发酵液预处理
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）。
发酵液预处理与浓缩
第四节 萃取分离
基本概念
萃取 extraction 是利用液体或超临界流体为 溶剂提取原料中目标产物的分离纯化操作。
4.1 溶剂萃取
供提取的溶液称为料液；从料液中待提取的 物质称为溶质；用来萃取目的产物的溶剂称 为萃取剂；溶质转移到萃取剂中与萃取剂形 成的溶液称为萃取液；被萃取出溶质后的料 液称萃余液。
操作方式：间歇式、连续式 型式：管式、套筒
高 速 冷 冻 离 心 机
旋转过滤机
滚 筒 式 离 心 机
4000
三、细胞破碎
细胞破碎（cell rupture）技术是指利用外力 破坏细胞膜和细胞壁，使细胞内含物包括目的 产物成分释放出来的技术。
细胞破碎技术是分离纯化细胞内合成的非分泌 型药物成分的基础。
水层
浓缩，过滤
结晶 (苷C)
溶于乙醇，加Ca(OH)2 减压浓缩，结晶
结晶 (苷C)
甲醇重结晶
西地兰纯品
第三节 膜分离
Membrane separation是利用特殊制造的、具有 选择透过性能的膜，在外力推动下对混合物 进行分离、提纯、浓缩的一种分离方法。
3.1 膜分离概述
膜的定义：
在一种流体相间有一薄层凝聚相物质，把流体相分 隔开来成为两部分，这一薄层物质称为膜 膜还必须具有高度的渗透选择性
1. 酶消化法
细胞悬浮液中加入酶能迅速和细胞 壁反应并破坏它们。酶选择性的与细胞 壁反应，不破坏细胞内的其它物质。反 应条件温和。
此法的缺点在于酶的消耗限制了在 大规模生产中的使用。
2. 机 械 法
• 匀浆法 • 研磨法 • 超声波法：利用频率高、波长短的超 声波进行细胞破碎，效率更高 • 高压均质法
生物工艺学第二章发酵液的预处理与固液分离2
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
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（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。
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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。
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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
发酵液预处理
影响微生物絮凝剂絮凝效果的主要因素有温度、 pH值、金属离子等。温度过高或过低对絮凝 剂活性都有影响。
壳聚糖由于分子中含有大量的氨基，所以它对 蛋白质和其他胶体物质具有很强的絮凝作用， 可作为阳离子絮凝剂使用。海藻酸钠、明胶、 骨胶等天然物质也有絮凝作用。
〔1〕主絮凝剂＋助絮凝剂 〔2〕新型絮凝剂 〔3〕无机-有机复合絮凝剂 〔4〕微生物絮凝剂与传统絮凝剂复合
2.4 发酵液处理性能的改善
2.4.1 降低发酵液的黏度 常用方法有加热法和加水稀释法 升高发酵液的温度可以有效降低液体黏度，蛋
白质也会凝聚，形成大颗粒的凝聚物，发酵液 的过滤特性得到了进一步的改善。 加热时必须严格控制加热温度和加热时间：防 止活性物变性、细胞自溶。
通过调节pH值可以改善其过滤特性。
发酵液预处理
2.1 概述
为什么要进展预处理？ 一、发酵液多为黏度大的悬浮液； 二、目标产物在发酵液中的浓度通常较低； 三、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，对发酵液进展适当的预处理，从而别离细胞、
菌体和其他悬浮颗粒(如细胞碎片、核酸及蛋白质的沉 淀物)，并除去局部可溶性杂质和改变发酵液的过滤性 能，是生化物质别离纯化过程中必不可少的首要步骤。
2.5.6 絮凝设备
絮凝设备包括絮凝器及絮凝颗粒别离设备，絮 凝器主要有以下几种：
(1)桨叶式絮凝器 (2)折流式絮凝器 (3)其他絮凝器
(1)在除去细胞体、细胞碎片及蛋白质中的应 用
(2)在连续发酵中的应用 细胞回收和循环使用。 絮凝酵母
(3)在生物产品别离中的应用 絮凝技术可代替 或改善离心和过滤方法，富集或除去发酵液中 的细胞或细胞碎片。
(6)其他沉淀法 聚电解质、某些多价金属离子 和非离子型聚合物(如聚乙二醇)也可作为蛋白 质的沉淀剂。
第一章 发酵液预处理与固液分离
3）天然无机高分子絮凝剂 有聚合铁系和铝系两大类 铁系絮凝剂具有操作简单、费用低，受温度影响小，亲和 力强，能有效地去除悬浮物、表面活性剂、破坏油水乳状 液的能力很强等优点，缺点腐蚀性强、稳定性差。 铝系是目前应用广、工艺较成熟的一类无机金属盐絮凝剂， 絮凝效果好，缺点具毒性等。
2.4.2 加热
3.2.2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。
常用的凝聚剂电解质有：
硫酸铝 Al2(SO4)3•18H2O（明矾）； 氯化铝 AlCl3•6H2O; 三氯化铁 FeCl3; 硫酸亚铁 FeSO4·7H2O ； 石灰；ZnSO4；MgCO3等。
常用的絮凝剂：
可分为三类：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 1）目前常用的是人工合成有机高分子聚合物，如聚丙烯 酰胺类衍生物、聚乙烯亚胺衍生物；聚丙烯酸类和聚苯乙 烯类衍生物。 2）天然有机高分子絮凝剂 天然有机高分子改性絮凝剂根据其原料来源不同可分为淀 粉类、纤维素类、植物胶类和聚多糖类。
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。
织物介质特性
最高温度 密度 吸水率％ (kg／ ℃ (kg／m3) 吸水率％ 16棉 92 155 16-22 105—120 6.5尼纶 105 120 114 6.5-8.3 涤纶 138 0.04145 0.04-0.08 耐磨 良 优 优
第二章发酵液的预处理和固液分离方法
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
发酵液预处理
酵液的预处理和固液分离方法从微生物发酵液或细胞培养液中提取生化物质的第一个必要步骤就是预处理和固液分离.14.1发酵液的预处理从悬浮液中分离固形物的速度,取决于该液体的物理性质,常采用预处理的办法改变其物理性质而促其分离.细菌及某些放线菌菌体细小,发酵液粘度大,不能直接过滤. 由于菌体自溶,核酸,蛋白质及其它有机粘性物质的存在会造成滤液浑浊,滤速极慢.因此,在预处理中应采用絮凝或凝聚的方法,设法增大悬浮液中固体粒子的大小,提高其沉降速度,或采用稀释,加热等方法降低粘度,以利于过滤.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(Ca++,Mg十+,Fe++)和杂蛋白质等.高价无机离子的存在,会影响树脂对生化物质的交换容量.杂蛋白质的存在,不仅在采用离子交换法和大网格树脂吸附法提炼时会降低其吸附能力,而且在采用有机溶剂或两水相萃取时, 容易产生乳化,使两相分离不清,在预处理时,应尽量除去这些物质.14.1高价无机离子的去除方法为去除钙离子,宜加入草酸,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,加入硫酸铅,在60 C下反应生成草酸铅.后者在90-95 C下用硫酸分解，经过滤,冷却,结晶后可以回收草酸.草酸镁的溶解度较大.故加入草酸不能除尽镁离子.要除去镁离子,可以加入三聚磷酸钠,它和镁离子形成可溶性络合物:Na5P3O10+Mg++=Mg Na Na3P3O10+2Na 十用磷酸盐处理,也能大大降低钙离子和镁离子的浓度.要除去铁离子,可加入黄血盐,使形成普鲁士蓝沉淀.14.l.2杂蛋白质的去除方法蛋白质一般以胶体状态存在于发酵液中.胶体粒子的稳定性和其所带电荷有关.蛋白质在某一pH 下,净电荷为零,溶解度最小,称为等电点.因为羧基的电离度比氨基大,故蛋白质的酸性性质通常强于碱性,因而很多蛋白质的等电点都在酸性范围内(pH 4.0-5.5). 但单靠调节pH 至等电点的办法不能将大部分蛋白质除去.在酸性溶液中,蛋白质能与一些阴离子如三氯乙酸盐,水杨酸盐,钨酸盐,苦味酸盐,鞣酸盐,过氯酸盐等形成沉淀;在碱性溶液中，能与一些阳离子,如Ag十,Cu++,Zn十十,Fe++和Pb++等形成沉淀• 变性蛋白质溶解度较小.最常用的使蛋白质变性的方法是加热.加热还能使液体粘度降低,加快过滤速度•该法只适用于对热较稳定的生化物质•使蛋白质变性的其它办法还有：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(pH 2-3) 或较碱性范围(pH 8 一9)使蛋白质凝固, 一般以酸性下除去的蛋白质较多•加有机溶剂使蛋白质变性的方法通常只适用于所处理的液体数量较少的场合•此外,还可以利用吸附作用除去蛋白质•例如,四环类抗生素生产中,采用黄血盐和硫酸锌的协同作用生成亚铁氰化锌钾K2Zn3 〔Fe(CN)5〕2 的胶状沉淀来吸附蛋白质•在枯草杆菌发酵液中,常加入氯化钙和磷酸氢二钠,这两者本身生成庞大的凝胶,把蛋白质,菌体及其它不溶性粒子吸附并包裹在其中而除去,从而加快了过滤速度.14.l.3凝聚和絮凝技术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.凝聚和絮凝的概念凝聚是在中性盐作用下,由于双电层排斥电位的降低,而使胶体体系不稳定的现象. 絮凝是指在某些高分子絮凝剂存在下,基于架桥作用, 使胶粒形成粗大的絮凝团的过程,是一种以物理的集合为主的过程.发酵液中的细胞,菌体或蛋白质等胶体粒子的表面, 一般都带有电荷,主要是吸附溶液中的离子或自身基团的电离.通常发酵液中细胞或菌体带有负电荷,由于静电引力的作用使溶液中带相反电荷的粒子（即正离子）被吸附在其周围, 在界面上形成了双电层. 但是这些正离子还受到使它们均匀分布开去的热运动的影响,具有离开胶粒表面的趋势,在这两种相反作用的影响下, 双电层就分裂成两部分,在相距胶核表面约一个离子半径的Stern 平面以内,正离子被紧密束缚在胶核表面,称为吸附层或紧密层;在stern 平面以外,剩余的正离子则在溶液中扩散开去, 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.这样就形成了扩散双电层的结构模型,如图14-1 所示.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,厚度比吸附层稍大,滑移面（剪切面）在图14-l 中用波纹线表示.这三种电位中只有z电位能实际测得，所以可以认为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,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:从而阻止了粒子的聚集• z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.但是，水化膜主要是伴随胶粒带电而引起的，一旦z电位降低或消除，水化层也会随之减弱或消失.根据静电学基本定理，可导出z电位的基本公式为：z =4 n q S /D其中D—水的介电常数；q—胶体的电动电荷密度，即滑移面上的电荷密度；S—广散层的有效厚度，即为吸附层和扩散层界面处电位©d降低到其值为1/e处的距离，可知，z电位与扩散层厚度S和电动电荷密度q成正比，而扩散层厚度又与溶液中离子强度有关，当双电层的排斥力不足以抗衡胶粒间的范德华引力时，由于热运动的结果导致胶粒的互相碰撞而聚集起来.由此可见，在发酵液中加入具有高价阳离子的电解质，能降低z电位和脱除胶粒表面的水化膜，就能导致胶粒间的凝聚作用.常用的凝聚剂电解质有：AI2（SO4）3 18H2O（明矶）;AIC13 6H2O;FeC13;ZnSO4;MgCO3 等. 有机高分子聚合物絮凝剂，它们具有长链线状的结构，是一种水溶性的聚合物，分子量可高达数万至一千万以上，在长的链节上含有相当多的活性功能团，可以带有多价电荷（如阴离子或阳离子）,也可以不带电性（如非离子型）.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,产生了架桥联接,生成粗大的絮团,这就是架凝作用.如果胶粒相互间的排斥电位不太高,只要高分子聚合物的链节足够长,跨越的距离超过颗粒间的有效排斥距离,也能把多个胶粒拉在一起,导致架桥絮凝. 目前最常见的高分子聚合物絮凝剂是有机合成的聚丙烯酰胺类衍生物.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.聚丙烯酰胺类絮凝剂具有用量少,絮凝体粗大,分离效果好,絮凝速度快以及种类多等优点,所以适用范围广.它们的主要缺点是存在一定的毒性,特别是阳离子型聚丙烯酰胺,要考虑这些物质最终能否从产品中去除.近年来还发展了聚丙烯酸类阴离子絮凝剂,它们无毒,可用于食品和医药工业中.另外,还有聚苯乙烯类衍生物及无机高分子聚合物絮凝剂,如聚合铝盐和聚合铁盐等.除此以外,也可采用天然有机高分子絮凝剂.如多聚糖类胶粘物,海藻酸钠,明胶,骨胶,壳多糖和脱乙酰壳多糖等.对于带负电性菌体或蛋白质来说,阳离子型高分子絮凝剂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.对于非离子型和阴离子型高分子絮凝剂,则主要通过分子间引力和氢键作用产生吸附架桥,它们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.无机电解质的凝聚作用为高分子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.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见图（14-2）. 适宜的加量通常由实验得出.虽然高分子絮凝剂分子量提高,链增长,可使架桥效果明显,但是,分子量不能超过一定的限度, 因为随分子量提高,高分子絮凝剂的水溶性降低.溶液PH 的变化常会影响离子型絮凝剂中功能团的电离度,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.14.2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.14.2.4发酵液的过滤特性和滤饼的重量比阻微生物的发酵液大多数属于非牛顿型液体,滤渣为可压缩性的.衡量过滤特性的主要指标是滤饼的重量比阻rB,它表示单位滤饼厚度的阻力系数，与滤饼的结构特性有关•对于不可压缩性滤饼,比阻值为常数,但对于可压缩性滤饼,比阻rB 是操作压力差的函数,一般可用下式表示:rB=r（△p）m式中r—不可压缩滤渣的比阻，对于一定的料液，其值为常数；m—压缩性指数，一般取0.5-0.8,对不可压缩性滤饼，m为0;可见，滤饼的比阻值是随操作压力差的提高而增大的.因此，开始过滤时应注意不能很快提高压差，通常靠液柱的自然压差进料，并应缓慢地，逐步地升高压力，一般在相当长的时间内，压力差不要超过0.05 MPa,最后的压差也不超过030.4 MPa.如果操作压力控制过高，由于比阻值的急剧增加，会使过滤速度很快下降，以至达到不能继续过滤的程度•恒压下，可压缩性滤饼的比阻值应为常数•如过滤介质的阻力相对较小可以忽略不计，则恒压下的过滤方程式如下：q2=2 △ p T /rBXB式中q--到瞬间T通过单位过滤面积的滤液量，m;△ p—压力差，Pa;卩-滤液粘度，Pa.s;rB —滤饼的重量比阻，m/kg;XB —通过单位体积滤液，所形成的滤渣重量仟重），kg/m3;T—过滤时间，S.14.2.2影响过滤速度的因素过滤速度和菌种，发酵条件（培养基的组成，未用完培养基的数量，消沫油，发酵周期）等有关. 菌种对过滤速度影响很大.一般,真菌的菌丝比较粗大，发酵液容易过滤，常不需特殊处理.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.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，过滤十分困难，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.培养基的组成对过滤速度影响也很大.用黄豆粉，花生粉作氮源，淀粉作碳源会使过滤困难.此外，发酵后期加消沫油或剩余大量未用完的培养基，都会使过滤困难.正确选择发酵终了时间对过滤影响很大.在菌丝自溶前必须放罐，因为细胞自溶后的分解产物一般很难过滤.有时延长发酵周期虽能使发酵单位有所提高，但严重影响发酵液质量，使色素和胶状杂质增多，过滤困难，最终造成成品质量降低.14.2.3改善过滤性能的方法采用等电点，蛋白质变性，吸附以及凝聚和絮凝等方法预处理发酵液，以改变发酵液的性状和过滤性能.除此以外，改善过滤性能的方法还有：加入助滤剂，直接在发酵液中形成填充-凝固剂，媒介作用等.助滤剂是一种不可压缩的多孔微粒，它能使滤饼疏松，滤速增大.助滤剂必须不吸附或很少吸附生化物质.助滤剂的加入有两种方法，一种是在滤布上预先铺一层助滤剂（l-2mm），另一种是直接加入发酵液中.有一条经验规则可供参考，即助滤剂用量若等于悬浮液中固体含量时，滤速最快.改善过滤性能较好的方法是加入一些反应剂，它们能相互作用，或和某些溶解性盐类发生反应生成不溶解的沉淀.生成的沉淀能防止菌丝体粘结，使菌丝具有块状结构，沉淀本身即可作为助滤剂，并且还能使胶状物和悬浮物凝固.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.加入淀粉酶后,能使过滤速度加快.发酵液染菌后，会含很多细菌菌体，杂质也增多，给边滤造成很大困难.处理方法有：升高温度,增加纯化剂用量，加助滤剂等.14.2.4固一液分离设备的选择。
重庆大学生物工艺学_第14章 发酵液的预处理和固液分离
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。
2.1.2 培养基的组成对过滤速度影响
填充-凝固剂
改善过滤性能较好的方法是加入一些反应剂， 它们能相互作用，或和某些溶解性盐类发生反 应生成不溶解的沉淀(CaSO4，AlPO4等)。生 成的沉淀能防止菌丝体粘结，使菌丝具有块状 结构，沉淀本身即可作为助滤剂，并且还能使 胶状物和悬浮物凝固，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。
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
二、 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。
方法
• 在稀溶液中加入电解质以促进凝聚和絮凝。试剂包
括酸、碱、简单电解质和合成的高分子电解质。
凝聚和絮凝的概念
凝聚是在中性盐作用下，由于双电层排斥电位的降 低，而使胶体体系不稳定的现象。
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酵液的预处理和固液分离方法从微生物发酵液或细胞培养液中提取生化物质的第一个必要步骤就是预处理和固液分离.14.1 发酵液的预处理从悬浮液中分离固形物的速度,取决于该液体的物理性质,常采用预处理的办法改变其物理性质而促其分离.细菌及某些放线菌菌体细小,发酵液粘度大,不能直接过滤. 由于菌体自溶,核酸,蛋白质及其它有机粘性物质的存在会造成滤液浑浊,滤速极慢.因此,在预处理中应采用絮凝或凝聚的方法,设法增大悬浮液中固体粒子的大小,提高其沉降速度,或采用稀释,加热等方法降低粘度,以利于过滤.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(Ca++,Mg十+,Fe++)和杂蛋白质等.高价无机离子的存在,会影响树脂对生化物质的交换容量.杂蛋白质的存在,不仅在采用离子交换法和大网格树脂吸附法提炼时会降低其吸附能力,而且在采用有机溶剂或两水相萃取时, 容易产生乳化,使两相分离不清,在预处理时,应尽量除去这些物质.14.1 高价无机离子的去除方法为去除钙离子,宜加入草酸,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,加入硫酸铅,在60 C下反应生成草酸铅.后者在90-95 C下用硫酸分解，经过滤,冷却,结晶后可以回收草酸.草酸镁的溶解度较大.故加入草酸不能除尽镁离子.要除去镁离子,可以加入三聚磷酸钠,它和镁离子形成可溶性络合物:Na5P3O10+Mg++=Mg Na Na3P3O10+2Na 十用磷酸盐处理,也能大大降低钙离子和镁离子的浓度.要除去铁离子,可加入黄血盐,使形成普鲁士蓝沉淀.14.l.2 杂蛋白质的去除方法蛋白质一般以胶体状态存在于发酵液中.胶体粒子的稳定性和其所带电荷有关.蛋白质在某一pH 下,净电荷为零,溶解度最小,称为等电点.因为羧基的电离度比氨基大,故蛋白质的酸性性质通常强于碱性,因而很多蛋白质的等电点都在酸性范围内(pH 4.0-5.5). 但单靠调节pH 至等电点的办法不能将大部分蛋白质除去.在酸性溶液中,蛋白质能与一些阴离子如三氯乙酸盐,水杨酸盐,钨酸盐,苦味酸盐,鞣酸盐,过氯酸盐等形成沉淀;在碱性溶液中，能与一些阳离子,如Ag十,Cu++,Zn十十,Fe++和Pb++等形成沉淀• 变性蛋白质溶解度较小.最常用的使蛋白质变性的方法是加热.加热还能使液体粘度降低,加快过滤速度•该法只适用于对热较稳定的生化物质•使蛋白质变性的其它办法还有：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(pH 2-3) 或较碱性范围(pH 8 一9)使蛋白质凝固, 一般以酸性下除去的蛋白质较多•加有机溶剂使蛋白质变性的方法通常只适用于所处理的液体数量较少的场合•此外,还可以利用吸附作用除去蛋白质•例如,四环类抗生素生产中,采用黄血盐和硫酸锌的协同作用生成亚铁氰化锌钾K2Zn3〔Fe(CN)5〕2 的胶状沉淀来吸附蛋白质•在枯草杆菌发酵液中,常加入氯化钙和磷酸氢二钠,这两者本身生成庞大的凝胶,把蛋白质,菌体及其它不溶性粒子吸附并包裹在其中而除去,从而加快了过滤速度.14.l.3 凝聚和絮凝技术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.凝聚和絮凝的概念凝聚是在中性盐作用下,由于双电层排斥电位的降低,而使胶体体系不稳定的现象. 絮凝是指在某些高分子絮凝剂存在下,基于架桥作用, 使胶粒形成粗大的絮凝团的过程,是一种以物理的集合为主的过程.发酵液中的细胞,菌体或蛋白质等胶体粒子的表面, 一般都带有电荷,主要是吸附溶液中的离子或自身基团的电离.通常发酵液中细胞或菌体带有负电荷,由于静电引力的作用使溶液中带相反电荷的粒子（即正离子）被吸附在其周围, 在界面上形成了双电层. 但是这些正离子还受到使它们均匀分布开去的热运动的影响,具有离开胶粒表面的趋势,在这两种相反作用的影响下, 双电层就分裂成两部分,在相距胶核表面约一个离子半径的Stern 平面以内,正离子被紧密束缚在胶核表面,称为吸附层或紧密层;在stern 平面以外,剩余的正离子则在溶液中扩散开去, 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.这样就形成了扩散双电层的结构模型,如图14-1 所示.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,厚度比吸附层稍大,滑移面（剪切面）在图14-l 中用波纹线表示.这三种电位中只有z电位能实际测得，所以可以认为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,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:从而阻止了粒子的聚集• z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.但是，水化膜主要是伴随胶粒带电而引起的，一旦z电位降低或消除，水化层也会随之减弱或消失.根据静电学基本定理，可导出z电位的基本公式为：z =4 n q S /D其中D—水的介电常数；q—胶体的电动电荷密度，即滑移面上的电荷密度；S—广散层的有效厚度，即为吸附层和扩散层界面处电位©d降低到其值为1/e处的距离，可知，z电位与扩散层厚度S和电动电荷密度q成正比，而扩散层厚度又与溶液中离子强度有关，当双电层的排斥力不足以抗衡胶粒间的范德华引力时，由于热运动的结果导致胶粒的互相碰撞而聚集起来.由此可见，在发酵液中加入具有高价阳离子的电解质，能降低z电位和脱除胶粒表面的水化膜，就能导致胶粒间的凝聚作用.常用的凝聚剂电解质有：AI2（SO4）3 18H2O（明矶）;AIC13 6H2O;FeC13;ZnSO4;MgCO3 等. 有机高分子聚合物絮凝剂，它们具有长链线状的结构，是一种水溶性的聚合物，分子量可高达数万至一千万以上，在长的链节上含有相当多的活性功能团，可以带有多价电荷（如阴离子或阳离子）,也可以不带电性（如非离子型）.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,产生了架桥联接,生成粗大的絮团,这就是架凝作用.如果胶粒相互间的排斥电位不太高,只要高分子聚合物的链节足够长,跨越的距离超过颗粒间的有效排斥距离,也能把多个胶粒拉在一起,导致架桥絮凝. 目前最常见的高分子聚合物絮凝剂是有机合成的聚丙烯酰胺类衍生物.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.聚丙烯酰胺类絮凝剂具有用量少,絮凝体粗大,分离效果好,絮凝速度快以及种类多等优点,所以适用范围广.它们的主要缺点是存在一定的毒性,特别是阳离子型聚丙烯酰胺,要考虑这些物质最终能否从产品中去除.近年来还发展了聚丙烯酸类阴离子絮凝剂,它们无毒,可用于食品和医药工业中.另外,还有聚苯乙烯类衍生物及无机高分子聚合物絮凝剂,如聚合铝盐和聚合铁盐等.除此以外,也可采用天然有机高分子絮凝剂.如多聚糖类胶粘物,海藻酸钠,明胶,骨胶,壳多糖和脱乙酰壳多糖等.对于带负电性菌体或蛋白质来说,阳离子型高分子絮凝剂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.对于非离子型和阴离子型高分子絮凝剂,则主要通过分子间引力和氢键作用产生吸附架桥,它们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.无机电解质的凝聚作用为高分子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.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见图（14-2）. 适宜的加量通常由实验得出.虽然高分子絮凝剂分子量提高,链增长,可使架桥效果明显,但是,分子量不能超过一定的限度,因为随分子量提高,高分子絮凝剂的水溶性降低.溶液PH 的变化常会影响离子型絮凝剂中功能团的电离度,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.14.2 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.14.2.4 发酵液的过滤特性和滤饼的重量比阻微生物的发酵液大多数属于非牛顿型液体,滤渣为可压缩性的.衡量过滤特性的主要指标是滤饼的重量比阻rB,它表示单位滤饼厚度的阻力系数，与滤饼的结构特性有关•对于不可压缩性滤饼,比阻值为常数,但对于可压缩性滤饼,比阻rB 是操作压力差的函数,一般可用下式表示: rB=r （△p）m式中r—不可压缩滤渣的比阻，对于一定的料液，其值为常数；m—压缩性指数，一般取0.5-0.8,对不可压缩性滤饼，m为0;可见，滤饼的比阻值是随操作压力差的提高而增大的.因此，开始过滤时应注意不能很快提高压差，通常靠液柱的自然压差进料，并应缓慢地，逐步地升高压力，一般在相当长的时间内，压力差不要超过0.05 MPa,最后的压差也不超过030.4 MPa.如果操作压力控制过高，由于比阻值的急剧增加，会使过滤速度很快下降，以至达到不能继续过滤的程度•恒压下，可压缩性滤饼的比阻值应为常数•如过滤介质的阻力相对较小可以忽略不计，则恒压下的过滤方程式如下：q2=2 △ p T /rBXB式中q--到瞬间T通过单位过滤面积的滤液量，m;△ p—压力差，Pa;卩-滤液粘度，Pa.s;rB —滤饼的重量比阻，m/kg;XB —通过单位体积滤液，所形成的滤渣重量仟重），kg/m3;T—过滤时间，S.14.2.2影响过滤速度的因素过滤速度和菌种，发酵条件（培养基的组成，未用完培养基的数量，消沫油，发酵周期）等有关. 菌种对过滤速度影响很大.一般,真菌的菌丝比较粗大，发酵液容易过滤，常不需特殊处理.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.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，过滤十分困难，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.培养基的组成对过滤速度影响也很大.用黄豆粉，花生粉作氮源，淀粉作碳源会使过滤困难.此外，发酵后期加消沫油或剩余大量未用完的培养基，都会使过滤困难.正确选择发酵终了时间对过滤影响很大.在菌丝自溶前必须放罐，因为细胞自溶后的分解产物一般很难过滤.有时延长发酵周期虽能使发酵单位有所提高，但严重影响发酵液质量，使色素和胶状杂质增多，过滤困难，最终造成成品质量降低.14.2.3改善过滤性能的方法采用等电点，蛋白质变性，吸附以及凝聚和絮凝等方法预处理发酵液，以改变发酵液的性状和过滤性能.除此以外，改善过滤性能的方法还有：加入助滤剂，直接在发酵液中形成填充-凝固剂，媒介作用等.助滤剂是一种不可压缩的多孔微粒，它能使滤饼疏松，滤速增大.助滤剂必须不吸附或很少吸附生化物质.助滤剂的加入有两种方法，一种是在滤布上预先铺一层助滤剂（l-2mm），另一种是直接加入发酵液中.有一条经验规则可供参考，即助滤剂用量若等于悬浮液中固体含量时，滤速最快.改善过滤性能较好的方法是加入一些反应剂，它们能相互作用，或和某些溶解性盐类发生反应生成不溶解的沉淀.生成的沉淀能防止菌丝体粘结，使菌丝具有块状结构，沉淀本身即可作为助滤剂，并且还能使胶状物和悬浮物凝固.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.加入淀粉酶后,能使过滤速度加快.发酵液染菌后，会含很多细菌菌体，杂质也增多，给边滤造成很大困难.处理方法有：升高温度,增加纯化剂用量，加助滤剂等.14.2.4固一液分离设备的选择。