第二章 发酵液的预处理和固

二、发酵液的预处理（续）
调整pH（预处理中较常用方法）： – pH直接影响发酵液中某些物质的电离度和电 荷性质，调节pH可改善其过滤特性； 如调液pH值使蛋白质等达到等电点以除去；膜 过滤中，发酵液中的大分子物质易与膜发生吸附， 调pH值改变易吸附分子的电荷性质，即可减少堵 塞和污染。 – 调pH时，选较温和的酸或碱，防止局部过酸、 过碱。常用草酸
选择和使用助滤剂要点
根据目的产物选择助滤剂品种；
根据过滤介质和过滤情况选择助滤
剂品种； 粒度选择：
– 与悬浮液中固体粒子的尺寸相适应。
使用量选择： – 与悬浮液中固形物含量相等，过滤速 度最快。
二、发酵液的预处理（续）
加入反应剂：
– 加入某些反应剂（不影响产物），利 用反应剂和某些可溶性盐类发生反应 生成不溶性沉淀。 –作用：生成的沉淀能防止菌丝体粘结， 使菌丝具有块状结构，沉淀本身可作 为助滤剂，并且能使胶状物和悬浮物 凝固，消除发酵液中某些杂质对过滤 的影响，从而改善过滤性能。
第二节 发酵液的固液分离
固液分离的目的：
– 收集胞内产物的细菌或菌体，分离除 去液相； – 收集含生化物质的液相，分离除去固 体悬浮物； 固液分离的方法：离心分离、过滤、分 离筛、重力沉降、浮选分离。
不同性状的发酵液应选择不同的固液分离方法 霉菌和放线菌发酵液：过滤方法 细菌和酵母菌发酵液（未经预处理）：高速离心。 细菌和酵母菌发酵液（进行预处理）：过滤方法。
举例：如菌体较小的氨基酸发酵液，采用絮凝 和添加助滤剂等方法进行预处理后，即可用板 框过滤机或带式过滤机进行菌体分离
一、影响固液分离的因素
发酵液中细胞或菌体、各种悬浮粒子的
大小和形状：
– 粒子越小，分离难度越大，费用越高。
发酵液或细胞培养液的黏度： – 黏度与固液分离速度成反比，黏度越大，固 液分离越难； 发酵液的pH； 发酵液的温度； 发酵液的加热时间。
三、发酵液的相对纯化
高价无机离子的存在： 影响树脂对生化物质的交换容量。 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。
1、高价无机离子的去除方法
3、其他固液分离方法
影响絮凝效果的因素
絮凝效果与发酵液的性状（细胞浓
度、表面电荷种类和大小）有关， 不同发酵液应选不同絮凝剂； 对一定发酵液，与絮凝剂的加量、 分子量和类型、溶液pH、搅拌速度 和时间有关； 在絮凝过程中，常需加入一定的助 凝剂以增加絮凝效果。
絮凝技术
优点：提高固液分离速度，分离菌
体、细胞和细胞碎片等；有效去除 杂蛋白质和固体杂质，提高滤液质 量。 亲和絮凝：细胞絮凝技术发展的新 动向，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 用而产生吸附架桥作用。
凝聚技术
阳离子对带负电荷的发酵液胶粒凝
聚能力的次序为：
Al3+Fe3+ H+ Ca2+ Mg2+ K+ Na+ Li+
常用的凝聚剂（电解质）为：
Al2(SO4)3· 2O (明矾)、 18H AlCl3 · 2O、FeCl3、ZnSO4等。 6H 采用凝聚的方法得到的凝聚体颗粒 比较小。
第二章 发酵液的预处理和 固液分离
第一节 发酵液的预处理
除去部分可溶性杂质和改变滤液性质，利 于提取精制后续工序的顺利进行； 菌种不同、发酵液特性不同，预处理方法 选择也不同。
– 胞外产物：经预处理使目的产物移至液相， 经固液分离，除去固相； – 胞内产物：收集菌体或细胞，进行破碎，使 目的产物移至液相，进行细胞碎片分离。
2、杂蛋白质的去除方法
变性法：加热，大幅度调节pH，加酒精等有机 溶剂或表面活性剂等。 例如：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(pH8-9)使蛋 白质凝固，一般以酸性下除去的蛋白质较多。
变性法的局限性：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 只适用于所处理的液体数量较少的场合。
优点：分离速度快，效率高，液相
澄清度好等。 缺点：设备投资高，能耗大。
1、离心机：按作用原理分类
过滤式离心机： – 转鼓上开小孔，有过滤介质，离心力下， 液体穿过过滤介质经小孔流出而得以分离。 – 用于处理悬浮液固体颗粒较大、固含量较 高的物料。
沉降式离心机： – 转鼓上无孔，离心力下，物料按密度大小 不同分层沉降分离。 – 用于液-固、液-液、液-液-固分离。
预处理的目的：分离菌体和其他悬浮颗粒，
发酵液的预处理
微生物发酵液的成分： 微生物菌体、残存的培养基、未 利用完的糖类、无机盐、蛋白质、微 生物的各种代谢产物等。
发酵液的预处理主要包括：
①发酵液过滤特性的改变；
②相对纯化。
发酵液过滤特性的改变 目的：通过对发酵液进行 适当的预处理，即可改善其 流体性能，降低滤饼阻力， 提高过滤与分离的速率。 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—解冻及 添加助滤剂等。
– 培养基组成： – 发酵终了时间的确定。
2、过滤设备
板框压滤机： – 传统设备，广泛应用 – 结构简单、装配紧凑、过滤面积大， 适应性强，过滤推动力能大幅调整等。 – 设备笨重，间歇操作、辅助时间多， 效率低； – 自动板框过滤机
2、过滤设备
鼓式真空过滤机： – 大规模工业生产； – 连续操作，实现自动控制，处理量大， 适于固含量10%的悬液（霉菌发酵 液）； – 不适于菌体较小和黏度较大的细菌发 酵液过滤（受推动力——真空度限 制）。 – 其过滤所得固相干度不如加压过滤。

2、常见离心分离设备
碟片式离心机： – 是沉降式离心的一种，应用较广泛； – 适应于细菌、酵母菌、放线菌等悬浮 液及细胞碎片分离。 管式离心机： – 沉降式离心机，分离效率很高； – 生产能力小，适宜一般离心机难以分 离，固含量1%的发酵液的分离。 – 可用于细胞、细胞碎片、细胞器、病 毒、蛋白质、核酸等生物大分子的分 离。
滤饼的过滤速率
dQ Ap dt L Rm RC A 过滤面积 p 操作压
L 滤液的黏度 Rm 介质阻力
RC 滤饼阻力
一、微生物发酵液的特性
微生物发酵液的特性： – 发酵产物浓度较低（1~10%），悬浮 液中大部分为水； – 发酵液是组分非常复杂的混合物； – 悬浮物颗粒小，相对密度与液相相差 不大； – 固体粒子的可压缩性大； – 液相粘度大（多为非牛顿型流体）； – 性质不稳定，随时间发生变化。
3、过滤设备
硅藻土过滤机：
– 硅藻土是优良的过滤介质，也是优良 的助滤剂； – 硅藻土用法：
• 作为深层过滤介质； • 支持介质表面预涂硅藻土薄层； • 分散在待过滤的悬液中。
三、离心分离
离心机：
– 利用转鼓高速转动所产生的离心力， 实现分离。可分离悬浮液中极小的固 体微粒和大分子物质。
二、发酵液的预处理（改善发 酵液过滤特性的物化方法）
降低液体粘度：滤液通过滤饼的速率与液
体粘度成反比。
– 加水稀释法： ↓ ρ ， 过滤↑，会增加悬浮液的 体积，加大后续处理任务。 – 加热法：提高温度，有效↓ ρ， ↑ 过滤；蛋白 质凝聚成较大颗粒凝聚物。一般加热温度控 制在65~80º C。 • 适用于对非热敏感性产品发酵液预处理； • 使用时严格控制加热温度和时间。
发酵液中的主要无机离子：Ca2+、
Mg2+、Fe2+等。
– 去除钙离子，宜加入草酸； – 去除镁离子，可加入三聚磷酸钠； – 去除铁离子，可加入黄血盐，形成普 鲁士蓝沉淀。
2、杂蛋白质的去除方法
沉淀法: 蛋白质在酸性溶液中，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。 吸附作用: 加入某些吸附剂或沉淀剂吸附杂蛋 白质而除去。 例如：在枯草芽孢杆菌发酵液中，加入氯 化钙和磷酸氢二钠，两者生成庞大的凝胶，把 蛋白质、菌体及其他不溶性粒子吸附并包裹在 其中而除去，从而可加快过滤速率。
碟片式 间歇排渣 连续 0.1-5 1-10 0.5-15 0.5-15
螺旋倾析 式
5-50 >2 连续 较干
间歇 糊膏状
连续 糊膏状
103-2 × 104 103-2 × 104 103- 104 200 300 200
3、其他固液分离方法
切向流过滤（又称错流、交叉、十
字流过滤）：
– 维持恒压下高速过滤的技术。 – 悬浮液在过滤介质表面作切向流动， 利用流动的剪切力作用将介质表面的 固体（滤饼）移走，提高过滤速度。 – 在膜过滤中广泛使用。
絮凝剂的分类
按其活性基团在水中的解离情况分为三
类：非离子型、阳离子型和阴离子型 按来源不同，工业使用的絮凝剂又分为：
– 有机高分子聚合物（聚丙烯酰胺类衍生物和 聚苯乙烯类衍生物、聚丙烯酸类阴离子）； – 无机高分子聚合物（聚合铝盐、铁盐等）； – 天然有机高分子絮凝剂（聚糖类胶粘物、海 藻酸钠、明胶、壳多糖等） – 微生物絮凝剂（含糖蛋白、黏多糖、纤维素、 核酸等高分子）
二、过滤
发酵液的过滤特性：
– 发酵液属非牛顿型液体，滤渣为可压 缩性的。
1、影响过滤速度的因素
过滤速度与菌种、发酵条件有关： – 菌种对过滤速度影响很大：