发酵提取工艺基础知识-王静共85页文档
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发酵产物提取与精制技术 发酵产物提取与精制工艺的设计
提取与精制的常用技术
蒸发浓缩技术是使溶剂蒸发而达到提高溶质浓度目的的操作。
蒸发 浓缩
常压蒸发浓缩 减压蒸发浓缩
提取与精制的常用技术
结晶技术是利用溶液达到过饱和状态而使溶质以结晶形式析出的操作。
结晶
降温结晶法 加热结晶法
提取与精制工艺的设计原则
1. 工艺设计须满足产品的纯度要求
例如：赖氨酸的生产
3. 工艺设计须尽可能降低生产成本 例如：耐高温淀粉酶的提取
喷雾干燥 固体酶制剂
淀粉酶发酵液 超滤除菌 超滤浓缩 液体酶制剂
沉淀法提取 冷冻干燥 固体酶制剂
提取与精制工艺的设计原则
4. 工艺设计须尽可能提高得率
例如：谷氨酸的生产
谷氨酸发酵液 分批等电点提取
离心分离 干燥 谷氨酸
谷氨酸发酵液 超滤除菌 真空浓缩
赖氨酸发酵液 超滤除菌
离子交换提取 真空浓缩
喷雾干燥 食品级赖氨酸
溶解 调节pH至5.0
脱色 重结晶 分离与干燥 医药级赖氨酸
提取与精制工艺的设计原则
2. 工艺设计须满足产品的稳定性要求 例如：活性干酵母的生产
干燥
加热干燥 冷冻干燥
为了保证活性干酵母的活性，须选择冷冻干燥工艺。
提取与精制工艺的设计原则
提取与精制的目的 提取与精制的常用技术 提取与精制工艺的设计原则
提取与精制的目的
利用分离技术，从发 酵醪中获得目标产物 粗品的过程。
提取
精制
目 的
利用分离技术，将目 标产物粗品进一步纯 化，获得较高纯度产 品的过程。
根据产品规格要求，采用各种分离技术，获得所需要的产品。
提取与精制的常用技术
提取 精制
等电点 沉淀法
发酵1
加稳 酱 常 味基 滤 熟 多 原 剂定 油 采 好酸 出 成 水 料 对， 的 用 在 。态 的 后 量 在 高 其还 风 浸 酱 氮 调 直 稀 发 盐 进需 味 出 油 生 味 接 态 酵 稀 行添 协 提 的 产 汁 制 制 阶 态 配加 调 取 提 率 液 取 醪 段 发 置一 、 法 取 高 ， 或 工 采 酵 加些 产 。 工 ， 其 适 艺 用 酱 工辅 品 为 艺 酱 产 量 ， 高 油 。助 质 保 中 油 品 稀 分 盐 是 添量证现 风氨释解度指 、
酱 项油 目发 小酵 结技 ：术
酱油是以植物蛋白及碳水化 合物为主要原料，经过微生物酶 的作用，发酵水解成多种氨基酸 及各种糖类，并以这些物质为基 础，在经过复杂的生物化学变化， 形成具有特殊色泽、香气、滋味 和体态的调味液。酱油中包括氨 基酸、可溶性蛋白质、糖类、酸 类等物质，不仅是生活中必备的 调味品，还具有抗氧化、抗肿瘤、 降血压、抗衰老、杀菌等重要保 健功能。
二、看泡沫。摇晃酱油瓶，酿造酱油泡沫大小比较均匀并 且不容易散；配制酱油泡沫大小不一，很容易散去。 三、看挂壁性。摇晃酱油瓶后，酿造酱油挂壁性好， 停留在酱油瓶内壁的时间较长，内壁易着色；配制酱油的 挂壁性差，着色力也较差。 四、闻气味。酿造酱油具有浓郁的酱香，没有其他异味； 配制酱油需要摇晃后再闻，气味没有酿造酱油香，且酱香 味不够正，是否有异味要看鼻子的灵敏性，一般人闻不出 来异味。另外，闻气味这个区别方法，也和配制酱油的制 作工艺有关系，如果制作工艺比较好，气味上和酿造酱油 不会有很大差别。
水 加热 三油 加热 二油 加热
成熟酱醅
第一次浸泡
头渣第二次浸泡来自二渣第三次浸泡残渣
第二次滤油
第二次滤油
第三次滤油
滤油
微生物工程工艺原理 第十二章 发酵产物的提取与精制概论(6)
第 十 二 章 发 酵 产 物 的 提 取 与 精 制 概 论
第四篇 发酵产物的提取与精制
破碎方法 细胞的破碎按照是否外加作用力可分为机 械法与非机械法两大类；机械法中高压匀 浆器和珠磨机在工业上得到应用，超声波 法和非机械法大多处在实验室应用阶段。
第 十 二 章 发 酵 产 物 的 提 取 与 精 制 概 论
第四篇 发酵产物的提取与精制
Байду номын сангаас
第 十 二 章 发 酵 产 物 的 提 取 与 精 制 概 论
第四篇 发酵产物的提取与精制
第 十 二 章 发 酵 产 物 的 提 取 与 精 制 概 论
第四篇 发酵产物的提取与精制
1.工作原理 进入珠磨机的细胞悬浮液与极小的研磨剂 （玻璃小珠、石英砂、氧化铝d<1mm）一 起快速搅拌，细胞与研磨剂之间互相碰撞、 剪切，使细胞破碎。
第 十 二 章 发 酵 产 物 的 提 取 与 精 制 概 论
第四篇 发酵产物的提取与精制
操作开始到 t 时刻进行积分，可得到：
ln1 / 1 S Kt
对于连续操作：t＝V/qv 相当于反应时间， 即破碎时间（平均停留时间）
第 十 二 章 发 酵 产 物 的 提 取 与 精 制 概 论
第四篇 发酵产物的提取与精制
二、提炼步骤和方法
方法和步骤的选择是根据被提取物的性 质来决定的，因此应首先研究被提取物 的性质，包括物理性质、化学性质、稳 定性等；
三、一般程序：
发酵醪→预处理→提取→精制→成品
第 十 二 章 发 酵 产 物 的 提 取 与 精 制 概 论
第四篇 发酵产物的提取与精制
第 十 二 章 发 酵 产 物 的 提 取 与 精 制 概 论
发酵产物的分离提取
球磨机
原理：在搅拌桨的高速搅拌下微球高速运动，微球和微 球之间以及微球和细胞之间发生冲击和研磨，使悬浮 液中的细胞受到研磨剪切和撞击而破碎。产热由夹套 带走。
②影响细胞破碎的因素
a.珠体的大小
实验室规模，珠径0.2mm，工业 规模珠径大于0.4mm
➢ b.珠体的装量
80～90％
c.搅拌速度
三、发酵产物分离的过程选择
发酵产品后处理过程流程图
第二节 细胞破碎
细胞破碎就是采用物理、化学、酶或机械的方法，在一定 程度上破坏细胞壁和细胞膜，设法使胞内产物最大程度地 释放到液相中。
细胞破碎机理图
细胞破碎的阻力
➢细菌破碎的主要阻力来自于肽聚糖的网状结构，网状 结构越致密，破碎的难度越大；
➢酵母细胞壁破碎的阻力也主要决定于壁结构交联的紧 密程度和它的厚度；
➢ 转鼓形状：圆筒形：有利于液相澄清
➢
圆锥形：有利于固相脱水
➢
圆筒+圆锥形：有两者的优点，应用最广
2、螺旋
➢ 螺旋推进器与转鼓的转差率：1：100 ➢ 转差率越小，物料在转鼓内停留的时间越长，排渣慢，滤渣较干 ➢ 转差率越大，物料在转鼓内停留的时间越短，排渣块，滤渣较湿 ➢ 转差率为零，不排料
3、差速器
适当
d.操作温度
5～40℃
e.被处理细胞的特性
珠磨法的破碎率一般控制在80％以下
超声破碎法（Ultra-sonication）
超生波破碎细胞时的频率一般为15～20 kHz，功率 为100～250W，可分为槽式和探头直接插入介质式 两种型式。
其原理可能与空穴现象引起的冲击波和剪切作用有关。
影响超生波破碎的因素
45～50
1～13
第九章发酵产物的提取与精制
淀粉作碳源，发酵液粘度会增大
发酵液的pH和温度 影响过滤的比阻值，从而影响滤速
发酵液的加热时间 加热发酵液能使其中的蛋白质变性，使比 阻值大大下降，但长时间的加热反而会使 过滤速度减慢，可能是由于凝固的蛋白又 分解的缘故
比阻值是衡量各种物质过滤特性的主要指标，过滤的 比阻值越大，过滤速度越慢
2. 过滤
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，使其能直接碰撞而聚集 起来
影响凝聚作用的主要因素
无机盐的种类： Al3+>Fe3+>H+>Ca2+>Mg2+>K+>Na+>Li+
无机盐的化合价：离子的化合价越高，凝 聚能力越强
无机盐的用量：无机盐浓度越大，凝聚效 果越好
常用的凝聚剂
蛋白的去除
絮凝作用 等电点沉淀 变性沉淀 加各种沉淀剂沉淀 吸附
(一) 等电点沉淀
蛋白质是一种两性物质，在酸性溶液中带 正电荷，碱性溶液中带负电荷，而在某一 pH下，净电荷为零，称为等电点。
等电点时蛋白质在水中的溶解度最小，能 沉淀而除去
(二) 变性沉淀
加热，使发酵液中的蛋白质变性而产生沉 淀
预处理的方法
1，发酵液的凝聚和絮凝 2，杂蛋白质的去除 3，高价无机离子的去除方法 4，酶解法去除不溶性多糖
1.发酵液的凝聚和絮凝
作用 增大发酵液中悬浮粒子的体积，提高液－
固分离速度和滤液质量。
在预处理中，常用于细胞、菌体（胞外产 物）、细胞碎片（胞内产物）以及蛋白质等 胶体粒子的去除。
(一)凝聚作用
是指在某些电解质作用下，使扩散双电层 的排斥电位（ζ）降低，破坏胶体系统的分 散状态，而使胶体粒子聚集的过程。
发酵液的pH和温度 影响过滤的比阻值，从而影响滤速
发酵液的加热时间 加热发酵液能使其中的蛋白质变性，使比 阻值大大下降，但长时间的加热反而会使 过滤速度减慢，可能是由于凝固的蛋白又 分解的缘故
比阻值是衡量各种物质过滤特性的主要指标，过滤的 比阻值越大，过滤速度越慢
2. 过滤
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，使其能直接碰撞而聚集 起来
影响凝聚作用的主要因素
无机盐的种类： Al3+>Fe3+>H+>Ca2+>Mg2+>K+>Na+>Li+
无机盐的化合价：离子的化合价越高，凝 聚能力越强
无机盐的用量：无机盐浓度越大，凝聚效 果越好
常用的凝聚剂
蛋白的去除
絮凝作用 等电点沉淀 变性沉淀 加各种沉淀剂沉淀 吸附
(一) 等电点沉淀
蛋白质是一种两性物质，在酸性溶液中带 正电荷，碱性溶液中带负电荷，而在某一 pH下，净电荷为零，称为等电点。
等电点时蛋白质在水中的溶解度最小，能 沉淀而除去
(二) 变性沉淀
加热，使发酵液中的蛋白质变性而产生沉 淀
预处理的方法
1，发酵液的凝聚和絮凝 2，杂蛋白质的去除 3，高价无机离子的去除方法 4，酶解法去除不溶性多糖
1.发酵液的凝聚和絮凝
作用 增大发酵液中悬浮粒子的体积，提高液－
固分离速度和滤液质量。
在预处理中，常用于细胞、菌体（胞外产 物）、细胞碎片（胞内产物）以及蛋白质等 胶体粒子的去除。
(一)凝聚作用
是指在某些电解质作用下，使扩散双电层 的排斥电位（ζ）降低，破坏胶体系统的分 散状态，而使胶体粒子聚集的过程。
发酵产物的提取与精制
五、细胞破碎
细胞破碎的意义 微生物代谢产物大多数分泌到胞外，但有些目标产物存在 细胞内部。目前重组DNA技术，表达的产品（如胰岛素、 干扰素、白细胞介素等），都是胞内产物。首先必须将细 胞破碎，使产物得以释放，才能进一步提取。
常用破碎方法 机械法：珠磨法、高压匀浆法、超声波破碎法、 X-press法等 非机械法：酶溶法、化学渗透法、冻融法、干燥 法等
三、下游加工过程设计应遵循的基本原则 1、时间短 2、温度低 3、pH适中 4、清洁卫生
四、发酵产物提取与精制的过程
1、对未知的发酵产品提取的步骤 （1）确定发酵产物的类型 （2） 确定发酵产物的稳定性
2、发酵产物提取和精制过程包括的阶段
（1）发酵液的预处理
离心和过滤 （2）产品的提取 萃取、吸附、沉淀、蒸发 （3）产品的精制 层析、膜分离、离子交换、沉淀、电泳 （4）产品的最后加工 结晶、干燥、蒸馏
第四篇 发酵产物的 提取与精制
第九章
发酵产物的提取与精制概论
第一节 发酵产物的提取与精制概述 一、发酵产物的分类 1、菌体 2、酶 3、代谢产物
二、下游加工过程的特点
1、成分复杂：细胞、代谢产物、残余培养基 2、产品浓度低：传统发酵一般1～10％ 3、收率低：50％左右 4、失活问题 5、不稳定性 6、生物安全问题
2、发酵醪预处理的要求:
（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 （6）改变发酵醪的性质 （7）调节适宜pH值和温度
三、预处理的方法：
1、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 2、调节悬浮液的pH 通过调节发酵醪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
第十一章 发酵产物的提取与精制方法1
第一节萃取第二节吸附第三节离子交换法第四节膜分离法第五节层析法第六节浓缩第七节沉淀法第八节结晶第九节干燥第十节蒸馏第十章发酵产物的提取与精制方法1 萃取一、原理•以分配定律为基础。
即，物质因溶解度不同，从一种溶剂转入另一溶剂而被分离。
•分配定律：在恒温、恒压下，一种物质在两种溶剂中的分配浓度比是常数。
常数中溶质的浓度下层溶剂中溶质的浓度上层溶剂===BA C CB A K )()(•为了提出经过多次操作后,能较完全地提取物质的结论，我们不妨假设：•原溶液体积为：V(ml)•被提取物质的总重量：W0(g)•每一次提取所用的提取液的体积：S(ml)(萃取液的体积)。
•提取一次后，被提取物质在原溶液中剩余量：W1(g)•由此有：•在提取过程中，经一次提取后分配系数K的表达式为：SKV KVW W SW W V W K +⋅=⇒-=01101)()(经过第二次提取后，分配系数的表达式为：20212212)()()(SKV KV W W S KV KVW W SW W V W K +⋅=⇒+⋅=⇒-=•依次类推：可得经几次提取后，原溶液中残留物质量W n 。
nn SKV KV W W )(0+⋅=•如果知道某物质的分配系数和给定的提取率，则可计算出能达到此条件的最适萃取次数。
二、常用溶媒萃取工艺（1）单级提炼法（2）多次提炼法（3）多极对流萃取•萃余相顺序通过各级，并与新鲜溶剂接触进行萃取，传质推动力大，萃取效果好；•各级所得萃取相分别排出，然后汇集在一起脱除溶剂得萃取液，溶剂回收循环使用，溶剂回收设备简单；•因每级均加入新鲜溶剂，故溶剂耗用量大，回收费用高，而且萃余液组分浓度低。
一、下游加工技术的重要性➢1.产品分离纯化是最终获得商业产品的环节。
➢2.投资费用高（抗生素、乙醇、柠檬酸占60%）。
➢3.分离纯化技术落后会阻碍发酵工程技术的发展。
（4）分馏萃取右边重相富集溶质左边萃取相从重相中萃取溶质（5）微分萃取（塔式萃取）溶媒逆流萃取，溶质随流动相连续变化可用较少的萃取剂达到较高的萃取率，应用较广①喷淋塔优点：•结构简单，塔体内除各流股物料进出的连接管和分散装置外，别无其它内部构件。
《发酵工艺》项目9：发酵产物提取与精制
• 澄清过滤，也称为深层过滤，指颗粒沉积在床层内部的孔道壁上 而并不形成滤饼的过滤方式。
• （2）过滤介质
• 工业上常用的过滤介质有织物状介质、粒状介质 和多孔固体介质等类型。
• 织物状介质包括天然或合成纤维、金属丝等编织 而成的滤布或滤网，是工业生产中最常用的过滤 介质
• 粒状介质有硅藻土、石砾、细砂、锯屑、活性炭、 玻璃渣等，常用于过滤固体含量较少的悬浮液。
• 1.蒸馏 ：蒸馏可分为简单蒸馏和精馏。
• 拉乌尔定律指出：混合液中蒸汽压高（沸点低） 的组分，在气相中的含量总是比液相中高；反之， 蒸汽压低（沸点高）的组分，在液相中含量总是 比气相中高。一般把气相中酒精含量与液相中酒 精含量的比值称为酒精的挥发系数（用K表示）。 实验数据表明，在酒精浓度达到97.6%（体积分数） 前，酒精的挥发系数总是大于1，用常规的蒸馏方 法可以使酒精变浓。
括物理法（超声破碎、渗透压冲击、冻结融 化等）、化学法和酶溶法等
分类
作用机理
研磨法 固体剪切作用 机 械 法 高压匀浆法 液体剪切作用
撞击破碎法 固体剪切作用
特点
可达较高破碎率，可较大规模操作，大分子目的产物易失活 ，浆液分离困难
可达较高破碎率，可较大规模操作，不适合革兰氏阳性菌和 丝状菌
破碎率高，活性保留率高，对冷冻敏感产物不适应
• 多孔固体介质有多孔陶瓷、多孔玻璃、多孔塑料 等。
• （3）过滤设备 • 目前生物工程行业，常用于液-固过滤分离的设备有板框压滤机、
叶片过滤机及真空转鼓过滤机
板框压滤机结构 1-压紧装置；2-可动头；3-滤框；4-滤板；5 固定头；6-滤液出口；7-滤液进口；8-滤布
• 板框压滤机由滤板、滤框和压紧装置及支架等部分组成，许多块 滤板和滤框交替排列，滤板两侧过滤面上罩有滤布。
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26、要使整个人生都过得舒适、愉快，这是不可能的，因为人类必须具备一种能应付逆境的态度。——卢梭
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27、只有把抱怨环境的心情，化为上进的力量，才是成功的保证。——罗曼·罗兰
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28、知之者不如好之者，好之者不如乐之者。——孔子
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29、勇猛、大胆和坚定的决心能够抵得上武器的精良。——达·芬奇
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30、意志是一个强壮的盲人，倚靠在明眼的跛子肩上。——叔本华
谢谢！
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发酵提取工艺基础知识-王静
16、人民应该为法律而战斗，就像为 了城墙 而战斗 一样。 ——赫 拉克利 特 17、人类对于不公正的行为加以指责 ，并非 因为他 们愿意 做出这 种行为 ，而是 惟恐自 己会成 为这种 行为的 牺牲者 。—— 柏拉图 18、制定法律法令，就是为了不让强 者做什 么事都 横行霸 道。— —奥维 德 19、法律是社会的习惯和思想的结晶 。—— 托·伍·威尔逊 20、人们嘴上挂着的法律，其真实含 义是财 富。— —爱献 生