发酵液预处理
2.3 发酵液杂质的去除
在预处理时，应尽量除去高价无机离子、杂蛋白等。 2.3.1无机离子的去除 （1）钙离子的去除 在发酵液中加入草酸。作用：1 除去钙离子；2 去除部分镁离子; 3 同时草酸可酸化发酵液，使发酵液的胶体状态改变，有助于目 标产物转入液相。由于草酸的溶解度较小，用量大时可用其可溶 性盐(如草酸钠)。4 反应生成的草酸钙还能促使蛋白质凝固，提 高滤液质量。 缺点：草酸的价格较高，如果回收利用可以降低成本。例如：在 四环类抗生素废液中，加入硫酸铅，60℃下反应生成草酸铅，草 酸铅在90～95℃下用硫酸分解，再经过滤、冷却、结晶操作后即 可回收草酸。
2.5.5絮凝的优化
选择使用何种絮凝剂要综合考虑成本、可行性、 毒性等多方面因素。此外，絮凝效果与絮凝剂 的加入量、分子量和类型，溶液的pH、搅拌 速率和时间等因素有关。 加入助凝剂可以增加絮凝效果。 剪切力及处理时间(添加絮凝与进一步分离之 间的间隔时间)也是很重要的优化参数。
絮凝的优化流程为：①准备好所需的絮凝剂及化学试 剂；②分别向烧杯中倒入500～1000mL的悬浮液试样； ③搅拌(桨叶速率可为200r／min)；④通过加酸或加碱 调节每个试样的pH值(例如，如果有6个试样，则分别 使其pH值为4、5、6、7、8和9)；⑤同时向各烧杯中 加入助凝剂，并开始计时；⑥继续保持高搅拌速率 5min；⑦加入絮凝溶液，于1min内混合均匀；⑧降低 搅拌速率(例如降至50r／min)保持15min；⑨分析絮凝 结果(可通过静置或过滤等方法)
2.4.2调节pH值
通过调节pH值可以改善其过滤特性。
– – –
氨基酸和蛋白质等两性物质在等电点可形成沉淀除 去。 膜过滤时，调节pH值可改变易吸附分子的电荷性 质，减少膜的堵塞和污染 在合适的pH值下，细胞和细胞碎片及某些胶体物 质会趋于絮凝状态，形成较大的颗粒，有利于过滤 操作的进行。
还可采用絮凝操作改善发酵液的处理性能。
2.5.6 絮凝设备
絮凝设备包括絮凝器及絮凝颗粒分离设备，絮 凝器主要有以下几种： (1)桨叶式絮凝器 (2)折流式絮凝器 (3)其他絮凝器
2.5.7絮凝技术的应用
(1)在除去细胞体、细胞碎片及蛋白质中的应 用 (2)在连续发酵中的应用 细胞回收和循环使用。 絮凝酵母 (3)在生物产品分离中的应用 絮凝技术可代替 或改善离心和过滤方法，富集或除去发酵液中 的细胞或细胞碎片。
2. 发酵液预处理
2.1 概述
为什么要进行预处理？
– – –
一、发酵液多为黏度大的悬浮液； 二、目标产物在发酵液中的浓度通常较低； 三、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。
生物分离的流程与单元操作
2.2 预处理简述
发酵液的预处理过程一般包括以下几部分：① 发酵液杂质的去除，包括除去蛋白质、无机离 子以及色素、热原、毒性物质等有机物质；② 改善培养液的处理性能，主要通过降低发酵液 的黏度、调节适宜的pH值和温度、絮凝与凝 聚等操作来实现。 预处理在生物技术产品的加工和提纯过程中相 当重要。
无机物
金属离子
无机盐
硼酸盐
酵母
影响微生物絮凝剂絮凝效果的主要因素有温度、 pH值、金属离子等。温度过高或过低对絮凝 剂活性都有影响。 壳聚糖由于分子中含有大量的氨基，所以它对 蛋白质和其他胶体物质具有很强的絮凝作用， 可作为阳离子絮凝剂使用。海藻酸钠、明胶、 骨胶等天然物质也有絮凝作用。
2.5.3.2新型絮凝剂
2.5.3.1 常见的絮凝剂 絮凝剂从化学结构看，主要分为三类：高聚物、无机盐、有机溶 剂及表面活性剂 絮凝剂又可分为非离子型、阴离子型(含羧基)和阳离子型(含胺基) 三类 目前最常见的高聚物絮凝剂是有机合成的聚丙烯酰胺类衍生物、 壳聚糖絮凝剂、聚苯乙烯类衍生物等 由于聚丙烯酰胺类絮凝剂具有用量少(一般为10-6g／L)，絮凝体 粗大，分离效果好，絮凝快以及种类多等优点，因而使用范围广， 目前主要用于杂质为蛋白质或菌丝体的发酵液。它的主要缺点是 存在一定的毒性，特别是阳离子型聚丙烯酰胺，应谨慎使用。近 年来还发展了聚丙烯酸类阴离子絮凝剂，因无毒，可用于食品和 医药工业中。
(2)镁离子的去除 可加入三聚磷酸钠，与镁离子形成可溶性络合 物，即可消除其对离子交换树脂的影响： 用磷酸盐处理，也能大大降低发酵液中钙离子 和镁离子的浓度。此法可用于环丝氨酸的提纯 中。 (3)铁离子的去除 一般用黄血盐与铁离子形成普鲁士蓝沉淀
2.3.2 可溶性蛋白质的去除
酵母细胞产生絮凝现象的原因：
– – –
①链形成凝聚，不断地进行细胞繁殖之后形成细胞 链； ②交配凝聚，由不同交配型细胞交换交配信息之后， 通过细胞表面特殊的蛋白与蛋白连接引起细胞凝聚； ③无性絮凝，由细胞表面蛋白和酵母细胞外壁的甘 露聚糖结合所引起的细胞凝聚，即真正的絮凝。
酵母絮凝的糖抑制。
2.5.3絮凝剂的分类
2．5絮凝技术
细胞分离的方法主要有离心和过滤。 采用细胞絮凝技术，可简单有效地实现固液分离。 2.5.1絮凝和凝聚的区别 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。 凝聚是指在中性盐作用下，由于双电层排斥电位的降 低，而使胶体体系不稳定的现象。
（1）主絮凝剂＋助絮凝剂 （2）新型絮凝剂 （3）无机-有机复合絮凝剂 （4）微生物絮凝剂与传统絮凝剂复合
2.5.4 絮凝机理
(1)胶体理论 絮凝是由于细胞表面的极性基团 引起的表面吸附，而使表面自由能降低的过程。 (2)高聚物架桥理论 细胞的絮凝是由于胞外高 聚物纤丝之间架桥交联形成的。 (3)双电层理论 细胞表面的离子键和氢键参与 了细胞的絮凝过程。
2.3.3 有色物质的去除
吸附法，如活性炭吸附、树脂吸附：
–
–
–
脱色树脂 大网格树脂 离子交换树脂
预处理工艺还可以添加工业酶制剂：淀粉酶、 果胶酶等。
核酸： 沉淀法：加入Mg2＋或硫酸链霉素
2.4 发酵液处理性能的改善
2.4.1 降低发酵液的黏度 常用方法有加热法和加水稀释法 升高发酵液的温度可以有效降低液体黏度，蛋 白质也会凝聚，形成大颗粒的凝聚物，发酵液 的过滤特性得到了进一步的改善。 加热时必须严格控制加热温度和加热时间：防 止活性物变性、细胞自溶。
(6)其他沉淀法 聚电解质、某些多价金属离子 和非离子型聚合物(如聚乙二醇)也可作为蛋白 质的沉淀剂。 聚电解质在蛋白质之间架桥，从而生成沉淀。
– – – – –
羧甲基纤维素、 卡拉胶、 海藻酸盐、 果胶酸盐和 酸性多糖等。
在碱性溶液中，阳离子如Ca2+、Mg2+、Mn2+、 Zn2+、Ag+、Cu2+、Fe3+、Pb2+等可与蛋白质分 子上的某些基团相互作用形成沉淀 酸性溶液中三氯乙酸盐、水杨酸盐、钨酸盐、 苦味酸盐、鞣酸盐、过氯酸盐等物质中的阴离 子也可使蛋白质沉淀出来。
(4)有机溶剂沉淀法 原理：有机溶剂使蛋白质分子表面荷电基团或亲水基团的水化程 度降低，即破坏蛋白质胶体的水膜，同时也可以降低溶液的介电 常数，导致蛋白质分子间的静电引力增大，产生凝聚和沉淀。 在低离子强度和等电点附近，较易生成沉淀，所需的有机溶剂用 量较少。并且随着蛋白质分子量的增大，有机溶剂沉淀更容易进 行，有机溶剂的加入量也越少。 优点：产生的沉淀物易于分离。 缺点：容易引起目标蛋白变性，成本较高， 该方法一般只适用于液体处理量较少的情况。 常用有机溶剂为丙酮和乙醇。
絮凝剂种类 核酸
絮凝剂 DNA
絮凝细胞 细菌
蛋白质
细菌
酵母 聚丙烯酰胺 聚乙烯亚胺 葡聚糖 壳聚糖 细菌 细菌 细菌 细菌
絮 凝 剂 的 种 类 及 应 用
纤维素 高聚物
聚电解质
多糖 有机溶剂
乙醇
丙酮 腐殖酸 鞣酸、单宁 镁盐 钙盐 铝盐
酵母
酵母 酵母 酵母 细菌、酵母 细菌、酵母 酵母、藻类
有机物 其他有机物
(3)加热法 热敏性是蛋白质的一个显著特性。对一些目标产品而 言，如果其本身的耐热能力超过了加热处理发酵液时 的温度，就可以采用加热的方法除去可溶性杂蛋白。 如：在柠檬酸的生产过程中，将发酵液加热到80℃可 以使蛋白质变性凝固，降低发酵液的黏度，在除去杂 蛋白的同时，过滤速率也得到了提高。 该方法操作简单，成本低。但是当目标产物为热敏性 物质时，应该谨慎使用。
2.5.2 细胞絮凝的种类
细胞絮凝方法按是否添加絮凝剂分为两类：
– –
①自身絮凝，即采用物理手段，如保温或调节pH值，使细胞 自身絮凝； ②絮凝剂絮凝，即添加絮凝剂使细胞絮凝沉降。
细胞自身絮凝，从本质上讲是由细胞分泌在表面的絮 凝物质造成的，即由微生物絮凝剂产生絮凝。 微生物絮凝剂，是指一类由微生物产生的具有絮凝细 胞功能的物质，一般为糖蛋白、黏多糖、纤维素和核 酸等高分子物质。
(5)吸附法 杂蛋白可以被某些吸附剂或沉淀剂吸附除去。 例如，利用黄血盐和硫酸锌的协同作用生成亚铁氰化 锌钾胶状沉淀来吸附蛋白质，这种方法在四环素类抗 生素的生产过程中已经取得了很好的效果。吸附法的 另一个典型实例是在枯草芽孢杆菌发酵液中，加入可 以生成庞大凝胶的氯化钙和磷酸氢二钠，凝胶将蛋白 质、菌体及其他不溶性粒子吸附并包裹在其中一同除 去，还可加快过滤速率。
18-1 发酵液的预处理
发酵液的预处理一、发酵液的一般特征1、发酵液成分复杂；2、发酵液中产品的浓度低；3、发酵产物性质不稳定；4、收率低;5、生物安全性要求比较高;一、发酵液的一般特征6、发酵或培养都是分批操作、生物变异性大，各批发酵液不尽相同，要求下游加工有一定的弹性。
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（多数是液相）；3.去除发酵液中部分杂质，以利于后续各步操作。
1降低液体的黏度2凝聚和絮凝法3重力法4等电点法5加入助滤剂6添加反应剂1降低液体的黏度（1）加水稀释法采用加水稀释法虽然能降低液体黏度，但是会增加发酵液的体积，加大后续过程的处理量。
1降低液体的黏度（2）加热法升高温度可以降低悬浮液的黏度，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，提高过滤效率。
不适用与对热敏感的产品。
1降低液体的黏度（3）添加酶制剂加酶将多糖转化为单糖,降低发酵液黏度。
2凝聚和絮凝法凝聚原理电解质将胶体粒子表面上的电荷中和，减少存在于胶体粒子间的静电斥力，使范德华力占优势，这样胶体就会凝聚成较大、较密实的粒子。
2凝聚和絮凝法常用的凝聚方法l在稀溶液中加入电解质以促进凝聚。
l试剂包括酸、碱、简单电解质和合成的高分子电解质。
2凝聚和絮凝法常用的凝聚剂硫酸铝、明矾、硫酸铁、三氯化铁等2凝聚和絮凝法使用絮凝剂将胶体粒子交联成网，形成10mm大小絮凝团的过程。
其中絮凝剂主要起架桥作用。
2凝聚和絮凝法发酵常用的絮凝剂有机高分子类（聚丙烯酰胺类衍生物）、无机高分子聚合物（聚合铝盐）、天然有机高分子（海藻酸类、明胶、几丁质等）3重力法重力法离心过滤3重力法板框压滤机、鼓式真空过滤机等；碟式离心机、管式高速离心机等。
3重力法离心和过滤能否顺利进行取决于很多因素。
一般温度高，压力大，发酵液黏度小，滤布选用适当，助溶剂适宜，搅拌都可以提高过滤速度。
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）。
生物工艺学第二章发酵液的预处理与固液分离2
收集含生化物质的液相，分离除去固 体悬浮物（细胞、菌体、细胞碎片、 蛋白质的沉淀物和它们的絮凝体等）。
42
二 常见的固液分离方法
过滤 离心 膜分离 双水相萃取 ATPS 扩张床吸附 EBA
43
（一） 过 滤
过滤操作是借助于过滤介质，在一定的 压力差ΔP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。
发酵液中的杂质
A.高价无机离子（Ca2+、Mg2+、Fe2+）
在采用离子交换提炼时，会影响树脂对生化物质的交换容量。
B.杂蛋白
常规过滤或膜过滤时，易使过滤介质堵塞，影响过滤效率。 采用离子交换和吸附法提取时会降低其交换容量和吸附能力， 有机溶剂法或双水相萃取时，易产生乳化，使两相分离不清。
因此，在预处理时，应尽量除去这些物质。
4
为何要对发酵液进行预处理？
固液分离方法主要是过滤和离心。 对于细菌及某些放线菌，菌体细小，液体粘度
大，不能直接过滤，若用高速离心，能耗很大， 设备昂贵。若用膜分离技术（如微滤）易产生 膜污染，通量降低。 发酵液中由于菌体自溶，核酸、蛋白质及其它 有机粘性物质的存在也会影响固液分离。 因而寻找一种经济有效的方法来提高固液分离 速度显得十分必要。
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目前最常见：聚丙烯酰胺类絮凝剂
聚丙烯酰胺类絮凝剂的优点
用量少，一般以mg/L计量； 絮凝体粗大，分离效果好； 絮凝速度快； 种类多，适用范围广。
聚丙烯酰胺类絮凝剂的缺点：
存在一定的毒性，特别是阳离子型聚丙烯酰胺， 用于食品和医药工业时应谨慎。
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2）天然有机高分子絮凝剂
发酵液预处理
影响微生物絮凝剂絮凝效果的主要因素有温度、 pH值、金属离子等。温度过高或过低对絮凝 剂活性都有影响。
壳聚糖由于分子中含有大量的氨基，所以它对 蛋白质和其他胶体物质具有很强的絮凝作用， 可作为阳离子絮凝剂使用。海藻酸钠、明胶、 骨胶等天然物质也有絮凝作用。
〔1〕主絮凝剂＋助絮凝剂 〔2〕新型絮凝剂 〔3〕无机-有机复合絮凝剂 〔4〕微生物絮凝剂与传统絮凝剂复合
2.4 发酵液处理性能的改善
2.4.1 降低发酵液的黏度 常用方法有加热法和加水稀释法 升高发酵液的温度可以有效降低液体黏度，蛋
白质也会凝聚，形成大颗粒的凝聚物，发酵液 的过滤特性得到了进一步的改善。 加热时必须严格控制加热温度和加热时间：防 止活性物变性、细胞自溶。
通过调节pH值可以改善其过滤特性。
发酵液预处理
2.1 概述
为什么要进展预处理？ 一、发酵液多为黏度大的悬浮液； 二、目标产物在发酵液中的浓度通常较低； 三、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，对发酵液进展适当的预处理，从而别离细胞、
菌体和其他悬浮颗粒(如细胞碎片、核酸及蛋白质的沉 淀物)，并除去局部可溶性杂质和改变发酵液的过滤性 能，是生化物质别离纯化过程中必不可少的首要步骤。
2.5.6 絮凝设备
絮凝设备包括絮凝器及絮凝颗粒别离设备，絮 凝器主要有以下几种：
(1)桨叶式絮凝器 (2)折流式絮凝器 (3)其他絮凝器
(1)在除去细胞体、细胞碎片及蛋白质中的应 用
(2)在连续发酵中的应用 细胞回收和循环使用。 絮凝酵母
(3)在生物产品别离中的应用 絮凝技术可代替 或改善离心和过滤方法，富集或除去发酵液中 的细胞或细胞碎片。
(6)其他沉淀法 聚电解质、某些多价金属离子 和非离子型聚合物(如聚乙二醇)也可作为蛋白 质的沉淀剂。
发酵液预处理与浓缩
收和浓缩
反渗透 压差1.0～10 MPa 盐、氨基酸、糖的
浓缩
浓缩大分子 纯化去杂质（植物成分） 去热源 滤过除菌
菌体分离
对于发酵的胞外产物，首先要除去悬浮的微 生物、离子与胶体。目前，较好的固液分离方法 是过滤或离心。
采用超滤法去除谷氨酸发酵液中的菌体，不 仅可以将发酵原液中固形物含量浓缩10倍，为菌 体的再利用创造了条件；而且超滤透过液中谷氨 酸含量、pH等理化指标与发酵液相同，但不含菌 体，且蛋白含量很低，再利用等电点法提取谷氨 酸时，回收率可达到90.96%，比传统等电点法高 7个百分点。
操作方式：间歇式、连续式 型式：管式、套筒
高 速 冷 冻 离 心 机
旋转过滤机
滚 筒 式 离 心 机
4000
三、细胞破碎
细胞破碎（cell rupture）技术是指利用外力 破坏细胞膜和细胞壁，使细胞内含物包括目的 产物成分释放出来的技术。
细胞破碎技术是分离纯化细胞内合成的非分泌 型药物成分的基础。
应用范围受限制； ③仅采用膜分离技术分离效果有限，往往需要
与其他分离工艺组合起来使用。
3.2 膜原理
按膜孔径大小分类 微滤膜
0.02～10 µ m 超滤膜
0.001～0.02 µ m （1～20 nm） 反渗透膜
0.0001～0.001 µ m （0.1～1 nm） 纳米过滤膜
小分子产物的回收
氨基酸、抗生素、有机酸和动物疫苗等发酵 产品的相对分子质量在2000以下，用超滤法可从 发酵液中回收这些小分子产物，然后利用反渗透 法进行浓缩和除去更小的杂质。
除内毒素
内毒素是细菌新陈代谢和细菌死后分解的 产物，主要成分是脂多糖、脂蛋白等。在静脉 注射药液时，如果将其带进血液，会对人体造 成相当大的危害。
第三章-发酵液的预处理2-3
2021/2/5
• 凝聚与絮凝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，使其聚集起来,增大 体积以便固液分离。
• 凝聚和絮凝技术常用于菌体细小而且黏度大的发 酵液的预处理中。
2021/2/5
Filtrate Volume, cm3
pH 2.8
pH 3.8 600
pH 4.2 400 200 pH 4.6
0 0 6 12 18 Time,minutes
The effect on filtrate volume of pH
2021/2/5
4、加入助滤剂（filter aids）
如万古霉素用淀粉作培养基，发酵液过滤前加入0.025%的淀 粉酶，搅拌30min后，再加2.5%硅藻土助滤剂，可提高过滤 效率5倍。
2021/2/5
第二节 发酵液的相对纯化
一、发酵液中的杂质
1、高价无机离子（Ca2+、Mg2+、Fe3+） 在采用离子交换提炼时，会影响树脂对生化物质 的交换容量。
2、杂蛋白 常规过滤或膜过滤时，易使过滤介质堵塞。 采用离子交换和吸附法提取时会降低其交换容量 和吸附能力。 有机溶剂法或双水相萃取时，易产生乳化。
2021/2/5
二、预处理目的
⑴改变发酵液固体粒子物理性质，如增大悬浮液 中固体粒子的尺寸，加快固体粒子的沉降速度。
⑵相对纯化，去除发酵液中的部分杂质（高价无 机离子和杂蛋白质），以利于后续各步操作。
⑶尽可能使产物转入便于后处理的一相中（多数 是液相）；四环素类抗生素、链霉素。
第二章发酵液预处理和固
凝聚
凝聚：在电解质（中性盐） 作用下，胶粒间双电层电 排斥作用降低，电位下降， 使胶体体系不稳定的现象。
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 凝集的现象。
第二章发酵液预处理和固
凝聚技术
RC
A 过滤面积
p 操作 压
L 滤液的黏度 R m 介 质 阻力 R C 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。
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)3·18H2O (明矾)、 AlCl3 ·6H2O、FeCl3、ZnSO4等。
采用凝聚的方法得到的凝聚体颗粒 比较小。
第二章发酵液预处理和固
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）
第二章发酵液预处理和固
第二章发酵液预处理和固
发酵液过滤特性的改变
发酵液预处理和固液分离
当双电层的排斥力不足以抗衡胶粒间范德华引力 时，由于热运动的结果，导致胶粒的相互碰撞而 聚集。
由此可见，在发酵液中加入具有高价阳离子的电 解质，由于ξ电位的降低和脱除胶粒表面水化膜， 就导致了胶粒间的凝聚作用。
电解质的凝聚能力用凝聚价或凝聚值来表示
凝聚价或凝聚值： 使胶粒发生凝聚作用的最小电解质浓度
不同界面上形成不同 的电位:
胶核表面的电位φs 是整个双电层的电位;
Stern平面上的电位 为φd;
滑移面上的电位为ζ, 称ζ电位。
ζ电位是控制胶粒间电排斥作用的电位，用来表征 双电层的特征。
带电粒子间的静电相互作用取决于ζ电位的大小。 当双电层的ζ电位足够大时，静电排斥作用抵御分
子间的相互吸引作用，使蛋白质溶液处于稳定状态。
子直径约1-30nm，呈胶体性质; 蛋白质水化层：蛋白质分子周围存在与蛋白质
分子紧密或疏松结合的水化层。紧密结合的水 化层可达到0.35g/g蛋白质，而疏松结合的水化 层可达蛋白质分子质量的2倍以上； 静电排斥作用：
(1)胶体双电层结构
➢发酵液中菌体表面带 有负电荷，由于静电 引力使溶液中反离子 被吸附在其周围。 ➢正离子同时受到使它 们均匀分布的热运动 影响，具有离开胶粒 表面的趋势，在界面 上形成了双电层。
2）高分子絮凝剂的吸附架桥作用
3）对絮凝剂的化学结构的要求
1）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。
2）要求必须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，但相对分子量 不能超过一定限度，以使其有良好的溶解性。
4）工业上使用的絮凝剂
可分为四类：人工合成有机高分子聚合物、天然有机 高分子聚合物、无机高分子聚合物、微生物絮凝剂
发酵液预处理
第三章发酵液预处理从微生物发液中提取发酵产品的第一步骤就是预处理，其目的的不仅在于分离菌体和其他悬浮液的性质，以利用于提取和精制后断各工序的顺利进行。
各种发酵产品，由于菌种不同和发酵液特性不同，其预处理方法的选择也有所不同。
大多数发酵产物存在于发酵液中，也有少数产物存在于菌体中，或发酵液和菌体中都有含有。
–对于胞外产物，经预处理应尽可能使目的产物转移到液相，然后经固液分离除去固相；–对于胞内产物，则首先收集菌体或细胞，经细胞破碎后，目的产物进入液相，随后再将细胞碎片分离。
第一节发酵液过滤特性改变微生物发酵液的特性可归纳为：发酵产物浓度较低，大多为1%～10%，悬浮液中大部分是水；悬浮物颗粒小，相对密度与液相相差不大：固体粒子可压缩性大；液相粘度大，大多为非牛顿型流体；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。
一、降低液体粘度降低液体粘度的常用方法有加水稀释法和加热法等。
采用加水稀释虽然降低液体粘度，但会增加悬浮液的体积，加大后继过程的处理任务。
若加水一倍，则稀释后液体的粘度必须下降50%以上才能有效提高过滤速率。
升高温度可有效降低液体粘度，提高过滤速率，如12ºBe 麦芽汁40℃时粘度为1.2×10-3Pa·s，升高到75℃其粘度可下降一半，过滤速率可加倍。
同时，在适当温度和受热时间可使蛋白质凝聚，形成较大颗粒的凝聚物，进一步改善了发酵液的过滤特性。
如链霉素发酵液，调酸至pH3.0后。
加热至70℃，维持半小时，液相粘度下降至1/6，过滤速率可增大10~100倍。
使用加热时必须严格控制加热温度与时间。
二、调整pH⏹pH值直接影响发酵液中某些物质有电离度和电荷性质，适当调节pH值可改善其过滤特性。
⏹对于氨基酸、蛋白质等两性物质，在酸性条件下带正电荷，在碱性条件下带负电荷，而在某一pH值下，净电荷为零，称为等电点下，两性物质的溶解度最小，此即为等电点沉淀法提取谷氨酸。