发酵液预处理与浓缩
发酵液的预处理(1).
过滤的常用设备： 板框压缩机 鼓式真空过滤机
转鼓真空过滤机
Knife
Dry Wash Immersion
Cake Feed
Rotary vacuum filter 转鼓真空过滤机
分离实例
乳酸发酵液预处理
发酵液
变性去除 杂蛋白 80℃保温 3min
保证絮凝效
碱化 加适量
果最佳 调节
缩性固体 机理：表面吸附胶体及不可压缩型格子结构 助滤剂选择：粒度与悬浮颗粒适当 使用方法： a 预先制成滤饼：滤液澄清度高 b 助滤剂混入悬浮液中一起过滤：容易达到滤速最
大 c 两种方法混用 常用助滤剂：硅藻土，珍珠岩，活性炭 （二）填充凝固剂 （三）加降解酶
过滤介质
（一）滤布：棉纤维（帆布）、尼龙、涤纶 特点：廉价、耐用、易更换 助滤剂选择：粒度与悬浮颗粒适当 （二）粒状介质：起深层过滤、助滤剂作用 （三）多孔玻璃、石英砂芯 （四）各种膜材料：只能采用错流过滤
絮凝
絮凝剂是一种能溶于水的高分子聚合物，其相 对分子质量可高达数万至一千万以上，长链状 结构，其链节上含有许多活性官能团，包括带 电荷的阴离子（如---COOH）或阳离子（如--NH2）基团以及不带电荷的非离子型基团。
它们通过静电引力、范德华引力或氢键的作用， 强烈地吸附在胶粒的表面。当一个高分子聚合 物的许多链节分别吸附在不同的胶粒表面上， 产生桥架连接时，就形成了较大的絮团，这就 是絮凝作用。
第一节 发酵液的预处理
一.生化分离工程的工艺流程：
二.发酵液的预处理技术：
悬浮液的基本特性 ①细胞的相对密度与培养液相似，沉降不容易； ②可压缩性，粘稠，非牛顿流体，流动性差，
不利于进行过滤、吸附、萃取等操作； ③发酵液成分复杂，有些杂质对后续分离有害。
发酵液的处理
影响絮凝效果的因素：
1) 絮凝剂浓度
2) 絮凝剂分子量
3) 絮凝剂类型
4) 溶液的pH
5) 搅拌速度和时间
6) 助凝剂
A. 絮凝剂浓度
浓度增加有助于架桥充分，但是过多的加量会引起吸 附饱和，在胶粒上形成覆盖层而产生再次稳定现象。
B. 高分子絮凝剂分子量
分子量提高、链增长，可使架桥效果明显，但分子量 不能超过一定的限度，因为随分子量提高，高分子絮凝剂
发酵液的预处理和固液分离方法
山东农业大学 孙中涛
预处理和固液分离的目的：
1、分离细胞、菌体和其它悬浮颗粒(细胞碎片、核酸 和蛋白质的沉淀物)。
2、除去部分可溶性杂质。
3、改变滤液的性质（降低粘度等），以利于后继操作。
总策略： 1、胞外产物：应尽可能转移到液相中，常 用调pH至酸性或碱性的方法来达到。 2、胞内产物：首先收集细胞、破壁，生化物 质释放到液相，再分离细胞碎片。 3、通常，以含生化物质的液相为出发点，进 行后继操作。
使蛋白质变性的其它办法：
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(pH2—3)或较碱性范围(pH 8—9）使蛋白质 凝固，一般以酸性下除去的蛋白质较多。
加有机溶剂法通常只适用于所处理的液体数 量较少的场合。
利用吸附作用除去蛋白质：
举例：
3、采用酶制剂分解黏性物质
如果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。 例如：万古霉素用淀粉作培养基，加入淀粉酶后，能使过 滤速度加快。
4、染菌发酵液的处理方法
混凝：
阳离子型高分子絮凝剂对带负电菌体或蛋白质来说，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， 非离子型和阴离子型高分子絮凝剂，主要通过分子间引力 和氢键产生吸附架桥，常与无机电解质凝聚剂搭配使用。 首先加入无机电解质，使悬浮粒子脱稳而凝聚，然后，再 加入絮凝剂。凝聚作用为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。
发酵后处理(制药)
发酵制药后处理发酵结束后的发酵液组成情况非常复杂，处理措施与化学合成法明显不同。
通常情况下，发酵液中目标物浓度很低，而杂质含量却很高，成份远较化学反应母液情况复杂，大量菌体细胞、培养基、各种蛋白质胶状物、色素、金属离子和其它代谢物等混杂其中，使得发酵液的预处理对于目标物的最终获取非常必要。
1、发酵液预处理的目的是使发酵液中的蛋白质和某些杂质沉淀，以增加滤速，过滤的目的是使菌丝体与发酵液分离，以便从发酵液或菌丝体中提取目标物。
预处理阶段主要去除两大类杂质：可溶性黏胶状物质(核酸、杂蛋白、不溶性多糖等)和无机盐（不仅影响成品炽灼残渣，还会影响离子交换法提取目标物的收率）。
确定预处理方法前，首先要明确目标物存在于胞内（菌体）还是胞外（发酵液），以确定弃去和收集的对象；还要结合目标物的稳定性等特点，选择预处理的pH、温度和化学试剂等。
对于菌丝体及杂蛋白的处理一般可采用等电点沉淀、变性沉淀、沉淀剂沉淀、加入絮凝剂、加入凝聚剂、吸附以及酶解法去除不溶性多糖等措施，对提取效果和成品质量影响较大的无机杂质主要是Ca2+、Mg2+、Fe3＋等高价金属离子，可采用离子交换法、沉淀法等措施去除。
加入的预处理试剂除要考虑到处理效果外，还要考虑低毒性、利于环保以及易于从终产品中除去等因素，申报时应说明所采取的措施及加入的试剂，必要时在成品质量研究中检测其残留量。
液－固分离是发酵液预处理的重要步骤，通常采用板框压滤、真空过滤以及离心分离等措施，过滤是各种措施中普遍存在的一个环节，为提高过滤效果、提高滤液质量，通常加入助滤剂，选择助滤剂时除考虑其效果和成本外，无毒，惰性，不与滤液和目标物产生化学反应对于终产品的质量和安全性尤为重要。
预处理后的滤液是生产过程中重要的中间产物，类似于化学反应中的中间体，有必要制订其质量控制标准，比如，一般情况下要澄清、有一定浓度、pH适中，需要说明的是，后续的提取工艺不同，对滤液的质量要求不同，如离子交换法提取目标物时对无机离子、澄清度等方面要求较严格，溶媒法提取时要求滤液蛋白含量较低。
发酵液预处理
1.发酵液预处理过程:对发酵液加热到所需温度使杂蛋白质变性凝固而沉淀分别.也可以用分散或絮凝的方法是小菌体,细胞,细胞的碎片以及杂蛋白质等胶体离子沉降去除.2.发酵液的基本特性:产物浓度低.具有极性.粘度大.表面张力大.性质不稳定.3.预处理的目的:①.转变发酵液的物理性质，促进从悬浮液中分别固形物的速度,提高固液分别器的效率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，以利于后续各步骤的操作.4.发酵液预处理的方法:①加热②调整PH值③分散和絮凝④使用惰性助滤剂⑤使用反应剂二固液分别1.方法:①重力沉降②浮透（通气产生气泡,使固体附着在气泡表面除去,用于固液比重差小,直径5-30um颗粒的分别,污水处理.③旋液分别（霉菌和放线菌为丝状菌,体形较大,发酵液采纳过滤的方法;细菌和酵母菌为单细胞,体形较小,其发酵液采纳高速离心分别，如对发酵液采纳预处理,也可用过滤进行固液分别.④介质过滤和离心,工业上比较常用.2.过滤①澄清过滤:过滤介质为硅藻土,砂,塑料颗粒等,适合于固体含量少于0.Ig/lOOml,颗粒直径在5-100um的悬浮液的过漉分别如:河水,麦芽汁,酒类,饮料的澄清.②滤饼过滤:过漉介质为滤布,包括自然或合成纤维织布,金属织布,玻璃纤维纸,合成纤维等无纺布,适合于固体含量大于0.lg∕100ml的悬浮液的过滤分别3常用过滤设施①转鼓真空过滤工艺转鼓真空过滤机的转鼓过滤外壁掩盖有金属丝网,网上掩盖有滤布等过滤介质.转鼓内部区域分了若干独立的扇形区,各有不同的操作功能.该设施主要适用范围:颗粒不太细,粘性不太大的液体.对于青霉素发酵老说,发酵液相对粘稠,因此发酵液质量的优劣,对转鼓处理速度有着明确的影响.转鼓过滤存在使用范围窄,处理力量低的问题.•希得艮空过廉根■作示索②板式过滤工艺原理:依靠过滤推动力与过滤介质两侧的压力差,致使固体积累在滤材上并架桥形成滤饼层,使滤液与不溶的杂质分别.板式过滤机的优点是:结构简洁,制造简洁,设施紧凑,过漉面积大而占地面积小,操作压力高,对各种物料适应力量强,缺点是间歇操作,劳动强度大,生产效率低,适用于间歇操作的场合.①装好过漉板框②检查料浆槽的进出口阀门是否关闭③调好料浆④打开料浆槽的进口和排气阀门,启动搅拌机,料浆槽装满料浆后,关闭料浆槽的进口和排气阀门⑤启动空压机待压力达到指定值后,即可打开进气阀进行测定⑥测定完后,清洗设施,关好电源.③其他预处理的工艺近期消失的超滤膜工艺,由于产生的滤液质量好不断被青霉素生产工艺所采纳,但是使用超滤膜会产生大量不宜处理的菌丝水,不宜进行环境处理,同时能耗较高,给生产成本带来较大的压力,在环保压力不断加大的现实状况下,超滤膜工艺被生产企业渐渐放弃,.而传统的板框处理,转鼓过滤工艺,由于受发酵液性质和发酵液影响,存在速度慢等问题,其生产力量受到了肯定的限制,需要改进生产工艺以适应生产的要求,全自动过滤机由于处理效率高,人工劳动强度小被生产企业所用.4 .其他过滤分别方法①切向流水过滤又称错流过滤交叉过滤和十字流过滤,是一种维持恒压下高速过滤的技术,其操作特点是使悬浮液在过滤介质表面作切向流淌,利于流淌的剪切作用将过滤介质表面的固体（滤饼）移走.②双水相萃取向水相中加入溶于水的某些高分子化合物（如:葡萄糖,聚乙二醉）后,形成密度不同的两相,轻相中富含某种高分子化合物,重相中富含盐类或另一种高分子化合物从而达到分别和提纯某种高分子化合物的目的.③吸附法向细胞碎片悬浮液中加入某种固体吸附剂,或者用细胞碎片悬浮液通过装有吸附剂的固定床,即可达到除去细胞碎片的目的,主要的目的是很难选择合适的吸附剂,以保证目的产物不被吸附而损失.5 .预处理及固液分别技术应用实例以链霉菌发酵液的预处理及固液分别技术为例,其工艺过程如下：1-2倍量水稀释发酵液,pH2∙8∙32加热70-75 酸化处理发酵液冷却,过滤, 板框过滤或离心分别 去提取。
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。
发酵液的预处理主要方法
发酵液预处理的主要方法1 加水稀释法和加热法加水稀释法能降低液体粘度， 但会增加悬浮液的体积， 加大后继过程的处理任务。
而且， 单从过滤操作看，稀释后过滤速率提高的百分比必须大于加水比才能认为有效，即若加水一 倍，则稀释后液体的粘度必须下降50％以上才能有效提高过滤速率。
加热是发酵液预处理最简单最常用的方法。
加热可有效降低液体粘度，提高过滤速率。
同时，在适当温度和受热时间下可使蛋白质凝聚，形成较大颗粒的凝聚物，进一步改善了发 酵液的过滤特性。
对于粘度较高的发酵液，稀释或者加热可以降低发酵液黏度，有利于输送和过滤等后续 操作。
史鹏等 [2] 的研究比较了热处理和酸处理两种方法对HA 分子量降低的影响。
2 离心法国内在这方面的报道,主要反映了高速离心能耗大、设备昂贵，因而得不到推广应用。
国内有些厂家仿效国外的做法, 采用高速蝶片式喷嘴离心机分离菌体, 虽对谷氨酸菌体的 除去有一定效果, 但对菌丝较轻细的肌苷菌体至今未取得满意的结果且设备价格昂贵 [3] 。
3 絮凝和凝聚及混凝方法絮凝预处理能显著加快发酵液中固体颗粒的沉降，提高过滤速度。
李凡锋等 [4] 处理 1， 3丙二醇发酵液后， 其中絮凝样的滤饼湿基、 干基重量分别比对照样增加了41.13%、 51.88%。
江龙法等 [1] 采用壳聚糖作为絮凝剂对 L 乳酸发酵液进行预处理,取得了较好的结果。
经处理后的发酵液菌体减少95 %以上, 江龙法等 [5] 用壳聚糖作絮凝剂处理谷氨酸发酵液，谷氨酸浓度没有降低。
周荣清等 [6] 的研究证明:透明质酸发酵液经絮凝预处理后,不仅可以大大改善发酵液的固液分离效果,同时其滤清液的纯度亦有一定幅度的提高,在超滤过程中污染程度明显减少, 渗透通量增加。
4 调节 PH值调节pH值可以改善发酵液吸附性质和使蛋白变性。
对于加入离子型絮凝剂的发酵液， 调节pH可改变絮凝剂的电离度， 从而改变分子链的伸展状态。
发酵液的预处理
混凝：
非离子型和阴离子型高分子絮凝剂，主要通过分子间引力和氢 键产生吸附架桥，常与无机电解质凝聚剂搭配使用。 首先加入无机电解质，使悬浮粒子脱稳而凝聚，然后，再 加入絮凝剂。凝聚作用为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。
影响絮凝效果的因素：
2、加入反应剂
反应剂相互作用，或和溶解性盐发生反应，生成沉淀。 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。 正确选择反应剂和反应条件，能使过滤速度提高3—10 倍。
举例： A. 新生霉素发酵液中加入氯化钙和磷酸钠，生成的磷酸钙 可作为填充——凝固剂。一方面作为助滤剂，另一方面 还可使某些蛋白质凝固。 B. 环丝氨酸发酵液用氧化钙和磷酸处理，生成的磷酸钙沉 淀，熊使悬浮物凝固。多余的磷酸根离子，还能除去钙、 镁离子。
度，以利于过滤。
2、发酵液杂质很多，其中影响最大的是高价无机 离子和杂蛋白，预处理时，应尽量除去。
高价无机离子危害： 在采用离子交换法提炼时，影响树脂的交换 容量。
杂蛋白质的危害： a) 离子交换法和大网格树脂吸附法提炼时，会降 低吸附能力， b) 萃取时，易产生乳化。 c) 过滤或膜过滤时，使滤速下降，膜受到污染。
1、加入助滤剂
助滤剂是一种不可压缩的多孔微粒，能使滤饼疏松， 滤速增大。 常用的助滤剂：硅酸盐粉末(硅藻土）、纸浆、珠光 石 (即珍珠岩，成分为二氧化硅）。
要求：助滤剂必须不吸附或很少吸附生化物质。
加入方式： 1、在滤布上预先铺一层助滤剂(1—2mm)，采用此 种方法，会使滤速降低，但滤液透明度很快增加。 2、直接加入发酵液中。助滤剂用量若等于悬浮液中 固体含量时，滤速最快。
发酵液预处理方法
03
综合应用
结合凝聚和絮凝技术，提高过滤效果 。先使用凝聚剂使胶体颗粒变大，再 加入絮凝剂形成絮凝团，便于固液分 离。
综合使用多种方法
根据实际情况选择合适的方法
01
考虑发酵液特性、过滤要求及设备条件，例如对于含大量固体
颗粒的发酵液，先离心再过滤。
优化过滤工艺参数
02
调节转速、温度、压力等参数及助滤剂种类和用量，提升过滤
凝聚和絮凝技术
01
凝聚技术
定义：在中性盐作用下，胶体体系因 双电层排斥电位降低而变得不稳定的 现象。过程：加入电解质后，胶体粒 子间排斥作用减弱，导致电位下降， 胶体体系脱稳，粒子相互碰撞形成 1mm大小的凝聚体。
02
絮凝技术
定义：在高分子絮凝剂存在下，胶粒 形成粗大絮凝团的过程，主要基于物 理集合。絮凝剂特性：溶于水的高分 子聚合物，长链状结构，链节含活性 官能团，能强烈吸附在胶粒表面。
效果。
定期维护和保养过滤设备
03
定期检查、清洗设备，校准传感器和控制系统，确保设备正常
运行。
04
预处理和固液分离
胞内产物的预处理
降低液体黏度
通过加热或加水稀释发酵液来降 低其黏度，从而改善过滤特性。 加热法虽然有效，但可能影响产 物的活性和细胞自溶；加水法则 会增加发酵液体积和降低目标产 物浓度。
度减慢。
滤饼堵塞
随着过滤的进行，滤饼会逐渐增厚 ，导致过滤阻力增大，最终使过滤 操作无法继续进行。
目标产物损失
在过滤过程中，由于滤饼的堵塞和 吸附作用，容易导致目标产物的损 失，影响产品的质量和产量。
过滤工艺优化的重要性
提高过滤速度
延长过滤介质的使用寿命
通过优化过滤工艺，可以有效地提高 过滤速度，减少过滤时间，提高生产 效率。
从酵液中分离纯化蛋白质等胞内产物的一般流程
从酵液中分离纯化蛋白质等胞内产物的一般流程包括以下步骤：
1. 预处理：采用加热、调整pH、絮凝等措施和单元操作改变发酵液的理化性质，为固液分离作准备。
2. 固液分离：采用珠磨、匀浆、酶溶、过滤、离心等单元操作除去固相，获得包含目的产物的液相，供进一步分离纯化用。
3. 初步纯化：采用萃取、吸附、沉淀、离心等单元操作，将目的成分与大部分杂质分离开来。
4. 精细纯化：采用层析、电泳、分子蒸馏等单元操作，将目的成分与杂质进一步分离，使产物达到预期标准。
5. 成品加工：采用结晶、浓缩、干燥等单元操作，将目的产物加工成适应市场需要的商品。
以上流程仅供参考，具体操作可能会因实际情况而有所不同。
发酵液的预处理讲解
这种包括凝聚和絮凝机理的过程，常称为混凝。
影响絮凝效果的因素：
1) 絮凝剂浓度（用量） 2) 絮凝剂分子量 3) 絮凝剂类型 4) 溶液的pH 5) 搅拌速度和时间 6) 助凝剂
Ga2+：加入草酸和草酸盐，生成草酸钙；加入磷 酸盐，生成磷酸钙
Mg2+：加入草酸（沉淀不完全）；加入磷酸盐， 生成磷酸镁；三聚磷酸钠（Na5P3O10），生成可 溶性络合物
Fe3+：加入黄血盐，生成普鲁士兰沉淀
二、 发酵液的过滤
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。 定义：
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，产生架桥联接，生成粗大的絮团， 这就是絮凝作用。
絮凝剂
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。
A. 聚丙烯酰胺类衍生物 B. 聚苯乙烯类衍生物 C. 无机高分子聚合物絮凝剂，如聚合铝盐和聚合铁盐等。 D. 天然有机高分子絮凝剂：多聚糖类胶粘物，海藻酸钠，
在一定的压力差下，利用多孔性介质截留固液悬浮液中 的固体粒子，进行固液分离的方法称为过滤。
1.过滤介质
使滤液通过，截留固体颗粒并支撑滤饼的材料。 要求其具有多孔性、耐腐蚀性及足够的机械强度。
工业常用的过滤介质：织物介质、多孔性固体、 粒状介质。 无定形颗粒：无烟煤、砂、颗粒活性炭、铁矿砂等
成形颗粒：烧结金属、烧结塑料以及用合成树脂粘 结的硅砂、塑料颗粒等，做成圆筒形或板状。
第二章 发酵液的预处理和固
二、发酵液的预处理（续）
调整pH（预处理中较常用方法）： – pH直接影响发酵液中某些物质的电离度和电 荷性质，调节pH可改善其过滤特性； 如调液pH值使蛋白质等达到等电点以除去；膜 过滤中，发酵液中的大分子物质易与膜发生吸附， 调pH值改变易吸附分子的电荷性质，即可减少堵 塞和污染。 – 调pH时，选较温和的酸或碱，防止局部过酸、 过碱。常用草酸
选择和使用助滤剂要点
根据目的产物选择助滤剂品种；
根据过滤介质和过滤情况选择助滤
剂品种； 粒度选择：
– 与悬浮液中固体粒子的尺寸相适应。
使用量选择： – 与悬浮液中固形物含量相等，过滤速 度最快。
二、发酵液的预处理（续）
加入反应剂：
– 加入某些反应剂（不影响产物），利 用反应剂和某些可溶性盐类发生反应 生成不溶性沉淀。 –作用：生成的沉淀能防止菌丝体粘结， 使菌丝具有块状结构，沉淀本身可作 为助滤剂，并且能使胶状物和悬浮物 凝固，消除发酵液中某些杂质对过滤 的影响，从而改善过滤性能。
第二节 发酵液的固液分离
固液分离的目的：
– 收集胞内产物的细菌或菌体，分离除 去液相； – 收集含生化物质的液相，分离除去固 体悬浮物； 固液分离的方法：离心分离、过滤、分 离筛、重力沉降、浮选分离。
不同性状的发酵液应选择不同的固液分离方法 霉菌和放线菌发酵液：过滤方法 细菌和酵母菌发酵液（未经预处理）：高速离心。 细菌和酵母菌发酵液（进行预处理）：过滤方法。
举例：如菌体较小的氨基酸发酵液，采用絮凝 和添加助滤剂等方法进行预处理后，即可用板 框过滤机或带式过滤机进行菌体分离
一、影响固液分离的因素
发酵液中细胞或菌体、各种悬浮粒子的
大小和形状：
生物分离过程
生物分离过程.-----------生物分离工程的一般工艺及每个步骤的常用方法-----------------：1)发酵液的预处理：（也称不溶物的去除）作用：将固相分离。
特点：采用凝聚和絮凝等技术来加速固相，液相分离，提高过滤速度。
方法：最基本的单元操作：过滤，离心。
2）产物的提取;作用：将目标物和与其性质差别较大的杂质分开，使产物的浓度有较大幅度的提高。
特点：多单元协同操作。
方法：沉淀，吸附，萃取，超滤等单元操作。
3）产物的精制：作用：高度纯化，除去与目标物性质相近的杂质。
特点：采用对目标物具有高选择性的分离方法。
方法：首选色谱分离技术：层析（柱层析，薄层层析），离子交换，亲和色谱，吸附色谱，电色谱。
4）成品的加工处理：作用：将上述分离纯化过程得到的产物进行最后加工使其成为商用成品。
特点：将产品根据用途，质量要求进行加工。
方法：浓缩，结晶和干燥。
--------------------预处理及固液分离------------------------------1预处理的目的：①改善发酵液的物理性质：流变性质、颗粒粒度②去除部分杂质：杂蛋白、多糖、高价无机离子等。
预处理的方法：①物理性质的改善：加热（降低黏度、去除杂蛋白），凝聚与絮凝（增大粒度），加助滤剂（改善过滤）；②杂质的去除：去杂蛋白（等电点、变性剂、吸附），去多糖（酶解），去离子（沉淀）。
2常用过滤设备的特点（转鼓真空，板框，）真空过滤机与板框过滤机的使用特点真空转鼓过滤机特别适合于固体含量较大（>10%）的悬浮液的分离。
由于受推动力(真空度)的限制，真空转鼓过滤机一般不适合于菌体较小和粘度较大的细菌发酵液的过滤，而且采用真空转鼓过滤机过滤所得固相的干度不如加压过滤。
应用：大规模生物分离的主要过滤设备，用于较难分离的低黏度发酵液板框过滤机比较适合固体含量1%～10%的悬浮液的分离。
板框过滤机过滤面积大，过滤推动力能大幅度调整，能耐受较高的压力差，固相含水分低，能适应不同过滤特性的发酵液的过滤。
第三章发酵液预处理介绍
第三章发酵液预处理介绍第一节发酵液预处理的意义发酵液预处理是指在微生物发酵过程中对发酵液进行一系列阶段性加工处理的过程，其目的是为了提高发酵液的品质和产量，并为后续的纯化和提取工艺提供更好的条件。
发酵液中包含有各种生物活性物质，如细胞酶、蛋白质、多糖、有机酸等，这些物质的存在对发酵液的利用和后续处理造成了一定的困难。
因此，在发酵过程中，通过一系列预处理措施的引入，能够有效地提高发酵液的品质，使得后续的纯化、分离和提取工艺更加顺利进行。
第二节发酵液预处理的主要方法1.发酵液的过滤在发酵过程中，微生物会产生大量的菌体、代谢产物等物质，通过过滤可以将这些悬浮在发酵液中的物质进行分离。
过滤可以采用不同的方法，如微孔滤膜、滤布、滤纸等，根据发酵液中悬浮物质的大小和特性选择合适的过滤方式。
2.发酵液的沉淀通过沉淀可以将发酵液中的颗粒物质和胶状物质分离出来，常用的沉淀剂包括铝盐、聚合物等。
沉淀剂的选择需要根据发酵液的特性来确定，同时需要考虑沉淀剂的剂量和沉淀时间等因素。
3.发酵液的调节发酵过程中可能会出现pH值过高或过低的情况，需要进行调节。
通常采用的方法是加入酸碱，将发酵液的pH值调节到适宜的范围内。
同时，还可以通过添加营养物质，如氮源、磷源等，来调节发酵液中的营养成分。
4.发酵液的浓缩发酵液中的微生物和代谢产物通常是以溶液的形式存在，为了将其纯化和提取，需要将发酵液进行浓缩。
常用的方法包括真空浓缩、膜浓缩等，根据发酵液的性质选择合适的浓缩方式。
第三节发酵液预处理的应用案例1.青霉素的生产青霉素是一种重要的抗生素，用于治疗各种感染病症。
青霉素的生产过程中，需要对发酵液进行一系列的预处理。
首先，通过过滤将发酵液中的微生物和悬浮颗粒物进行分离。
然后，采用酸碱调节的方法，将发酵液的pH值调节到适宜的范围。
最后，通过真空浓缩将发酵液中的青霉素进行提取和纯化。
2.乳酸的生产乳酸是一种重要的有机酸，广泛应用于食品、医药和化妆品等领域。
赤霉素发酵滤液的溶剂萃取法浓缩工艺
赤霉素发酵滤液的溶剂萃取法浓缩工艺下载提示：该文档是本店铺精心编制而成的，希望大家下载后，能够帮助大家解决实际问题。
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操作方式：间歇式、连续式 型式：管式、套筒
高 速 冷 冻 离 心 机
旋转过滤机
滚 筒 式 离 心 机
4000
三、细胞破碎
细胞破碎（cell rupture）技术是指利用外力 破坏细胞膜和细胞壁，使细胞内含物包括目的 产物成分释放出来的技术。
细胞破碎技术是分离纯化细胞内合成的非分泌
3.3 膜组件的结构和特点
管式膜组件 tubular membrane module
平板膜组件 parallel-plate membrane module
平板膜组件结构
螺旋卷式膜组件
spiral-wound membrane module
螺旋卷式膜组件结构
3.4 膜分离在生物工程中的的应用
膜还必须具有高度的渗透选择性
膜分离的基础
根据质量、体积和几何形态差异进行分离。如过滤 （Fitration，F）、微滤（Microfiltration，MF） （0.02～10微米）和超滤（Ultrafiltration，UF） （0.001～0.02微米） 。
膜分离的特点
①分离效能高。 ②膜分离过程都不发生相变，能耗低。 ③膜分离过程的工作温度在室温附近，膜分 离设备本身没有运动的部件，结构紧凑、 维修费用低，易于自动化。 ④设备体积小，占地少。 ⑤膜分离可直接插入已有的生产工艺流程。
膜分离存在的问题
①在操作中膜面会发生污染，使膜性能降低； ②膜的耐压性、耐热性、耐溶剂是有限的，故 应用范围受限制； ③仅采用膜分离技术分离效果有限，往往需要 与其他分离工艺组合起来使用。
3.2 膜原理
按膜孔径大小分类 微滤膜 0.02～10 µ m 超滤膜 0.001～0.02 µ m （1～20 nm） 反渗透膜 0.0001～0.001 µ m （0.1～1 nm） 纳米过滤膜 平均直径2 nm。
它能使某些难以过滤的物料变得容易过滤
常用的助滤剂：硅藻土、珍珠岩。
1. 过滤设备的分类
根据推动力的不同可分为四类
（a）重力过滤 （b）加压过滤 （c）真空过滤 （d）离心过滤 自然过滤 板框过滤 真空过滤器 离心过滤器
2. 过滤介质
1、无定形颗粒：活性炭颗粒、沙、无烟煤 2、成形颗粒：烧结金属、烧结塑料 3、非金属织物：尼龙、玻璃纤维 4、金属织物：不锈钢丝网
3µ m
0.5 µ m
膜的电镜照片
0.5 µm 20 µ m
中空纤维超滤膜结构
单 内 皮 层
双
皮
层
单内皮层中空纤维超滤膜结构
膜污染的处理与再生
用物理方法清洗 化学清洗方法 ①起溶解作用的物质：酸、碱、酶（蛋白酶）、 螯合剂、表面活性剂、分散剂。 ②起切断离子结合作用的方法：改变离子强度、 pH、电位。 ③起氧化作用的物质：过氧化氢、次氯酸盐。
下游技术一般工艺过程
预处理→细胞分离→细胞破壁 加热 过滤 匀浆法 调 pH 离心 研磨法 絮凝 膜分离 酶解法 碎片分离→提取→ 精制 → 成品制作 离心 沉淀 (重)结晶 浓缩 双水相 吸附 干燥 膜分离 萃取 色谱分离 无菌过滤 超滤 膜分离 结晶
原料液 细胞分离(离心，过滤)
路线一 细胞－胞内产物 细胞破碎 碎片分离
小分子产物的回收
氨基酸、抗生素、有机酸和动物疫苗等发酵 产品的相对分子质量在2000以下，用超滤法可从 发酵液中回收这些小分子产物，然后利用反渗透 法进行浓缩和除去更小的杂质。
除内毒素
内毒素是细菌新陈代谢和细菌死后分解的
产物，主要成分是脂多糖、脂蛋白等。在静脉
注射药液时，如果将其带进血液，会对人体造
剂和不同温度下的溶解度不同，将晶体用合
适的溶剂再次结晶，以获得高纯度的晶体。
重结晶的操作过程
（1）选择合适的溶剂； （2）将经过粗结晶的物质加入少量的
热溶剂中，并使之溶解；
（3）冷却使之再次结晶；
（4）分离母液；
（5）洗涤
分离实例 —— 西地兰
毛花毛地黄干燥叶粉 70%乙醇热提三次 醇提液
减压浓缩至含乙醇20%，放冷 胶状沉淀 （叶绿素等杂质）
3、调整PH
4、加入反应剂
环丝氨酸发酵液，氯化钙、磷酸盐生成沉淀。
高价无机离子的去除
Ca2+ 草酸
Mg2+ 三聚磷酸钠
Fe3+ 黄血盐 （普鲁士蓝）
蛋白质去除
加热
调pH (草酸，无机酸或碱)
蛋白质的变性
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。
成相当大的危害。
传统的针剂用水除内毒素的方法是过滤加 活性炭吸附，此法并不可靠。在医药工业上用 超滤法制造无菌水。
蛋白质的回收与脱盐
根据蛋白质的相对分子质量，选择适当的 超滤膜，可进行蛋白质的浓缩和脱盐。
链霉素生产中，采用调pH至酸性（pH3.0），
加热至70℃，维持半个小时的方法来去除蛋白
质，能使过滤速度增大10-100倍，滤液粘度可 降低1/6。
第二节 过滤、细胞破碎、结晶
一、过 滤
过滤是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，是固液分离的常用方法之一。 助滤剂是一种具有特殊性能的细粉或纤维，
2. 结晶过程
(1) (2) (3) 过饱和溶液的形成 晶核生成 晶体的生长
过饱和溶液的形成方法
(1) 冷却 (2) 溶剂蒸发 (3) 改变溶剂性质
3.晶体的生长
在过饱和溶液中已有晶核形成或加入
晶种后，以过饱和度为推动力，晶核或晶 种将长大，这种现象称为晶体生长。
提高晶体质量的方法
2、凝聚、絮凝改变粒子分散状态，形成大 颗粒，利过滤
凝聚与絮凝
凝聚与絮凝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。
凝聚和絮凝
凝聚和絮凝是两种方法，两个概念。 凝聚：指在投加的化学物质（铝、铁盐类）作 用下，使胶体体系不稳定并使粒子相互聚集成 １ mm 大小块状凝聚体的过程。 絮凝：指使用高分子絮凝剂将胶体粒子交联成 网，形成10 mm大小絮凝团的过程。其中絮凝 剂主要起架桥作用。
滤过除菌
菌体分离
对于发酵的胞外产物，首先要除去悬浮的微 生物、离子与胶体。目前，较好的固液分离方法 是过滤或离心。 采用超滤法去除谷氨酸发酵液中的菌体，不 仅可以将发酵原液中固形物含量浓缩10倍，为菌 体的再利用创造了条件；而且超滤透过液中谷氨 酸含量、pH等理化指标与发酵液相同，但不含菌 体，且蛋白含量很低，再利用等电点法提取谷氨 酸时，回收率可达到90.96%，比传统等电点法高 7个百分点。
（1）晶体质量包括三个方面的内容：
晶体大小、形状、纯度
（2）影响晶体纯度的因素：
母液中的杂质、结晶速度、晶体粒度
及粒度分布
4.常用的工业起晶方法
（1）自然起晶法Biblioteka （2）晶种起晶法：5.重结晶
经过一次粗结晶后，得到的晶体通常会
含有一定量的杂质。此时工业上常常需要采
用重结晶的方式进行精制。
重结晶是利用杂质和结晶物质在不同溶
5、无纺品：纸、石棉
板框压滤机
板框压滤机
优点：结构简单、过滤面积大、操作压 力高、适用广 缺点：设备笨重、间歇操作、劳动强度
大、辅助时间长
陶瓷滤膜
二、 离心
对于一些固体颗粒小、 溶液粘度大的体系， 过滤实际上是很难进 行的，必须采用离心 技术方能达到目的。
离心沉降
利用悬浮液或乳浊液中密度不同的组分 在离心力场中迅速沉降分层，实现固液 分离
型药物成分的基础。
一些蛋白质在细胞培养时被宿主细胞分泌到培养 液中，其后续分离和纯化都相对简单。
但由于一些重组DNA产品结构复杂，必须在细胞内
组装来获得生物活性，如果在培养时被宿主细胞
分泌到培养液中，其生物活性往往有所改变，此
类产品是细胞内产品（非分泌型），需要应用细 胞破碎技术破碎细胞，使重组的药物成分释放出
•高压均质法
细 胞 破 碎 仪
四、结 晶
溶液中的溶质在一定条件下，因分 子有规则的排列而结合成晶体，晶体的 化学成分均一，其特征为离子和分子在 空间晶格的结点上呈规则的排列.
1.结晶的特点
（1）只有同类分子或离子才能排列成晶体 ，因此结晶过程有良好的选择性。 （2）通过结晶，溶液中大部分的杂质会留 在母液中，再通过过滤、洗涤，可以得到纯 度较高的晶体。 （3）结晶过程具有成本低、设备简单、操 作方便，广泛应用于氨基酸、有机酸、抗生 素、维生素、核酸等产品的精制。
路线二
清液－胞外产物
路线一B 包含体
路线一A
溶解(加盐酸胍、脲) 复性
粗分离(盐析、萃取、超滤等) 纯化(层析、电泳)
脱盐(凝胶过滤、超滤) 浓缩(超滤) 精制(结晶、干燥)
第一节 发酵液预处理
1、降低黏度
加水稀释：简单，增体积、降低产物浓度。 加热升温：柠檬酸发酵，90℃，蛋白质变 性凝固，利于过滤
第八章 微生物工程下游技术
原料液特点
原料液中目标产物的浓度一般都很低 ，如 L-异 亮氨酸浓度为2.4％，青霉素为3.6％，庆大霉素 为0.2％，胰岛素仅为0.001％。 原料液中成分复杂，常存在与目标分子结构极 其相似的分子及异构体。 当生物技术产品是食品或药物时，溶剂的使用 受到一定的限制，萃取、色谱等手段会受到一 定的限制。 发酵液成分一般不稳定。