生物分离工程 第2章过滤(发酵液预处理和固液分离)
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发酵液的预处理与固液分离
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（ Ca2+、Mg2+、 Fe3+ ）和杂蛋白质等。
二、 发酵液的预处理
采用理化方法设法增大悬浮液中固体粒 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和 杂蛋白质等。
预处理的方法
1，高价无机离子的去除方法 2，杂蛋白质的去除 3，发酵液的凝聚和絮凝
3 发酵液的凝聚和絮凝
凝聚和絮凝技术能有效地改变细胞、菌体和蛋 白质等胶体粒子的分散状态，使聚集起来，增 大体积，以便于过滤，常用于菌体细小而且粘 度大的发酵液的预处理中。
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
酶解作用
如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。
3、固—液分离设备的选择
不同性状约发酵液应选择不同的固—液 分离设备。常用于发酵液的分离设备有：
✓ 板框压滤机 ✓ 鼓式真空过滤机 ✓ 离心沉降分离机
如新生霉素发酵液中加入氯化钙和磷酸钠，生成的磷 酸钙可作为填充-凝固剂。
一方面作为助滤剂，另一方面还可使某些蛋白质凝固。 又如环丝氨酸发酵液用氧化钙和磷酸处理，生成的磷
酸钙沉淀，能使悬浮物凝固。多余的磷酸根离子，还 能除去钙、镁离子。并且在发酵液中不会引入其它阳 离子而影环环丝氨酸的离子交换吸附。正确选择反应 剂和反应条件，能使过滤速度提高3~10倍。
2 杂蛋白质的去除方法
热变性 沉淀 大幅度改变pH 加有机溶剂
杂蛋白质的去除方法
热变性 变性蛋白质溶解度较小。最常用的使蛋
二、 发酵液的预处理
采用理化方法设法增大悬浮液中固体粒 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和 杂蛋白质等。
预处理的方法
1，高价无机离子的去除方法 2，杂蛋白质的去除 3，发酵液的凝聚和絮凝
3 发酵液的凝聚和絮凝
凝聚和絮凝技术能有效地改变细胞、菌体和蛋 白质等胶体粒子的分散状态，使聚集起来，增 大体积，以便于过滤，常用于菌体细小而且粘 度大的发酵液的预处理中。
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
酶解作用
如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。
3、固—液分离设备的选择
不同性状约发酵液应选择不同的固—液 分离设备。常用于发酵液的分离设备有：
✓ 板框压滤机 ✓ 鼓式真空过滤机 ✓ 离心沉降分离机
如新生霉素发酵液中加入氯化钙和磷酸钠，生成的磷 酸钙可作为填充-凝固剂。
一方面作为助滤剂，另一方面还可使某些蛋白质凝固。 又如环丝氨酸发酵液用氧化钙和磷酸处理，生成的磷
酸钙沉淀，能使悬浮物凝固。多余的磷酸根离子，还 能除去钙、镁离子。并且在发酵液中不会引入其它阳 离子而影环环丝氨酸的离子交换吸附。正确选择反应 剂和反应条件，能使过滤速度提高3~10倍。
2 杂蛋白质的去除方法
热变性 沉淀 大幅度改变pH 加有机溶剂
杂蛋白质的去除方法
热变性 变性蛋白质溶解度较小。最常用的使蛋
生物分离工程 第2章过滤(发酵液预处理和固液分离)
六.过滤条件的优化
应用优化因素** a 单位质量助滤剂的滤液最大产量 b 使用周期 c 流速
七.过滤设备
（1） 过滤设备种类： ** a 间歇式：分过滤、洗涤、卸饼、清洗、安装等步骤 如叶滤机、板框压滤机等； b 连续式：大多真空操作, 如转筒真空过滤机、圆盘真空过滤机。 （2） 叶滤机（如图所示） 恒压操作，过滤面积=洗涤面积 过滤终了时的滤饼厚度=洗涤滤饼厚度
发酵液的预处理和固液分离
三.影响过滤的因素**
菌种：真菌，放线菌，细菌 培养基：黄豆，花生，淀粉，后期加油，培养基未
用完 发酵时间：菌丝自溶前放罐 黏度（发酵液）
过滤的难易程度**
根据滤饼的重量比阻值，可衡量各种不同发酵液过
滤的难易程度。一般，真菌的菌丝比较粗大，如青
霉素的重量比阻为（0.15一0.20）× l012 m／kg左
其分子中含有相当多的活性官能团 ，使之与胶粒表面结合
3)絮凝剂的分类：**
解离情况：阳离子型，阴离子型，非离子型
来源不同：有机高分子聚合物：如聚丙烯酰胺等
无机高分子聚合物：如聚合铝盐，聚合铁盐等；
天然有机高分子聚合物：如壳聚糖和葡聚糖等聚糖类、明 胶、骨胶和海藻酸钠等；
微生物絮凝剂:是一类由微生物产生的具有絮凝细胞功能 的物质，主要成分是糖蛋白、黏多糖、纤维素和核酸等高 分子物质。同其它絮凝剂相比，其优点是安全、无毒和不 污染环境。
2.分类： **
滤饼过滤：悬浮液置于介质一侧，固体物沉积于 介质表面形成滤饼； 深床过滤：分离出的固体颗粒并不形成滤饼，而 是沉积于较厚的粒状过滤介质的床层内过滤 滤浆 洗涤液
深层过滤 洗液
滤液
二.过滤的目的
1.收集胞内产物的细胞或菌体，分离除去液 相， 2.收集含生化物质的液相，分离除去固体悬 浮物，如细胞、菌体、细胞碎片、蛋白质 的沉淀物和它们的絮凝体等。
生物分离工程第二章 预处理和固液分离
b 园盘真空过滤器
与转鼓真空过滤器相比．圆盘直径大．更易实现大型化。 其最大过滤面积可达400m2。
圆盘盘式真空过滤器有两种变种．即水平圆盘过滤器及水平回 转翻盘式过滤器，如图所示，其中前者适用于对滤饼洗涤效果 要求较高的场合、而后者过滤时圆盘向上，卸料时则翻转向下， 借重力或压缩空气卸去滤饼，因此适合于过滤密度大、浓度高 的粗颗粒悬浮液。
表滤饼和介质。
cake 滤饼
传统的过滤
Conventional filtration
滤饼的厚度(lc)可用下式表示：
通常给滤饼的比阻定义为:α=Rc/ρw
由于过滤介质产生的流动阻力可以使其转变成 为当量滤饼厚度lF ，设VF是该当量滤饼厚度的 滤液当量体积，则滤液的流速可表示为：
U A dV
2.4.1 过滤的理论基础
过滤操作理论分析的起点是达西(Darcy)定律
(2.1)
式中U=(1/A)×(dV/dt)为流体的速度，V为在时间t内 排出液体的体积，A为床层的横断面积，Δp为通过厚 度为l 的床层时液体的压力降,K为比例常数，与流体 和床层的性质有关，又称为达西定律的渗透度。
2.5.1 过滤基础理论
c 水平带式真空过滤器
水平带式真空过滤器的优点是处理量大(滤饼厚度可200mm)， 并可根据对物质的洗净要求进行滤饼的洗涤，洗涤效果良好， 无需搅动装置．操作也灵活，其缺点为：占地面积大，有效过 滤面积小，投资较高。
(2) 压滤器
根据结构型式可将压滤机分为：板框式压滤器、加压叶滤器、 带式压滤机和气压罐式连续压滤器等，其中前面两种属于间歇 型，后面两种属于连续型。
絮凝剂按官能团分为阴离子、阳离子和非 离子三大类型，熟知的聚丙烯酰胺絮凝剂， 经不同改性可以成为上述三种类型之一。 除此以外，人工合成的高分子絮凝剂还有 非离子性的聚氧化乙烯；阴离子性的聚丙 烯酸钠和聚苯乙烯磺酸，阳离子性的聚丙 烯酸二烷基胺乙酯和聚二烯丙基四胺盐等 等。天然和生物絮凝剂目前用得较少。
生物分离工程复习重点
第二章发酵液的预处理和固液分离的方法一、名词1、凝聚：凝聚作用就是向胶体悬浮液中加入某种电解质，在电解质中异电离子作用下，胶粒的双电层电位降低，使胶体体系不稳定，胶体粒子间因相互碰撞而产生凝集（1mm左右）的现象。
2、絮凝：是指在某些高分子絮凝剂存在下，基于桥架作用，当一个高分子聚合物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，形成粗大的絮凝团（10mm）的过程。
絮凝是一种以物理的集合为主的过程。
3、混凝：对于非离子型和阴离子型高分子絮凝剂通常会与无机电解质凝聚剂搭配使用。
在发酵液中首先加入无机电解质凝聚剂，使得悬浮粒子间的相互排斥能降低，脱稳而凝聚成微粒，然后再加入絮凝剂，通过分子间引力和氢键作用产生吸附架桥形成絮凝团的过程。
这种包括凝聚和絮凝机理的过程称为混凝。
4、亲和絮凝：利用絮凝剂和细胞膜表面某种组分间具有的专一性亲和连接作用而产生吸附架桥。
如硼酸盐（四硼酸纳）可与多羟基的糖类化合物（甘露糖醇、山梨糖醇）发生专一性亲和连接作用而产生吸附架桥。
5、凝聚价：电解质的凝聚能力可用凝聚价或凝聚值来表示，使胶粒发生凝聚作用的最小电解质浓度（毫摩尔／升）6、过滤：过滤是借助过滤介质，将悬浮在发酵液中的固体颗粒与液体进行分离的过程。
7、质量比阻：衡量过滤特性的主要指标是滤饼的质量比阻（r B），表示单位滤饼厚度的阻力系数，与滤饼结构特性有关。
8、离心技术：离心技术是借助离心机旋转所产生的离心力，对具有不同沉降系数或浮力密度的物质进行分离、浓缩和提纯的一项技术；其目的是达到固-液或液-液的分离。
9、分离因子（Z）：离心力/重力加速度(g)的比值，也称为相对离心力(RCF)。
衡量离心程度的一个参数,用于离心机的分类。
10、沉降系数：指单位离心力作用下颗粒沉降的速度。
一般用斯维德贝格单位(Svedbergs) S 表示，1S =10−13s。
11、壁效应：由于溶剂在层析容器周壁附近流动不均匀造成分离区带在边缘部分扩散和弯曲的现象。
第二章-发酵液预处理与固液分离
采用絮凝和添加助滤剂等方法进行预处理后，细菌和酵母 菌细胞悬浮液亦可采用过滤方法进行固液分离。
（粒度、密度差；投资、能耗、适应性）
2.2.1 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。
过滤介质filter medium : 过滤采用的多孔物质；
2.1.2.6 加入反应剂
（1）生成不溶性沉淀
加入反应剂和某些可溶性盐类发生反应生成不溶性沉淀 ，如 CaSO4 、AlPO4 等。
产生的沉淀可作为助滤剂，并且能使胶状物和悬浮物凝固，从而 改善过滤性能。
如环丝氨酸发酵液用氧化钙和磷酸处理，生成磷酸钙沉淀，能使 过滤速率提高3～10倍。
（3） 错流过滤（Cross-Flow Filtration ）
在分离细菌、细胞碎片等悬浮液时，由于其固体颗粒细 微，可压缩性大，所形成的滤饼阻力很大，随着过滤过 程的进行，过滤速度迅速下降。因而一般过滤不适合细 菌悬浮液的分离。
错流过滤（Cross-Flow Filtration)又称切向流过滤，是 一种维持恒压下高速过滤的技术。其操作特点是使悬浮 液在过滤介质表面作切向流动，利用流动的剪切作用将 过滤介质表面的固体（滤饼）移走。
粗制产品：如工业用酶制剂，只需考虑产品提取。 精制产品：有纯度要求，大多数生物产品属此类，其
分离回收过程一般包括预处理与固液分离、提取、精 制和成品加工四步。
精制产品分离纯化一般流程：
胞外产品：
发酵液 ↓预处理
目的产物尽量进液相 ↓固液分离
收集液相 ↓
后提取与精制
•胞内产品：
发酵液 ↓预处理
动盘(18个孔，分别与扇 形格的18个通道相连)； 定盘(三个凹槽：滤液真 空凹槽、洗水真空凹槽、 压缩空气凹槽，分别将动 盘的18个孔道分成三个通 道)； 滤浆槽。
（粒度、密度差；投资、能耗、适应性）
2.2.1 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。
过滤介质filter medium : 过滤采用的多孔物质；
2.1.2.6 加入反应剂
（1）生成不溶性沉淀
加入反应剂和某些可溶性盐类发生反应生成不溶性沉淀 ，如 CaSO4 、AlPO4 等。
产生的沉淀可作为助滤剂，并且能使胶状物和悬浮物凝固，从而 改善过滤性能。
如环丝氨酸发酵液用氧化钙和磷酸处理，生成磷酸钙沉淀，能使 过滤速率提高3～10倍。
（3） 错流过滤（Cross-Flow Filtration ）
在分离细菌、细胞碎片等悬浮液时，由于其固体颗粒细 微，可压缩性大，所形成的滤饼阻力很大，随着过滤过 程的进行，过滤速度迅速下降。因而一般过滤不适合细 菌悬浮液的分离。
错流过滤（Cross-Flow Filtration)又称切向流过滤，是 一种维持恒压下高速过滤的技术。其操作特点是使悬浮 液在过滤介质表面作切向流动，利用流动的剪切作用将 过滤介质表面的固体（滤饼）移走。
粗制产品：如工业用酶制剂，只需考虑产品提取。 精制产品：有纯度要求，大多数生物产品属此类，其
分离回收过程一般包括预处理与固液分离、提取、精 制和成品加工四步。
精制产品分离纯化一般流程：
胞外产品：
发酵液 ↓预处理
目的产物尽量进液相 ↓固液分离
收集液相 ↓
后提取与精制
•胞内产品：
发酵液 ↓预处理
动盘(18个孔，分别与扇 形格的18个通道相连)； 定盘(三个凹槽：滤液真 空凹槽、洗水真空凹槽、 压缩空气凹槽，分别将动 盘的18个孔道分成三个通 道)； 滤浆槽。
Ch2 发酵液的预处理和固液分离方法幻灯片
5
6
②胶粒能保持分散状态的原因：
主要是带有相同电荷和扩散双电层结构，一旦 由于布朗(Brown)运动使粒子间距离缩小到它们的 扩散层部分重叠时，即产生电排斥作用，使两个粒 子分开，从而阻止了粒子的聚集。ζ电位越大，电 排斥作用就越强，胶粒的分散程度也越大，此外由 于胶粒表面的水化作用，形成了包括于粒子周围的 水化层，也能阻碍胶粒间的直接聚集。但是水化膜 主要是伴随胶粒带电而引起的，一旦ζ电位降低或 消除，水化层也随之减弱消失。
T(s)
5 10 20
30
V(10-6m3) 40 55 80
95
求滤比阻和过滤介质阻力Rm。
23
解：据实验数据以q对 t/q 作图，得到一条过 滤操作直线，其截矩B≈0，即过滤介质阻力 Rm=0，由此可求得直线的斜率 M=(2.8 × 103))/(10.2 ×10-3 ) =2.75×105
热敏感的生化物质不易用该法。
36
六、全发酵液提取
为避开固液分离操作,从悬浮液中直接 提取生化物质是国内外学者探索的方向 第一，用膜分离技术进行全发酵液的提取 第二，用双水相萃取进行全发酵液的提取 第三，用扩张床吸附进行全发酵液的提取
37
本章小结：
重点： 难点： 作业：
1、改善发酵液的过滤性能方法有哪些？ 试简述之。
9
(2)絮凝作用(flocculation)：
①概念：
指在某些高分子絮 凝剂存在下，在悬 浮粒子之间产生架 桥作用，而使粒胶 形成粗大的絮凝团 的过程，它是一种 以物理的集合为主 的过程。
10
②絮凝剂按带电状况分：
阳离子絮凝剂、阴离子絮凝剂、非离子型的絮凝剂。
凝聚和絮凝机理的过程，常称为混凝。
③絮凝剂按其来源分：
6
②胶粒能保持分散状态的原因：
主要是带有相同电荷和扩散双电层结构，一旦 由于布朗(Brown)运动使粒子间距离缩小到它们的 扩散层部分重叠时，即产生电排斥作用，使两个粒 子分开，从而阻止了粒子的聚集。ζ电位越大，电 排斥作用就越强，胶粒的分散程度也越大，此外由 于胶粒表面的水化作用，形成了包括于粒子周围的 水化层，也能阻碍胶粒间的直接聚集。但是水化膜 主要是伴随胶粒带电而引起的，一旦ζ电位降低或 消除，水化层也随之减弱消失。
T(s)
5 10 20
30
V(10-6m3) 40 55 80
95
求滤比阻和过滤介质阻力Rm。
23
解：据实验数据以q对 t/q 作图，得到一条过 滤操作直线，其截矩B≈0，即过滤介质阻力 Rm=0，由此可求得直线的斜率 M=(2.8 × 103))/(10.2 ×10-3 ) =2.75×105
热敏感的生化物质不易用该法。
36
六、全发酵液提取
为避开固液分离操作,从悬浮液中直接 提取生化物质是国内外学者探索的方向 第一，用膜分离技术进行全发酵液的提取 第二，用双水相萃取进行全发酵液的提取 第三，用扩张床吸附进行全发酵液的提取
37
本章小结：
重点： 难点： 作业：
1、改善发酵液的过滤性能方法有哪些？ 试简述之。
9
(2)絮凝作用(flocculation)：
①概念：
指在某些高分子絮 凝剂存在下，在悬 浮粒子之间产生架 桥作用，而使粒胶 形成粗大的絮凝团 的过程，它是一种 以物理的集合为主 的过程。
10
②絮凝剂按带电状况分：
阳离子絮凝剂、阴离子絮凝剂、非离子型的絮凝剂。
凝聚和絮凝机理的过程，常称为混凝。
③絮凝剂按其来源分：
Chapter 2 发酵液的预处理与固液分离
微生物或动植物细胞在合适的培养基，pＨ值，温度和通气 搅拌（或厌气）等发酵条件下进行生长和合成生物活性物质 —目标产品； 培养（发酵）液中包含了菌（细胞）体，胞内外代谢产物， 胞内的细胞物质及剩余的培养基残分等； 只有将固，液分离开，才能从澄清的滤液中采用物理、化学 的方法提取代谢产物，或从细胞出发进行破碎、碎片分离和 提取胞内产物。
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，并作为研究凝聚机理的重要参数。 胶粒能保持分散状态的原因主要是带有相同电荷和扩 散双电层的结构，一旦由于布朗（Brown）运动使粒子 间距离缩小到它们的扩散层部分重叠时，即产生使两 个粒子分开的斥力，从而阻止了粒子的聚集。ζ电位 越大，电排斥作用就越强，胶粒的分散程度也越大。 此外，由于胶粒表面的水化作用，形成了包围于粒子 周围的水化层，也能阻碍胶粒间的直接聚集。
发酵液的胶体性质
水合膜和双电层的存在，使蛋白质的分子与分子
之间不会相互凝聚，成为比较稳定的胶体溶液。
如果消除水合膜或双电层其中一个因素，蛋白质
溶液就会变得不稳定，两种因素都消除时，蛋白 质分子就会互相凝聚成较大的分子而产生沉淀。
凝聚（Coagulation）
胶体悬浮液中加入某种电解质，在电解质作用下，胶
无机高分子聚合物，如聚合铝盐、聚合铁盐等。 天然有机高分子絮凝剂，如聚糖类胶粘物、海藻
酸钠、明胶、骨胶、壳多糖、脱乙酰壳多糖等。
微生物絮凝剂
直接利用微生物细胞的絮凝剂，如某些细菌、
霉菌、放线菌和酵母；
利用微生物细胞提取物的絮凝剂，如酵母细胞
壁的葡聚糖、甘露聚糖、蛋白质和N一乙酰葡 萄糖胺等成分；
ζ电位
ζ电位的基本公式为：
第二章 发酵液的预处理与固液分离
3K4Fe(CN)6+4 Fe2+ =Fe4[Fe(CN)6]3+12K+
2、杂蛋白的去除
沉淀法
变性法
吸附法
40
2.1 沉淀法
等电点沉淀法
蛋白质的等电点大多在酸性范围内(pH4.0～5.5)，调 节发酵液的pH到蛋白质的等电点可除去蛋白质。
酸碱调节，使蛋白质与离子形成沉淀
在酸性溶液中，蛋白质与一些阴离子形成沉淀，如三氯 乙酸盐、水杨酸盐、苦味酸盐等； 在碱性溶液中，蛋白质与一些阳离子形成沉淀，如Ag+ 、Cu2+、Zn2+、Fe3+等。
滤布
特点：
液体
固体
分离速度快； 分离效率高； 液相澄清度好；
液体
离心管
固体 过滤式离心
沉降式离心
投资高； 能耗大。
49
适用对象
固体颗粒小 粘度很大 过滤速率慢甚至难以过滤的悬浮液 忌用助滤剂的悬浮液
50
1.沉降式离心
原理：利用固-液两相的相对密度差，在离 心机无孔转鼓或离心管中进行悬浮液的分离 操作。
天然有机高分子絮凝剂具有无毒，易生物降解， 原料来源广等优点。
天然有机高分子改性絮凝剂根据其原料来源不同 可分为淀粉类、纤维素类、植物胶类和聚多糖类。 其中淀粉改性絮凝剂的研究开发最引人注目。
30
3）无机高分子聚合物
有聚合铁系和铝系两大类
铁系具有操作简单、费用低，受温度影响小，亲和 力强，能有效地去除悬浮物、表面活性剂、破坏油 水乳状液的能力很强等优点，缺点腐蚀性强、稳定 性差。 铝系是目前应用广、工艺较成熟的一类无机金属盐 絮凝剂，絮凝效果好，缺点具有一定毒性等。
7
2、杂蛋白的去除
沉淀法
变性法
吸附法
40
2.1 沉淀法
等电点沉淀法
蛋白质的等电点大多在酸性范围内(pH4.0～5.5)，调 节发酵液的pH到蛋白质的等电点可除去蛋白质。
酸碱调节，使蛋白质与离子形成沉淀
在酸性溶液中，蛋白质与一些阴离子形成沉淀，如三氯 乙酸盐、水杨酸盐、苦味酸盐等； 在碱性溶液中，蛋白质与一些阳离子形成沉淀，如Ag+ 、Cu2+、Zn2+、Fe3+等。
滤布
特点：
液体
固体
分离速度快； 分离效率高； 液相澄清度好；
液体
离心管
固体 过滤式离心
沉降式离心
投资高； 能耗大。
49
适用对象
固体颗粒小 粘度很大 过滤速率慢甚至难以过滤的悬浮液 忌用助滤剂的悬浮液
50
1.沉降式离心
原理：利用固-液两相的相对密度差，在离 心机无孔转鼓或离心管中进行悬浮液的分离 操作。
天然有机高分子絮凝剂具有无毒，易生物降解， 原料来源广等优点。
天然有机高分子改性絮凝剂根据其原料来源不同 可分为淀粉类、纤维素类、植物胶类和聚多糖类。 其中淀粉改性絮凝剂的研究开发最引人注目。
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3）无机高分子聚合物
有聚合铁系和铝系两大类
铁系具有操作简单、费用低，受温度影响小，亲和 力强，能有效地去除悬浮物、表面活性剂、破坏油 水乳状液的能力很强等优点，缺点腐蚀性强、稳定 性差。 铝系是目前应用广、工艺较成熟的一类无机金属盐 絮凝剂，絮凝效果好，缺点具有一定毒性等。
7
第二章发酵液的预处理和固液分离方法
采用凝聚和絮凝技术能有效地除去杂蛋 白质和固体杂质，提高滤液质量。
1．凝聚
凝聚是指在电解质作用下，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。
在生理pH值下，发酵液中的菌体或蛋白质常 常带有负电荷，由于静电引力的作用，使溶液中 带相反电荷的阳离子被吸附在其周围，在界面上 形成双电层。
应用实例：
在膜过滤中，发酵液中的大分子物质易 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。
细胞、细胞碎片及某些胶体物质等在某 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。
三、凝聚与絮凝
采用凝聚和絮凝技术能有效改变大分子 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；
第二章 发酵液的预处理 和固液分离方法
发酵液预处理的目的
①改变发酵液的物理性质，提高固液 分离效率；
②尽可能使产物转入便于后处理的某 一相中(多为液相)；
③去除发酵液中部分杂质，以利于提 取和精制后续各工序的顺利进行。
2.1 发酵液过滤特性的改变
微生物发酵液的特性
① 发酵产物浓度较低，而且悬浮液中大部分是水； ② 悬浮物颗粒小，相对密度与液相相差不大； ③ 固体粒子可压缩性大； ④ 液相粘度大，大多为非牛顿型流体； ⑤ 性质不稳定，随时间变化。
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 添加助滤剂
一、降低液体粘度
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，降低液体粘度就可 有效提高过滤速率。
降低液体粘度的常用方法 加水稀释法 加热法
加水稀释法
1．凝聚
凝聚是指在电解质作用下，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。
在生理pH值下，发酵液中的菌体或蛋白质常 常带有负电荷，由于静电引力的作用，使溶液中 带相反电荷的阳离子被吸附在其周围，在界面上 形成双电层。
应用实例：
在膜过滤中，发酵液中的大分子物质易 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。
细胞、细胞碎片及某些胶体物质等在某 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。
三、凝聚与絮凝
采用凝聚和絮凝技术能有效改变大分子 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；
第二章 发酵液的预处理 和固液分离方法
发酵液预处理的目的
①改变发酵液的物理性质，提高固液 分离效率；
②尽可能使产物转入便于后处理的某 一相中(多为液相)；
③去除发酵液中部分杂质，以利于提 取和精制后续各工序的顺利进行。
2.1 发酵液过滤特性的改变
微生物发酵液的特性
① 发酵产物浓度较低，而且悬浮液中大部分是水； ② 悬浮物颗粒小，相对密度与液相相差不大； ③ 固体粒子可压缩性大； ④ 液相粘度大，大多为非牛顿型流体； ⑤ 性质不稳定，随时间变化。
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 添加助滤剂
一、降低液体粘度
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，降低液体粘度就可 有效提高过滤速率。
降低液体粘度的常用方法 加水稀释法 加热法
加水稀释法
发酵液预处理及固液分离方法
发酵液的预处理
一、发酵液过滤特性的改变
微生物发酵液的成分极为复杂，其中除了所培养的微生物菌体及残 存的固体培养基外，还有未被微生物完全利用的糖类、无机盐、蛋 白质，以及微生物的各种代谢产物。
微生物发酵液的特性为：
① 发酵产物浓度较低，大多为1-10%，悬浮液中大部分是水； ② 悬浮物颗粒小，相对密度与液相相差不大；
B. 常用过滤设备
（1）板框压滤机
广泛应用于培养基制备的过滤及霉菌、放线菌、
酵母菌和细菌等多种发酵液的固液分离。适合于 固体含量1-10%的悬浮液的分离。
优点 过滤面积大，结构简单，价格低，动力消耗少，
对不同过滤特性的发酵液适应性强。
缺点
不能连续操作，设备笨重，劳动强度大，卫生条 件差，非过滤的辅助时间较长。
发酵液的预处理和固液分离方法
目的
不仅在于分离细胞、菌体和其它悬浮颗粒（细胞 碎片、核酸和蛋白质的沉淀物）， 还希望除去部分可溶性杂质和改变滤液的性质， 以利于后继各步操作。
采用絮凝或凝聚的方法，设法增大悬浮液中固体粒子
的大小，提高其沉降速度；
或采用稀释、加热等方法降低黏度，以利于过滤。
第一节
（1）凝聚
发酵液中的细胞、菌体或 蛋白质等胶体粒子双电层 的结构使胶粒之间不易聚 集而保持稳定的分散状态。
阳离子对带负电荷的胶粒凝聚能力的次序为：
Al3+ >Fe3+ >H+ >Ca2+ >Mg2+ >K+ >Na+ >Li+
常用的凝聚剂电解质有：
硫酸铝 Al2(SO4)3•18H2O（明矾）； 氯化铝 AlCl3•6H2O; 三氯化铁 FeCl3; 硫酸亚铁 FeSO4· 2O ； 7H 石灰；ZnSO4；MgCO3
第二章 发酵液的预处理和固液分离2010
错流过滤打破了传统过滤的机制即液体的流向和滤膜相d错流过滤错流过滤crossflowfiltration在压力推动下悬浮液以高速在管状滤膜的内壁作切向流动利用流动的剪切作用将过滤介质表面的固体滤饼移走而附着在滤膜上的滤饼很薄因而能在长时间内保持稳定不变的过滤速滤液或透过液过滤介质或滤膜浓悬浮液或回流液微滤过程示意图料液快速经过薄膜以减少形成滤饼朗极化工公司膜澄清过滤和膜浓缩的错流过滤系统陶瓷膜介质阻力大
T一 热力学温度： k — 波尔兹曼常数； e — 电子电荷； Zi— i种反离子的化合价； Ci — i种离子的摩尔浓度。
可通过降低蛋白质周围的水化层和双电层厚度（ ζ
电位）降低蛋白质溶液的稳定性，实现蛋白质的沉
淀。
水化层厚度和ζ电位与溶液性质（如电解质的种类、
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。
二、发酵液预处理的目的
促进从悬浮液中分离固形物的速度，提高固液分离的效 率： ⑴ 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；
⑵ 相对纯化，去除发酵液中的部分杂质（高价无机离子、
杂蛋白质、及色素、热原质、毒性物质等有机物质）， 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）。
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
T一 热力学温度： k — 波尔兹曼常数； e — 电子电荷； Zi— i种反离子的化合价； Ci — i种离子的摩尔浓度。
可通过降低蛋白质周围的水化层和双电层厚度（ ζ
电位）降低蛋白质溶液的稳定性，实现蛋白质的沉
淀。
水化层厚度和ζ电位与溶液性质（如电解质的种类、
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。
二、发酵液预处理的目的
促进从悬浮液中分离固形物的速度，提高固液分离的效 率： ⑴ 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；
⑵ 相对纯化，去除发酵液中的部分杂质（高价无机离子、
杂蛋白质、及色素、热原质、毒性物质等有机物质）， 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）。
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
2 发酵液的预处理细胞破碎与固液分离
转速（r/min) 2000-6000
10000-26000 30000-12000
蛋白质
超离心法（实验室用）
分为：差速离心，区带离心。
差速离心(differential centrifugation) 主要是采取逐渐提高离心速度的方法分 离不同大小的细胞器。起始的离心速度较低， 让较大的颗粒沉降到管底，小的颗粒仍然悬 浮在上清液中。收集沉淀，改用较高的离心 速度离心悬浮液，将较小的颗粒沉降，以此 类推，达到分离不同大小颗粒的目的。
该法的优点是适用的范围广，破碎率高，细胞 碎片的粉碎程度低以及活性的保留率高， 该法对冷冻—融解敏感的生化物质不适用。
图2.16 喷雾撞击破碎器的结构简图
（4）超声波法
细胞的破碎是由于超声波的空穴作用，从而产 生一个极为强烈的冲击波压力，由它引起的粘滞性 旋涡在介质中的悬浮细胞上造成了剪切应力，促使 细胞内液体发生流动，从而使细胞破碎。
2.1.2.1 过滤
（1） 影响过滤速度的因素
• 菌种 • 发酵条件
–培养基的组成 –未用完培养基的数量 –消沫油 –发酵周期
菌种对过滤的影响
真菌 ：菌丝粗，易过滤，不需特殊处理，可 用真空转筒过滤机。如青霉菌的菌丝直径可达 10μm。 放线菌 ：菌丝细而分支，交织成网络状，过滤 困难，一般须预处理。链霉素菌丝：0.51.0μm。 细菌 ：菌体更细小，过滤十分困难，如不用 絮凝等方法预处理，很难用过滤和分离法操作。
•
絮凝
• 当一个高分子聚合物的许多链节分别吸附在不同的 胶粒表面上，产生桥架联结时，就形成了较大的絮 团，这就是絮凝作用。 • 絮凝剂是一种能溶于水的高分子聚合物，其相对分 子质量可高达数万至一千万以上，长链状结构，其 链节上含有许多活性官能团，包括带电荷的阴离子 （如—COOH）或阳离子（如—NH2）基团以及不 带电荷的非离子型基团。 • 它们通过静电引力、范德华引力或氢键的作用，强 烈地吸附在胶粒的表面。
2 发酵液的预处理细胞破碎与固液分离
过滤助剂
过滤助剂可解决两个问题
–滤饼的可压缩性问题 –小粒子如菌丝碎片和细菌细胞，会渗入到 转鼓真空过滤预覆盖层内部。使得预覆盖层 的部分孔被堵塞，影响了渗透性。加入助滤 剂可以解决这一问题
常用的过滤助剂 硅藻土、珍珠岩、活性白土
助滤剂的加入有两种方法
在滤布上预先铺一层助滤剂(1~2mm)， 该方法，会使滤速降低，但滤液透明 度增加。
特点
对于不同菌种的发酵液、超声波处理的效果不 同，杆菌比球菌易破碎、革兰氏阴性菌细胞比革兰 氏阳性菌细胞容易破碎，对酵母菌的效果级差。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。
超 声 波 破 碎 仪
2.2.3.2 化学和生物化学渗透
酸碱处理 可以使蛋白质水解，细胞溶解或使某些组 分从细胞内渗漏出来。
区带离心（Zonal centrifugation）
密度梯度制作： • 先调配不同浓度（密度）的蔗糖溶液，然后在离 心管中以浓度从大到小层层加入即可。 • 将一定浓度的蔗糖溶液经一定时间的高速离心后 可制成连续的蔗糖密度梯度。 • CsCl 和NaBr在离心力的作用下可自动形成密度 梯度。
区带离心：差速区带离心和平衡区带离心。
袋 式 过 滤 机
2.1.2.2 离心
优点：分离速度快，分离效率高、液 相澄清度好，操作时卫生条件好； × 缺点：设备投资高、能耗大。
表2.3 离心机的种类和适用范围
项目 离心力
细胞 细胞核 细胞器
低速离心机 2000-7000g
高速离心机 8000800000g
超离心机 100000600000g
2.1.1.2 改善培养液的性能
主要通过降低发酵液的黏度、调节适宜的pH 值和温度、絮凝与凝聚等操作来实现
生物分离工程 第2章.过滤设备
发酵液的预处理和固液分离
发酵液的固液分离
碟片式离心机
人工排渣的碟片离心机 喷嘴排渣的碟片离心机 活门（活塞）排渣的碟片离心机 活门排渣的喷嘴碟片式离心机（这是近年来开发的机 型，它和相同直径的活塞机相似，其速度可增加 23%~30%,故可使分离因素达15000 左右，该机型可用 于酶制剂，疫苗和胰岛素生产中分离物的澄清，醇的 生产中细菌的采集以及r-DNA中采集和澄清。
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发酵液的预处理和固液分离
全发酵液提取
扩张床的操作按顺序（见下图）可分为五个部分:(1)平衡 (equlibration)、(2)吸附(adsorption)、(3)冲洗 (washing)、(4)洗脱(elution)和(5)在位清洗,(clean in place, CIP)。
发酵液的预处理和固液分离
发酵液的固液分离
管式离心机
管式离心机：分为液－液分离的连续式管式离心机和
液固分离的间歇式管式离心机。 结构简单 转速很高 有利于蛋白质的分离 间歇操作
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发酵液的预处理和固液分离
发酵液的固液分离
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发酵液的预处理和固液分离
全发酵液提取
二
扩张床吸附技术
扩张床（Expanded bed）亦称膨胀床是发展 中的吸附分离技术。九十年代初，英国剑桥大学的 H.A.Chase等通过对吸附剂本身物理性质的改进及对层 析柱和流体分布器的精心设计，得到了稳定、返混小 的扩张床。 扩张床吸附集澄清、浓缩和初步纯化于一体的分 离纯化技术。可以减少离心或过滤等单元操作步骤， 节约操作周期。提高目标产物的收率，降低了分离纯 化的成本，被称为近几十年来出现的第一个新的单元 操作。随着商业化吸附剂和装置的出现，愈来愈多地 引起人们的兴趣和关注。
2 发酵液的预处理细胞破碎与固液分离
区带离心（Zonal centrifugation）
密度梯度制作： • 先调配不同浓度（密度）的蔗糖溶液，然后在离 心管中以浓度从大到小层层加入即可。 • 将一定浓度的蔗糖溶液经一定时间的高速离心后 可制成连续的蔗糖密度梯度。 • CsCl 和NaBr在离心力的作用下可自动形成密度 梯度。
三足式离心机
2.1.2.1 过滤
（1） 影响过滤速度的因素
• 菌种 • 发酵条件
真菌
放线菌
细菌
菌种对过滤的影响
真菌 ：菌丝粗，易过滤，不需特殊处理， 可用真空转筒过滤机。如青霉菌的菌丝直径 可达10μm。 放线菌 ：菌丝细而分支，交织成网络状，过 滤困难，一般须预处理。链霉素菌丝：0.51.0μm。（抗生素约70%是放线菌产生） 细菌 ：菌体更细小，过滤十分困难，如不 用絮凝等方法预处理，很难用过滤和分离法 操作。 0.5~5μm
可将化学法与机械法结合起来。 溶菌酶、多糖水解酶预处理面包酵母，然后高 压匀浆法处理6次，破碎率95%以上。
自溶作用
另一种酶解方法，溶胞酶是由微生物本身产生的。
影响自溶过程的因素有温度、时间、pH缓冲液浓度、 细胞代谢途径等。 例 酵母45~50℃，保温20小时。 谷氨酸菌：加0.028M Na2CO3和0.018MNaOH， pH10，3%悬浮液，加热至70℃，保温搅拌20min， 自溶。 特点 自溶法在一定程度上能用于工业规模，但是，对 不稳定的微生物容易引起所需蛋白质的变性，自溶 后的细胞培养液过滤速度也会降低。
• 阴离子型
聚丙烯酸钠（无毒，食品医药可用）和聚苯 乙烯磺酸
• 阳离子型
聚丙烯酸二烷基胺乙酯和聚二丙基四胺盐
• 非离子型
聚氧化乙烯
聚丙烯酰胺
生物分离工程02发酵液预处理
4、离心方法的选择
对于常速和高速离心机，由于所分离的颗粒大小 和密度相差较大，只要选择好离心速度和时间， 就能达到分离效果。 超速离心的离心方法：差速离心、密度梯度离心 和等密度梯度离心
（1）差速离心
第三节
固液分离工程
本节介绍细胞分离、目标产物释放以 及蛋白质复性的各种主要方法。
固液分离的目的和方法
包括两方面： 收集胞内产物的细胞或菌体，分离除去液相，或 者是收集含生化物质的液相，分离除去固体悬浮 物，如细胞、菌体、细胞碎片、蛋白质的沉淀物 和它们的絮凝体等。 常用的方法：过滤和离心分离等化工单元操作。
（2）变性法：
蛋白质从有规则的排列变成不规则结构的过程称为变性。 变性蛋白质溶解度较小。 最常用的使蛋白质变性的方法是加热。加热还能使液体粘 度降低，加快过滤速度。 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。 变性的其它方法：大幅度调节PH，加有机溶剂 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10-100倍，滤液粘度可降低1/6。 注意：加热法只适合对热稳定的目的产物；极端PH会导 致某些目的产物失活，且消耗大量酸碱；而有机溶剂法通 常只适用于所处理的液体数量较少的场合。
一、降低液体粘度
常用方法： （1）加水稀释法：有效（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） （2）加热法：同时，在适当温度和受热时间下使 蛋白质凝聚，进一步改善了过滤特性。 严格控制加热温度与时间
二、调整PH
等电点法 对某一具体的单元操作的作用：改变大分子物质 的电荷特性，减少堵塞和污染，如膜过滤。 一些物质（如细胞、细胞碎片、胶休物质等）在 某个PH下也可能趋于絮凝，有利于过滤进行。
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第二章
发酵液的预处理 与固液分离
第一节发酵液的预处理方法 第二节 发酵液的过滤
第一节发酵液的预处理方法
一.目的： ** 1.分离菌体和其它颗粒
2. 除去部分可溶性杂质，改变滤液的性质 胞内产物和胞外产物处理方法不同
二.发酵液的特性**
1.发酵产物浓度很低; 2.悬浮物颗粒小，相对密度和液相相差不大; 3.固体粒子可压缩性大，液相粘度大; 4.性质不稳定; 5.动植物细胞，不能经受强的剪切力.
(四).惰性助滤剂**
特性：颗粒均匀，质地坚硬，不可压缩，多孔 滤速增大原因：改变滤饼结构，可压缩性下降 种类：硅藻土，纤维素，石棉粉，珍珠岩，白土 ， 淀粉等** 使用方法：过滤介质表面预涂助滤剂 直接加入发酵液** 如何选择和使用助滤剂：根据目的产物选择助滤 剂种类；根据过滤介质和过滤情况，选择助滤剂 品种；粒度选择；使用量。
常用电解质：硫酸铝，氧化铝，三氯化铁等。
**
2.絮凝： **
在某些高分子物质的作用下，基于架桥作用 使胶粒形成较大凝聚团的过程。絮凝成10mm大 小块状絮凝物。
1)原理：架桥作用 另外解释：脱水效应，电中和效应
2).絮凝剂的化学结构要求
必须有长链的线性结构，以便同时 吸附多个胶粒，形成较大的絮团 分子质量不能超过一定限度，以便 有良好的溶解性
叶 滤 机
（3） 板框压滤机
A 结构：
若干板、框交替排列，板、框都用支耳架在一对横梁上，用压紧装置压紧或拉开 。 B 滤板结构： 凹凸纹路作用支撑滤布，提供滤液或洗涤液的流道。分洗涤板和非洗涤板两种。 C 滤框结构： 有供料浆通过的暗孔，料浆在压差的推动下籍框两侧覆盖的滤布进行过滤分离。 D 过滤操作液体流动路径： 料浆沿1通道输入，通过滤框的暗孔进入滤框，框中的料浆在压差的推动下籍框 两侧覆盖的滤布进行过滤分离。滤饼在框内两侧生成并增长，滤液通过滤布流到 滤板板面的凹槽后,因板面凹槽有暗孔与2、4通道相连或与3通道相连，故滤液可 由三条通道流到过滤机外。 E 洗涤操作液体流动路径： 洗涤液由3通道进到洗涤板两侧，横贯滤框，穿过框内两层滤饼及两层滤布，到 达非洗涤板的两侧凹槽，然后由2、4通道流出。
特点： 结构简单， 制造方便， 占地面积小， 过滤面积大， 操作压强高 0.1- 1.0 MPa 但间歇操作， 劳动强度大， 效率低
板 框 压 滤 机 操 作 简 图
（4） 转筒真空过滤机：连续过滤机（如图所示） 结构： 可转动的水平圆筒，圆筒表面有一层金属丝网，上覆滤布，转筒下部浸在盛 有悬浮液的滤槽中，转速0.1-3r/min,转一周，可完成过滤、脱水、洗涤、卸渣 一个工作循环，转筒上有许多扇形小格子，每格上均有真空吸管吸走滤液。
所以在过滤操作结束时用某种液体对滤饼进行洗涤。
五. 过滤介质
(1)定义: 过滤介质是一种多孔物质，它是滤饼的支承物，它应具有 足够的机械强度和尽可能小的流动阻力，过滤介质的孔道直径 往往会大于悬浮液中一部分颗粒的直径。
(2) 种类: ** 工业上常用的过滤介质主要有以下几类： 1、织物介质:又称滤布，它由棉、毛、丝、麻等天然纤维及由各种 合成纤维制成的织物，以及由玻璃丝、金属丝等织成的网。 2、粒状介质:包括细纱、木炭、石棉、硅藻土等细小坚硬的颗粒状 物质，多用于深床过滤。 3、多孔道固体介质:它是具有很多微细孔道的固体材料，如多孔陶 瓷，多孔塑料及多孔金属制成的板式管。
变性法：
加热、调pH、有机溶剂、表面活性剂
吸附法：
加入吸附剂吸附杂蛋白
3.色素的去除
色素来源：
**
微生物代谢分泌；培养基带
脱色方法：
离子交换；活性炭吸附；氧化等
作业 2
1、改变发酵液过滤特性的方法有哪些？
2、试述影响絮凝效果的因素。
3、絮凝和凝聚的主要区别是什么？
4、发酵液的相对纯化方法有哪些？
其分子中含有相当多的活性官能团 ，使之与胶粒表面结合
3)絮凝剂的分类：**
解离情况：阳离子型，阴离子型，非离子型
来源不同：有机高分子聚合物：如聚丙烯酰胺等
无机高分子聚合物：如聚合铝盐，聚合铁盐等；
天然有机高分子聚合物：如壳聚糖和葡聚糖等聚糖类、明 胶、骨胶和海藻酸钠等；
微生物絮凝剂:是一类由微生物产生的具有絮凝细胞功能 的物质，主要成分是糖蛋白、黏多糖、纤维素和核酸等高 分子物质。同其它絮凝剂相比，其优点是安全、无毒和不 污染环境。
(三.凝聚与絮凝) **
1 . 凝聚：在电解质的作用下，由于胶体之间双电子层排斥
作 用降低，电位下降，而使胶体体系不稳定的现象。凝聚成
1mm大小块状凝聚物。**
原理：双电子层理论 凝聚值：使胶粒发生凝聚作用的最小电解质 浓 度，又称 聚沉值。
聚沉能力：聚沉值的倒数
阳离子聚沉能力：Al3+> Fe3+> H+> Ca2+> Mg2+> K+> Na+> Li+ **
4)影响絮凝效果的因素**
1、絮凝剂的种类、相对分子质量和类型
2、溶液pH ： pH变化，影响离子型絮凝剂官能团 的电离度，从而影响分子链的伸展形态。电离度 增大，由于链节上相连离子基团间的静电排斥作 用，使分子链从卷曲状态变为伸展状态，架桥能 力提高。
3、搅拌速度和时间：搅拌能使絮凝剂迅速分散， 但凝团后，搅拌会打碎凝团。
2.分类： **
滤饼过滤：悬浮液置于介质一侧，固体物沉积于 介质表面形成滤饼； 深床过滤：分离出的固体颗粒并不形成滤饼，而 是沉积于较厚的粒状过滤介质的床层内部；
推动力：重力；离心力；加压；真空
两种过滤 方式
表面过滤 滤浆 洗涤液
深层过滤 洗液
滤液
二.过滤的目的
1.收集胞内产物的细胞或菌体，分离除去液 相， 2.收集含生化物质的液相，分离除去固体悬 浮物，如细胞、菌体、细胞碎片、蛋白质 的沉淀物和它们的絮凝体等。
三.发酵液的预处理方法**
㈠ 降低液体粘度 ㈡ 调整pH ㈢ 凝聚与絮凝 ㈣ 惰性助滤剂
(一)降低液体粘度**
1.加水稀释 但增加悬浮液的体积，加大后处理任务 2.加热 但必须严格控制加热温度和时间 ⑴ 热稳定性 ⑵ 防止细胞溶解，胞内物质外溢，增加发酵 液 的复杂性
二.调节PH **
恰当pH，能促进细胞聚集，改善过滤特性。 氨基酸是两性电解质 等电点 pH>pI 碱性条件 负电荷 pH<pI 酸性条件 正电荷 等电点下，两性物质的溶解度最小
特点： 连续自动操作、 生产能力大，适于量 大而易过滤的物料， 但费用高，附属设备 多，过滤面积小，真 空操作对设备要求高 。 其它过滤设备自学
5)絮凝剂的添加量：
由实验确定，一般较多，利于增加架桥的数量； 过多，引起吸附饱和，絮凝剂争夺胶粒而使絮凝剂粒 径变小，絮凝效果下降。另外还应考虑成本。
图2.1絮凝剂的添加量对过滤速率的影响
3.混凝： **
对带负电的菌体和蛋白质，采用阳离子高分子 絮凝剂，同时具有降低胶粒的双电子层电位和产 生吸附架桥双重机理，从而提高絮凝效果，这种 包括絮凝和凝聚机理的过程，称为混凝。
深层过滤
四.改善过滤方法**
1.助滤剂：质地坚硬不可压缩性固体** 常用助滤剂：硅藻土，珍珠岩，活性炭 机理：表面吸附胶体及不可压缩型格子结构 使用方法： 发酵液的预处理和固液分离 a 预先制成滤饼 b 助滤剂混入悬浮液中一起过滤
2、滤饼的洗涤** a 回收滤饼中残留的滤液 ；
b
除去滤饼中的可溶性杂质
饼层过滤
2、深层过滤 (1) 定义: 当悬浮液中固体颗粒的百分数在0.1%以下且 固体颗粒的粒度很小时，若以小而坚硬的固体颗粒堆积生 成的固定床作为过滤介质，将悬浮于液体中的固体颗粒截 留在床层内部且过滤介质表面不生成滤饼的过滤称为深层 过滤。 (2) 适用范围: 深层过滤适用于浮液中固体颗粒的体积 百分数小于0.1%，且固体颗粒粒径较小的场合。 (3) 特点: 深层过滤中，由于悬浮液的粒子直径小于床 层孔道直径，所以粒子随着液体一起流入床层内的曲折通 道，在穿过此曲折通道时，因分子间力和静电作用力的作 用，使悬浮粒子粘附在孔道壁面上而被截留。过滤介质表 面不生成滤饼，且整个过滤过程中过滤阻力不变。
第二节过滤(固液分离过程)
分类：
过滤和有关操作：颗粒受限，液体自由运动 饼式过滤；深层过滤；筛分 沉降和浮选：液体受限，颗粒自由运动 浮选；重力沉降；离心沉降
发酵液固液分离主要是离心分离和过滤**
一.过滤**
1.原理：
悬浮液通过过滤介质，固体颗粒与溶液分离
基本概念: 过滤介质：过滤操作中所采用 的多孔物质 ； 滤浆或料浆：过滤操作中所处 理的悬浮液 ； 滤液：通过介质孔道流出的液 体； 滤饼：被过滤介质截留的固体 物质 。
1.无机离子的去除**
Ca2＋
Mg2＋ Fe3＋
草酸钠
草酸钙
MgNa3P3O10＋2Na+
三聚磷酸钠 黄血盐 普鲁士兰沉淀
Fe4[Fe(CN)6]3 ＋12K+
Na5P3O10＋ Mg2+ 3K4Fe(CN)6＋4 Fe3+
2.杂质蛋白的去除**
沉淀法：
酸性条件 三氯乙酸盐，苦味酸盐等
碱性条件 Ag＋ Zn2＋ Pb2＋ Fe3＋等
六.过滤条件的优化
应用优化因素** a 单位质量助滤剂的滤液最大产量 b 使用周期 c 流速
七.过滤设备
（1） 过滤设备种类： ** a 间歇式：分过滤、洗涤、卸饼、清洗、安装等步骤 如叶滤机、板框压滤机等； b 连续式：大多真空操作, 如转筒真空过滤机、圆盘真空过滤机。 （2） 叶滤机（如图所示） 恒压操作，过滤面积=洗涤面积 过滤终了时的滤饼厚度=洗涤滤饼厚度
右，发酵液容易过滤，常不需特殊处理。放线菌发
发酵液的预处理 与固液分离
第一节发酵液的预处理方法 第二节 发酵液的过滤
第一节发酵液的预处理方法
一.目的： ** 1.分离菌体和其它颗粒
2. 除去部分可溶性杂质，改变滤液的性质 胞内产物和胞外产物处理方法不同
二.发酵液的特性**
1.发酵产物浓度很低; 2.悬浮物颗粒小，相对密度和液相相差不大; 3.固体粒子可压缩性大，液相粘度大; 4.性质不稳定; 5.动植物细胞，不能经受强的剪切力.
(四).惰性助滤剂**
特性：颗粒均匀，质地坚硬，不可压缩，多孔 滤速增大原因：改变滤饼结构，可压缩性下降 种类：硅藻土，纤维素，石棉粉，珍珠岩，白土 ， 淀粉等** 使用方法：过滤介质表面预涂助滤剂 直接加入发酵液** 如何选择和使用助滤剂：根据目的产物选择助滤 剂种类；根据过滤介质和过滤情况，选择助滤剂 品种；粒度选择；使用量。
常用电解质：硫酸铝，氧化铝，三氯化铁等。
**
2.絮凝： **
在某些高分子物质的作用下，基于架桥作用 使胶粒形成较大凝聚团的过程。絮凝成10mm大 小块状絮凝物。
1)原理：架桥作用 另外解释：脱水效应，电中和效应
2).絮凝剂的化学结构要求
必须有长链的线性结构，以便同时 吸附多个胶粒，形成较大的絮团 分子质量不能超过一定限度，以便 有良好的溶解性
叶 滤 机
（3） 板框压滤机
A 结构：
若干板、框交替排列，板、框都用支耳架在一对横梁上，用压紧装置压紧或拉开 。 B 滤板结构： 凹凸纹路作用支撑滤布，提供滤液或洗涤液的流道。分洗涤板和非洗涤板两种。 C 滤框结构： 有供料浆通过的暗孔，料浆在压差的推动下籍框两侧覆盖的滤布进行过滤分离。 D 过滤操作液体流动路径： 料浆沿1通道输入，通过滤框的暗孔进入滤框，框中的料浆在压差的推动下籍框 两侧覆盖的滤布进行过滤分离。滤饼在框内两侧生成并增长，滤液通过滤布流到 滤板板面的凹槽后,因板面凹槽有暗孔与2、4通道相连或与3通道相连，故滤液可 由三条通道流到过滤机外。 E 洗涤操作液体流动路径： 洗涤液由3通道进到洗涤板两侧，横贯滤框，穿过框内两层滤饼及两层滤布，到 达非洗涤板的两侧凹槽，然后由2、4通道流出。
特点： 结构简单， 制造方便， 占地面积小， 过滤面积大， 操作压强高 0.1- 1.0 MPa 但间歇操作， 劳动强度大， 效率低
板 框 压 滤 机 操 作 简 图
（4） 转筒真空过滤机：连续过滤机（如图所示） 结构： 可转动的水平圆筒，圆筒表面有一层金属丝网，上覆滤布，转筒下部浸在盛 有悬浮液的滤槽中，转速0.1-3r/min,转一周，可完成过滤、脱水、洗涤、卸渣 一个工作循环，转筒上有许多扇形小格子，每格上均有真空吸管吸走滤液。
所以在过滤操作结束时用某种液体对滤饼进行洗涤。
五. 过滤介质
(1)定义: 过滤介质是一种多孔物质，它是滤饼的支承物，它应具有 足够的机械强度和尽可能小的流动阻力，过滤介质的孔道直径 往往会大于悬浮液中一部分颗粒的直径。
(2) 种类: ** 工业上常用的过滤介质主要有以下几类： 1、织物介质:又称滤布，它由棉、毛、丝、麻等天然纤维及由各种 合成纤维制成的织物，以及由玻璃丝、金属丝等织成的网。 2、粒状介质:包括细纱、木炭、石棉、硅藻土等细小坚硬的颗粒状 物质，多用于深床过滤。 3、多孔道固体介质:它是具有很多微细孔道的固体材料，如多孔陶 瓷，多孔塑料及多孔金属制成的板式管。
变性法：
加热、调pH、有机溶剂、表面活性剂
吸附法：
加入吸附剂吸附杂蛋白
3.色素的去除
色素来源：
**
微生物代谢分泌；培养基带
脱色方法：
离子交换；活性炭吸附；氧化等
作业 2
1、改变发酵液过滤特性的方法有哪些？
2、试述影响絮凝效果的因素。
3、絮凝和凝聚的主要区别是什么？
4、发酵液的相对纯化方法有哪些？
其分子中含有相当多的活性官能团 ，使之与胶粒表面结合
3)絮凝剂的分类：**
解离情况：阳离子型，阴离子型，非离子型
来源不同：有机高分子聚合物：如聚丙烯酰胺等
无机高分子聚合物：如聚合铝盐，聚合铁盐等；
天然有机高分子聚合物：如壳聚糖和葡聚糖等聚糖类、明 胶、骨胶和海藻酸钠等；
微生物絮凝剂:是一类由微生物产生的具有絮凝细胞功能 的物质，主要成分是糖蛋白、黏多糖、纤维素和核酸等高 分子物质。同其它絮凝剂相比，其优点是安全、无毒和不 污染环境。
(三.凝聚与絮凝) **
1 . 凝聚：在电解质的作用下，由于胶体之间双电子层排斥
作 用降低，电位下降，而使胶体体系不稳定的现象。凝聚成
1mm大小块状凝聚物。**
原理：双电子层理论 凝聚值：使胶粒发生凝聚作用的最小电解质 浓 度，又称 聚沉值。
聚沉能力：聚沉值的倒数
阳离子聚沉能力：Al3+> Fe3+> H+> Ca2+> Mg2+> K+> Na+> Li+ **
4)影响絮凝效果的因素**
1、絮凝剂的种类、相对分子质量和类型
2、溶液pH ： pH变化，影响离子型絮凝剂官能团 的电离度，从而影响分子链的伸展形态。电离度 增大，由于链节上相连离子基团间的静电排斥作 用，使分子链从卷曲状态变为伸展状态，架桥能 力提高。
3、搅拌速度和时间：搅拌能使絮凝剂迅速分散， 但凝团后，搅拌会打碎凝团。
2.分类： **
滤饼过滤：悬浮液置于介质一侧，固体物沉积于 介质表面形成滤饼； 深床过滤：分离出的固体颗粒并不形成滤饼，而 是沉积于较厚的粒状过滤介质的床层内部；
推动力：重力；离心力；加压；真空
两种过滤 方式
表面过滤 滤浆 洗涤液
深层过滤 洗液
滤液
二.过滤的目的
1.收集胞内产物的细胞或菌体，分离除去液 相， 2.收集含生化物质的液相，分离除去固体悬 浮物，如细胞、菌体、细胞碎片、蛋白质 的沉淀物和它们的絮凝体等。
三.发酵液的预处理方法**
㈠ 降低液体粘度 ㈡ 调整pH ㈢ 凝聚与絮凝 ㈣ 惰性助滤剂
(一)降低液体粘度**
1.加水稀释 但增加悬浮液的体积，加大后处理任务 2.加热 但必须严格控制加热温度和时间 ⑴ 热稳定性 ⑵ 防止细胞溶解，胞内物质外溢，增加发酵 液 的复杂性
二.调节PH **
恰当pH，能促进细胞聚集，改善过滤特性。 氨基酸是两性电解质 等电点 pH>pI 碱性条件 负电荷 pH<pI 酸性条件 正电荷 等电点下，两性物质的溶解度最小
特点： 连续自动操作、 生产能力大，适于量 大而易过滤的物料， 但费用高，附属设备 多，过滤面积小，真 空操作对设备要求高 。 其它过滤设备自学
5)絮凝剂的添加量：
由实验确定，一般较多，利于增加架桥的数量； 过多，引起吸附饱和，絮凝剂争夺胶粒而使絮凝剂粒 径变小，絮凝效果下降。另外还应考虑成本。
图2.1絮凝剂的添加量对过滤速率的影响
3.混凝： **
对带负电的菌体和蛋白质，采用阳离子高分子 絮凝剂，同时具有降低胶粒的双电子层电位和产 生吸附架桥双重机理，从而提高絮凝效果，这种 包括絮凝和凝聚机理的过程，称为混凝。
深层过滤
四.改善过滤方法**
1.助滤剂：质地坚硬不可压缩性固体** 常用助滤剂：硅藻土，珍珠岩，活性炭 机理：表面吸附胶体及不可压缩型格子结构 使用方法： 发酵液的预处理和固液分离 a 预先制成滤饼 b 助滤剂混入悬浮液中一起过滤
2、滤饼的洗涤** a 回收滤饼中残留的滤液 ；
b
除去滤饼中的可溶性杂质
饼层过滤
2、深层过滤 (1) 定义: 当悬浮液中固体颗粒的百分数在0.1%以下且 固体颗粒的粒度很小时，若以小而坚硬的固体颗粒堆积生 成的固定床作为过滤介质，将悬浮于液体中的固体颗粒截 留在床层内部且过滤介质表面不生成滤饼的过滤称为深层 过滤。 (2) 适用范围: 深层过滤适用于浮液中固体颗粒的体积 百分数小于0.1%，且固体颗粒粒径较小的场合。 (3) 特点: 深层过滤中，由于悬浮液的粒子直径小于床 层孔道直径，所以粒子随着液体一起流入床层内的曲折通 道，在穿过此曲折通道时，因分子间力和静电作用力的作 用，使悬浮粒子粘附在孔道壁面上而被截留。过滤介质表 面不生成滤饼，且整个过滤过程中过滤阻力不变。
第二节过滤(固液分离过程)
分类：
过滤和有关操作：颗粒受限，液体自由运动 饼式过滤；深层过滤；筛分 沉降和浮选：液体受限，颗粒自由运动 浮选；重力沉降；离心沉降
发酵液固液分离主要是离心分离和过滤**
一.过滤**
1.原理：
悬浮液通过过滤介质，固体颗粒与溶液分离
基本概念: 过滤介质：过滤操作中所采用 的多孔物质 ； 滤浆或料浆：过滤操作中所处 理的悬浮液 ； 滤液：通过介质孔道流出的液 体； 滤饼：被过滤介质截留的固体 物质 。
1.无机离子的去除**
Ca2＋
Mg2＋ Fe3＋
草酸钠
草酸钙
MgNa3P3O10＋2Na+
三聚磷酸钠 黄血盐 普鲁士兰沉淀
Fe4[Fe(CN)6]3 ＋12K+
Na5P3O10＋ Mg2+ 3K4Fe(CN)6＋4 Fe3+
2.杂质蛋白的去除**
沉淀法：
酸性条件 三氯乙酸盐，苦味酸盐等
碱性条件 Ag＋ Zn2＋ Pb2＋ Fe3＋等
六.过滤条件的优化
应用优化因素** a 单位质量助滤剂的滤液最大产量 b 使用周期 c 流速
七.过滤设备
（1） 过滤设备种类： ** a 间歇式：分过滤、洗涤、卸饼、清洗、安装等步骤 如叶滤机、板框压滤机等； b 连续式：大多真空操作, 如转筒真空过滤机、圆盘真空过滤机。 （2） 叶滤机（如图所示） 恒压操作，过滤面积=洗涤面积 过滤终了时的滤饼厚度=洗涤滤饼厚度
右，发酵液容易过滤，常不需特殊处理。放线菌发