发酵提取工艺基础知识-王静
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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。
发酵提取工艺基础知识-王静共85页文档
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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
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
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
教学课件第十三章发酵产物的提取与精制方法
(3) 吸附法
P1
1
T1
4
P2
3
T2
2
T1=T2 P1=P2 1—萃取槽； 2—吸附剂；
3—分离槽； 4—泵；
超临界萃取的三种典型流程
6、应用举例
作业： 什么叫双水相萃取，影响双水相萃取的因素有
哪些 什么是反胶团，影响反胶团萃取的因素有哪些 超临界流体萃取的原理是什么
提取抗生素和分离生物粒子
采用PEG/ Na2HPO4 体系提取丙酰螺旋霉素，最佳 萃取条件是pH= 8. 0～8. 5 ， PEG2000 (14 %) / Na2HPO4 (18 %) ,小试收率达69. 2 % ,对照的乙酸丁 酯萃取工艺的收率为53. 4 %
双水相和其他方法的集成
A、与温度诱导相分离的集成 B、磁场增强双水相 C、超声波加强的双水相 D、亲和沉淀的集成
5、超临界流体萃取的典型流程及应用
1. 超临界流体萃取的典型流程
(1) 等温法
P1
T1 1
2 P2
T2
3
(2) 等压法
P1
1
T2
2
P2
3
4 溶质
T1=T2 P1>P2 1—萃取槽； 2—膨胀阀；
3—分离槽； 4—压缩机
4
T1
溶质
5
T1<T2 P1=P2 1—萃取槽； 2—加热器；
3—分离槽； 4—泵；5—冷却器
例如：链霉素在中性下能与二异辛基磷酸酯结合，从而在水相萃 取到三氯乙烷中，然后在酸性下再萃取到水相
二、双水相萃取
1、发展历史 始于20 世纪60年代,从1956 年瑞典伦德大学Albertsson
发现双水相体系 1979 年德国GBF 的Kula 等人将双水相萃取分离技术应
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。
发酵一般提取,纯化工艺流程及基本原理
发酵一般提取,纯化工艺流程及基本原理下载温馨提示:该文档是我店铺精心编制而成，希望大家下载以后，能够帮助大家解决实际的问题。
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发酵液提取工艺基础知识
发酵液
预处理
菌体分离
菌体破碎
细胞碎片分离
收集上清液
成品加工
浓缩精制
初步纯化
发酵液预处理的原因
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，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）； ⑶去除发酵液中的部分杂质，以利于后续各步 操作。
当发酵液不易被过滤纯化时，我们可以采用离心 的方法来分离。 离心分离是基于固体颗粒和周围液体密度存在差 异，在离心场中使不同密度的固体颗粒加速沉降的 分离过程，当静置悬浮液时，密度较大的固体颗粒 在重力作用下逐渐下沉，这一过程称为沉降。
旋转式真空过滤设备
常见的离心机有： 1.管式离心机 最简单，可提供较大离心力； 管状离心机可以冷却，在蛋白质生产中很有利； 悬浮液由管底进，澄清液由管口流出。 管壁上沉积物为浓浆；可连续加料至流出物固 体损失使离心不能正常进行；须定时拆卸、清 洗，这种间断性操作也是最大的缺点。
方法 化学法
技术 渗透冲击 酶消化法 增溶法 脂溶法 碱处理法
原理 渗透压破坏细胞 细胞壁被消化，使 细胞破碎 表面活性剂溶解细 胞壁 有机溶剂溶解细胞 壁并使之失稳 碱的皂化作用使细 胞壁融解
效果 温和 温和 温和 适中 剧烈
成本 便宜 昂贵 适中 碎酵母 细胞
纳滤：以压力差为推动力，从溶液中分离300~1000 小分子量的膜分离过程，孔径分布在平均2nm
各种膜的分离特性
微滤 悬浮颗粒
超滤
大分子有机物
纳滤
糖类等小分子有机物，二价盐 或多价盐
反渗透
单价盐
水
膜的分类
按孔径大小：微滤膜、超滤膜、反渗透膜、
纳滤膜 按膜结构：对称性膜、不对称膜、复合膜 按材料分：合成有机聚合物膜、无机材料 膜
膜本身是均一的一相或由两相以上凝聚物构成
的复合体
被膜分开的流体相物质是液体或气体 膜的厚度应在0.5mm以下，否则不能称其为膜
膜分离技术的类型和定义
膜分离过程的实质是物质透过或被截留于 膜的过程，近似于筛分过程，依据滤膜孔 径大小而达到物质分离的目的，故而可以 按分离粒子大小进行分类：
◆萃取剂选择原则：使溶质在萃取相中有最大的 溶解度
Light phase
杂质
溶质 萃取剂 原溶剂
Heavy phase
单级萃取
使含溶质的溶液（h） 和萃取剂（L）解出混 合，静止后分成两层。
多级萃取
多级萃取是多级串联的设备中进行多级萃取的方 法，是工业生产最常用的萃取流程 分离效率高 产品回收率高 溶剂用量少
微滤（MF）：以多孔细小薄膜为过滤介质，压 力差为推动力，使不溶性物质得以分离的操作， 孔径分布范围在0.025~14μm之间； 超滤（UF）：分离介质同上，但孔径更小，为 0.001~0.02 μm，分离推动力仍为压力差，适 合于分离酶、蛋白质等生物大分子物质；
反渗透（RO）：是一种以压力差为推动力，从溶液 中分离出溶剂的膜分离操作，孔径范围在 0.0001~0.001 μm之间；（由于分离的溶剂分子往 往很小，不能忽略渗透压的作用，故而成为反渗透）
染料工业
细胞壁和细胞膜简介
植物细胞壁的主要成分是纤维素、半纤维素、木质素蛋白质、酶类以及 脂肪酸等。 细菌的细胞壁的主要成分是肽聚糖。 真菌细胞壁中的主要成分为几丁质、纤维素、葡聚糖、甘露聚糖等，这 些都是单糖的聚合物。
细胞膜的结构
细胞破碎的方法
◆细胞化学破碎法 ◆细胞物理破碎法
细胞破碎化学方法中最简单的是渗透冲击法。此法将 一定体积的细胞液加到2倍体积的水中，细胞中溶质浓 度高，水不断进入细胞，使细胞膨胀，最后导致破裂。 细胞破裂后释放到周围环境中的胞内物。
预处理常用方法： ⑴加热法 ⑵助滤剂上的吸附 ⑶凝聚和絮凝
加热 最简单、最经济的预处理方法是加热，加热 不仅可以增加料液的操作特性，也可以对其进行 灭菌。但加热变性的方法只适合于对热稳定性的 产物。
助滤剂上的吸附 在过滤操作中，为了降低过滤阻力，增加过滤 速率或得到高度澄清的滤液所加入的一种辅助性的粉 粒状物质，称为助滤剂。 常用的助滤剂有硅藻土、纸粕、活性炭、金属 屑和炉渣等。硅藻土具有很大的比表面积，能吸附胶 体物质，并形成空隙率很高的滤饼，是应用最广泛的 助滤剂。纸粕多用作预涂层，可防止滤布的早期堵塞。 助滤剂只用于以获得清净滤液为目的的过滤操 作。
膜过滤的基本概念和理论
目的：将溶质通过一层具有选择性的薄膜，
从溶液中分离出来。
分离时的推动力都是压强，由于被分离物质
的分子量和直径大小差别及膜孔结构不同， 其采用的压强大小不同。
纳米膜过滤技术
介于反渗透与超滤膜之间，能截留有机小分子而使大部 分无机盐通过； 特点：
在过滤分离过程中，能截留小分子有机物，并可以
常用絮凝剂
聚丙烯酰胺类和聚乙烯亚胺衍生物，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。 聚丙烯酸类阴离子絮凝剂和聚苯乙烯类衍生物。 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。
天然有机高分子絮凝剂，如壳聚糖和葡聚糖等聚
同时透析除盐，集浓缩与透析为一体；
操作压力低
纳滤膜的性质与特点
有多层聚合薄膜组成，滤膜为多孔性材料，平均孔径 为2nm，截留分子量范围在100~200道尔顿之间；同样 要求其具有良好的热稳定性、pH稳定性、有机溶剂稳 定性。 （云芝糖肽发酵液经板框过滤后得到的滤液，经过纳 滤处理达到脱盐浓缩的目的）
萃取过程： (ZR)－+(HU)＋→(HU)(ZR)
浓缩精制
膜分离技术
膜分离的概念：利用膜的选择性（孔径大小）， 以膜的两侧存在的能量差作为推动力，由于溶 液中各组分透过膜的迁移率不同而实现分离的 一种技术。
膜的概念
在一种流体相间有一层薄的凝聚相物质， 把流体相分隔开来成为两部分，这一薄层 物质称为膜。
酶消化法和碱处理法都是细胞破碎的有效方法，但是也都 有各自的缺点。
酶消化法的缺点在于酶的价格昂贵限制了在大规模生产 中的使用，虽然条件温和、具有选择性。细胞悬浮液中加入 酶能迅速和细胞壁反应并破坏它们。酶选择性的催化细胞壁 反应，不破坏细胞内的其它物质。 碱处理法和酶消化法相反，反应激烈，不具选择性，而且 较便宜。碱加入细胞悬浮液中后和细胞壁进行了多种反应， 包括使磷脂皂化。该操作是细胞增溶的很好的例子，因为它 使细胞壁的成分溶于表面活性剂，也使蛋白质变性。该法不 仅破坏了细胞壁也破坏了产物，因此即便很便宜，碱处理也 是一种很不常用的方法。
化学萃取
利用可与被萃目标物发生反应的物质作为萃取剂 进行的反应 络合萃取分离有机酸（醋酸） 季铵盐 叔胺
阳离子交换反应
被萃取物为待正电的阳离子（Z+） 萃取剂一般为弱酸有机物HA或H2A
萃取过程：Z+(W)+HA(O)→ZA(O)+H+( W)
阴离子缔合反应
金属离子在水相中以络合阴离子存在 萃取剂与H+结合成阳离子
糖类，还有明胶、骨胶、海藻酸钠等。 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。
菌体分离主要采用过滤和离心两种方法。 当发酵液不易被过滤纯化时，我们可以采用 离心的方法来分离， 与过滤设备相比，离心设 备的价格昂贵。但当固体颗粒细小而难以过滤时， 离心操作往显得十分有效。
珠磨破碎法
剧烈
便宜
机械法主要有匀浆法和研磨法。这两种方法中，细 胞通过高的机械剪切力被破坏。热量的产生是该法的一 个缺点，而且不容易规模放大，是一种可以在实验室规 模下操作方法。
◆冻结-融化法 机理：一是在冷冻过程中会使细胞膜的疏水键结构破裂，从而增加细胞 的亲水性；二是冷冻时细胞内水结晶形成冰晶粒，引起细胞膨胀而破裂。 缺点：反复冻融会使蛋白质变性，从而影响活性蛋白质的回收率。 ◆干燥法 机理：采用空气干燥、真空干燥、喷雾干燥和冷冻干燥等，改变膜的通 透性。 缺点：条件变化较剧烈，容易引起蛋白质或其它组织变性。 ◆自溶法 机理：是酶解的另一种方法，所需溶胞的酶是由微生物本身产生的。 缺点：容易引起所需蛋白质的变性，自溶后的细胞培养液过滤速度也会 降低。
凝聚和絮凝 凝聚：胶体粒子(10-100nm)中性盐促进下脱稳相 互聚集成大粒子（1mm） 机理： a 中和粒子表面电荷 b 消除双电层结构 絮凝：大分子聚电解质将胶体粒子交联成网状， 形成絮凝团的过程 机理：架桥作用
凝聚和絮凝 通过电解质的加入促进原始溶液的凝聚和絮凝， 试剂有简单的电解质、酸、碱、合成的聚合电解质。 简单电解质降低了胶体粒子间的排斥电位，从 而使得范德华引力起主导作用，聚合成较大的胶粒， 粒子的密度越大，越易分离。 预处理时加入合成聚合电解质既能降低排斥电 位，又吸附了周围的微粒，形成桥架作用，促使胶 粒形成粗大，密度低的絮凝团。这些絮凝团很容易 被过滤得到。
纳滤的应用
行 业 制药工业 处理对象 母液中有效成分的回收 抗菌素的分离纯化 维生素的分离纯化 氨基酸的脱盐与纯化 乳清脱盐与浓缩 苛性碱回收 活性染料的脱盐与回收 行 业 化工行业 处理对象 酸碱纯化、回收 电镀液中铜的回收
食品工业
纯水制备 废水处理
超高纯水 水的脱盐 地下水的净化 印染厂废水脱色 造纸厂废水净化
发酵液
预处理
菌体分离
菌体破碎
细胞碎片分离
收集上清液
成品加工
浓缩精制
初步纯化
发酵液预处理的原因
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，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）； ⑶去除发酵液中的部分杂质，以利于后续各步 操作。
当发酵液不易被过滤纯化时，我们可以采用离心 的方法来分离。 离心分离是基于固体颗粒和周围液体密度存在差 异，在离心场中使不同密度的固体颗粒加速沉降的 分离过程，当静置悬浮液时，密度较大的固体颗粒 在重力作用下逐渐下沉，这一过程称为沉降。
旋转式真空过滤设备
常见的离心机有： 1.管式离心机 最简单，可提供较大离心力； 管状离心机可以冷却，在蛋白质生产中很有利； 悬浮液由管底进，澄清液由管口流出。 管壁上沉积物为浓浆；可连续加料至流出物固 体损失使离心不能正常进行；须定时拆卸、清 洗，这种间断性操作也是最大的缺点。
方法 化学法
技术 渗透冲击 酶消化法 增溶法 脂溶法 碱处理法
原理 渗透压破坏细胞 细胞壁被消化，使 细胞破碎 表面活性剂溶解细 胞壁 有机溶剂溶解细胞 壁并使之失稳 碱的皂化作用使细 胞壁融解
效果 温和 温和 温和 适中 剧烈
成本 便宜 昂贵 适中 碎酵母 细胞
纳滤：以压力差为推动力，从溶液中分离300~1000 小分子量的膜分离过程，孔径分布在平均2nm
各种膜的分离特性
微滤 悬浮颗粒
超滤
大分子有机物
纳滤
糖类等小分子有机物，二价盐 或多价盐
反渗透
单价盐
水
膜的分类
按孔径大小：微滤膜、超滤膜、反渗透膜、
纳滤膜 按膜结构：对称性膜、不对称膜、复合膜 按材料分：合成有机聚合物膜、无机材料 膜
膜本身是均一的一相或由两相以上凝聚物构成
的复合体
被膜分开的流体相物质是液体或气体 膜的厚度应在0.5mm以下，否则不能称其为膜
膜分离技术的类型和定义
膜分离过程的实质是物质透过或被截留于 膜的过程，近似于筛分过程，依据滤膜孔 径大小而达到物质分离的目的，故而可以 按分离粒子大小进行分类：
◆萃取剂选择原则：使溶质在萃取相中有最大的 溶解度
Light phase
杂质
溶质 萃取剂 原溶剂
Heavy phase
单级萃取
使含溶质的溶液（h） 和萃取剂（L）解出混 合，静止后分成两层。
多级萃取
多级萃取是多级串联的设备中进行多级萃取的方 法，是工业生产最常用的萃取流程 分离效率高 产品回收率高 溶剂用量少
微滤（MF）：以多孔细小薄膜为过滤介质，压 力差为推动力，使不溶性物质得以分离的操作， 孔径分布范围在0.025~14μm之间； 超滤（UF）：分离介质同上，但孔径更小，为 0.001~0.02 μm，分离推动力仍为压力差，适 合于分离酶、蛋白质等生物大分子物质；
反渗透（RO）：是一种以压力差为推动力，从溶液 中分离出溶剂的膜分离操作，孔径范围在 0.0001~0.001 μm之间；（由于分离的溶剂分子往 往很小，不能忽略渗透压的作用，故而成为反渗透）
染料工业
细胞壁和细胞膜简介
植物细胞壁的主要成分是纤维素、半纤维素、木质素蛋白质、酶类以及 脂肪酸等。 细菌的细胞壁的主要成分是肽聚糖。 真菌细胞壁中的主要成分为几丁质、纤维素、葡聚糖、甘露聚糖等，这 些都是单糖的聚合物。
细胞膜的结构
细胞破碎的方法
◆细胞化学破碎法 ◆细胞物理破碎法
细胞破碎化学方法中最简单的是渗透冲击法。此法将 一定体积的细胞液加到2倍体积的水中，细胞中溶质浓 度高，水不断进入细胞，使细胞膨胀，最后导致破裂。 细胞破裂后释放到周围环境中的胞内物。
预处理常用方法： ⑴加热法 ⑵助滤剂上的吸附 ⑶凝聚和絮凝
加热 最简单、最经济的预处理方法是加热，加热 不仅可以增加料液的操作特性，也可以对其进行 灭菌。但加热变性的方法只适合于对热稳定性的 产物。
助滤剂上的吸附 在过滤操作中，为了降低过滤阻力，增加过滤 速率或得到高度澄清的滤液所加入的一种辅助性的粉 粒状物质，称为助滤剂。 常用的助滤剂有硅藻土、纸粕、活性炭、金属 屑和炉渣等。硅藻土具有很大的比表面积，能吸附胶 体物质，并形成空隙率很高的滤饼，是应用最广泛的 助滤剂。纸粕多用作预涂层，可防止滤布的早期堵塞。 助滤剂只用于以获得清净滤液为目的的过滤操 作。
膜过滤的基本概念和理论
目的：将溶质通过一层具有选择性的薄膜，
从溶液中分离出来。
分离时的推动力都是压强，由于被分离物质
的分子量和直径大小差别及膜孔结构不同， 其采用的压强大小不同。
纳米膜过滤技术
介于反渗透与超滤膜之间，能截留有机小分子而使大部 分无机盐通过； 特点：
在过滤分离过程中，能截留小分子有机物，并可以
常用絮凝剂
聚丙烯酰胺类和聚乙烯亚胺衍生物，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。 聚丙烯酸类阴离子絮凝剂和聚苯乙烯类衍生物。 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。
天然有机高分子絮凝剂，如壳聚糖和葡聚糖等聚
同时透析除盐，集浓缩与透析为一体；
操作压力低
纳滤膜的性质与特点
有多层聚合薄膜组成，滤膜为多孔性材料，平均孔径 为2nm，截留分子量范围在100~200道尔顿之间；同样 要求其具有良好的热稳定性、pH稳定性、有机溶剂稳 定性。 （云芝糖肽发酵液经板框过滤后得到的滤液，经过纳 滤处理达到脱盐浓缩的目的）
萃取过程： (ZR)－+(HU)＋→(HU)(ZR)
浓缩精制
膜分离技术
膜分离的概念：利用膜的选择性（孔径大小）， 以膜的两侧存在的能量差作为推动力，由于溶 液中各组分透过膜的迁移率不同而实现分离的 一种技术。
膜的概念
在一种流体相间有一层薄的凝聚相物质， 把流体相分隔开来成为两部分，这一薄层 物质称为膜。
酶消化法和碱处理法都是细胞破碎的有效方法，但是也都 有各自的缺点。
酶消化法的缺点在于酶的价格昂贵限制了在大规模生产 中的使用，虽然条件温和、具有选择性。细胞悬浮液中加入 酶能迅速和细胞壁反应并破坏它们。酶选择性的催化细胞壁 反应，不破坏细胞内的其它物质。 碱处理法和酶消化法相反，反应激烈，不具选择性，而且 较便宜。碱加入细胞悬浮液中后和细胞壁进行了多种反应， 包括使磷脂皂化。该操作是细胞增溶的很好的例子，因为它 使细胞壁的成分溶于表面活性剂，也使蛋白质变性。该法不 仅破坏了细胞壁也破坏了产物，因此即便很便宜，碱处理也 是一种很不常用的方法。
化学萃取
利用可与被萃目标物发生反应的物质作为萃取剂 进行的反应 络合萃取分离有机酸（醋酸） 季铵盐 叔胺
阳离子交换反应
被萃取物为待正电的阳离子（Z+） 萃取剂一般为弱酸有机物HA或H2A
萃取过程：Z+(W)+HA(O)→ZA(O)+H+( W)
阴离子缔合反应
金属离子在水相中以络合阴离子存在 萃取剂与H+结合成阳离子
糖类，还有明胶、骨胶、海藻酸钠等。 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。
菌体分离主要采用过滤和离心两种方法。 当发酵液不易被过滤纯化时，我们可以采用 离心的方法来分离， 与过滤设备相比，离心设 备的价格昂贵。但当固体颗粒细小而难以过滤时， 离心操作往显得十分有效。
珠磨破碎法
剧烈
便宜
机械法主要有匀浆法和研磨法。这两种方法中，细 胞通过高的机械剪切力被破坏。热量的产生是该法的一 个缺点，而且不容易规模放大，是一种可以在实验室规 模下操作方法。
◆冻结-融化法 机理：一是在冷冻过程中会使细胞膜的疏水键结构破裂，从而增加细胞 的亲水性；二是冷冻时细胞内水结晶形成冰晶粒，引起细胞膨胀而破裂。 缺点：反复冻融会使蛋白质变性，从而影响活性蛋白质的回收率。 ◆干燥法 机理：采用空气干燥、真空干燥、喷雾干燥和冷冻干燥等，改变膜的通 透性。 缺点：条件变化较剧烈，容易引起蛋白质或其它组织变性。 ◆自溶法 机理：是酶解的另一种方法，所需溶胞的酶是由微生物本身产生的。 缺点：容易引起所需蛋白质的变性，自溶后的细胞培养液过滤速度也会 降低。
凝聚和絮凝 凝聚：胶体粒子(10-100nm)中性盐促进下脱稳相 互聚集成大粒子（1mm） 机理： a 中和粒子表面电荷 b 消除双电层结构 絮凝：大分子聚电解质将胶体粒子交联成网状， 形成絮凝团的过程 机理：架桥作用
凝聚和絮凝 通过电解质的加入促进原始溶液的凝聚和絮凝， 试剂有简单的电解质、酸、碱、合成的聚合电解质。 简单电解质降低了胶体粒子间的排斥电位，从 而使得范德华引力起主导作用，聚合成较大的胶粒， 粒子的密度越大，越易分离。 预处理时加入合成聚合电解质既能降低排斥电 位，又吸附了周围的微粒，形成桥架作用，促使胶 粒形成粗大，密度低的絮凝团。这些絮凝团很容易 被过滤得到。
纳滤的应用
行 业 制药工业 处理对象 母液中有效成分的回收 抗菌素的分离纯化 维生素的分离纯化 氨基酸的脱盐与纯化 乳清脱盐与浓缩 苛性碱回收 活性染料的脱盐与回收 行 业 化工行业 处理对象 酸碱纯化、回收 电镀液中铜的回收
食品工业
纯水制备 废水处理
超高纯水 水的脱盐 地下水的净化 印染厂废水脱色 造纸厂废水净化