扩张床（Expanded bedExpanded bed）亦称膨胀床是发展中）亦称膨胀床是发展中吸附分离技术。九十年代初，英国剑桥大学吸附分离技术。九十年代初，英国剑桥大学H.A.ChaseH.A.Chase等经过对吸附剂本身物理性质改进及对层析柱和流体分等经过对吸附剂本身物理性质改进及对层析柱和流体分布器精心设计，得到了稳定、返混小扩张床。布器精心设计，得到了稳定、返混小扩张床。扩张床吸附集澄清、浓缩和初步纯化于一体分离扩张床吸附集澄清、浓缩和初步纯化于一体分离纯化技术。能够降低离心或过滤等单元操作步骤，节约纯化技术。能够降低离心或过滤等单元操作步骤，节约操作周期。提升目标产物收率，降低了分离纯化成本，操作周期。提升目标产物收率，降低了分离纯化成本，被称为近几十年来出现第一个新单元操作。伴随商业化被称为近几十年来出现第一个新单元操作。伴随商业化吸附剂和装置出现，愈来愈多地引发人们兴趣和关注。吸附剂和装置出现，愈来愈多地引发人们兴趣和关注。第61页扩张床装置图扩张床装置图发酵液预处理和固液分离发酵液预处理和固液分离全发酵液提取第62页 扩张床操作按次序（见下列图）可分为五个部分扩张床操作按次序（见下列图）可分为五个部分扩张床操作按次序（见下列图）可分为五个部分扩张床操作按次序（见下列图）可分为五个部分:(1):(1):(1):(1)平衡平衡平衡平衡(equlibration)(equlibration)(equlibration)(equlibration)、(2)(2)(2)(2)吸附吸附吸附吸附(adsorption)(adsorption)(adsorption)(adsorption)、(3)(3)(3)(3)冲洗冲洗冲洗冲洗(washing)(washing)(washing)(washing)、(4)(4)(4)(4)洗脱洗脱洗脱洗脱(elution)(elution)(elution)(elution)和和和和(5)(5)(5)(5)在位清洗在位清洗在位清洗在位清洗,(clean in,(clean in,(clean in,(clean in place,CIP)place,CIP)place,CIP)place,CIP)。发酵液预处理和固液分离发酵液预处理和固液分离全发酵液提取第63页思索题思索题发酵液预处理和固液分离发酵液预处理和固液分离全发酵液提取1 1 发酵液为何需要预处理？处理方法有发酵液为何需要预处理？处理方法有 哪些？哪些？2 2 怎样使用助滤剂怎样使用助滤剂?3 3 凝集与絮凝过程有何区分？怎样将两凝集与絮凝过程有何区分？怎样将两 者结合使用？者结合使用？4 4 错流微滤与传统过滤相比有何优点？错流微滤与传统过滤相比有何优点？第64页发酵液预处理和固液分离发酵液预处理和固液分离第十五章第十五章细细 胞胞 破破 碎碎第65页概述概述发酵液预处理和固液分离发酵液预处理和固液分离细胞破碎（细胞破碎（cell rupturecell rupture）技术是指利用外力破坏细）技术是指利用外力破坏细胞膜和细胞壁，使细胞内容物包含目标产物成份释放胞膜和细胞壁，使细胞内容物包含目标产物成份释放出来技术。出来技术。细胞破碎技术是分离纯化细胞内合成非分泌型药品成细胞破碎技术是分离纯化细胞内合成非分泌型药品成份基础。份基础。伴随重组伴随重组DNADNA技术和组织培养技术上重大进展，以前认技术和组织培养技术上重大进展，以前认为极难取得蛋白质得以大规模生产。为极难取得蛋白质得以大规模生产。第66页发酵液预处理和固液分离发酵液预处理和固液分离这些产品主要为医药和保健产品，如胰岛素、一些细胞因这些产品主要为医药和保健产品，如胰岛素、一些细胞因子和疫苗亚单位成份等。子和疫苗亚单位成份等。这些蛋白质在细胞培养时被宿主细胞分泌到培养液中，其这些蛋白质在细胞培养时被宿主细胞分泌到培养液中，其后续分离和纯化都相对简单。后续分离和纯化都相对简单。但因为一些重组但因为一些重组DNADNA（rDNArDNA）产品结构复杂，必须在细胞）产品结构复杂，必须在细胞内组装来取得生物活性，假如在培养时被宿主细胞分泌到内组装来取得生物活性，假如在培养时被宿主细胞分泌到培养液中，其生物活性往往有所改变，这类培养液中，其生物活性往往有所改变，这类rDNArDNA产品是细产品是细胞内产品（非分泌型），需要应用细胞破碎技术破碎细胞，胞内产品（非分泌型），需要应用细胞破碎技术破碎细胞，使重组药品成份释放出来，为后续分离纯化做好准备工作。使重组药品成份释放出来，为后续分离纯化做好准备工作。第67页发酵液预处理和固液分离发酵液预处理和固液分离第二讲第十四章 发酵液预处理和固液分离第二讲第68页生物分离过程普通流程生物分离过程普通流程第二讲原料液原料液细胞分离细胞分离(离心，过滤离心，过滤)细胞胞内产物细胞胞内产物细胞破碎细胞破碎碎片分离碎片分离清液胞外产物清液胞外产物粗分离粗分离(盐析、萃取、超出滤等盐析、萃取、超出滤等)纯化纯化(层析、电泳层析、电泳)脱盐脱盐(凝胶过滤、超出滤凝胶过滤、超出滤)浓缩浓缩(超出滤超出滤)精制精制(结晶、干燥结晶、干燥)包含体包含体溶解溶解(加盐酸胍、脲加盐酸胍、脲)复性复性发酵液预处理和固液分离发酵液预处理和固液分离第69页包含体产物分离工艺包含体产物分离工艺（牛生长激素分离提取）（牛生长激素分离提取）第二讲发酵液预处理和固液分离发酵液预处理和固液分离第70页包含体产物分离工艺包含体产物分离工艺（牛生长激素分离提取）（牛生长激素分离提取）发酵液预处理和固液分离发酵液预处理和固液分离第二讲 来自发酵罐菌体经过离心除去培养液后加入来自发酵罐菌体经过离心除去培养液后加入缓冲液悬浮，通入高压匀浆器重复破碎三次。匀浆经缓冲液悬浮，通入高压匀浆器重复破碎三次。匀浆经过离心和水洗除去细胞碎片，再添加溶菌酶、过离心和水洗除去细胞碎片，再添加溶菌酶、EDTAEDTA和和促进剂以除去脂蛋白和未破碎细胞。包含体经离心沉促进剂以除去脂蛋白和未破碎细胞。包含体经离心沉淀和水洗后进行变性溶解，溶解剂为淀和水洗后进行变性溶解，溶解剂为6mol/L6mol/L盐酸胍。盐酸胍。溶解同时通入