第二章发酵液的预处理和固液分离方法
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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。
电解质的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（mol/L）称为凝聚值。
根据Schuze-Hardy法则，反离子 的价数越高，该值就越小，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 能力的次序为：Al3+ > Fe3+> H+> Ca2+ > Mg2+ > K+ > Na+ > Li+。
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，它们具 有长链状结构，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。
常用的凝聚电解质有： 硫酸铝A12(SO4)3·18H2O (明 矾) 氯化铝AICl3·6H2O 三氯化铁FeCl3·6H2O 硫酸亚铁FeSO4·7H2O 石灰、ZnSO4、MgCO3等。
2．絮凝
絮凝是指在某些高分子絮凝剂存在 下，基于架桥作用，使胶粒形成较大絮 凝团的过程。
采用凝聚方法得到的凝聚体，其颗 粒常常是比较细小的，有时还不能有效 地进行分离。采用絮凝法则常可形成粗 大的絮凝体，使发酵液较易分离。
加热法注意事项：
使用加热法时必须严格控制加热 温度与时间。
1. 加热的温度必须控制在不影响目的产物活 性变质的范围内；
2. 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 其后的产物分离与纯化。
二、调整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。
滑移面上的电位称为ξ电位（或电动电位）， 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，是研究凝聚机理的重要参数。
胶粒保持分散状态的原因
带有相同电荷和扩散双电层的结构。 ξ电位越大，电排斥作用就越强，胶粒的分 散程度也越大，发酵液过滤就越困难。
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。
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
该法是发酵工业中发酵液预处理中 常用的方法之一。
氨基酸、蛋白质等两性物质，在其等电点处 的溶解度最小，此即为等电点沉淀法。
应用实例：味精生产中，利用等电点 (pH3.22)沉淀法提取谷氨酸；对于蛋白质而 言，由于羧基的电离度比氨基大，因而大多数 蛋白质的等电点在酸性范围(pH4.0～5.5)。 调节发酵液pH值使之达到等电点，可除去蛋 白质等酸性两性物质。
但是，这些正离子还具有因热运动而离开胶粒 表面的趋势。
双电层的组成
在相距胶核表面约一个离子半径Stern平面以内， 正离子被紧密束缚在胶核表面，称为吸附层；
在Stern平面以外，剩余的正离子在溶液中扩散 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。
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，这一薄层的厚度比吸附层 稍大，滑移面在图中用波纹线表示。
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。
如果在发酵液中加入具有相反电性的 电解质，就可以中和胶粒的电性，使ξ电 位降低，胶体体系变得Baidu Nhomakorabea稳定。
当双电层的排斥力不足以抗衡胶粒间 的范德华引力时，由于热运动的结果就导 致胶粒的互相碰撞而聚集。
另外，由于电解质离子在水中的水化 作用会破坏胶粒周围的水化层，使胶粒可 以直接碰撞而聚集。
影响凝聚作用的主要因素是无机盐的种类、 化合价以及无机盐的用量。
（2-2)
N：阿伏伽德罗常数，mol-1； e：电子电荷，库仑； k：波尔兹曼常数，J·K-1； T：热力学温度，K； ci：i离子摩尔浓度，mol/L； Zi：i离子的化合价。
ξ电位与溶液中带相反电荷的离子 强度有关，因此，提高离子的化合价 和浓度可以压缩扩散双电层，使其厚 度减小，从而使ξ电位降低。
优点：降低液体粘度 缺点：增加悬浮液的体积，加大
后继过程的处理任务。
加热法
优点：1. 升高温度可有效降低液体粘度，提高 过滤速率；
2. 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。
实例：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 原来的1/6，过滤速率可增大10～100倍。
根据静电学基本定理，可推导ξ电位的基
本公式为
4q
D
（2－1）
q：胶体的电动电荷密度，即滑移面上的电荷密 度，库仑/m2；
D：水的介电常数，F·m-1；
δ：扩散层的有效厚度，m（即吸附层和扩散层
界面处电位Φd降低到其值为1/e处的距离，不能直 接测定）
1000 D k T
4Ne
1
ci
Z
2 i
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；
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。
电解质的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（mol/L）称为凝聚值。
根据Schuze-Hardy法则，反离子 的价数越高，该值就越小，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 能力的次序为：Al3+ > Fe3+> H+> Ca2+ > Mg2+ > K+ > Na+ > Li+。
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，它们具 有长链状结构，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。
常用的凝聚电解质有： 硫酸铝A12(SO4)3·18H2O (明 矾) 氯化铝AICl3·6H2O 三氯化铁FeCl3·6H2O 硫酸亚铁FeSO4·7H2O 石灰、ZnSO4、MgCO3等。
2．絮凝
絮凝是指在某些高分子絮凝剂存在 下，基于架桥作用，使胶粒形成较大絮 凝团的过程。
采用凝聚方法得到的凝聚体，其颗 粒常常是比较细小的，有时还不能有效 地进行分离。采用絮凝法则常可形成粗 大的絮凝体，使发酵液较易分离。
加热法注意事项：
使用加热法时必须严格控制加热 温度与时间。
1. 加热的温度必须控制在不影响目的产物活 性变质的范围内；
2. 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 其后的产物分离与纯化。
二、调整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。
滑移面上的电位称为ξ电位（或电动电位）， 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，是研究凝聚机理的重要参数。
胶粒保持分散状态的原因
带有相同电荷和扩散双电层的结构。 ξ电位越大，电排斥作用就越强，胶粒的分 散程度也越大，发酵液过滤就越困难。
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。
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
该法是发酵工业中发酵液预处理中 常用的方法之一。
氨基酸、蛋白质等两性物质，在其等电点处 的溶解度最小，此即为等电点沉淀法。
应用实例：味精生产中，利用等电点 (pH3.22)沉淀法提取谷氨酸；对于蛋白质而 言，由于羧基的电离度比氨基大，因而大多数 蛋白质的等电点在酸性范围(pH4.0～5.5)。 调节发酵液pH值使之达到等电点，可除去蛋 白质等酸性两性物质。
但是，这些正离子还具有因热运动而离开胶粒 表面的趋势。
双电层的组成
在相距胶核表面约一个离子半径Stern平面以内， 正离子被紧密束缚在胶核表面，称为吸附层；
在Stern平面以外，剩余的正离子在溶液中扩散 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。
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，这一薄层的厚度比吸附层 稍大，滑移面在图中用波纹线表示。
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。
如果在发酵液中加入具有相反电性的 电解质，就可以中和胶粒的电性，使ξ电 位降低，胶体体系变得Baidu Nhomakorabea稳定。
当双电层的排斥力不足以抗衡胶粒间 的范德华引力时，由于热运动的结果就导 致胶粒的互相碰撞而聚集。
另外，由于电解质离子在水中的水化 作用会破坏胶粒周围的水化层，使胶粒可 以直接碰撞而聚集。
影响凝聚作用的主要因素是无机盐的种类、 化合价以及无机盐的用量。
（2-2)
N：阿伏伽德罗常数，mol-1； e：电子电荷，库仑； k：波尔兹曼常数，J·K-1； T：热力学温度，K； ci：i离子摩尔浓度，mol/L； Zi：i离子的化合价。
ξ电位与溶液中带相反电荷的离子 强度有关，因此，提高离子的化合价 和浓度可以压缩扩散双电层，使其厚 度减小，从而使ξ电位降低。
优点：降低液体粘度 缺点：增加悬浮液的体积，加大
后继过程的处理任务。
加热法
优点：1. 升高温度可有效降低液体粘度，提高 过滤速率；
2. 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。
实例：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 原来的1/6，过滤速率可增大10～100倍。
根据静电学基本定理，可推导ξ电位的基
本公式为
4q
D
（2－1）
q：胶体的电动电荷密度，即滑移面上的电荷密 度，库仑/m2；
D：水的介电常数，F·m-1；
δ：扩散层的有效厚度，m（即吸附层和扩散层
界面处电位Φd降低到其值为1/e处的距离，不能直 接测定）
1000 D k T
4Ne
1
ci
Z
2 i
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；