第二章预处理及固液分离技术
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1、无机离子－利用沉淀作用
钙离子：加草酸或磷酸盐 镁离子：磷酸盐 铁离子：加黄血盐，生成普鲁士蓝沉淀
2、可溶性蛋白质
发酵液的预处理主要是如何使可溶性 蛋白质变性沉淀除去。
第二章预处理及固液分离技术
蛋白质的性质和变性机理 1）沉淀法：酸性溶液与碱性溶液 2）变性法：加热、调pH、酒精、丙酮、表面活性
取决于可分离物质的性质，主要考虑目的物质的 分子大小、热稳定性、pH的适应性。
加热：最简单最经济的预处理方法（常用）
加热能使液体粘度降低，过滤速度加快。 该方法只适合于对热较稳定的生化物质，加热
的温度和时间须严加选择。
第二章预处理及固液分离技术
调pH
改变发酵液的胶体状态 使产物转入液相 使杂质（蛋白、多糖、Ca2+等）发生沉淀。
第二章预处理及Fra Baidu bibliotek液分离技术
2）絮凝作用是指在某些高分子絮凝剂存在下， 基于桥架作用，使胶粒形成较大絮凝团的过 程。
絮凝剂必须具有长链线状的结构，易溶 于水，在长的链节上含有相当多的活性功能 团。
絮凝剂的功能团强烈地吸附在胶粒的表 面上。一个高分子聚合物的许多功能基团分 别吸附在不同颗粒的表面上，因而产生架桥 联接。
第二章预处理及固液分离技术
通常发酵液中细胞或菌体带负电荷，由于静电 引力的作用将溶液中带相反电性的粒子（即正 离子）吸附在周围，在界面上形成了双电层。 反离子化合价越高，即凝聚能力越强。 阳离子对带负电荷的胶粒凝聚能力的次序为： Al3+>Fe3+>Ca2+>Mg2+>K+>Na+>Li+。 常用的凝聚剂有：Al2(S04)3 ·18H20(明矾)； AlCl3·6H20； FeCl3；ZnS04；MgC03等
发酵液属于非牛顿型流体
预处理的目的
需进行预处理
改变发酵液的物理性质，改善流体性能，提高 过滤速率。 使目的产物转相便于后处理（多数是液相）。 去除发酵液中的部分杂质，便于后续操作。
第二章预处理及固液分离技术
（在合适的培养基pH、温度和通气搅拌 （包括菌体、胞
或经厌氧条件下进行生长并合成生物活 外代谢产物或胞
测定导电率 导电率随着破碎率的增加而呈线性增加
第二章预处理及固液分离技术
三、细胞破碎技术
机械法和非机械法 机械法
机械法主要是利用高压、研磨或超声波等 手段在细胞壁上产生的剪切力达到破碎目 的。 包括高压匀浆法、珠磨法和超声破碎法。
第二章预处理及固液分离技术
高压匀浆器 影响匀浆破碎的主要
因素是压力、温度和 通过匀浆器阀的次数。 高压匀浆法的适用范 围较广，在微生物细 胞和植物细胞的大规 模处理中常采用。
正确选择能提高3-10倍速率
第二章预处理及固液分离技术
助滤剂
助滤剂是一种具有特殊性能的细粉 或纤维，它能使某些难于过滤的物料 变得容易过滤。
硅藻土和珍珠岩是两种最常用的助 滤剂。硅藻土是几百年前的水生植物 沉淀下来的遗骸，珍珠岩是处理过的 膨胀火山岩。
第二章预处理及固液分离技术
二、去除杂质的具体方法
剂 3）吸附法：有色物质
常用的是离子交换剂、离子交换纤维、活性碳等 材料的吸附法。
如：强碱性阴离子交换剂用于酪蛋白酶或果胶酶的脱色。 阴离子交换树脂用于谷氨酸发酵液脱色。
第二章预处理及固液分离技术
三、凝聚和絮凝
凝聚与絮凝在预处理中常用于细胞、菌体（胞外 产物）、细胞碎片（胞内产物）以及蛋白质等胶 体粒子的去除。 与热处理和加无机电解质相比，作用条件温和， 实验剂量小。 1）凝聚作用是指在某些电解质作用下，由于胶粒之 间双电层电排斥作用降低，电位下降，而使胶体 体系不稳定的现象。
性物质）
内酶或核酸等）
通过微生物发酵或动植物培养得到的原料液应 首先将其中的菌体或细胞与培养液分离。
如果目标产物为胞外代谢物则直接对培养 液进行分离纯化；
如果目标产物为胞内代谢产物，要对细胞 进行处理，释放目标产物，然后除去细胞 碎片，再进行目标物质的纯化。
第二章预处理及固液分离技术
一、预处理特性的改变方法
第二章预处理及固液分离技术
第四节 细胞破碎
第二章预处理及固液分离技术
定义: 细胞破碎就是采用一定的方法，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，破碎后的细 胞浆液经固液分离除去细胞碎片后，再采 用不同的分离手段进一步纯化.
第二章预处理及固液分离技术
一、细胞壁的组成和结构
第二章预处理及固液分离技术
絮凝剂包括各种天然聚合物和人工合成聚合物。
天然絮凝剂：多糖、海藻酸钠、明胶和骨胶等。 无毒、 使用安全、适于食品或医药。 人工合成的絮凝剂：聚丙烯酰胺类、聚苯乙烯类 物和聚丙烯酸类聚合物等。 某些絮凝剂可能具有一定的毒性，在食品和医药 工业的使用中应考虑最终能否从产品中除去。
第二章 预处理及固 液分离技术
2012.02
第二章预处理及固液分离技术
主要内容
预处理的本质（固-液分离） 发酵液的相对纯化方法 絮凝的基本原理和影响因素 细胞破碎的方法 影响离心分离的因素、方法及设备
第二章预处理及固液分离技术
发酵液的预处理
由于 目的产品在发酵液中浓度很低
与许多杂质（溶解的和悬浮的）夹在一起，
微生物细胞壁的化学组成和结构 细菌：肽聚糖的网状结构 酵母菌：葡聚糖，甘露聚糖，蛋白质 真菌：聚合物的网状结构、几丁质、纤 维素的纤维状结构
植物细胞壁的化学组成和结构 初生壁，次生壁 具有很高的机械强度
第二章预处理及固液分离技术
二、细胞破碎效果的检查
直接测定法 测定破碎前后的细胞数量
目的产物测定法 测定破碎液中目的产物的释放量（含量、活 性）
第二章预处理及固液分离技术
高速珠磨机（high spced bead mill） 研磨是常用的一种方 法，它将细胞悬浮液 与玻璃小珠、石英砂 或氧化铝等研磨剂一 起快速搅拌，使细胞 获得破碎。
一般用草酸或无机酸、碱来调节。
通常加热和调pH协同作用。
例 链霉素生产发酵液预处理时，采用调pH＝3.0 左右，加热至70℃，维持半小时以凝固蛋白质， 这样可使过滤速度增大10～100倍，滤液粘度 降低为原先的1/6。
第二章预处理及固液分离技术
反应剂
加入某些反应剂，某些物质或杂 质能转为助滤剂，可消除这些物质 对过滤的影响，从而提高速率。
钙离子：加草酸或磷酸盐 镁离子：磷酸盐 铁离子：加黄血盐，生成普鲁士蓝沉淀
2、可溶性蛋白质
发酵液的预处理主要是如何使可溶性 蛋白质变性沉淀除去。
第二章预处理及固液分离技术
蛋白质的性质和变性机理 1）沉淀法：酸性溶液与碱性溶液 2）变性法：加热、调pH、酒精、丙酮、表面活性
取决于可分离物质的性质，主要考虑目的物质的 分子大小、热稳定性、pH的适应性。
加热：最简单最经济的预处理方法（常用）
加热能使液体粘度降低，过滤速度加快。 该方法只适合于对热较稳定的生化物质，加热
的温度和时间须严加选择。
第二章预处理及固液分离技术
调pH
改变发酵液的胶体状态 使产物转入液相 使杂质（蛋白、多糖、Ca2+等）发生沉淀。
第二章预处理及Fra Baidu bibliotek液分离技术
2）絮凝作用是指在某些高分子絮凝剂存在下， 基于桥架作用，使胶粒形成较大絮凝团的过 程。
絮凝剂必须具有长链线状的结构，易溶 于水，在长的链节上含有相当多的活性功能 团。
絮凝剂的功能团强烈地吸附在胶粒的表 面上。一个高分子聚合物的许多功能基团分 别吸附在不同颗粒的表面上，因而产生架桥 联接。
第二章预处理及固液分离技术
通常发酵液中细胞或菌体带负电荷，由于静电 引力的作用将溶液中带相反电性的粒子（即正 离子）吸附在周围，在界面上形成了双电层。 反离子化合价越高，即凝聚能力越强。 阳离子对带负电荷的胶粒凝聚能力的次序为： Al3+>Fe3+>Ca2+>Mg2+>K+>Na+>Li+。 常用的凝聚剂有：Al2(S04)3 ·18H20(明矾)； AlCl3·6H20； FeCl3；ZnS04；MgC03等
发酵液属于非牛顿型流体
预处理的目的
需进行预处理
改变发酵液的物理性质，改善流体性能，提高 过滤速率。 使目的产物转相便于后处理（多数是液相）。 去除发酵液中的部分杂质，便于后续操作。
第二章预处理及固液分离技术
（在合适的培养基pH、温度和通气搅拌 （包括菌体、胞
或经厌氧条件下进行生长并合成生物活 外代谢产物或胞
测定导电率 导电率随着破碎率的增加而呈线性增加
第二章预处理及固液分离技术
三、细胞破碎技术
机械法和非机械法 机械法
机械法主要是利用高压、研磨或超声波等 手段在细胞壁上产生的剪切力达到破碎目 的。 包括高压匀浆法、珠磨法和超声破碎法。
第二章预处理及固液分离技术
高压匀浆器 影响匀浆破碎的主要
因素是压力、温度和 通过匀浆器阀的次数。 高压匀浆法的适用范 围较广，在微生物细 胞和植物细胞的大规 模处理中常采用。
正确选择能提高3-10倍速率
第二章预处理及固液分离技术
助滤剂
助滤剂是一种具有特殊性能的细粉 或纤维，它能使某些难于过滤的物料 变得容易过滤。
硅藻土和珍珠岩是两种最常用的助 滤剂。硅藻土是几百年前的水生植物 沉淀下来的遗骸，珍珠岩是处理过的 膨胀火山岩。
第二章预处理及固液分离技术
二、去除杂质的具体方法
剂 3）吸附法：有色物质
常用的是离子交换剂、离子交换纤维、活性碳等 材料的吸附法。
如：强碱性阴离子交换剂用于酪蛋白酶或果胶酶的脱色。 阴离子交换树脂用于谷氨酸发酵液脱色。
第二章预处理及固液分离技术
三、凝聚和絮凝
凝聚与絮凝在预处理中常用于细胞、菌体（胞外 产物）、细胞碎片（胞内产物）以及蛋白质等胶 体粒子的去除。 与热处理和加无机电解质相比，作用条件温和， 实验剂量小。 1）凝聚作用是指在某些电解质作用下，由于胶粒之 间双电层电排斥作用降低，电位下降，而使胶体 体系不稳定的现象。
性物质）
内酶或核酸等）
通过微生物发酵或动植物培养得到的原料液应 首先将其中的菌体或细胞与培养液分离。
如果目标产物为胞外代谢物则直接对培养 液进行分离纯化；
如果目标产物为胞内代谢产物，要对细胞 进行处理，释放目标产物，然后除去细胞 碎片，再进行目标物质的纯化。
第二章预处理及固液分离技术
一、预处理特性的改变方法
第二章预处理及固液分离技术
第四节 细胞破碎
第二章预处理及固液分离技术
定义: 细胞破碎就是采用一定的方法，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，破碎后的细 胞浆液经固液分离除去细胞碎片后，再采 用不同的分离手段进一步纯化.
第二章预处理及固液分离技术
一、细胞壁的组成和结构
第二章预处理及固液分离技术
絮凝剂包括各种天然聚合物和人工合成聚合物。
天然絮凝剂：多糖、海藻酸钠、明胶和骨胶等。 无毒、 使用安全、适于食品或医药。 人工合成的絮凝剂：聚丙烯酰胺类、聚苯乙烯类 物和聚丙烯酸类聚合物等。 某些絮凝剂可能具有一定的毒性，在食品和医药 工业的使用中应考虑最终能否从产品中除去。
第二章 预处理及固 液分离技术
2012.02
第二章预处理及固液分离技术
主要内容
预处理的本质（固-液分离） 发酵液的相对纯化方法 絮凝的基本原理和影响因素 细胞破碎的方法 影响离心分离的因素、方法及设备
第二章预处理及固液分离技术
发酵液的预处理
由于 目的产品在发酵液中浓度很低
与许多杂质（溶解的和悬浮的）夹在一起，
微生物细胞壁的化学组成和结构 细菌：肽聚糖的网状结构 酵母菌：葡聚糖，甘露聚糖，蛋白质 真菌：聚合物的网状结构、几丁质、纤 维素的纤维状结构
植物细胞壁的化学组成和结构 初生壁，次生壁 具有很高的机械强度
第二章预处理及固液分离技术
二、细胞破碎效果的检查
直接测定法 测定破碎前后的细胞数量
目的产物测定法 测定破碎液中目的产物的释放量（含量、活 性）
第二章预处理及固液分离技术
高速珠磨机（high spced bead mill） 研磨是常用的一种方 法，它将细胞悬浮液 与玻璃小珠、石英砂 或氧化铝等研磨剂一 起快速搅拌，使细胞 获得破碎。
一般用草酸或无机酸、碱来调节。
通常加热和调pH协同作用。
例 链霉素生产发酵液预处理时，采用调pH＝3.0 左右，加热至70℃，维持半小时以凝固蛋白质， 这样可使过滤速度增大10～100倍，滤液粘度 降低为原先的1/6。
第二章预处理及固液分离技术
反应剂
加入某些反应剂，某些物质或杂 质能转为助滤剂，可消除这些物质 对过滤的影响，从而提高速率。