微生物工程工艺原理 第十三章 发酵产物的提取与精制方法
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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
发酵产物的提取与精制方法
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。
2008-4-22
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
2008-4-22
（6） 溶媒的选择 • 较大的溶解度和良好的选择性。 • 相似相溶
四．溶媒的回收： • 蒸馏 • 精馏
2008-4-22
五、萃取技术 （1）双水相萃取
(two aqueous phase extraction)
理论基础：一些高分子水溶液（如聚乙二醇硫酸盐 水溶液）可以分为两个水相，蛋白质在两个水相 中的溶解度有较大差别。
2008-4-22
• B.类型: • 工业用吸附剂主要有三类型: • (1)疏水或非极性吸附剂 • 适合于从极性溶媒(水)中吸附溶质。
• 代表是活性碳，有疏水性。在极性液中， 吸附力：溶质>溶媒，有环>无环。
2008-4-22
(2)亲水或极性吸附剂： 适用于从非极性或小极性溶媒中吸附溶质。
• 代表：硅胶，氧化铝，活性土（铝硅酸）， 有酸性、碱性、中性之分。
2008-4-22
（2）晶格理论: • 晶体:原子型、离子型、分子型和金属型。 • 离子型晶体在极性很大的水中，表现为溶解。 • 离子交换树脂的固体可视为离子型晶体。
2008-4-22
• 离换虽为平衡反应，但在离换过程中，因连 续有新的待交换溶液进入，使平衡不断朝向 正反应方向进行，直至完全。
• 洗脱两种可被吸着的离子时，其被洗脱的能 力则决定于各自的洗脱反应的平衡常数。
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。
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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
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（6） 溶媒的选择 • 较大的溶解度和良好的选择性。 • 相似相溶
四．溶媒的回收： • 蒸馏 • 精馏
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五、萃取技术 （1）双水相萃取
(two aqueous phase extraction)
理论基础：一些高分子水溶液（如聚乙二醇硫酸盐 水溶液）可以分为两个水相，蛋白质在两个水相 中的溶解度有较大差别。
2008-4-22
• B.类型: • 工业用吸附剂主要有三类型: • (1)疏水或非极性吸附剂 • 适合于从极性溶媒(水)中吸附溶质。
• 代表是活性碳，有疏水性。在极性液中， 吸附力：溶质>溶媒，有环>无环。
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(2)亲水或极性吸附剂： 适用于从非极性或小极性溶媒中吸附溶质。
• 代表：硅胶，氧化铝，活性土（铝硅酸）， 有酸性、碱性、中性之分。
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（2）晶格理论: • 晶体:原子型、离子型、分子型和金属型。 • 离子型晶体在极性很大的水中，表现为溶解。 • 离子交换树脂的固体可视为离子型晶体。
2008-4-22
• 离换虽为平衡反应，但在离换过程中，因连 续有新的待交换溶液进入，使平衡不断朝向 正反应方向进行，直至完全。
• 洗脱两种可被吸着的离子时，其被洗脱的能 力则决定于各自的洗脱反应的平衡常数。
生物发酵产物的分离与提纯
生物发酵产物的分离与提纯随着科技的不断发展，生物技术的应用越来越广泛。
生物发酵工艺是一种将微生物用于工业生产的方法，它可以大规模合成各种有机物、制备药品、食品、饲料及化工产品。
但是，在面对液态发酵产物或者分离纯化复杂混合物时，我们不得不面对一些分离提纯的困难。
因此，如何有效地分离提纯生物发酵产物成为了一个值得研究的问题。
一、分离生物发酵产物的方法基本上，生物发酵产物分离的方法可以分为两类：物理方法和化学方法。
1、物理方法物理方法是指利用产物的物理性质（如电性质、磁性质、温度等）进行分离提纯的方法。
（1）过滤分离法过滤是通过将混合物通过限制孔径大小的分离膜，进行分离提纯的方法。
其主要适用于固态物质的分离。
（2）离心分离法离心分离是将混合物置于离心机内，通过离心作用把混合物分离开的方法。
其主要适用于分离液态或半固态物质。
（3）蒸馏分离法蒸馏分离法是将混合物加热到沸腾，利用不同物质在不同温度下的沸点差异，把混合物组分分离开来。
2、化学方法化学方法是指通过对混合物中的分子进行化学改变，使得分离成分发生变化而达到分离提纯的目的。
（1）沉淀法沉淀是指通过化学反应，在混合物中加入一定的物质，使得其产生不相溶的固体颗粒沉淀下来。
沉淀可以通过离心或者过滤的方法进行分离提纯。
（2）萃取法萃取法是指通过溶剂把混合物中想要提取的成分萃取出来。
（3）层析分离法层析分离法是指将混合液置于吸附剂上，通过对吸附剂的选择和操作条件的调节来实现分离。
二、生物发酵产物的提纯方法生物发酵产物的提纯方法主要有以下几种：1、压力液相色谱技术压力液相色谱技术是一种基于分子大小、化学性质、电荷和亲和力的分离技术，其操作简单，分离效果好，且提纯效率高，成本较低。
该技术可以用于分离和提纯各种生物发酵产物，如蛋白质、荷尔蒙和抗生素等。
2、凝胶过滤法凝胶过滤法通过将混合物置于凝胶中，通过物质分子大小的差异实现分离。
它可以分离和提纯各种生物分子，如DNA、RNA、酶和蛋白质等，但是对大分子的分离效果不佳。
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
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
微生物发酵的产物分离与纯化技术
微生物发酵的产物分离与纯化技术在微生物发酵领域，获得高质量和高纯度的产物是至关重要的目标。
而实现这一目标的关键步骤就在于产物的分离与纯化技术。
这些技术不仅决定了最终产物的品质和价值，也对生产效率和成本有着重要影响。
微生物发酵产物的种类繁多，包括但不限于各种有机酸、抗生素、酶、蛋白质、多糖等。
不同的产物具有不同的物理化学性质，因此需要采用相应的分离与纯化方法。
常见的分离方法之一是过滤。
过滤可以通过物理手段将发酵液中的固体颗粒与液体部分分开。
例如，使用微孔滤膜可以去除微小的颗粒和细胞碎片。
这种方法操作相对简单，但对于一些细小的颗粒或者与液体性质相近的物质，过滤效果可能有限。
离心分离也是常用的手段之一。
通过高速旋转产生离心力，使不同密度的物质分层，从而实现分离。
它适用于分离细胞、细胞碎片以及一些较大的颗粒物质。
但离心设备成本较高，且对于某些密度相近的物质分离效果可能不太理想。
沉淀法是基于物质溶解度的差异来实现分离。
通过改变溶液的条件，如 pH 值、温度、加入沉淀剂等，使目标产物沉淀下来。
这种方法相对简单，但可能会导致产物的部分损失和纯度降低。
在分离之后，纯化技术就显得尤为重要。
色谱技术是一种高效的纯化手段，如凝胶过滤色谱、离子交换色谱和亲和色谱等。
凝胶过滤色谱根据分子大小进行分离。
大分子物质先被洗脱出来，小分子物质则后被洗脱。
它适用于分离蛋白质等大分子，但分辨率相对较低。
离子交换色谱则是利用物质所带电荷的不同进行分离。
带正电荷的物质会与带负电荷的树脂结合，通过改变洗脱液的离子强度或 pH 值来洗脱目标物质。
这种方法对于带电的小分子和大分子都有较好的分离效果。
亲和色谱具有高度的选择性。
它利用目标物质与特定配体之间的特异性结合来实现纯化。
例如，对于某种酶，可以使用其底物作为配体进行亲和色谱分离，从而得到高纯度的酶。
但亲和色谱的成本相对较高，且配体的制备和再生可能较为复杂。
膜分离技术在产物纯化中也发挥着重要作用。
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。
发酵产物的提取与精制..120页PPT
发酵产物的提取与精制..
56、极端的法规，就是极端的不公。 ——西 塞罗 57、法律一旦成为人们的需要，人们 就不再 配享受 自由了 。—— 毕达哥 拉斯 58、法律规定的惩罚不是为了私人的 利益， 而是为 了公共 的利益 ；一部 分靠有律他们会更快乐的话 ，那么 法律作 为一件 无用之 物自己 就会消 灭。— —洛克
71、既然我已经踏上这条道路，那么，任何东西都不应妨碍我沿着这条路走下去。——康德 72、家庭成为快乐的种子在外也不致成为障碍物但在旅行之际却是夜间的伴侣。——西塞罗 73、坚持意志伟大的事业需要始终不渝的精神。——伏尔泰 74、路漫漫其修道远，吾将上下而求索。——屈原 75、内外相应，言行相称。——韩非
60、人民的幸福是至高无个的法。— —西塞 罗
谢谢你的阅读
❖ 知识就是财富 ❖ 丰富你的人生
56、极端的法规，就是极端的不公。 ——西 塞罗 57、法律一旦成为人们的需要，人们 就不再 配享受 自由了 。—— 毕达哥 拉斯 58、法律规定的惩罚不是为了私人的 利益， 而是为 了公共 的利益 ；一部 分靠有律他们会更快乐的话 ，那么 法律作 为一件 无用之 物自己 就会消 灭。— —洛克
71、既然我已经踏上这条道路，那么，任何东西都不应妨碍我沿着这条路走下去。——康德 72、家庭成为快乐的种子在外也不致成为障碍物但在旅行之际却是夜间的伴侣。——西塞罗 73、坚持意志伟大的事业需要始终不渝的精神。——伏尔泰 74、路漫漫其修道远，吾将上下而求索。——屈原 75、内外相应，言行相称。——韩非
60、人民的幸福是至高无个的法。— —西塞 罗
谢谢你的阅读
❖ 知识就是财富 ❖ 丰富你的人生
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;
微生物工程工艺原理 第十三章 发酵产物的提取与精制方法(与“萃取”有关的文档共40张)
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（2） pH 值的影响
改变两相的电位差
如体系pH 值与蛋白质的等电点相差越大，则蛋白质在两相中分 配越不均匀。
pH 值的变化也会导致组成体系的物质电性发生变化，也 会使被分离物质的电荷发生改变，从而影响分配的进行。
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（3）离子环境对蛋白质在两相体系分配的影响
从一种溶剂转入另一种溶剂，从而使杂质去除 萃取效率是以分配定律为基础的
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Nernst 分配定律（1891）：在一定温度下，当某一溶质在 两种互不相溶的溶剂中分配达到平衡时，则该溶质在两相 中的浓度之比为一常数，称为分配系数。 对萃取操作来讲：萃取相和萃余相中溶K C质A CB的浓度之 比就是分配系数；用K表示。 在达到平衡时，设溶质在萃取相中浓度为CA ；在萃 余相中为CB 。则：
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同（样4），其对他于（粒有子机迁溶始移剂也于、有助相2表似0面的活世影性响纪剂，、粒6温子0度因年）迁移代而,在从界面1上9积5累6。年瑞典伦德大学Albertsson 发现双
常见的高聚物/ 无机盐体系为: PEG/ 硫酸盐或磷酸盐体系。
水相体系 利用该物质在两种互不相溶的溶剂中溶解度的不同，使之从一种溶剂转入另一种溶剂，从而使杂质去除
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率高于60 %。
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提取液
A
90%
第
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K
CA
CB
2、常用溶媒萃取的工艺 （1）单级提炼法
溶剂 提取液
混合器
分离器
残余液 发酵液
（2）多次提炼法
溶剂
提取液
溶剂
提取液
溶剂
提取液
混合器
分离器
混合器
分离器
混合器
分离器
发酵液 残余液 残余液 残余液
（3）、多级对流萃取
溶剂 最后提取液 提取液 A 90% 第 一 混 合 器 分 离 器 A 70% 提取液 第 二 混 合 器 第 三 混 合 器
(3) 吸附法
P1
P2 1 T1
3
T2
2 4
T1=T2
P1=P2
1—萃取槽； 2—吸附剂； 3—分离槽； 4—泵；
超临界萃取的三种典型流程
6、应用举例
作业：
什么叫双水相萃取，影响双水相萃取的因素有
哪些
什么是反胶团，影响反胶团萃取的因素有哪些 超临界流体萃取的原理是什么
二烷基磷酸盐/ 异辛烷反胶束溶液萃取,并用缓冲液将混合液的
pH 值调至9. 0 ,则溶菌酶完全进入有机相中,而肌红蛋白则留 在水相.
四、超临界流体萃取
超临界流体是处于临界 温度和临界压力以上，介于 气体和液体之间的高密度流 体。在临界温度以上压力不 高时与气体性质相近，压力 较高时则与液体性质更接近， 由此形成的超临界流体的性 质介于汽液两相之间，并易 于随压力调节的特点。
A、与温度诱导相分离的集成
B、磁场增强双水相
C、超声波加强的双水相
D、亲和沉淀的集成
三、反胶团（胶束）萃取 1、定义
反胶束或称逆胶束(Reversed micelle) 是指当有机溶剂中加入表面
活性剂并令其浓度超过某临界值时，表面活性剂便会在有机溶剂中形 成一种稳定的大小为毫微米级的聚集体。
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
阴离子表面活性剂（十二烷基硫酸钠）
（2）pH值
红霉素在pH9.8时，在乙酸戊酯与水相间的分配系数等于44.7， 而在pH5.5时，红霉素在水相与乙酸戊酯间的分配系数等于14.4。
（3）温度
（4）盐析 （5）带溶剂
带溶剂是指这样一种物质，能和被萃取物质形成复合物而易溶于溶
媒中，形成的复合物在一定条件下又容易分解
1、超临界流体（SCF）的特性
物质状 密度（g/cm3） 粘度(g/cm/s) 扩散系数(cm2/s ) 态
气态 液态 (0.6-2) ×10-3 0.6-1.6 (1-3) ×10-4 (0.2-3) ×10-2 0.1-0.4 (0.2-2) ×10-5
SCF
0.2-0.9
(1-9) ×10-4
凡是对蛋白质所含电荷有影响的因素，如pH，以及对反胶束的 静电状态有影响的因素，均能改变蛋白质的增溶作用。
（3）表面活性剂的浓度和种类
（4）其他（有机溶剂、助表面活性剂、温度）
3、应用举例
纯化和分离蛋白质 如对于溶菌酶和肌红蛋白的混合溶液
(两种蛋白质相对分子量相近,等电点分别为11. 1 和6. 8） ,用
在反胶束中，表面活性剂的非极性基团在外与非极性的有机溶剂 接触，而极性基团则排列在内形成一个极性核。此极性核具有溶解极 性物质的能力，极性核溶解水后，就形成了“水池” 。
2、 影响反胶团萃取的因素 （1）溶液的pH
pH影响蛋白质的电荷数量和电荷性质
（2）溶液的离子强度
影响微胶团的静电状态
只要两聚合物水溶液的憎水程度有差异，混合时就可发生
相分离，且憎水程度相差越大，相分离的倾向也就大。
3、常用的双水相体系
高聚物/高聚物体系：聚乙二醇(简称PEG) / 葡聚糖(简称
Dextran) 和PEG/ Dextran
高聚物/无机盐体系：硫酸盐体系。常见的高聚物/ 无机 盐体系为: PEG/ 硫酸盐或磷酸盐体系。
大分子如蛋白质和核酸等分配的主要因素。同样，对于粒
子迁移也有相似的影响，粒子因迁移而在界面上积累。故 只要设法改变界面电势，就能控制蛋白质等电荷大分子转 入某一相。
（4）温度的影响
分配系数对温度的变化不敏感
成相聚合物对蛋白质有稳定化作用,所以室温操作活性
收率依然很高,而且室温时粘度较冷却时(4 ℃) 低,有助于
4、双水相相平衡关系
5、影响物质分配平衡的因素
（1）聚合物及其分子量的影响
不同聚合物的水相系统显示出不同的疏水性，水溶液中
聚合物的疏水性按下列次序递增:
葡萄糖硫酸盐< 甲基葡萄糖< 葡萄糖< 羟丙基葡聚糖< 甲基纤维素< 聚乙烯醇< 聚乙二醇< 聚丙三醇
同一聚合物的疏水性随分子量增加而增加，其大小
萃取效率是以分配定律为基础的
Nernst 分配定律（1891）：在一定温度下，当某一溶
质在两种互不相溶的溶剂中分配达到平衡时，则该溶质
在两相中的浓度之比为一常数，称为分配系数。
C 对萃取操作来讲：萃取相和萃余相中溶质的浓度之
B
K CA
比就是分配系数；用K表示。 在达到平衡时，设溶质在萃取相中浓度为CA ；在萃 余相中为CB 。则：
例如：链霉素在中性下能与二异辛基磷酸酯结合，从而在水相萃
取到三氯乙烷中，然后在酸性下再萃取到水相
二、双水相萃取
1、发展历史
始于20 世纪60年代,从1956 年瑞典伦德大学Albertsson
发现双水相体系
1979 年德国GBF 的Kula 等人将双水相萃取分离技术应 用于生物产品分离
5、超临界流体萃取的典型流程及应用
1. 超临界流体萃取的典型流程 (1) 等温法
P1 2 P2 T1 1 T2 3 4 4 溶质 T1 5 溶质 1 3 T2 2
(2) 等压法
P1
P2
T1=T2
P1>P2
T1<T2
P1=P2
1—萃取槽； 2—膨胀阀； 3—分离槽； 4—压缩机
1—萃取槽； 2—加热器； 3—分离槽； 4—泵；5—冷却器
国内自20世纪80 年代起也开展了双水相萃取技术研究。
2、双水相的形成
将两种不同的水溶性聚合物的水溶液混合时，当聚合物 度达到一定值，体系会自然的分成互不相溶的两相，这 就是双水相体系
形成原因：由于高聚物之间的不相溶性，即高聚物分 子的空间阻碍作用，相互无法渗透，不能形成均一相，从 而具有分离倾向，在一定条件下即可分为二相。一般认为
常见的超临界流体 CO2、氨、乙烯、乙烷、丙烷、丙烯、乙醇、丁醇、 水等 由于CO2的临界温度、临界压力较易达到，而且
化学性质稳定，无毒、无臭、无色、无腐蚀性，容易
得到较纯产品，因此是最常用的超临界流体。
3、某些常用流体的物理特征
4、超临界流体萃取设备
SFE的基本流程是： 由钢瓶提供高纯液体 （CO2）经高压泵系统， 流入保持在一定温度 （高于Tc）下的萃取池。 在萃取池中可溶于SCF 的溶质扩散分配溶解在 SCF中，并随SCF一起 流出萃取池，经阻尼器 减压获升温后进入收集 器，多余的SCF排空或 循环使用。
pH 值的变化也会导致组成体系的物质电性发生变化，也 会使被分离物质的电荷发生改变，从而影响分配的进行。
（3）离子环境对蛋白质在两相体系分配的影响
在双水相聚合物系统中，加入电解质时，其阴阳离 子在两相间会有不同的分配。同时，由于电中性的约束, 存在一穿过相界面的电势差(Donnan 电势) ,它是影响荷电
第十三章 发酵产物的提取与精制方法
第一节
萃取
萃取：利用溶质在互不相溶的两相之间分配系数的不同而 使溶质的得到纯化或浓缩的方法
根据参与溶质分配的两相不同分类： 液固萃取、溶媒萃取、双水相萃取、反胶团萃取、超临
界萃取
一、溶媒萃取法
1、溶媒萃取的基本原理 利用该物质在两种互不相溶的溶剂中溶解度的不同，使 之从一种溶剂转入另一种溶剂，从而使杂质去除
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
(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
特定成分，以达到某种分离的目的。
一般说来，物质的溶解能力与其密度成正比关系。所以，在 临界点附近，温度和压力的微小变化往往会导致溶质的溶解度 发生几个数量级的变化。利用超临界流体的这个性质进行分离 操作效果奇佳，而且过程无相变，能耗较低。因此，超临界流 体已突破了一般流体的范畴。