生物工艺发酵液的预处理和固液分离方法
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。
发酵液预处理及固液分离方法
转筒下部浸入滤浆槽中，浸没角约90°-130°，圆筒缓 慢旋转时(转速约0.5-2r／min)，筒内每一空间相继与分 配头中的3个室相通，可顺序进行过滤、洗涤、吸干、吹松、 卸饼等项操作。即整个圆筒分为过滤区、洗涤及脱水区， 卸渣及再生区3个区域。
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转筒真空过滤机
主要适用霉菌发酵液，对菌体 细小、黏度大铺助滤剂。
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（一） 过 滤 filtration
借助于过滤介质，在一定的压力差作用下， 使 悬浮液中的液体通过介质的孔道，而固体颗粒被 截留在介质上，从而实现固液分离的单元操作。
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1、滤饼过滤： 介质：滤布，滤饼达到一定厚度起过滤作用。 适用于：固体含量>0.1g/100ml
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过滤推动力：
• 悬浮液自身压强差、重力 • 悬浮液表面加压 • 过滤介质下方抽真空 • 离心力
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发酵液的预处理和固液分离技术
二 预处理-降低发酵液粘度
方法
提高温度 －确保目的产物稳定性
加水稀释－过滤速度需提高稀释 数倍以上
三 预处理-调节pH
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。
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六 预处理-加入助滤剂
例硅藻土、淀粉、活性 炭、石英砂、石棉粉、 纤维素、白土等。
对于滤饼阻力较大的物料适应 能力较差。
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带式真空过滤机
• 带式真空过滤机（是自动连续运转、并能按工 艺要求进行无级调速以及操作方便和动力消耗 低的一种新型高效的脱水设备。
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带式真空过滤机流程
• 1、进料→过滤→滤饼洗涤→吸干→卸料→滤布清洗连 续进行。 2、真空过滤盘分段设计，可满足不同物料过滤、洗涤 、吸干的工艺要求，滤带运行速度采用变频无级调速， 对不同物料有广泛的适应性。
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。
图1－1 生化产品分离纯化的一般步骤【1】1.1 预处理简述发酵液经过预处理，一些物理性质会改变，从悬浮液中分离固形物的速度随之提高，过滤操作更易进行；在预处理过程中，产物大多转移进入易于后处理的相中（一般为液相）。
发酵液预处理和固液分离
1.2.3 常用的凝聚剂与絮凝剂
➢ 凝聚剂
• 铝盐，铁盐，钙盐，锌盐
➢ 絮凝剂
• 阳离子型：阳离子聚丙烯酰胺，聚丙烯酸二烷基胺乙酯 ，聚二烯丙基四胺盐。
• 阴离子型：聚丙烯酸钠，聚苯乙烯磺酸，木质素磺酸盐 • 非离子型：聚氧乙烯 • 无机高分子类：聚合铝盐，聚合铁盐 • 天然类：壳聚糖，葡聚糖 • 微生物类
➢ 预处理的目的 • 改变发酵液的物理性质，促进从悬浮液中分离固形物的速度，提高固 液分离器的效率 • 尽可能使物质转入便于后续处理的某一相中 • 去除发酵液中杂质，利于后续各步操作
➢ 预处理的方法 • 加热-加速聚集，去除某些蛋白质 • 调pH-促进聚集作用 • 凝聚和絮凝-增大颗粒有效尺寸，加快沉降速率
2.3.1 板框压滤机
➢ 自动板框过滤机：
是一种较新型的压滤设备，板框的拆装，滤渣的脱落卸出和滤布 的清洗等操作都能自动进行，大大缩短了非生产的辅助时间和减 轻了劳动强度。
板框操作实例-进料
板框操作实例-卸料
2.3.2 鼓式真空过滤机
鼓式真空过滤机能连续操作，并能实现自动化控制，但是压差较 小，主要适用于霉菌发酵液的过滤。而对菌体较细或粘稠的发酵 液不太适用。
螺旋式
卧式
• 含固量较多 发酵液的主要 分离方式 • 操作温度可 达300度 • 胰岛素，细 胞色素，胰酶
发酵液的预处理
1 发酵液的预处理
➢主要杂质预处理 ➢凝聚与絮凝
2 发酵液固液分离
➢影响固液分离的因素 ➢过滤 ➢固液分离器
3 全发酵液提取
3 全发酵液提取
扩张床技术
两水相技术
膜技术
• 相当于过滤、浓缩和吸附的综合效果 • 连接的配基容量需求大 • 膜污染问题严重
生物工程下游纯化的一般工艺流程
总流程大体包括4个阶段：发酵液预处理和固液分离→提取（初步分离）→精制（高度纯化）→成品制作。
1. 发酵液的预处理和固液分离（或称不溶物的去除）发酵液的预处理可采用的方法及原理：1)加热：把悬浮液加热到所需温度并保温适当时间。
可降低悬浮液的黏度，而且能够加速聚集作用以去除某些杂蛋白等物质，操作比较简单。
对产品的要求较高，热稳定性要好；温度不宜过高，时间不宜过长。
此方法应用较少。
2)调PH：加入草酸、无机酸或碱。
PH值直接影响发酵液中某些物质的电离度和电荷性质。
如蛋白质、氨基酸——等电点沉淀法，膜过滤——改变易吸附分子的电荷性质。
3)凝聚和絮凝：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块状体，再进行分离。
4)使用惰性助滤剂：惰性助滤剂是一种颗粒均匀、质地坚硬、不可压缩的粒状物质，用于扩大过滤表面的适用范围，使非常稀薄或非常细小的悬浮液在过滤时发生的快速挤压和介质堵塞现象得到减轻，易于过滤。
固液分离可采用的方法及原理：1)过滤法：迫使液体通过固体支承物或过滤介质，把固体截留，从而达到固液分离的目的。
①传统过滤真空过滤，利用空气和真空之间的压力差进行过滤；压滤，用泵产生的液压或气压作为过滤推动力。
②错流过滤过滤时，料液给过滤介质表面一个平行的大流量冲刷，过滤介质表面积累的滤饼就减少到可以忽略的程度。
离心法：利用惯性离心力和物质的沉降系数或浮力密度的不同而进行分离、浓缩或提炼。
包括离心沉降、离心过滤、离心分离和超离心。
2)膜分离：利用具有一定选择性透过的过滤介质进行物质分离。
有些操作还涉及到细胞的破碎，细胞破碎的方法如下：1)机械法①研磨和匀浆②超声波：超声波法是一种液相剪切破碎法，频率超过15—20kHx(千赫)的超声波是人耳难以听到的一种声音，它可破碎微生物细胞。
③高压匀浆：机理一：通过针形阀时，压力下降的速度和大小是细胞破碎的原因；机理二：细胞破碎是来自涡流的旋涡使液体细胞颤振的结果；机理三：悬浮细胞在平坦表面上的高速喷射撞击是细胞破碎的主要原因。
第二章 发酵液的预处理
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五、加入反应剂法 加入某些不影响产物的反应剂，可消除
发酵液中某些杂质对过滤的影响，提高过 滤速率。
反应剂和某些可溶性盐类（如CaSO4、 AlPO4等）生成不溶性沉淀，生成的沉淀能 防止菌丝体粘结，沉淀本身还可作为助滤 剂，并能使胶状物和悬浮物凝固，从而改 善过滤性能。
被处理物质的颗粒带负电荷，工业上常用 的凝聚剂大多为阳离子型，分为：
无机盐类 ：如硫酸铝、矾、硫酸铁和硫 酸亚铁。
金属氧化物类 ：如氢氧化铝、氢氧化铁 、氢氧化钙或石灰等。
聚合无机盐类 ：如聚合铝和聚合铁等。
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2、絮凝 （1）机理：絮凝剂主要起架桥作用，即一
个高分子聚合物（絮凝剂）的许多链节分 别吸附在不同的胶粒表面上，产生桥架联 接时，形成了较大的絮团。
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絮凝剂是一种能溶于水的高分子聚合物 ，其相对分子量可达数万至一千万，具有 长链状结构，其链节上含有许多活性官能 团。通过静电引力、范德华力或氢键的作 用，强烈地吸附在胶粒的表面。
絮凝剂的结构要求： 一方面要求其分子必须含有较多的活性 官能团，使之能和胶体粒子结合； 另一方面要求有长链的线性结构，以便 同时和多个胶体粒子结合。
生产常用的方法：
（1）调pH使蛋白质变性沉淀 如在抗生素生产中，常将发酵液pH调
至酸性范围(pH2~3)或碱性范围(pH8~9)使 蛋白质凝固，一般以酸性下除去的蛋白质 较多。
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（2）加入有机溶剂、碱金属中性盐、表面活性剂等 ，使蛋白质粒子的双电层破坏，而沉淀。
生物工艺学第二章发酵液的预处理与固液分离2
收集含生化物质的液相，分离除去固 体悬浮物（细胞、菌体、细胞碎片、 蛋白质的沉淀物和它们的絮凝体等）。
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二 常见的固液分离方法
过滤 离心 膜分离 双水相萃取 ATPS 扩张床吸附 EBA
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（一） 过 滤
过滤操作是借助于过滤介质，在一定的 压力差ΔP作用下，使悬浮液中的液体通过 介质的孔道，而固体颗粒被截留在介质上， 从而实现固液分离的单元操作。
发酵液中的杂质
A.高价无机离子（Ca2+、Mg2+、Fe2+）
在采用离子交换提炼时，会影响树脂对生化物质的交换容量。
B.杂蛋白
常规过滤或膜过滤时，易使过滤介质堵塞，影响过滤效率。 采用离子交换和吸附法提取时会降低其交换容量和吸附能力， 有机溶剂法或双水相萃取时，易产生乳化，使两相分离不清。
因此，在预处理时，应尽量除去这些物质。
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为何要对发酵液进行预处理？
固液分离方法主要是过滤和离心。 对于细菌及某些放线菌，菌体细小，液体粘度
大，不能直接过滤，若用高速离心，能耗很大， 设备昂贵。若用膜分离技术（如微滤）易产生 膜污染，通量降低。 发酵液中由于菌体自溶，核酸、蛋白质及其它 有机粘性物质的存在也会影响固液分离。 因而寻找一种经济有效的方法来提高固液分离 速度显得十分必要。
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目前最常见：聚丙烯酰胺类絮凝剂
聚丙烯酰胺类絮凝剂的优点
用量少，一般以mg/L计量； 絮凝体粗大，分离效果好； 絮凝速度快； 种类多，适用范围广。
聚丙烯酰胺类絮凝剂的缺点：
存在一定的毒性，特别是阳离子型聚丙烯酰胺， 用于食品和医药工业时应谨慎。
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2）天然有机高分子絮凝剂
生物工程下游技术第3章 发酵液的预处理和固液分离方法
等密度离心
等密度离心(isopycniccentrifugation)又叫做平 衡离心(equilibrium centrifugation)。样品被置 样品被置 于一个较陡峭的密度梯度中沉降， 于一个较陡峭的密度梯度中沉降，该梯度的最 大密度高于样品混合物的最大密度， 大密度高于样品混合物的最大密度，梯度的最 小密度低于样品混合物的最小密度， 小密度低于样品混合物的最小密度，当样品颗 粒沿梯度运动到与颗粒的浮力密度相同的密度 层时，就停止运动，这样经过一段较长时间的 离心，样品中所有不同密度的颗粒就都将在各 自的等密度区域中停止运动，从而分布在不同 的密度梯度区域，即颗粒根据各自的浮力密度 进行分级分离。由于这种离心是将样品颗粒沉 降到介质中与其浮力密度相等的密度梯度区， 故名之等密度离心或平衡离心。这种方法适用 于分离大小相近而密度不同的样品。
第2章 发酵液的预处理及固液分离 章
重点：预处理的作用及常用方法 凝聚与絮凝的原理及异同点 杂蛋白、高价无机离子的去除方法 典型固液分离设备的工作原理及特 点、影响过滤的因素
生化分离工程的工艺流程： 一.生化分离工程的工艺流程： 生化分离工程的工艺流程
二.发酵液的预处理技术： 发酵液的预处理技术：
六 高价无机离子的去除
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（ 高价无机离子（Ca2＋、Mg2＋、Fe2＋）等。 高价无机离子的存在，会影响树脂 影响树脂对生化 高价无机离子的存在 影响树脂 物质的交换容量 杂蛋白质的存在 交换容量。杂蛋白质的存在 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 降 低其吸附能力，而且在采用有机溶剂或两水相 低其吸附能力 两水相 萃取时，容易产生乳化 易产生乳化，使两相分离不清 两相分离不清，在 萃取 易产生乳化 两相分离不清 预处理时，应尽量除去这些物质。
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。
图1－1 生化产品分离纯化的一般步骤【1】1.1 预处理简述发酵液经过预处理，一些物理性质会改变，从悬浮液中分离固形物的速度随之提高，过滤操作更易进行；在预处理过程中，产物大多转移进入易于后处理的相中（一般为液相）。
发酵液预处理和固液分离
当双电层的排斥力不足以抗衡胶粒间范德华引力 时，由于热运动的结果，导致胶粒的相互碰撞而 聚集。
由此可见，在发酵液中加入具有高价阳离子的电 解质，由于ξ电位的降低和脱除胶粒表面水化膜， 就导致了胶粒间的凝聚作用。
电解质的凝聚能力用凝聚价或凝聚值来表示
凝聚价或凝聚值： 使胶粒发生凝聚作用的最小电解质浓度
不同界面上形成不同 的电位:
胶核表面的电位φs 是整个双电层的电位;
Stern平面上的电位 为φd;
滑移面上的电位为ζ, 称ζ电位。
ζ电位是控制胶粒间电排斥作用的电位，用来表征 双电层的特征。
带电粒子间的静电相互作用取决于ζ电位的大小。 当双电层的ζ电位足够大时，静电排斥作用抵御分
子间的相互吸引作用，使蛋白质溶液处于稳定状态。
子直径约1-30nm，呈胶体性质; 蛋白质水化层：蛋白质分子周围存在与蛋白质
分子紧密或疏松结合的水化层。紧密结合的水 化层可达到0.35g/g蛋白质，而疏松结合的水化 层可达蛋白质分子质量的2倍以上； 静电排斥作用：
(1)胶体双电层结构
➢发酵液中菌体表面带 有负电荷，由于静电 引力使溶液中反离子 被吸附在其周围。 ➢正离子同时受到使它 们均匀分布的热运动 影响，具有离开胶粒 表面的趋势，在界面 上形成了双电层。
2）高分子絮凝剂的吸附架桥作用
3）对絮凝剂的化学结构的要求
1）其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。
2）要求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，但相对分子量 不能超过一定限度，以使其有良好的溶解性。
4）工业上使用的絮凝剂
可分为四类：人工合成有机高分子聚合物、天然有机 高分子聚合物、无机高分子聚合物、微生物絮凝剂
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。
专题 发酵液预处理和固液分离工艺.
专题发酵液预处理和固液分离工艺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。
一、发酵液预处理工艺各种发酵产品，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，但也有少数产物存在于菌体中，或发酵液和菌体中都含有，但无论产物是在胞内，还是在胞外或者是菌体本身，首先都要对发酵液进行过滤和预处理，将固、液分开，然后才能从澄清的滤液中采用物理、化学的方法提取代谢产物，或从细胞出发进行细胞破碎、碎片的分离和提取胞内产物。
预处理的方法完全取决于可分离物质的性质，如对PH和热的稳定性、是蛋白质还是非蛋白质、分子的质量和大小等等。
具体方法主要有以下几种：1、加热法加热法是最简单和价廉的预处理方法，即把悬浮液加热到所需温度并保温适当时间。
加热可降低液体的黏度，根据流体力学的原理，滤液通过滤饼的速率与液体的黏度成反比，可见降低液体黏度可有效提高过滤速率；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。
例如，链霉素发酵液，调酸至PH3.0后，加热至70℃，维持半小时，其黏度下降至原来的1/6，过滤速率可增大10～100倍。
使用加热法时必须严格控制加热温度和时间。
首先，加热的温度必须控制在不影响目的产物活性的范围内；其次，温度过高或时间过长，会使细胞溶解，胞内物质外溢，增加发酵液的复杂性，影响产物后续的分离与纯化。
因此，加热法的关键取决于产品的热稳定性。
2、调节悬浮液的PH值PH值直接影响发酵液中某些物质的电离度和电荷性质，因此适当调节发酵液的PH值可改善其过滤特性。
此法是发酵工业中发酵液预处理较常用的方法之一。
对于Aa、Pro等两性物质，在等电点时，其溶解度最小，这就是等电沉淀法。
例如，在味精生产中，利用等电点（PH3.22）沉淀法提取谷氨酸；在膜过滤中，发酵液中的大分子物质容易与膜发生吸附，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。
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• (7)凝聚和絮凝
• 凝聚:在中性盐作用下，由于双电层排斥电位的降低，
而使胶体体系不稳定的现象。
• 絮凝：在高分子絮凝剂存在下，基于架桥作用，使胶 粒形成粗大絮凝团的过程，是以物理集合为主的过程。
电荷。
•
②发酵液中的胶粒子在界面上形成双电层。
• ⑵扩散双电层结构模型：
电荷密度
-+
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-
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-+ -+
-+
-+ -
+ +
+
+ -
+ +
-
+
+ -
-
吸附层 扩散层 吸附层 扩散层
s
+ +
+
-
-
负电荷分布
-
-
+ -
正电荷分布
距固体表面距离
滑动面
d
de
0
图14-1 胶体双电层的构造
17
• 由于
• ⑵发酵液中高价无机离子及杂蛋白的存在。
• 影响离交法的交换容量。 • 影响离交法及大网格树脂的吸附能力。 • 产生乳化。 • 影响膜过滤。
• 文献:青霉素发酵液中可溶性蛋白质的沉降及 其在溶剂萃取中的乳化作用
• 2.1.1 高价无机离子的去除方法:
• (1)去Ca2+，加草酸。
• 作用：
•
⑴生成草酸钙沉淀，同时也生成MgC2O4↓
4q
D
扩散层的有效厚度， 即stern面上的电位φ降 低到其值为1/e处的距离 ，不能直接测定。
水的介电常数
21
若溶液中存在i 离子：
1000Dk
4N e2
T•
1 Ci Zi 2
（2—2）
由式（2—1）可知：ξ∝δ，由式（2—2）可知：δ∝ 1
• 2.1.2杂蛋白的去除方法: • (1)酸化，调pH值至等电点。（HCO2、H2SO4、HCl、H3PO4）
• (2)加盐，形成沉淀。 • 酸性溶液：Protein + 阴离子→↓ • 碱性溶液：Protein + 阳离子→↓ •
• (3)加热，使蛋白质变性沉淀，同时μ↓，加快过滤速 度。
• 缺点:原液的色素增多，影响原液质量，只适用于对 热不敏感的生化物质。
• ①吸附作用 正离子被吸附
• ②热运动 正离子有离开表面的趋势
• ①②两相反作用的影响:
•
形成吸附层或紧密层：距离
胶核表面约一个离子半径的stern平面以
内，正离子被紧密束缚在胶核表面。
• 几个名词:
•stern 层 ： 相 距 胶 核 表 面 约 一 个离子半径的平面。 •滑移（动）面：当胶粒在溶液 中作相对运动时，总有一薄层 液体，随着它一起滑移，这一 薄层，厚度比吸附层稍大。
broth can be treated to isolate and purify the product, as a byproduct.
生物反应过程
生物催化剂 灭菌
空气 除菌
检测 控制系统
生物反应器
提取纯化
原材料
机械能、热能
副产品 产品 废弃物
预处理的目的
• ①分离细胞、菌体和其他悬浮颗粒（细胞 碎片、核酸和蛋白质沉淀物）。
14 发酵液预处理和固液分离
凝聚
沉降 絮凝
• 技术手段
其它手段
离心 过滤
固液 分离
1
• Bioseparations usually begin with the separation of biomass from broth .The separation commonly uses filtration or centrifugation as described. In many
• ② 除去部分可溶性杂质。 • ③ 改变滤液的性质（以提高过滤速度）。
2.1 发酵液的预处理
• 发酵液预处理原因？
• ⑴发酵液中菌体细小、粘度大。粘性杂质多
，难直接过滤。
• 对细菌和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、蛋白质及其他有机粘性物质的存在 会造成滤液浑浊，滤速极慢。
•
• 如: • 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10100倍，滤液粘度可降低1/6。
• 柠檬酸发酵液，采用加热至80℃以上， 使蛋白质变性凝固和降低发酵液粘度， 从而大大提高了过滤速度。
• (4)加有机溶剂，表面活性剂。所处理的 量较小。
• (5)大幅度改变pH值。
• (6)吸附作用
•
几种反应剂相互作用，或和某些溶解盐类发生反应
生成不溶解的沉淀[CaSO4、AlPO4]。
• 生成的沉淀的作用: • 能防止菌丝体粘连，使菌丝具有块状结构。 • 沉淀本身可作为 助滤剂。 • 使胶状物和悬浮物凝集。
• 如:
• 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。
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，
形成10mm大小絮凝团的过程
。机理：架桥作用
• 2.1.3.4 凝聚作用:
• ⑴发酵液的带电特性：
•
①发酵液中的胶体粒子表面，一般都带有负
•φs：胶核表面的电位 • φd：stern平面上的电位 •ξ：滑移面上的电位，可测定， 控制胶粒间电排斥作用的电位， 表征双电层的特征
19
• ⑷胶粒能保持分散状态的原因:
• 带有相同电荷和扩散双电层的结构。 • 水化层的形成: 依赖于胶体带电。
(5)胶粒发生凝聚的机理
胶体的电动电荷密度 即滑移面电荷密度
•
⑵草酸钙沉淀，能促使蛋白质凝固。
•
(2) 去 Ca2+
Mg2+
，
加
三
聚
磷
酸
钠
Na5P3O10
，
同
时
也
可
去
除
• Na5P3O10 + Mg2+→MgNa3PO10+2Na+
•
（络合物）
• (3) 去Fe3+，加黄血盐，形成普鲁士兰沉淀。
• Fe3++[Fe2+(CN)6]4-+K+=K[Fe2+(CN)6Fe3+]
cases, the desired product is in the broth. Antibiotics, are commonly in the
broth; so are extracellular enzymes, many polysaccharides, and most amino acids. In all these cases, the separated