发酵液的固液分离分类和处理要求
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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。
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。
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
固液分离技术的方法及条件
固液分离技术 2、膜分离技术
利用膜的选择性（孔径 大小），以膜的两侧存在的 能量差作为推动力，由于溶 液中各组分透过膜的迁移率 不同而实现分离的一种技术。
固液分离技术
膜的分类
按孔径大小： 微滤膜、超滤膜、反渗透膜、纳滤膜 按膜结构： 对称性膜、不对称膜、复合膜 按材料分：
有机高分子膜、无机材料膜
固液分离技术 离心沉降
离心沉降是基于固体颗粒和周围液体密度 存在差异，在离心场中使不同密度的固体颗粒 加速沉降的分离过程。 对于浓度较小，粒径较大，硬度较强的 不溶物，可以采用过滤分离。
固液分离技术
优点 缺点
1、分离效率高 2、分离速度快 3、分离速度快
1、能耗大 2、与过滤设备相比， 设备投资高； 3、离心只能得到一 种较为浓缩的悬 浮液或浆体
固液分离技术的方法及条件
固液分离技术的方法及条件
1
固液分离概括 沉淀分离 过滤分离 浮选分离 总结
2
3
4 5
固液分离技术
固液分离(solid-liquid separation)是一种重要的 单元操作，从液相中除去固体一般采用筛或沉淀方 法。现有的传统固液分离技术主要集中在压滤、过 滤、重力沉降等方面，它广泛的应用于医药卫生、 造纸、环境保护、食品、发酵等各大行业。 全球水资源急剧短缺，生存环境日益恶化，人们 因此对固液分离工艺也提出了更高的要求，世界各 国的许多研究者在这方面的也有很多深入的研究。
固液分离技术 絮凝沉淀法：
定义：使水或液体中悬浮微粒集聚变大，或形成 絮团，从而加快粒子的聚沉，达到固-液分离的目 的，一般需加入絮凝剂。 絮凝剂：可分为无机絮凝剂和有机絮凝剂两类。其 中无机絮凝剂又包括无机凝聚剂和无机高分子絮凝 剂；有机絮凝剂又包括合成有机高分子絮凝剂、天 然有机高分子絮凝剂和微生物絮凝剂。
发酵产物分离纯化
2、溶剂萃取法
利用不同物质在不同的溶剂中具有不同的溶 解度的原理来进行不同物质的分离纯化。
一般采用有机溶剂萃取法
适用于抗生素等小分子物质的分离纯化
3、双水相萃取法
双水相系统是指某些高聚物之间或高聚物 与无机盐之间在水中以适当的浓度溶解会 形成互不相溶的两水相或多水相系统。通 过溶质在相间的分配系数的差异而进行萃 取的方法即为双水相萃取。
（1）盐析法
中性盐的加入，破坏了蛋白质、酶的胶体 性质，中和微粒上的电荷，促使蛋白质等 的沉淀，多用于提取各种蛋白质和酶。
中性盐一般为硫酸铵。
（2）有机溶剂沉淀法
与水互溶的有机溶剂（乙醇、丙酮等） 能使蛋白质在水中的溶解度显著降低。
多用于生物小分子、多糖、核酸和蛋白 质等产品的提取。
有机溶剂在这个过程的主要作用：
易于进行连续化操作。 相分离过程温和 ,生化分子如酶不易受到破
坏。 选择性高、收率高。 操作条件温和。
4、吸附法
吸附作用：固体表面的分子或原子具有不 饱和的剩余力，即存在表面力，所以它们 能够吸附外界物质，使这些外界物质在吸 附剂表面形成多分子层或单分子层，而降 低固体表面能，使自身达到稳定状态。一 般将物质从流体相浓缩到固体表面的过程 成为吸附作用。
降低溶液的介电常数，因为分子间的静电 引力和溶剂的介电常数成反比，加入有机 溶剂，蛋白质分子间的引力增加，溶解度 降低。
有机溶剂的另一作用是部分地引起蛋白质 脱水而沉淀。
（3）等电点沉淀法
调节溶液pH至等电点处，可使两性电解质 所带净电荷为零，相邻分子之间由于没有静 电斥力而趋于沉淀。
适用于氨基酸、蛋白质和其他两性物质的沉 淀分离。
③ 生物破碎法
加酶促进法 利用生物酶消化溶解细胞壁和细胞膜的方法。
酶生产的下游工艺—固液分离
机 转鼓内壁上。堆积在转鼓内壁上的固相靠螺旋推向转
鼓的锥形部分，从排渣口排出。
离心设备
工作任务（二）离心及离心设备
倾 析 式 离 心 机
离心设备
工作任务（二）离心及离心设备
倾
• 优点：具有操作连续、适应性强、应用范围广、 结构紧凑和维修方便等优点，特别适合于含固
析
形物较多的悬浮液的分离。
式
• 缺点：这种离心机的分离效果较差，因而不适
过
河水、麦芽汁、酒类和饮料等的澄清。
滤
过滤的分类
工作任务（一）过滤及过滤设备
过滤介质为滤布，当悬浮液通过滤 布时，固体颗粒被滤布所阻拦而逐渐
滤 形成滤饼(或称滤渣)。当滤饼达到一 饼 定厚度时起过滤作用，这种方法叫做 过 滤饼过滤或滤渣过滤。 滤
适合于固体含量 >0.1g／100ml的 悬浮液的过滤分离。
滤
过滤的分类
工作任务（一）过滤及过滤设备
过滤介质：硅藻土、砂、颗粒活性炭、玻璃
澄
珠、塑料颗粒等，也有用烧结陶瓷、烧结金
清 过 滤
属、粘合塑料及用金属丝绕成的管子等组成的 成型颗粒滤层。
过滤的分类
工作任务（一）过滤及过滤设备
澄
适合范围：于固体含量少于0.1g／l00ml、颗
清
粒直径在5～100μm的悬浮液的过滤分离，如
特点：
心
区带内的液相介质密度小于样品物质颗粒的密度。
适宜分离密度相近而大小不同的固相物质。
工作任务（二）离心及离心设备
离心的方法
密 度 梯 度 离 心
密度梯度离心示意图
（a）离心前 （b）离心后
工作任务（二）离心及离心设备
离心的方法
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。
微生物技术应用：第四章-微生物发酵产物的分离与纯化可编辑全文
3 工艺放大
发酵产物分离纯化工艺的建立一般都经过从 实验室、中试车间生产到形成工业规模生产线的 放大过程，这是一项工艺诞生、发展、成熟和完 善的一般规律。其中实验室研究是大规模生产的 第一步，小规模生产工艺是大规模生产工艺的基 础。尽管工艺放大过程中往往会有操作细节或条 件的改变，小规模生产工艺条件优化和工序综合 效果研究可为放大设计及工艺定型积累数据和提 供经验。
（一）发酵液的预处理和固液分离
1.高价无机离子的去除方法
（1）钙离子，可用草酸。草酸溶解度较小 ，故用量大时，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，应 注意回收。如四环类抗生素废液中，加入硫酸 铅，在60℃下反应生成草酸铅。后者在 90~95℃下用硫酸分解，经过滤、冷却、结晶 后可以回收草酸。
一、建立分离纯化工艺的根据
1.微生物发酵产物的特点
➢另一个特点是欲提取的生物物质通常很不 稳定，遇热、极端pH、有机溶剂会引起失 活或分解。
➢发酵或培养都是分批操作、生物变异性大， 各批发酵液不尽相同，要求下游加工有一 定的弹性。
一、建立分离纯化工艺的根据
2.原理
（1）物理性质 ① 力学性质：重力、离心力、筛分； ② 热力学性质：状态变化、相平衡； ③ 传质性质：粘度、扩散、热扩散； ④ 电磁性质：电泳、电渗析、磁化；
WSK卧式高效全能珠磨机 ZM系列卧式密闭珠(砂)磨机
（2）高压匀浆器 采用高压匀浆器是大规模破碎细胞的常用
方法，利用高压迫使细胞悬浮液通过针形阀， 由于突然减压和高速冲击撞击环 造成细胞破裂。
JJ-2组织捣碎匀浆机
（2）高压匀浆器
各种菌体一次通过高压匀浆器的破碎率
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。
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2．降低滤液黏度μ
• 黏度愈低，过滤阻力愈小。加热、去杂蛋白、絮凝、 调PH、选择合适的放罐时间。
3．降低悬浮液中悬浮固体的浓度
• 过滤速度与获得滤饼体积成反比。因此应尽可能降低 培养基配料浓度（如玉米粉、豆饼粉的浓度）。
4. 对发酵液进行预处理，改善滤液性质。
发酵液的固液分离分类和处理要求
17
3.2.6 过滤介质选择
发酵液的固液分离分类和处理要求
非均相物系由分散相和连续相组成
分散相： 分散物质。在非均相物系中，处于分散状 态的物质。 连续相： 分散介质。包围着分散物质而处于连续状 态的流体。
发酵液的固液分离分类和处理要求
非均相物系的分离原理：
根据两相物理性质(如密度等)的不同而进行的分离。
非均相物系分离的理论基础：
涤纶 145
138 0.04-0.08
耐磨
良 优 优
滤液 澄清度
12
滤饼过滤
深层过滤
发酵液的固液分离分类和处理要求
13
• 3.2.3 过滤理论： • 过滤速率 ：dQ/dt = A△p/μL(Rm+Rc)
3.2.4 影响过滤的因素 1）推动力
悬浮液自身压强差、重力
悬浮液的—外加压力
过滤介质的—抽真空
2）悬浮液的性质（发酵液的黏度） 3）过滤阻力：
介质阻力：一般过滤初较明显 滤饼阻力:滤饼厚度：随过滤进行而增加； 滤饼特性：颗粒形状、大小。
发酵液的固液分离分类和处理要求
18
过滤介质-织物介质
• 又称滤布，应用最广泛，包括由棉、麻等天然纤维滤布 和合成纤维滤布。
• 其过滤性能受许多因素的影响，其中最重要的是纤维的 特性、编织纹法和线型。
最高温度 ℃
密度 (kg／m3)
吸水率％
棉
92
155
16-22
尼纶 10现分离，必须使分散相和连续相之间发生相对 运动。因此，非均相物系的分离操作遵循流体力学的 基本规律。
发酵液的固液分离分类和处理要求
非均相物系的分离方法：
由于非均相物的两相间的密度等物理特性差异较大， 因此常采用机械方法进行分离。按两相运动方式的不 同，机械分离大致分为沉降和过滤两种操作。
均相物系的分离：
通常先造成一个两相物系，再用机械分离的方法分 离，如蒸馏，萃取等。
发酵液的固液分离分类和处理要求
发酵液的分离非常困难，最常用的固液分 离方法是过滤和离心。 • 体积较大的颗粒—过滤 • 体积较小的颗粒（1-10μm）离心 • 体积再小 发酵液预处理后再过滤或离心
发酵液的固液分离分类和处理要求
8
3.2 非均相物系的分离
• 依据机理分为：
• 深层过滤：硅藻土、活性炭（ 固体＜1g/L）
• 滤饼过滤：常压、减压、加压（ 固体＞ 1g/L） • 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（滤渣）。在滤饼过滤中，当滤饼至一定 厚度时即起主要的过滤作用。适合于固体含量大于 1g/L的悬浮液的过滤分离。
发酵液的固液分离分类和处理要求
发酵液的固液分离分类和处理要求
3
3.1 概述
自然界的混合物分为两大类：
均相物系(honogeneous system): 均相混合物。物系内部
各处均匀且无相界面。如溶液和混合气体都是均相物系。
非均相物系(non-honogeneous system): 非均相混合物。
物系内部有隔开不同相的界面存在，且界面两侧的物料性质有 显著差异。如：悬浮液、乳浊液、泡沫液属于液态非均相物系， 含尘气体、含雾气体属于气态非均相物系。
发酵液的固液分离分类和处理 要求
发酵液的固液分离分类和处理要求
1
上节课的主要内容
发酵液的预处理
• 凝聚
• 絮凝
• 加热
• 调pH
• 高价无机离子的去除
• 杂蛋白质的去除 发酵液的固液分离分类和处理要求
2
常见的固液分离方法
• 过滤 filtration • 离心 Centrifugation • 膜分离 membrane separation • 双水相萃取 ATPS • 扩张床吸附 EBA
• 过滤介质起过滤作用，还是滤饼的支撑物。应具有足够 的机械强度和尽可能小的流动阻力。
合理选择过滤介质：
• 过滤介质所能截留的固体粒子大小：通常以过滤介质的 孔径表示。常用的过滤介质中，纤维滤布所能截留的最 小粒子约10μm，硅藻土为lμm，超滤膜可小于0.5μm。
• 过滤介质的透过性：是指在一定的压力差下，单位时间 单位过滤面积上通过滤液的体积量，它取决于过滤介质 上毛细孔径的大小及数目。
（4）培养基成分：如用黄豆粉、花生粉作氮源， 淀粉作碳源，粘度都会升高。
（5）某些染菌发酵液，如染细菌，则粘度会增 大。
（6）发酵过程的不正常处理，如大量过剩的培 养基和消沫油加入，都会使粘度增大。
发酵液的固液分离分类和处理要求
16
3.2.5 过滤速度的强化
1．降低滤饼比阻力
• 一切能够降低滤饼比阻力的方法：如添加电解质、絮 凝剂、凝固剂助滤剂等。
发酵液的固液分离分类和处理要求
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； –滤浆filter pulp : 所处理的悬浮液； –滤液filtrate : 通过多孔通道的液体； –滤饼或滤渣 filter cake:被截留的固体物质。
发酵液的固液分离分类和处理要求
10
滤浆(slurry)： 原悬浮液。
滤饼(filter cake)： 截留的固体物质。
过滤介质(filtering medium)： 多孔物质。
滤液(filterate)： 通过多孔通道的液体。
过滤操作示意图 (滤饼过滤)
发酵液的固液分离分类和处理要求
• 3.2.2 分类：
大多情况下，过滤阻力主要取决于滤饼阻力。
发酵液的固液分离分类和处理要求
14
4）影响发酵液固液分离的其它因素
• （1）发酵液中悬浮离子的大小
发酵液的固液分离分类和处理要求
15
（2）菌体的种类和浓度（重要因素），通常丝 状菌、动物或植物细胞悬浮液粘度较大，浓度 增大，粘度也提高。
（3）培养液中蛋白质、核酸大量存在：通常细 胞破碎或细胞自溶后粘度增大。因此细胞破碎 的程度应控制，发酵放罐时间要适宜。
• 黏度愈低，过滤阻力愈小。加热、去杂蛋白、絮凝、 调PH、选择合适的放罐时间。
3．降低悬浮液中悬浮固体的浓度
• 过滤速度与获得滤饼体积成反比。因此应尽可能降低 培养基配料浓度（如玉米粉、豆饼粉的浓度）。
4. 对发酵液进行预处理，改善滤液性质。
发酵液的固液分离分类和处理要求
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3.2.6 过滤介质选择
发酵液的固液分离分类和处理要求
非均相物系由分散相和连续相组成
分散相： 分散物质。在非均相物系中，处于分散状 态的物质。 连续相： 分散介质。包围着分散物质而处于连续状 态的流体。
发酵液的固液分离分类和处理要求
非均相物系的分离原理：
根据两相物理性质(如密度等)的不同而进行的分离。
非均相物系分离的理论基础：
涤纶 145
138 0.04-0.08
耐磨
良 优 优
滤液 澄清度
12
滤饼过滤
深层过滤
发酵液的固液分离分类和处理要求
13
• 3.2.3 过滤理论： • 过滤速率 ：dQ/dt = A△p/μL(Rm+Rc)
3.2.4 影响过滤的因素 1）推动力
悬浮液自身压强差、重力
悬浮液的—外加压力
过滤介质的—抽真空
2）悬浮液的性质（发酵液的黏度） 3）过滤阻力：
介质阻力：一般过滤初较明显 滤饼阻力:滤饼厚度：随过滤进行而增加； 滤饼特性：颗粒形状、大小。
发酵液的固液分离分类和处理要求
18
过滤介质-织物介质
• 又称滤布，应用最广泛，包括由棉、麻等天然纤维滤布 和合成纤维滤布。
• 其过滤性能受许多因素的影响，其中最重要的是纤维的 特性、编织纹法和线型。
最高温度 ℃
密度 (kg／m3)
吸水率％
棉
92
155
16-22
尼纶 10现分离，必须使分散相和连续相之间发生相对 运动。因此，非均相物系的分离操作遵循流体力学的 基本规律。
发酵液的固液分离分类和处理要求
非均相物系的分离方法：
由于非均相物的两相间的密度等物理特性差异较大， 因此常采用机械方法进行分离。按两相运动方式的不 同，机械分离大致分为沉降和过滤两种操作。
均相物系的分离：
通常先造成一个两相物系，再用机械分离的方法分 离，如蒸馏，萃取等。
发酵液的固液分离分类和处理要求
发酵液的分离非常困难，最常用的固液分 离方法是过滤和离心。 • 体积较大的颗粒—过滤 • 体积较小的颗粒（1-10μm）离心 • 体积再小 发酵液预处理后再过滤或离心
发酵液的固液分离分类和处理要求
8
3.2 非均相物系的分离
• 依据机理分为：
• 深层过滤：硅藻土、活性炭（ 固体＜1g/L）
• 滤饼过滤：常压、减压、加压（ 固体＞ 1g/L） • 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（滤渣）。在滤饼过滤中，当滤饼至一定 厚度时即起主要的过滤作用。适合于固体含量大于 1g/L的悬浮液的过滤分离。
发酵液的固液分离分类和处理要求
发酵液的固液分离分类和处理要求
3
3.1 概述
自然界的混合物分为两大类：
均相物系(honogeneous system): 均相混合物。物系内部
各处均匀且无相界面。如溶液和混合气体都是均相物系。
非均相物系(non-honogeneous system): 非均相混合物。
物系内部有隔开不同相的界面存在，且界面两侧的物料性质有 显著差异。如：悬浮液、乳浊液、泡沫液属于液态非均相物系， 含尘气体、含雾气体属于气态非均相物系。
发酵液的固液分离分类和处理 要求
发酵液的固液分离分类和处理要求
1
上节课的主要内容
发酵液的预处理
• 凝聚
• 絮凝
• 加热
• 调pH
• 高价无机离子的去除
• 杂蛋白质的去除 发酵液的固液分离分类和处理要求
2
常见的固液分离方法
• 过滤 filtration • 离心 Centrifugation • 膜分离 membrane separation • 双水相萃取 ATPS • 扩张床吸附 EBA
• 过滤介质起过滤作用，还是滤饼的支撑物。应具有足够 的机械强度和尽可能小的流动阻力。
合理选择过滤介质：
• 过滤介质所能截留的固体粒子大小：通常以过滤介质的 孔径表示。常用的过滤介质中，纤维滤布所能截留的最 小粒子约10μm，硅藻土为lμm，超滤膜可小于0.5μm。
• 过滤介质的透过性：是指在一定的压力差下，单位时间 单位过滤面积上通过滤液的体积量，它取决于过滤介质 上毛细孔径的大小及数目。
（4）培养基成分：如用黄豆粉、花生粉作氮源， 淀粉作碳源，粘度都会升高。
（5）某些染菌发酵液，如染细菌，则粘度会增 大。
（6）发酵过程的不正常处理，如大量过剩的培 养基和消沫油加入，都会使粘度增大。
发酵液的固液分离分类和处理要求
16
3.2.5 过滤速度的强化
1．降低滤饼比阻力
• 一切能够降低滤饼比阻力的方法：如添加电解质、絮 凝剂、凝固剂助滤剂等。
发酵液的固液分离分类和处理要求
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； –滤浆filter pulp : 所处理的悬浮液； –滤液filtrate : 通过多孔通道的液体； –滤饼或滤渣 filter cake:被截留的固体物质。
发酵液的固液分离分类和处理要求
10
滤浆(slurry)： 原悬浮液。
滤饼(filter cake)： 截留的固体物质。
过滤介质(filtering medium)： 多孔物质。
滤液(filterate)： 通过多孔通道的液体。
过滤操作示意图 (滤饼过滤)
发酵液的固液分离分类和处理要求
• 3.2.2 分类：
大多情况下，过滤阻力主要取决于滤饼阻力。
发酵液的固液分离分类和处理要求
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4）影响发酵液固液分离的其它因素
• （1）发酵液中悬浮离子的大小
发酵液的固液分离分类和处理要求
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（2）菌体的种类和浓度（重要因素），通常丝 状菌、动物或植物细胞悬浮液粘度较大，浓度 增大，粘度也提高。
（3）培养液中蛋白质、核酸大量存在：通常细 胞破碎或细胞自溶后粘度增大。因此细胞破碎 的程度应控制，发酵放罐时间要适宜。