9第九章发酵工程下游技术发展及发酵液的预处理
发酵液的预处理和菌体的回收解析
因而寻找一种经济有效的方法(发酵液预处理)来提高固液分 离速度显得十分必要。
一、预处理的目的
对发酵液进行预处理的目的？
促进从悬浮液中分离固形物的速度，提高固液分离的效率 （1）改变发酵液的物理性质，促进从悬浮液
中分离固形物的速度，提高固液分离器的效率；
（2）尽可能使产物转入便于后处理的一相中 （多数是液相）；
（3）去除发酵液中的部分杂质，以利于后续 各步操作。
二、预处理的方法
通过对发酵液进行适当的预处理，即可改善其流体 性能，降低滤饼比阻，提高过滤与分离的速率。
1. 降低液体粘度 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，降低液体粘度可有效提高过滤速率。
第二章
发酵液的预处理和菌体的 回收
Pretreatment of Fermentation Broth and Separation of Biomass
发酵液成分很复杂，包含菌（细胞）体，胞内 外代谢产物，及剩余的培养基残分等。不管人们所 需要的产物是胞内还是胞外，都首先要进行培养液 的预处理和固液分离开，才能进行后续操作：
主要有等电点沉淀法
3. 凝聚与絮凝
采用凝聚和絮凝技术能有效改变细胞、细胞碎片及 溶解大分子物质的分散状态，使其聚结成较大的颗粒， 便于提高过滤速率。另外，还能有效地除去杂蛋白和固 体杂质，提高滤液质量。
这两种方法的特点是不仅能使颗粒尺寸有效增加， 并且会增大颗粒的沉降或浮选速率，提高滤饼的渗透性 或者在深床过滤时产生较好的颗粒保留作用。
常用于菌体细小而且粘度大的发酵液的预处理中
通常发酵液中细胞或菌体带有负电荷，由于静电引力的 作用使溶液中带相反电荷的粒子（即正离子）被吸附在其 周围，在界面上形成了双电层。
发酵工业与发酵工程_08发酵液的预处理和固液分离
3、除去铁离子：
可加入黄血盐，使形成普鲁士蓝沉淀。
（二）杂蛋白的去除方法
沉淀法
在酸性溶液中，蛋白质能与一些阴离子如三氯乙酸盐、
水杨酸盐等形成沉淀。
在碱性溶液，蛋白质能与一些阳离子，如Ag1+，Cu2+， Zn2+，Fe3+和Pb2+等形成沉淀。
变性法
热变性：适于热稳定物质 大幅度调整pH：根据产物特性反向调节，
加有机溶剂
吸附法
举例： 1、四环类抗生素生产中，采用黄血盐和硫酸锌的协 同作用生成亚铁氰化锌钾的胶状沉淀来吸附蛋白质， 取得很好的效果。 2、枯草杆菌发酵液，常加入氯化钙和磷酸氢二钠， 生成庞大的凝胶，把蛋白质、菌体及不溶性粒子吸附 并包裹在其中而除去，从而加快了过滤速度。
三、发酵液的固液分离
⑥ 发酵液中还有色素、热源质、毒性物质等有机杂
质，难于提炼。
分离纯化技术的选择原则
① 条件温和； ② 能够达到所要求的纯度； ③ 收率高； ④ 生产成本尽可能低；
⑤ 工艺过程尽可能缩短和简化； ⑥ 分离快速； ⑦ 生产中所产生的废物能够处理；
⑧ 实验过程能够成功地进行放大。
二、发酵工程下游加工技术的一般流程
多数情况下是液相。
3、除去部分可溶性杂质。
一、改善发酵液过滤特性的方法：
1. 降低液体黏度 2. 调整pH 3. 凝聚和絮凝 4. 加入助滤剂
5. 加入反应剂
1. 降低液体黏度
常用的方法有加水稀释法和加热法。
注意事项：严格控制加热温度与时间。 首先，加热的温度必须控制在不影响目的产物活性变 质的范围内； 其次，温度过高或时间过长，会使细胞溶解，胞内物 质外溢，增加发酵液的复杂性，影响其后的产物分离
发酵液预处理
酵液的预处理和固液分离方法从微生物发酵液或细胞培养液中提取生化物质的第一个必要步骤就是预处理和固液分离.14.1 发酵液的预处理从悬浮液中分离固形物的速度,取决于该液体的物理性质,常采用预处理的办法改变其物理性质而促其分离.细菌及某些放线菌菌体细小,发酵液粘度大,不能直接过滤. 由于菌体自溶,核酸,蛋白质及其它有机粘性物质的存在会造成滤液浑浊,滤速极慢.因此,在预处理中应采用絮凝或凝聚的方法,设法增大悬浮液中固体粒子的大小,提高其沉降速度,或采用稀释,加热等方法降低粘度,以利于过滤.发酵液中杂质很多，其中对提炼影响最大的是高价无机离子(Ca++,Mg十+,Fe++)和杂蛋白质等.高价无机离子的存在,会影响树脂对生化物质的交换容量.杂蛋白质的存在,不仅在采用离子交换法和大网格树脂吸附法提炼时会降低其吸附能力,而且在采用有机溶剂或两水相萃取时, 容易产生乳化,使两相分离不清,在预处理时,应尽量除去这些物质.14.1 高价无机离子的去除方法为去除钙离子,宜加入草酸,可用其可溶性盐,如草酸钠.反应生成的草酸钙还能促使蛋白质凝固,提高滤液(也称为原液)质量.但草酸价格较贵,加入硫酸铅,在60 C下反应生成草酸铅.后者在90-95 C下用硫酸分解，经过滤,冷却,结晶后可以回收草酸.草酸镁的溶解度较大.故加入草酸不能除尽镁离子.要除去镁离子,可以加入三聚磷酸钠,它和镁离子形成可溶性络合物:Na5P3O10+Mg++=Mg Na Na3P3O10+2Na 十用磷酸盐处理,也能大大降低钙离子和镁离子的浓度.要除去铁离子,可加入黄血盐,使形成普鲁士蓝沉淀.14.l.2 杂蛋白质的去除方法蛋白质一般以胶体状态存在于发酵液中.胶体粒子的稳定性和其所带电荷有关.蛋白质在某一pH 下,净电荷为零,溶解度最小,称为等电点.因为羧基的电离度比氨基大,故蛋白质的酸性性质通常强于碱性,因而很多蛋白质的等电点都在酸性范围内(pH 4.0-5.5). 但单靠调节pH 至等电点的办法不能将大部分蛋白质除去.在酸性溶液中,蛋白质能与一些阴离子如三氯乙酸盐,水杨酸盐,钨酸盐,苦味酸盐,鞣酸盐,过氯酸盐等形成沉淀;在碱性溶液中，能与一些阳离子,如Ag十,Cu++,Zn十十,Fe++和Pb++等形成沉淀• 变性蛋白质溶解度较小.最常用的使蛋白质变性的方法是加热.加热还能使液体粘度降低,加快过滤速度•该法只适用于对热较稳定的生化物质•使蛋白质变性的其它办法还有：大幅度改变pH,加酒精，丙酮等有机溶剂或表面活性剂等•在抗生素生产中,常将发酵液pH 调至偏酸性范围(pH 2-3) 或较碱性范围(pH 8 一9)使蛋白质凝固, 一般以酸性下除去的蛋白质较多•加有机溶剂使蛋白质变性的方法通常只适用于所处理的液体数量较少的场合•此外,还可以利用吸附作用除去蛋白质•例如,四环类抗生素生产中,采用黄血盐和硫酸锌的协同作用生成亚铁氰化锌钾K2Zn3〔Fe(CN)5〕2 的胶状沉淀来吸附蛋白质•在枯草杆菌发酵液中,常加入氯化钙和磷酸氢二钠,这两者本身生成庞大的凝胶,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,从而加快了过滤速度.14.l.3 凝聚和絮凝技术凝聚和絮凝技术能有效地改变细胞,菌体和蛋白质等胶体粒子的分散状态,使聚集起来,增大体积,以便于过滤,常用于菌体细小而且粘度大的发酵液的预处理中.凝聚和絮凝的概念凝聚是在中性盐作用下,由于双电层排斥电位的降低,而使胶体体系不稳定的现象. 絮凝是指在某些高分子絮凝剂存在下,基于架桥作用, 使胶粒形成粗大的絮凝团的过程,是一种以物理的集合为主的过程.发酵液中的细胞,菌体或蛋白质等胶体粒子的表面, 一般都带有电荷,主要是吸附溶液中的离子或自身基团的电离.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带相反电荷的粒子（即正离子）被吸附在其周围, 在界面上形成了双电层. 但是这些正离子还受到使它们均匀分布开去的热运动的影响,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,在相距胶核表面约一个离子半径的Stern 平面以内,正离子被紧密束缚在胶核表面,称为吸附层或紧密层;在stern 平面以外,剩余的正离子则在溶液中扩散开去, 距离越远, 浓度越小, 最后达到主体溶液的平均浓度,称为扩散层.这样就形成了扩散双电层的结构模型,如图14-1 所示.当胶粒在溶液中作相对运动时,总有一薄层液体,随着它一起滑移,这一薄层,厚度比吸附层稍大,滑移面（剪切面）在图14-l 中用波纹线表示.这三种电位中只有z电位能实际测得，所以可以认为它是控制胶粒间电排斥作用的电位，用来表征双电层的特征,并作为研究凝聚机理的重要参数.胶粒能保持分散状态的原因主要是带有相同电荷和扩散双电层的结构，一旦由于布朗（Brown）运动使粒子间距离缩小到它们的扩散层部分重叠时，即产生使两个粒子分开:从而阻止了粒子的聚集• z电位越大，电排斥作用就越强，胶粒的分散程度也越大，此外，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，也能阻碍胶粒间的直接聚集.但是，水化膜主要是伴随胶粒带电而引起的，一旦z电位降低或消除，水化层也会随之减弱或消失.根据静电学基本定理，可导出z电位的基本公式为：z =4 n q S /D其中D—水的介电常数；q—胶体的电动电荷密度，即滑移面上的电荷密度；S—广散层的有效厚度，即为吸附层和扩散层界面处电位©d降低到其值为1/e处的距离，可知，z电位与扩散层厚度S和电动电荷密度q成正比，而扩散层厚度又与溶液中离子强度有关，当双电层的排斥力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.由此可见，在发酵液中加入具有高价阳离子的电解质，能降低z电位和脱除胶粒表面的水化膜，就能导致胶粒间的凝聚作用.常用的凝聚剂电解质有：AI2（SO4）3 18H2O（明矶）;AIC13 6H2O;FeC13;ZnSO4;MgCO3 等. 有机高分子聚合物絮凝剂，它们具有长链线状的结构，是一种水溶性的聚合物，分子量可高达数万至一千万以上，在长的链节上含有相当多的活性功能团，可以带有多价电荷（如阴离子或阳离子）,也可以不带电性（如非离子型）.它们通过静电引力,范德华分子引力或氢键的作用,强烈地吸附在胶粒的表面,一个高分子聚合物的许多链节分别吸附在不同颗粒的表面上,产生了架桥联接,生成粗大的絮团,这就是架凝作用.如果胶粒相互间的排斥电位不太高,只要高分子聚合物的链节足够长,跨越的距离超过颗粒间的有效排斥距离,也能把多个胶粒拉在一起,导致架桥絮凝. 目前最常见的高分子聚合物絮凝剂是有机合成的聚丙烯酰胺类衍生物.根据活性基团在水中解离情况不同,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.聚丙烯酰胺类絮凝剂具有用量少,絮凝体粗大,分离效果好,絮凝速度快以及种类多等优点,所以适用范围广.它们的主要缺点是存在一定的毒性,特别是阳离子型聚丙烯酰胺,要考虑这些物质最终能否从产品中去除.近年来还发展了聚丙烯酸类阴离子絮凝剂,它们无毒,可用于食品和医药工业中.另外,还有聚苯乙烯类衍生物及无机高分子聚合物絮凝剂,如聚合铝盐和聚合铁盐等.除此以外,也可采用天然有机高分子絮凝剂.如多聚糖类胶粘物,海藻酸钠,明胶,骨胶,壳多糖和脱乙酰壳多糖等.对于带负电性菌体或蛋白质来说,阳离子型高分子絮凝剂同时具有降低粒子排斥电位和产生吸附架桥的双重机理,所以可以单独使用.对于非离子型和阴离子型高分子絮凝剂,则主要通过分子间引力和氢键作用产生吸附架桥,它们常与无机电解质凝聚剂搭配使用.首先加入无机电解质,使悬浮粒子间的相互排斥能降低,脱稳而凝聚成微粒,然后,再加入絮凝剂.无机电解质的凝聚作用为高分子絮凝剂的架桥创造了良好的条件,从而,提高了絮凝效果.这种包括凝聚和絮凝机理的过程,常称为混凝.絮凝剂浓度增加有助于架桥充分,但是,过多的加量反而会引起吸附饱和,在每个胶粒上形成覆盖层而使胶粒产生再次稳定现象见图（14-2）. 适宜的加量通常由实验得出.虽然高分子絮凝剂分子量提高,链增长,可使架桥效果明显,但是,分子量不能超过一定的限度,因为随分子量提高,高分子絮凝剂的水溶性降低.溶液PH 的变化常会影响离子型絮凝剂中功能团的电离度,从而影响分子链的伸展形态.电离度增大,由于链节上相邻离子基团间的电排斥作用, 而使分子链从卷曲状态变为伸展状态,所以架桥能力提高.14.2 发酵液的过滤微生物发酵液中含有大量菌体,细胞或细胞碎片以及残余的固体培养基成分.过滤就是将悬浮在发酵液中的固体颗粒与液体进行分离的过程.14.2.4 发酵液的过滤特性和滤饼的重量比阻微生物的发酵液大多数属于非牛顿型液体,滤渣为可压缩性的.衡量过滤特性的主要指标是滤饼的重量比阻rB,它表示单位滤饼厚度的阻力系数，与滤饼的结构特性有关•对于不可压缩性滤饼,比阻值为常数,但对于可压缩性滤饼,比阻rB 是操作压力差的函数,一般可用下式表示: rB=r （△p）m式中r—不可压缩滤渣的比阻，对于一定的料液，其值为常数；m—压缩性指数，一般取0.5-0.8,对不可压缩性滤饼，m为0;可见，滤饼的比阻值是随操作压力差的提高而增大的.因此，开始过滤时应注意不能很快提高压差，通常靠液柱的自然压差进料，并应缓慢地，逐步地升高压力，一般在相当长的时间内，压力差不要超过0.05 MPa,最后的压差也不超过030.4 MPa.如果操作压力控制过高，由于比阻值的急剧增加，会使过滤速度很快下降，以至达到不能继续过滤的程度•恒压下，可压缩性滤饼的比阻值应为常数•如过滤介质的阻力相对较小可以忽略不计，则恒压下的过滤方程式如下：q2=2 △ p T /rBXB式中q--到瞬间T通过单位过滤面积的滤液量，m;△ p—压力差，Pa;卩-滤液粘度，Pa.s;rB —滤饼的重量比阻，m/kg;XB —通过单位体积滤液，所形成的滤渣重量仟重），kg/m3;T—过滤时间，S.14.2.2影响过滤速度的因素过滤速度和菌种，发酵条件（培养基的组成，未用完培养基的数量，消沫油，发酵周期）等有关. 菌种对过滤速度影响很大.一般,真菌的菌丝比较粗大，发酵液容易过滤，常不需特殊处理.其滤渣呈紧密饼状物，很容易从滤布上刮下来，故可采用鼓式真空过滤机过滤.放线菌发酵液菌丝细而分枝，交织成网络状.还含有很多多糖类物质，粘性强，过滤较困难，一般需经预处理，以凝固蛋白质等胶体.细菌发酵液的菌体更细小，因此，过滤十分困难，如不用絮凝等方法预处理发酵液，往往难以采用常规过滤的设备来完成过滤操作.培养基的组成对过滤速度影响也很大.用黄豆粉，花生粉作氮源，淀粉作碳源会使过滤困难.此外，发酵后期加消沫油或剩余大量未用完的培养基，都会使过滤困难.正确选择发酵终了时间对过滤影响很大.在菌丝自溶前必须放罐，因为细胞自溶后的分解产物一般很难过滤.有时延长发酵周期虽能使发酵单位有所提高，但严重影响发酵液质量，使色素和胶状杂质增多，过滤困难，最终造成成品质量降低.14.2.3改善过滤性能的方法采用等电点，蛋白质变性，吸附以及凝聚和絮凝等方法预处理发酵液，以改变发酵液的性状和过滤性能.除此以外，改善过滤性能的方法还有：加入助滤剂，直接在发酵液中形成填充-凝固剂，媒介作用等.助滤剂是一种不可压缩的多孔微粒，它能使滤饼疏松，滤速增大.助滤剂必须不吸附或很少吸附生化物质.助滤剂的加入有两种方法，一种是在滤布上预先铺一层助滤剂（l-2mm），另一种是直接加入发酵液中.有一条经验规则可供参考，即助滤剂用量若等于悬浮液中固体含量时，滤速最快.改善过滤性能较好的方法是加入一些反应剂，它们能相互作用，或和某些溶解性盐类发生反应生成不溶解的沉淀.生成的沉淀能防止菌丝体粘结，使菌丝具有块状结构，沉淀本身即可作为助滤剂，并且还能使胶状物和悬浮物凝固.如发酵液中有不溶解的多糖存在，则最好用酶将它转化为单糖，以提高过滤速度.加入淀粉酶后,能使过滤速度加快.发酵液染菌后，会含很多细菌菌体，杂质也增多，给边滤造成很大困难.处理方法有：升高温度,增加纯化剂用量，加助滤剂等.14.2.4固一液分离设备的选择。
第9章_发酵液预处理和固液分离
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板框过滤机动画
3）真空转鼓过滤机
主体是一个由筛板组成能转动的水平圆筒， 表面有一层金属丝网，网上覆盖滤布,圆筒内沿 径向被筋板分隔成若干个空间。
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转筒真空过滤机动画
转筒真空过滤机
主要适用霉菌发酵液，对菌体 细小、黏度大铺助滤剂。
对于滤饼阻力较大的物料适应 能力较差。
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带式真空过滤机
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2）平抛式离心机
平抛式离心机一类结构简单的实验室常用的低 中速离心机，转速一般在 3000-6000rpm。
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３）管式离心机
• 管式离心机具有一 个细长而高速旋转 的转鼓，转鼓内装 有纵向平板，
• 其下部有进料口。 上部两侧有重液相 和轻液相出口。
51
用于分离各种浮浊 液，进行液-液分离， 如油脂；
Al3+ >Fe3+ >H+ >Ca2+ >Mg2+ >K+ >Na+ >Li+
12
常用的凝聚剂电解质有：
硫酸铝 Al2(SO4)3•18H2O（明矾）； 氯化铝 AlCl3•6H2O; 三氯化铁 FeCl3; 硫酸亚铁 FeSO4· 7H2O ； 石灰；ZnSO4；MgCO3
13
絮凝
flocculation
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2.杂蛋白去除-变性
加热
大幅度调节pH值 加酒精、丙酮等有机溶剂或表面活性剂等。
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3.杂蛋白去除- 吸附法
加入某些吸附剂或沉淀剂吸附杂蛋白质而除去。
四环类抗生素生产中，采用黄血盐和硫酸锌的 协同作用生成亚铁氰化锌钾K2Zn3[Fe(CN)5]2的 胶状沉淀来吸附蛋白质; 在枯草杆菌发酵液中，常加入氯化钙和磷酸氢 二钠形成沉淀物，该沉淀物不仅能吸附杂蛋白 和菌体等胶状悬浮物，加快了过滤速度。
《发酵液的预处理》课件
预处理过程中的温度、pH值等参数需要严格控制，以保证发酵液质量的稳定和一致性。
储存和运输
预处理后的发酵液需要科学储存和合理运输，确保其在后续应用中的质量和有效性。
发酵液预处理在不同领域的应用
生物医学领域
发酵液预处理在药物制造、生 物疗法等方面发挥着重要作用， 提高产品质量和生产效率。
2
现代方法
现代发酵液预处理方法采用高科技手段，如超滤、离心等，显著提高了处理效率 和质量。
3
预处理方法的影响
不同预处理方法对发酵液的影响因素及效果有所不同，需要根据不同需求进行选 择和优化。
发酵液预处理过程中需要考虑的问题
设备的选型
选择适合的预处理设备，如离心机、过滤器等，以确保处理效果和工艺效率。
农业领域
发酵液预处理在农业领域中应 用广泛，用于土壤改良、有机 肥料制造等，促进农作物生长 和提高产量。
工业领域
发酵液预处理在化工、食品加 工等工业领域中有着重要地位， 推动产品升级、节约资源和环 保。
结论
发酵液预处理是发酵过程中不可或缺的关键步骤，它有助于提高产品质量、 工艺效率和环境可持பைடு நூலகம்性。随着科技的不断进步，发酵液预处理的未来发展 将更加多元化和精细化。
参考文献
• 文献1 • 文献2 • 文献3
《发酵液的预处理》PPT 课件
发酵液的预处理，探索发酵液在不同领域的应用及其未来发展趋势。
什么是发酵液预处理？
发酵液预处理是指将发酵液进行一系列处理步骤，以提高其质量，达到更好 的发酵效果。它是发酵工艺中不可或缺的重要环节。
发酵液预处理的方法
1
传统方法
传统发酵液预处理方法包括沉淀、过滤、提纯等，经典而有效。
酶生产的下游工艺—发酵液的预处理
工）:使酶与溶剂分离的过程
离心分离， 过滤分离， 沉淀分离， 层析分离， 电泳分离， 萃取分离， 结晶分离 等
工作任务（二）发酵液的预处理
发酵液预处理 是指采用凝集、絮凝、加热、稀释法等技
术来加速固相、液相分离。 过滤和离心是其最基本的单元操作。
发酵产物在发酵液中的浓度较低，并与大量可 溶的和混悬的杂质混杂在一起。
的
去
除
例：去除链霉素中杂蛋白
法
pH值3.0，温度70℃,时间0.5h，使黏
度降为原来的1/6，过滤速度提高10～100
倍。
工作任务（二）发酵液的预处理
可 溶
等电点沉淀
性
根据蛋白质的两性性质，在等电点时溶
杂
解度最低，易产生沉淀，用酸或碱调节发酵
蛋
液pH值，使其达到蛋白等电点而沉淀。
白
的
但有些蛋白质在等电点时仍有一定的溶
凝
搅拌速度和时间：搅拌速度和时间要控制在一个
合理范围
工作任务（二）发酵液的预处理
作用：避免滤布或生成的滤饼阻塞而影响过
加
滤。
入
从发酵液中分离菌体、蛋白质等杂质时，悬浮
助
物细小易受压，易阻塞或粘住过滤介质的细孔。
滤
加入助滤剂后，能在过滤介质和要分离的固形物
剂
之间形成一层不可压缩的多孔且极为细密的滤 层，从而截留悬浮杂质。
酶制剂生产技术 模块三、酶生产的下游工艺
引入
微生物经过好气性发酵和厌氧发酵培养后，菌体会 大量繁殖，并合成和积累了相当浓度的代谢产物，这 时便终止发酵，进入分离加工过程。
不管是胞内产物还是胞外代谢产物，在分离纯化目的 产物时，首先都要通过发酵液的预处理。将固相、液相 分离后，才能采用各种物理、化学、生物的方法进行产 物的进一步分离纯化。
发酵液预处理
2.3 发酵液杂质的去除
在预处理时，应尽量除去高价无机离子、杂蛋白等。 2.3.1无机离子的去除 （1）钙离子的去除 在发酵液中加入草酸。作用：1 除去钙离子；2 去除部分镁离子; 3 同时草酸可酸化发酵液，使发酵液的胶体状态改变，有助于目 标产物转入液相。由于草酸的溶解度较小，用量大时可用其可溶 性盐(如草酸钠)。4 反应生成的草酸钙还能促使蛋白质凝固，提 高滤液质量。 缺点：草酸的价格较高，如果回收利用可以降低成本。例如：在 四环类抗生素废液中，加入硫酸铅，60℃下反应生成草酸铅，草 酸铅在90～95℃下用硫酸分解，再经过滤、冷却、结晶操作后即 可回收草酸。
2.5.5絮凝的优化
选择使用何种絮凝剂要综合考虑成本、可行性、 毒性等多方面因素。此外，絮凝效果与絮凝剂 的加入量、分子量和类型，溶液的pH、搅拌 速率和时间等因素有关。 加入助凝剂可以增加絮凝效果。 剪切力及处理时间(添加絮凝与进一步分离之 间的间隔时间)也是很重要的优化参数。
絮凝的优化流程为：①准备好所需的絮凝剂及化学试 剂；②分别向烧杯中倒入500～1000mL的悬浮液试样； ③搅拌(桨叶速率可为200r／min)；④通过加酸或加碱 调节每个试样的pH值(例如，如果有6个试样，则分别 使其pH值为4、5、6、7、8和9)；⑤同时向各烧杯中 加入助凝剂，并开始计时；⑥继续保持高搅拌速率 5min；⑦加入絮凝溶液，于1min内混合均匀；⑧降低 搅拌速率(例如降至50r／min)保持15min；⑨分析絮凝 结果(可通过静置或过滤等方法)
第九章 发酵工程下游技术发展及发酵液的预处理
五、发酵工业下游技术的一般工艺过程
• 下游加工过程由各种化工单元操作组成。 下游加工过程由各种化工单元操作组成。 由于生物产品品种多，性质各异， 由于生物产品品种多，性质各异，故用到 的单元操作很多，其中如蒸馏、萃取、 的单元操作很多，其中如蒸馏、萃取、结 吸附、 晶、吸附、蒸发和干燥等属传统的单元操 理论比较成熟， 作，理论比较成熟，而另一些则为新近发 展起来的单元操作，如细胞破碎、 展起来的单元操作，如细胞破碎、膜过程 和色层分离等，缺乏完整的理论， 和色层分离等，缺乏完整的理论，介于两 者之间的有离子交换过程等。 者之间的有离子交换过程等。
细胞破碎 干燥 含产物的清液
整体细胞萃取
离心或过滤 产物 提取、分离 提取、 纯化、 纯化、精制 干燥 产物 废物
下游工艺过程决定于产品的性质和要求达到的纯度
如产品为菌体本身，则工艺比较简单，只需经过滤、 如产品为菌体本身，则工艺比较简单，只需经过滤、得到菌 体，再经干燥就可，如单细胞蛋白的生产。 再经干燥就可，如单细胞蛋白的生产。 如可以从发酵液直接提取，则可省去固液分离步骤。 如可以从发酵液直接提取，则可省去固液分离步骤。 如为胞外产物则可省去细胞破碎步骤。 如为胞外产物则可省去细胞破碎步骤。
（2）细胞破碎技术
已开发出珠磨破碎、压力释放破碎、 已开发出珠磨破碎、压力释放破碎、冷冻加压释放破碎和化学 破碎等技术。该技术的成熟使得胞内生物物质的大规模工业化 破碎等技术。 生产成为可能。 生产成为可能。
（3）初步分离纯化技术
主要开发了沉淀、离子交换、萃取、超滤等技术。 主要开发了沉淀、离子交换、萃取、超滤等技术。较早出现 的是酶及蛋白质的盐析法；有机溶剂沉淀法； 的是酶及蛋白质的盐析法；有机溶剂沉淀法；双水相萃取技 术比较适合于胞内活性物质和细胞碎片的分离， 术比较适合于胞内活性物质和细胞碎片的分离，为进一步纯 化精制创造了前提；超滤技术解决了生物大分子对pH、 化精制创造了前提；超滤技术解决了生物大分子对 、热、 有机溶剂、金属离子敏感等难题，在生物大分子的分级、 有机溶剂、金属离子敏感等难题，在生物大分子的分级、浓 脱盐等操作中得到了广泛的使用。 缩、脱盐等操作中得到了广泛的使用。
生物工程下游技术发酵液预处理
助滤剂表面具有吸附胶体的能力，并且 由此形成的滤饼具有格子型结构，不可压缩， 滤孔不会被全部堵塞，可保持良好的渗透性， 因此能大大提高过滤能力和生产效率，降低 过滤成本。
生物工程下游技术发酵液预处理
助滤剂的使用方法：
• 在滤布上预涂一层助滤剂，作为过滤介质 使用，待滤毕后与滤饼一起除去；
1—分配头 2—螺旋输送器 3—过滤盘 生物工程下游技术发酵液预处理
生物工程下游技术发酵液预处理
图5 转鼓真空过滤机
过滤机外涂有厚厚的一层硅藻土，水和酶可以渗透过去，而 培养基和微生物却被黏着在硅藻土表面上。转鼓过滤机旋转 的过程中，发酵液喷散开来。水和酶被吸进过滤机的中央， 培养基和微生物则留在硅藻土表面，稍后用巨型刀片将硅藻 土及附着其上的培养基及微生物一同去除。
预处理的目的
⑴改变发酵液的物理性质，促进从悬浮液中分离 固形物的速度，提高固液分离器的效率；
⑵尽可能使产物转入便于后处理的一相中（多数 是液相）；
⑶去除发酵液中的部分杂质，以利于后续各步操 作。
生物工程下游技术发酵液预处理
发酵液预处理的方法
• 加热 • 调节pH值 • 凝聚和絮凝 • 使用惰性助滤剂 • 使用反应剂
生物工程下游技术发酵液预处理
其中凝聚剂的作用，有些是对初始粒 子表面电荷的简单中和，另一些是消除双 电荷层（采用中性盐，如NaCl等）而脱稳， 还有一些是通过氢键或其他复杂的形式与 粒子相结合而产生凝聚。
生物工程下游技术发酵液预处理
电解质的凝聚能力可用凝聚值表示，即 使胶粒发生凝聚作用的最小电解质浓度 （mmol/L）。
生物工程下游技术发酵液预处理
eg. 《活性污泥/混凝法处理高含盐染料废 水的实验研究》（鲁秀国等）
《发酵液的预处理》课件
PART 05
发酵液预处理的工艺流程
单级预处理工艺流程
发酵液的固液分离
通过过滤、沉降等方法将发酵液中的固体物质与 液体分离，得到澄清的液体。
温度调节
通过加热或冷却的方法将发酵液的温度调节到适 宜的范围内，以满足后续处理的要求。
酸碱度调节
通过添加酸或碱，将发酵液的酸碱度调节到适宜 的范围内，以满足后续处理的要求。
预处理工艺流程的选择与优化
01
根据发酵液的性质和后续处理的 要求，选择合适的预处理工艺流 程。
02
通过实验和模拟的方法，对预处 理工艺流程进行优化，提高预处 理效果和降低能耗。
氧化还原处理
要点一
总结词
通过氧化还原反应改变目标成分的化学性质，使其从发酵 液中分离出来。
要点二
详细描述
氧化还原处理是一种较为特殊的预处理方法，通过向发酵 液中添加氧化剂或还原剂，如高锰酸钾、亚硫酸氢钠等， 使目标成分发生氧化或还原反应，从而改变其化学性质， 使其从发酵液中以沉淀或其他形式分离出来。该方法具有 较高的选择性，但操作条件较为苛刻，且可能会对目标成 分造成一定的破坏。
2023 WORK SUMMARY
《发酵液的预处理》 ppt课件
REPORTING
目录
• 发酵液预处理概述 • 发酵液的固液分离 • 发酵液的化学处理 • 发酵液的物理处理 • 发酵液预处理的工艺流程
PART 01
发酵液预处理概述
发酵液预处理的定义
• 发酵液预处理：在发酵工业中，发酵液预处理是指在发酵前对 原材料进行的一系列物理、化学或生物学的处理过程，旨在改 善发酵产物的质量和产量，同时提高整个发酵过程的效率和稳 定性。
碱处理
总结词
发酵液预处理课件
通过改变pH、离子强度、温度等条件 ，打破蛋白质与水的相互作用，使其 从溶解状态转变为不溶解状态，从而 实现蛋白质的沉淀。
蛋白质沉淀的方法
01
02
03
调节pH
通过加入酸或碱来调节发 酵液的pH，使其处于蛋白 质的等电点，从而实现蛋 白质的沉淀。
加热
通过加热发酵液，使蛋白 质变性，降低其在水中的 溶解度，从而实现蛋白质 的沉淀。
发酵液预处理课件
• 发酵液预处理概述 • 发酵液的固液分离 • 发酵液的蛋白质沉淀 • 发酵液的离子交换 • 发酵液的吸附分离 • 发酵液预处理的案例分析
01
发酵液预处理概述
发酵液预处理的定义
01
发酵液预处理是指在进行发酵产 物提取之前，对发酵液进行的一 系列操作，旨在去除杂质、提高 目标产物的纯度和收率。
。
离子交换的方法
静态离子交换
将待处理的溶液与离子交换剂混 合，经过一定时间的反应后，将 离子交换剂分离出来，实现目标
物的分离。
动态离子交换
将待处理的溶液通过离子交换柱， 利用离子交换剂对目标离子的吸附 作用，实现目标物的分离。
再生离子交换
对于已经饱和的离子交换剂，可以 采用再生方法进行处理，使其恢复 吸附能力。
沉降分离
沉降分离是通过发酵液中固体物质与液体部分的自然沉降速度差将两者分离的过程 。
沉降时间、温度和发酵液的物理性质对沉降效果有很大影响。
沉降分离适用于处理较清澈的发酵液，对于含有大量悬浮颗粒的发酵液处理效果不 佳。
03
发酵液的蛋白质沉淀
蛋白质沉淀的原理
蛋白质的溶解度
蛋白质在水中的溶解度取决于其与水 的相互作用，包括电荷、极性基团和 疏水基团。
第九章发酵工程下游技术发展及发酵液预处理
（一）加热法：
降低悬浮液的黏度，除去某些杂蛋白，降低悬浮 物的最终体积，破坏凝胶状结构、增加滤饼的空 隙度。（不适用热敏性的物质）
（二）调节悬浮液的pH
通过调节发酵液pH到蛋白质的等电点使蛋白质沉 淀，同时络合重金属离子； 常用的酸化剂有草酸、盐酸、硫酸和磷酸
第九章发酵工程下游技术发展及发 酵液预处理
（三）发酵液的凝聚和絮凝
机理
• 电解质将胶体粒子表面上的电荷中和，减少存在于
胶体粒子间的静电斥力，使范德华力占优势，这样 胶体就会凝聚成较大、较密实的粒子（凝聚），或 在某些高分子絮凝剂存在下，基于架桥作用，使胶 粒形成粗大的絮凝团使之更容易过滤（絮凝）。
可溶性杂质和不溶性悬浮物，给下游过 程的分离提取带来了不小的困难，增加 了下游操作成本，包括发酵废液的处理 成本
第九章发酵工程下游技术发展及发 酵液预处理
• 2. 欲提取的产物通常浓度低且很不稳定。
一些新兴生物技术产品，待处理物料中产品浓度很低， 往往低于杂质含量，如L—异亮氨酸为％，青霉素为％， 每千克产品中核黄素仅含几克、胰岛素仅含几十毫克， 而且对热、PH、有些甚至对光不稳定。
第九章发酵工程下游技术发展及发 酵液预处理
20世纪80年代以来，生物工业下游技术进步很 快，出现了很多新概念、新技术、新产品和新 装备。大致可分为以下几大类：
（1）固液分离技术
絮凝技术引入到发酵液的预处理上，研究开发了菌 体及悬浮物絮凝技术，改善了发酵液的分离性能， 加之纤维素助滤剂的开发，大大提高了发酵液的固 液分离效率。在固液分离机械方面，也出现了一些 性能优良的新型机械，如带式过滤机、板框过滤机、 螺旋沉降式离心机等。微滤膜可高效分离细微的悬 浮粒子。
发酵液预处理课件
Schulze-Hardy法则——叔米-哈第法则
• 反离子的价数越高，该值就越小，即凝聚能 力越强。
• 阳离子对带负电荷的胶粒凝聚能力的次序为 A13＋＞Fe3+ ＞H＋＞Ca2十＞Mg2+＞K+＞Na+ ＞Li+，常用的凝聚剂电解质有： Al2(SO4)3·18H20（明矾）；AlC13·6H2O； FeC13；ZnSO4；MgCO3等。
• 离心沉降速度 • 沉降速度是指在强大离心力作用下，单位时
间内物质运动的距离。是离心设备的一个重 要技术指标是其所能达到的离心力与重力的 比值，称为分离因数。
2021/7/31
2、离心力
• 离心力(Centrifugal force) ：离心力作为真实的力根 本就不存在，在非惯性系中为计算方便假想的一个力 。
• 相对离心力（Relative centrifugal force ，RCF） ：是实际离心力转化为重力加速度的倍数。
RC F F F （ （ 离重 心 ） (2 力 力 n） )2r/g
• 注：n(rpm)应折换成 转/秒
2021/7/31
3、离心机的种类与用途
• 按转速分：常速（低速）、高速和超速 • （1）、常速离心机 • <8000r/min，RCF<1×104g • 用途：分离细胞、细胞碎片、培养基残渣及粗结晶等
改变大分子物质的电荷特性减少堵塞和污染如膜过一些物质如细胞细胞碎片胶休物质等在某个ph下也可能趋于絮凝有利于过滤进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的分散状态破坏其稳定性使它们聚集成可分离的絮凝体再进行分离
两个问题
• 1、为什么要进行发酵液的预处理?
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五、发酵工业下游技术的一般工艺过程
• 下游加工过程由各种化工单元操作组成。 由于生物产品品种多，性质各异，故用到 的单元操作很多，其中如蒸馏、萃取、结 晶、吸附、蒸发和干燥等属传统的单元操 作，理论比较成熟，而另一些则为新近发 展起来的单元操作，如细胞破碎、膜分离 和色层分离等，缺乏完整的理论，介于两 者之间的有离子交换过程等。
第九章 发酵工程下游技术发展及 发酵液的预处理
概述
• 下游技术（工程） ：对于由生物界自然 产生的或由微生物菌体发酵的、动植物 细胞组织培养的、酶反应等各种生物工 业生产过程获得的生物原料，经提取分 离、加工并精制目的成分，最终使其成 为产品的技术。
下游加工过程的重要性。（组成、 费用和关注程度）
4. 现代生物技术阶段
以20世纪70年代末崛起的DNA重组技术及细胞融合 技术为代表。 生物技术在其主要领域：基因工程、酶工程、细胞 工程和发酵工程取得了长足进步，一批高附加值的 产品开始面世，如乙肝疫苗、干扰素、功能因子、 低聚糖、活性肽、高度不饱和脂肪酸等。生物技术 在深度和广度上都取得了很大的进展。很多企业开 始加强在生物工业下游技术领域的研究开发力量， 不断推出新技术、新产品、新装备，以抢占更多的 市场。新技术有超临界CO2萃取技术、膜过滤、渗 透蒸发技术、各种色谱（层析）技术等。
• 1.组成：下游加工过程是生物技术的重要组成部分， 发酵液或反应液需要经过下游加工过程才能成为 成品；
• 2.费用：传统发酵工业中下游部分的费用占整个工 厂投资费用的60％，而对重组DNA生产蛋白质等 基因工程产品，下游加工的费用可占整个生产费 用的80％－90％；
• 3.关注程度：英国政府工业部于1983年发起生物分 离计划（BIOSEP），专门研究下游加工过程； 1987年英国化学工业会召开了专门讨论下游加工 过程的国际会议；我国也于1989年在济南召开了 一次专门会议；近十年来国内外有关生物分离或 蛋白质纯化的专著陆续出版。
• 2. 欲提取的产物通常浓度低且很不稳定。
一些新兴生物技术产品，待处理物料中产品浓度很低， 往往低于杂质含量，如L—异亮氨酸为2.4％，青霉素为 3.6％，每千克产品中核黄素仅含几克、胰岛素仅含几十 毫克，而且对热、PH、有些甚至对光不稳定。
生物活性物质的活性还易受温度、pH、金属离 子、无机盐浓度、有机溶媒等环境因素的影响。 制约了下游技术的可选范围。
1. 一般工艺过程
• 一般说来，下游加工过程可分为4个阶段： • （1）预处理和固液分离 ：目的是除去发酵液
第一节 发酵工程下游技术发展
一、发酵产物的分类
• 从工业发酵范畴来看，从发酵液中获得的发酵产物大致 可分为三类 ： – 1、菌体： – 2、酶： – 3、代谢产物
二、下游加工Βιβλιοθήκη 术的特点• 1.发酵液的复杂性造成分离上的困难性。 • 粗原料中带入大量的不参与发酵过程的
可溶性杂质和不溶性悬浮物，给下游过 程的分离提取带来了不小的困难，增加 了下游操作成本，包括发酵废液的处理 成本
3. 液体深层发酵阶段
以20世纪40年代出现的青霉素产品为代表。 无菌空气制备技术、大型好氧发酵装置开发，一大 批通风发酵技术产品相继投入了工业生产，如抗生 素（链霉素）、氨基酸（谷氨酸）、有机酸（核酸、 柠檬酸）、酶制剂（淀粉酶）、微生物多糖和单细 胞蛋白等。产品多样性决定了分离方法的多样性。 借鉴和引进吸收了大量的近代化学工业的分离技术， 如沉淀、离子交换、萃取、结晶等。
（4）高度分离纯化技术
小分子物质一般可通过离子交换、脱色和结晶、重 结晶等方法获得纯度很高的产品。生物大分子的纯 化一直是个难题。20世纪70年代以来，逐渐开发出 各种色谱（层析）技术，如亲和色谱、疏水色谱、 聚焦色谱、离子交换色谱和凝胶色谱等，后两种技 术已开始用于批量生产。
（5）其他新型分离技术
（2）细胞破碎技术
已开发出珠磨破碎、高压匀浆法、 X-press法和化 学破碎等技术。该技术的成熟使得胞内代谢产物的 大规模工业化生产成为可能。
（3）初步分离纯化技术
主要开发了沉淀、离子交换、萃取、超滤等技术。 较早出现的是酶及蛋白质的盐析法；有机溶剂沉淀 法；双水相萃取技术比较适合于胞内活性物质和细 胞碎片的分离；超滤技术解决了生物大分子对pH、 热、有机溶剂、金属离子敏感等难题，在生物大分 子的分级、浓缩、脱盐等操作中得到了广泛的使用。
超临界CO2萃取技术在获得天然生物物质方面有 着独特的优势。20世纪80年代以来，已经在许多领 域中迅速实现了工业化。如啤酒花中有效成分和咖 啡豆中咖啡因的萃取分离。介于反渗透和超滤之间 的纳米滤技术，由于其能使水和大部分无机盐通过 而截留分子量300-1000的小分子有机物，且操作压 力低，在生物工业和水处理中具有广阔的应用前景。 渗透蒸发技术、液膜技术及反胶团技术的研究和应 用开发等也相继取得了很大的进展。
20世纪80年代以来，生物工业下游技术进步很 快，出现了很多新概念、新技术、新产品和新 装备。大致可分为以下几大类：
（1）固液分离技术
絮凝技术引入到发酵液的预处理上，研究开发了菌 体及悬浮物絮凝技术，改善了发酵液的分离性能， 加之纤维素助滤剂的开发，大大提高了发酵液的固 液分离效率。在固液分离机械方面，也出现了一些 性能优良的新型机械，如带式过滤机、板框过滤机、 螺旋沉降式离心机等。微滤膜可高效分离细微的悬 浮粒子。
• 3. 多为分批操作，各批发酵液不尽相同， 要求下游加工有一定弹性。
四、生物工业下游技术的发展历程
1.古代酿造业
古代酿造业包括酿酒、制酱（油）、醋、酸奶和干 酪等。技术原始、家庭式作坊、产物基本不经过后 处理而直接使用，无下游技术。
2. 纯培养阶段
主要指1860－1930。发现了发酵的本质是微生物的 作用，掌握了纯种培养技术，生物技术进入近代酿 造产业的发展阶段。逐渐开发形成了发酵法生产酒 精、丙酮、丁醇等微生物发酵工业（厌氧发酵）， 其产品相对简单，基本上是无活性的小分子。此时 开始引入过滤、蒸馏、精馏等近代分离技术。