微生物工程工艺原理_发酵产物的提取与精制方法(精选)
合集下载
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
发酵产物的提取和精制工作
葡聚糖、甘露聚糖和蛋白质等。
• ③其他真菌细胞壁主要由多糖组成，如几 丁质或纤维素强度比细菌和酵母菌高。
（2）常用的细胞破碎方法
• 细胞破碎的方法很多，根据外加作用力的 方式可分为机械法和非机械法两大类。
• 前者有珠磨法、高压匀浆法、超声波法、 X-press法；
• 后者有酶解法、化学法、物理法、干燥法 等。
• 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。
（1）影响发酵液过滤的因素
• 发酵液属非牛顿性液体，粘度大，过滤速 度慢。
• 过滤速度与菌体细胞体积、发酵条件、未 利用完的培养基浓度、消沫剂、发酵周期 等有关。
（2）改善发酵液过滤性能的方法
• ④助滤剂法：助滤剂如硅藻土吸附细菌细胞 改变滤饼结构，降低过滤阻力，加快过滤速 度。
• ⑤反应剂法：
3．细胞破碎与分离
• 微生物的代谢产物如果是胞内物质（如有 些酶制剂、干扰素、胰岛素等），那么首 先要收集菌体，进行细胞破碎。
• （1）微生物细胞壁的组成与结构： • ①细菌细胞壁： • ②酵母菌细胞壁比G+菌稍厚，主要成分是
• （3）含有色素、热源物质、毒性物质等有 机杂质。
• （4）发酵产物稳定性低，对热、酸、碱、 有机溶剂、酶、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。
• ②变性法：加热变性、酸碱变性、有机溶 剂变性等。
• ③吸附法：吸附剂和沉淀剂的吸附作用。
• （3）色素及其他物质的去除
• ③其他真菌细胞壁主要由多糖组成，如几 丁质或纤维素强度比细菌和酵母菌高。
（2）常用的细胞破碎方法
• 细胞破碎的方法很多，根据外加作用力的 方式可分为机械法和非机械法两大类。
• 前者有珠磨法、高压匀浆法、超声波法、 X-press法；
• 后者有酶解法、化学法、物理法、干燥法 等。
• 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。
（1）影响发酵液过滤的因素
• 发酵液属非牛顿性液体，粘度大，过滤速 度慢。
• 过滤速度与菌体细胞体积、发酵条件、未 利用完的培养基浓度、消沫剂、发酵周期 等有关。
（2）改善发酵液过滤性能的方法
• ④助滤剂法：助滤剂如硅藻土吸附细菌细胞 改变滤饼结构，降低过滤阻力，加快过滤速 度。
• ⑤反应剂法：
3．细胞破碎与分离
• 微生物的代谢产物如果是胞内物质（如有 些酶制剂、干扰素、胰岛素等），那么首 先要收集菌体，进行细胞破碎。
• （1）微生物细胞壁的组成与结构： • ①细菌细胞壁： • ②酵母菌细胞壁比G+菌稍厚，主要成分是
• （3）含有色素、热源物质、毒性物质等有 机杂质。
• （4）发酵产物稳定性低，对热、酸、碱、 有机溶剂、酶、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。
• ②变性法：加热变性、酸碱变性、有机溶 剂变性等。
• ③吸附法：吸附剂和沉淀剂的吸附作用。
• （3）色素及其他物质的去除
微生物工程工艺原理_发酵产物的提取与精制方法
率高于60 %。
提取抗生素和分离生物粒子
采用PEG/ Na2HPO4 体系提取丙酰螺旋霉素，最佳 萃取条件是pH= 8. 0～8. 5 ， PEG2000 (14 %) / Na2HPO4 (18 %) ,小试收率达69. 2 % ,对照的乙酸丁 酯萃取工艺的收率为53. 4 %
双水相和其他方法的集成
(4) 目标产物的分配系数一般大于3 ,大多数情况下,目标产
物有较高的收率。
(5) 大量杂质能够与所有固体物质一起去掉,与其它常用固 液分离方法相比,双水相分配技术可省去1～2 个分离步骤, 使整个分离过程更经济。
(6) 设备投资费用少,操作简单,不存在有机溶剂残留问题。
6、双水相萃取的工艺流程
双水相萃取技术的工艺流程主要由三部分构成:目的产 物的萃取; PEG的循环; 无机盐的循环。
7、双水相的应用举例
分离和提纯各种蛋白质(酶） 用PEG/ -(NH4) 2SO4 双水相体系,经一次萃取从α- 淀粉 酶发酵液中分离提取α - 淀粉酶和蛋白酶, 萃取最适宜条件 为PEG1000 ( 15 %) -(NH4) 2SO4 (20 %) ,pH = 8 ,α- 淀粉 酶收率为90 % ,分配系数为19. 6 ,蛋白酶的分离系数高达 15. 1。比活率为原发酵液的1. 5 倍,蛋白酶在水相中的收
(2-7) ×10-4
由以上特性可以看出，超临界流体兼有液体和气体的双 重特性，扩散系数大，粘度小，渗透性好，与液体溶剂相 比，可以更快地完成传质，达到平衡，促进高效分离过程 的实现。
2、超临界流体萃取原理
超临界萃取是利用SCF作为萃取剂，从液体和固体中萃取出
发酵产物提取与精制工作
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。
丁质或纤维素强度比细菌和酵母菌高。
发酵产物的提取和精制工作
（2）常用的细胞破碎方法
• 细胞破碎的方法很多，根据外加作用力的 方式可分为机械法和非机械法两大类。
• 前者有珠磨法、高压匀浆法、超声波法、 X-press法；
• 后者有酶解法、化学法、物理法、干燥法 等。
发酵产物的提取和精制工作
• ①机械法：
• （3）含有色素、热源物质、毒性物质等有 机杂质。
• （4）发酵产物稳定性低，对热、酸、碱、 有机溶剂、酶、机械力等敏感，不适宜条件 下易失活或分解。
发酵产物的提取和精制工作
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。
• 发酵液属非牛顿性液体，粘度大，过滤速 度慢。
• 过滤速度与菌体细胞体积、发酵条件、未 利用完的培养基浓度、消沫剂、发酵周期 等有关。
发酵产物的提取和精制工作
（2）改善发酵液过滤性能的方法
• 发酵液难过滤时，需改善过滤性能，降低 滤饼比阻，提高过滤与分离的速率。
• 改善发酵液性能的方法有调酸、热处理、 添加凝聚剂、反应剂、助滤剂等。
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
（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。
丁质或纤维素强度比细菌和酵母菌高。
发酵产物的提取和精制工作
（2）常用的细胞破碎方法
• 细胞破碎的方法很多，根据外加作用力的 方式可分为机械法和非机械法两大类。
• 前者有珠磨法、高压匀浆法、超声波法、 X-press法；
• 后者有酶解法、化学法、物理法、干燥法 等。
发酵产物的提取和精制工作
• ①机械法：
• （3）含有色素、热源物质、毒性物质等有 机杂质。
• （4）发酵产物稳定性低，对热、酸、碱、 有机溶剂、酶、机械力等敏感，不适宜条件 下易失活或分解。
发酵产物的提取和精制工作
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。
• 发酵液属非牛顿性液体，粘度大，过滤速 度慢。
• 过滤速度与菌体细胞体积、发酵条件、未 利用完的培养基浓度、消沫剂、发酵周期 等有关。
发酵产物的提取和精制工作
（2）改善发酵液过滤性能的方法
• 发酵液难过滤时，需改善过滤性能，降低 滤饼比阻，提高过滤与分离的速率。
• 改善发酵液性能的方法有调酸、热处理、 添加凝聚剂、反应剂、助滤剂等。
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。
ch6发酵产物的提取与精制
第六章发酵产物的提取与精制一、概述二、发酵液的预处理及菌体分离三、发酵产物的提取和精制四、发酵产品的成品加工微生物经过适当条件培养后，菌体大量繁殖，合成并积累了相当浓度的代谢产物，这时便可以进入下游工程。
发酵液的下游加工是指从发酵产物中分离、纯化产品的过程。
它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。
第一节概述一、发酵液的一般特性微生物发酵生产各种发酵产品时，由于多用原料、菌种、工艺过程等的不同，所以预处理、提取、精制方法也有差异。
发酵产物大多存在于发酵液中，少数存在于菌体内。
要分离提纯发酵产物，首先要针对发酵液的特性进行预处理。
发酵液一般具有以下特性：1、发酵液中发酵产物浓度较低，属于稀水溶液系统。
2、发酵液中成分复杂，除发酵产物外，还含有微生物细胞碎片、代谢产物、残留的培养基、无机盐等。
特别是少量的代谢产物，结构特性与发酵产物相近，给分离提纯带来困难。
3、发酵液中还含有色素、热源物质、毒性物质等有机杂质，影响发酵产品的质量。
4、发酵产物稳定性低，对热、酸、碱、有机溶剂、酶、机械力等敏感，在不适宜的条件下容易失活或分解。
二、提取和精制过程提取和精制是为了从发酵液中获得高纯度的、符合质量标准要求的发酵产品。
由于发酵产物存在形式不同，用途各异，而且对产品的质量有不同的要求，所以分离纯化步骤可以有不同的组合，但大多数产品的下游工程过程，常常按照生产过程的顺序分为四个步骤，（如P76图6-1）即发酵液的预处理和菌体分离、提取、精制、成品加工。
发酵液的预处理和菌体分离是采用凝聚和絮凝等技术，加速固-液两相分离，提高过滤速度。
发酵产品如果是胞内产物，首先要进行细胞破碎，再分离细胞。
初步纯化即提取，主要是除去与目标产物性质有很大差异的物质，使产物浓缩以及产品质量提高。
常采用方法有沉淀、吸附、萃取等。
高度纯化即精制，采用对产品有高度选择性的分离技术，除去与产物理化性质相近的杂质。
项目7发酵产物的提取与精制工艺
27
发酵工艺技术（第一版）
出版社 医学分社
⑶ 超声波破碎法 超声波破碎也是应用较多的一种破碎方法。通常采用的 超声波破碎机在15-25千赫（kHz）的频率下操作。 原理：在超声波作用下液体发生空化作用，空化泡的急
剧膨胀压缩和内向爆破产生冲击弹性波，将声能转化为
机械能，形成粘性消散涡流，如果液体旋涡小于细胞尺 寸，产生不同密度移动，当细胞的动能超过细胞壁强度 时，至使细胞破碎。
发酵工艺技术（第一版）
出版社 医学分社
d.吸附法 加入某些吸附剂或沉淀剂吸附杂蛋白质而除去。 在四环素类抗生素中，采用黄血盐和硫酸锌的协同作用生 成亚铁氰化锌钾的胶状沉淀来吸附蛋白质；
在枯草杆菌发酵液中，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 并包裹在其中除去。
17
发酵工艺技术（第一版）
出版社 医学分社
(3)有色物质的去除 培养基本身可能带有色素，如糖蜜、玉米浸出液等都带 有颜色 ；微生物在代谢过程中，本身也可能产生有色物质。 常用的脱色方法为吸附法，如活性炭吸附，树脂吸附等 a.大网格树脂 -----食品工业上的糖浆脱色 b.利用某些离子交换树脂 ----胶酶溶液脱色
液，生成不溶性颗粒而沉降析出的过程。
优点： 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。
缺点：于过滤困难、产品质量较低、需要重新精制。 作用： 浓缩作用大于纯化作用，是初步分离的一种手段 。
35
发酵工艺技术（第一版）
出版社 医学分社
（一）等电点沉淀
原理：利用两性电解质在在低离子强度下，调节至等电点， 可使各种两性电解质所带净电荷为零，能大大降低其溶解 度，形成沉淀。 不同的两性电解质具有不同的等电点，从而将其分离开。 优点：操作简单，试剂消耗少，引入杂质少。 缺点: 不能完全沉淀析出，常与盐析法、有机溶剂沉淀法或 其他沉淀剂一起配合使用，以提高沉淀能力和分离效果。
第十一章 发酵产物的提取与精制方法1
第一节萃取第二节吸附第三节离子交换法第四节膜分离法第五节层析法第六节浓缩第七节沉淀法第八节结晶第九节干燥第十节蒸馏第十章发酵产物的提取与精制方法1 萃取一、原理•以分配定律为基础。
即，物质因溶解度不同，从一种溶剂转入另一溶剂而被分离。
•分配定律：在恒温、恒压下，一种物质在两种溶剂中的分配浓度比是常数。
常数中溶质的浓度下层溶剂中溶质的浓度上层溶剂===BA C CB A K )()(•为了提出经过多次操作后,能较完全地提取物质的结论，我们不妨假设：•原溶液体积为：V(ml)•被提取物质的总重量：W0(g)•每一次提取所用的提取液的体积：S(ml)(萃取液的体积)。
•提取一次后，被提取物质在原溶液中剩余量：W1(g)•由此有：•在提取过程中，经一次提取后分配系数K的表达式为：SKV KVW W SW W V W K +⋅=⇒-=01101)()(经过第二次提取后，分配系数的表达式为：20212212)()()(SKV KV W W S KV KVW W SW W V W K +⋅=⇒+⋅=⇒-=•依次类推：可得经几次提取后，原溶液中残留物质量W n 。
nn SKV KV W W )(0+⋅=•如果知道某物质的分配系数和给定的提取率，则可计算出能达到此条件的最适萃取次数。
二、常用溶媒萃取工艺（1）单级提炼法（2）多次提炼法（3）多极对流萃取•萃余相顺序通过各级，并与新鲜溶剂接触进行萃取，传质推动力大，萃取效果好；•各级所得萃取相分别排出，然后汇集在一起脱除溶剂得萃取液，溶剂回收循环使用，溶剂回收设备简单；•因每级均加入新鲜溶剂，故溶剂耗用量大，回收费用高，而且萃余液组分浓度低。
一、下游加工技术的重要性➢1.产品分离纯化是最终获得商业产品的环节。
➢2.投资费用高（抗生素、乙醇、柠檬酸占60%）。
➢3.分离纯化技术落后会阻碍发酵工程技术的发展。
（4）分馏萃取右边重相富集溶质左边萃取相从重相中萃取溶质（5）微分萃取（塔式萃取）溶媒逆流萃取，溶质随流动相连续变化可用较少的萃取剂达到较高的萃取率，应用较广①喷淋塔优点：•结构简单，塔体内除各流股物料进出的连接管和分散装置外，别无其它内部构件。
第十二章发酵产物的提取与精制概论(6)
物 些目标产物存在于细胞内部。目前重组
的 提
DNA技术表达的产品（如肤岛素、干扰素、
取 白细胞介素等），都是胞内产物。首先必
与 精 制
须将细胞破碎，使产物得以释放，才能进 一步提取。
概
论
第四篇 发酵产物的提取与精制
第
十
二 章
（一）细胞壁的组成与结构
发 酵
细胞破碎 用物理、化学、酶或机械的方
产 法来破坏细胞壁或细胞膜。细胞壁的破碎
制 温度；细胞的变化(因处理时间的不同面引起
概 论
的)也同样影响着对破碎的敏感度。
第四篇 发酵产物的提取与精制
第
十
二 章
破碎方法
发 酵 产
细胞的破碎按照是否外加作用力可分为机 械法与非机械法两大类；机械法中高压匀
物 浆器和珠磨机在工业上得到应用，超声波
的 提
法和非机械法大多处在实验室应用阶段。
取
与
发 酵
（1）特点
产
物 ①自动化程度高、操作连续、处理量大；
的 提 取
②适合于固体含量较大（＞10%）的悬浮液 的分离；
与 ③一般不适合于菌体较小和粘度较大的细菌
精 制 概
发酵液的过滤。（可以离心） ④所得固相的干度较差。
论
第四篇 发酵产物的提取与精制
第 十 （2）工作过程 二 章
发 酵 产 物 的 提 取 与 精 制 概 论
第
十 三、菌体分离方法
二
章 （一）菌体和发酵醪的分离方法
发 酵
离心 过滤
产 物
（二）离心分离
的 提
离心分离可分为以下三种形式：
取 ①离心沉降
与 精 制
②离心过滤 ③离心分离和超离心
《发酵工艺》项目9：发酵产物提取与精制
• 澄清过滤，也称为深层过滤，指颗粒沉积在床层内部的孔道壁上 而并不形成滤饼的过滤方式。
• （2）过滤介质
• 工业上常用的过滤介质有织物状介质、粒状介质 和多孔固体介质等类型。
• 织物状介质包括天然或合成纤维、金属丝等编织 而成的滤布或滤网，是工业生产中最常用的过滤 介质
• 粒状介质有硅藻土、石砾、细砂、锯屑、活性炭、 玻璃渣等，常用于过滤固体含量较少的悬浮液。
• 1.蒸馏 ：蒸馏可分为简单蒸馏和精馏。
• 拉乌尔定律指出：混合液中蒸汽压高（沸点低） 的组分，在气相中的含量总是比液相中高；反之， 蒸汽压低（沸点高）的组分，在液相中含量总是 比气相中高。一般把气相中酒精含量与液相中酒 精含量的比值称为酒精的挥发系数（用K表示）。 实验数据表明，在酒精浓度达到97.6%（体积分数） 前，酒精的挥发系数总是大于1，用常规的蒸馏方 法可以使酒精变浓。
括物理法（超声破碎、渗透压冲击、冻结融 化等）、化学法和酶溶法等
分类
作用机理
研磨法 固体剪切作用 机 械 法 高压匀浆法 液体剪切作用
撞击破碎法 固体剪切作用
特点
可达较高破碎率，可较大规模操作，大分子目的产物易失活 ，浆液分离困难
可达较高破碎率，可较大规模操作，不适合革兰氏阳性菌和 丝状菌
破碎率高，活性保留率高，对冷冻敏感产物不适应
• 多孔固体介质有多孔陶瓷、多孔玻璃、多孔塑料 等。
• （3）过滤设备 • 目前生物工程行业，常用于液-固过滤分离的设备有板框压滤机、
叶片过滤机及真空转鼓过滤机
板框压滤机结构 1-压紧装置；2-可动头；3-滤框；4-滤板；5 固定头；6-滤液出口；7-滤液进口；8-滤布
• 板框压滤机由滤板、滤框和压紧装置及支架等部分组成，许多块 滤板和滤框交替排列，滤板两侧过滤面上罩有滤布。
发酵工程 11 发酵产物的提取与精制
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。
2、双水相萃取 溶剂萃取法，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。
3、反胶束提取纯化技术 将表面活性剂溶于非极性溶剂（有机溶剂）中， 并使其浓度超过临界胶束浓度，便会在有机溶 剂内形成聚集体，这种聚集体即为反胶束。在
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。
3、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溶质组分；（2） 沉淀后所得产品不需脱盐，残留的沉淀剂通过 挥发而易于去除。 有机沉淀剂的缺点是对有些生物大分子如酶类 有失活作用，因而常需在低温下操作。
反 渗 透 RO ） 压 力 差 （ 2-10M P a） （ 透 析 （ DS） 浓度差
电 渗 析 ED ） 电 位 差 （
2、膜分离技术的特点 膜分离技术一般在常温下操作，不需加热，被 分离的物质能保持原来的性质，能保持生物物 质的活性。其选择性强，操作过程简单，适用
范围广。膜分离技术在分离物质过程中不涉及
一、发酵液的预处理
发酵液的特性：
①菌体细小且可压缩，其相对密度与培养
液相似；
②发酵液粘稠，大多为非牛顿流体； ③发酵产物浓度底，处理体积大。
第九章 发酵产物的提取与精制
缺点
压差较小，主要适用于霉菌发酵液的过滤。
错流过滤设备
改善过滤性能的方法
等电点 蛋白质变性 吸附 凝聚和絮凝 酶解作用 加入助滤剂 直接在发酵液中形成填充-凝固剂
过滤助剂
助滤剂是一种不可压缩的多孔微粒，它 能使滤饼疏松，滤速增大。 过滤助剂可解决两个问题
影响凝聚作用的主要因素
无机盐的种类： Al3+>Fe3+>H+>Ca2+>Mg2+>K+>Na+>Li+ 无机盐的化合价：离子的化合价越高，凝 聚能力越强 无机盐的用量：无机盐浓度越大，凝聚效 果越好
常用的凝聚剂
Al2(SO4)3·18H2O Alcl3·6H2O Fecl3 ZnSO4 MgCO3
常用的絮凝剂
天然有机高分子絮凝剂：
— — —
多糖类（如壳聚糖及衍生物） 海藻酸钠 明胶和骨胶等
人工合成聚合物：
— — —
聚丙烯酰胺类衍生物 聚苯乙烯类衍生物 聚丙烯酸类
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
加热，使发酵液中的蛋白质变性而产生沉 淀 大幅度改变pH 加有机溶剂（丙酮、乙醇等） 加表面活性剂
(三) 加各种沉淀剂沉淀
在酸性溶液中，蛋白质能与一些阴离子如： 三氯乙酸盐、水杨酸盐、钨酸盐、苦味酸 盐、鞣酸盐等形成沉淀； 在碱性溶液中，能与一些阳离子如：Ag+、 Cu2+ 、 Fe3+ 、Zn2+ 、Pb2+等形成沉淀。
发酵产物提取与精制技术 发酵产物提取与精制工艺的设计
提取与精制的常用技术
蒸发浓缩技术是使溶剂蒸发而达到提高溶质浓度目的的操作。
蒸发 浓缩
常压蒸发浓缩 减压蒸发浓缩
提取与精制的常用技术
结晶技术是利用溶液达到过饱和状态而使溶质以结晶形式析出的操作。
结晶
降温结晶法 加热结晶法
提取与精制工艺的设计原则
1. 工艺设计须满足产品的纯度要求
例如：赖氨酸的生产
3. 工艺设计须尽可能降低生产成本 例如：耐高温淀粉酶的提取
喷雾干燥 固体酶制剂
淀粉酶发酵液 超滤除菌 超滤浓缩 液体酶制剂
沉淀法提取 冷冻干燥 固体酶制剂
提取与精制工艺的设计原则
4. 工艺设计须尽可能提高得率
例如：谷氨酸的生产
谷氨酸发酵液 分批等电点提取
离心分离 干燥 谷氨酸
谷氨酸发酵液 超滤除菌 真空浓缩
赖氨酸发酵液 超滤除菌
离子交换提取 真空浓缩
喷雾干燥 食品级赖氨酸
溶解 调节pH至5.0
脱色 重结晶 分离与干燥 医药级赖氨酸
提取与精制工艺的设计原则
2. 工艺设计须满足产品的稳定性要求 例如：活性干酵母的生产
干燥
加热干燥 冷冻干燥
为了保证活性干酵母的活性，须选择冷冻干燥工艺。
提取与精制工艺的设计原则
提取与精制的目的 提取与精制的常用技术 提取与精制工艺的设计原则
提取与精制的目的
利用分离技术，从发 酵醪中获得目标产物 粗品的过程。
提取
精制
目 的
利用分离技术，将目 标产物粗品进一步纯 化，获得较高纯度产 品的过程。
根据产品规格要求，采用各种分离技术，获得所需要的产品。
提取与精制的常用技术
提取 精制
等电点 沉淀法
发酵产物的提取和精制
图5-3 泵循环式切向流过滤
3.2离心分离
离心分离：在离心产生的重力场作用下使悬浮颗粒沉降下 来的操作过程。 3.2.1 离心力场的基本特性 分离因数（Fr）和沉降速度（vg）是离心力场的基本特性。 离心机的分离因数：离心机在运行过程中产生的离心加速 度和重力加速度的比值。
Fr =rω2/g
3.2.2 离心机的选择
需要根据发酵液的特性来选择离心机。
0.01 μm
0.1 μm
10 μm
100 μm
1 mm
10 mm
胶体
微粒
细粒
中等颗粒 过滤离心机 卧螺沉降离心机
大颗粒
超滤+微滤 离心机
碟式或管式离心机
图 5-4 根据固体颗粒的大小选择离心机
内容
1.概述 2.原料与预处理 3.固液分离 4.细胞破碎 5.初步纯化 6.精细纯化 7.成品加工
按照作用方式的不同划分，常用的细胞 破碎方法可以分为两类：机械类包括高 速珠磨破碎法、高压匀浆破碎法、超声 波破碎法等，非机械类包括化学渗透法 ，酶溶破碎法等。
4.1.1高速珠磨法
原理：微生物细胞悬浮液与极细的研磨剂（通常是直径 <1 mm的无铅玻璃珠）在搅拌浆的作用下充分混合、珠 子之间以及珠子和细胞之间的相互剪切、碰撞促进细胞 壁破裂，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 碎中产生的热量由夹套中的冷却液带走。 主要缺点：温度升高较多，对热敏感的成分易失活，细 胞碎片较小，清除碎片困难，给后续操作增加难度。
最常用的检测细胞破碎效果的方法是通过显微镜直接 观察，从中计算出细胞破碎率。 ①用革兰氏染色剂进行染色 破壁的酵母呈粉红色，而未破壁的酵母呈蓝紫色，分 别计数，并采用相同的稀释度用血球计数板进行镜检 计数，计算破壁率。破壁率的计算公式如下式所示。
第十五章发酵产物的提取与精制
常用方法：1、对流加热干燥 2、接触加热干燥 3、冷冻升华干燥
发酵中常用过程： 1、气流干燥 2、沸腾干燥 3、喷雾干燥 4、冷冻升华干燥 5、真空干燥
b、真空过滤设备
四、不过滤提取
精制
一、浓缩 1、蒸发浓缩法：如谷氨酸钠脱色液 2、冰冻浓缩法 3、吸收浓缩法：用吸收剂直接吸收除去溶
液中的溶剂分子 4、超滤浓缩法：选择性过滤
二、结晶
1、将热饱和溶液冷却，添加晶种结晶 2、将部分溶媒蒸发结晶 3、添加有机溶剂结晶 4、盐析结晶 5、等电点结晶
三、干燥
第十五章 发酵产物的提取与精制
一、发酵液的性质与处理
1、发酵液组成：水90％ 固形物1－10％
A、
菌体→分离→产品 ↓
提取 →产品
酶→胞外酶→提取→产品
B、 ↓
胞内酶→分离菌体→破碎→提取→产品
C、代谢产物：一般存在于发酵醪中
D、培养基残留物质：糖、氮、无机离子、副反 应物
第二节 发酵醪预处理
一、发酵醪性质 1. 大部分是水 2. 发酵成产物浓度低 3. 含有菌体和蛋白质胶状物 4. 无机盐、非蛋白质大分子杂质及其降解
三、菌体的分离
细菌、酵母→高速离心分离（碟式、管式） 菌丝体→过滤分离
→ 清液→发酵产物提取 菌体→洗涤→提取内容物
（一）离心分离
（二）过滤
是目前发酵工业生产中的薄弱环节 1、影响因素 菌种、发酵条件 正确选择发酵终了时间 2、提高设备处理能力 P253 3、改善滤饼结构 4、过滤介质 P256 5、过滤设备：a、加压过滤设备
产物 5. 其他代谢产物 6. 色素、热源质、毒性物质等有机杂质。
二、预处理要求
1. 分离菌体 2. 除去杂质 3. 改变待提取醪的性质
发酵中常用过程： 1、气流干燥 2、沸腾干燥 3、喷雾干燥 4、冷冻升华干燥 5、真空干燥
b、真空过滤设备
四、不过滤提取
精制
一、浓缩 1、蒸发浓缩法：如谷氨酸钠脱色液 2、冰冻浓缩法 3、吸收浓缩法：用吸收剂直接吸收除去溶
液中的溶剂分子 4、超滤浓缩法：选择性过滤
二、结晶
1、将热饱和溶液冷却，添加晶种结晶 2、将部分溶媒蒸发结晶 3、添加有机溶剂结晶 4、盐析结晶 5、等电点结晶
三、干燥
第十五章 发酵产物的提取与精制
一、发酵液的性质与处理
1、发酵液组成：水90％ 固形物1－10％
A、
菌体→分离→产品 ↓
提取 →产品
酶→胞外酶→提取→产品
B、 ↓
胞内酶→分离菌体→破碎→提取→产品
C、代谢产物：一般存在于发酵醪中
D、培养基残留物质：糖、氮、无机离子、副反 应物
第二节 发酵醪预处理
一、发酵醪性质 1. 大部分是水 2. 发酵成产物浓度低 3. 含有菌体和蛋白质胶状物 4. 无机盐、非蛋白质大分子杂质及其降解
三、菌体的分离
细菌、酵母→高速离心分离（碟式、管式） 菌丝体→过滤分离
→ 清液→发酵产物提取 菌体→洗涤→提取内容物
（一）离心分离
（二）过滤
是目前发酵工业生产中的薄弱环节 1、影响因素 菌种、发酵条件 正确选择发酵终了时间 2、提高设备处理能力 P253 3、改善滤饼结构 4、过滤介质 P256 5、过滤设备：a、加压过滤设备
产物 5. 其他代谢产物 6. 色素、热源质、毒性物质等有机杂质。
二、预处理要求
1. 分离菌体 2. 除去杂质 3. 改变待提取醪的性质
微生物工程工艺原理 第十二章 发酵产物的提取与精制概论(6)
第 十 二 章 发 酵 产 物 的 提 取 与 精 制 概 论
第四篇 发酵产物的提取与精制
破碎方法 细胞的破碎按照是否外加作用力可分为机 械法与非机械法两大类；机械法中高压匀 浆器和珠磨机在工业上得到应用，超声波 法和非机械法大多处在实验室应用阶段。
第 十 二 章 发 酵 产 物 的 提 取 与 精 制 概 论
第四篇 发酵产物的提取与精制
Байду номын сангаас
第 十 二 章 发 酵 产 物 的 提 取 与 精 制 概 论
第四篇 发酵产物的提取与精制
第 十 二 章 发 酵 产 物 的 提 取 与 精 制 概 论
第四篇 发酵产物的提取与精制
1.工作原理 进入珠磨机的细胞悬浮液与极小的研磨剂 （玻璃小珠、石英砂、氧化铝d<1mm）一 起快速搅拌，细胞与研磨剂之间互相碰撞、 剪切，使细胞破碎。
第 十 二 章 发 酵 产 物 的 提 取 与 精 制 概 论
第四篇 发酵产物的提取与精制
操作开始到 t 时刻进行积分，可得到：
ln1 / 1 S Kt
对于连续操作：t＝V/qv 相当于反应时间， 即破碎时间（平均停留时间）
第 十 二 章 发 酵 产 物 的 提 取 与 精 制 概 论
第四篇 发酵产物的提取与精制
二、提炼步骤和方法
方法和步骤的选择是根据被提取物的性 质来决定的，因此应首先研究被提取物 的性质，包括物理性质、化学性质、稳 定性等；
三、一般程序：
发酵醪→预处理→提取→精制→成品
第 十 二 章 发 酵 产 物 的 提 取 与 精 制 概 论
第四篇 发酵产物的提取与精制
第 十 二 章 发 酵 产 物 的 提 取 与 精 制 概 论
发酵产物的提取与精制概论
提取 提取（初步纯化）目的是除去与 目标产物性质差异大的杂质 精制（高度纯化）是采用对产品 有高度选择性的分离技术，除去 与产物化学性质和物理性质相近 的杂质 最终获得质量合格的产品
精制
成品加工
包括的阶段
（1）发酵液的预处理
离心和过滤 （2）产品的提取 萃取、吸附、沉淀、蒸发 （3）产品的精制 层析、膜分离、离子交换、沉淀、电泳 （4）产品的最后加工 结晶、干燥、蒸馏
悬浮物的最终体积，破坏凝胶状结构、增加滤饼
的空隙度 不适用热敏性的物质
2、调节悬浮液的pH
通过调节发酵醪pH到蛋白质的等电点使蛋白质
沉淀，同时络合重金属离子；
常用的酸化剂有草酸、盐酸、硫酸和磷酸
3、凝聚和絮凝
凝聚：在投加的化学物质（比如水解的凝聚剂，
像铝、铁的盐类或石灰等）作用下，胶体脱稳并
使粒子相互聚成1mm大小块状凝聚体的过程。 凝聚剂的作用： 有些是对初始粒子表面电荷的简单中和，另一些
是消除双电荷层（采用中性盐例如NaCl等）而脱
稳，还有些是通过氢键或其他复杂的形式与粒子
相结合而产生凝聚。
絮凝：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。
凝聚剂和絮凝剂的种类：
（1）凝聚剂：主要是无机类电解质，大多为阳粒子
无机盐类：硫酸铝、明矾、硫酸铁、硫酸亚铁、三氯化铁、
氯化铝、硫酸锌、硫酸镁、铝酸钠
金属氧化物类：氢氧化铝、氢氧化铁、氢氧化钙、石灰
聚合无机盐类：聚合铝、聚合铁
（2）絮凝剂（按官能团分）
阴离子、阳离子、非离子 丙烯酰胺经不同的改性可成为上述三种类型之一
精制
成品加工
包括的阶段
（1）发酵液的预处理
离心和过滤 （2）产品的提取 萃取、吸附、沉淀、蒸发 （3）产品的精制 层析、膜分离、离子交换、沉淀、电泳 （4）产品的最后加工 结晶、干燥、蒸馏
悬浮物的最终体积，破坏凝胶状结构、增加滤饼
的空隙度 不适用热敏性的物质
2、调节悬浮液的pH
通过调节发酵醪pH到蛋白质的等电点使蛋白质
沉淀，同时络合重金属离子；
常用的酸化剂有草酸、盐酸、硫酸和磷酸
3、凝聚和絮凝
凝聚：在投加的化学物质（比如水解的凝聚剂，
像铝、铁的盐类或石灰等）作用下，胶体脱稳并
使粒子相互聚成1mm大小块状凝聚体的过程。 凝聚剂的作用： 有些是对初始粒子表面电荷的简单中和，另一些
是消除双电荷层（采用中性盐例如NaCl等）而脱
稳，还有些是通过氢键或其他复杂的形式与粒子
相结合而产生凝聚。
絮凝：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。
凝聚剂和絮凝剂的种类：
（1）凝聚剂：主要是无机类电解质，大多为阳粒子
无机盐类：硫酸铝、明矾、硫酸铁、硫酸亚铁、三氯化铁、
氯化铝、硫酸锌、硫酸镁、铝酸钠
金属氧化物类：氢氧化铝、氢氧化铁、氢氧化钙、石灰
聚合无机盐类：聚合铝、聚合铁
（2）絮凝剂（按官能团分）
阴离子、阳离子、非离子 丙烯酰胺经不同的改性可成为上述三种类型之一
发酵产物的提取精制PPT课件
2．各种分离纯化方法的使用程序
生化物质的分离都是在液相中进行，故分离 方法主要根据物质的分配系数、分子量大小、离子电 荷性质及数量和外加环境条件的差别等因素为基础。
例如：纯化某一两性物质时，前一步已利用 该物质的阴离子性质，使用了阴离子交换层析法，下 一步提纯时再应用其阳离子性质作层析或电泳分离便 会取得较好分离效果。
缺点：
间歇操作，不能绝对密封 劳动强度大，随着滤饼堆厚，过滤速度下降
板框过滤机
型号：BAS、BMS、BMY、BAY
BAY40—635/25 B——板框 A——暗流 Y——油压 40——过滤面积m2 635——框内尺寸 25——板框厚度mm
板框过滤机
影响过滤的因素：
2．各种分离纯化方法的使用程序
如有些杂质在各种条件下带电荷性质可能与目 的物相似，其分子形状与大小与目的物相差较大，而 另一些杂质的分子形状与大小可能与目的物相似，但 在某条件下与目的物的电荷性质不同，在这种情况下， 先用分子筛，用离心或膜过滤法除去分子量相差较大 的杂质，然后在一定pH值和离子强度范围下，使目的 物变成有利的离子状态，便能有效地进行层析分离。
难过滤的菌体，可加溶菌酶 在保持产品特性稳定的范围内，pH尽量调节至
等电点
（二）细胞破碎及分离—获得胞内产物
细胞破碎方法
机械法：高速组织捣碎机、匀浆器 化学法：有机溶剂、表面活性剂改变或破坏细胞膜结构 生物法：烈性噬菌体、酶法 物理法：压力差、超声波、温度差
工业上：常用匀浆器、球磨机处理细胞碎片
提高过滤效率的方法
添加电解质、絮凝剂、硅藻土等助滤剂 开始过滤时，压力差不能太大，以免压紧、压
实颗粒，阻塞滤孔，稳定后均匀加料，保持滤 饼疏松。 降低滤液黏度，对热不敏感的高黏度物质，可 用加热等方法降低黏度 适当提高滤饼两侧的压力差，但是有限度
第十三章 发酵产物的回收和精制
生化产物特征：
1、组成复杂； 2、产物品种多→理化性质复杂；
3、生理活性产品→容易变性失活；
4、发酵液中生物产品浓度低→分离需能量 →产品成本提高。
下游工程加工工艺过程的划分
1.预处理和固液分离：除去发酵液中的菌体细胞和不溶
性固体杂质。
2.初步分离：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。
主要用于酶、蛋白质、核苷酸、抗生素、氨基
酸等产物分离。
四、 蒸馏分离
• 基于发酵产物沸点不同，将所需物质从液体混
合物中分离。
• 它与蒸发不同，蒸发是去除低沸点物质和部分
水蒸汽，使代谢产物浓缩；而蒸馏要得到的恰 恰是低沸点物质。
五 、萃取分离
将某种特定溶剂加到 发酵液中，根据发酵液 组分在水相和有机相中 溶解度不同，将所需物 质分离的过程。
一、 结晶 二 、干燥
二 、干燥
（1）沸腾干燥 （2）冷冻干燥 （3）喷雾干燥
高速离心喷雾干燥机
真空干燥仪
（1）沸腾干燥
• 将预先制成颗粒状的物料用热风在密闭 的容器中吹浮的一种干燥形式。 • 特点：设备使用效率高，干燥时间短，
处理量大，设备投资费用低，但对热敏
性较高的物料不太合适。
（2）冷冻干燥
六 、层析分离
发酵液浓 缩物随流动相 流经装有固定 相的层析柱时， 混合物中各物 质因分子大小 不同而被分离 的技术。
七、 膜分离
• 依靠特定的膜让物质透 过或被截留的过程。
• 按分离粒子或分子大小 的不同，分为透析、电 渗析、微滤、超滤、反 渗透和纳米过滤等六种 方式。
陶瓷膜过滤器
第四节 发酵产品精制
• 多应用于蛋白质沉淀分离。 • 原理：中性盐达到一定浓度时，使水活度减小;
相关主题