发酵液的预处理和过滤

第十二章发酵液的预处理和过滤

一、下游加工过程：通过微生物发酵过程、酶反应过程或动植物细胞大量培养获得的发酵液、反应液或培养液中分离、精制有关产品的过程称为下游加工过程(Down stream processing)

用适当的方法将含量较小的初级产物从反应液或细胞中初步提取出来，再进一步精制加工，得到合格产品的过程。

下游加工的重要性

①发酵混合物产品：如啤酒、葡萄酒、各种发酵饮料等。只需经固--液分离和无菌处理即可。成本一般为10％左右。

②小分子产品、非活性的大分子产品和细胞产品：即传统发酵工业产品，如乙醇、有机酸、氨基酸、抗生素、维生素、单细胞蛋白等。这类产品分离的投资占整个工厂投资的60％左右，生产成本占30％左右。

③生物活性物质产品：如重组DNA(基因工程)产品、精制蛋白质产品。这类产品的分离与精制相当复杂，其下游加工过程的费用可占整个生产费用的80％-90％。

二、下游加工过程的特点

①发酵液是复杂的多相系统：

含有细胞、代谢产物和残余培养基等，使得发酵液的固-液分离很困难。

②目的产物在发酵液中的含量低：传统发酵一般为1％-10％，活性物质产品则为0.01％-1％，而杂质含量很高，基因工程法生产的蛋白质，杂蛋白。

③产物收率低：由于起始浓度低，杂质多，而成品要求纯度高，因此常需好几步分离操作，其结果使产品的收率下降。

酶制剂收率一般为70％左右,精制收率不到50％；

基因工程产品，收率达30％-40％.

④产物易于失活：

遇热、极端pH、有机溶剂、某些金属离子等都会引起失活或分解，对于大分子的蛋白质产品，其活性还受剪切力的影响。

⑤发酵过程不稳定：

在发酵培养过程中，由于生物的变异性大，各批发酵液中有效物质浓度，残余培养基等杂质含量，以及杂菌感染程度等不尽相同。

⑥生物安全问题：

对于某些基因工程产品，应注意生物安全问题，即要防止菌体的扩散，特别对前几步操作，要求在密封环境下进行。

下游加工过程的一般流程

1、一般说来，下游加工过程可分为4个阶段：培养液(发酵液)的预处理和固液分离；初步纯化(提取)；高度纯化(精制)；成品加工。

第一节发酵液预处理

微生物发酵液的特性可归纳如下：

①发酵产物浓度较低，悬浮液中大部分是水；

②悬浮物颗粒小，密度与液体相差不大；

③固体粒子可压缩性大；

④液体黏度大，大多为非牛顿型流体；

⑤产物性质不稳定，遇热、极端pH、空气氧化、微生物污染、酶分解等作用会引起分解或失活。

发酵液预处理的措施：

降低液体粘度

调整pH

凝聚与絮凝

加入反应剂

2.2 发酵液的预处理

措施：

❖加水稀释

但增加悬浮液的体积，加大后处理任务

❖加热

但必须严格控制加热温度和时间

⑴热稳定性

⑵防止细胞溶解，胞内物质外溢，增加发酵液的复杂性

❖酶解

2.2 发酵液的预处理

pH影响发酵液中某些物质的电离度和电荷性质，恰当pH，能促进细胞聚集，改善过滤特性。

氨基酸是两性电解质

等电点pH>pI 碱性条件负电荷

pH

等电点下，两性物质的溶解度最小

2.2 发酵液的预处理

2.2 发酵液的预处理

2.2 发酵液的预处理

2.2 发酵液的预处理

2.2 发酵液的预处理

发酵液的预处理

发酵液的过滤特性过滤

可压缩滤饼的比阻是两侧压强差的函数，通常可用下面的经验公式估算：

恒压，恒速，变压变速操作：

恒压操作：△p不变，Lc ↑，Rc＝rLc ↑，u ↓

恒速操作：Lc ↑，Rc＝rLc ↑，△p ↑

①板框压滤机

✓优点：

板框压滤机的过滤面积大；

过滤推动力(压力差)能较大幅度地进行调整，并能耐受较高的压力差；

结构简单，价格低，

动力消耗少等优点。

✓缺点

不能连续操作，设备笨重，劳动强度大，

卫生条件差，

非生产的辅助时间长，阻碍了过滤效率的提高。

②鼓式真空过滤机

✓优点

能连续操作，

能实现自动化控制

缺点

压差较小，主要适用于霉菌发酵液的过滤。

提高过滤性能的方法

加入助滤剂、加入填充剂、酶解

加入助滤剂

在含有大量细小胶体粒子的发酵液中加入固体助滤剂，则这些胶体粒子吸附于助滤剂微粒上，助滤剂就作为胶体粒子的载体，均匀地分布于滤饼层中，相应地改变了滤饼结构，降低了滤饼的可压缩性，也就减小了过滤阻力。

硅藻土、珍珠岩粉、活性炭、石英砂、纤维素

使用方法：一种是在过滤介质表面预涂助滤剂，另一种是直接加入发酵液中，也可以两种方法同时兼用。

第三节微生物细胞的破碎和分离

❖胞外产物霉菌产生糖化酶等

❖胞内产物基因重组产品等

分离纯化方法：

⑴使用分泌性宿主，使胞内产物分泌到胞外

⑵细胞破碎

物理法，化学法，机械法，酶法

一、微生物细胞壁的结构及组成

细胞壁的化学组成：

微生物的类型

年龄

生长生理学

3.2 细胞壁的结构及组成

3.2 细胞壁的结构及组成

二、细胞壁的破碎

破碎方法的选择：破碎目的

待破碎生物体的类型

❖破碎目的：获取产品，考虑破碎收率和能耗；

研究胞内产物在体内的功能，宜

采用软处理。

❖待破碎生物体的类型：不同生物体对破碎有不

同的敏感度（见表3.2）

破碎方法

1、物理破碎法：高压、高剪切力或高速振动

①高压匀浆法

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

图3.3 HC23-高压细胞破碎机

②挤压法：

将浓缩的菌体悬液冷却至-25～-30℃形成冰晶体，施以500MPa的高压冲击，将冷冻细胞从高压阀小孔挤出使之破碎。