发酵工程第十一章发酵工程下游技术发展及发酵液课件

,发酵工程,Fermentation Engineering,李先磊,化学化工系,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,发酵工程,Fermentation Engineering,李先磊,化学化工学院,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2020/9/14,#,第十一章 发酵工程下游技术发展及发酵液的预处理,下游技术发展与发酵液预处理,第一节 发酵工程下游技术发展,第二节 发酵液预处理,第一节 发酵工程下游技术发展,发酵工程下游技术领域,发酵工程下游技术过程和发展动态,发酵工程下游技术原理,一、发酵工程下游技术领域,发酵工程下游技术的范畴包括物质分离和产品加工。,从发酵液中可以获得的产物,发酵产品特性,发酵液组成特点,发酵产物后处理过程的分离纯化必须的注意事项,1,、从发酵液中可以获得的产物,从发酵液中获得的产物可以是多种，如抗生素、核酸、多肽、维生素等，分为如下三类：,菌体及胞内产物,酶,代谢产物,2,、发酵产品特性,在发酵液或培养液中产物浓度很低；,含有产物的初始物料组成复杂；,发酵产物多为生物活性物质，稳定性差，易失活；,发酵产品种类繁多，包括各种分子量和结构的生物活性物质；,许多产品作为医药、食品和生物试剂时要求较严格；,3,、发酵液组成特点,发酵液大部分是水；,发酵液中发酵产物浓度较低，一般低于,10%,；,发酵液中悬浮固形物主要含有菌体和蛋白质胶体，会影响分离过程；,发酵液的培养基残留还含有无机盐、非蛋白质大分子及降解产物均会影响分离过程；,发酵液中常有代谢副产物；,发酵液中含有色素、热原质等有机杂质，对提炼影响相当大，必须除去。,4,、发酵产物后处理过程的分离纯化必须的注意事项,条件温和，必须保持产物生理活性；,能够达到要求的纯度，要选择合适的分离技术；,收率高，目的产物的量和活性必须有较高收率；,生产成本尽量降低；,工艺过程尽可能缩短和简化；,分离快速，以提高生产能力；,生产中所产生废物尽可能少并能够处理；,实验过程能成功进行放大。,二、发酵工程下游技术过程和发展动态,发酵工程下游技术过程,发酵工程下游技术发展沿革,下游技术新概念、新技术、新产品和新装备,1,、发酵工程下游技术过程,发酵工程下游技术一般工艺过程如下：,发酵液或培养液的预处理与固液分离：主要是离心和过滤；,初步分离（产物提取）：除去与目标产物性质差别较大的杂质，显著提高产物浓度和质量；,高度纯化（产物精炼）：采用有限的单元操作，去除与目标产物类似的杂质；,成品加工：产物的最终用途和要求，决定了最终加工方法，浓缩、结晶和干燥是主要过程。,发酵工程下游技术一般工艺流程,2,、发酵工程下游技术发展沿革,利用下游技术可获得的产品可分为,直接获得产物,和,间接获得产物,。,第一代生物技术：,19,世纪,60,年代,-20,世纪,40,年代，青霉素等抗生素生产出现以前的酿造产业。,第二代生物技术：,20,世纪,40,年代，二战后，抗生素工业发展，大型好氧发酵装置的开发和化工单元操作引进，酿造工业扩展为发酵工业。,第三代生物技术：,20,世纪,70,年代以来，大量生物活性物质作为产品出现。,3,、下游技术新概念、新技术、新产品和新装备,固液分离技术：絮凝、离心、过滤、微过滤；,细胞破碎技术：球磨破碎、压力释放破碎、冷冻加压释放破碎和化学破碎；,初步分离纯化技术：沉淀、离子交换、萃取、超滤等技术；,高度分离纯化技术：离子交换、脱色、结晶、重结晶、色谱技术,其他新型分离技术：超临界,CO,2,萃取技术、纳米滤技术、渗透蒸发技术、液膜技术等等。,新技术发展体现在那里,新技术发展的体现,传统分离技术的提高和完善，集中在节能和提高效率；,新技术的研究和开发；,清洁生产，包括清洁生产工艺、清洁产品和清洁能源等。,三、发酵工程下游技术原理,发酵工程下游技术的总体目标是,高产率和低成本,。,选择相应下游技术时要考虑：产品规格、生产规模、发酵液组成和产品形式、产品性质、下游工程产生的废水以及操作方式。,下游工程技术单元操作的原理和特点见,P263,，表,11-1,。,第二节 发酵液的预处理,发酵液预处理的目的,发酵液过滤特性的改变,发酵液的相对纯化,固液分离工程及设备,一、发酵液预处理的目的,改变发酵液的物理性质，促进从悬浮液中分离固形物的速率，提高固液分离的效率；,尽可能使产物转入便于后处理的某一相中；,除去发酵液中部分杂质，以利于后续各步操作,胞外产物尽可能转移到液相，而胞内产物则先进行菌体和细胞的回收。,二、发酵液过滤特性的改变,发酵产品的性质,发酵产品具体预处理的方法,发酵液的性质,发酵液中发酵产物浓度较低，悬浮液中大部分是水；,悬浮物颗粒较小，相对密度与液相相差不大；,固体颗粒可压缩性大；,液相粘度大、多为非牛顿型流体；,性质不稳定，随时间变化，容易受到外界影响。,发酵产品具体预处理的方法,发酵液预处理方法要根据目标发酵液的性质进行选择。,降低发酵液的黏度,调整溶液的,pH,值,凝聚与絮凝,加入助滤剂,加入反应剂,1,、降低发酵液的黏度,降低液体的黏度有利于提高过滤速度。,加水稀释法：加水降低发酵液的黏度，同时会增加悬浮液的体积，加大后处理的工作量。,升温加热法：加热法是最简单廉价的预处理方法，将温度升高并保持一段时间，可以降低粘度，提高过滤速度。,2,、调整溶液的,pH,值,全细胞的聚集作用高度依赖于,pH,值的高低。适当调整，则可以改善过滤性质，促进凝集作用。,一般调整用无机酸碱进行调节，方法较简单。,蛋白质和氨基酸用等电点进行提取。,3,、凝聚与絮凝,凝聚和絮凝都是悬浮液预处理的重要方法，即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，使他们聚集成可分离的絮凝体，再进行分离。,凝聚,絮凝,混凝,、,凝 聚,凝聚,：电解质作用下，由于胶粒之间双电层电排斥作用降低，电位下降，而使胶体体系不稳定的现象。,双电层,电解质的凝聚能力可以用,凝聚值,表示：使胶粒发生凝聚作用的最小电解质浓度（,mmol/L,）。,、,絮 凝,絮凝,：在某些高分子絮凝剂存在下，使胶体粒子交联成网，形成较大絮凝团的过程。,絮凝剂,：是一种能溶于水的高分子聚合物，其相对分子质量高达数万至千万，具有长链结构，含有活性官能团，通过静电引力、范德华力等作用力强烈的吸附在胶粒表面。,絮凝剂结构,要求,：分子必须含有相当多的活性官能团、必须具有长链线性结构，便于吸附形成较大絮团。,常用絮凝剂：聚丙烯酰胺类,高分子絮凝剂的作用机理,、,混 凝,混凝,：将凝集和絮凝机理混合使用的方法，叫做混凝，适用于带电荷的菌体或蛋白质。,混凝的使用一般会先加入电解质，之后再加入絮凝剂，达到凝集和絮凝的双重效果。,4,、加入助滤剂,惰性助滤剂,：一种颗粒均匀、质地坚硬、不可压缩的多孔微粒，能使滤饼疏松，滤速增大，提高过滤能力和生产效率，改善滤液澄清度，降低过滤成本。,常用助滤剂：,硅藻土,、纤维素、石棉粉、珍珠岩、白土、碳粒、淀粉等。,助滤剂的使用方法：在过滤介质表面预涂助滤剂或者直接加入发酵液中。,助滤剂选择和使用的要点,助滤剂选择和使用的要点,根据目的产物选择助滤剂品种：液相产物时要注意目的产物是否会被吸附，固相产物是一般用淀粉或纤维素等不影响品质的助滤剂；,根据过滤介质和过滤情况选择助滤剂品种；,粒度选择：粒度及分步情况对过滤速度和效果影响很大。,5,、加入反应剂,加入某些不影响目的产物的反应剂，可以消除发酵液中的某些杂质对过滤的影响，从而提高过滤速率。,加入反应剂可以产生不溶性沉淀，防止菌体黏结，改善过滤性质。,三、发酵液的相对纯化,发酵液中杂质较多，其中有些杂质不仅影响产品质量和收率，同时对后续提取精制有很大影响。因此预处理时必须采用合适方法去除这些杂质，利于后续工作的进行。,高价无极离子的去除：一般可采用草酸、草酸盐、三聚磷酸钠和黄血盐等去除相应的离子。,杂蛋白的去除：沉淀法、变性法和吸附法都可以去除不需要的杂蛋白。,四、固液分离工程及设备,固液分离是发酵生产中经常用到得单元操作。,固液分离方法很多：分子筛、重力沉降、浮选分离、离心分离和过滤等等。,过滤法,离心法,切向流过滤法,1,、过滤法,过滤法,：在某一支撑物上放过滤介质，注入含固体颗粒的溶液，使液体通过，固体颗粒留下。,过滤设备分类,：重力过滤、加压过滤、真空过滤和离心过滤。,过滤介质的种类,过滤机类别,过滤设备选择的标准,被过滤液体的过滤特性；,生产规模；,操作条件和要求；,被过滤液体的过滤特性,根据滤饼形成特性、固形物的沉淀性和含量可以分为如下,5,类：,固形物含量大于,20%,，能在数秒内形成,50mm,以上滤饼的料液；,固形物含量,10%-20%,，能在,30s,内形成,50mm,以上的滤饼；,固形物含量,1%-10%,；,固形物含量在,0.1%-1%,；,固形物含量小于,0.1%,。,过滤介质的种类,无定形颗粒：活性炭、砂和无烟煤等；,形成颗粒：烧结金属、烧结塑料、合成树脂等；,非金属织布棉、化纤、玻璃纤维纸品等；,金属织布,无纺布、石棉、合成纤维等。,过滤机类别,板框式压滤机,真空转鼓过滤机,硅藻土过滤机,板框式压滤机,适用范围：霉菌、放线菌、酵母菌等多种发酵液的固液分离；,优点：结构简单、操作方便、价格低廉、耐受力强、动力消耗少；,缺点：设备笨重、劳动强度大、间歇操作、生产效率低。,板框过滤机结构图,1-,尾板,2-,滤框,3-,滤板,4-,主梁,5-,头板,6-,紧压装置,真空转鼓过滤机,工作原理：负压工作。过滤面是一个很低转速旋转、开有许多小孔或筛板组成的圆筒，外附金属网等过滤介质，转鼓形成真空，滤液则可通过过滤机，完成过滤。,优点：能连续操作、能实现自动化控制；,缺点：压力过小；,适用范围：霉菌发酵液的过滤,硅藻土过滤机,优点：即是过滤介质，又是助滤剂，形成滤饼空隙大，具有不可压缩性；,使用方法：作为深层过滤介质过滤悬浮液、在挠性和刚性支持性介质表面预涂或分散到过滤液中。,2,、离心法,离心法：基于固体颗粒和液体密度存在差异，在离心场中使不同密度的固体颗粒加速沉降的分离过程。,离心只能获得一种,较为浓缩的悬浮液或浆体,。,碟片式离心机,管式离心机,篮式离心机,42,写在最后,成功的基础在于好的学习习惯,The foundation of success lies in good habits,谢谢聆听,学习,就是,为了达到一定目的而努力去干,是,为一个目标去战胜各种困难的过程,这个过程会充满压力、痛苦和,挫折,Learning Is To Achieve A Certain Goal And Work Hard, Is A Process To Overcome Various Difficulties For A Goal,