第二章发酵液的预处理和固液分离方法
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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 发酵液的预处理
使用助滤剂要点： （1）根据目的产物选择助滤剂品种； （2）根据过滤介质和过滤情况选择助滤 剂品种； （3）助滤剂粒度的选择； （4）助滤剂使用量的选择。
2021/10/25
五、加入反应剂法 加入某些不影响产物的反应剂，可消除
发酵液中某些杂质对过滤的影响，提高过 滤速率。
反应剂和某些可溶性盐类（如CaSO4、 AlPO4等）生成不溶性沉淀，生成的沉淀能 防止菌丝体粘结，沉淀本身还可作为助滤 剂，并能使胶状物和悬浮物凝固，从而改 善过滤性能。
被处理物质的颗粒带负电荷，工业上常用 的凝聚剂大多为阳离子型，分为：
无机盐类 ：如硫酸铝、矾、硫酸铁和硫 酸亚铁。
金属氧化物类 ：如氢氧化铝、氢氧化铁 、氢氧化钙或石灰等。
聚合无机盐类 ：如聚合铝和聚合铁等。
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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。
2021/10/25
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。
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。
2021/10/25
（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。
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五、加入反应剂法 加入某些不影响产物的反应剂，可消除
发酵液中某些杂质对过滤的影响，提高过 滤速率。
反应剂和某些可溶性盐类（如CaSO4、 AlPO4等）生成不溶性沉淀，生成的沉淀能 防止菌丝体粘结，沉淀本身还可作为助滤 剂，并能使胶状物和悬浮物凝固，从而改 善过滤性能。
被处理物质的颗粒带负电荷，工业上常用 的凝聚剂大多为阳离子型，分为：
无机盐类 ：如硫酸铝、矾、硫酸铁和硫 酸亚铁。
金属氧化物类 ：如氢氧化铝、氢氧化铁 、氢氧化钙或石灰等。
聚合无机盐类 ：如聚合铝和聚合铁等。
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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。
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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。
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。
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（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。
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
收集胞内产物的细胞或菌体，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（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
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）。
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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。
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2）天然有机高分子絮凝剂
第二章 发酵液的预处理和固
优点：分离速度快，效率高，液相
澄清度好等。 缺点：设备投资高，能耗大。
1、离心机：按作用原理分类
过滤式离心机： – 转鼓上开小孔，有过滤介质，离心力下， 液体穿过过滤介质经小孔流出而得以分离。 – 用于处理悬浮液固体颗粒较大、固含量较 高的物料。
沉降式离心机： – 转鼓上无孔，离心力下，物料按密度大小 不同分层沉降分离。 – 用于液-固、液-液、液-液-固分离。
絮 凝
絮凝：在高分子絮凝剂存在下，基
于架桥作用，使细胞、胶粒等聚集 成粗大的絮凝团。 絮凝剂：一种能溶于水的高分子聚 合物，相对分子质量大，具长链结 构（链节含许多活性官能团）。 作用力：由静电引力、范德华力或 氢键作用力等吸附于胶粒的表面。
絮凝剂
絮凝剂化学结构：
– 分子含相当多的活性官能团，使之能 与胶粒表面相结合； – 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。 – 相对分子质量不能超过一定限度，以 使其具有良好的溶解性。
碟片式 间歇排渣 连续 0.1-5 1-10 0.5-15 0.5-15
螺旋倾析 式
5-50 >2 连续 较干
间歇 糊膏状
连续 糊膏状
103-2 × 104 103-2 × 104 103- 104 200 300 200
3、其他固液分离方法
切向流过滤（又称错流、交叉、十
字流过滤）：
– 维持恒压下高速过滤的技术。 – 悬浮液在过滤介质表面作切向流动， 利用流动的剪切力作用将介质表面的 固体（滤饼）移走，提高过滤速度。 – 在膜过滤中广泛使用。
2、常见离心分离设备
倾析式离心机： – 螺旋卸料沉降离心机； – 靠离心力和螺旋推进作用自动连续排 渣； – 可连续操作，适应性强，应用范围广， 结构紧凑，适于固含量高的悬浮液分 离； – 不适于细菌、酵母菌等分离；常用于 淀粉精制、废液处理等。
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。
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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
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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
Ch2 发酵液的预处理和固液分离修改稿
2）常见的絮凝剂：
①无机絮凝剂：主要有硫酸铝、氯化钙等和一些无机高 分子聚合物，如聚合铝盐和聚合铁盐等。 ②有机絮凝剂：主要有中性、阴性和阳性絮凝剂，包括： 天然高分子絮凝剂和人工合成的高分子絮凝剂。 天然的高分子絮凝剂：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。
人工合成的高分子絮凝剂：聚丙烯酰胺类、聚苯乙烯
在酸性溶液中，杂蛋白质带正电荷，能与一些 阴离子如三氯乙酸盐、水杨酸盐、钨酸盐、苦味酸 盐、蹂酸盐、过氯酸盐等形成沉淀。
在碱性溶液，杂蛋白质带负电荷，能与一些阳 离子，如Ag+，Cu2+，Zn2+，Fe3+和Pb2+等形成 沉淀。
②使杂蛋白质变性
1）热变性法：加热，液体粘度降低，加快过滤速度。 2）大幅度调节pH值，酸性条件下取出杂蛋白较多。 3) 加酒精、丙酮等有机溶剂或表面活性剂等，只适合发 酵液量少的场合。
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：
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。
两种相反作用力下，双电层分裂成两部： 1）吸附层（紧密层）；2）扩散层。 形成了扩散双电层的结构模型。
二、发酵液预处理的概念** 以细胞培养液或发酵液为出发点，设 法使目标产物转移到液相中，同时除去 其它悬浮颗粒以及改善滤液性状，利于 后续操作，该过程称为发酵液的预处理。
三、发酵液预处理的目的和要求 (一) 发酵液预处理的目的 ① 改变发酵液中固体粒子的物理性质，如 降低溶液的粘度，增加固体粒子的粒度等， 促进从悬浮液中分离固形物的速度，实现 工业规模的过滤。 ② 尽可能使产物转入便于以后处理的相（液 相）中。 ③ 去除发酵液中部分杂质，以利于后续各步 操作。
发酵液预处理和固液分离方法
增加溶液中离子强度会减少ζ电位。当双电层斥 力不足以抗衡范德华力的时，胶粒会能凝聚。
影 响 因 素
1. 反离子价数 价数越高凝聚能力越强 Al3+>Fe3+>H+>Ca2+>Mg2+>K+>Na+>Li+ 常用凝聚剂:明矾、氯化铝、氯化铁和硫酸锌。 2. 离子强度 溶液离子强度越高，凝聚力越强
高分子聚合物絮凝剂
三 种 电 位
φs 胶核表面电位，整个
双电层上的电位 φd Stern平面上的电位 ξ电位 电动电位，滑动面 上的电位
三种电位中，只有ξ电位可以实 际测量。它是控制胶粒间电排 斥的作用的电位，可用来表征 双电层的特征。
胶粒能保 持分散状 态度原因
1. 双电层结构 ξ电位越大，电排斥 越大，分散状态越稳定。 2. 胶体表面水化 水化层阻碍胶粒 间直接聚集。
1. 固液分离速度主要取决于介质的理化性质：
菌体大小和黏度： A.不能直接过滤 菌体小、黏度大， B.高速离心能耗大 不利于分离 C.膜分离易污染 高价无机离子(Ca2+、Mg2+、Fe3+)： 影响离子交换的容量 蛋白质：降低离子交换和大孔吸附 能力，有机溶剂萃取或两水相提取 时出现乳化
主 要 影 响 因 素
影 响 因 素
絮 凝 剂
杂 蛋 白 的 去 除
等 电 点
酸性：pH 4.5-5.5 去除杂蛋白较多 碱性：pH 7.5-8.5 加热 使液体黏度减低，蛋白变性。 也会使色素增多
变 性
加入有机溶剂、表面活性剂
沉 酸性：三氯乙酸、水杨酸、苦味酸 淀 +, Cu2+, Zn2+, Fe3+, Pb2+ 碱性： Ag 剂
影 响 因 素
1. 反离子价数 价数越高凝聚能力越强 Al3+>Fe3+>H+>Ca2+>Mg2+>K+>Na+>Li+ 常用凝聚剂:明矾、氯化铝、氯化铁和硫酸锌。 2. 离子强度 溶液离子强度越高，凝聚力越强
高分子聚合物絮凝剂
三 种 电 位
φs 胶核表面电位，整个
双电层上的电位 φd Stern平面上的电位 ξ电位 电动电位，滑动面 上的电位
三种电位中，只有ξ电位可以实 际测量。它是控制胶粒间电排 斥的作用的电位，可用来表征 双电层的特征。
胶粒能保 持分散状 态度原因
1. 双电层结构 ξ电位越大，电排斥 越大，分散状态越稳定。 2. 胶体表面水化 水化层阻碍胶粒 间直接聚集。
1. 固液分离速度主要取决于介质的理化性质：
菌体大小和黏度： A.不能直接过滤 菌体小、黏度大， B.高速离心能耗大 不利于分离 C.膜分离易污染 高价无机离子(Ca2+、Mg2+、Fe3+)： 影响离子交换的容量 蛋白质：降低离子交换和大孔吸附 能力，有机溶剂萃取或两水相提取 时出现乳化
主 要 影 响 因 素
影 响 因 素
絮 凝 剂
杂 蛋 白 的 去 除
等 电 点
酸性：pH 4.5-5.5 去除杂蛋白较多 碱性：pH 7.5-8.5 加热 使液体黏度减低，蛋白变性。 也会使色素增多
变 性
加入有机溶剂、表面活性剂
沉 酸性：三氯乙酸、水杨酸、苦味酸 淀 +, Cu2+, Zn2+, Fe3+, Pb2+ 碱性： Ag 剂
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
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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。
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
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）
Байду номын сангаас
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
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，胶体体系变得不稳定。
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。
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。
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。
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。
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。
（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。
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。
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+。
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。
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
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）
Байду номын сангаас
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
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，胶体体系变得不稳定。
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。
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。
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。
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。
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。
（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。
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。
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+。
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。