发酵液的预处理和过滤
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。
生物分离工程 第2章过滤(发酵液预处理和固液分离)
发酵液的预处理 与固液分离
第一节发酵液的预处理方法 第二节 发酵液的过滤
第一节发酵液的预处理方法
一.目的： ** 1.分离菌体和其它颗粒
2. 除去部分可溶性杂质，改变滤液的性质 胞内产物和胞外产物处理方法不同
二.发酵液的特性**
1.发酵产物浓度很低; 2.悬浮物颗粒小，相对密度和液相相差不大; 3.固体粒子可压缩性大，液相粘度大; 4.性质不稳定; 5.动植物细胞，不能经受强的剪切力.
(四).惰性助滤剂**
特性：颗粒均匀，质地坚硬，不可压缩，多孔 滤速增大原因：改变滤饼结构，可压缩性下降 种类：硅藻土，纤维素，石棉粉，珍珠岩，白土 ， 淀粉等** 使用方法：过滤介质表面预涂助滤剂 直接加入发酵液** 如何选择和使用助滤剂：根据目的产物选择助滤 剂种类；根据过滤介质和过滤情况，选择助滤剂 品种；粒度选择；使用量。
常用电解质：硫酸铝，氧化铝，三氯化铁等。
**
2.絮凝： **
在某些高分子物质的作用下，基于架桥作用 使胶粒形成较大凝聚团的过程。絮凝成10mm大 小块状絮凝物。
1)原理：架桥作用 另外解释：脱水效应，电中和效应
2).絮凝剂的化学结构要求
必须有长链的线性结构，以便同时 吸附多个胶粒，形成较大的絮团 分子质量不能超过一定限度，以便 有良好的溶解性
叶 滤 机
（3） 板框压滤机
A 结构：
若干板、框交替排列，板、框都用支耳架在一对横梁上，用压紧装置压紧或拉开 。 B 滤板结构： 凹凸纹路作用支撑滤布，提供滤液或洗涤液的流道。分洗涤板和非洗涤板两种。 C 滤框结构： 有供料浆通过的暗孔，料浆在压差的推动下籍框两侧覆盖的滤布进行过滤分离。 D 过滤操作液体流动路径： 料浆沿1通道输入，通过滤框的暗孔进入滤框，框中的料浆在压差的推动下籍框 两侧覆盖的滤布进行过滤分离。滤饼在框内两侧生成并增长，滤液通过滤布流到 滤板板面的凹槽后,因板面凹槽有暗孔与2、4通道相连或与3通道相连，故滤液可 由三条通道流到过滤机外。 E 洗涤操作液体流动路径： 洗涤液由3通道进到洗涤板两侧，横贯滤框，穿过框内两层滤饼及两层滤布，到 达非洗涤板的两侧凹槽，然后由2、4通道流出。
发酵液的预处理
发酵液的预处理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。
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 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。
江龙法等用壳聚糖作絮凝剂处理谷氨酸发酵液，经处理后的发酵液菌体减少95 %以上,谷氨酸浓度没有降低。
周荣清等的研究证明: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。
郝健等[7]的研究表明，pH越低，相同操作电压下工作电流越大，脱盐操作时间也越短，发酵液初始pH 调至6 左右为宜。
李向平等以壳聚糖为絮凝剂进行了单因素絮凝实验，结果表明pH值和絮凝剂用量对絮凝效果影响很大。
第二章发酵液预处理.
▪ 2、镁离子的去除
▪ 加入磷酸盐，生成磷酸镁沉淀。同时还可 去除钙离子与铁离子。
▪ 通常加入的磷酸盐为三聚磷酸钠。
▪ 3、三价铁离子的去除 ▪ 加入黄血盐，生成普鲁氏蓝沉淀而去除铁
离子；
▪ 加入碱化剂生成氢氧化铁沉淀。 ▪ 同时还能沉淀部分蛋白质。
(八)可溶性杂蛋白的去除法
▪ 1、等电点沉淀 根据蛋白质的两性性质，在等电点时溶解 度最低，易产生沉淀，用酸或碱调节发酵 液pH值，使其达到蛋白等电点而沉淀。 但有些蛋白质在等电点时仍有一定的溶解 度，还要结合其它的化学方法。
▪ 3、对发酵液凝聚和絮凝方法的研究
P13-14
对不同的发酵液，首先应根据发酵液的 性质、杂质的种类等，采用实验的方法进 行絮凝剂和凝集剂的筛选；然后对筛选得 到的絮凝剂或凝聚剂，再用实验的方法分 别从絮凝剂或凝聚剂的用量、温度pH值、 搅拌速度、时间等因素，进行絮凝或凝集 处理条件的优化，达到提高絮凝效果的目 的。
▪ 对后续提取影响最大的是高价的无机离子 （钙、镁、铁）和杂蛋白，前者会影响离 子交换的选择性，后者会造成离子交换容 量降低和萃取分层困难。
▪ 根据杂质的种类和性质的不同，采用不同 的方法除去这些杂质。
（一）凝集和絮凝
▪ 1、凝集 凝集是指在投加的化学物质作用下，发酵 液中的胶体脱稳并使粒子相互凝集成为 1mm大小块状絮凝体的过程。 凝集剂的作用：粒子表面电荷的简单中和； 消除粒子表面稳定的双电荷层；通过氢键 或其它复杂的形式与粒子结合。最终使胶 体粒子的排斥电位降低而发生聚沉。
▪ 例：枯草杆菌发酵液中加入磷酸二氢钙或 氯化钙，可与发酵液形成庞大凝胶。钙又 与菌体自溶放出的核酸类物质生成不溶性 盐，会沉淀，从而有助于过滤。
（七）高价态无机离子去除的方法
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。
2预处理和过滤
d-滤饼粒子的大小或孔的直径
ε-the void fraction in the cake 滤饼空隙率
ρ-the liquid density 液体的密度
The equation is subject to the initial condition 初始条件为： T=0 V=0 no solution has been filtered. 开始时没有滤液被过滤 (2.8)
This condition says that at the start of the experiment,
凝聚与絮凝
凝聚：胶体粒子(10-100nm)中性盐促进下脱稳相 互聚集成大粒子（1mm） 机理： a 中和粒子表面电荷 b 消除双电层结构 絮凝：大分子聚电解质将胶体粒子交联成网状， 成形絮凝团的过程 机理：架桥作用
絮凝剂应用优化
a 用量控制 最佳用量为粒子表面积约有一
半被 聚合物覆盖时所用的絮凝剂量。 b pH 控制 c 固体浓度与粒子尺寸分布 d 电解质含量 e 后续工艺要求
C、 Continuous Rotary Filter 连续旋转式过滤机
A filtration cycle on this filter consists of three chief.
一个完整的过滤过程主要为三个步骤
a. cake formation 滤饼的形成 b. cake washing to remove either valuable or unwanted solutes.
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。
发酵液预处理
第三章发酵液预处理从微生物发液中提取发酵产品的第一步骤就是预处理，其目的的不仅在于分离菌体和其他悬浮液的性质，以利用于提取和精制后断各工序的顺利进行。
各种发酵产品，由于菌种不同和发酵液特性不同，其预处理方法的选择也有所不同。
大多数发酵产物存在于发酵液中，也有少数产物存在于菌体中，或发酵液和菌体中都有含有。
–对于胞外产物，经预处理应尽可能使目的产物转移到液相，然后经固液分离除去固相；–对于胞内产物，则首先收集菌体或细胞，经细胞破碎后，目的产物进入液相，随后再将细胞碎片分离。
第一节发酵液过滤特性改变微生物发酵液的特性可归纳为：发酵产物浓度较低，大多为1%～10%，悬浮液中大部分是水；悬浮物颗粒小，相对密度与液相相差不大：固体粒子可压缩性大；液相粘度大，大多为非牛顿型流体；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。
一、降低液体粘度降低液体粘度的常用方法有加水稀释法和加热法等。
采用加水稀释虽然降低液体粘度，但会增加悬浮液的体积，加大后继过程的处理任务。
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。
升高温度可有效降低液体粘度，提高过滤速率，如12ºBe 麦芽汁40℃时粘度为1.2×10-3Pa·s，升高到75℃其粘度可下降一半，过滤速率可加倍。
同时，在适当温度和受热时间可使蛋白质凝聚，形成较大颗粒的凝聚物，进一步改善了发酵液的过滤特性。
如链霉素发酵液，调酸至pH3.0后。
加热至70℃，维持半小时，液相粘度下降至1/6，过滤速率可增大10~100倍。
使用加热时必须严格控制加热温度与时间。
二、调整pH⏹pH值直接影响发酵液中某些物质有电离度和电荷性质，适当调节pH值可改善其过滤特性。
⏹对于氨基酸、蛋白质等两性物质，在酸性条件下带正电荷，在碱性条件下带负电荷，而在某一pH值下，净电荷为零，称为等电点下，两性物质的溶解度最小，此即为等电点沉淀法提取谷氨酸。
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。
生物分离工程 第3章-发酵液预处理和固液分离
E.离心
工业上常用
1. 离心沉降
根据固体和液体之间的密度差,利用离心机提 供的离心力实现固液分离。 沉降的难易取决于固体物质和液体的密度差, 同时还取决于固体和液体的其他性质以及离心 机的离心能力.(可以颗粒沉降速度表示)
优点：分离速度快，分离效率高,液相澄清度好, 技术易掌握；结果重复性好； 缺点：设备投资高、能耗大。
微生物污染、蛋白酶水解等作用的影响。
细胞培养液的特殊之处
A、细胞成分及碎片大小不一，颗粒大小，分离成本。 B、固液密度相近，黏度高：沉降和离心分离困难 C、固体成分可压缩可变形 + 高黏度：过滤困难，黏附 在滤布，错流过滤形成凝胶层 D、动植物细胞抗剪切力差：错流膜过滤和离心等不适 E、流变性复杂，非牛顿型流体，青霉素发酵液为卡森 型流体，120h链霉素发酵液为拟塑性流体，灰色链 丝菌发酵液为塑性流体。
改善发酵液过滤特性的物理化学方法：
调酸（等电点）、热处理、电解质处理、添加凝
聚剂、添加表面活性物质、添加反应剂、冷冻-解冻
及添加助滤剂等。
1、降低液体粘度：稀释、升高温度
（1）加水稀释法
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。
C.旋液分离
悬浮液以较高速度沿切线方向进入旋风分离器， 轻相由分离器中央排出， 霉菌和放线菌为丝状菌，体形较大，发酵液采用 重相由分离器下部排出， 过滤方法； 细菌和酵母菌为单细胞，体形较小，其发酵液采 但不适合直径<5 μm颗粒去除（可用丝网分离器）。 用高速离心分离，如对发酵液进行预处理，也可 D.介质过滤 用过滤进行固液分离。
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。
发酵液的预处理和菌体的回收
发酵液的预处理和菌体的回收发酵液是指在一定条件下，通过微生物发酵后所得到的液体产物。
它富含各种有机物质和微生物菌体，通常被广泛应用于食品工业、医药工业以及环境保护等领域。
然而，在发酵液的应用过程中，发酵液的预处理和菌体的回收是非常重要的环节。
本文将重点讨论发酵液的预处理和菌体的回收技术。
一、发酵液的预处理发酵液在发酵过程中产生了丰富的有机物质和微生物菌体，为了提高发酵液的质量和纯度，需要进行适当的预处理。
常见的发酵液预处理方法包括离心、超滤、加热杀菌等。
1. 离心离心是将发酵液置于离心机中进行离心分离。
离心可以有效地分离出发酵液中的固体颗粒，如微生物细胞和沉淀物等。
离心速度和时间的选择应根据发酵液的特性来确定，以确保最佳的分离效果。
2. 超滤超滤是利用滤膜的孔隙大小将发酵液中的溶质分离出来。
超滤可以去除发酵液中的胶体、蛋白质等大分子物质，同时维持较高分子量的活性物质的存在。
超滤技术操作简单，适用于连续生产中。
3. 加热杀菌加热杀菌是通过高温处理来灭活发酵液中的微生物。
加热杀菌可以有效地消除微生物的活性，并保证发酵液的稳定性和长期保存。
需要注意的是，在加热杀菌的过程中，要控制好温度和时间，以避免对发酵液中的活性物质造成破坏。
二、菌体的回收菌体的回收是指将发酵液中的微生物菌体从液体中分离和提取出来的过程。
菌体的回收主要包括离心、过滤、洗涤等步骤。
1. 离心回收离心回收是通过离心机将发酵液中的微生物菌体与液体分离。
离心速度和时间的选择应根据菌体的大小和密度来确定，以保证最佳的分离效果。
2. 过滤回收过滤回收是通过滤膜将发酵液中的微生物菌体截留在滤膜上，使其与液体分离。
过滤回收可以采用不同孔径的滤膜，根据菌体的大小选择合适的滤膜孔径，以提高分离效果。
3. 洗涤回收洗涤回收是将分离出来的微生物菌体进行洗涤，以去除发酵液中的残留有机物质和杂质。
常用的洗涤液包括缓冲液、蒸馏水等。
洗涤的目的是提高菌体的纯度和质量。
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。
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第十二章发酵液的预处理和过滤
一、下游加工过程：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的发酵液、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(Down stream processing)
用适当的方法将含量较小的初级产物从反应液或细胞中初步提取出来，再进一步精制加工，得到合格产品的过程。
下游加工的重要性
①发酵混合物产品：如啤酒、葡萄酒、各种发酵饮料等。
只需经固--液分离和无菌处理即可。
成本一般为10％左右。
②小分子产品、非活性的大分子产品和细胞产品：即传统发酵工业产品，如乙醇、有机酸、氨基酸、抗生素、维生素、单细胞蛋白等。
这类产品分离的投资占整个工厂投资的60％左右，生产成本占30％左右。
③生物活性物质产品：如重组DNA(基因工程)产品、精制蛋白质产品。
这类产品的分离与精制相当复杂，其下游加工过程的费用可占整个生产费用的80％-90％。
二、下游加工过程的特点
①发酵液是复杂的多相系统：
含有细胞、代谢产物和残余培养基等，使得发酵液的固-液分离很困难。
②目的产物在发酵液中的含量低：传统发酵一般为1％-10％，活性物质产品则为0.01％-1％，而杂质含量很高，基因工程法生产的蛋白质，杂蛋白。
③产物收率低：由于起始浓度低，杂质多，而成品要求纯度高，因此常需好几步分离操作，其结果使产品的收率下降。
酶制剂收率一般为70％左右,精制收率不到50％；
基因工程产品，收率达30％-40％.
④产物易于失活：
遇热、极端pH、有机溶剂、某些金属离子等都会引起失活或分解，对于大分子的蛋白质产品，其活性还受剪切力的影响。
⑤发酵过程不稳定：
在发酵培养过程中，由于生物的变异性大，各批发酵液中有效物质浓度，残余培养基等杂质含量，以及杂菌感染程度等不尽相同。
⑥生物安全问题：
对于某些基因工程产品，应注意生物安全问题，即要防止菌体的扩散，特别对前几步操作，要求在密封环境下进行。
下游加工过程的一般流程
1、一般说来，下游加工过程可分为4个阶段：培养液(发酵液)的预处理和固液分离；初步纯化(提取)；高度纯化(精制)；成品加工。
第一节发酵液预处理
微生物发酵液的特性可归纳如下：
①发酵产物浓度较低，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产物性质不稳定，遇热、极端pH、空气氧化、微生物污染、酶分解等作用会引起分解或失活。
发酵液预处理的措施：
降低液体粘度
调整pH
凝聚与絮凝
加入反应剂
2.2 发酵液的预处理
措施：
❖加水稀释
但增加悬浮液的体积，加大后处理任务
❖加热
但必须严格控制加热温度和时间
⑴热稳定性
⑵防止细胞溶解，胞内物质外溢，增加发酵液的复杂性
❖酶解
2.2 发酵液的预处理
pH影响发酵液中某些物质的电离度和电荷性质，恰当pH，能促进细胞聚集，改善过滤特性。
氨基酸是两性电解质
等电点pH>pI 碱性条件负电荷
pH<pI 酸性条件正电荷
等电点下，两性物质的溶解度最小
2.2 发酵液的预处理
2.2 发酵液的预处理
2.2 发酵液的预处理
2.2 发酵液的预处理
2.2 发酵液的预处理
发酵液的预处理
发酵液的过滤特性过滤
可压缩滤饼的比阻是两侧压强差的函数，通常可用下面的经验公式估算：
恒压，恒速，变压变速操作：
恒压操作：△p不变，Lc ↑，Rc＝rLc ↑，u ↓
恒速操作：Lc ↑，Rc＝rLc ↑，△p ↑
①板框压滤机
✓优点：
板框压滤机的过滤面积大；
过滤推动力(压力差)能较大幅度地进行调整，并能耐受较高的压力差；
结构简单，价格低，
动力消耗少等优点。
✓缺点
不能连续操作，设备笨重，劳动强度大，
卫生条件差，
非生产的辅助时间长，阻碍了过滤效率的提高。
②鼓式真空过滤机
✓优点
能连续操作，
能实现自动化控制
缺点
压差较小，主要适用于霉菌发酵液的过滤。
提高过滤性能的方法
加入助滤剂、加入填充剂、酶解
加入助滤剂
在含有大量细小胶体粒子的发酵液中加入固体助滤剂，则这些胶体粒子吸附于助滤剂微粒上，助滤剂就作为胶体粒子的载体，均匀地分布于滤饼层中，相应地改变了滤饼结构，降低了滤饼的可压缩性，也就减小了过滤阻力。
硅藻土、珍珠岩粉、活性炭、石英砂、纤维素
使用方法：一种是在过滤介质表面预涂助滤剂，另一种是直接加入发酵液中，也可以两种方法同时兼用。
第三节微生物细胞的破碎和分离
❖胞外产物霉菌产生糖化酶等
❖胞内产物基因重组产品等
分离纯化方法：
⑴使用分泌性宿主，使胞内产物分泌到胞外
⑵细胞破碎
物理法，化学法，机械法，酶法
一、微生物细胞壁的结构及组成
细胞壁的化学组成：
微生物的类型
年龄
生长生理学
3.2 细胞壁的结构及组成
3.2 细胞壁的结构及组成
二、细胞壁的破碎
破碎方法的选择：破碎目的
待破碎生物体的类型
❖破碎目的：获取产品，考虑破碎收率和能耗；
研究胞内产物在体内的功能，宜
采用软处理。
❖待破碎生物体的类型：不同生物体对破碎有不
同的敏感度（见表3.2）
破碎方法
1、物理破碎法：高压、高剪切力或高速振动
①高压匀浆法
采用高压匀浆器是大规模破碎细胞的常用方法，利用高压迫使细胞悬浮液通过针形阀，由于突然减压和高速冲击撞击环造成细胞破裂
图3.3 HC23-高压细胞破碎机
②挤压法：
将浓缩的菌体悬液冷却至-25～-30℃形成冰晶体，施以500MPa的高压冲击，将冷冻细胞从高压阀小孔挤出使之破碎。
图11.5 JY92-Ⅱ型超声波细胞粉碎机
原理：在搅拌桨的高速搅拌下微球高速运动，微球和微球之间以及微球和细胞之间发生冲击和研磨，使悬浮液中的细胞受到研磨剪切和撞击而破碎。
产热由夹套带走。
图3.4 珠磨机简图
2、化学破碎法
利用化学试剂改变细胞壁或细胞膜的结构或完全破除细胞壁形成原生质体后，在渗透压作用下使细胞膜破裂而释放胞内物质的方法。
⑴渗透冲击法：将微生物细胞置于高渗介质(高浓度蔗糖或甘油)。
平衡后，突然稀释介质或转入水相中，在渗透压的条件下使之破裂。
⑵增溶法：某些表面活性剂可以增加细胞壁或膜的通透性，从而使细胞破碎。
表面活性剂有阴、阳离子型和非离子型三种，两性分子，含有亲水基团和疏水基团，既能与水作用也能溶解细胞表面的脂类，使细胞膜通透性增加。
阴离子：SDS
阳离子：季胺盐、伯胺盐、仲胺盐
非离子型：Triton-100
化学渗透法有如下优点：
①对产物释放具有一定选择性，可使一些较小相对分子质量的溶质如多肽和小分子的酶蛋白透过，而核酸等大相对分子质量的物质仍滞留在胞内。
②细胞外形保持完整，碎片少，浆液黏度低，易于固-液分离和进一步提取。
化学渗透法的缺点有：
①通用性差，某种试剂只能作用于某些特定类型的细胞。
②时间长，效率低，一般胞内物质释放率不超过50％。
③有些化学试剂有毒性，在其后的产物提纯精制过程中需设法除去。
3.3.1 破碎率的评价
破碎率的定义：
N0：原始细胞数
N：经t时间操作后，保存下来的细胞数
N0 和N的获取：
直接计数法（平板计数，显微镜计数）
间接计数法（测破碎细胞释放出活性物质量）
电导率测定法。