第八章 发酵产物的分离提取
合集下载
第八章发酵产物的分离提取
稳、低噪声等。
三柱塞泵
往复泵
双 作 用 泵 工 作 原 理
高压匀浆法中影响细胞破碎的因素:
压力 (工业生产中常用55～70MPa的压力) 循环操作次数(多次循环的操作方法)
温度
不宜采用高压匀浆法的微生物：
➢ 易造成堵塞的团状或丝状真菌， ➢ 较小的革兰氏阳性菌， ➢ 含有包含体的基因工程菌（因包含体坚硬，易损伤匀
高压匀浆器
均质头的结构
均质头的结构
大多数均质机上配备双级均质阀，在第一级中，料液 压力为19.6-25.4MPa, 主要使脂肪球破碎，第二级料 液压力减为3.43MPa, 主要使脂肪球均匀分散。阀和 阀座采用耐磨合金钢制造。三柱塞泵的特点是排液量 比较均匀。
➢ 传动采用二级变速，利用曲臂镶入一对人字齿轮，实 施对称传动，具有结构紧凑，弯矩小，受力均匀，平
可促使细胞某些组分溶解，其增溶作用有助于细胞的破 碎。
如Triton X-100是一种非离子型清洁剂，对疏水性物质 具有很强的亲和力，能结合并溶解磷脂，破坏内膜的磷 脂双分子层，使某些胞内物质释放出来。 其他的表面活性剂，如牛黄胆酸钠、十二烷基磺酸钠、 吐温等也可使细胞破碎。
2.化学破碎（Chemical permeation）
酶溶法
外加酶法 自溶法
化学试剂破碎法
表面活性物质 EDTA螯合剂 有机溶剂 变性剂
（1）酶溶法（Enzymatic Lysis）
①外加酶法
G+ 溶菌酶、适量抑制剂
常
G-
溶菌酶、EDTA
用
放线菌 溶菌酶
的 溶
酵母菌 β-葡聚糖酶
酶
霉菌 几丁质酶、
➢ 酶法和化学法溶解细胞影响因素： 组成 结构
三柱塞泵
往复泵
双 作 用 泵 工 作 原 理
高压匀浆法中影响细胞破碎的因素:
压力 (工业生产中常用55～70MPa的压力) 循环操作次数(多次循环的操作方法)
温度
不宜采用高压匀浆法的微生物：
➢ 易造成堵塞的团状或丝状真菌， ➢ 较小的革兰氏阳性菌， ➢ 含有包含体的基因工程菌（因包含体坚硬，易损伤匀
高压匀浆器
均质头的结构
均质头的结构
大多数均质机上配备双级均质阀，在第一级中，料液 压力为19.6-25.4MPa, 主要使脂肪球破碎，第二级料 液压力减为3.43MPa, 主要使脂肪球均匀分散。阀和 阀座采用耐磨合金钢制造。三柱塞泵的特点是排液量 比较均匀。
➢ 传动采用二级变速，利用曲臂镶入一对人字齿轮，实 施对称传动，具有结构紧凑，弯矩小，受力均匀，平
可促使细胞某些组分溶解，其增溶作用有助于细胞的破 碎。
如Triton X-100是一种非离子型清洁剂，对疏水性物质 具有很强的亲和力，能结合并溶解磷脂，破坏内膜的磷 脂双分子层，使某些胞内物质释放出来。 其他的表面活性剂，如牛黄胆酸钠、十二烷基磺酸钠、 吐温等也可使细胞破碎。
2.化学破碎（Chemical permeation）
酶溶法
外加酶法 自溶法
化学试剂破碎法
表面活性物质 EDTA螯合剂 有机溶剂 变性剂
（1）酶溶法（Enzymatic Lysis）
①外加酶法
G+ 溶菌酶、适量抑制剂
常
G-
溶菌酶、EDTA
用
放线菌 溶菌酶
的 溶
酵母菌 β-葡聚糖酶
酶
霉菌 几丁质酶、
➢ 酶法和化学法溶解细胞影响因素： 组成 结构
第八章产物的分离和纯化
6/4/2024
17
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。除此之外， 还能有效地除去杂蛋白质和固体杂质，提高滤 液质量。因此，凝聚和絮凝是目前工业上最常用 的预处理方法之一。常用于菌体细小而且粘度 大的发酵液的预处理。
6/4/2024
22
• 工业上常用的过滤分离设备有板框压 滤机、膜过滤机和离心沉降分离机等。
• 这些过滤装置各有其优缺点，根据不 同产品的具体实际加以选择。
6/4/2024
23
6/4/2024
24
6 其它方法
• 1. 高 价 无 机 离 子 的 去 除 （ Ca2+ 、 Mg2+ 、 Fe2+等）
6/4溶/202液4 称为萃取液。
52
• 工业上萃取的操作包括三个步骤：
• 一是混合
• 将料液和萃取剂充分混合形成乳浊液， 让溶质自料液转入萃取剂中，此过程通常 在搅拌罐中进行，也可以在很高速度的管 道内混合。
例如：在枯草芽孢杆菌发酵液中，加入氯化
钙和磷酸氢二钠，两者生成庞大的凝胶，把蛋白 质、菌体及其他不溶性粒子吸附并包裹在其中而 除去，从而可加快过滤速率。
6/4/2024
28
③变性法
蛋白质由有规则的排列到无规则结构的变化过程成为变性。变 性的蛋白溶解性小。
使蛋白质变性的方法有：加热，大幅度调节pH，加酒精等有机 溶剂或表面活性剂等 。
6/4/2024
2
• 2)、培养液是复杂的多相分散体系：
•
是多相体系，一般情况下，分散介质是水。
分散在其中的固体和胶体物质组成复杂，不仅
发酵产物的分离提取
球磨机
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。
②影响细胞破碎的因素
a.珠体的大小
实验室规模，珠径0.2mm，工业 规模珠径大于0.4mm
➢ b.珠体的装量
80～90％
c.搅拌速度
三、发酵产物分离的过程选择
发酵产品后处理过程流程图
第二节 细胞破碎
细胞破碎就是采用物理、化学、酶或机械的方法，在一定 程度上破坏细胞壁和细胞膜，设法使胞内产物最大程度地 释放到液相中。
细胞破碎机理图
细胞破碎的阻力
➢细菌破碎的主要阻力来自于肽聚糖的网状结构，网状 结构越致密，破碎的难度越大；
➢酵母细胞壁破碎的阻力也主要决定于壁结构交联的紧 密程度和它的厚度；
➢ 转鼓形状：圆筒形：有利于液相澄清
➢
圆锥形：有利于固相脱水
➢
圆筒+圆锥形：有两者的优点，应用最广
2、螺旋
➢ 螺旋推进器与转鼓的转差率：1：100 ➢ 转差率越小，物料在转鼓内停留的时间越长，排渣慢，滤渣较干 ➢ 转差率越大，物料在转鼓内停留的时间越短，排渣块，滤渣较湿 ➢ 转差率为零，不排料
3、差速器
适当
d.操作温度
5～40℃
e.被处理细胞的特性
珠磨法的破碎率一般控制在80％以下
超声破碎法（Ultra-sonication）
超生波破碎细胞时的频率一般为15～20 kHz，功率 为100～250W，可分为槽式和探头直接插入介质式 两种型式。
其原理可能与空穴现象引起的冲击波和剪切作用有关。
影响超生波破碎的因素
45～50
1～13
第八章 发酵产物的回收和提纯 董媛
ζ电位是研究凝聚机理的重要参数。
12
检验学院
ζ电位的计算：
• D — 水的介电常数； • q — 胶体的电动电荷密度； δ— 扩散层的有效厚度.
13
检验学院
δ— 扩散层的有效厚度
• 式中 N一 阿伏伽德罗常数； • T一 热力学温度： • k — 波尔兹曼常数； • e — 电子电荷； • Zi— i种反离子的化合价； • Ci — i种离子的摩尔浓度。
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，加快了过滤速度。
33
检验学院
5、预处理-高价无机离子的去除
1. Ca2+ ——草酸、草酸钠，→形成草酸钙沉淀 2. Mg2+——三聚磷酸钠，→形成三聚磷酸钠镁 3. Fe2+ ——黄血盐，→普鲁士兰沉淀
调节发酵液的pH到蛋白质的等电点是除去蛋
白质的有效方法。
影响离子型絮凝剂的电离度。
28
检验学院
pH 2.8
3
600 400 200 0
pH 3.8
pH 4.2
pH 4.6
0
6
12 Time,minutes
18
Fig The effect on filtrate volume of pH
29
7
检验学院
1、凝聚和絮凝
凝聚： 指在中性盐（铝、铁的盐类）作用下， 胶体脱稳并使粒子相互聚集成１ mm 大小块状凝聚体的过程。
絮凝：指絮凝剂基于架桥的作用将胶体粒子
交联成网，形成10agulation
12
检验学院
ζ电位的计算：
• D — 水的介电常数； • q — 胶体的电动电荷密度； δ— 扩散层的有效厚度.
13
检验学院
δ— 扩散层的有效厚度
• 式中 N一 阿伏伽德罗常数； • T一 热力学温度： • k — 波尔兹曼常数； • e — 电子电荷； • Zi— i种反离子的化合价； • Ci — i种离子的摩尔浓度。
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，加快了过滤速度。
33
检验学院
5、预处理-高价无机离子的去除
1. Ca2+ ——草酸、草酸钠，→形成草酸钙沉淀 2. Mg2+——三聚磷酸钠，→形成三聚磷酸钠镁 3. Fe2+ ——黄血盐，→普鲁士兰沉淀
调节发酵液的pH到蛋白质的等电点是除去蛋
白质的有效方法。
影响离子型絮凝剂的电离度。
28
检验学院
pH 2.8
3
600 400 200 0
pH 3.8
pH 4.2
pH 4.6
0
6
12 Time,minutes
18
Fig The effect on filtrate volume of pH
29
7
检验学院
1、凝聚和絮凝
凝聚： 指在中性盐（铝、铁的盐类）作用下， 胶体脱稳并使粒子相互聚集成１ mm 大小块状凝聚体的过程。
絮凝：指絮凝剂基于架桥的作用将胶体粒子
交联成网，形成10agulation
发酵产物提取与精制工作
发酵产物的提取和精制工作
发酵产物的提取和精制工作
• 发酵液下游加工是指从发酵产物中分离、 纯化产品的过程，是利用产物和杂质的物 理化学性质不同提取产物或者从系统中去 除杂质的操作。
发酵产物的提取和精制工作
6.1 概述
• 1．发酵液的一般特性
• （1）发酵产物浓度较低，属于稀水溶液系 统。
• （2）成分复杂，含有目的产物、微生物细 胞碎片、其他代谢副产物、残留培养基、无 机盐等。
溶性络合物，可消除对离子交换的影响。 • F3+离用黄血盐反应生成普鲁士监沉淀除去。
发酵产物的提取和精制工作
（2）杂蛋白的去除：
• ①沉淀法：利用蛋白质等电点进行沉淀， 或在酸碱性条件下加入阴离子阳离子进行 沉淀，或加入中性盐破坏蛋白质水化层进 行沉淀。
• ②变性法：加热变性、酸碱变性、有机溶 剂变性等。
• 但大多数包括以下四个步骤：发酵液预处 理和菌体分离、提取、精制、成品加工。
发酵产物的提取和精制工作
发酵产品后处理过程流程图
发酵产物的提取和精制工作
• 发酵液预处理和菌体分离是采用凝聚和絮凝 等技术，加速固液分离，提高过滤速度。如 果是胞内产物，首先要进行细胞破碎，再分 离细胞碎片。
• 初次纯化即提取，主要是除去与目标产物性 质有很大差异的物质，浓缩产物，提高产品 质量。常用方法有沉淀、吸附、萃取等。
活性炭、烧结陶瓷、烧结金属等，它们填充 在过滤器内构成过滤层，悬浮液通过滤层时， 固体颗粒被滤层颗粒阻拦或吸附，滤液得以 澄清。 • 滤饼过滤中，过滤介质为滤布。悬浮液通过 滤布时，固体颗粒被滤布阻挡而逐渐形成滤 饼。滤饼至一定厚度时即起过滤作用。
发酵产物的提取和精制工作
（1）影响发酵液过滤的因素
发酵产物的提取和精制工作
• 发酵液下游加工是指从发酵产物中分离、 纯化产品的过程，是利用产物和杂质的物 理化学性质不同提取产物或者从系统中去 除杂质的操作。
发酵产物的提取和精制工作
6.1 概述
• 1．发酵液的一般特性
• （1）发酵产物浓度较低，属于稀水溶液系 统。
• （2）成分复杂，含有目的产物、微生物细 胞碎片、其他代谢副产物、残留培养基、无 机盐等。
溶性络合物，可消除对离子交换的影响。 • F3+离用黄血盐反应生成普鲁士监沉淀除去。
发酵产物的提取和精制工作
（2）杂蛋白的去除：
• ①沉淀法：利用蛋白质等电点进行沉淀， 或在酸碱性条件下加入阴离子阳离子进行 沉淀，或加入中性盐破坏蛋白质水化层进 行沉淀。
• ②变性法：加热变性、酸碱变性、有机溶 剂变性等。
• 但大多数包括以下四个步骤：发酵液预处 理和菌体分离、提取、精制、成品加工。
发酵产物的提取和精制工作
发酵产品后处理过程流程图
发酵产物的提取和精制工作
• 发酵液预处理和菌体分离是采用凝聚和絮凝 等技术，加速固液分离，提高过滤速度。如 果是胞内产物，首先要进行细胞破碎，再分 离细胞碎片。
• 初次纯化即提取，主要是除去与目标产物性 质有很大差异的物质，浓缩产物，提高产品 质量。常用方法有沉淀、吸附、萃取等。
活性炭、烧结陶瓷、烧结金属等，它们填充 在过滤器内构成过滤层，悬浮液通过滤层时， 固体颗粒被滤层颗粒阻拦或吸附，滤液得以 澄清。 • 滤饼过滤中，过滤介质为滤布。悬浮液通过 滤布时，固体颗粒被滤布阻挡而逐渐形成滤 饼。滤饼至一定厚度时即起过滤作用。
发酵产物的提取和精制工作
（1）影响发酵液过滤的因素
发酵产物的分离提取—离子交换与吸附
待交换离子：在吸附阶段可与活性 离子交换，与骨架上的功能基团结 合
树脂的网络骨架：
23
谢谢
活 性 炭 吸 附 柱
离子交换剂
一、离子交换剂的种类
无机离子交换剂 • 天然沸石：交换容量小，使用pH值范围窄 • 高价金属磷酸盐、高价金属水合氧化物
有机离子交换剂 • 离子交换树脂
目前用的最多的是人工合成的有机高分子， 聚合物的离子交换剂——离子交换树脂
20
二、离子交换树脂
固体球形颗粒，多孔网状结 构；不溶于水；具有离子交
苯乙烯(单体) +
二乙烯苯(交联剂)
换特性的有机高分子聚电解 质。
母体（骨架）
共聚
母体
功 能 H2SO4 基 反 应
离子 交换
固定离子 R —SO3 H
树脂
活性基团
母体 固定离子 可交换离子
可交换离子
离子交换树脂的结构：
骨架：接有功能基团，本身是惰性
功能基团：连接在骨架上，可与相 反离子结合
可交换离子：与功能基团所带电荷 相反的可移动离子
吸 附
离子交换吸附
化学吸附 化学键
吸附作用力 选择性
所需活化能 吸附层
达到平衡所需时间
物理吸附 分子间引力
较差 低
单层或多层 快
化学吸附 化学键合力
较高 高
单层 慢
（一） 吸附剂的种类 1. 疏水或非极性吸附剂
代表： 活性炭 缺点： 选择性差
活性炭细孔分布及作用图
2. 亲水或极性吸附剂
代表： 硅胶、氧化铝、活性土等
3. 离子交换树脂吸附剂
作用： 脱色和分离杂质
（二） 吸附操作原理及设备
吸附操作
树脂的网络骨架：
23
谢谢
活 性 炭 吸 附 柱
离子交换剂
一、离子交换剂的种类
无机离子交换剂 • 天然沸石：交换容量小，使用pH值范围窄 • 高价金属磷酸盐、高价金属水合氧化物
有机离子交换剂 • 离子交换树脂
目前用的最多的是人工合成的有机高分子， 聚合物的离子交换剂——离子交换树脂
20
二、离子交换树脂
固体球形颗粒，多孔网状结 构；不溶于水；具有离子交
苯乙烯(单体) +
二乙烯苯(交联剂)
换特性的有机高分子聚电解 质。
母体（骨架）
共聚
母体
功 能 H2SO4 基 反 应
离子 交换
固定离子 R —SO3 H
树脂
活性基团
母体 固定离子 可交换离子
可交换离子
离子交换树脂的结构：
骨架：接有功能基团，本身是惰性
功能基团：连接在骨架上，可与相 反离子结合
可交换离子：与功能基团所带电荷 相反的可移动离子
吸 附
离子交换吸附
化学吸附 化学键
吸附作用力 选择性
所需活化能 吸附层
达到平衡所需时间
物理吸附 分子间引力
较差 低
单层或多层 快
化学吸附 化学键合力
较高 高
单层 慢
（一） 吸附剂的种类 1. 疏水或非极性吸附剂
代表： 活性炭 缺点： 选择性差
活性炭细孔分布及作用图
2. 亲水或极性吸附剂
代表： 硅胶、氧化铝、活性土等
3. 离子交换树脂吸附剂
作用： 脱色和分离杂质
（二） 吸附操作原理及设备
吸附操作
发酵产物的提取与精制
❖ 2、絮凝作用 ❖ 絮凝是指使用絮凝剂（通常是天然或合成的大分子
量聚电解质），在悬浮粒子之间产生架桥作用而使 胶粒形成粗大的絮凝团的过程。
❖ 常用的絮凝剂 ❖ 聚丙烯酰胺、聚乙烯亚胺、聚胺衍生物、氯化钙、
磷酸氢二钠
❖ 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
（一）凝聚和絮凝技术
❖ 凝聚和絮凝能有效改变细胞、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。
❖ 常用于细小菌体或细胞（分泌胞外产物）、 细胞的（分泌胞内产物）碎片以及蛋白质等 胶体粒子的去除。
❖ 但是应当注意，凝聚和絮凝是两种方法，两 个概念，其具体处理过程也是有差别的。
菌种对过滤速度影响
❖ 真菌的菌丝比较粗大，如青霉菌的菌丝直径可 达10μm，发酵液容易过滤，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。 如链霉素发酵液菌丝仅0.5~1.0μm左右，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。
✓该法不适于大规模操作，因为放大后，要输入
很高的能量来提供必要的冷却，这是困难的。
• 撞击破碎法
✓一种改进的高压方法是将浓缩的菌体悬
浮液冷却至-25˚C至-30 ˚C形成冰晶体， 利用500 MPa以上的高压冲击，冷冻细 胞从高压阀小孔中挤出。细胞破碎是由 于冰晶体的磨损，包埋在冰中的微生物 的变形所引起的。
一般工艺过程
❖ 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。
发酵产物提取的主要分离单元操作的流程
发酵产物提取的主要分离单元操作的流程下载温馨提示:该文档是我店铺精心编制而成，希望大家下载以后，能够帮助大家解决实际的问题。
文档下载后可定制随意修改，请根据实际需要进行相应的调整和使用，谢谢!并且，本店铺为大家提供各种各样类型的实用资料，如教育随笔、日记赏析、句子摘抄、古诗大全、经典美文、话题作文、工作总结、词语解析、文案摘录、其他资料等等，如想了解不同资料格式和写法，敬请关注!Download tips: This document is carefully compiled by theeditor. I hope that after you download them,they can help yousolve practical problems. The document can be customized andmodified after downloading,please adjust and use it according toactual needs, thank you!In addition, our shop provides you with various types ofpractical materials,such as educational essays, diaryappreciation,sentence excerpts,ancient poems,classic articles,topic composition,work summary,word parsing,copy excerpts,other materials and so on,want to know different data formats andwriting methods,please pay attention!一、前言发酵产物提取是生物技术领域中的一项重要工艺，其主要目的是从发酵液中分离出目标产物。
发酵产物提取的主要分离单元操作的流程
发酵产物提取的主要分离单元操作的流程下载温馨提示:该文档是我店铺精心编制而成，希望大家下载以后，能够帮助大家解决实际的问题。
文档下载后可定制随意修改，请根据实际需要进行相应的调整和使用，谢谢!并且，本店铺为大家提供各种各样类型的实用资料，如教育随笔、日记赏析、句子摘抄、古诗大全、经典美文、话题作文、工作总结、词语解析、文案摘录、其他资料等等，如想了解不同资料格式和写法，敬请关注!Download tips: This document is carefully compiled by theeditor.I hope that after you download them,they can help yousolve practical problems. The document can be customized andmodified after downloading,please adjust and use it according toactual needs, thank you!In addition, our shop provides you with various types ofpractical materials,such as educational essays, diaryappreciation,sentence excerpts,ancient poems,classic articles,topic composition,work summary,word parsing,copy excerpts,other materials and so on,want to know different data formats andwriting methods,please pay attention!发酵产物提取的主要分离单元操作流程详解发酵工程是生物技术的重要组成部分，其核心是通过微生物、动植物细胞或酶的生物催化过程，产生具有经济价值的产品。
(精选)发酵产物的分离提取
机械力等敏感，不适宜条件下易失活或分解。
2
提取和精制 提取和精制是为了从发酵液中获得高纯度的、符合质量
标淮要求的发酵成品。 发酵产物存在形式不同，用途各异，产品质量要求不同
，分离纯化步骤有所不同。 但大多数包括以下四个步骤：发酵液预处理和菌体分离
、提取、精制、成品加工。
3
二、常用的分离技术及机制
14
➢ 传动采用二级变速，利用曲臂镶入一对人字齿轮，实 施对称传动，具有结构紧凑，弯矩小，受力均匀，平 稳、低噪声等。
15
三柱塞泵
16
往复泵
双 作 用 泵 工 作 原 理
17
高压匀浆法中影响细胞破碎的因素:
压力 (工业生产中常用55～70MPa的压力) 循环操作次数(多次循环的操作方法) 温度
液体剪 切作用
干燥 处理
溶胞 作用
高压 珠磨法 压榨 匀浆
超声 破碎
酶溶法 化学法 物理法
图8.2 细胞破碎方法分类
8
细胞的破影响因素
➢ 物理破碎时影响因素： 细胞的大小 形状 细胞壁的厚度 聚合物的交联程度
➢ 酶法和化学法溶解细胞影响因素： 组成 结构
9
高压匀浆法(High-pressure homogenization) ——大规模细胞破碎的常用方法
原理：细胞悬浮液在高压的作用下从阀座与阀之间的环隙 高速喷出，每秒速度高达几百米，高速喷出的浆液又射到 静止的撞击环上，被迫改变方向从出口管流出。细胞在这 一系列高速运动过程中经历了剪切、碰撞及由高压到常压 的变化，从而造成细胞破碎。
10
高压匀浆器
11
均质头的结构
12
均质头的结构
13
大多数均质机上配备双级均质阀，在第一级中，料液 压力为19.6-25.4MPa, 主要使脂肪球破碎，第二级料 液压力减为3.43MPa, 主要使脂肪球均匀分散。阀和 阀座采用耐磨合金钢制造。三柱塞泵的特点是排液量 比较均匀。
2
提取和精制 提取和精制是为了从发酵液中获得高纯度的、符合质量
标淮要求的发酵成品。 发酵产物存在形式不同，用途各异，产品质量要求不同
，分离纯化步骤有所不同。 但大多数包括以下四个步骤：发酵液预处理和菌体分离
、提取、精制、成品加工。
3
二、常用的分离技术及机制
14
➢ 传动采用二级变速，利用曲臂镶入一对人字齿轮，实 施对称传动，具有结构紧凑，弯矩小，受力均匀，平 稳、低噪声等。
15
三柱塞泵
16
往复泵
双 作 用 泵 工 作 原 理
17
高压匀浆法中影响细胞破碎的因素:
压力 (工业生产中常用55～70MPa的压力) 循环操作次数(多次循环的操作方法) 温度
液体剪 切作用
干燥 处理
溶胞 作用
高压 珠磨法 压榨 匀浆
超声 破碎
酶溶法 化学法 物理法
图8.2 细胞破碎方法分类
8
细胞的破影响因素
➢ 物理破碎时影响因素： 细胞的大小 形状 细胞壁的厚度 聚合物的交联程度
➢ 酶法和化学法溶解细胞影响因素： 组成 结构
9
高压匀浆法(High-pressure homogenization) ——大规模细胞破碎的常用方法
原理：细胞悬浮液在高压的作用下从阀座与阀之间的环隙 高速喷出，每秒速度高达几百米，高速喷出的浆液又射到 静止的撞击环上，被迫改变方向从出口管流出。细胞在这 一系列高速运动过程中经历了剪切、碰撞及由高压到常压 的变化，从而造成细胞破碎。
10
高压匀浆器
11
均质头的结构
12
均质头的结构
13
大多数均质机上配备双级均质阀，在第一级中，料液 压力为19.6-25.4MPa, 主要使脂肪球破碎，第二级料 液压力减为3.43MPa, 主要使脂肪球均匀分散。阀和 阀座采用耐磨合金钢制造。三柱塞泵的特点是排液量 比较均匀。
发酵产物的提取与精制
❖ 1、凝聚作用
凝聚是指在某些电解质作用下，破坏细胞、菌体和 蛋白质等胶体粒子的分散状态，使胶体粒子聚集的 过程。
❖ 凝聚剂主要是一些无机类电解质，由于大部分被处 理的物质带负电荷（如细胞或菌体一般带负电荷）， 因此工业上常用的凝聚剂大多为阳离子型，分为无 机盐类、金属氧化物类。
❖ 常（明用矾的）无、机盐AlC类l3凝6H聚2剂O、有F：eCAll32、（ZSnOS4）O43、18MHg2COO3： Al(OH)3、FeSO4、Ca(OH)2或石灰等。
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。
一、 发酵液的预处理
❖ 采用理化方法设法增大虚浮液中固体粒子 的大小、或降低粘度，以利于过滤。
二、发酵液的固液分离
❖ 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。
❖ 固液分离是指将发酵液（或培养液）中的悬 浮固体，如细胞、菌体、细胞碎片以及蛋白 质等的沉淀物或它们的絮凝体分离除去
（一）影响过滤速度的因素
❖ 1、发酵液中粒子的直径 ❖ 2、发酵液黏度
培养基的组成 未用完培养基的数量 消沫油 发酵周期
一般工艺过程
❖ 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。
❖ 工艺过程的划分：
➢ 预处理和固液分离 ：目的是除去发酵液中的菌体细胞
和不溶性固体杂质。
➢ 初步分离 ：目的是除去与产物性质差异较大的杂质，为
后道精制工序创造有利条件
发酵产物的提取与精制
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、膜过程 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。
二、发酵液的固液分离
❖ 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。
❖ 固液分离是指将发酵液（或培养液）中的悬 浮固体，如细胞、菌体、细胞碎片以及蛋白 质等的沉淀物或它们的絮凝体分离除去
（一）影响过滤速度的因素
❖ 1、发酵液中粒子的直径 ❖ 2、发酵液黏度
培养基的组成 未用完培养基的数量 消沫油 发酵周期
❖ 2、絮凝作用 ❖ 絮凝是指使用絮凝剂（通常是天然或合成的大分子
量聚电解质），在悬浮粒子之间产生架桥作用而使 胶粒形成粗大的絮凝团的过程。
❖ 常用的絮凝剂 ❖ 聚丙烯酰胺、聚乙烯亚胺、聚胺衍生物、氯化钙、
磷酸氢二钠
❖ 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
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。
一、 发酵液的预处理
❖ 采用理化方法设法增大虚浮液中固体粒子 的大小、或降低粘度，以利于过滤。
❖ 去除会影响后续提取的高价无机离子。
❖ 发酵醪预处理的要求:
❖ （1）菌体的分离 ❖ （2）固体悬浮物的去除 ❖ （3）蛋白质的去除 ❖ （4）重金属离子的去除 ❖ （5）色素、热原质、毒性物质等有机杂质的去除 ❖ （6）改变发酵醪的性质 ❖ （7）调节适宜pH值和温度
发酵产物的提取与分离
高度纯化即精制，采用对产品有高度选样性 的分离技术，除去与产物理化性质相近的杂 质。典型的方法有层析、离子交换等。
成品加工是为了获得质量合格的产品，常用 浓缩、结晶、干燥等技术方法。
第六页，课件共有84页
6.2 发酵液的预处理及菌体分离
发酵液预处理及菌体分离是下游加工的第 一步操作。
目的是改善发酵液的性质，去除部分可溶 性杂质，分离菌体和其他悬浮颗粒，以利 于提取和精制工序的操作。
具有水化层的生物分子，有机溶剂与水的 作用，使得这些分子脱水而相互聚集析出。
第三十页，课件共有84页
有机溶剂沉淀法的优点是分辨能力比盐析 法高，一种溶质只在一个比较窄的有机溶 剂范围内沉淀；沉淀不需脱盐；有机溶剂 密度低，与沉淀物密度差大，容易进行固 液分离；而且有机溶剂容易蒸发，不会在 成品中残留，因此适用于食品、药品的制 备。
第八页，课件共有84页
（1）高价无机离子的去除：发酵液中主要 的无机离子有Ca2+，Mg2+，Fe3+等。
钙离子常使用草酸（草酸钠）去除。 Mg2+可加入三聚磷酸钠，它和Mg2+形成可
溶性络合物，可消除对离子交换的影响。 F3+离用黄血盐反应生成普鲁士监沉淀除去。
第九页，课件共有84页
（2）杂蛋白的去除：
沉淀法浓缩作用大于纯化作用，是初步分 离的一种手段。
沉淀法具有设备简单、成本低、原料易得、 收率高、浓缩倍数高和操作简单等优点， 不足之处在于过滤困难、产品质量较低、 需要重新精制。
第二十五页，课件共有84页
（1）等电点沉淀法：利用两性电解质在电中 性时溶解度最低的原理进行分离纯化。在低
离子强度下，调节至等电点，可使各种两性
超声波振荡容易引起温度的剧烈上升，所 以操作时可以在细胞悬浮液中投入冰块或 在夹层中通人冷却水进行冷却。
成品加工是为了获得质量合格的产品，常用 浓缩、结晶、干燥等技术方法。
第六页，课件共有84页
6.2 发酵液的预处理及菌体分离
发酵液预处理及菌体分离是下游加工的第 一步操作。
目的是改善发酵液的性质，去除部分可溶 性杂质，分离菌体和其他悬浮颗粒，以利 于提取和精制工序的操作。
具有水化层的生物分子，有机溶剂与水的 作用，使得这些分子脱水而相互聚集析出。
第三十页，课件共有84页
有机溶剂沉淀法的优点是分辨能力比盐析 法高，一种溶质只在一个比较窄的有机溶 剂范围内沉淀；沉淀不需脱盐；有机溶剂 密度低，与沉淀物密度差大，容易进行固 液分离；而且有机溶剂容易蒸发，不会在 成品中残留，因此适用于食品、药品的制 备。
第八页，课件共有84页
（1）高价无机离子的去除：发酵液中主要 的无机离子有Ca2+，Mg2+，Fe3+等。
钙离子常使用草酸（草酸钠）去除。 Mg2+可加入三聚磷酸钠，它和Mg2+形成可
溶性络合物，可消除对离子交换的影响。 F3+离用黄血盐反应生成普鲁士监沉淀除去。
第九页，课件共有84页
（2）杂蛋白的去除：
沉淀法浓缩作用大于纯化作用，是初步分 离的一种手段。
沉淀法具有设备简单、成本低、原料易得、 收率高、浓缩倍数高和操作简单等优点， 不足之处在于过滤困难、产品质量较低、 需要重新精制。
第二十五页，课件共有84页
（1）等电点沉淀法：利用两性电解质在电中 性时溶解度最低的原理进行分离纯化。在低
离子强度下，调节至等电点，可使各种两性
超声波振荡容易引起温度的剧烈上升，所 以操作时可以在细胞悬浮液中投入冰块或 在夹层中通人冷却水进行冷却。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
c.搅拌速度 d.操作温度 e.被处理细胞的特性
珠磨法的破碎率一般控制在80％以下
超声破碎法（Ultra-sonication）
超生波破碎细胞时的频率一般为15～20 kHz，功率 为100～250W，可分为槽式和探头直接插入介质式 两种型式。
其原理可能与空穴现象引起的冲击波和剪切作用有关。
酶溶法的优点：
选择性释放产物，条件温和，核酸泄出量少，细胞外 形完整。 酶溶法的缺点： 溶酶价格高，溶酶法通用性差（不同菌种需选择不同 的酶），产物抑制的存在。 在溶酶系统中，甘露糖对蛋白酶有抑制作用，葡聚糖 抑制葡聚糖酶。
（2）化学试剂破碎法（Chemical permeation） 用碱处理细胞，可以溶解除去细胞壁以外的 大部分组分。酸处理可以使蛋白质水解成游 离的氨基酸。 某些化学试剂，如有机溶剂、变性剂、表面活性 剂、抗生素、金属螯合剂等，可以改变细胞壁或 膜的通透性（渗透性），从而使胞内物质有选择 地渗透出来。
进料 进料 浓缩液 杂质 稀释液 膜 浓缩液
纯化液
膜
渗析液 进料
渗透
透析
进料
盐水 进料 浓缩液
浓缩液
膜
膜
水
水
超滤
反渗透
进料 进料
贫气
膜
水 膜
富气
微过滤
气体透过
按动力本质分
以静压力差为推动力的过程 微滤（microfiltration, MF) 超滤（ultrafiltration, UF） 反渗透（reverse osmosis, RO) 纳滤（nanofiltration, NF) 以蒸汽分压为推动力的过程 膜蒸馏（membrane distillation, MD) 渗透蒸发（pervaporation, PV） 以浓度差为推动力的过程 渗析（dialysis, D) 以电位差为推动力的过程 电渗析（electrodialysis, ED)
球磨机
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。
②影响细胞破碎的因素
a.珠体的大小
实验室规模，珠径0.2mm，工业 规模珠径大于0.4mm 80～90％ 适当 5～40℃
b.珠体的装量
提取和精制 提取和精制是为了从发酵液中获得高纯度的、符合质量 标淮要求的发酵成品。 发酵产物存在形式不同，用途各异，产品质量要求不同 ，分离纯化步骤有所不同。 但大多数包括以下四个步骤：发酵液预处理和菌体分离 、提取、精制、成品加工。
二、常用的分离技术及机制
p267
三、发酵产物分离的过程选择
发酵产品后处理过程流程图
第二节 细胞破碎
细胞破碎就是采用物理、化学、酶或机械的方法，在一定 程度上破坏细胞壁和细胞膜，设法使胞内产物最大程度地 释放到液相中。 细胞破碎机理图
细胞破碎的阻力
细菌破碎的主要阻力来自于肽聚糖的网状结构，网状
结构越致密，破碎的难度越大；
酵母细胞壁破碎的阻力也主要决定于壁结构交联的紧
膜结构特征
按膜的结构可分为对称和非对称膜两大类，其中非对 称膜还可细分为多孔膜、叠合膜以及复合膜等。
均质膜
非对称性膜
微孔对称性膜
铝膜
聚酰胺转相膜
纳米管膜
四、膜分离设备
（一）板式膜过滤器
原水
透过水
1 2 3
透过水
透过水
4
浓缩水
板框式膜装置
1—双头螺栓；2—橡胶密封圈；3—膜；4—多孔性板
（二）管式膜过滤器
膜材料的种类
无机材料
种类：陶瓷、微孔玻璃、不锈钢和碳素等。目前实用化有孔径>0.1um 微滤膜和截留>10kD的超滤膜，其中以陶瓷材料的微滤膜最常用。 多孔陶瓷膜主要利用氧化铝、硅胶、氧化锆和钛等陶瓷微粒烧结 而成，膜厚方向上不对称
复合材料
种类：如将含水金属氧化物（氧化锆）等胶体微粒或聚丙烯酸等沉淀 在陶瓷管的多空介质表面形成膜，其中沉淀层起筛分作用。
EDTA螯合剂
处理G-细菌，对细胞外层膜有破坏作用。G-细菌的外层
膜结构通常靠二价阳离子Ca2+或Mg2+结合脂多糖和蛋白 质来维持，一旦EDTA将Ca2+或Mg2+螯合，大量的脂多 糖分子将脱落，使细胞壁外层膜出现洞穴。这些区域由 内层膜的磷脂来填补，从而导致内层膜通透性的增强。
有机溶剂 能溶解细胞壁中的磷脂层，使细胞破坏。 常用的有机溶剂：丁酯、丁醇、甲苯、二甲苯、氯仿 及高级醇等。 变性剂 盐酸胍（Guanidine hydrochloride）和脲（Urea）是常 用的变性剂。 变性剂与水中氢键作用，削弱溶质分子间的疏水作用，从 而使疏水性化合物溶于水溶液。
聚合物的交联程度
酶法和化学法溶解细胞影响因素： 组成 结构
高压匀浆法(High-pressure homogenization) ——大规模细胞破碎的常用方法
原理：细胞悬浮液在高压的作用下从阀座与阀之间的环隙 高速喷出，每秒速度高达几百米，高速喷出的浆液又射到 静止的撞击环上，被迫改变方向从出口管流出。细胞在这 一系列高速运动过程中经历了剪切、碰撞及由高压到常压 的变化，从而造成细胞破碎。
化学法的优点： 对产物释放有一定的选择性，可使一些较小分子量 的溶质如多肽和小分子的酶蛋白透过，而核酸等大分 子量的物质仍滞留在胞内； 细胞外形完整，碎片少，浆液粘度低，易于固液分 离和进一步提取。 缺点： 通用性差； 时间长，效率低，一般胞内物质释放率不超过50% 有些化学试剂有毒 。
影响超生波破碎的因素
声强、 频率、 破碎时间、 介质的离子强度、 pH 菌体的浓度和种类。 一般杆菌比球菌易破碎，G-细菌比G+细菌易破碎，对酵母
菌的效果较差。超声破碎时细胞浓度一般在20％左右。
渗透压冲击法（Osmotic pressure） 反复冻融法 干燥法
X-press法
（三）过滤设备
1. 常压过滤机 2. 加压过滤机 ① 板框过滤机 ② 叶片式过滤机 ③ 真空过滤机
真空过滤机
转筒真空过滤机
真空过滤机
分配头
转动盘与固定盘紧密配合，构成一个特殊的旋转阀，称为分配 头，如下图所示。 固定盘分成若干个弧形空隙，分别与减压管、洗液贮槽及压缩 空气管路相通。
该法取决于化学试剂的类型以及细胞壁膜的结构与 组成。
表面活性剂 可促使细胞某些组分溶解，其增溶作用有助于细胞的破 碎。 如Triton X-100是一种非离子型清洁剂，对疏水性物质 具有很强的亲和力，能结合并溶解磷脂，破坏内膜的磷 脂双分子层，使某些胞内物质释放出来。 其他的表面活性剂，如牛黄胆酸钠、十二烷基磺酸钠、 吐温等也可使细胞破碎。
二、离心
（一）离心沉降原理 （二）离心沉降设备 1、管式离心机
2. 碟片式离心机
碟式离心机分离原理
3. 沉降式螺旋卸料离心机
主要部件
1、转鼓：圆筒部分为沉降区，用于固液分离；圆锥 部分为干燥区，固相进一步脱水
转鼓形状：圆筒形：有利于液相澄清 圆锥形：有利于固相脱水 圆筒+圆锥形：有两者的优点，应用最广 螺旋推进器与转鼓的转差率：1：100 转差率越小，物料在转鼓内停留的时间越长，排渣慢，滤渣较干 转差率越大，物料在转鼓内停留的时间越短，排渣块，滤渣较湿 转差率为零，不排料
（1）转动盘
（2）固定盘
转筒真空过滤机的分配头
工作原理
当转鼓旋转时，借分配 头的作用，扇形格内分 别获得真空和加压，如 此便可控制过滤、洗涤 等操作循序进行。
转鼓表面分6个区，如右
图。
二、膜分离技术
一、膜分离方法
常见的膜分离过程有渗透、透析、电渗析、反渗透、微 过滤、超滤、气破碎法
表面活性物质 EDTA螯合剂 有机溶剂 变性剂
（1）酶溶法（Enzymatic Lysis） ①外加酶法 G+ 常 用 的 溶 酶 G溶菌酶、适量抑制剂 溶菌酶、EDTA
放线菌
酵母菌 霉菌 植物
溶菌酶
β-葡聚糖酶 几丁质酶、 纤维素酶、半纤维素酶
细胞壁溶解酶是几种酶的复合物
适用于：微生物细胞和植物细胞的大规模破碎。
珠磨法（Bead mill）
工作原理：
进入珠磨机的细胞悬浮液与极细的玻璃小珠、石英砂、
氧化铝等研磨剂（直径小于1mm）一起快速搅拌或研 磨，研磨剂、珠子与细胞之间的互相剪切、碰撞，使细 胞破碎，释放出内含物。在珠液分离器的协助下，珠子 被滞留在破碎室内，浆液流出从而实现连续操作。破碎 中产生的热量一般采用夹套冷却的方式带走。
三柱塞泵
往复泵
双 作 用 泵 工 作 原 理
高压匀浆法中影响细胞破碎的因素:
压力 (工业生产中常用55～70MPa的压力)
循环操作次数(多次循环的操作方法)
温度
不宜采用高压匀浆法的微生物：
易造成堵塞的团状或丝状真菌，
较小的革兰氏阳性菌，
含有包含体的基因工程菌（因包含体坚硬，易损伤匀 浆阀）
细胞破碎效果的检查 破碎率定义:被破碎的细胞的数量占原始细胞数量的 百分数，即
其中N0：原细胞数，N：破碎后残存的正常细胞。 N0和N的可通过直接测定法、目的产物测定法和测定
导电率得到。
第三节 沉淀与离心
一、沉淀 氨基酸提取： ① 等电点法； ② 盐酸盐法； ③ 金属盐法； ④ 溶剂抽提法等。 蛋白质提取：
此法是将浓缩的菌体悬浮液冷却至-25℃形成冰晶体， 利用500MPa以上的高压冲击，使冷冻细胞从高压阀小 孔挤出，由于冰晶体的磨损，使包埋在冰中的微生物变 形而破碎。该法主要用于实验室，具有使用范围广、破 碎率高、细胞碎片粉碎程度低及活性保留率高等优点。 不适用于对冷冻敏感的物质。