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
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1、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
2、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
3、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
4、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
5、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
6、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
7、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
8、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,
9、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ste
10、rnstern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
11、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
12、)。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
13、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
14、 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
15、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。
16、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
17、;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
18、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
19、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
20、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
21、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
22、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
23、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
24、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、
25、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
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