第二章 发酵液预处理
生物分离工程
第一章绪论1.生物分离工程是指从发酵液、酶反应也活动植物培养液中分离、纯化生物产品的过程。
2.生物分离的一般流程：发酵液的预处理；提取；精制；成品加工。
第二章发酵液的预处理1.过滤和离心是最基本的单元操作。
2.凝集是指在投加的化学物质作用下，发酵液中的胶体脱稳并使粒子相互凝集成为1mm大小块状絮凝体的过程。
3.絮凝是指某些高分子絮凝剂能在悬浮粒子之间产生桥梁作用，使胶粒形成粗大絮凝团的过程。
4.调节pH法：在进行pH调节时，一般采用草酸等有机酸或某些无机酸来进行。
Ca+经常选用酸化剂为草酸；Mg+的去除是采用加入磷酸盐，如三磷酸钠；Fe+通常加入黄血盐。
5.影响发酵液过滤的因素：菌种；发酵液粘度。
6.发酵液的过滤设备形式很多，按过滤的推动力分为：重力式过滤器、压力式过滤器、针孔式过滤器和离心式过滤器。
7.目前国内外对过滤液的分离和过滤常采用的设备为：板框式压滤机；板式压滤机；自动板框式压滤机和真空过滤机。
第三章细胞分离技术1.细胞破碎的方法可分为：机械破碎发、物理破碎法、化学渗透法及酶溶法。
2.变性剂的加入，可削弱氢键的作用，使胞内产物相互之间的作用力减弱，从而易于释放。
3.包埋病毒粒子具一定形状和大小的蛋白结晶体，在相差显微镜下呈现强的折光性，由单一多肽构成。
第四章沉淀技术1.盐析：蛋白是在搞离子强度溶液中溶解度降低，以致从溶液里沉淀出来的现象称为盐析。
2. 常用脱盐处理的方法有：透析法、超滤法及凝胶过滤法。
3．有机溶剂沉淀法的原理：①传统观点认为向蛋白质溶液中加入丙醇或乙醇等有机溶剂，水的活度程度降低，水对蛋白子表面的水化程度降低，即破坏了蛋白子表面的某水化蹭；另外，溶液的介电常数下降，蛋白子分之间的静电引力增大，从而聚集和沉淀。
②新观点认为，有机溶剂可能破坏蛋白质的某种键，使其空间结构发生某种程度的变化，致使一些原来包在内部的疏水基团暴露于表面并与有机溶剂的疏水基团结合形成疏水层，从而是蛋白子沉底，而当蛋白子的空间结构发生变形超过一定程度时，使会导致完全的变性。
生物工业下游技术选择题复习要点
第二章发酵液预处理一、选择题1、在发酵液中常加入B，以除去发酵液中的钙离子。
A. 硫酸B. 草酸C. 盐酸D. 硝酸2、在发酵液中加入草酸，其作用是ABCD。
A. 去除钙离子B. 去除部分镁离子C. 改善发酵液的过滤性能D. 有助于目标产物转入液相。
3、在发酵液中加入三聚磷酸钠，它和B形成可溶性络合物，可消除对离子交换的影响。
A. Ca2+B. Mg2+C.Zn2+D. Fe3+4、环丝氨酸的发酵液中，加入磷酸盐的主要目的是去除AD。
A. Ca2+B. Fe3+C. Zn2+D. Mg2+5、在发酵液中加入黄血盐，可去除C，使其形成普鲁士蓝沉淀。
A. Ca2+B. Zn2+C. Fe3+D. Mg2+6、关于阳离子对带负电荷的发酵液胶体粒子凝聚能力，以下说法正确的是ABCD。
A. Al3+＞Fe3+B. H+＞Ca2+＞Mg2+C. K+＞Na+＞Li+D. Fe3+＞H+＞K+7、酵母絮凝的FLO1型只被以下A抑制。
A. 甘露糖B. 葡萄糖C. 麦芽糖D. 蔗糖E. 半乳糖8、酵母絮凝的NEW FLO型只被以下E抑制。
A. 甘露糖B. 葡萄糖C. 麦芽糖D. 蔗糖E. 半乳糖9、发酵液中，细胞絮凝机理有A。
A. 胶体理论B. 高聚物架桥理论C. 双电层理论D. 盐析理论10、在生物产品分离中，C技术可代替或改善离心和过滤方法，富集或除去发酵液中的细胞或细胞碎片。
A. 凝聚B. 双水相萃取C. 絮凝D. 色谱11、下列物质属于絮凝剂的有AC 。
A、明矾B、石灰C、聚丙烯酸类D、硫酸亚铁第三章细胞破碎技术一、选择题1、高压匀浆法提高细胞破碎率的方法有ABC 。
A. 适当地增加压力B. 增加通过匀浆器的次数C. 适当地增加温度D. 提高搅拌器的转速2、下列AB 可采用高压匀浆法进行细胞破碎。
A. 大多数细菌B. 酵母C. 放线菌和霉菌D. 含有亚细胞器（如包涵体）的微生物细胞3、珠磨法提高细胞破碎率的方法有BCD 。
发酵液的预处理(1).
过滤的常用设备： 板框压缩机 鼓式真空过滤机
转鼓真空过滤机
Knife
Dry Wash Immersion
Cake Feed
Rotary vacuum filter 转鼓真空过滤机
分离实例
乳酸发酵液预处理
发酵液
变性去除 杂蛋白 80℃保温 3min
保证絮凝效
碱化 加适量
果最佳 调节
缩性固体 机理：表面吸附胶体及不可压缩型格子结构 助滤剂选择：粒度与悬浮颗粒适当 使用方法： a 预先制成滤饼：滤液澄清度高 b 助滤剂混入悬浮液中一起过滤：容易达到滤速最
大 c 两种方法混用 常用助滤剂：硅藻土，珍珠岩，活性炭 （二）填充凝固剂 （三）加降解酶
过滤介质
（一）滤布：棉纤维（帆布）、尼龙、涤纶 特点：廉价、耐用、易更换 助滤剂选择：粒度与悬浮颗粒适当 （二）粒状介质：起深层过滤、助滤剂作用 （三）多孔玻璃、石英砂芯 （四）各种膜材料：只能采用错流过滤
絮凝
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。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， 产生桥架连接时，就形成了较大的絮团，这就 是絮凝作用。
第一节 发酵液的预处理
一.生化分离工程的工艺流程：
二.发酵液的预处理技术：
悬浮液的基本特性 ①细胞的相对密度与培养液相似，沉降不容易； ②可压缩性，粘稠，非牛顿流体，流动性差，
不利于进行过滤、吸附、萃取等操作； ③发酵液成分复杂，有些杂质对后续分离有害。
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
1.发酵液预处理过程:对发酵液加热到所需温度使杂蛋白质变性凝固而沉淀分别.也可以用分散或絮凝的方法是小菌体,细胞,细胞的碎片以及杂蛋白质等胶体离子沉降去除.2.发酵液的基本特性:产物浓度低.具有极性.粘度大.表面张力大.性质不稳定.3.预处理的目的:①.转变发酵液的物理性质，促进从悬浮液中分别固形物的速度,提高固液分别器的效率②.尽可能使产物转入便于后处理的一相中（多数是液相）③.去除发酵液中的部分杂质，以利于后续各步骤的操作.4.发酵液预处理的方法:①加热②调整PH值③分散和絮凝④使用惰性助滤剂⑤使用反应剂二固液分别1.方法:①重力沉降②浮透（通气产生气泡,使固体附着在气泡表面除去,用于固液比重差小,直径5-30um颗粒的分别,污水处理.③旋液分别（霉菌和放线菌为丝状菌,体形较大,发酵液采纳过滤的方法;细菌和酵母菌为单细胞,体形较小,其发酵液采纳高速离心分别，如对发酵液采纳预处理,也可用过滤进行固液分别.④介质过滤和离心,工业上比较常用.2.过滤①澄清过滤:过滤介质为硅藻土,砂,塑料颗粒等,适合于固体含量少于0.Ig/lOOml,颗粒直径在5-100um的悬浮液的过漉分别如:河水,麦芽汁,酒类,饮料的澄清.②滤饼过滤:过漉介质为滤布,包括自然或合成纤维织布,金属织布,玻璃纤维纸,合成纤维等无纺布,适合于固体含量大于0.lg∕100ml的悬浮液的过滤分别3常用过滤设施①转鼓真空过滤工艺转鼓真空过滤机的转鼓过滤外壁掩盖有金属丝网,网上掩盖有滤布等过滤介质.转鼓内部区域分了若干独立的扇形区,各有不同的操作功能.该设施主要适用范围:颗粒不太细,粘性不太大的液体.对于青霉素发酵老说,发酵液相对粘稠,因此发酵液质量的优劣,对转鼓处理速度有着明确的影响.转鼓过滤存在使用范围窄,处理力量低的问题.•希得艮空过廉根■作示索②板式过滤工艺原理:依靠过滤推动力与过滤介质两侧的压力差,致使固体积累在滤材上并架桥形成滤饼层,使滤液与不溶的杂质分别.板式过滤机的优点是:结构简洁,制造简洁,设施紧凑,过漉面积大而占地面积小,操作压力高,对各种物料适应力量强,缺点是间歇操作,劳动强度大,生产效率低,适用于间歇操作的场合.①装好过漉板框②检查料浆槽的进出口阀门是否关闭③调好料浆④打开料浆槽的进口和排气阀门,启动搅拌机,料浆槽装满料浆后,关闭料浆槽的进口和排气阀门⑤启动空压机待压力达到指定值后,即可打开进气阀进行测定⑥测定完后,清洗设施,关好电源.③其他预处理的工艺近期消失的超滤膜工艺,由于产生的滤液质量好不断被青霉素生产工艺所采纳,但是使用超滤膜会产生大量不宜处理的菌丝水,不宜进行环境处理,同时能耗较高,给生产成本带来较大的压力,在环保压力不断加大的现实状况下,超滤膜工艺被生产企业渐渐放弃,.而传统的板框处理,转鼓过滤工艺,由于受发酵液性质和发酵液影响,存在速度慢等问题,其生产力量受到了肯定的限制,需要改进生产工艺以适应生产的要求,全自动过滤机由于处理效率高,人工劳动强度小被生产企业所用.4 .其他过滤分别方法①切向流水过滤又称错流过滤交叉过滤和十字流过滤,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淌,利于流淌的剪切作用将过滤介质表面的固体（滤饼）移走.②双水相萃取向水相中加入溶于水的某些高分子化合物（如:葡萄糖,聚乙二醉）后,形成密度不同的两相,轻相中富含某种高分子化合物,重相中富含盐类或另一种高分子化合物从而达到分别和提纯某种高分子化合物的目的.③吸附法向细胞碎片悬浮液中加入某种固体吸附剂,或者用细胞碎片悬浮液通过装有吸附剂的固定床,即可达到除去细胞碎片的目的,主要的目的是很难选择合适的吸附剂,以保证目的产物不被吸附而损失.5 .预处理及固液分别技术应用实例以链霉菌发酵液的预处理及固液分别技术为例,其工艺过程如下：1-2倍量水稀释发酵液,pH2∙8∙32加热70-75 酸化处理发酵液冷却,过滤, 板框过滤或离心分别 去提取。
发酵液预处理
酵液的预处理和固液分离方法从微生物发酵液或细胞培养液中提取生化物质的第一个必要步骤就是预处理和固液分离.14.1 发酵液的预处理从悬浮液中分离固形物的速度,取决于该液体的物理性质,常采用预处理的办法改变其物理性质而促其分离.细菌及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,蛋白质及其它有机粘性物质的存在会造成滤液浑浊,滤速极慢.因此,在预处理中应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,加热等方法降低粘度,以利于过滤.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(Ca++,Mg十+,Fe++)和杂蛋白质等.高价无机离子的存在,会影响树脂对生化物质的交换容量.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低其吸附能力,而且在采用有机溶剂或两水相萃取时, 容易产生乳化,使两相分离不清,在预处理时,应尽量除去这些物质.14.1 高价无机离子的去除方法为去除钙离子,宜加入草酸,可用其可溶性盐,如草酸钠.反应生成的草酸钙还能促使蛋白质凝固,提高滤液(也称为原液)质量.但草酸价格较贵,加入硫酸铅,在60 C下反应生成草酸铅.后者在90-95 C下用硫酸分解，经过滤,冷却,结晶后可以回收草酸.草酸镁的溶解度较大.故加入草酸不能除尽镁离子.要除去镁离子,可以加入三聚磷酸钠,它和镁离子形成可溶性络合物:Na5P3O10+Mg++=Mg Na Na3P3O10+2Na 十用磷酸盐处理,也能大大降低钙离子和镁离子的浓度.要除去铁离子,可加入黄血盐,使形成普鲁士蓝沉淀.14.l.2 杂蛋白质的去除方法蛋白质一般以胶体状态存在于发酵液中.胶体粒子的稳定性和其所带电荷有关.蛋白质在某一pH 下,净电荷为零,溶解度最小,称为等电点.因为羧基的电离度比氨基大,故蛋白质的酸性性质通常强于碱性,因而很多蛋白质的等电点都在酸性范围内(pH 4.0-5.5). 但单靠调节pH 至等电点的办法不能将大部分蛋白质除去.在酸性溶液中,蛋白质能与一些阴离子如三氯乙酸盐,水杨酸盐,钨酸盐,苦味酸盐,鞣酸盐,过氯酸盐等形成沉淀;在碱性溶液中，能与一些阳离子,如Ag十,Cu++,Zn十十,Fe++和Pb++等形成沉淀• 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•该法只适用于对热较稳定的生化物质•使蛋白质变性的其它办法还有：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(pH 2-3) 或较碱性范围(pH 8 一9)使蛋白质凝固, 一般以酸性下除去的蛋白质较多•加有机溶剂使蛋白质变性的方法通常只适用于所处理的液体数量较少的场合•此外,还可以利用吸附作用除去蛋白质•例如,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•在枯草杆菌发酵液中,常加入氯化钙和磷酸氢二钠,这两者本身生成庞大的凝胶,把蛋白质,菌体及其它不溶性粒子吸附并包裹在其中而除去,从而加快了过滤速度.14.l.3 凝聚和絮凝技术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.凝聚和絮凝的概念凝聚是在中性盐作用下,由于双电层排斥电位的降低,而使胶体体系不稳定的现象. 絮凝是指在某些高分子絮凝剂存在下,基于架桥作用, 使胶粒形成粗大的絮凝团的过程,是一种以物理的集合为主的过程.发酵液中的细胞,菌体或蛋白质等胶体粒子的表面, 一般都带有电荷,主要是吸附溶液中的离子或自身基团的电离.通常发酵液中细胞或菌体带有负电荷,由于静电引力的作用使溶液中带相反电荷的粒子（即正离子）被吸附在其周围, 在界面上形成了双电层. 但是这些正离子还受到使它们均匀分布开去的热运动的影响,具有离开胶粒表面的趋势,在这两种相反作用的影响下, 双电层就分裂成两部分,在相距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,称为吸附层或紧密层;在stern 平面以外,剩余的正离子则在溶液中扩散开去, 距离越远, 浓度越小, 最后达到主体溶液的平均浓度,称为扩散层.这样就形成了扩散双电层的结构模型,如图14-1 所示.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,滑移面（剪切面）在图14-l 中用波纹线表示.这三种电位中只有z电位能实际测得，所以可以认为它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:从而阻止了粒子的聚集• z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.但是，水化膜主要是伴随胶粒带电而引起的，一旦z电位降低或消除，水化层也会随之减弱或消失.根据静电学基本定理，可导出z电位的基本公式为：z =4 n q S /D其中D—水的介电常数；q—胶体的电动电荷密度，即滑移面上的电荷密度；S—广散层的有效厚度，即为吸附层和扩散层界面处电位©d降低到其值为1/e处的距离，可知，z电位与扩散层厚度S和电动电荷密度q成正比，而扩散层厚度又与溶液中离子强度有关，当双电层的排斥力不足以抗衡胶粒间的范德华引力时，由于热运动的结果导致胶粒的互相碰撞而聚集起来.由此可见，在发酵液中加入具有高价阳离子的电解质，能降低z电位和脱除胶粒表面的水化膜，就能导致胶粒间的凝聚作用.常用的凝聚剂电解质有：AI2（SO4）3 18H2O（明矶）;AIC13 6H2O;FeC13;ZnSO4;MgCO3 等. 有机高分子聚合物絮凝剂，它们具有长链线状的结构，是一种水溶性的聚合物，分子量可高达数万至一千万以上，在长的链节上含有相当多的活性功能团，可以带有多价电荷（如阴离子或阳离子）,也可以不带电性（如非离子型）.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,产生了架桥联接,生成粗大的絮团,这就是架凝作用.如果胶粒相互间的排斥电位不太高,只要高分子聚合物的链节足够长,跨越的距离超过颗粒间的有效排斥距离,也能把多个胶粒拉在一起,导致架桥絮凝. 目前最常见的高分子聚合物絮凝剂是有机合成的聚丙烯酰胺类衍生物.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.聚丙烯酰胺类絮凝剂具有用量少,絮凝体粗大,分离效果好,絮凝速度快以及种类多等优点,所以适用范围广.它们的主要缺点是存在一定的毒性,特别是阳离子型聚丙烯酰胺,要考虑这些物质最终能否从产品中去除.近年来还发展了聚丙烯酸类阴离子絮凝剂,它们无毒,可用于食品和医药工业中.另外,还有聚苯乙烯类衍生物及无机高分子聚合物絮凝剂,如聚合铝盐和聚合铁盐等.除此以外,也可采用天然有机高分子絮凝剂.如多聚糖类胶粘物,海藻酸钠,明胶,骨胶,壳多糖和脱乙酰壳多糖等.对于带负电性菌体或蛋白质来说,阳离子型高分子絮凝剂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.对于非离子型和阴离子型高分子絮凝剂,则主要通过分子间引力和氢键作用产生吸附架桥,它们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.无机电解质的凝聚作用为高分子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.絮凝剂浓度增加有助于架桥充分,但是,过多的加量反而会引起吸附饱和,在每个胶粒上形成覆盖层而使胶粒产生再次稳定现象见图（14-2）. 适宜的加量通常由实验得出.虽然高分子絮凝剂分子量提高,链增长,可使架桥效果明显,但是,分子量不能超过一定的限度,因为随分子量提高,高分子絮凝剂的水溶性降低.溶液PH 的变化常会影响离子型絮凝剂中功能团的电离度,从而影响分子链的伸展形态.电离度增大,由于链节上相邻离子基团间的电排斥作用, 而使分子链从卷曲状态变为伸展状态,所以架桥能力提高.14.2 发酵液的过滤微生物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.14.2.4 发酵液的过滤特性和滤饼的重量比阻微生物的发酵液大多数属于非牛顿型液体,滤渣为可压缩性的.衡量过滤特性的主要指标是滤饼的重量比阻rB,它表示单位滤饼厚度的阻力系数，与滤饼的结构特性有关•对于不可压缩性滤饼,比阻值为常数,但对于可压缩性滤饼,比阻rB 是操作压力差的函数,一般可用下式表示: rB=r （△p）m式中r—不可压缩滤渣的比阻，对于一定的料液，其值为常数；m—压缩性指数，一般取0.5-0.8,对不可压缩性滤饼，m为0;可见，滤饼的比阻值是随操作压力差的提高而增大的.因此，开始过滤时应注意不能很快提高压差，通常靠液柱的自然压差进料，并应缓慢地，逐步地升高压力，一般在相当长的时间内，压力差不要超过0.05 MPa,最后的压差也不超过030.4 MPa.如果操作压力控制过高，由于比阻值的急剧增加，会使过滤速度很快下降，以至达到不能继续过滤的程度•恒压下，可压缩性滤饼的比阻值应为常数•如过滤介质的阻力相对较小可以忽略不计，则恒压下的过滤方程式如下：q2=2 △ p T /rBXB式中q--到瞬间T通过单位过滤面积的滤液量，m;△ p—压力差，Pa;卩-滤液粘度，Pa.s;rB —滤饼的重量比阻，m/kg;XB —通过单位体积滤液，所形成的滤渣重量仟重），kg/m3;T—过滤时间，S.14.2.2影响过滤速度的因素过滤速度和菌种，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）等有关. 菌种对过滤速度影响很大.一般,真菌的菌丝比较粗大，发酵液容易过滤，常不需特殊处理.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.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.细菌发酵液的菌体更细小，因此，过滤十分困难，如不用絮凝等方法预处理发酵液，往往难以采用常规过滤的设备来完成过滤操作.培养基的组成对过滤速度影响也很大.用黄豆粉，花生粉作氮源，淀粉作碳源会使过滤困难.此外，发酵后期加消沫油或剩余大量未用完的培养基，都会使过滤困难.正确选择发酵终了时间对过滤影响很大.在菌丝自溶前必须放罐，因为细胞自溶后的分解产物一般很难过滤.有时延长发酵周期虽能使发酵单位有所提高，但严重影响发酵液质量，使色素和胶状杂质增多，过滤困难，最终造成成品质量降低.14.2.3改善过滤性能的方法采用等电点，蛋白质变性，吸附以及凝聚和絮凝等方法预处理发酵液，以改变发酵液的性状和过滤性能.除此以外，改善过滤性能的方法还有：加入助滤剂，直接在发酵液中形成填充-凝固剂，媒介作用等.助滤剂是一种不可压缩的多孔微粒，它能使滤饼疏松，滤速增大.助滤剂必须不吸附或很少吸附生化物质.助滤剂的加入有两种方法，一种是在滤布上预先铺一层助滤剂（l-2mm），另一种是直接加入发酵液中.有一条经验规则可供参考，即助滤剂用量若等于悬浮液中固体含量时，滤速最快.改善过滤性能较好的方法是加入一些反应剂，它们能相互作用，或和某些溶解性盐类发生反应生成不溶解的沉淀.生成的沉淀能防止菌丝体粘结，使菌丝具有块状结构，沉淀本身即可作为助滤剂，并且还能使胶状物和悬浮物凝固.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.加入淀粉酶后,能使过滤速度加快.发酵液染菌后，会含很多细菌菌体，杂质也增多，给边滤造成很大困难.处理方法有：升高温度,增加纯化剂用量，加助滤剂等.14.2.4固一液分离设备的选择。
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。
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
第二章 发酵液的预处理
3、化学变性沉淀法 使蛋白质变性的化学因素有：极端pH、 加酒精、丙酮等有机溶剂或表面活性剂等。 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。
（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。 （3）加入化学试剂 pH＜PI，与一价阴离子形成沉淀； pH＞PI，与一些阳离子形成沉淀 蛋白质在酸性溶液中，与阴离子（三氯乙酸盐 等）形成沉淀； 在碱性溶液中，与阳离子（Ag+、Cu2+、Zn2+、 Fe3+、Pb2+）形成沉淀。
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。
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。
三、调整pH法（常用方法） pH直接影响发酵液中某些物质的电解质 和电荷性质，适当调节pH值可改善其过滤 特性。 原理： （1）等电点沉淀法 大多数蛋白质的等电点在酸性范围内 （pH4.0-5.5），利用酸性来调节发酵液pH 使之达到等电点，可除去蛋白质等酸性两 性物质。
（2）在膜过滤中，发酵液中的大分子物 质易于与膜发生吸附，调整pH改变易吸附 分子的电荷性质，减少堵塞和污染。 （3）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。
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）。
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
发酵液预处理方法
03
综合应用
结合凝聚和絮凝技术，提高过滤效果 。先使用凝聚剂使胶体颗粒变大，再 加入絮凝剂形成絮凝团，便于固液分 离。
综合使用多种方法
根据实际情况选择合适的方法
01
考虑发酵液特性、过滤要求及设备条件，例如对于含大量固体
颗粒的发酵液，先离心再过滤。
优化过滤工艺参数
02
调节转速、温度、压力等参数及助滤剂种类和用量，提升过滤
凝聚和絮凝技术
01
凝聚技术
定义：在中性盐作用下，胶体体系因 双电层排斥电位降低而变得不稳定的 现象。过程：加入电解质后，胶体粒 子间排斥作用减弱，导致电位下降， 胶体体系脱稳，粒子相互碰撞形成 1mm大小的凝聚体。
02
絮凝技术
定义：在高分子絮凝剂存在下，胶粒 形成粗大絮凝团的过程，主要基于物 理集合。絮凝剂特性：溶于水的高分 子聚合物，长链状结构，链节含活性 官能团，能强烈吸附在胶粒表面。
效果。
定期维护和保养过滤设备
03
定期检查、清洗设备，校准传感器和控制系统，确保设备正常
运行。
04
预处理和固液分离
胞内产物的预处理
降低液体黏度
通过加热或加水稀释发酵液来降 低其黏度，从而改善过滤特性。 加热法虽然有效，但可能影响产 物的活性和细胞自溶；加水法则 会增加发酵液体积和降低目标产 物浓度。
度减慢。
滤饼堵塞
随着过滤的进行，滤饼会逐渐增厚 ，导致过滤阻力增大，最终使过滤 操作无法继续进行。
目标产物损失
在过滤过程中，由于滤饼的堵塞和 吸附作用，容易导致目标产物的损 失，影响产品的质量和产量。
过滤工艺优化的重要性
提高过滤速度
延长过滤介质的使用寿命
通过优化过滤工艺，可以有效地提高 过滤速度，减少过滤时间，提高生产 效率。
第二章 发酵液的预处理
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。
发酵液的预处理讲解
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：
发酵液的预处理和菌体的回收
发酵液的预处理和菌体的回收发酵液是指在一定条件下，通过微生物发酵后所得到的液体产物。
它富含各种有机物质和微生物菌体，通常被广泛应用于食品工业、医药工业以及环境保护等领域。
然而，在发酵液的应用过程中，发酵液的预处理和菌体的回收是非常重要的环节。
本文将重点讨论发酵液的预处理和菌体的回收技术。
一、发酵液的预处理发酵液在发酵过程中产生了丰富的有机物质和微生物菌体，为了提高发酵液的质量和纯度，需要进行适当的预处理。
常见的发酵液预处理方法包括离心、超滤、加热杀菌等。
1. 离心离心是将发酵液置于离心机中进行离心分离。
离心可以有效地分离出发酵液中的固体颗粒，如微生物细胞和沉淀物等。
离心速度和时间的选择应根据发酵液的特性来确定，以确保最佳的分离效果。
2. 超滤超滤是利用滤膜的孔隙大小将发酵液中的溶质分离出来。
超滤可以去除发酵液中的胶体、蛋白质等大分子物质，同时维持较高分子量的活性物质的存在。
超滤技术操作简单，适用于连续生产中。
3. 加热杀菌加热杀菌是通过高温处理来灭活发酵液中的微生物。
加热杀菌可以有效地消除微生物的活性，并保证发酵液的稳定性和长期保存。
需要注意的是，在加热杀菌的过程中，要控制好温度和时间，以避免对发酵液中的活性物质造成破坏。
二、菌体的回收菌体的回收是指将发酵液中的微生物菌体从液体中分离和提取出来的过程。
菌体的回收主要包括离心、过滤、洗涤等步骤。
1. 离心回收离心回收是通过离心机将发酵液中的微生物菌体与液体分离。
离心速度和时间的选择应根据菌体的大小和密度来确定，以保证最佳的分离效果。
2. 过滤回收过滤回收是通过滤膜将发酵液中的微生物菌体截留在滤膜上，使其与液体分离。
过滤回收可以采用不同孔径的滤膜，根据菌体的大小选择合适的滤膜孔径，以提高分离效果。
3. 洗涤回收洗涤回收是将分离出来的微生物菌体进行洗涤，以去除发酵液中的残留有机物质和杂质。
常用的洗涤液包括缓冲液、蒸馏水等。
洗涤的目的是提高菌体的纯度和质量。
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第三节
固液分离工程及设备
发酵液的固液分离：过滤和离心分离。 不同性状的发酵液应选择不同的固液分 离方法和设备。 霉菌和放线菌：过滤； 细菌和酵母菌：高速离心机分离；发酵 液采用絮凝和添加助滤剂预处理后，也可 过滤。
一、离心分离 离心机是利用转鼓高速转动所产生的 离心力，来实现悬浮液、乳浊液分离或 浓缩的一类机械。 离心力比重力高几千到几十万倍。
（3）倾析式离心机 倾析式离心机依靠离心力和螺旋的推进 作用自动连续排渣，也称螺旋卸料沉降离 心机。
倾析式离心机结构紧凑、操作连续、 适应性强、应用范围广、维修方便。特别 适用于含固形物较多的液体分离。 但分离因数低，为1500~3000。 不适合于酵母、细菌等微生物悬浮液的 分离。 常用于淀粉精制和废液处理。
2、改善发酵液过滤特性的方法有： 调酸（等电点）、热处理、电解质处理、 添加絮凝剂、添加表面活性剂、添加反应 剂、冷冻-解冻、添加助滤剂等。
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，因此，降低液体的粘度 可有效提高过滤速度。 常用的方法：加水稀释和加热。 加水一倍，粘度下降50%以上才有效。 升高温度可有效降低液体粘度，提高过滤 速率；同时，使蛋白质凝聚，形成较大的凝聚 体，进一步改善发酵液的过滤特性。 需控制加热温度和时间。
絮凝效果与以下因素有关： （1）絮凝剂的用量； （2）絮凝剂的相对分子量和类型； （3）溶液的pH值； （4）搅拌速度和时间。 在絮凝过程中，常需要加入一定的 助滤剂以增加絮凝效果。
3、混凝 无机电解质和絮凝剂交叉使用，可以 大大提高絮凝的效果，这种包括凝聚和 絮凝机理的过程，称为混凝。
四、加入助滤剂 助滤剂是一种不可压缩的多孔微粒， 它能使滤饼疏松，滤速增大。 悬浮液中大量的细微胶体粒子被吸附 到助滤剂表面上，改变了滤饼的结构， 使它的可压缩性下降，过滤阻力降低。 硅藻土、纤维素、石棉粉、珍珠岩、 淀粉、活性炭等。
三、其他固液分离方式 1、切向流过滤： 又称错流过滤，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，当移走固 体的速率等于固体的沉降速率时, 就实现 恒速过滤。 用于膜过滤。
实验室
切向流过滤的缺点： （1）切向流产生的剪切力可使蛋白质类 产物失活。 （2）由于液体大量循环，能耗比其他过 滤高。 （3）固相的含水量高，一般作浓缩用。 （4）不能避免过滤介质的污染和堵塞。 解决的方法是采用脉冲反洗。
二、过滤 过滤的原理是悬浮液通过过滤介质时， 固态颗粒与溶液分离。 按过滤机理，过滤操作可分为澄清过滤 和滤饼过滤两种。
澄清过滤：用硅藻土、活性碳以及金 属、非金属烧结材料等过滤介质，形成过 滤层，当悬浮液通过过滤层时，固体颗粒 被阻拦或吸附在介质上，使滤液澄清。 过滤介质起主要的过滤作用。 适于固体含量低于0.1g/100mL、颗粒直 径在5~100µ m的悬浮液。 麦芽汁、酒类、饮料、饮用水。
过滤式离心机 （1）三足式离心机 （2）刮刀式离心机（手动、自动） （3）锥篮式离心机（立锥、卧锥） （4）卧螺-活塞式离心机 分离原理:过滤型； 进料、卸料为间隙式。
离心机在高速运转(装料转速)时，开始装料， 介质经进料管、布料管至布料盘，在布料盘上获 得足够的离心力而甩至转鼓壁，在离心力作用下 通过滤网将液体滤出，液体(母液)经底盘集液槽 至出液管排出，当滤饼重量(或体积)达到机器额 定装料重量(或容量)时，关闭进料阀，离心机加 速至额定转速，对介质更进一步分离，当达到分 离要求后，离心机低速运转，刮刀装置按规定程 序进行刮料，滤饼从底盘卸料斗落至接料盘或输 送带上，完成一次工作循环。
絮凝剂的分类： （1）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。 （2）无机高分子聚合物：聚合铝盐、聚合铁 盐等。 （3）天然高分子有机物：海藻酸钠、明胶、 骨胶、壳多糖等。
常用的絮凝剂：有机合成的聚丙烯酰胺 类衍生物。 优点：絮凝速度快，絮凝体粗大，用量 小，分离效果好，适用范围广。 缺点：有一定的毒性，特别是阳离子型 聚丙烯酰胺，不宜用于食品及医药工业。 聚丙烯酸类阴离子絮凝剂，无毒，可用 于食品及医药工业。
第二章
第一节 第二节 第三相对纯化 固液分离工程及设备
基本要求： 了解发酵液的特性和固液分离工程及设 备，掌握发酵液相对纯化的方法。 重点： 降低液体粘度的方法；凝聚与絮凝；发 酵液中高价无机离子的除去；杂蛋白的除 去。
预处理的目的：分离除去菌体和其他悬 浮颗粒，同时除去一部分可溶性杂质，改 变滤液的性质，为提取和精制等后道工序 创造有利条件。 胞外产物，预处理时应尽可能使产物转 移到液相，然后用固液分离除去固相。 胞内产物，则应先收集菌体或细胞，经 细胞破碎后，使产物转移到液相，再用固 液分离除去细胞碎片。
离心分离的特点： （1）分离速度快，分离效率高，液相澄 清度好； （2）投资高，能耗大，连续排料时，固 相干度不如过滤设备。 按其工作原理，可分为过滤式离心机和 沉降式离心机。
1、过滤式离心机 在转鼓上开有小孔，有过滤介质，在 离心力作用下，液体穿过过滤介质，经小 孔流出而得以分离。 用于处理固体颗粒较大、固体含量较 高的悬浮液。
2、镁离子的去除 用三聚磷酸钠，形成可溶性络合物。 3、铁离子的去除 用黄血盐，形成普鲁士蓝沉淀。
二、杂蛋白质的去除 常用方法如下： （1）沉淀法 蛋白质在酸性溶液中，与阴离子（三氯 乙酸盐等）形成沉淀； 在碱性溶液中，与阳离子（Ag+、Cu2+、 Zn2+、Fe3+、Pb2+）形成沉淀。
（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。 加热、调pH、有机溶剂或表面活性剂都 能使蛋白质变性。 柠檬酸生产，发酵液加热80℃，蛋白质 变性凝固和降低发酵液粘度。 （3）吸附法 用吸附剂或沉淀剂
（2）管式离心机 也是沉降式离心 机的一种。
分离效率很高，分离因数为1万~60万。 可用于细胞分离，以及细胞碎片、细胞 器、病毒、蛋白质、核酸等生物大分子的 分离。 用于固-液和液-液分离。液-液分离为连 续操作，固-液分离为间歇操作。
管式离心机结构简单、操作稳定，分离 效率高，特别适用于固形物浓度低（低于 1%）的发酵液的分离； 由于转鼓容积小，不能连续工作，生产 能力较小。
滤饼过滤：以滤布为过滤介质，当悬浮 液通过滤布时，固体颗粒被滤布阻拦而逐 渐形成滤饼，当滤饼达到一定厚度时，即 可起过滤作用，可获得澄清的滤液。 悬浮液本身形成的滤饼起主要的过滤作 用。 滤布：天然或合成纤维织布、金属织布、 石棉板、玻璃纤维板、合成纤维等。 适于固体含量大于0.1g/100mL的悬浮液。
滤饼过滤按推动力的不同可分为四种： 重力过滤、加压过滤、真空过滤和离心过 滤。
1、 板框 过滤 机 (p54)
板框过滤机应用于培养基制备以及霉菌、 放线菌、酵母菌和细菌等发酵液的固液分 离。 适于固体含量1%~10%的悬浮液。 优点：结构简单，过滤面积大，过滤的 推动力大，适应不同过滤特性的发酵液过 滤，价低，能耗低。 缺点：间歇操作，劳动强度大，生产效 率低。
二、调整pH（常用方法） pH直接影响发酵液中某些物质的电解 质和电荷性质，适当调节pH值可改善其过 滤特性。 大多数蛋白质的等电点在酸性范围内 （pH4.0-5.5），利用酸性来调节发酵液pH 使之达到等电点，可除去蛋白质等酸性两 性物质。
三、凝聚与絮凝 采用凝聚和絮凝技术能有效改变细胞、 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，以提高过滤速率； 同时，还能有效地除去杂蛋白质和固体杂 质，提高滤液质量。 工业最常用方法之一。
第二节
发酵液的相对纯化
高价无机离子和杂蛋白质的除去 杂质对产品分离过程的危害： （1）直接影响产品质量和收得率； （2）高价无机离子影响离子交换树脂的生 物交换容量和吸附容量； （3）杂蛋白质产生乳化现象，使两相分离 不清； （4）杂蛋白质使过滤介质堵塞或受污染， 影响过滤速率。
一、高价无机离子的去除 发酵液中主要的无机离子有：Ca2+、 Mg2+和Fe2+等。 主要影响离子交换树脂的交换容量。 1、钙的去除 通常使用草酸以及草酸钠，形成草酸 钙沉淀。 草酸钙还能使蛋白质凝固，改善发酵 液的过滤性能。
2、沉降式离心机 转鼓上无小孔，不需过滤介质，在离心 力作用下，物料按密度的大小不同分层沉 降而得以分离。 用于固-液、液-液和液-液-固分离。
分离依据： （1）相对的密度差 （2）液体的粘度和固体颗粒的形状 （3）离心力大小 （4）液体表面积
（1）碟片式离心机 是沉降式离心机的一种，最广泛使用。 适用于细菌、酵母菌、放线菌等细胞悬 浮液及细胞碎片悬浮液； 分离因数1000~20000； 生产能力较大，最大处理量300m3/h， 一般用于大规模分离过程。
2、絮凝 絮凝：絮凝是指在某些高分子絮凝剂 存在下，基于桥架作用，使胶体粒子形 成较大絮凝团的过程。 絮凝作用是一个高分子聚合物（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。
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。
反离子的价数越高，凝聚值就越小，即 凝聚能力越强。 阳离子对带负电荷的发酵液胶体粒子凝 聚力的次序：
Al3+＞Fe3+＞H+＞Ca2+＞Mg2+＞K+＞Na+＞Li+
常用的凝聚电解质有： 硫酸铝（明矾）Al2(SO2)3.18H20; 氯化铝AlCl3.6H20 ； 三氯化铁FeCl3.6H20 ； 硫酸亚铁FeSO4.7H20； 石灰； ZnSO4; MgCO3等。