9第九章发酵工程下游技术发展及发酵液的预处理

菌种对过滤速度影响
• 真菌的菌丝比较粗大，如青霉菌的菌丝直径可 达10μm，发酵液容易过滤，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。 如链霉素发酵液菌丝仅0.5~1.0μm左右，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，过滤十分因 准，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。
超临界CO2萃取技术在获得天然生物物质方面有
着独特的优势。20世纪80年代以来，已经在许多领 域中迅速实现了工业化。如啤酒花中有效成分和咖 啡豆中咖啡因的萃取分离。介于反渗透和超滤之间 的纳米滤技术，由于其能使水和大部分无机盐通过
而截留分子量300-1000的小分子有机物，且操作压
力低，在生物工业和水处理中具有广阔的应用前景。 渗透蒸发技术、液膜技术及反胶团技术的研究和应 用开发等也相继取得了很大的进展。
影响絮凝的因素
• • • • • 絮凝剂的添加量 发酵液的pH 絮凝剂的分子量 搅拌转速 搅拌时间
絮凝剂添加量对絮凝效果(滤速)的影响
料液中，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。
发酵液pH对絮凝效果的影响
第九章 发酵工程下游技术发展及 发酵液的预处理
概述
• 下游技术（工程） ：对于由生物界自然 产生的或由微生物菌体发酵的、动植物 细胞组织培养的、酶反应等各种生物工 业生产过程获得的生物原料，经提取分 离、加工并精制目的成分，最终使其成 为产品的技术。
下游加工过程的重要性。（组成、 费用和关注程度）
固形物的速度，提高固液分离的效率
• （2）尽可能使产物转入便于后处理的某一相中
（多数是液体）
• （3）去除发酵液中部分杂质，以利于后续各步操
作。
2.发酵液预处理的要求:
• （1）菌体的分离 • （2）固体悬浮物的去除 • （3）蛋白质的去除 • （4）重金属离子的去除 • （5）色素、热原质、毒性物质等有机杂质的去除
3. 液体深层发酵阶段
以20世纪40年代出现的青霉素产品为代表。 无菌空气制备技术、大型好氧发酵装置开发，一大 批通风发酵技术产品相继投入了工业生产，如抗生 素（链霉素）、氨基酸（谷氨酸）、有机酸（核酸、 柠檬酸）、酶制剂（淀粉酶）、微生物多糖和单细 胞蛋白等。产品多样性决定了分离方法的多样性。 借鉴和引进吸收了大量的近代化学工业的分离技术， 如沉淀、离子交换、萃取、结晶等。
4. 现代生物技术阶段
以20世纪70年代末崛起的DNA重组技术及细胞融合 技术为代表。 生物技术在其主要领域：基因工程、酶工程、细胞 工程和发酵工程取得了长足进步，一批高附加值的 产品开始面世，如乙肝疫苗、干扰素、功能因子、 低聚糖、活性肽、高度不饱和脂肪酸等。生物技术 在深度和广度上都取得了很大的进展。很多企业开 始加强在生物工业下游技术领域的研究开发力量， 不断推出新技术、新产品、新装备，以抢占更多的 市场。新技术有超临界CO2萃取技术、膜过滤、渗 透蒸发技术、各种色谱（层析）技术等。
四、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。 • 在过滤操作中，要求滤速快，滤液澄清 并且有高的收率。
（一）影响过滤速度的因素
过滤速度和以下因素有关 • 菌种。 • 发酵条件。
培养基的组成 未用完培养基的数量 消泡剂 发酵周期
（4）高度分离纯化技术
小分子物质一般可通过离子交换、脱色和结晶、重 结晶等方法获得纯度很高的产品。生物大分子的纯 化一直是个难题。20世纪70年代以来，逐渐开发出 各种色谱（层析）技术，如亲和色谱、疏水色谱、 聚焦色谱、离子交换色谱和凝胶色谱等，后两种技 术已开始用于批量生产。
（5）其他新型分离技术
• （6）改变发酵液的性质
• （7）调节适宜pH值和温度
三、预处理的方法
（一）加热法 （二）调节悬浮液的pH （三）发酵液的凝聚和絮凝 （四）高价无机离子的去除方法 （五）杂蛋白质的去除
（一）加热法：
降低悬浮液的黏度，除去某些杂蛋白，降低悬浮 物的最终体积，破坏凝胶状结构、增加滤饼的空 隙度。（不适用热敏性的物质）
1. 传统分离技术的提高和完善
适合于大规模工业化生产的传统技术经过改造 提高后，适应面更宽，效率会更高，仍然显示出 强劲的生命力。 各种新型高效的过滤机械和离心机械的问世， 结晶理论和离子交换技术的新进展，提高了产品 的收率、质量和生产效率。
2. 新技术的研究开发
（1）新型分离介质的研究开发
膜（膜材料和膜制造工艺）、树脂（离子交换树脂和大网 格树脂）和凝胶（琼脂糖凝胶为基质，与各种配基结合后 制成各种色谱分离介质）是目前主要的新型分离介质。
溶液pH的变化常会影响离子型絮凝剂中官能团的电 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。
• 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
（四）高价无机离子的去除方法 • 钙离子，可用草酸。 • 镁离子，可用三聚磷酸钠它和镁离子形 成可溶性络合物，用磷酸盐处理，也能 大大降低钙离子和镁离子的浓度。此法 可用于环丝氨酸的提取。 • 铁离子，可加入黄血盐，使形成普鲁士 蓝沉淀。
（五）杂蛋白质的去除方法 • 热变性 • 沉淀 • 大幅度改变pH
2.如何着手对一种未知的发酵产品进行提取。
• （1）产品的类型，性质的研究。 大致确定它是属于哪一类型； 了解它是一种成分还是几种成分的混合物。 • （2）稳定性研究。 确定在哪一种条件下进行提取和精制不受破坏， 即确定提取条件。
六、生物工业下游技术的发展动态
——成本、质量、环保将是该技术发展方向和动力
五、发酵工业下游技术的一般工艺过程
• 下游加工过程由各种化工单元操作组成。 由于生物产品品种多，性质各异，故用到 的单元操作很多，其中如蒸馏、萃取、结 晶、吸附、蒸发和干燥等属传统的单元操 作，理论比较成熟，而另一些则为新近发 展起来的单元操作，如细胞破碎、膜分离 和色层分离等，缺乏完整的理论，介于两 者之间的有离子交换过程等。
20世纪80年代以来，生物工业下游技术进步很 快，出现了很多新概念、新技术、新产品和新 装备。大致可分为以下几大类：
（1）固液分离技术
絮凝技术引入到发酵液的预处理上，研究开发了菌 体及悬浮物絮凝技术，改善了发酵液的分离性能， 加之纤维素助滤剂的开发，大大提高了发酵液的固 液分离效率。在固液分离机械方面，也出现了一些 性能优良的新型机械，如带式过滤机、板框过滤机、 螺旋沉降式离心机等。微滤膜可高效分离细微的悬 浮粒子。
第一节 发酵工程下游技术发展
一、发酵产物的分类
•
从工业发酵范畴来看，从发酵液中获得的发酵产物大致 可分为三类 ： – 1、菌体： – 2、酶： – 3、代谢产物
二、下游加工技术的特点
• 1.发酵液的复杂性造成分离上的困难性。 • 粗原料中带入大量的不参与发酵过程的 可溶性杂质和不溶性悬浮物，给下游过 程的分离提取带来了不小的困难，增加 了下游操作成本，包括发酵废液的处理 成本
（2）子代分离技术
各种分离纯化技术相互结合、交叉、渗透，形成子代分离 技术。如膜技术和萃取、蒸馏、蒸发技术相结合形成了膜 萃取技术、膜蒸馏及渗透蒸发技术；色谱技术与离子交换 技术等结合形成了离子交换色谱、等电聚焦色谱等。
（3）其他新兴下游技术
由溶剂萃取技术衍生出一大批生物工业分离技术， 如双水相萃取、超临界CO2萃取、反胶团萃取（细 胞碎片去除、细胞胞内物质、酶及蛋白质、天然生 物物质的提取分离）；菌体絮凝技术和菌体细胞破 碎技术的进展为工业化经济的分离菌体细胞和大规 模生产胞内物质创造了技术前提。
（二）调节悬浮液的pH
通过调节发酵液pH到蛋白质的等电点使蛋白质沉 淀，同时络合重金属离子； 常用的酸化剂有草酸、盐酸、硫酸和磷酸
（三）发酵液的凝聚和絮凝
机理 • 电解质将胶体粒子表面上的电荷中和，减少存在于 胶体粒子间的静电斥力，使范德华力占优势，这样 胶体就会凝聚成较大、较密实的粒子（凝聚），或 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使之更容易过滤（絮凝）。 常用的凝聚方法 • 在稀溶液中加入电解质以促进凝聚。试剂包括酸、 碱、简单电解质和合成的高分子电解质。 常用的絮凝剂 • 聚丙烯酰胺、聚乙烯亚胺、聚胺衍生物、氯化钙、 磷酸氢二钠
第二节 发酵液的预处理
• 一、发酵液的一般特征
• 1.含水量高，一般可达90％-99% • 2.产品浓度低 • 3.悬浮物颗粒小，密度与液体相差不大 • 4.固体粒子可压缩性大 • 5.液体黏度大 • 6.产物性质不稳定
二、发酵液预处理的目的和要求
• 1.预处理的目的：
• （1）改变发酵液的物理性质，促进悬浮液中分离
下游加工一般工艺流程
发酵液
菌体 离心或过滤 固体部分 干燥 产物 胞外产物 离心或过滤 胞内产物 离心或过滤 细胞破碎 含产物的清液 离心或过滤 提取、分离 纯化、精制 干燥 产物
下游工艺过程决定于产品的性质和要求 达到的纯度
• 如产品为菌体本身，则工艺比较简单，只需经 过滤、得到菌体，再经干燥就可，如单细胞蛋 白的生产。 • 如可以从发酵液直接提取，则可省去固液分离 步骤。 • 如为胞外产物则可省去细胞破碎步骤。
• 3. 多为分批操作，各批发酵液不尽相同， 要求下游加工有一定弹性。
四、生物工业下游技术的发展历程
1.古代酿造业
古代酿造业包括酿酒、制酱（油）、醋、酸奶和干 酪等。技术原始、家庭式作坊、产物基本不经过后 处理而直接使用，无下游技术。