发酵液预处理和固液分离
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一发酵液的预处理二凝聚和絮凝技术三发酵液的过滤
第2章 发酵液旳预处理和固液分离措施
一.发酵液旳预处理： 二.凝聚和絮凝技术： 三.发酵液旳过滤：
一.生化分离工程旳工艺流程：
二.发酵液旳预处理技术：
目旳： 针对对象： 预处理措施： 高价离子旳清除： 杂蛋白质旳清除： 有色物质旳清除
三.凝聚和絮凝技术
凝聚技术 絮凝技术
凝聚技术
扩散双电层旳构造模型图 胶粒能保持分散状态旳原因 双电层特征旳表征和电动电位（ξ） 常用旳凝聚剂
常用絮凝剂旳种类：
1.聚丙烯酰胺（Polyacrylamide）衍生物： 非离子型： 阴离子型：（含-COOH） 阳离子型：（含-NH2）
2.苯乙烯类衍生物及其无机高分子聚合物絮凝剂 聚合铝盐 聚合铁盐
3.天然有机高分子絮凝剂 明胶 海藻酸钠 骨胶 甲壳素 甲酰胺 多聚糖类胶粘物
四.发酵液旳过滤：
常用旳凝聚剂
Al2(SO4)3.18H2O(明矾)，AlCl3.6H2O，FeCl3， ZnSO4，MgCO3
阳离子对负电荷旳胶粒凝聚能力顺序为： Al3+>Fe3+>H+>Ca2+>Mg2+>K+>Na+因 常用絮凝剂旳种类
絮凝作用旳影响原因：
絮凝剂用量:絮凝效果呈钟形变化。 溶液旳pH：pH主要影响离子型絮凝剂中功能团 旳电离度，从而影响了分子链旳伸展状态，变化了 架桥能力。 搅拌速度和时间： 助滤剂：添加助滤剂能增长絮凝效果。
4.1 过滤方程式：
一般微生物旳发酵液多属非牛顿型液体，具可压缩性。 在恒压条件下，可压缩性滤饼旳比阻值rB视为常数，其过滤方 程为：
q2=2*Δp/(μ*rB*XB)*τ 据滤饼旳重量比阻rB可衡量不同发酵液过滤旳难易程度。 rB 越小越易过滤，单位面积滤液量q越大。
一.发酵液旳预处理： 二.凝聚和絮凝技术： 三.发酵液旳过滤：
一.生化分离工程旳工艺流程：
二.发酵液旳预处理技术：
目旳： 针对对象： 预处理措施： 高价离子旳清除： 杂蛋白质旳清除： 有色物质旳清除
三.凝聚和絮凝技术
凝聚技术 絮凝技术
凝聚技术
扩散双电层旳构造模型图 胶粒能保持分散状态旳原因 双电层特征旳表征和电动电位（ξ） 常用旳凝聚剂
常用絮凝剂旳种类：
1.聚丙烯酰胺（Polyacrylamide）衍生物： 非离子型： 阴离子型：（含-COOH） 阳离子型：（含-NH2）
2.苯乙烯类衍生物及其无机高分子聚合物絮凝剂 聚合铝盐 聚合铁盐
3.天然有机高分子絮凝剂 明胶 海藻酸钠 骨胶 甲壳素 甲酰胺 多聚糖类胶粘物
四.发酵液旳过滤：
常用旳凝聚剂
Al2(SO4)3.18H2O(明矾)，AlCl3.6H2O，FeCl3， ZnSO4，MgCO3
阳离子对负电荷旳胶粒凝聚能力顺序为： Al3+>Fe3+>H+>Ca2+>Mg2+>K+>Na+因 常用絮凝剂旳种类
絮凝作用旳影响原因：
絮凝剂用量:絮凝效果呈钟形变化。 溶液旳pH：pH主要影响离子型絮凝剂中功能团 旳电离度，从而影响了分子链旳伸展状态，变化了 架桥能力。 搅拌速度和时间： 助滤剂：添加助滤剂能增长絮凝效果。
4.1 过滤方程式：
一般微生物旳发酵液多属非牛顿型液体，具可压缩性。 在恒压条件下，可压缩性滤饼旳比阻值rB视为常数，其过滤方 程为：
q2=2*Δp/(μ*rB*XB)*τ 据滤饼旳重量比阻rB可衡量不同发酵液过滤旳难易程度。 rB 越小越易过滤，单位面积滤液量q越大。
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
51
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。
52
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。
29
（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。
30
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
31
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
18
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。
20
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。
53
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。
54
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。
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。
29
（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。
30
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
31
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
18
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。
20
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。
53
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。
54
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。
生物工艺学第二章发酵液的预处理与固液分离2
收集胞内产物的细胞或菌体，分离除 去液相，
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）。
42
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
43
（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。
4
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。
24
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。
25
2）天然有机高分子絮凝剂
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）。
42
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
43
（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。
4
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。
24
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。
25
2）天然有机高分子絮凝剂
第二章 预处理及固—液分离
4、过滤技术在生物技术中的应用
23、惰性助滤剂的使用
1）基本概念和使用方法
种颗粒均匀．质地坚硬．不可压缩的粉状或纤维状 的固体，能形成疏松结构。它能使滤饼疏松，减 小过滤阻力．使滤速增大，提高滤饼的刚性和孔 隙率的惰性材料。
要求：作助滤剂的物质应能较好地悬浮于料液 中，且颗粒大小合适，助滤剂中还不应含有可溶 于滤液的物质，以免污染滤液。助滤剂必须不吸 附或很少吸附生化物质。
对于好的定形的晶体，这是一种最直接的步
骤。常用来分离固体量较大的悬浮液.
在过滤操作中，要求滤速快、滤液澄清，并且有高的收 率。
根据过滤机理，过滤操作可分为澄清过滤和滤饼过滤。
澄清过滤：
过滤介质为硅藻土、砂、颗粒活性炭、玻璃珠、塑料颗粒等，当悬浮液通过滤 层时，固体颗粒被阻拦或吸附在滤层的颗粒上，使滤液得以澄清，适合于固体 含量少于0.1g/100ml、颗粒直径在5-100um的悬浮液的过滤分离，如河水、麦 芽汁、酒类和饮料等的澄清。
2）固体剪切：研磨，珠磨，捣碎。
• 高速珠磨法
• 设备是珠后机，瑞士WBC公司和德国西门 子机械公司均制造各种型号的珠磨机，其破碎机 下：微生物细胞悬浮液与极细的研磨剂在搅拌浆 作用下充分混合，珠子之间以及珠子和细胞之间 和互相剪切、碰撞，促使细胞壁破碎，释出内含 物，在珠波分离器的协助下，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， 生的热量由夹套中的冷却液带走。 存在的问题：操作参数多，一般赁经验估计 并且珠子之间的液体损失30％左右。
4.酶解法（enzymatic lysis）：
外加酶法： 根据细胞壁的结构和组成特点，选用适当的酶：溶菌酶、 纤维素酶、蜗牛酶、半纤维素酶、脂酶等，将细胞壁分解， 使细胞内含物释放出来。有些细菌对溶菌酶不敏感，加入 少量巯基试剂或8摩尔尿素处理后，使之转为对溶菌酶敏 感而溶解。 自溶法（autolysis）: 在一定PH和适当的温度下，利用组织细胞内自身的酶系 统将细胞破碎的方法。此过程需较长时间，常用少量防腐 剂如甲苯、氯仿等防止细胞的污染。
23、惰性助滤剂的使用
1）基本概念和使用方法
种颗粒均匀．质地坚硬．不可压缩的粉状或纤维状 的固体，能形成疏松结构。它能使滤饼疏松，减 小过滤阻力．使滤速增大，提高滤饼的刚性和孔 隙率的惰性材料。
要求：作助滤剂的物质应能较好地悬浮于料液 中，且颗粒大小合适，助滤剂中还不应含有可溶 于滤液的物质，以免污染滤液。助滤剂必须不吸 附或很少吸附生化物质。
对于好的定形的晶体，这是一种最直接的步
骤。常用来分离固体量较大的悬浮液.
在过滤操作中，要求滤速快、滤液澄清，并且有高的收 率。
根据过滤机理，过滤操作可分为澄清过滤和滤饼过滤。
澄清过滤：
过滤介质为硅藻土、砂、颗粒活性炭、玻璃珠、塑料颗粒等，当悬浮液通过滤 层时，固体颗粒被阻拦或吸附在滤层的颗粒上，使滤液得以澄清，适合于固体 含量少于0.1g/100ml、颗粒直径在5-100um的悬浮液的过滤分离，如河水、麦 芽汁、酒类和饮料等的澄清。
2）固体剪切：研磨，珠磨，捣碎。
• 高速珠磨法
• 设备是珠后机，瑞士WBC公司和德国西门 子机械公司均制造各种型号的珠磨机，其破碎机 下：微生物细胞悬浮液与极细的研磨剂在搅拌浆 作用下充分混合，珠子之间以及珠子和细胞之间 和互相剪切、碰撞，促使细胞壁破碎，释出内含 物，在珠波分离器的协助下，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， 生的热量由夹套中的冷却液带走。 存在的问题：操作参数多，一般赁经验估计 并且珠子之间的液体损失30％左右。
4.酶解法（enzymatic lysis）：
外加酶法： 根据细胞壁的结构和组成特点，选用适当的酶：溶菌酶、 纤维素酶、蜗牛酶、半纤维素酶、脂酶等，将细胞壁分解， 使细胞内含物释放出来。有些细菌对溶菌酶不敏感，加入 少量巯基试剂或8摩尔尿素处理后，使之转为对溶菌酶敏 感而溶解。 自溶法（autolysis）: 在一定PH和适当的温度下，利用组织细胞内自身的酶系 统将细胞破碎的方法。此过程需较长时间，常用少量防腐 剂如甲苯、氯仿等防止细胞的污染。
第三章-发酵液的预处理2-3
通过电解质的加入促进原始溶液的凝聚和絮凝， 试剂有简单的电解质、酸、碱、合成的聚合电 解质。
2021/2/5
• 凝聚与絮凝处理过程就是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，使其聚集起来,增大 体积以便固液分离。
• 凝聚和絮凝技术常用于菌体细小而且黏度大的发 酵液的预处理中。
2021/2/5
Filtrate Volume, cm3
pH 2.8
pH 3.8 600
pH 4.2 400 200 pH 4.6
0 0 6 12 18 Time,minutes
The effect on filtrate volume of pH
2021/2/5
4、加入助滤剂（filter aids）
如万古霉素用淀粉作培养基，发酵液过滤前加入0.025%的淀 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。
2021/2/5
第二节 发酵液的相对纯化
一、发酵液中的杂质
1、高价无机离子（Ca2+、Mg2+、Fe3+） 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。
2、杂蛋白 常规过滤或膜过滤时，易使过滤介质堵塞。 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。
2021/2/5
二、预处理目的
⑴改变发酵液固体粒子物理性质，如增大悬浮液 中固体粒子的尺寸，加快固体粒子的沉降速度。
⑵相对纯化，去除发酵液中的部分杂质（高价无 机离子和杂蛋白质），以利于后续各步操作。
⑶尽可能使产物转入便于后处理的一相中（多数 是液相）；四环素类抗生素、链霉素。
2021/2/5
• 凝聚与絮凝处理过程就是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，使其聚集起来,增大 体积以便固液分离。
• 凝聚和絮凝技术常用于菌体细小而且黏度大的发 酵液的预处理中。
2021/2/5
Filtrate Volume, cm3
pH 2.8
pH 3.8 600
pH 4.2 400 200 pH 4.6
0 0 6 12 18 Time,minutes
The effect on filtrate volume of pH
2021/2/5
4、加入助滤剂（filter aids）
如万古霉素用淀粉作培养基，发酵液过滤前加入0.025%的淀 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。
2021/2/5
第二节 发酵液的相对纯化
一、发酵液中的杂质
1、高价无机离子（Ca2+、Mg2+、Fe3+） 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。
2、杂蛋白 常规过滤或膜过滤时，易使过滤介质堵塞。 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。
2021/2/5
二、预处理目的
⑴改变发酵液固体粒子物理性质，如增大悬浮液 中固体粒子的尺寸，加快固体粒子的沉降速度。
⑵相对纯化，去除发酵液中的部分杂质（高价无 机离子和杂蛋白质），以利于后续各步操作。
⑶尽可能使产物转入便于后处理的一相中（多数 是液相）；四环素类抗生素、链霉素。
第二章 发酵液的预处理
采用的吸附剂: 磷酸氢二钠和氯化钙形 成的CaHPO4凝胶、氧化铝凝胶、聚丙酰胺 凝胶等。
七、高价无机离子去除的方法
发酵液中主要的无机离子有：Ca2+、 Mg2+和Fe3+等。
主要影响离子交换树脂的交换容量。
1.钙离子的去除 发酵液中的钙离子主要来自培养基中的营
养盐成分，常采用酸化剂将其除去。
通常使用的酸化剂为草酸以及草酸钠，形 成草酸钙沉淀。草酸钙还能使杂蛋白质凝固， 改善发酵液的过滤性能。
（1）大部分是水； （2）细胞或碎片； （3）少量未用完的培养基； （4）一定量的代谢产物及副产物。
2.发酵液的特性
（1）发酵产物浓度较低，大多为1%~10%； 大部分为水，一般为90%~99%。
（2）发酵液中的悬浮固形物主要是菌体和蛋白 的胶状物，其颗粒小，带电荷，可形成稳定的胶 体溶液；相对密度与液相相差不大；固体粒子可 压缩性大；液相粘度大，大多为非牛顿型流体。
絮凝处理的结果不仅大大改善了离心分离后滤
液的澄清度, 使细胞碎片的去除率提高了十倍以上, 而且凝固了部分可溶性杂蛋白质, 滤液总蛋白的含 量降低了40％。实验还证明, 在絮凝过程中, β-半 乳糖苷酶的活性并没有受到影响。
二、加水稀释法和加热法（降低液体粘度的方法）
根据流体力学原理，滤液通过滤饼的速率与 液体的粘度成反比，因此，降低液体的粘度可有 效提高过滤速度。常用的方法：加水稀释法和加 热法。
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。
（2）絮凝剂的分类 A、按絮凝剂官能团分为三大类型： 阴离子性：聚丙烯酸钠和聚苯乙烯磺酸。 阳离子性：聚丙烯酸二烷基胺乙酯和聚二烯丙基 四胺盐。 非离子性：聚氧化乙烯等。 B.根据来源分: 有机高分子聚合物：聚丙烯酰胺类衍生物、聚苯 乙烯类衍生物。 无机高分子聚合物：聚合铝盐、聚合铁盐等。 天然高分子有机物：海藻酸钠、明胶、骨胶、壳 多糖等。
七、高价无机离子去除的方法
发酵液中主要的无机离子有：Ca2+、 Mg2+和Fe3+等。
主要影响离子交换树脂的交换容量。
1.钙离子的去除 发酵液中的钙离子主要来自培养基中的营
养盐成分，常采用酸化剂将其除去。
通常使用的酸化剂为草酸以及草酸钠，形 成草酸钙沉淀。草酸钙还能使杂蛋白质凝固， 改善发酵液的过滤性能。
（1）大部分是水； （2）细胞或碎片； （3）少量未用完的培养基； （4）一定量的代谢产物及副产物。
2.发酵液的特性
（1）发酵产物浓度较低，大多为1%~10%； 大部分为水，一般为90%~99%。
（2）发酵液中的悬浮固形物主要是菌体和蛋白 的胶状物，其颗粒小，带电荷，可形成稳定的胶 体溶液；相对密度与液相相差不大；固体粒子可 压缩性大；液相粘度大，大多为非牛顿型流体。
絮凝处理的结果不仅大大改善了离心分离后滤
液的澄清度, 使细胞碎片的去除率提高了十倍以上, 而且凝固了部分可溶性杂蛋白质, 滤液总蛋白的含 量降低了40％。实验还证明, 在絮凝过程中, β-半 乳糖苷酶的活性并没有受到影响。
二、加水稀释法和加热法（降低液体粘度的方法）
根据流体力学原理，滤液通过滤饼的速率与 液体的粘度成反比，因此，降低液体的粘度可有 效提高过滤速度。常用的方法：加水稀释法和加 热法。
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。
（2）絮凝剂的分类 A、按絮凝剂官能团分为三大类型： 阴离子性：聚丙烯酸钠和聚苯乙烯磺酸。 阳离子性：聚丙烯酸二烷基胺乙酯和聚二烯丙基 四胺盐。 非离子性：聚氧化乙烯等。 B.根据来源分: 有机高分子聚合物：聚丙烯酰胺类衍生物、聚苯 乙烯类衍生物。 无机高分子聚合物：聚合铝盐、聚合铁盐等。 天然高分子有机物：海藻酸钠、明胶、骨胶、壳 多糖等。
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。
固液分离技术PPT课件
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第一节 发酵液的预处理技术
根据絮凝剂所带电性的不同，分阴离子型、阳离子型和非离 子型三类。对于带有负电性的微粒，加入阳离子型絮凝剂， 具有降低离子排斥电位和产生吸附架桥作用的双重机制；而 非离子型和阳离子型絮凝剂，主要通过分子间引力和氢键等 作用产生吸附架桥。影响絮凝作用的主要因素有：
①高分子絮凝剂的性质和结构 线性结构的有机高分子 絮凝剂，其絮凝作用大，而成环状或支链结构的有机高分子 絮凝剂的效果较差。絮凝剂的分子量越大、线性分子链越长， 絮凝效果越好；但分子量增大，絮凝剂在水中的溶解度降低， 因此要选择适宜分子量的絮凝剂。
加水稀释法可有效降低液体粘度，但会增加悬浮液的体 积，使后处理任务加大，并且只有当稀释后过滤速率提高的 百分比大于加水比时，从经济上才能认为有效。
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3
第一节 发酵液的预处理技术
升高温度可有效降低液体粘度，从而提高过滤速率，常 用于粘度随温度变化较大的流体。另外，应用加热法的同时， 可控制适当温度和受热时间，使蛋白质凝聚形成较大颗粒， 进一步改善发酵液的过滤特性。如链霉素发酵液，调酸至 pH3.0后，加热至70℃，维持半小时，液相粘度下降至1/6， 过滤速率可增大10～100倍。使用加热法时必须注意：①加热 的温度必须控制在不影响目的产物活性的范围内；②对于发 酵液，温度过高或时间过长，可能造成细胞溶解，胞内物质 外溢，而增加发酵液的复杂性，影响其后的产物分离与纯化。
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第一节 发酵液的预处理技术
常用的凝聚剂有AlCl3·6H2O、Al2(SO4)3·18H2O、 K2SO4·Al2(SO4)3·24H2O、FeSO4·7H2O、 FeCl3·6H2O、ZnSO4和MgCO3等。电解质凝聚能力可用 凝聚值来表示，使胶粒发生凝聚作用的最小电解质浓度
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
发酵液的预处理讲解
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。
影响絮凝效果的因素：
1) 絮凝剂浓度（用量） 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
Ga2+：加入草酸和草酸盐，生成草酸钙；加入磷 酸盐，生成磷酸钙
Mg2+：加入草酸（沉淀不完全）；加入磷酸盐， 生成磷酸镁；三聚磷酸钠（Na5P3O10），生成可 溶性络合物
Fe3+：加入黄血盐，生成普鲁士兰沉淀
二、 发酵液的过滤
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，过滤就是将悬浮在发酵液中的固体颗粒 与液体进行分离的过程。 定义：
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，
在一定的压力差下，利用多孔性介质截留固液悬浮液中 的固体粒子，进行固液分离的方法称为过滤。
1.过滤介质
使滤液通过，截留固体颗粒并支撑滤饼的材料。 要求其具有多孔性、耐腐蚀性及足够的机械强度。
工业常用的过滤介质：织物介质、多孔性固体、 粒状介质。 无定形颗粒：无烟煤、砂、颗粒活性炭、铁矿砂等
成形颗粒：烧结金属、烧结塑料以及用合成树脂粘 结的硅砂、塑料颗粒等，做成圆筒形或板状。
这种包括凝聚和絮凝机理的过程，常称为混凝。
影响絮凝效果的因素：
1) 絮凝剂浓度（用量） 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
Ga2+：加入草酸和草酸盐，生成草酸钙；加入磷 酸盐，生成磷酸钙
Mg2+：加入草酸（沉淀不完全）；加入磷酸盐， 生成磷酸镁；三聚磷酸钠（Na5P3O10），生成可 溶性络合物
Fe3+：加入黄血盐，生成普鲁士兰沉淀
二、 发酵液的过滤
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，过滤就是将悬浮在发酵液中的固体颗粒 与液体进行分离的过程。 定义：
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，
在一定的压力差下，利用多孔性介质截留固液悬浮液中 的固体粒子，进行固液分离的方法称为过滤。
1.过滤介质
使滤液通过，截留固体颗粒并支撑滤饼的材料。 要求其具有多孔性、耐腐蚀性及足够的机械强度。
工业常用的过滤介质：织物介质、多孔性固体、 粒状介质。 无定形颗粒：无烟煤、砂、颗粒活性炭、铁矿砂等
成形颗粒：烧结金属、烧结塑料以及用合成树脂粘 结的硅砂、塑料颗粒等，做成圆筒形或板状。
第二章 发酵液的预处理和固
二、发酵液的预处理（续）
调整pH（预处理中较常用方法）： – pH直接影响发酵液中某些物质的电离度和电 荷性质，调节pH可改善其过滤特性； 如调液pH值使蛋白质等达到等电点以除去；膜 过滤中，发酵液中的大分子物质易与膜发生吸附， 调pH值改变易吸附分子的电荷性质，即可减少堵 塞和污染。 – 调pH时，选较温和的酸或碱，防止局部过酸、 过碱。常用草酸
选择和使用助滤剂要点
根据目的产物选择助滤剂品种；
根据过滤介质和过滤情况选择助滤
剂品种； 粒度选择：
– 与悬浮液中固体粒子的尺寸相适应。
使用量选择： – 与悬浮液中固形物含量相等，过滤速 度最快。
二、发酵液的预处理（续）
加入反应剂：
– 加入某些反应剂（不影响产物），利 用反应剂和某些可溶性盐类发生反应 生成不溶性沉淀。 –作用：生成的沉淀能防止菌丝体粘结， 使菌丝具有块状结构，沉淀本身可作 为助滤剂，并且能使胶状物和悬浮物 凝固，消除发酵液中某些杂质对过滤 的影响，从而改善过滤性能。
第二节 发酵液的固液分离
固液分离的目的：
– 收集胞内产物的细菌或菌体，分离除 去液相； – 收集含生化物质的液相，分离除去固 体悬浮物； 固液分离的方法：离心分离、过滤、分 离筛、重力沉降、浮选分离。
不同性状的发酵液应选择不同的固液分离方法 霉菌和放线菌发酵液：过滤方法 细菌和酵母菌发酵液（未经预处理）：高速离心。 细菌和酵母菌发酵液（进行预处理）：过滤方法。
举例：如菌体较小的氨基酸发酵液，采用絮凝 和添加助滤剂等方法进行预处理后，即可用板 框过滤机或带式过滤机进行菌体分离
一、影响固液分离的因素
发酵液中细胞或菌体、各种悬浮粒子的
大小和形状：
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。
发酵液预处理和固液分离原理及方法
发酵液预处理和固液分离原理及方法摘要：本文对发酵液预处理的方法、工艺，固液分离原理和工艺进行了简单的阐述让我们了解到发酵液预处理的各种方法与重要性。
固液分离是一个很复杂的过程，本文从固液分离的理论基础作为切入点，深入的探讨了固液分离原理与工艺。
关键词：发酵液预处理固液分离工艺引言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。
正文：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。
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发酵液预处理和固液分离
预处理和固液分离内容
提取生化物质的第一步，分两部分：
发酵液
预处理
固液分离
胞外 上清液/滤液
胞内 富集细胞
第一节 发酵液过滤特性的改变
一、发酵液预处理的基本思路 二、预处理的目的 三、发酵液预处理的方法
一、发酵液预处理的基本思路
✓ 发酵液成分很复杂，包含菌（细胞）体，胞内外代谢产物， 及剩余的培养基残分等；
B、加热使蛋白质变性凝固，去除杂蛋白 变性蛋白质的溶解度小。
麦芽汁的黏度-温度曲线
麦芽汁40℃粘度为 12×10-3 升高至75℃其粘度 可下降一半以上，
过滤速率可加倍。
链霉素在pH3.0， 加热至70℃半
小时，粘度下 降1/6，过滤速 率可增大10-100
倍。
加热时必须严格控制温度和时间：
加热温度不能影响目的产物的活性及其他性质。 避免氧化、分解、变性等。
加热时间不能太长，否则会使细胞溶解，胞内 物质大量外溢，增加发酵液的复杂性，影响目 的产物的分离纯化。
2、调节pH
pH值直接影响发酵液中某些物质的电离度和电荷性质，适当 调节pH值可改善其过滤特性。
细胞(碎片)及某些胶体物质在某个pH值下也可能趋 于絮凝而成为较大颗粒，有利于过滤的进行。
1、降低液体的粘度
降低液体的粘度可以有效提高过滤的速率。
流体力学原理过滤速率与液体的粘度成反 比，降低液体粘度可有效提高过滤速率。
常用方法有加水稀释和加热处理。
1）加水稀释
会增加悬浮液的体积，加大后续过程的处理任务。 稀释后的过滤速率提高的百分比必须大于加水比才
能有效。
2）加热
A、加热降低液体粘度 液体黏度是温度的指数函数，升温是降低黏度的 有效措施。
必要。 预处理是生化物质分离纯化过程中必不可少的首要步骤
二、预处理的目的
预处理的目的：促进从悬浮液中分离固形物的 速度，提高固液分离的效率：
（1）改变发酵液的物理性质，包括增大悬浮液中 固体粒子的尺寸，降低液体黏度。
（2）相对纯化，去除发酵液中的部分杂质（高价 无机离子和杂蛋白质），以利于后续各步操作。
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。大幅度改变pH还能使蛋白质变性凝固。
通过调整pH值改变膜过滤中易吸附分子的电荷性质， 可减少膜堵塞和污染；
影响离子型絮凝剂的电离度。
pH 2.8
Filtrate Volume, cm3
pH 3.8 600
pH 4.2 400
200
pH 4.6
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。
这些特性使得发酵液的过滤与分离相当困难。
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。 寻找一种经济有效的方法来提高固液分离速度显得十分
✓ 不管人们所需要的产物是胞内还是胞外，都首先要进行培 养液的固液分离，才能进行后续的操作；
✓ 对于胞外产物，可先将菌体或其他悬浮杂质去除，才能从 澄清的滤液中提取代谢产物；
✓ 对于胞内产物，首先富集菌体，再进行细胞破碎和碎片分 离，然后才能提取胞内产物。
发酵液的基本特性
1、发酵液成分复杂。 2、发酵产物浓度低，悬浮液中大部分是水。 3、悬浮物颗粒小，相对密度与液相差别不大。造成液相粘 度很大，不宜过滤。 4、菌体、蛋白等固体颗粒可压缩性大。 5、产物性质不稳定，随时间易发生变化，如氧化、污染、 蛋白质水解等作用的影响。 6、发酵液中含有色素、毒性物质、热源物质等，对产品的 质量安全及卫生标准产生不利影响。
（3）尽可能使产物转入便于后处理的一相中（多 数是液相）。
生物技术下游加工过程的一般步骤
三、发酵液预处理的方法
1. 加热法 （Heating） 2. 调节悬浮液的pH值（Regulation of pH） 3. 助滤剂和反应剂 （Filter aids and Reactant ) 4. 杂蛋白的去除（Reቤተ መጻሕፍቲ ባይዱoval of useless protein） 5. 高价无机离子的去除（Removal of inorganic ion） 6. 凝聚和絮凝（Coagulation and flocculation）
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The effect on filtrate volume of pH
pH值的调整需要注意：
保护目的物活性，一般不宜过酸或过碱。 加酸或加碱时要慢慢地边加边搅拌，避免局部
浓度过高，引起目的产物变性。
3、凝聚 Coagulation
采用凝聚与絮凝技术能有效的改变细胞、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。
两种相反作用力下，双电层分裂成两部： 1）吸附层（紧密层）；2）扩散层。 形成了扩散双电层的结构模型。
双电层可分为两部分：
紧密层：距胶核表面约一个离子半径的stern平 面以内，正离子被紧密结合在胶核表面，不流动。
分散层：紧密层外围反离子浓度逐渐降低直至达 到主体溶液的平均浓度。
滑移面：当胶体粒子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。
还能有效的除去杂蛋白质和固体杂质，提高滤液 的质量，因此絮凝与凝聚是目前工业上最常用的 预处理方法之一。
凝聚是指在电解质作用下，由于胶粒之间扩散双电 层电位下降，电排斥作用降低，破坏胶体体系的分 散状态，使之不稳定相互凝集成1mm左右块状凝聚 体的现象。
蛋白质胶体溶液的稳定性 蛋白质的相对分子质量在5*103-1*106之间，分
预处理和固液分离内容
提取生化物质的第一步，分两部分：
发酵液
预处理
固液分离
胞外 上清液/滤液
胞内 富集细胞
第一节 发酵液过滤特性的改变
一、发酵液预处理的基本思路 二、预处理的目的 三、发酵液预处理的方法
一、发酵液预处理的基本思路
✓ 发酵液成分很复杂，包含菌（细胞）体，胞内外代谢产物， 及剩余的培养基残分等；
B、加热使蛋白质变性凝固，去除杂蛋白 变性蛋白质的溶解度小。
麦芽汁的黏度-温度曲线
麦芽汁40℃粘度为 12×10-3 升高至75℃其粘度 可下降一半以上，
过滤速率可加倍。
链霉素在pH3.0， 加热至70℃半
小时，粘度下 降1/6，过滤速 率可增大10-100
倍。
加热时必须严格控制温度和时间：
加热温度不能影响目的产物的活性及其他性质。 避免氧化、分解、变性等。
加热时间不能太长，否则会使细胞溶解，胞内 物质大量外溢，增加发酵液的复杂性，影响目 的产物的分离纯化。
2、调节pH
pH值直接影响发酵液中某些物质的电离度和电荷性质，适当 调节pH值可改善其过滤特性。
细胞(碎片)及某些胶体物质在某个pH值下也可能趋 于絮凝而成为较大颗粒，有利于过滤的进行。
1、降低液体的粘度
降低液体的粘度可以有效提高过滤的速率。
流体力学原理过滤速率与液体的粘度成反 比，降低液体粘度可有效提高过滤速率。
常用方法有加水稀释和加热处理。
1）加水稀释
会增加悬浮液的体积，加大后续过程的处理任务。 稀释后的过滤速率提高的百分比必须大于加水比才
能有效。
2）加热
A、加热降低液体粘度 液体黏度是温度的指数函数，升温是降低黏度的 有效措施。
必要。 预处理是生化物质分离纯化过程中必不可少的首要步骤
二、预处理的目的
预处理的目的：促进从悬浮液中分离固形物的 速度，提高固液分离的效率：
（1）改变发酵液的物理性质，包括增大悬浮液中 固体粒子的尺寸，降低液体黏度。
（2）相对纯化，去除发酵液中的部分杂质（高价 无机离子和杂蛋白质），以利于后续各步操作。
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。大幅度改变pH还能使蛋白质变性凝固。
通过调整pH值改变膜过滤中易吸附分子的电荷性质， 可减少膜堵塞和污染；
影响离子型絮凝剂的电离度。
pH 2.8
Filtrate Volume, cm3
pH 3.8 600
pH 4.2 400
200
pH 4.6
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。
这些特性使得发酵液的过滤与分离相当困难。
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。 寻找一种经济有效的方法来提高固液分离速度显得十分
✓ 不管人们所需要的产物是胞内还是胞外，都首先要进行培 养液的固液分离，才能进行后续的操作；
✓ 对于胞外产物，可先将菌体或其他悬浮杂质去除，才能从 澄清的滤液中提取代谢产物；
✓ 对于胞内产物，首先富集菌体，再进行细胞破碎和碎片分 离，然后才能提取胞内产物。
发酵液的基本特性
1、发酵液成分复杂。 2、发酵产物浓度低，悬浮液中大部分是水。 3、悬浮物颗粒小，相对密度与液相差别不大。造成液相粘 度很大，不宜过滤。 4、菌体、蛋白等固体颗粒可压缩性大。 5、产物性质不稳定，随时间易发生变化，如氧化、污染、 蛋白质水解等作用的影响。 6、发酵液中含有色素、毒性物质、热源物质等，对产品的 质量安全及卫生标准产生不利影响。
（3）尽可能使产物转入便于后处理的一相中（多 数是液相）。
生物技术下游加工过程的一般步骤
三、发酵液预处理的方法
1. 加热法 （Heating） 2. 调节悬浮液的pH值（Regulation of pH） 3. 助滤剂和反应剂 （Filter aids and Reactant ) 4. 杂蛋白的去除（Reቤተ መጻሕፍቲ ባይዱoval of useless protein） 5. 高价无机离子的去除（Removal of inorganic ion） 6. 凝聚和絮凝（Coagulation and flocculation）
0
0
6
12
18
Time,minutes
The effect on filtrate volume of pH
pH值的调整需要注意：
保护目的物活性，一般不宜过酸或过碱。 加酸或加碱时要慢慢地边加边搅拌，避免局部
浓度过高，引起目的产物变性。
3、凝聚 Coagulation
采用凝聚与絮凝技术能有效的改变细胞、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。
两种相反作用力下，双电层分裂成两部： 1）吸附层（紧密层）；2）扩散层。 形成了扩散双电层的结构模型。
双电层可分为两部分：
紧密层：距胶核表面约一个离子半径的stern平 面以内，正离子被紧密结合在胶核表面，不流动。
分散层：紧密层外围反离子浓度逐渐降低直至达 到主体溶液的平均浓度。
滑移面：当胶体粒子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。
还能有效的除去杂蛋白质和固体杂质，提高滤液 的质量，因此絮凝与凝聚是目前工业上最常用的 预处理方法之一。
凝聚是指在电解质作用下，由于胶粒之间扩散双电 层电位下降，电排斥作用降低，破坏胶体体系的分 散状态，使之不稳定相互凝集成1mm左右块状凝聚 体的现象。
蛋白质胶体溶液的稳定性 蛋白质的相对分子质量在5*103-1*106之间，分