第2章 发酵液的预处理和固液分离方法 06综述.docx
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第2章发酵液的预处理和固液分离方法06综述
第2章发酵液的预处理和固液分离方法
知识点:
发酵液的预处理技术与策略,发酵液的过滤技术与设备
重点:
发酵液中的几种杂质的去除方法和影响过滤的因素,并能在实际处理中灵活应用,凝聚技术的原理及改善过滤性能的方法。
难点:
预处理方法的灵活运用。
一、生化分离工程的工艺流程:
生化分离工程主要由各种化工单元操作组成,按生产加工过程常分为发酵液预处理、分离提取、精制纯化和后期成品加工等四个阶段:
二、发酵液的预处理技术:
目的:
改变发酵液的理化性质,利于固液分离的进行
针对对象:
高价无机离子和可溶性杂蛋白
预处理方法:
1)采用稀释,热处理,改变PH的方法降低发酵液的粘度,以利于过滤。
2)采用添加絮凝剂或凝聚的方法,改变悬浮液中固体粒子的大小,提高其沉降速度。
高价离子的去除:
钙离子:
加草酸钠使生成草酸钙沉淀。
镁离子:
加三聚磷酸钠使生成可溶性络合物。
铁离子:
加黄血盐使生成普鲁士蓝沉淀。
杂蛋白质的去除:
等电点沉淀,选择性变性沉淀,吸附作用,有机溶剂沉淀等。
有色物质的去除:
活性炭,白土,大网格树脂。
三、凝聚和絮凝技术:
1.名词解释:
凝聚:
指在中性盐的作用下,由于双电层排斥电位的降低而使胶体体系不稳定的现象。
絮凝:
指在某些高分子絮凝剂的存在下,基于架桥作用,使胶粒形成粗大的絮凝团的过程,是一种以物理集合为主的过程。
混凝:
指在料液中,先加入无机电解质,使悬浮粒子间的相互排斥能降低,脱稳而凝聚成微粒,而后再加入絮凝剂的操作过程,实际上包括了凝聚和絮凝机理的过程。
凝聚值:
指使胶粒发生凝聚作用的最小电解质浓度(mM),它用来表示电解质的凝聚能力。
2.凝聚原理:
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的正离子被吸附在其周围,在界面上形成了双电层,但这些正离子还受到使它们均匀分布开去的运动的影响,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:
吸附层和扩散层,这样就形成了扩散双电层的结构模型,如图所示。
3.双电层特征的表征和电动电位(ξ)的基本公式:
(1)电动电位ξ是控制胶粒间电排斥作用的电位,用来表征双电层的特征,并作为研究絮凝机理的重要参数,而且ξ在实际中是可测的。
(2)胶粒能保持分散状态的原因主要有二:
首先是由于带有相同的电荷和扩散双电层的结构,其次是由于胶粒表面的水化作用,形成了包围于粒子周围的水化层,以致于阻碍胶粒间的直接聚集。
但一旦ξ电位降低,水化层也随之减弱。
(1)基本公式:
ξ=4πqδξ/D
δ=[1000DkT/(4πNe2]1/2*1/(Ci*Zi2
发酵液中加入高价阳离子导致凝聚作用的原因是降低电动电位ξ和脱除了胶粒表面的水化膜,从而致凝聚现象的发生。
与扩散层厚度δ,电动电荷密度q成正比,而与价数Zi和溶液中的粒子速度Ci成反比,一般的ξ越小则越易凝聚。
(2)凝聚值是指使胶粒发生凝聚作用的最小电解质浓度(mM),它用来表示电解质的凝聚能力,一般的反离子价数越高,则该值越小,其凝聚能力越强。
阳离子对负电荷的胶粒凝聚能力次序为:
Al3+>Fe3+>H3+>Ca2+>Mg2+>K+>Na+>Li+
常用的凝聚剂:
Al2(SO43.18H2O(明矾,AlCl3.6H2O,FeCl3,ZnSO4,MgCO3
4.絮凝作用原理:
应用水溶性的有机高分子聚合物絮凝剂,通过静电引力,范德华分子引力和氢键的作用,强烈地吸附在胶粒表面。
一个高分子聚合物的许多链接分别吸附在不同颗粒的表面上,产生了架桥连接,生成粗大的絮团。
详见图
5.絮凝作用的影响因素:
●絮凝剂用量:
絮凝效果呈钟形变化。
●溶液的PH:
PH主要影响离子型絮凝剂中功能团的电离度,从而影响了分子链的伸展状态,改变了架桥能力。
●搅拌速度和时间:
●助滤剂:
添加助滤剂能增加絮凝效果。
6.常用絮凝剂的种类:
●聚丙烯酰胺(Polyacrylamide)衍生物:
非离子型:
阴离子型:
(含-COOH)
阳离子型:
(含-NH2)
●苯乙烯类衍生物及其无机高分子聚合物絮凝剂
聚合铝盐
聚合铁盐
●天然有机高分子絮凝剂
明胶
海藻酸钠
骨胶
甲壳素
甲酰胺
多聚糖类胶粘物
四、发酵液的过滤:
1.过滤概述
2.过滤方程式:
通常微生物的发酵液多属非牛顿型液体,具可压缩性。
因此在恒压条件下,可压缩性滤饼的比阻值r视为常数,其过滤方程为:
q2=2*Δp/(μ*rB*XB*τ
据滤饼的重量比阻rB可衡量不同发酵液过滤的难易程度。
3.rB的求解:
图解法
以τ/q----q作图,当直线斜率为M,则
rB=2M*Δp/(μXB
4.影响过滤速度的因素:
●菌种的影响:
真菌,放线菌,细菌
●培养基成分的影响:
天然培养基将使rB增大。
●发酵周期的影响:
菌丝自溶后的分解产物rB较大。
5.过滤性能的强化方法:
●沉淀:
等电点沉淀,选择性变性沉淀。
●吸附:
●凝聚和絮凝:
●加助滤剂:
●酶解作用:
●加反应剂:
6.固液分离设备:
●板框压缩机
●鼓式真空过滤机
●离心分离机
●错流过滤系统
作业:
1.名词解释:
絮凝,凝聚,凝聚值,混凝
2.凝聚作用的原理
3.絮凝作用的机制
4.常用的凝聚剂有哪些?
常用的絮凝剂有哪些?
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