第二章 发酵液预处理
生物分离工程
第一章绪论1.生物分离工程是指从发酵液、酶反应也活动植物培养液中分离、纯化生物产品的过程。
2.生物分离的一般流程：发酵液的预处理；提取；精制；成品加工。
第二章发酵液的预处理1.过滤和离心是最基本的单元操作。
2.凝集是指在投加的化学物质作用下，发酵液中的胶体脱稳并使粒子相互凝集成为1mm大小块状絮凝体的过程。
3.絮凝是指某些高分子絮凝剂能在悬浮粒子之间产生桥梁作用，使胶粒形成粗大絮凝团的过程。
4.调节pH法：在进行pH调节时，一般采用草酸等有机酸或某些无机酸来进行。
Ca+经常选用酸化剂为草酸；Mg+的去除是采用加入磷酸盐，如三磷酸钠；Fe+通常加入黄血盐。
5.影响发酵液过滤的因素：菌种；发酵液粘度。
6.发酵液的过滤设备形式很多，按过滤的推动力分为：重力式过滤器、压力式过滤器、针孔式过滤器和离心式过滤器。
7.目前国内外对过滤液的分离和过滤常采用的设备为：板框式压滤机；板式压滤机；自动板框式压滤机和真空过滤机。
第三章细胞分离技术1.细胞破碎的方法可分为：机械破碎发、物理破碎法、化学渗透法及酶溶法。
2.变性剂的加入，可削弱氢键的作用，使胞内产物相互之间的作用力减弱，从而易于释放。
3.包埋病毒粒子具一定形状和大小的蛋白结晶体，在相差显微镜下呈现强的折光性，由单一多肽构成。
第四章沉淀技术1.盐析：蛋白是在搞离子强度溶液中溶解度降低，以致从溶液里沉淀出来的现象称为盐析。
2. 常用脱盐处理的方法有：透析法、超滤法及凝胶过滤法。
3．有机溶剂沉淀法的原理：①传统观点认为向蛋白质溶液中加入丙醇或乙醇等有机溶剂，水的活度程度降低，水对蛋白子表面的水化程度降低，即破坏了蛋白子表面的某水化蹭；另外，溶液的介电常数下降，蛋白子分之间的静电引力增大，从而聚集和沉淀。
②新观点认为，有机溶剂可能破坏蛋白质的某种键，使其空间结构发生某种程度的变化，致使一些原来包在内部的疏水基团暴露于表面并与有机溶剂的疏水基团结合形成疏水层，从而是蛋白子沉底，而当蛋白子的空间结构发生变形超过一定程度时，使会导致完全的变性。
发酵液的预处理(1).
过滤的常用设备： 板框压缩机 鼓式真空过滤机
转鼓真空过滤机
Knife
Dry Wash Immersion
Cake Feed
Rotary vacuum filter 转鼓真空过滤机
分离实例
乳酸发酵液预处理
发酵液
变性去除 杂蛋白 80℃保温 3min
保证絮凝效
碱化 加适量
果最佳 调节
缩性固体 机理：表面吸附胶体及不可压缩型格子结构 助滤剂选择：粒度与悬浮颗粒适当 使用方法： a 预先制成滤饼：滤液澄清度高 b 助滤剂混入悬浮液中一起过滤：容易达到滤速最
大 c 两种方法混用 常用助滤剂：硅藻土，珍珠岩，活性炭 （二）填充凝固剂 （三）加降解酶
过滤介质
（一）滤布：棉纤维（帆布）、尼龙、涤纶 特点：廉价、耐用、易更换 助滤剂选择：粒度与悬浮颗粒适当 （二）粒状介质：起深层过滤、助滤剂作用 （三）多孔玻璃、石英砂芯 （四）各种膜材料：只能采用错流过滤
絮凝
絮凝剂是一种能溶于水的高分子聚合物，其相 对分子质量可高达数万至一千万以上，长链状 结构，其链节上含有许多活性官能团，包括带 电荷的阴离子（如---COOH）或阳离子（如--NH2）基团以及不带电荷的非离子型基团。
它们通过静电引力、范德华引力或氢键的作用， 强烈地吸附在胶粒的表面。当一个高分子聚合 物的许多链节分别吸附在不同的胶粒表面上， 产生桥架连接时，就形成了较大的絮团，这就 是絮凝作用。
第一节 发酵液的预处理
一.生化分离工程的工艺流程：
二.发酵液的预处理技术：
悬浮液的基本特性 ①细胞的相对密度与培养液相似，沉降不容易； ②可压缩性，粘稠，非牛顿流体，流动性差，
不利于进行过滤、吸附、萃取等操作； ③发酵液成分复杂，有些杂质对后续分离有害。
发酵液的处理
影响絮凝效果的因素：
1) 絮凝剂浓度
2) 絮凝剂分子量
3) 絮凝剂类型
4) 溶液的pH
5) 搅拌速度和时间
6) 助凝剂
A. 絮凝剂浓度
浓度增加有助于架桥充分，但是过多的加量会引起吸 附饱和，在胶粒上形成覆盖层而产生再次稳定现象。
B. 高分子絮凝剂分子量
分子量提高、链增长，可使架桥效果明显，但分子量 不能超过一定的限度，因为随分子量提高，高分子絮凝剂
发酵液的预处理和固液分离方法
山东农业大学 孙中涛
预处理和固液分离的目的：
1、分离细胞、菌体和其它悬浮颗粒(细胞碎片、核酸 和蛋白质的沉淀物)。
2、除去部分可溶性杂质。
3、改变滤液的性质（降低粘度等），以利于后继操作。
总策略： 1、胞外产物：应尽可能转移到液相中，常 用调pH至酸性或碱性的方法来达到。 2、胞内产物：首先收集细胞、破壁，生化物 质释放到液相，再分离细胞碎片。 3、通常，以含生化物质的液相为出发点，进 行后继操作。
使蛋白质变性的其它办法：
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(pH2—3)或较碱性范围(pH 8—9）使蛋白质 凝固，一般以酸性下除去的蛋白质较多。
加有机溶剂法通常只适用于所处理的液体数 量较少的场合。
利用吸附作用除去蛋白质：
举例：
3、采用酶制剂分解黏性物质
如果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。 例如：万古霉素用淀粉作培养基，加入淀粉酶后，能使过 滤速度加快。
4、染菌发酵液的处理方法
混凝：
阳离子型高分子絮凝剂对带负电菌体或蛋白质来说，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， 非离子型和阴离子型高分子絮凝剂，主要通过分子间引力 和氢键产生吸附架桥，常与无机电解质凝聚剂搭配使用。 首先加入无机电解质，使悬浮粒子脱稳而凝聚，然后，再 加入絮凝剂。凝聚作用为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。
发酵液预处理及固液分离方法
转筒下部浸入滤浆槽中，浸没角约90°-130°，圆筒缓 慢旋转时(转速约0.5-2r／min)，筒内每一空间相继与分 配头中的3个室相通，可顺序进行过滤、洗涤、吸干、吹松、 卸饼等项操作。即整个圆筒分为过滤区、洗涤及脱水区， 卸渣及再生区3个区域。
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转筒真空过滤机
主要适用霉菌发酵液，对菌体 细小、黏度大铺助滤剂。
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（一） 过 滤 filtration
借助于过滤介质，在一定的压力差作用下， 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。
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1、滤饼过滤： 介质：滤布，滤饼达到一定厚度起过滤作用。 适用于：固体含量>0.1g/100ml
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过滤推动力：
• 悬浮液自身压强差、重力 • 悬浮液表面加压 • 过滤介质下方抽真空 • 离心力
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发酵液的预处理和固液分离技术
二 预处理-降低发酵液粘度
方法
提高温度 －确保目的产物稳定性
加水稀释－过滤速度需提高稀释 数倍以上
三 预处理-调节pH
调节发酵液的pH到蛋白质的等电点是除去蛋 白质的有效方法。
影响离子型絮凝剂的电离度。
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六 预处理-加入助滤剂
例硅藻土、淀粉、活性 炭、石英砂、石棉粉、 纤维素、白土等。
对于滤饼阻力较大的物料适应 能力较差。
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带式真空过滤机
• 带式真空过滤机（是自动连续运转、并能按工 艺要求进行无级调速以及操作方便和动力消耗 低的一种新型高效的脱水设备。
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带式真空过滤机流程
• 1、进料→过滤→滤饼洗涤→吸干→卸料→滤布清洗连 续进行。 2、真空过滤盘分段设计，可满足不同物料过滤、洗涤 、吸干的工艺要求，滤带运行速度采用变频无级调速， 对不同物料有广泛的适应性。
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
1.发酵液预处理过程:对发酵液加热到所需温度使杂蛋白质变性凝固而沉淀分别.也可以用分散或絮凝的方法是小菌体,细胞,细胞的碎片以及杂蛋白质等胶体离子沉降去除.2.发酵液的基本特性:产物浓度低.具有极性.粘度大.表面张力大.性质不稳定.3.预处理的目的:①.转变发酵液的物理性质，促进从悬浮液中分别固形物的速度,提高固液分别器的效率②.尽可能使产物转入便于后处理的一相中（多数是液相）③.去除发酵液中的部分杂质，以利于后续各步骤的操作.4.发酵液预处理的方法:①加热②调整PH值③分散和絮凝④使用惰性助滤剂⑤使用反应剂二固液分别1.方法:①重力沉降②浮透（通气产生气泡,使固体附着在气泡表面除去,用于固液比重差小,直径5-30um颗粒的分别,污水处理.③旋液分别（霉菌和放线菌为丝状菌,体形较大,发酵液采纳过滤的方法;细菌和酵母菌为单细胞,体形较小,其发酵液采纳高速离心分别，如对发酵液采纳预处理,也可用过滤进行固液分别.④介质过滤和离心,工业上比较常用.2.过滤①澄清过滤:过滤介质为硅藻土,砂,塑料颗粒等,适合于固体含量少于0.Ig/lOOml,颗粒直径在5-100um的悬浮液的过漉分别如:河水,麦芽汁,酒类,饮料的澄清.②滤饼过滤:过漉介质为滤布,包括自然或合成纤维织布,金属织布,玻璃纤维纸,合成纤维等无纺布,适合于固体含量大于0.lg∕100ml的悬浮液的过滤分别3常用过滤设施①转鼓真空过滤工艺转鼓真空过滤机的转鼓过滤外壁掩盖有金属丝网,网上掩盖有滤布等过滤介质.转鼓内部区域分了若干独立的扇形区,各有不同的操作功能.该设施主要适用范围:颗粒不太细,粘性不太大的液体.对于青霉素发酵老说,发酵液相对粘稠,因此发酵液质量的优劣,对转鼓处理速度有着明确的影响.转鼓过滤存在使用范围窄,处理力量低的问题.•希得艮空过廉根■作示索②板式过滤工艺原理:依靠过滤推动力与过滤介质两侧的压力差,致使固体积累在滤材上并架桥形成滤饼层,使滤液与不溶的杂质分别.板式过滤机的优点是:结构简洁,制造简洁,设施紧凑,过漉面积大而占地面积小,操作压力高,对各种物料适应力量强,缺点是间歇操作,劳动强度大,生产效率低,适用于间歇操作的场合.①装好过漉板框②检查料浆槽的进出口阀门是否关闭③调好料浆④打开料浆槽的进口和排气阀门,启动搅拌机,料浆槽装满料浆后,关闭料浆槽的进口和排气阀门⑤启动空压机待压力达到指定值后,即可打开进气阀进行测定⑥测定完后,清洗设施,关好电源.③其他预处理的工艺近期消失的超滤膜工艺,由于产生的滤液质量好不断被青霉素生产工艺所采纳,但是使用超滤膜会产生大量不宜处理的菌丝水,不宜进行环境处理,同时能耗较高,给生产成本带来较大的压力,在环保压力不断加大的现实状况下,超滤膜工艺被生产企业渐渐放弃,.而传统的板框处理,转鼓过滤工艺,由于受发酵液性质和发酵液影响,存在速度慢等问题,其生产力量受到了肯定的限制,需要改进生产工艺以适应生产的要求,全自动过滤机由于处理效率高,人工劳动强度小被生产企业所用.4 .其他过滤分别方法①切向流水过滤又称错流过滤交叉过滤和十字流过滤,是一种维持恒压下高速过滤的技术,其操作特点是使悬浮液在过滤介质表面作切向流淌,利于流淌的剪切作用将过滤介质表面的固体（滤饼）移走.②双水相萃取向水相中加入溶于水的某些高分子化合物（如:葡萄糖,聚乙二醉）后,形成密度不同的两相,轻相中富含某种高分子化合物,重相中富含盐类或另一种高分子化合物从而达到分别和提纯某种高分子化合物的目的.③吸附法向细胞碎片悬浮液中加入某种固体吸附剂,或者用细胞碎片悬浮液通过装有吸附剂的固定床,即可达到除去细胞碎片的目的,主要的目的是很难选择合适的吸附剂,以保证目的产物不被吸附而损失.5 .预处理及固液分别技术应用实例以链霉菌发酵液的预处理及固液分别技术为例,其工艺过程如下：1-2倍量水稀释发酵液,pH2∙8∙32加热70-75 酸化处理发酵液冷却,过滤, 板框过滤或离心分别 去提取。
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。
生物分离工程复习重点
第二章发酵液的预处理和固液分离的方法一、名词1、凝聚：凝聚作用就是向胶体悬浮液中加入某种电解质，在电解质中异电离子作用下，胶粒的双电层电位降低，使胶体体系不稳定，胶体粒子间因相互碰撞而产生凝集（1mm左右）的现象。
2、絮凝：是指在某些高分子絮凝剂存在下，基于桥架作用，当一个高分子聚合物的许多链节分别吸附在不同的胶粒表面上，产生桥架联接时，形成粗大的絮凝团（10mm）的过程。
絮凝是一种以物理的集合为主的过程。
3、混凝：对于非离子型和阴离子型高分子絮凝剂通常会与无机电解质凝聚剂搭配使用。
在发酵液中首先加入无机电解质凝聚剂，使得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，通过分子间引力和氢键作用产生吸附架桥形成絮凝团的过程。
这种包括凝聚和絮凝机理的过程称为混凝。
4、亲和絮凝：利用絮凝剂和细胞膜表面某种组分间具有的专一性亲和连接作用而产生吸附架桥。
如硼酸盐（四硼酸纳）可与多羟基的糖类化合物（甘露糖醇、山梨糖醇）发生专一性亲和连接作用而产生吸附架桥。
5、凝聚价：电解质的凝聚能力可用凝聚价或凝聚值来表示，使胶粒发生凝聚作用的最小电解质浓度（毫摩尔／升）6、过滤：过滤是借助过滤介质，将悬浮在发酵液中的固体颗粒与液体进行分离的过程。
7、质量比阻：衡量过滤特性的主要指标是滤饼的质量比阻（r B），表示单位滤饼厚度的阻力系数，与滤饼结构特性有关。
8、离心技术：离心技术是借助离心机旋转所产生的离心力，对具有不同沉降系数或浮力密度的物质进行分离、浓缩和提纯的一项技术；其目的是达到固-液或液-液的分离。
9、分离因子（Z）：离心力/重力加速度(g)的比值，也称为相对离心力(RCF)。
衡量离心程度的一个参数,用于离心机的分类。
10、沉降系数：指单位离心力作用下颗粒沉降的速度。
一般用斯维德贝格单位(Svedbergs) S 表示，1S =10−13s。
11、壁效应：由于溶剂在层析容器周壁附近流动不均匀造成分离区带在边缘部分扩散和弯曲的现象。
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高价无机离子的除去
发酵液中主要的无机离子有Ca2+、Mg2+、Fe2+等。
去除钙离子：通常使用草酸。但由于草酸溶解度较小，不适合用量 较大的场合，可用其可溶性盐，草酸价格昂贵，注意回收。 去除镁离子：加入三聚磷酸钠，与镁离子形成可溶性络合物，从而 消除对离子交换的影响。 用磷酸盐处理，也能大大降低钙离子和镁离子的浓度。 例如：环丝氨酸的提取。
第三节 固液分离工程及设备
固液分离的目的包括两方面：
收集胞内产物的细胞或菌体，分离除去液相， 或者是收集含生化物质的液相，分离除去固体悬浮物， 如细胞、菌体、细胞碎片、蛋白质的沉淀物和它们的 絮凝体等。
常用的方法为过滤和离心分离等化工单元操作。
影响固液分离的因素
发酵液属非牛顿型液体，其流变特性与许
量过剩的培养基,都会使黏度增大。
发酵液的pH，温度和加热时间
除上述两个因素外，发酵液的pH，温度和加热
时间都会影响固液分离。
通常调节发酵液不同的pH,固液分离速度会不同。
如灰色链丝菌，当pH下降，滤速会增加。
加热促使蛋白质凝固、黏度降低，有利于固液分离， 但要考虑生化物质稳定性，加热温度和时间必须控 制好。
为何要对发酵液进行预处理？
由于所需的产品在培养液和菌体中浓度很 低，并与许多杂质夹杂在一起，同时发酵液 或生物溶液又属于非牛顿型流体，所以必须 进行预处理。
预处理的目的
⑴ 改变发酵液的物理性质，促进从悬浮液中分离固
形物的速度，提高固液分离器的效率；
⑵ 尽可能使产物转入便于后处理的一相中（多数是
液相）；
细胞培养液的黏度
细胞培养液的黏度是另一重要影响因素。固液分离速度通常与黏度成
反比，黏度越大固液分离越困难。培养液黏度的大小受很多因素影响:
细胞或菌体的种类和浓度是一个重要因素，通常丝状菌、动物或植物细胞
悬浮液黏度较大，浓度增大、黏度也提高。
培养液(发酵液)中蛋白质、核酸大量存在，会使黏度明显增大，通常细胞
首先加入电解质，使悬浮粒子间的双电
层电位降低、脱稳，凝聚成微粒，
然后加入絮凝剂絮凝成较大颗粒。
加入助滤剂
助滤剂是一种不可压缩的多孔微粒，它能使滤饼疏松，吸附胶体，扩大过滤面积，滤速增大。
常用的助滤剂有:硅藻土、纤维素、石棉粉、珍珠岩、白土、炭粒、淀粉等，其中最常用的是 硅藻土。
助滤剂的使用方法有两种： (a)在滤布上预涂一层助滤剂，作为过滤介质使用，待滤毕后与滤饼一起除去；
多因素有关，主要取决于
细胞或菌体的大小和形状， 细胞培养液的黏度 发酵液的pH，温度和加热时间
细胞或菌体的大小和形状
细胞或菌体的大小和形状
通常粒子越小，分离难度越大，费用也越高。 由图可见，真菌或经絮凝后的絮凝体，体积最大。如青 霉素，为真菌类抗生素，菌体直径可达10μm，固液分 离就容易，采用常规过滤，如板框过滤或鼓式真空过滤 就能达到目的。 而细菌和细胞碎片体积最小，常规的离心和过滤效果很 差，不能得到澄清的滤液和紧密的滤饼，通常应采用高 速离心，或者用各种预处理方法来增大粒子体积，再进 行常规的固液分离。
2. 具有长链的线性结构，以便同时与多个胶粒吸附形成较大的絮团， 3. 相对分子质量不能超过一定限度，以使其具有良好的溶解性。
絮凝剂的分类
根据其活性基团在水中解离情况的不同，絮凝剂可分为非离子型、阴离子 型和阳离子型三类。 根据其来源的不同，工业上常用的絮凝剂如下：
（1）聚丙烯酰胺（polyacrylamide）类和聚乙烯亚胺（polyethyleneimine） 衍生物，由于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。 （2）聚丙烯酸类阴离子絮凝剂和聚苯乙烯类衍生物。 （3）无机高分子聚合物也是较好的一类絮凝剂，如聚合铝盐和聚合铁盐等。 （4）天然有机高分子絮凝剂，如壳聚糖和葡聚糖等聚糖类，还有明胶、骨胶、 海藻酸钠等。 （5）微生物絮凝剂 是近年来研究和开发的新型絮凝剂，它是一类由微生物产 生的具有絮凝细胞功能的物质。主要成分是糖蛋白、粘多糖、纤维素及核 酸等高分子物质。微生物絮凝剂和天然絮凝剂与化学合成的絮凝剂相比， 最大的优点是安全，无毒和不污染环境。
调整pH
pH值直接影响发酵液液中某些物质的电离度和
电荷性质，适当调节pH值可改善其过滤特性。 利用酸性来调节发酵液pH值使之达到等电点， 可除去蛋白质等酸性两性物质。 在膜过滤中，发酵液中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。
凝聚与絮凝
生物产品分离方案的选择准则 （11条）
发展动态
清洁生产
第二章 发酵液预处理
第一节 发酵液的预处理
生物分离过程的一般流程
原料液 细胞分离(离心，过滤) 细胞－胞内产物 路线一B 包含体 溶解(加盐酸胍、脲) 细胞破碎 碎片分离 粗分离(盐析、萃取、超过滤等) 路线一 路线二 清液－胞外产物
絮凝效果
絮凝效果的好坏取决两个因素: ①絮凝剂水解后产生的高分子络合物形成吸附架桥的联结能力，这由絮凝剂的性质决定;
②微小颗粒的碰撞几率和如何控制它们进行合理的有效碰撞，这由设备的动力学条件决定。
影响絮凝效果的因素 a 温度的影响:
水温升高絮凝效果则随之提高， 水温过高，形成的絮凝体细小，并使絮凝体的水和作用增加，导致絮凝体含水量高， 体积大，难以处理。 阳离子絮凝剂适合于在酸性和中性的pH值环境中使用。 阴离子型絮凝剂适合于在中性和碱性的环境中使用。
凝聚
凝聚机理：
a 中和粒子表面电荷
b 消除双电层结构
电解质的凝聚能力可用凝聚价或凝聚值来表示，使胶粒
发生凝聚作用的最小电解质浓度（毫摩尔／升），称为 凝聚价或凝聚值。
常用的凝聚剂电解质有： Al2(SO4)3•18H20（明矾）；
AlC13•6H2O；FeC13；ZnSO4；MgCO3等。
去除铁离子，可加入黄血盐，使其形成普鲁士蓝沉淀而除去。
杂蛋白的除去
⑴ 沉淀法
在酸性溶液中，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+、
Cu2+ 、
Zn 2+、Fe 3+ 和Pb2+等形成沉淀
PI沉淀。
杂蛋白的除去 （2）
(b)使其形成较松的滤饼，助滤剂按一定比例均匀地混人待滤的悬浮液中，然后一起进人过滤 机，降低其可压缩性，让滤液可以顺畅流通。也可两种方法同时兼用。
助滤剂使用要点
（1）根据目的产物选择助滤剂品种 （2）根据过滤介质和过滤情况选择助滤剂品种 （3）粒度选择 （4）使用量选择： A、单位质量助滤剂所产生的最大滤液产量(最常用)； B、最长周期； C、最快流速
⑵ 变性法
变性蛋白质的溶解度较小。 使蛋白质变性最常用的方法是：
加热法，加热不仅使蛋白质变性，同时降低液体粘度，提高过滤速率。 其他方法有：大幅度调节pH，加酒精、丙酮等有机溶剂或表面活性剂等。
变性法存在一定的局限性。
如加热法只适合于对热较稳定的目的产物；
极端pH也会导致某些目的产物失活，并且要消耗大量酸碱； 而有机溶剂法通常只适合于所处理的液体数量较少的场合。
破碎或细胞自溶后，胞内的蛋白质、核酸、酶等大量释放，黏度都特别大。 因此，细胞破碎的程度应控制，发酵放罐的时间要适宜。
培养基成分也是影响黏度的一个因素，如用黄豆粉、花生粉作氮源，淀粉
作碳源，黏度都会升高。
此外，某些染菌发酵液(如染细菌)，则黏度会增大。 发酵过程的不正常处理也会影响黏度,如发酵后期加消沫油或发酵液中含大
凝聚与絮凝其处理过程就是将化学药剂预先投加 到悬浮液中，改变细胞、菌体和蛋白质等胶体粒子 的分散状态，破坏其稳定性，使它们聚集成可分离 的絮凝体，再进行分离。
凝聚与絮凝
凝聚和絮凝是两种方法，两个概念。
凝聚：是指加电解质后胶体失去了聚集稳定性(简称“脱
稳”)，并通过胶体本身的布朗运动进行碰撞聚集而形成
絮凝
絮凝机理：桥架作用
絮凝剂是一种能溶于水的高分子聚合物，其相对分子质量可高达数万至
一千万以上，它们具有长链状结构，其链节上含有许多活性官能团，这 些基团通过静电引力、范德华引力或氢键的作用，强烈地吸附在胶粒的 表面。
絮凝剂的化学结构:
1. 要求其分子必须含有相当多的活性官能团，使之能和胶粒表面相结合；
酸根可除去钙、镁离子。
第二节 发酵液的相对纯化
高价无机离子的除去
高价无机离子的存在：影响树脂对生化物质的交换容量。
杂蛋白质的除去
可溶性蛋白质的存在：
降低离子交换和吸附法提取时交换容量和吸附能力； 在有机溶剂法或双水相萃取时，易产生乳化现象，使两相分离不清； 在常规过滤或膜过滤时，易使过滤介质堵塞或受污染，影响过滤速率。
为何要对发酵液进行预处理？
发酵液的特性
①发酵产物浓度较低，大多为1％～10％，悬浮液中大部分 是水，处理体积量大； ②各类细胞的颗粒小，相对密度与液相相差不大；
③细胞含水量大，可压缩性大，一经压缩就会变形；
④流变特性复杂（大多为非牛顿流体），液相粘度大，吸附 在滤布上； ⑤性质不稳定，随时间变化，如易受空气氧化、微生物污染、 蛋白酶水解等作用的影响。
第一章 回顾
下游技术定义 下游技术的任务
生物工业下游技术的发展历程
工业应用水平的技术 下游技术的一般工艺过程