【发酵工艺学总论】第五章-发酵下游技术
发酵工程下游技术2011
下游加工过程的选择原则
在工业生产规模的前提下
①能够达到所要求的纯度；
②收率高；
③生产成本尽可能低；
④工艺过程尽可能缩短和简化 ⑤生产中所产生的废物能够处理； ⑥实验过程能够成功地进行放大；
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发酵工程下游技术的发展趋势？
①膜技术的推广使用；
②亲和技术的推广使用；
③优质层析介质的研究； ④上游技术对下游过程的的特点和重要性？
1.发酵液是复杂的多相系统； 发酵液是含有细胞、代谢产物和剩余培养基等多 组分的多相系统，粘度常很大，从中分离固体物 质很困难。 2.代谢产物在培养液中的浓度很低，并且稳定性差， 而培养液中杂质含量却很高； 发酵产品在发酵液中浓度很低，且常常与代谢产 物、营养物质等大量杂质共存于细胞内或细胞外， 形成复杂的混合物；欲提取的产品通常很不稳定， 遇热、极端pH、有机溶剂会分解或失活。
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下游加工过程的一般流程和单元操作
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达到工业应用水平的技术 固液分离技术：过滤、离心、絮凝。 细胞破碎技术：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。
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：小分子物质可通过离子交换、脱
色和结晶、重结晶等方法。生物大分子的纯化采用各种色 谱技术，如离子交换色谱和凝胶色谱，目前已经开始批量 生产。
下游工程
Fermentation Process Control
Downstream Processes
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Fermentation engineering
上游工程
Upstream Processes - 优良菌种的选育 - 动植物细胞的培养 - 培养基的配制 Fermentation Process Control
发酵工程 下游工程技术知识点
第十二章发酵工程下游工程技术第一节发酵液的预处理与固-液分离1.1 概述发酵产物的提取与精制属于发酵工程的下游加工技术。
下游加工亦称发酵后处理，是指从发酵液或酶反应中分离纯化目的产物并加工成成品的过程。
在多数情况下是从稀的发酵液中回收目的产物，整个过程有多项单元操作组成，其中有许多是经典的化工单元操作。
上游加工下游加工一、下游加工过程的重要性1.获得商业产品的关键环节。
2.促进发酵工程上游加工技术或工艺的改进。
3.拥有市场竞争力的重要保证。
二、下游加工过程的特点1. 发酵液是复杂的多相系统，属非牛顿液体，从中分离所需产品困难大。
2. 发酵产品在培养液中具有浓度低，稳定性差，对酸碱等外界环境十分敏感，容易失活。
3. 下游加工过程代价昂贵，产品回收率不是很高。
4. 发酵过程复杂，要求下游加工工艺应具有相当的适应性，以确保最终产品的纯度和质量。
三、下游加工的原则和要求原则：1）短时间内处理2）分离时尽量低温3）选择生物物质稳定的pH4）要程序化进行清洗，消毒，包括厂房，设备，管路要求：1）达到所需的纯度2）成本要低，得率高3）工艺过程要简便，对分离物质特性清楚4）废弃物要易处理，能够做到综合利用（零排放；清洁生产）5）实验室产品能够放大生产四、下游加工工程的一般流程1. 粗分离阶段（1）发酵液的预处理和固-液分离。
（2）产物的初分离。
2.纯化精制阶段（3）产物的高度纯化。
（4）成品加工。
1.2 发酵液的预处理与固-液分离一、发酵液的一般特征1. 含水量高，一般可达90％～99%，处理体积大。
2. 产品浓度低。
3. 悬浮物颗粒小，密度与液体相差不大。
4. 固体粒子可压缩性大，一压缩就变形。
5. 液体黏度大，大多为非牛顿型流体。
易吸附在滤布上。
6. 产物性质不稳定，不耐热、酸碱敏感、易被氧化、易被微生物污染及酶分解。
二、发酵液预处理的目的和要求1.预处理的目的（1）改变发酵液的物理性质，促进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某一相中（多数是液体）；（3）去除发酵液中部分杂质，以利于后续各步操作。
【发酵工艺学总论】第五章_发酵下游技术
。
5.3细胞破碎的原理与技术
三、破碎率测定
1、直接测定：染色、细胞计数 2、目的产物测定：与完全破碎率的得率比较 。 3、导电率测定。
四、破碎技术发展
1、多种方法结合 2、与菌种和发酵过程结合：包涵体的形 成、引入噬菌体基因、耐高温产品等。 3、与下游分离过程结合。
权衡点：高的产物释放率、低的能耗和便于后步提取
对于固体粉末中含有的生物
大分子，可采用溶解法。先制备好含水的反胶 束的有机溶液，然后把含生物大分子的固体粉 末加进此种反胶束的有机溶液中，同时搅拌，
生物大分子慢慢地进入到反胶束内的水中心而
实现萃取过程。
4、超临界萃取技术 超临界萃取是以超临界流体作为萃取剂，在临 界温度和临界压力附近的条件状态下，从液体 或固体物料中萃取出待分离的组分，又称为压
流动方向与原来渗透的方向相反，
这一过程称为反渗透 。
五、离子交换分离技术
离子交换分离法是利用溶液中的溶质离 子与离子交换树脂的活性离子交换时结 合力大小不同而进行分离的一类方法， 在发酵工程中，离子交换法广泛应用于 水的处理和小分子产物如氨基酸、有机 酸的提取。
2017/7/10
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1、离子交换树脂的类型
学反应生成脂溶性复合分子实现溶质向有机相
的分配，萃取剂与溶质间的化学反应包括离子
交换和络一般是将水溶液中的溶质萃取到 有机溶剂中，这会使许多生物大分子在有机溶 剂中失活变性。双水相系统中多聚物的水溶液
给生物分子提供温和的环境。双水相萃取可直
接从细胞破碎匀浆中萃取蛋白质，无需分离细 胞碎片。
①可大致确定它是属于哪一类型； ②可了解它是一种成分还是几种成分的混合物。
发酵下游工程总结
由微生物发酵而获得的生物原料，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，通常称为下游技术（Downstream Processing），也称为下游工程或下游加工过程。
发酵工程下游工程的特点:1）成分复杂，发酵液是复杂的多相系统2）所需产物在培养液中浓度较低(最高10%左右)3）普遍存在下游工程代价高，回收率较低等问题4）生产的产品有些具有生物活性5）生物安全问题（biosafety）下游工程的生产过程发酵液的预处理和过滤提取精制成品加工发酵液特性:1发酵产物浓度较低，大多为1%-10%，悬浮液中大部分是水2悬浮物颗粒小，密度与液体相差不大3固体粒子可压缩性大4液体黏度大，大多为非牛顿型流体5性质不稳定，随时间变化，如易受空气氧化、微生物污染、蛋白酶水解等作用的影响改变发酵液过滤特性的方法:物理化学方法包括：调pH(等电点)、热处理、电解质处理、添加絮凝剂、添加表面活性剂、添加反应剂、冷冻-解冻及添加助滤剂等。
凝聚是在中性盐（电解质）的作用下，由于胶体粒子之间双电子层排斥电位的降低，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，使胶粒形成较大絮凝团的过程。
絮凝作用形成的颗粒更大混凝：对于带负电荷的菌体或蛋白质来说采用阳离子型高分子絮凝剂同时具有降低胶粒双电子层电位和产生吸附架桥的双重机理，所以称之为混凝。
固-液分离设备:板框压滤机硅藻土过滤机真空转鼓过滤机碟片式离心机倾析式离心机微生物代谢产物大多数会分泌到胞外，称为胞外产物。
而有些目的产物存在于细胞内部，如大多数酶蛋白、类脂和部分抗生素等，称为胞内产物。
细胞破碎方法p278珠磨机(法,bead mill)工作原理：微生物细胞悬浮液与极细的研磨剂在搅拌桨作用下快速搅拌或研磨，珠子之间以及珠子与细胞之间的相互剪切、碰撞，使细胞壁破裂，释放出内含物。
高压均质器(高压匀浆机)工作原理：从高压室（几百个大气压）压出的细胞悬浮液从阀室与阀杆之间的环隙中高速喷出，速度可达450m/s，高速喷出的浆液撞击到静止的碰撞环上，由于突然减压和高速冲击作用，在剪切和撞击力等综合作用下细胞破裂。
第5章 发酵工艺过程及其控制
2．发酵过程的溶氧变化
一定发酵条件下，每种发酵产物的溶氧浓 度变化都有自己的规律。 发酵过程中，有时会出现溶氧浓度明显降 低或明显升高的异常变化。 其本质都是由耗氧或供氧方面出现了变化 所引起的氧的供需不平衡所致。
异常发酵 溶氧曲线 异常发酵光 密度曲线
正常发酵 溶氧曲线
谷氨酸发酵时正常 和异常的溶氧曲线
发酵过程需氧量受菌体浓度、营养基质种类 和浓度以及培养条件等因素影响，菌体浓度 的影响最明显。 发酵液的摄氧率是随菌体浓度增加而成比例 增加的，但氧传递速率是随菌体浓度对数关 系减少。 因此，可通过控制菌体比生长速率略高于临 界值，以达到最适浓度。 最适菌体浓度即可保证产物比生长速率维持 在最大值，又不会使需氧大于供氧。 菌体浓度可通过基质浓度来控制。还可采用 调节发酵温度、液化培养基、中间补水、添 加表面活性剂等工艺措施来改善溶氧水平。
2．发酵过程中的代谢变化参数
发酵的各种工艺参数分为物理参数、化学 参数和生物学参数。 （1）物理参数：包括温度、压力、流量、 转速、补料和泡沫等，可直接在线测量和 控制。
发酵过程中的物理参数的测量方法和意义
①温度：是指发酵整个过程或不同阶段中 所维持的温度。其高低与发酵中酶反应速 率、氧在培养液中的溶解度和传递速率、 菌体生长速率和产物合成速率等有密切关 系。不同产品，发酵不同阶段所维持的温 度亦不同。 ②压力：是发酵过程中发酵罐维持的压力。 罐内正压可防止外界空气中的杂菌侵入， 同时与氧和二氧化碳在培养液中的溶解度 有关。 ③搅拌转速：与培养基中氧的传递、发酵 液的均一性等有关。
④搅拌功率：是指搅拌器搅拌时所消耗的 功率，常指每立方米发酵液所消耗的功率 (kW· -3)。大小与氧容量传递系数KLa有关。 m ⑤空气流量：是指每分钟内每单位体积发 酵液通入空气的体积，也叫通风比。一般 控制在0.5L· -1· -1~1.0L· -1· -1。 L min L min ⑥粘度：是细胞生长及形态的一项指标， 其大小可改变氧的传递阻力，也可表示菌 体的相对浓度。
发酵工程概论
二、发酵工程概况
发酵工程的发展的四个阶段 1、第一阶段 发酵理论的建立——巴斯德
2、第二个里程碑 以微生物的纯种培养技术为主要特征 ——丙 酮丁醇的制造
物。
菌种的筛选：
自然选育 诱变育种 基因工程育种
2、种子的扩大培养
种子扩大培养：是指将保藏菌种接入试 管斜面活化后，再经摇瓶到种子罐逐级 培养而获得的一定数量和质量被称为发 酵种子的纯种微生物的过程。
种子的扩大培养
（1） 菌丝进罐培养
（2） 孢子进罐培养3 Fra bibliotek生物的发酵过程
三、国外发酵工业的发展趋势
1，生物转化（或生物合成）技术成为国外著名化学 公司争夺的热点，并逐步从医药领域逐渐向化工领 域转移
2，生物催化合成已成为化学品合成的支柱之一
3，利用生物技术生产有特殊功能、性能、用途或环 境友好的化工新材料，是化学工业发展的一个重要 趋势。
4，传统的发酵工业已由基因重组菌种取代或 改良。许多传统的发酵工程产品如柠檬酸、 青霉素等都已开始采用基因工程手段进行 改造，大大地提高了产量。在以基因工程 为主导的现代生物技术产品中，医药生物 技术产品占75％左右。
3、第三个阶段 以深层发酵青霉素为主要特征
4、第四个阶段 以引入基因工程，达到微生物定向育
种为主要特征。
三、发酵工程的内容和生产流程
现代发酵工程的主要内容包括：
工业生产菌株的选育 发酵条件的优化与控制 生物反应器的设计 发酵产物的分离、提取和精制
发酵工艺学第五章
（二）恒化连续培养
恒化器（chemostat或bactogen）是使培养液流
速保持不变，并使微生物始终在低于其最高生长速率 条件下进行生长繁殖的一种连续培养装置。它通过控 制某一种营养物的浓度，使其始终成为生长限制因子
这里消耗的基质是指被微生物实际利用掉的基质数量，即投
入的基质量减去残留的基质量。 转化率：指投入的原料与合成产物数量之比。
2．基质比消耗速率 (qs ，g/g菌体· h)：指单位时间内每克菌体消耗营养物 质的量。它表示细胞对营养物质利用的速率或效率。
在比较不同微生物的发酵效率上这个参数很有用。
3．产物比生产速率 (qp，g(或mo1)／g菌体· h)：指单位时间内每克菌体合 成产物的量。它表示细胞合成产物的速度或能力
（细菌的生长速率取决于限制性因子的浓度，并低于最高生长速率）
通过控制流速可以得到生长速率不同但密度基本恒定的培养物 多用于科研
遗传学：突变株分离；
生理学：不同条件下的代谢变化；
生态学：模拟自然营养条件建立实验模型；
的条件下达到的，因而可称为外控制式的连续培养装
置。
使培养液流速保持不变，并使微生物始终在低于其最高
生长速率下进行生长繁殖。
限制性因子必须是机体生长所必需的营养物质，如氨基酸
和氨等氮源，或是葡萄糖、麦芽糖等碳源或者是无机盐，
因而可在一定浓度范围内能决定营养物质控制在较低的浓度， 以作为限制性因子，而其他营养物均过量。
Temperature Fermentation time (h)
Flow Rate Control 流量控制
第五章-发酵过程控制ppt课件(全)
第一节 发酵方式
一、概述
发酵：指在厌氧条件下葡萄糖通过酵解途径生成乳酸或乙醇 等的分解代谢过程。
广义发酵：微生物把一些原料养分在合适的发酵条件下经过 特定的代谢转变成所需产物的过程。
微生物培养：亦称微生物发酵，发酵生产按微生物培养工艺 不同可以分为固态发酵和液态发酵两种类型。两者在工艺过 程上大体相同，主要工艺过程为： 斜面菌种培养～菌体或孢子悬浮液制备～种子扩大培养～ 发酵培养～发酵产物与发酵基质分离～提纯与精制～成品。
分批培养的特点是操作简单，易于掌握，是最常见的操作方 式。
分批发酵过程一般可粗分为四期：即适应期（也有称停滞期 或延滞期的）、对数（指数）生长期、生长稳定期和死亡期；
也可细分为六期：即停滞期、加速期、对数期、减速期、静 止期和死亡（衰亡）期
分批培养中的微生物的典型生长曲线
停滞期（Ⅰ）
停滞期（Ⅰ）： 刚接种后的一段时间内，细胞不生长，细胞 数目和菌量基本不变。
第五章 发酵过程及控制
学习目标
知识目标 能陈述发酵过程的影响因素（温度、溶氧、pH等）； 能陈述不同发酵方式的理论及异同及优劣； 掌握发酵动力学的有关原理、发酵器的分类及发展趋势。 能力目标 能够找出发酵最适宜条件，并采取相应控制措施； 能够进行发酵终点判断； 能够进行发酵过程重要检测；
三、产物形成动力学
产物形成与生长的关系 细胞生长与代谢产物形成之间的动力学关系决定
于细胞代谢中间产物所起的作用。描述这种关系的 模式有三种，即生长联系型模式、非生长联系型模 式和复合型模式。 （1）生长联系型模式 （2）非生长联系型模式 （3）复合模式
四、生长得率与产物得率
1.生长得率和产物得率的定义 生长得率：消耗每单位数量的基质所得到的菌体，
下游技术期末总结
第二章发酵液预处理，细胞的分离、破碎1、发酵液的性质：①产物浓度较低、②悬浮颗粒小、③固体粒子可压缩性大、④粘度大、⑤性质不稳定2、常用的发酵液预处理方法：①降低液体的粘度：水稀释法、加热法3、凝聚：在电解质作用下，由于胶粒之间双电层电排斥作用降低，从而胶体体系不稳定。
有机溶剂沉淀的特点：①分辨率高、②溶剂容易分离，并可回收使用、③产品洁净，无需脱盐等、④容易使蛋白质等生物大分子失活、⑤应注意在低温下操作（有机溶剂预冷）、⑥成本高、盐溶：在低浓度的中性盐存在下，蛋白质（酶）等生物大分子物质在水溶液中的溶解度增大的现象。
盐析：在高浓度的中性盐存在下，蛋白质（酶）等生物大分子物质在水溶液中的溶解度降低，产生沉淀的过程。
优点：由几个单级萃取单元串联组成，萃取剂分别加入各萃取单元；萃取推动力较大，萃取效率较高；缺点：仍需加入大量萃取剂，因而产品浓度稀，需消耗较多能量回收萃取剂。
特点：亦由几个单级萃取单元串联组成，料液和萃取剂分别从两端连续加入，互成逆流接触；生物分离中最常用的膜分离技术是：超滤、微滤和反渗透。
4、什么是浓差极化？有什么危害？怎么解决？浓差极化: 在超滤过程中，由于水透过膜而使膜表面的溶质浓度增高．在浓度梯度作用下，溶质与水以相反方向向本⏹吸附剂通常应具备以下特征：对被分离的物质具有较强的吸附能力、有较高的吸附选择性、机械强度高、再生⏹热饱和溶液冷却（等溶剂结晶）适用于溶解度随温度升高而增加的体系；同时，溶解度随温度变化的幅度要适中。
自然冷却、间壁冷却（冷却剂与溶液隔开）、直接接触冷却（在溶液中通入冷却剂）⏹部分溶剂蒸发法（等温结晶法）适用于溶解度随温度降低变化不大的体系。
加压、减压或常压蒸馏⏹真空蒸发冷却法使溶剂在真空下迅速蒸发，并结合绝热冷却，是结合冷却和部分溶剂蒸发两种方法的一种结晶方法。
设备简单、操作稳定⏹化学反应结晶加入反应剂产生新物质，当该新物质的溶解度超过饱和溶解度时，即有晶体析出。
生物工业下游技术复习要点
生物工业下游技术复习要点第一章绪论1.下游技术: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源料，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，通常称为下游技术，也称为下游工程或下游加工过程。
生化分离工程:生物化工产品通过微生物发酵过程、酶反应过程或动植物细胞大量培养获得，从上述发酵液、反应液或培养液中分离、精制有关产品的过程.2.生物工业下游技术一般工艺过程3.生物工程下游技术大致可分为4个阶段：(1)预处理和固液分离：固液分离以除去发酵液中的不溶性固形物杂质和菌体细胞。
过滤和离心相比，无论是投资费用还是运转费用，前者都要小得多，因而首选方法应是过滤。
(2)提取(初步分离)：目的是除去与产物性质差异较大的杂质，是目的产物要求有较大浓缩比的过程。
(3)精制(高度纯化)：目的是去除与产物的物理化学性质比较接近的杂质。
通常采用色谱分离，结晶特别是重结晶。
(4)成品制作：成品形式与产品的最终用途有关，有液态产品也有固态产品，美观的产品形态也是产品档次的一个标志。
4.清洁生产(Cleaner Production)：是指将综合预防的环境保护策略持续应用于生产过程和产品中，以期减少对人类和环境的风险。
它包括三方面内容，即清洁生产工艺(技术)、清洁产品、清洁能源。
清洁生产工艺是生产全过程控制工艺，包括节约原材料和能源，淘汰有毒害的原材料，并在全部排放物和废物离开生产过程以前，尽最大可能减少它们的排放量和毒性，对必须排放的污染物实行综合利用，使废物资源化。
第二章下游技术的理论基础1.分类：以物理学过程为基础的分离操作，大致可分为以下三类，（1）平衡分离过程：建立在相平衡关系上的。
利用相的组成差别进行混合物体系的分离。
（2）拟平衡(速度差)分离操作：在混合物体系本身所占有的空间之外，加一个能引起物质分离的势能场，在它的作用下，形成分离场。
（3 ）非平衡分离操作：1、2以外均划归其中，利用物质移动速度差和广义的、基于“屏蔽效应”的分离操作。
发酵工程原理
发酵工程原理第一章绪论1.发酵（fermentation）:采用现代工程技术手段，利用天然生物体或人工改造的生物体对原料进行加工，为人类生产有用的产品，或直接把生物体应用于工业生产的过程。
【名】2.第一阶段（~1900年）：酒精、醋；第二阶段（1900~1940）：酵母面包、甘油、柠檬酸、丙酮；第三阶段（1940~1960）：青霉素、链霉素、赤霉素、氨基酸、核苷酸、酶【判、单】3.1900~1940年期间是发酵工业的第二阶段【判】4.从发霉的甜瓜中筛选“产黄青霉”菌株，使青霉素效价提高了几百倍。
【判、填】5.现代发酵工程是以基因工程的诞生为标志，以微生物工程为核心内容。
【填】6.发酵工程的6个部分：a.菌种以及确定的种子培养基和发酵培养基的组成；b.培养基、发酵罐和辅助设备的灭菌；c.大规模的有活性、纯种的种子培养物的生产；d.发酵罐中微生物最优的生长条件下产物的大规模生产；e.产物的提取、纯化；f.发酵废液的处理。
7.选育菌种的基本方法：自然选育、抗噬菌体选育、诱变育种、代谢工程育种、基因定向育种、基因组改组。
【填】8.我国已是发酵工业大国，但不是发酵强国。
【判】9.发酵产业的差距：【解】a.工业生产菌种的技术水平较差b.发酵工业相对落后。
c.产品科技含量低，产品浓度低、能耗高、污染大。
d.装备水平落后。
第二章微生物菌种制备原理与技术1.发酵工业常用的微生物主要有：细菌、放线菌、酵母菌和霉菌。
【填】细菌、放线菌偏碱7~7.5；霉菌和酵母偏酸4.5~6.2.自然界分离筛选目的菌株的一般步骤和方法：【解】a.含微生物样品的采集b.含微生物样品的富集培养c.微生物的分离d.野生型目的菌株的筛选f.野生型目的菌株的菌株鉴定3.菌种退化：生产菌种或选育过程中筛选出来的较优良菌株，由于进行移接传代或保藏之后，群体中某些生理特征和形态特性逐渐减退或完全丧失的现象。
【名】4.工业微生物菌种的保藏方法：斜面保藏法（1~3个月）、液体石蜡油保藏法、冷冻干燥保藏法、真空干燥法、液氮超低温保藏法、工程菌的保藏。
生物工艺下游技术
冷冻罐-母瓶-子瓶-一级种子-二级种子-发酵罐（上有）-发酵液的预处理与固液分离-提取-精制-成品加工-成品（最后纯化）下游加工过程是生物工程的一个组成部分。
生物化工产品通过微生物发酵过程、酶反应过程或动植物细胞大量培养获得，从上述发酵液、反应液或培养液中分离、精制有关产品的过程称为下游加工过程。
下游技术：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。
整个下游过程应：时间短，温度低，PH适中（选择在生物物质的温度范围内），严格清洗消毒（包括厂房、设备及管路，注意死角）和传统产品抗生素的生产是一致的。
要防止菌体扩散，一般要求密封环境下操作。
发酵液预处理：分离菌体和其他悬浮颗粒(细胞碎片、核酸和蛋白质的沉淀物)；除去部分可溶性杂质和改变滤液性质，以利于提取和精制的顺利进行。
钙离子，可用草酸，反应生成的草酸钙能促使蛋白质凝固，提高滤液（也称为原液）质量.镁离子，可用三聚磷酸钠它和镁离子形成可溶性络合物，用磷酸盐处理，也能大大降低钙离子和镁离子的浓度。
Na5P3O10+Mg2+ =MgNa3P3O10+2Na黄血盐与铁离子形成普鲁土盐沉淀3K4Fe(CN)6+4Fe3+=Fe4[Fe(CN)6]3 +12K+杂蛋白去除方法：热变性、沉淀、大幅度改变pH、加有机溶剂、吸附法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。
絮凝技术预处理发酵液的优点不仅在于过滤速度的提高，还在于能有效地去除杂蛋白质和固体杂质，如菌体、细胞和细胞碎片等，提高了滤液质量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。
布朗运动凝聚：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。
发酵工程下游技术
第1节 概述 第2节 发酵液的预处理 第3节 细胞破碎的原理与技术 第4节 发酵产物的分离纯化原理与技术
第1节 概述
一、发酵工程下游加工过程的特点和重要性 二、发酵工程下游加工过程的基本原理 三、发酵工程下游加工过程的一般程序
二、发酵工程下游加工过程的基本原理 生物物质的分离方法与一般化学方法虽然 有许多不同特点，但在原理上又有许多是 相同的
类型及选择
• • • • 两性电解质的氨基酸----等电点。 碱性的抗生素----酸作为沉淀剂。 酸性抗生素----有机碱形成盐。 各种酶制剂和多肽类蛋白质的抗生 素----盐析法。
二、树脂法和吸附法
• 树脂法和吸附法在生化物质的 提取、浓缩、纯化、分离、脱 盐、转化、中和及脱色等操作 单元上有着广泛的应用。
树脂法
• 原理是利用树脂与产物结合， 让产物保留在树脂上与杂质分 开，再从树脂上洗脱产物或让 杂质与树脂结合，产物直接流 出。
树脂
• 树脂是一种惰性高分子聚合物 • 有两大类： • 一类：吸附树脂 • 一类：离蒸馏：一般用于分离沸点在 30—150℃间不易分解的混合液 • 2、加压蒸馏：用于分离沸点很低的混 合液， • 3、真空蒸馏：当某些物质沸点高，或 在高温下蒸馏会引起被分离物的分解 变质。
双水相萃取法 two-aqueous phase extraction
• 天然的或合成的亲水性聚合物 水溶液，在与第二种亲水性聚 合物混合，并达到一定浓度时， 就会产生两相。
双水相体系
• 某些高聚物之间或高聚物与无机盐 之间,在水中以适当的浓度溶解后 形成的互不相溶的两相或多相水相 体系。 • 高聚物- 高聚物- 水体系主要依靠 高聚物之间的不容性,即高聚物分 子的空间阻碍作用,促使其分相。
发酵工程下游加工过程概论
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发酵工程下游加工过程概论
•2、高价无机离子的去除
•钙离子的去除：
• 常用草酸 与钙离子生成草酸钙沉淀 •镁离•子草的酸去为除弱：酸，对发酵产物的破坏较小，草酸钙沉淀
还能促进蛋白质凝固，有利于提高滤液的过滤速度； •铁•离•子常草的用酸去三的除聚溶：磷解酸度钠较小与，镁需离大子用形量成时可，溶可性用络草合酸物钠取代；
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发酵工程下游加工过程概论
絮凝指使用絮凝剂（通常是天然或合成的大分 子量聚电解质）将胶体粒子交联成网，形成10mm 大小絮凝团的过程。
其中絮凝剂主要起架桥作用，工业上使用
到的有聚丙烯酰胺类衍生物、聚合铝盐、海藻 酸钠、壳聚糖等，目前最常用的是聚丙烯酰胺 类衍生物。
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发酵工程下游加工过程概论
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发酵液的基本特性
• 产物浓度低
• 具有极性 • 黏度大 • 表面张力大 • 性质不稳定
发酵工程下游加工过程概论
•一）发酵液的预处理 •1、目的：
•改变发酵液的物理性质，加快悬浮液中固形物沉降的速度； •尽可能使产物转入便于以后处理的相中；（一般为液相） •能够除去部分杂质。
• 发酵液中杂质多且成分复杂，其中对纯化影响最大的 是高价无机离子(Ca 2+、Mg 2+、Fe 3+等)和杂蛋白等
•
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•Plate shifter
发酵工程下游加工过程概论
•二）发酵液过滤常用设备
•1）板框(plate and frame)压滤机 •2）带式压滤机
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发酵工程下游加工过程概论
•影响发酵液过滤的因素
发酵工程3
碟式离心机结构及工作原理
进料 轻液出口
菌体及固体杂质
3、细胞的破碎 破碎方法
机械法
非机械法
固体剪切作用
流体剪切作用
干燥处理
溶胞处理
珠磨法 压榨法 高压匀浆 超声法
酶溶法
化学法 物理法
细胞破碎就是通过采用不同手段破坏细胞外围使细胞内含物 释放出来，转入液相中，以便于进行产物的分离纯化。细胞破 碎的方法有很多，按照是否存在在外加作用力可分为机械法和 非机械法两大类。
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。
(2) 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。
细胞破碎方法
序 方法 号
原理
设备
特点
缺点
1 压力破 利用压力释放时的液固 压力破 操作简便，可连续操作，适 加压放热，需要冷却，否则
碎法
剪切进行破碎
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温下操作。
机理：
（1）有机溶剂改变了溶液的介电常数。加入 有机溶剂后，降低了溶液介电常数，因而增强 了溶质分子间的静电作用力，降低了溶质分子 与溶剂分子间的相互作用，导致溶质分子间发 生聚合而析出。
5.4 发酵产物的分离纯化原理与技术
一、沉淀分离技术 二、萃取分离技术 三、吸附分离技术 四、膜分离技术 五、离子交换分离技术 六、层析分离技术 七、成品加工
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5.4 发酵产物的分离纯化原理与技术
一、沉淀分离技术
沉淀是指溶液中的溶质在适当条件下由液 相变成固相而析出的过程。
四、发酵产物提炼的步骤和方法
影响提炼方法的因素
产物类型不同，提取、精制的方法不同。 如： 分离菌体胞内酶与代谢产物的方法明显不同；
产物类型相同，但结构不同，提取精制方法不 同。
产物酸碱性、水溶性等不同，方法不同。
如何着手对一种未知的发酵产品进行提取。 (1)产品的类型，性质的研究。
①可大致确定它是属于哪一类型； ②可了解它是一种成分还是几种成分的混合物。
5.1 概述
一、下游加工技术的重要性 a.产品分离纯化是最终获得商业产品的环节。 b.投资费用高（抗生素、乙醇、柠檬酸占
60%）。 c.分离纯化技术落后会阻碍发酵工程技术的 发展。
几种产品在发酵液中的浓度
产品
抗生素
氨基酸
酒精
有机酸
酶
蛋白质
典型浓度（g/L）
25 100 100 100 20 10
（2）脱水作用。由于有机溶剂必须溶解在水 溶液中，这样就减少了溶质与水的作用，因而 使溶质脱水而相互聚集沉淀。
3、等电点沉淀法 4、变性沉淀分离法
加热、加有机在互不相溶的两相之间分配系 数的不同而使溶质得到纯化或浓缩的方 法称为萃取。
1、有机溶剂萃取
物理萃取即溶质根据相似相溶的原理在两相间 达到分配平衡，萃取剂与溶质之间不发生化学 反应。
二、下游加工技术的特点 ➢ a. 发酵液的复杂性造成分离上的困难性。 ➢ b. 欲提取的产物通常浓度低且很不稳定。 ➢ c. 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。
三、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 ： 菌体： 酶： 代谢产物
六、发酵工程下游加工过程的基本原理
生物物质的分离方法与一般化学方法虽然有许多不同 特点，但在原理上又有许多是相同的
根据混合物中不同组分分配率的差异，将其分配于可 用机械方法分离的两个或几个物相中(如溶剂提取、 盐析、结晶等)，或将混合物置于某一物相中(主要是 液相)，外加一定的作用力，使各组分分配于不同区 域，而达到分离纯化的目的(如电泳、超离心、超滤 等)。
常用精制方法： 除了上述几种外，还含浓缩、结晶、干燥、蒸馏等。其方
法的选择：取决于醪特性、菌种、产物性质。
五、提取精制过程中要注意的问题： 防变性和降解； 防辅基流失； 防醪中所需产物被分解或挥发；
基本原则:快速操作、低温环境、温和条件 如pH值选择在目标物质的稳定范围内，尽 可能小的剪切作用和防止污染。
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——1产物分离提纯技术
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本部分内容
5.1 概述 5.2 发酵液预处理 5.3 细胞破碎的原理与技术 5.4 发酵产物的分离纯化原理与技术
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5.1 概述
一、下游加工技术的重要性 二、下游加工技术的特点 三、发酵产物的分类 四、发酵产物提纯的步骤和方法 五、提取精制过程中应注意的问题 六、发酵工程下游加工过程的基本原理 七、发酵工程下游加工过程的一般程序
5.3细胞破碎的原理与技术
三、破碎率测定
1、直接测定：染色、细胞计数 2、目的产物测定：与完全破碎率的得率比较
。 3、导电率测定。
四、破碎技术发展
1、多种方法结合 2、与菌种和发酵过程结合：包涵体的形成、引入
噬菌体基因、耐高温产品等。 3、与下游分离过程结合。
权衡点：高的产物释放率、低的能耗和便于后步提取
常用的中性盐有硫酸铵、硫酸钠、硫酸镁、 磷酸钠、磷酸钾、氯化钾、醋酸钠、硫氰 化钾等。在蛋白质的盐析中，以硫酸铵应 用最广。
盐析的操作：pH
蛋白质、酶等经过盐析沉淀分离后，产品 夹带有盐分，需脱盐处理。常用的方法有 透析法、电渗析法和葡聚糖凝胶过滤法等。
2、有机溶剂沉淀分离法
与无机沉淀剂相比，有机沉淀剂的优点在于： （1）选择性比较高，即一定浓度的有机沉淀剂只沉淀分离某一种或某一类
(2)稳定性研究。
确定在哪一种条件下进行提取和精制不受破坏， 即确定提取条件。
发酵产物的提取和精制——浓缩纯化，四 个步骤：
(1)预处理：改变发酵液物理性质。 (2)提取：分离出目的物及其性质相似物。 (3)精制：除去相似物，精炼目的。 (4)后加工：使用要求决定。
常用提取方法：
离子交换树脂法 膜分离法 凝胶层离法 沉淀法 吸附法 溶媒萃取法
分离过程中采用沉淀技术，其目的有两个 ：一是通过沉淀使目标成分达到浓缩和去 除杂质的目的；二是通过沉淀可将已纯化 的产品由液态变成固态，有利于保存和进 一步的加工处理。
1、盐析法
当盐浓度增加到一定程度时，在盐离子的作用下，水活度大大降低，同时 蛋白质表面的电荷被大量中和，使蛋白质分子之间电排斥作用减弱而相互聚集； 而且，中性盐的亲水性比蛋白质大，盐离子在水中发生水化而破坏蛋白质分子外 表的水化膜，暴露出疏水区域，由于疏水区域的相互作用而使蛋白沉淀析出，即 盐析。
化学萃取则利用脂溶性萃取剂与溶质之间的化 学反应生成脂溶性复合分子实现溶质向有机相 的分配，萃取剂与溶质间的化学反应包括离子 交换和络合反应等。
七、发酵产物提取与精制的一般流程
四大阶段：预处理和固液分离阶段、初步提取分 离阶段、纯化精致阶段、成品加工阶段
5.2 发酵液的预处理
三、固液分离
➢ 固液分离是将悬浮液中的固体和液体分离的过 程，如将发酵液中的细胞、菌体、细胞碎片以 及蛋白质沉淀物等物质分离。
➢ 常规的固液分离技术主要有过滤和离心分离等 。