发酵液的预处理和过滤
发酵液的处理
（一）、发酵液的过滤特性和滤饼的重量比阻
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r B，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， r B是操作压力差的函数、一般可用下式表示：
由此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0.05MPa，最后的压差(不包括榨滤) 也不超过0.3一0.4MPa。
2、培养基
培养基的组成对过滤速度影响也很大。 黄豆粉、花生饼作氮源、淀粉作碳源会使过滤困难。
举例：a 、在链霉素发酵液的培养基中，加以黄豆粉代替 玉米浆，则比阻值增大0.6—1.0倍。
b、 在青霉素发酵的培养基中，加入酵母蛋白，rB 值也提高很多。 此外，发酵后期加消沫油或剩余大量末用完的培养基都 会使过滤困难。
3、发酵时间
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。
（三）、改善过滤性能的方法
对于难过滤的发酵液，必须设法改善过滤性能、降低滤 饼的比阻值，以提高过滤速度。 改善过滤性能的方法： 1、预处理发酵液。等电点，蛋白质变性、吸附以及凝聚 和絮凝等方法。 2、加入助滤剂，直接在发酵液中形成填充一凝固剂。 3、酶解作用
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.
发酵液预处理和固液分离
1.1 主要杂质预处理
高价无机离子 ➢ 杂质危害
在采用离子交换法提炼时，影响树脂的交换容量
➢ 去除方法
• Ca2+ – 草酸 • Mg2+ – 三聚磷酸钠 • Fe3+ – 普鲁士蓝
1.1 主要杂质预处理
蛋白质 ➢ 杂质危害
• 离子交换法提炼时，会降低吸附 能力
• 萃取时，易产生乳化 • 过滤或膜过滤时，使滤速下降，
此外，发酵后期加消沫油或剩余大量末用完的培养基都会使过滤困难。
2.1 影响固液分离的因素
3. 发酵时间
• 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。
毒等分子水平和微粒的分 Templates, Professional quality templates in a couple of clicks away!
离
工业常速离心机
沉降式
管式
碟式
• 发酵液的主 要分离方式 • 悬浮液处理 量18m3/h，分 离因数最大 1800
过滤式
连续式
批处理式
• 大于10μm晶 体的主要分离 方式 • 适用于连续 和批处理
螺旋式
生物分离工程 第2章过滤(发酵液预处理和固液分离)
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。
变性法：
加热、调pH、有机溶剂、表面活性剂
吸附法：
加入吸附剂吸附杂蛋白
3.色素的去除
色素来源：
**
微生物代谢分泌；培养基带
脱色方法：
离子交换；活性炭吸附；氧化等
作业 2
1、改变发酵液过滤特性的方法有哪些？
2、试述影响絮凝效果的因素。
3、絮凝和凝聚的主要区别是什么？
4、发酵液的相对纯化方法有哪些？
深层过滤
四.改善过滤方法**
1.助滤剂：质地坚硬不可压缩性固体** 常用助滤剂：硅藻土，珍珠岩，活性炭 机理：表面吸附胶体及不可压缩型格子结构 使用方法： 发酵液的预处理和固液分离 a 预先制成滤饼 b 助滤剂混入悬浮液中一起过滤
发酵液预处理方法
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。
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。
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
胞外产物的预处理
直接过滤
稀释发酵液以降低产物浓度和固体杂质含量。使用过滤介质（如滤纸、滤布）进行过滤。控制过滤速 度和压力，避免产物吸附或滤布堵塞。
发酵液预处理与固液分离
发酵液的预处理和固液分离方法综述
鲁彬彬1002011044
摘要：
从微生物发酵液或细胞培养液中提取生化物质的第一个重要步骤，就是预处理和固液分离。其目的不仅在于分离细胞、菌体和其他悬浮颗粒，还希望除去部分可溶性杂质和改变滤液的性质，以利于后续的各步操作。
关键字：
预处理固液分离
正文：
一、发酵液预处理
微生物发酵和细胞培养的目标产物主要有菌体、胞内产物和胞外产物三类物质。从发酵液和细胞培养液中提取所需的生化物质，第一步就需进行预处理，以便于固液分离，使代谢产物后续的分离纯化工序顺利进行。其原因有三个方面：首先，发酵液多为悬浮液，粘度大，为非牛顿型流体，不易过滤，而所需的生化物质往往只有分布在液相，才能有效地提纯。并且，在有些发酵液中，菌体自溶，核酸、蛋白质及其他有机粘性物质这三类物质会造成滤液混浊、滤速极慢，必须设法增大悬浮物的颗粒直径，提高沉降速度，以利于过滤；其次，目标产物在发酵液中的浓度通常较低；此外，发酵液的成分复杂，大量的菌丝体、菌种代谢物和剩余培养基会对提取造成很大的影响。所以，对发酵液进行适当的预处理，从而分离细胞、菌体和其他悬浮颗粒（如细胞碎片、核酸以及蛋白质的沉淀物），并除去部分可溶性杂质和改变发酵液的过滤性能，是生化物质分离纯化过程中必不可少的首要步骤。
预处理方法要根据发酵产品、所用菌种和发酵液特性来选择。大多数发酵产品存于发酵液中，少数存于菌体中，而发酵液和菌体中都有产物存在的情形也比较常见。如果目的产物是胞外产物，则通过离心或过滤实现固液分离，使其转入液相；而对于胞内产物而言，收集细胞是预处理的首要一步。细胞经破碎或整体细胞萃取使目的产物释放，转入液相，再进行细胞碎片的分离。如果所需的产物为细胞，离心或过滤所得固相经干燥等过程就可得到菌体。图1－1为生化产品分离纯化的一般步骤，图中虚线以上为预处理过程示意图。
酶生产的下游工艺—发酵液的预处理
工作任务（二）发酵液的预处理
凝
这两项技术能有效地改变细胞、菌体和
集
蛋白质等胶体粒子的分散状态、使之聚集，
和
增大体积，利于过滤，常用于菌体细小且粘
絮
度大的发酵液预处理中。
凝
工作任务（二）发酵液的预处理
凝
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
集 状絮凝体的过程。
调
例：利用酸碱性来调整pH值使蛋白质等两性物质
节 达到等电点得以除去。又如过滤中，发酵液中的 pH 大分子物质易与膜发生吸附，通过调整pH值改变
易吸附分子的电荷性质，即可减少堵塞和污染。
值
例：去除四环素中钙、镁离子，四环素能与钙、 镁形成不溶解的化合物，沉积在菌丝体内，用草 酸酸化后，能将其转入水相。
注
稳定性往往会发生一些有利的变化，这样又扩大了纯化方
意
法与纯化条件的选择范围。
的
酶活性测定贯穿纯化过程的始终
问
酶活性测定贯穿纯化过程的始终。通过检测酶活性可
题
以跟踪酶的来龙去脉，为酶的抽提、纯化、以及选择制剂 过程中的正确方法条件提供直接依据。
工作任务（一）酶的分离纯化概述
预处理（pretreatment）：
发酵液预处理 ：概念、基本特 性、处理目的、要求和方法
思考
第二章发酵液的预处理和固液分离方法
对絮凝剂的化学结构一般有下列要求:
分子必须含有相当多的活性官能团，使之 能和胶粒表面相结合；
必须具有长链的线性结构，以便同时与多 个胶粒吸附形成较大的絮团，但絮凝剂的 相对分子量不能超过一定限度，以使其具 有良好的溶解性。
1. 沉淀法
蛋白质是两性物质，
在酸性溶液中，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＋、 Cu2＋、Zn2＋、Fe3＋和Pb2＋等形成沉淀。
2. 变性法
使蛋白质变性的方法很多，其中最常 用的是加热法。加热不仅使蛋白质变性， 同时降低液体粘度，提高过滤速率。
从上两式可知，ξ电位与溶液 中带相反电荷的离子强度有关， 因此，提高离子的化合价和浓度 可以压缩扩散双电层，使其厚度 减小，从而使ξ电位降低。
电解质的凝聚能力可用凝聚值来表 示，使胶粒发生凝聚作用的最小电解 质浓度（mol/L）称为凝聚值。
根据Schuze-Hardy法则，反离子 的价数越高，该值就越小，即凝聚能 力越强。
这种包括凝聚和絮凝机理的过程， 称为混凝。
对于非离子型和阴离子型高分子絮凝剂， 则可以与无机电解质凝聚剂搭配使用。
发酵液预处理
发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℃下反应生成草酸铅.后者在90-95℃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
第二章发酵液的预处理
絮凝现象与原理
絮凝剂的种类
无机絮凝剂
硫酸铝、氯化钙、氯化镁、碱式氯化铝
有机絮凝剂
壳多糖、海藻酸钠、明胶、聚丙烯酰胺、 聚乙烯亚胺等
微生物絮凝剂
真菌、细菌等代谢产生的多糖、蛋白质 和核酸类大分子物质。
复合型生物絮凝剂 (Compound Bio-flocculants)
影响絮凝效果的因素 时间
三、发酵液预处理的方法
（一）凝集和絮凝方法 1、凝集 在凝聚剂的作用下，使发酵液中的胶
体脱稳并使粒子相互凝聚为1mm大小 块状絮凝体的过程。 本质：对初始粒子表面电荷的中和、 消除离子表面稳定的双电荷层。
卤水点豆腐——凝聚原理
黄豆里的蛋白质团粒被水簇拥着不停地运动， 聚不到一块儿，形成了“胶体”溶液。点卤 用盐卤或石膏，盐卤主要含氯化镁，石膏是 硫酸钙，它们能使分散的蛋白质团粒很快地 聚集到一块儿，成了白花花的豆腐脑。
一、发酵液过滤的目的
获得含有目标产物的细胞或发酵液。 除去发酵液中的固形杂质。 发酵液的固液分离是指用过滤或离心
等手段除去发酵液中的悬浮固体（如 菌体、细胞、细胞碎片、蛋白质及其 絮凝体）的过程。
二、影响发酵液过滤的因素
（一）菌种 （二）发酵液黏度
发酵条件 放罐时间 发酵染菌 发酵液的pH值、温度
（一）目的 改变发酵液特性，加速固液分离 富集分离产物于固相（或液相） 去除部分杂质，减少后续分离负荷
发酵液的预处理讲解
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。
（3）过滤推动力：过滤介质两侧的压力差。
（4）过滤速率：单位时间内通过的滤液体积。
3.过滤方式分类：
常压过滤、加压过滤、减压过滤、离心过滤。
4、过滤基本方程式
衡量各种物质过滤特性的主要指标是滤饼的重量比阻r B（α），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
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，
生物分离工程 第3章-发酵液预处理和固液分离
对微小而形状多变的微生物细胞，发酵液和其它
生物溶液的固液分离就变得复杂了 。
一般，由于料液通常都是高的非牛顿粘度流体或者
是高度可压缩滤饼，发酵液和其它生物溶液是极其难
以过滤的，因此，必须对这些生物分离程序进行修改。
预处理
预处理的目的:
改变发酵液的物理性质 (黏度、颗粒大小、颗粒稳定性等)，固液分离速 度，分离器分离效率 目标产物转移其中一相(多数为液相)；
高分子絮凝剂的吸附和絮凝作用示意图
工业上使用的絮凝剂可分为三类：
1）有机高分子聚合物，如聚丙烯酰胺类衍生物、 聚苯乙烯类衍生物；
2）无机高分子聚合物，如聚合铝盐、聚合铁盐等；
3）天然有机高分子絮凝剂，如聚糖类胶粘物、海 藻酸钠、明胶、骨胶、壳多糖、脱乙酰壳多糖等。
絮凝剂种类：
A、阳离子类，如聚丙烯酰胺(+)、聚苯烯酸二烷基胺乙酯、
凝聚和絮凝技术能有效的改变细胞菌体和蛋白质
等胶体粒子的分散状态,使其聚集起来,增大体积 以便固液分离,常用于菌体细小而且黏度大的发 酵液的预处理中。
发酵液的带电现象
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，带电的原因很多，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
粉酶，搅拌30min后，再加2.5%硅藻土助滤剂，可提高过滤 效率5倍。
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
生物分离工程 第2章过滤(发酵液预处理和固液分离)讲解
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。
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 ❖其分子中含有相当多的活性官能团， 使之与胶粒表面结合
3)絮凝剂的分类：**
❖解离情况：阳离子型，阴离子型，非离子型
❖来源不同：有机高分子聚合物：如聚丙烯酰胺等
无机高分子聚合物：如聚合铝盐，聚合铁盐等；
天然有机高分子聚合物：如壳聚糖和葡聚糖等聚糖类、明 胶、骨胶和海藻酸钠等；
微生物絮凝剂:是一类由微生物产生的具有絮凝细胞功能 的物质，主要成分是糖蛋白、黏多糖、纤维素和核酸等高 分子物质。同其它絮凝剂相比，其优点是安全、无毒和不 污染环境。
4)影响絮凝效果的因素**
（2） 叶滤机（如图所示） 恒压操作，过滤面积=洗涤面积 过滤终了时的滤饼厚度=洗涤滤饼厚度
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 。
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
2011年-2008届-分离思考题及习题
《生物分离工程》思考题
概论
试述生化物质提炼过程的特殊性及工艺流程概况
发酵液的预处理和过滤
1．试述除去发酵液中Ca2+、Mg2+、Fe3+离子的方法和杂蛋白质的方法。
2．用ζ电位来解释溶液中蛋白质等胶体粒子稳定存在的原因？凝聚和絮凝的机理有何不同？影响混凝效果的因素是哪些？絮凝剂的分类。
3．怎样衡量各种不同滤饼的特性？试述测定量比阻的方法。
4．影响过滤速度的因素是什么？可采用哪些方法来提高过滤速度？
细胞破碎
1．了解微生物细胞破碎的各种方法。
2．包含体的分离方法有哪些？
3．什么是蛋白质的复性，蛋白质复性时应注意什么？
沉淀法
1．蛋白质为什么可以采用盐析法进行沉淀分离？（NH4）2SO4为什么是最常用的盐析沉淀剂？
2．在cohn经验式logS=β-K s I中，影响常数β、K s 因素是哪些？
3．经实验知道，某一蛋白酶符合cohn经验式，并在18℃，pH7.5的条件下测得β=4.9、K s=0.32，试估算在酶活力为5000μml的蛋白酶溶液中加入60%饱和度的（NH4）
SO4[相当于456g盐/L溶液]进行盐析沉淀时，蛋白质沉淀是否充分？计算收率为多
2
少？[假设沉淀前后溶液体积不变。S单位为μ/ml]。并讨论当原液浓度变化时，沉
淀收率的变化情况。
4．等电点沉淀及有机溶剂沉淀的原理及影响因素是什么？
吸附法
1．分子间的作用力可分为哪几种？
2．何谓Langmuir吸附等温线？
3．了解大网格吸附树脂主要物理性能的测定方法。
4．总结采用大网格吸附剂时，应怎样考虑吸附条件和洗脱条件？
5．有一弱碱性物质，已知PK1=7.3，PK2=8.2，分子量1100，易溶于乙醇、丙酮、丁酯等有机溶剂中，难溶于水，中性下较稳定，pH>9及pH<4都不稳定，今拟选用大网
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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 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。