第九章发酵产物的提取与精制
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7、发酵产物的提取与精制
固液分离
• 因为微生物和培养液的密度差小，固体颗粒也小， 离心时通常需要很大的旋转速度，能耗大。 • 此外，像高分子多糖发酵液那样黏度高的发酵液， 用离心法分离是非常困难的。 • 过滤分离：悬浮液通过过滤介质时，固体颗粒被截 留从而实现与液体的分离。滤材通常是滤布、陶瓷 膜、高分子膜等。按过滤机理不同可分为两种：
膜分离技术
• 膜分离：利用具有选择透过性的薄膜，根据膜孔径 的大小使物质透过或被截留，从而达到物质分离的 目的。基本上是一个非常节省能量的过程。
方法 膜结构 应用 微孔过滤 0.02~10μm 无菌过滤；细胞的分离浓缩 超滤 0.001~0.02μm 蛋白、多糖等高分子的分离浓缩 纳米过滤 <2nm 脱盐 反渗透 透析 电渗析 <1nm 氨基酸等低分子物质的分离浓缩； 海水淡化 大分子溶液的脱盐 氨基酸分离；去离子；海水淡化； 废水处理
• 其优点是沉淀不需进行脱盐处理，缺点是容易使蛋 白质变性，并且溶剂的消耗量大，回收率低。 • 为了防止蛋白质变性，要在低温（<0℃）下进行操 作，温度越低，收率越高。
• 因为形成沉淀的推动力是蛋白质分子间的静电引力 和偶极子的范德华力，所以溶液的pH值要控制在 等电点附近（蛋白质分子间排斥力最小）。
• 微生物细胞破碎的主要阻力来自于细胞壁，细胞壁 的形状和强度取决于其组成以及它们之间相互交联 的程度。细胞个体小、球形、壁厚、聚合物交联程 度高的是最难破碎的。
革兰氏阳性菌 革兰氏阴性菌
酵母菌
霉菌
壁厚nm 层次 组成
20~80 单层 肽聚糖（4090%）；胞壁 酸
10~13 多层 肽聚糖（510%）；脂多 糖
• 通常是向蛋白质溶液中添加高浓度的(NH4)2SO4、 Na2SO4等无机盐，使蛋白质达到过饱和而析出。
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
发酵产物的提取与精制
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、膜过程 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。
二、发酵液的固液分离
❖ 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。
❖ 固液分离是指将发酵液（或培养液）中的悬 浮固体，如细胞、菌体、细胞碎片以及蛋白 质等的沉淀物或它们的絮凝体分离除去
（一）影响过滤速度的因素
❖ 1、发酵液中粒子的直径 ❖ 2、发酵液黏度
培养基的组成 未用完培养基的数量 消沫油 发酵周期
❖ 2、絮凝作用 ❖ 絮凝是指使用絮凝剂（通常是天然或合成的大分子
量聚电解质），在悬浮粒子之间产生架桥作用而使 胶粒形成粗大的絮凝团的过程。
❖ 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
❖ 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
目的
❖ （1）改变发酵液的物理性质，促进悬浮液中分 离固形物的速度，提高固液分离器的效率
❖ （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。
一、 发酵液的预处理
❖ 采用理化方法设法增大虚浮液中固体粒子 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。
❖ 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
发酵产物的提取与精制方法
2008-4-22
• 依次类推：可得经几次提取后，原溶液中残
留物质量Wn。
WnW0(KKVVS)n
• 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。
2008-4-22
二、 常用溶媒萃取工艺 （1）单级提炼法 （2）多次提炼法
2008-4-22
（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。
2008-4-22
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
2008-4-22
（3）双电子层理论 • 一切能被含有电解质的溶液润湿的固体表面，
都可以吸附这种溶液中某一异性离子而形成 双电子层。 • 内层：固体离子运动时，内层也随之运动。 • 外层：外层离子，随着外面溶液浓度和pH的 变化而改变着。
2008-4-22
• [离子]降低时，双电层厚度加大；[离子]升 高时，双电子层厚度降低。溶液中离子价数 越高，吸引力就加强，双电层厚度就降低， 反之就增大。
K = CT/CB
2008-4-22
应用： • 对温度无影响 • 不损害生物活性 • 采用生物特异性的配基可以提高选择性
可用于澄清发酵液分离，也可用于处理细 胞悬浮液。
2008-4-22
（2）反微团（reversed micelles）萃取 • 机理：带电蛋白质与反微团极性头之间的
静电作用力是蛋白质从水相迁入有机相， 改变条件后又可以回到水相。 • 应用：阴离子表面活性剂OT（AOT）
• 依次类推：可得经几次提取后，原溶液中残
留物质量Wn。
WnW0(KKVVS)n
• 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。
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二、 常用溶媒萃取工艺 （1）单级提炼法 （2）多次提炼法
2008-4-22
（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。
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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
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（3）双电子层理论 • 一切能被含有电解质的溶液润湿的固体表面，
都可以吸附这种溶液中某一异性离子而形成 双电子层。 • 内层：固体离子运动时，内层也随之运动。 • 外层：外层离子，随着外面溶液浓度和pH的 变化而改变着。
2008-4-22
• [离子]降低时，双电层厚度加大；[离子]升 高时，双电子层厚度降低。溶液中离子价数 越高，吸引力就加强，双电层厚度就降低， 反之就增大。
K = CT/CB
2008-4-22
应用： • 对温度无影响 • 不损害生物活性 • 采用生物特异性的配基可以提高选择性
可用于澄清发酵液分离，也可用于处理细 胞悬浮液。
2008-4-22
（2）反微团（reversed micelles）萃取 • 机理：带电蛋白质与反微团极性头之间的
静电作用力是蛋白质从水相迁入有机相， 改变条件后又可以回到水相。 • 应用：阴离子表面活性剂OT（AOT）
9发酵产物的提取与纯化
名称
密度/（kg/m3） 适用
干 湿
240~280 7.5~10
吸水率
备注
硅藻 土 珍珠 岩
130~190
250%
110~150
240~260
7.5
常用于抗 生素等提 取
• （二）细胞分离及破碎 • 固液分离操作常用方过程才能进一步进行产物 的提取分离，细胞分离往往是生物分离 的辅助步骤。 • 细胞破碎手段主要有机械法、酶法、物 理法和化学法等四大类。
• （二）萃取分离技术
• 溶剂萃取 • 双水相萃取 • 超临界萃取
• 1、溶剂萃取
• 利用欲提取的组分在溶剂中与原料液中 溶解度的差异来实现分离目的。
• 单级萃取 • 多级萃取
• 2、双水相萃取
• 用于蛋白质和核酸等生物大分子提取 • 常用的双水相有：PEG－葡聚糖和PEG －无机盐（磷酸盐、硫酸盐）。 • 双水相不仅可用于澄清发酵液处理，而 且还可以从含有菌体的原发酵液或细胞 匀浆中直接提取蛋白质。
• 3、使用助滤剂 • 发酵液中的胶体微粒被吸附到助滤剂微 粒上，而后者是不可压缩的，因而使压 缩性高的微生物菌体形成的滤饼可压缩 性大大降低，故可大大提高过滤速率。 • 常用助滤剂有硅藻土、珍珠岩等，对于 单细胞蛋白生产以及产物不能含硅的场 合，可使用淀粉作助滤剂。
常用助滤剂物化特性及助滤性能
• 3、盐析沉淀
利用各种生物分子在浓盐溶液中溶解度 的差异，通过向溶液中引入一定数量的 中性盐，使目的物或杂蛋白以沉淀析出， 达到纯化的目的。 • 优点：经济，不需特殊设备，操作简单， 安全，较少引起变性。通常蛋白质的分 离采用此法。
• 对于蛋白质的盐析沉淀，盐类选择原则为：
• （1）阴离子的沉淀效果顺序为： 柠檬酸根离子>PO33->SO42->CH3COO->Cl->NO3• （2）阳离子的沉淀效应顺序为NH4+>K+>Na+ • （3）加入固态盐类，以减少溶液的稀释。 • （4）加入盐的浓度应根据蛋白质大概浓度采用实 验或经验公式确定。
密度/（kg/m3） 适用
干 湿
240~280 7.5~10
吸水率
备注
硅藻 土 珍珠 岩
130~190
250%
110~150
240~260
7.5
常用于抗 生素等提 取
• （二）细胞分离及破碎 • 固液分离操作常用方过程才能进一步进行产物 的提取分离，细胞分离往往是生物分离 的辅助步骤。 • 细胞破碎手段主要有机械法、酶法、物 理法和化学法等四大类。
• （二）萃取分离技术
• 溶剂萃取 • 双水相萃取 • 超临界萃取
• 1、溶剂萃取
• 利用欲提取的组分在溶剂中与原料液中 溶解度的差异来实现分离目的。
• 单级萃取 • 多级萃取
• 2、双水相萃取
• 用于蛋白质和核酸等生物大分子提取 • 常用的双水相有：PEG－葡聚糖和PEG －无机盐（磷酸盐、硫酸盐）。 • 双水相不仅可用于澄清发酵液处理，而 且还可以从含有菌体的原发酵液或细胞 匀浆中直接提取蛋白质。
• 3、使用助滤剂 • 发酵液中的胶体微粒被吸附到助滤剂微 粒上，而后者是不可压缩的，因而使压 缩性高的微生物菌体形成的滤饼可压缩 性大大降低，故可大大提高过滤速率。 • 常用助滤剂有硅藻土、珍珠岩等，对于 单细胞蛋白生产以及产物不能含硅的场 合，可使用淀粉作助滤剂。
常用助滤剂物化特性及助滤性能
• 3、盐析沉淀
利用各种生物分子在浓盐溶液中溶解度 的差异，通过向溶液中引入一定数量的 中性盐，使目的物或杂蛋白以沉淀析出， 达到纯化的目的。 • 优点：经济，不需特殊设备，操作简单， 安全，较少引起变性。通常蛋白质的分 离采用此法。
• 对于蛋白质的盐析沉淀，盐类选择原则为：
• （1）阴离子的沉淀效果顺序为： 柠檬酸根离子>PO33->SO42->CH3COO->Cl->NO3• （2）阳离子的沉淀效应顺序为NH4+>K+>Na+ • （3）加入固态盐类，以减少溶液的稀释。 • （4）加入盐的浓度应根据蛋白质大概浓度采用实 验或经验公式确定。
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
产物的提取与精制
引入新技术
关注并引入先进的提取和精制技术，如超临界流体萃取、分子蒸馏 等，以提高产物的纯度和收率。
提取与精制的未来发展趋势
绿色环保
随着环保意识的提高，开发环保 友好型的提取和精制方法将成为 未来的重要趋势，如利用生物质 资源进行提取和精制。
智能化与自动化
利用现代信息技术和自动化技术， 实现提取与精制的智能化和自动 化，提高生产效率和产品质量。
壳聚糖
03
蟹壳、虾壳等动物壳经过脱乙酰化处理后得到壳聚糖，可用于
生产壳聚糖保健品和生物材料。
矿物产物的提取与精制案例
铁矿石
铁矿石经过破碎、磨碎、选矿和冶炼等工艺，提取出铁元 素，再经过精制得到各种规格的铁矿石和钢材。
稀土元素
稀土元素在自然界中通常以混合物形式存在，经过提取、 分离和纯化等工艺，得到高纯度的稀土元素，可用于生产 稀土永磁材料、荧光材料等高科技产品。
精制
对粗制品进行进一步的处理，如 结晶、蒸馏、离子交换等，得到 高纯度的目标产物。
原料准备
选择合适的原料，进行预处理， 如破碎、研磨、溶解等。
产物纯度检测与质量评估
对最终产物进行纯度检测和质量 评估，确保达到预期的纯度和质 量要求。
03
提取与精制的关联
提取与精制的相互影响
提取过程对精制的影响
提取过程中可能会引入杂质或使产物 发生化学变化，影响后续精制的效率 和产品质量。
利用混合物中各组分的沸点不同，通过加热使各组分蒸发，再冷凝收 集的方法。
电解法
利用电解原理，将电解质溶液中的金属离子或带电微粒在电极上放电， 从而提取出金属或其它物质。
精制原理
溶解度差异
利用不同物质在不同溶剂中的溶解度差异，选择 合适的溶剂进行分离。
关注并引入先进的提取和精制技术，如超临界流体萃取、分子蒸馏 等，以提高产物的纯度和收率。
提取与精制的未来发展趋势
绿色环保
随着环保意识的提高，开发环保 友好型的提取和精制方法将成为 未来的重要趋势，如利用生物质 资源进行提取和精制。
智能化与自动化
利用现代信息技术和自动化技术， 实现提取与精制的智能化和自动 化，提高生产效率和产品质量。
壳聚糖
03
蟹壳、虾壳等动物壳经过脱乙酰化处理后得到壳聚糖，可用于
生产壳聚糖保健品和生物材料。
矿物产物的提取与精制案例
铁矿石
铁矿石经过破碎、磨碎、选矿和冶炼等工艺，提取出铁元 素，再经过精制得到各种规格的铁矿石和钢材。
稀土元素
稀土元素在自然界中通常以混合物形式存在，经过提取、 分离和纯化等工艺，得到高纯度的稀土元素，可用于生产 稀土永磁材料、荧光材料等高科技产品。
精制
对粗制品进行进一步的处理，如 结晶、蒸馏、离子交换等，得到 高纯度的目标产物。
原料准备
选择合适的原料，进行预处理， 如破碎、研磨、溶解等。
产物纯度检测与质量评估
对最终产物进行纯度检测和质量 评估，确保达到预期的纯度和质 量要求。
03
提取与精制的关联
提取与精制的相互影响
提取过程对精制的影响
提取过程中可能会引入杂质或使产物 发生化学变化，影响后续精制的效率 和产品质量。
利用混合物中各组分的沸点不同，通过加热使各组分蒸发，再冷凝收 集的方法。
电解法
利用电解原理，将电解质溶液中的金属离子或带电微粒在电极上放电， 从而提取出金属或其它物质。
精制原理
溶解度差异
利用不同物质在不同溶剂中的溶解度差异，选择 合适的溶剂进行分离。
发酵产物的提取与精制..120页PPT
发酵产物的提取与精制..
56、极端的法规，就是极端的不公。 ——西 塞罗 57、法律一旦成为人们的需要，人们 就不再 配享受 自由了 。—— 毕达哥 拉斯 58、法律规定的惩罚不是为了私人的 利益， 而是为 了公共 的利益 ；一部 分靠有律他们会更快乐的话 ，那么 法律作 为一件 无用之 物自己 就会消 灭。— —洛克
71、既然我已经踏上这条道路，那么，任何东西都不应妨碍我沿着这条路走下去。——康德 72、家庭成为快乐的种子在外也不致成为障碍物但在旅行之际却是夜间的伴侣。——西塞罗 73、坚持意志伟大的事业需要始终不渝的精神。——伏尔泰 74、路漫漫其修道远，吾将上下而求索。——屈原 75、内外相应，言行相称。——韩非
60、人民的幸福是至高无个的法。— —西塞 罗
谢谢你的阅读
❖ 知识就是财富 ❖ 丰富你的人生
56、极端的法规，就是极端的不公。 ——西 塞罗 57、法律一旦成为人们的需要，人们 就不再 配享受 自由了 。—— 毕达哥 拉斯 58、法律规定的惩罚不是为了私人的 利益， 而是为 了公共 的利益 ；一部 分靠有律他们会更快乐的话 ，那么 法律作 为一件 无用之 物自己 就会消 灭。— —洛克
71、既然我已经踏上这条道路，那么，任何东西都不应妨碍我沿着这条路走下去。——康德 72、家庭成为快乐的种子在外也不致成为障碍物但在旅行之际却是夜间的伴侣。——西塞罗 73、坚持意志伟大的事业需要始终不渝的精神。——伏尔泰 74、路漫漫其修道远，吾将上下而求索。——屈原 75、内外相应，言行相称。——韩非
60、人民的幸福是至高无个的法。— —西塞 罗
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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。
排斥电位ζ
机理
如果在发酵液中加入具有相反电性的电解质， 就能中和胶粒的电性，使ζ电位降低。如： 对带负电性菌体的发酵液，阳离子的存在会 促使ζ电位迅速降低。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 的结果就会导致胶粒的互相碰撞。
在过滤操作中，要求滤速快，滤液澄清并 且有高的收率。
按料液流动方向不同，过滤可以分为常规过 滤和错流过滤
常规过滤：料液流动方向与过滤介质垂直。 通常适用于过滤直径维10～100μ的悬浮颗粒，
过滤时，固体颗粒被填塞在过滤介质上， 形成滤饼和过滤介质的滤孔。
错流过滤：料液的流动方向与过滤介质平 行，因此能清除过滤介质表面的滞留物， 使滤饼不易形成，保持较高的滤速。
高度纯化 ：去除与产物的物理化学性质比 较接近的杂质。
成品制作 ：成品形式由产品的最终用途决 定。
4，分离纯化的 一般工艺流程
问题
1. 发酵液中一般含有哪些成分？ 2.为什么要进行预处理？
第一节 发酵液的预处理
发酵液的主要成分 产物 菌体细胞 大量的可溶性粘胶状物质，主要是核酸、
机理
絮凝剂的功能团能强烈地吸附在胶粒的表 面上，而且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，因而产生 架桥联接。
高分子聚合物絮凝剂在胶粒表面上的吸附 机理是基于各种物理化学作用，如：范德 华力、静电引力、氢键和配位键等，以哪 种机理为主，取决于絮凝剂和胶粒两者的 化学结构。
影响絮凝效果的因素
大幅度改变pH 加有机溶剂（丙酮、乙醇等） 加表面活性剂
(三) 加各种沉淀剂沉淀
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、鞣酸盐等形成沉淀；
在碱性溶液中，能与一些阳离子如：Ag+、 Cu2+ 、 Fe3+ 、Zn2+ 、Pb2+等形成沉淀。
(四) 吸附
错流过滤介质通常为微孔滤膜或超滤膜。
主要适用于悬浮的固体颗粒十分细小（如 细菌），但是采用这种方式过滤时，液固 两相的分离不太完全
常用的过滤设备
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。
2，地位
传统发酵工业(如抗生素、乙醇、柠檬酸)， 分离和精制部份占整个工厂投资费用的60%。
对重组DNA发酵、精制蛋白质的费用可占 整个生产费用的80%~90%。
3，工艺过程的划分： 预处理和固液分离 ：目的是除去发酵液中
的菌体细胞和不溶性固体杂质。
初步分离 ：目的是除去与产物性质差异较 大的杂质，为后道精制工序创造有利条件
在发酵液中，加入一些反应剂，它们互相 反应生成的沉淀物对蛋白质具有吸附作用 而使其凝固。
例如：四环素发酵液中加入黄血盐荷硫酸 锌，生成亚铁氰化锌钾K2Zn3[Fe(CN)5]2的胶 状沉淀，能将杂蛋白和菌体等粘附在其中而 除去。
3.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
Al2(SO4)3·18H2O Alcl3·6H2O Fecl3 ZnSO4 MgCO3
(二) 絮凝作用
絮凝作用是指在某些水溶性高分子聚合物 存在下，在悬浮粒子之间产生架桥作用而 使胶粒形成粗大的絮凝团的过程
如果胶粒间互相的排斥电位不高，只要高分子聚合物的链节足够长，跨越的距离 超过胶粒的有效排斥距离，就能把多个胶粒联接在一起形成粗大的絮团
絮凝剂加量对絮凝效果(滤速)的影响
影响絮凝效果的因素
溶液pH：溶液pH值的变化会影响离子型絮 凝剂功能团的电离度，从而影响链的伸展 形态，提高电离度可使分子链上同号电荷 间的排斥作用增大，链就从卷曲状态变为 伸展状态，因而能发挥最佳的架桥能力；
搅拌速度和时间：在加入絮凝剂时，液体 的湍动能使絮凝剂迅速分散，但是絮凝团 形成后，高的剪切力会打碎絮凝团。
第二节、发酵产物的提取方法及常 用的提取设备
一、发酵产物的提取 1.细胞的破碎 2.产物的初步纯化
1.微生物细胞的破碎
微生物的代谢产物有的分泌到细胞或组织之外， 例如细菌产生的碱性蛋白酶，霉菌产生的糖化酶 等，称为胞外产物。
还有许多是存在于细胞内，例如青霉素酰化酶， 碱性磷酸酯酶等，称为胞内产物。
常用的絮凝剂
天然有机高分子絮凝剂：
— 多糖类（如壳聚糖及衍生物） — 海藻酸钠 — 明胶和骨胶等
人工合成聚合物：
— 聚丙烯酰胺类衍生物 — 聚苯乙烯类衍生物 — 聚丙烯酸类
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
正确选择反应剂和反应条件，能使过滤速度提高 3~10倍。
3.离心
优点
分离速度快，效率高， 操作时卫生条件好等优点， 适合于大规模的分离过程。
缺点
投资费用高， 能耗较大。
离心分离可以分为两种类型：过滤式和沉 降式
常见的离心过滤设备是篮式离心机：转鼓 壁 上开有均匀密集的小孔，鼓内壁贴放过 滤介质（滤布），在离心力作用下，液体 透过固体层，类似于过滤。
二、发酵液的液－固分离
液－固分离即是将发酵液中的悬浮固体，如 细胞、菌体、细胞碎片以及蛋白质的沉淀物 或它们的絮凝体分离除去。
常规的液－固分离技术包括： 过滤 离心
1.影响液－固分离的因素
发酵液中各种悬浮粒子的形状和大小 通常液－固分离的难度和费用随固体颗粒的增 大而减小。
— 真菌菌体及絮凝的菌体和蛋白质，体积较大，液－ 固分离容易，适宜于常规过滤。
常见的离心分离设备
过滤式离心机
离心沉降设备的转筒或转鼓壁上没有开孔， 也不需要滤布，在离心力作用下，固体沉 降于筒壁或转鼓壁上，余下的即为澄清的 液体 。
离心分离
沉降式离心机
小型沉降式离心机
对于发酵液，通常采用沉降式离心设备， 因为它适合于含固体量较低（10％）的场合， 而过滤式离心设备主要用于分离晶体和母 液。
蛋白质等 不溶性多糖 无机盐 水
发酵液预处理的目的
分离菌体和其他悬浮颗粒(细胞碎片、核酸 和蛋白质的沉淀物)；
除去部分可溶性杂质和改变滤液性质，以 利于提取和精制的顺利进行。
一、 发酵液的预处理
采用理化方法设法增大虚浮液中固体粒 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。
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。
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。
错流过滤设备
改善过滤性能的方法
等电点 蛋白质变性 吸附 凝聚和絮凝 酶解作用 加入助滤剂 直接在发酵液中形成填充-凝固剂
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。
4.酶解法去除不溶性多糖
当发酵液中含有较多不溶性多糖时，粘度 增大，液固分离困难，可以用酶将它转化 为单糖以提高过滤速度。
例如：在蛋白酶发酵液中加入α-淀粉酶，将 培养基中多余的淀粉水解成单糖，就能降低 发酵液的粘度，提高滤速。
对于胞外产物只需直接将发酵液预处理及过滤， 获得澄清的滤液，作为进一步纯化的出发原液，
对于胞内产物，则需首先收集菌体进行细胞破碎， 使代谢产物转入液相中，然后，再进行细胞碎片 的分离。
微生物细胞的破碎技术
机械方法
球磨机 高压匀浆器 X-press法 超声波破碎
非机械方法
酶解 渗透压冲击 冻结和融化 干燥法 化学法
过滤助剂
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。
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
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。
排斥电位ζ
机理
如果在发酵液中加入具有相反电性的电解质， 就能中和胶粒的电性，使ζ电位降低。如： 对带负电性菌体的发酵液，阳离子的存在会 促使ζ电位迅速降低。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 的结果就会导致胶粒的互相碰撞。
在过滤操作中，要求滤速快，滤液澄清并 且有高的收率。
按料液流动方向不同，过滤可以分为常规过 滤和错流过滤
常规过滤：料液流动方向与过滤介质垂直。 通常适用于过滤直径维10～100μ的悬浮颗粒，
过滤时，固体颗粒被填塞在过滤介质上， 形成滤饼和过滤介质的滤孔。
错流过滤：料液的流动方向与过滤介质平 行，因此能清除过滤介质表面的滞留物， 使滤饼不易形成，保持较高的滤速。
高度纯化 ：去除与产物的物理化学性质比 较接近的杂质。
成品制作 ：成品形式由产品的最终用途决 定。
4，分离纯化的 一般工艺流程
问题
1. 发酵液中一般含有哪些成分？ 2.为什么要进行预处理？
第一节 发酵液的预处理
发酵液的主要成分 产物 菌体细胞 大量的可溶性粘胶状物质，主要是核酸、
机理
絮凝剂的功能团能强烈地吸附在胶粒的表 面上，而且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，因而产生 架桥联接。
高分子聚合物絮凝剂在胶粒表面上的吸附 机理是基于各种物理化学作用，如：范德 华力、静电引力、氢键和配位键等，以哪 种机理为主，取决于絮凝剂和胶粒两者的 化学结构。
影响絮凝效果的因素
大幅度改变pH 加有机溶剂（丙酮、乙醇等） 加表面活性剂
(三) 加各种沉淀剂沉淀
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、鞣酸盐等形成沉淀；
在碱性溶液中，能与一些阳离子如：Ag+、 Cu2+ 、 Fe3+ 、Zn2+ 、Pb2+等形成沉淀。
(四) 吸附
错流过滤介质通常为微孔滤膜或超滤膜。
主要适用于悬浮的固体颗粒十分细小（如 细菌），但是采用这种方式过滤时，液固 两相的分离不太完全
常用的过滤设备
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。
2，地位
传统发酵工业(如抗生素、乙醇、柠檬酸)， 分离和精制部份占整个工厂投资费用的60%。
对重组DNA发酵、精制蛋白质的费用可占 整个生产费用的80%~90%。
3，工艺过程的划分： 预处理和固液分离 ：目的是除去发酵液中
的菌体细胞和不溶性固体杂质。
初步分离 ：目的是除去与产物性质差异较 大的杂质，为后道精制工序创造有利条件
在发酵液中，加入一些反应剂，它们互相 反应生成的沉淀物对蛋白质具有吸附作用 而使其凝固。
例如：四环素发酵液中加入黄血盐荷硫酸 锌，生成亚铁氰化锌钾K2Zn3[Fe(CN)5]2的胶 状沉淀，能将杂蛋白和菌体等粘附在其中而 除去。
3.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
Al2(SO4)3·18H2O Alcl3·6H2O Fecl3 ZnSO4 MgCO3
(二) 絮凝作用
絮凝作用是指在某些水溶性高分子聚合物 存在下，在悬浮粒子之间产生架桥作用而 使胶粒形成粗大的絮凝团的过程
如果胶粒间互相的排斥电位不高，只要高分子聚合物的链节足够长，跨越的距离 超过胶粒的有效排斥距离，就能把多个胶粒联接在一起形成粗大的絮团
絮凝剂加量对絮凝效果(滤速)的影响
影响絮凝效果的因素
溶液pH：溶液pH值的变化会影响离子型絮 凝剂功能团的电离度，从而影响链的伸展 形态，提高电离度可使分子链上同号电荷 间的排斥作用增大，链就从卷曲状态变为 伸展状态，因而能发挥最佳的架桥能力；
搅拌速度和时间：在加入絮凝剂时，液体 的湍动能使絮凝剂迅速分散，但是絮凝团 形成后，高的剪切力会打碎絮凝团。
第二节、发酵产物的提取方法及常 用的提取设备
一、发酵产物的提取 1.细胞的破碎 2.产物的初步纯化
1.微生物细胞的破碎
微生物的代谢产物有的分泌到细胞或组织之外， 例如细菌产生的碱性蛋白酶，霉菌产生的糖化酶 等，称为胞外产物。
还有许多是存在于细胞内，例如青霉素酰化酶， 碱性磷酸酯酶等，称为胞内产物。
常用的絮凝剂
天然有机高分子絮凝剂：
— 多糖类（如壳聚糖及衍生物） — 海藻酸钠 — 明胶和骨胶等
人工合成聚合物：
— 聚丙烯酰胺类衍生物 — 聚苯乙烯类衍生物 — 聚丙烯酸类
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
正确选择反应剂和反应条件，能使过滤速度提高 3~10倍。
3.离心
优点
分离速度快，效率高， 操作时卫生条件好等优点， 适合于大规模的分离过程。
缺点
投资费用高， 能耗较大。
离心分离可以分为两种类型：过滤式和沉 降式
常见的离心过滤设备是篮式离心机：转鼓 壁 上开有均匀密集的小孔，鼓内壁贴放过 滤介质（滤布），在离心力作用下，液体 透过固体层，类似于过滤。
二、发酵液的液－固分离
液－固分离即是将发酵液中的悬浮固体，如 细胞、菌体、细胞碎片以及蛋白质的沉淀物 或它们的絮凝体分离除去。
常规的液－固分离技术包括： 过滤 离心
1.影响液－固分离的因素
发酵液中各种悬浮粒子的形状和大小 通常液－固分离的难度和费用随固体颗粒的增 大而减小。
— 真菌菌体及絮凝的菌体和蛋白质，体积较大，液－ 固分离容易，适宜于常规过滤。
常见的离心分离设备
过滤式离心机
离心沉降设备的转筒或转鼓壁上没有开孔， 也不需要滤布，在离心力作用下，固体沉 降于筒壁或转鼓壁上，余下的即为澄清的 液体 。
离心分离
沉降式离心机
小型沉降式离心机
对于发酵液，通常采用沉降式离心设备， 因为它适合于含固体量较低（10％）的场合， 而过滤式离心设备主要用于分离晶体和母 液。
蛋白质等 不溶性多糖 无机盐 水
发酵液预处理的目的
分离菌体和其他悬浮颗粒(细胞碎片、核酸 和蛋白质的沉淀物)；
除去部分可溶性杂质和改变滤液性质，以 利于提取和精制的顺利进行。
一、 发酵液的预处理
采用理化方法设法增大虚浮液中固体粒 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。
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。
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。
错流过滤设备
改善过滤性能的方法
等电点 蛋白质变性 吸附 凝聚和絮凝 酶解作用 加入助滤剂 直接在发酵液中形成填充-凝固剂
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。
4.酶解法去除不溶性多糖
当发酵液中含有较多不溶性多糖时，粘度 增大，液固分离困难，可以用酶将它转化 为单糖以提高过滤速度。
例如：在蛋白酶发酵液中加入α-淀粉酶，将 培养基中多余的淀粉水解成单糖，就能降低 发酵液的粘度，提高滤速。
对于胞外产物只需直接将发酵液预处理及过滤， 获得澄清的滤液，作为进一步纯化的出发原液，
对于胞内产物，则需首先收集菌体进行细胞破碎， 使代谢产物转入液相中，然后，再进行细胞碎片 的分离。
微生物细胞的破碎技术
机械方法
球磨机 高压匀浆器 X-press法 超声波破碎
非机械方法
酶解 渗透压冲击 冻结和融化 干燥法 化学法
过滤助剂
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。
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