第九章發(fā)酵工程下游技術(shù)發(fā)展及發(fā)酵液的預(yù)處理課件

概述第一節(jié)發(fā)酵工程下游技術(shù)發(fā)展一、發(fā)酵產(chǎn)物的分類從工業(yè)發(fā)酵范疇來看，從發(fā)酵液中獲得的發(fā)酵產(chǎn)物大致可分為三類：1、菌體：2、酶：3、代謝產(chǎn)物第九章發(fā)酵工程下游技術(shù)發(fā)展及發(fā)酵液的預(yù)處理概述第九章發(fā)酵工程下游技術(shù)發(fā)展及發(fā)酵液的預(yù)處理1二、下游加工過程在生物技術(shù)中的地位下游技術(shù)（工程）（downstreamprocessing）：對于由生物界自然產(chǎn)生的或由微生物菌體發(fā)酵的、動(dòng)植物細(xì)胞組織培養(yǎng)的、酶反應(yīng)等各種生物工業(yè)生產(chǎn)過程獲得的生物原料，經(jīng)提取分離、加工并精制目的成分，最終使其成為產(chǎn)品的技術(shù)。下游加工過程的重要性。（組成、費(fèi)用和關(guān)注程度）①組成：下游加工過程是生物技術(shù)的重要組成部分，發(fā)酵液或反應(yīng)液需要經(jīng)過下游加工過程才能成為成品；②費(fèi)用：傳統(tǒng)發(fā)酵工業(yè)中下游部分的費(fèi)用占整個(gè)工廠投資費(fèi)用的６０％，而對重組ＤＮＡ生產(chǎn)蛋白質(zhì)等基因工程產(chǎn)品，下游加工的費(fèi)用可占整個(gè)生產(chǎn)費(fèi)用的８０％－９０％；③關(guān)注程度：英國政府工業(yè)部于１９８３年發(fā)起生物分離計(jì)劃（ＢＩＯＳＥＰ），專門研究下游加工過程；１９８７年英國化學(xué)工業(yè)會(huì)召開了專門討論下游加工過程的國際會(huì)議；我國也于１９８９年在濟(jì)南召開了一次專門會(huì)議；近十年來國內(nèi)外有關(guān)生物分離或蛋白質(zhì)純化的專著陸續(xù)出版。二、下游加工過程在生物技術(shù)中的地位下游技術(shù)（工程）（dow2三、下游加工技術(shù)的特點(diǎn)1.發(fā)酵液的復(fù)雜性造成分離上的困難性。2.欲提取的產(chǎn)物通常濃度低且很不穩(wěn)定。3.多為分批操作，各批發(fā)酵液不盡相同，要求下游加工有一定彈性。三、下游加工技術(shù)的特點(diǎn)3四、生物工業(yè)下游技術(shù)的發(fā)展歷程古代釀造業(yè)2.第一代生物技術(shù)古代釀造業(yè)包括釀酒、制醬（油）、醋、酸奶和干酪等。技術(shù)原始、家庭式作坊、產(chǎn)物基本不經(jīng)過后處理而直接使用，無下游技術(shù)。主要指19世紀(jì)60年代---20世紀(jì)40年代青霉素等抗生素出現(xiàn)之前的生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)。發(fā)現(xiàn)了發(fā)酵的本質(zhì)是微生物的作用，掌握了純種培養(yǎng)技術(shù)，生物技術(shù)進(jìn)入近代釀造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展階段。到20世紀(jì)上半葉，逐漸開發(fā)形成了發(fā)酵法生產(chǎn)酒精、丙酮、丁醇等微生物發(fā)酵工業(yè)（厭氧發(fā)酵），其產(chǎn)品相對簡單，基本上是無活性的小分子。此時(shí)開始引入過濾、蒸餾、精餾等近代分離技術(shù)。四、生物工業(yè)下游技術(shù)的發(fā)展歷程古代釀造業(yè)古代釀造業(yè)包括4

以20世紀(jì)40年代出現(xiàn)的青霉素產(chǎn)品為代表。

無菌空氣制備技術(shù)、大型好氧發(fā)酵裝置開發(fā)，一大批通風(fēng)發(fā)酵技術(shù)產(chǎn)品相繼投入了工業(yè)生產(chǎn)，如抗生素（鏈霉素）、氨基酸（谷氨酸）、有機(jī)酸（核酸、檸檬酸）、酶制劑（淀粉酶）、微生物多糖和單細(xì)胞蛋白等。產(chǎn)品多樣性決定了分離方法的多樣性。借鑒和引進(jìn)吸收了大量的近代化學(xué)工業(yè)的分離技術(shù)，如沉淀、離子交換、萃取、結(jié)晶等。3.第二代生物技術(shù)以20世紀(jì)40年代出現(xiàn)的青霉素產(chǎn)品為代表。3.第二代生5

以20世紀(jì)70年代末崛起的DNA重組技術(shù)及細(xì)胞融合技術(shù)為代表。

生物技術(shù)在其主要領(lǐng)域：基因工程、酶工程、細(xì)胞工程和微生物發(fā)酵工程取得了長足進(jìn)步，一批高附加值的產(chǎn)品開始面世，如乙肝疫苗、干擾素等。80年代，發(fā)現(xiàn)了一大批生理功能性物質(zhì)，如活性糖質(zhì)、活性肽、高度不飽和脂肪酸等，生物技術(shù)在深度和廣度上都取得了很大的進(jìn)展。1988年，日本由40多家公司組建高度分離系統(tǒng)技術(shù)研究聯(lián)合體，瑞典的Pharmacia，Alfa-Laval等組建了Biolink公司，加強(qiáng)在生物工業(yè)下游技術(shù)領(lǐng)域的研究開發(fā)力量，不斷推出新技術(shù)、新產(chǎn)品、新裝備，以搶占更多的市場。新技術(shù)有超臨界CO2萃取技術(shù)、膜過濾、滲透蒸發(fā)技術(shù)、各種色譜（層析）技術(shù)等。4.第三代生物技術(shù)以20世紀(jì)70年代末崛起的DNA重組技術(shù)及細(xì)胞融合技術(shù)為620世紀(jì)80年代以來，生物工業(yè)下游技術(shù)進(jìn)步很快，出現(xiàn)了很多新概念、新技術(shù)、新產(chǎn)品和新裝備。大致可分為以下幾大類：（1）固液分離技術(shù)

近20年來，將在污水處理、化學(xué)工程和選礦工程上廣泛使用的絮凝技術(shù)引入到發(fā)酵液的預(yù)處理上，研究開發(fā)了菌體及懸浮物絮凝技術(shù)，改善了發(fā)酵液的分離性能，加之纖維素助濾劑的開發(fā)，大大提高了發(fā)酵液的固液分離效率。在固液分離機(jī)械方面，也出現(xiàn)了一些性能優(yōu)良的新型機(jī)械，如帶式過濾機(jī)、連續(xù)半連續(xù)板框過濾機(jī)、螺旋沉降式離心機(jī)等。微濾膜可高效分離細(xì)微的懸浮粒子。20世紀(jì)80年代以來，生物工業(yè)下游技術(shù)進(jìn)步很快，出現(xiàn)了很多新7已開發(fā)出珠磨破碎、壓力釋放破碎、冷凍加壓釋放破碎和化學(xué)破碎等技術(shù)。該技術(shù)的成熟使得胞內(nèi)生物物質(zhì)的大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)成為可能。（2）細(xì)胞破碎技術(shù)主要開發(fā)了沉淀、離子交換、萃取、超濾等技術(shù)。較早出現(xiàn)的是酶及蛋白質(zhì)的鹽析法；有機(jī)溶劑沉淀法；雙水相萃取技術(shù)比較適合于胞內(nèi)活性物質(zhì)和細(xì)胞碎片的分離，為進(jìn)一步純化精制創(chuàng)造了前提；超濾技術(shù)解決了生物大分子對pH、熱、有機(jī)溶劑、金屬離子敏感等難題，在生物大分子的分級(jí)、濃縮、脫鹽等操作中得到了廣泛的使用。（3）初步分離純化技術(shù)已開發(fā)出珠磨破碎、壓力釋放破碎、冷凍加壓釋放破碎和化學(xué)破碎等8小分子物質(zhì)一般可通過離子交換、脫色和結(jié)晶、重結(jié)晶等方法獲得純度很高的產(chǎn)品。生物大分子的純化一直是個(gè)難題。20世紀(jì)70年代以來，逐漸開發(fā)出各種色譜（層析）技術(shù)，如親和色譜、疏水色譜、聚焦色譜、離子交換色譜和凝膠色譜等，后兩種技術(shù)已開始用于批量生產(chǎn)。（4）高度分離純化技術(shù)超臨界CO2萃取技術(shù)在獲得天然生物物質(zhì)方面有著獨(dú)特的優(yōu)勢。20世紀(jì)80年代以來，已經(jīng)在許多領(lǐng)域中迅速實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化。如啤酒花中有效成分和咖啡豆中咖啡因的萃取分離。介于反滲透和超濾之間的納米濾（Nanofiltration）技術(shù)，由于其能使水和大部分無機(jī)鹽通過而截留分子量300-1000的小分子有機(jī)物，且操作壓力低，在生物工業(yè)和水處理中具有廣闊的應(yīng)用前景。滲透蒸發(fā)技術(shù)、液膜技術(shù)及反膠團(tuán)技術(shù)的研究和應(yīng)用開發(fā)等也相繼取得了很大的進(jìn)展。（5）其他新型分離技術(shù)小分子物質(zhì)一般可通過離子交換、脫色和結(jié)晶、重結(jié)晶等方法獲得純9五、發(fā)酵工業(yè)下游技術(shù)的一般工藝過程下游加工過程由各種化工單元操作組成。由于生物產(chǎn)品品種多，性質(zhì)各異，故用到的單元操作很多，其中如蒸餾、萃取、結(jié)晶、吸附、蒸發(fā)和干燥等屬傳統(tǒng)的單元操作，理論比較成熟，而另一些則為新近發(fā)展起來的單元操作，如細(xì)胞破碎、膜過程和色層分離等，缺乏完整的理論，介于兩者之間的有離子交換過程等。五、發(fā)酵工業(yè)下游技術(shù)的一般工藝過程下游加工過程由各種化工單元101、一般工藝過程一般說來，下游加工過程可分為4個(gè)階段：培養(yǎng)液(發(fā)酵液)的預(yù)處理和固液分離；初步純化(提取)；高度純化(精制)；產(chǎn)品的最后加工。預(yù)處理和固液分離：目的是除去發(fā)酵液中的菌體細(xì)胞和不溶性固體雜質(zhì)（離心和過濾）。初步分離：目的是除去與產(chǎn)物性質(zhì)差異較大的雜質(zhì)，為后道精制工序創(chuàng)造有利條件（萃取、吸附、沉淀、蒸發(fā)）高度純化：去除與產(chǎn)物的物理化學(xué)性質(zhì)比較接近的雜質(zhì)（層析、膜分離、離子交換、沉淀、電泳）。產(chǎn)品的最后加工：成品形式由產(chǎn)品的最終用途決定（結(jié)晶、干燥、蒸餾）。1、一般工藝過程預(yù)處理和固液分離：目的是除去發(fā)酵液中的菌11下游加工一般工藝流程發(fā)酵液細(xì)胞分離提取、分離純化、精制產(chǎn)物胞外產(chǎn)物胞內(nèi)產(chǎn)物離心或過濾細(xì)胞破碎整體細(xì)胞萃取離心或過濾離心或過濾干燥含產(chǎn)物的清液廢物離心或過濾干燥產(chǎn)物＝＝＝＝考下游加工一般工藝流程發(fā)酵液細(xì)胞分離提取、分離純化、精制產(chǎn)物胞12下游工藝過程決定于產(chǎn)品的性質(zhì)和要求達(dá)到的純度如產(chǎn)品為菌體本身，則工藝比較簡單，只需經(jīng)過濾、得到菌體，再經(jīng)干燥就可，如單細(xì)胞蛋白的生產(chǎn)。如可以從發(fā)酵液直接提取，則可省去固液分離步驟。如為胞外產(chǎn)物則可省去細(xì)胞破碎步驟。下游工藝過程決定于產(chǎn)品的性質(zhì)和要求達(dá)到的純度132、如何著手對一種未知的發(fā)酵產(chǎn)品進(jìn)行提取。(1)產(chǎn)品的類型，性質(zhì)的研究。①可大致確定它是屬于哪一類型；②可了解它是一種成分還是幾種成分的混合物。(2)穩(wěn)定性研究。確定在哪一種條件下進(jìn)行提取和精制不受破壞，即確定提取條件。2、如何著手對一種未知的發(fā)酵產(chǎn)品進(jìn)行提取。14適合于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的傳統(tǒng)技術(shù)經(jīng)過改造提高后，適應(yīng)面更寬，效率會(huì)更高，仍然顯示出強(qiáng)勁的生命力。各種新型高效的過濾機(jī)械和離心機(jī)械的問世，結(jié)晶理論和離子交換技術(shù)的新進(jìn)展，提高了產(chǎn)品的收率、質(zhì)量和生產(chǎn)效率。六、生物工業(yè)下游技術(shù)的發(fā)展動(dòng)態(tài)——成本、質(zhì)量、環(huán)保將是該技術(shù)發(fā)展方向和動(dòng)力1.傳統(tǒng)分離技術(shù)的提高和完善適合于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的傳統(tǒng)技術(shù)經(jīng)過改造提高后，適應(yīng)面更寬，151）新型分離介質(zhì)的研究開發(fā)2）子代分離技術(shù)3）其他新興下游技術(shù)2.新技術(shù)的研究開發(fā)膜（膜材料和膜制造工藝）、樹脂（離子交換樹脂和大網(wǎng)格樹脂）和凝膠（瓊脂糖凝膠為基質(zhì)，與各種配基結(jié)合后制成各種色譜分離介質(zhì)）是目前主要的新型分離介質(zhì)。各種分離純化技術(shù)相互結(jié)合、交叉、滲透，形成子代分離技術(shù)。如膜技術(shù)和萃取、蒸餾、蒸發(fā)技術(shù)相結(jié)合形成了膜萃取技術(shù)、膜蒸餾及滲透蒸發(fā)技術(shù)；色譜技術(shù)與離子交換技術(shù)等結(jié)合形成了離子交換色譜、等電聚焦色譜等。由溶劑萃取技術(shù)衍生出一大批生物工業(yè)分離技術(shù)，如雙水相萃取、超臨界CO2萃取、反膠團(tuán)萃取（細(xì)胞碎片去除、細(xì)胞胞內(nèi)物質(zhì)、酶及蛋白質(zhì)、天然生物物質(zhì)的提取分離）；菌體絮凝技術(shù)和菌體細(xì)胞破碎技術(shù)的進(jìn)展為工業(yè)化經(jīng)濟(jì)的分離菌體細(xì)胞和大規(guī)模生產(chǎn)胞內(nèi)物質(zhì)創(chuàng)造了技術(shù)前提。1）新型分離介質(zhì)的研究開發(fā)2.新技術(shù)的研究開發(fā)膜（膜材料和16第二節(jié)發(fā)酵液的預(yù)處理

一、發(fā)酵液的一般特征1、含水量高，一般可達(dá)90％～99%2、產(chǎn)品濃度低3、懸浮物顆粒小，密度與液體相差不大4、固體粒子可壓縮性大5、液體黏度大，大多為非牛頓型流體6、產(chǎn)物性質(zhì)不穩(wěn)定第二節(jié)發(fā)酵液的預(yù)處理

一、發(fā)酵液的一般特征17二、發(fā)酵液預(yù)處理的目的和要求1、預(yù)處理的目的：（1）改變發(fā)酵液的物理性質(zhì)，促進(jìn)懸浮液中分離固形物的速度，提高固液分離器的效率（2）盡可能使產(chǎn)物轉(zhuǎn)入便于后處理的某一相中（多數(shù)是液體）（3）去除發(fā)酵液中部分雜質(zhì)，以利于后續(xù)各步操作。二、發(fā)酵液預(yù)處理的目的和要求182、發(fā)酵液預(yù)處理的要求:（1）菌體的分離（2）固體懸浮物的去除（3）蛋白質(zhì)的去除（4）重金屬離子的去除（5）色素、熱原質(zhì)、毒性物質(zhì)等有機(jī)雜質(zhì)的去除（6）改變發(fā)酵液的性質(zhì)（7）調(diào)節(jié)適宜pH值和溫度2、發(fā)酵液預(yù)處理的要求:19三、預(yù)處理的方法1、加熱法2、調(diào)節(jié)懸浮液的pH3、發(fā)酵液的凝聚和絮凝4、高價(jià)無機(jī)離子的去除方法5、雜蛋白質(zhì)的去除三、預(yù)處理的方法1、加熱法201、加熱法：降低懸浮液的黏度，除去某些雜蛋白，降低懸浮物的最終體積，破壞凝膠狀結(jié)構(gòu)、增加濾餅的空隙度不適用熱敏性的物質(zhì)2、調(diào)節(jié)懸浮液的pH

通過調(diào)節(jié)發(fā)酵液pH到蛋白質(zhì)的等電點(diǎn)使蛋白質(zhì)沉淀，同時(shí)絡(luò)合重金屬離子；常用的酸化劑有草酸、鹽酸、硫酸和磷酸1、加熱法：213，發(fā)酵液的凝聚和絮凝機(jī)理電解質(zhì)將膠體粒子表面上的電荷中和，減少存在于膠體粒子間的靜電斥力，使范德華力占優(yōu)勢，這樣膠體就會(huì)凝聚成較大、較密實(shí)的粒子（凝聚），或在某些高分子絮凝劑存在下，基于架橋作用，使膠粒形成粗大的絮凝團(tuán)使之更容易過濾（絮凝）。常用的凝聚方法在稀溶液中加入電解質(zhì)以促進(jìn)凝聚。試劑包括酸、堿、簡單電解質(zhì)和合成的高分子電解質(zhì)。常用的絮凝劑聚丙烯酰胺、聚乙烯亞胺、聚胺衍生物、氯化鈣、磷酸氫二鈉3，發(fā)酵液的凝聚和絮凝機(jī)理22第九章發(fā)酵工程下游技術(shù)發(fā)展及發(fā)酵液的預(yù)處理課件23影響絮凝的因素絮凝劑的添加量發(fā)酵液的pH絮凝劑的分子量攪拌轉(zhuǎn)速攪拌時(shí)間影響絮凝的因素絮凝劑的添加量24絮凝劑加量對絮凝效果(濾速)的影響料液中，絮凝劑濃度增加有助于架橋充分，但是過多的加量反而會(huì)引起吸附飽和，在每個(gè)膠粒上形成覆蓋層而使膠粒產(chǎn)生再次穩(wěn)定現(xiàn)象。絮凝劑加量對絮凝效果(濾速)的影響料液中，絮凝劑濃度增加有助25發(fā)酵液pH對陰離子聚丙烯酰胺絮凝效果的影響溶液pH的變化常會(huì)影響離子型絮凝劑中官能團(tuán)的電離度，從而影響分子鏈的伸展形態(tài)。電離度增大，由于鏈節(jié)上相鄰離子基團(tuán)間的電排斥作用，而使分子鏈從卷曲狀態(tài)變?yōu)樯煺範(fàn)顟B(tài)，所以架橋能力提高。發(fā)酵液pH對陰離子聚丙烯酰胺絮凝效果的影響溶液pH的變化常會(huì)26絮凝技術(shù)預(yù)處理發(fā)酵液的優(yōu)點(diǎn)不僅在于過濾速度的提高，還在于能有效地去除雜蛋白質(zhì)和固體雜質(zhì)，如菌體、細(xì)胞和細(xì)胞碎片等，提高了濾液質(zhì)量絮凝技術(shù)預(yù)處理發(fā)酵液的優(yōu)點(diǎn)不僅在于過濾速度的提高，還在于能有274、高價(jià)無機(jī)離子的去除方法鈣離子，可用草酸。鎂離子，可用三聚磷酸鈉它和鎂離子形成可溶性絡(luò)合物，用磷酸鹽處理，也能大大降低鈣離子和鎂離子的濃度。此法可用于環(huán)絲氨酸的提取。鐵離子，可加入黃血鹽，使形成普魯士藍(lán)沉淀。4、高價(jià)無機(jī)離子的去除方法285、雜蛋白質(zhì)的去除方法熱變性沉淀大幅度改變pH5、雜蛋白質(zhì)的去除方法29四、發(fā)酵液的過濾微生物發(fā)酵液中含有大量菌體、細(xì)胞或細(xì)胞碎片以及殘余的固體培養(yǎng)基成分。過濾就是將懸浮在發(fā)酵液中的固體顆粒與液體進(jìn)行分離的過程。在過濾操作中，要求濾速快，濾液澄清并且有高的收率。四、發(fā)酵液的過濾微生物發(fā)酵液中含有大量菌體、細(xì)胞或細(xì)胞碎片301、影響過濾速度的因素過濾速度和以下因素有關(guān)菌種。發(fā)酵條件。培養(yǎng)基的組成未用完培養(yǎng)基的數(shù)量消泡劑發(fā)酵周期1、影響過濾速度的因素過濾速度和以下因素有關(guān)31菌種對過濾速度影響真菌的菌絲比較粗大，如青霉菌的菌絲直徑可達(dá)10μm，發(fā)酵液容易過濾，不需特殊處理。其濾渣呈緊密餅狀物，很容易從濾布上刮下來，故可采用鼓式真空過濾機(jī)過濾。放線菌發(fā)酵液菌絲細(xì)而分枝，交織成網(wǎng)絡(luò)狀。如鏈霉素發(fā)酵液菌絲僅0.5~1.0μm左右，還含有很多多糖類物質(zhì)，粘性強(qiáng)，過濾較困難，一般需經(jīng)預(yù)處理，以凝固蛋白質(zhì)等膠體。細(xì)菌發(fā)酵液的菌體更細(xì)小，因此，過濾十分因準(zhǔn)，如不用絮凝等方法預(yù)處理發(fā)酵液，往往難以采用常規(guī)過濾的設(shè)備來完成過濾操作。菌種對過濾速度影響真菌的菌絲比較粗大，如青霉菌的菌絲直徑可達(dá)32培養(yǎng)基的組成和消泡劑對過濾速度影響用黃豆粉、花生粉作氮源、淀粉作碳源會(huì)使過濾困難；發(fā)酵后期加消泡劑或剩余大量末用完的培養(yǎng)基也會(huì)使過濾困難。培養(yǎng)基的組成和消泡劑對過濾速度影響用黃豆粉、花生粉作氮源、淀33發(fā)酵周期對過濾的影響正確選擇發(fā)酵終了時(shí)間對過濾影響很大。在菌體絲自溶前必須放罐，因?yàn)榧?xì)胞自溶后的分解產(chǎn)物一般很難過濾。有時(shí)延長發(fā)酵周期雖能使發(fā)酵單位有所提高，但嚴(yán)重影響發(fā)酵液質(zhì)量，使色素和膠狀雜質(zhì)增多、過濾困難，最終造成成品質(zhì)量降低。發(fā)酵周期對過濾的影響正確選擇發(fā)酵終了時(shí)間對過濾影響很大。在菌34

2、改善過濾性能的方法等電點(diǎn)蛋白質(zhì)變性吸附凝聚和絮凝加入助濾劑直接在發(fā)酵液中形成填充-凝固劑酶解作用2、改善過濾性能的方法等電點(diǎn)35過濾助劑助濾劑是一種不可壓縮的多孔微粒，它能使濾餅疏松，濾速增大。過濾助劑可解決兩個(gè)問題濾餅的可壓縮性問題小粒子如菌絲碎片和細(xì)菌細(xì)胞，會(huì)滲入到轉(zhuǎn)鼓真空過濾預(yù)覆蓋層內(nèi)部。使得預(yù)覆蓋層的部分孔被堵塞，影響了滲透性。加入助濾劑可以解決這一問題常用的過濾助劑

硅藻土、珍珠巖、磨碎的木漿、淀粉過濾助劑助濾劑是一種不可壓縮的多孔微粒，它能使濾餅疏松，濾速36助濾劑的加入有兩種方法：在濾布上預(yù)先鋪一層助濾劑(1~2mm)，該方法，會(huì)使濾速降低，但濾液透明度直接加入發(fā)酵液中（助濾劑的用量，有一條經(jīng)驗(yàn)規(guī)則可供參考，即助濾劑用量若等于懸浮液中固體含量時(shí)，濾速最快。）。助濾劑的加入有兩種方法：37填充-凝固劑改善過濾性能較好的方法是加入一些反應(yīng)劑，它們能相互作用，或和某些溶解性鹽類發(fā)生反應(yīng)生成不溶解的沉淀(CaSO4，AlPO4等)。生成的沉淀能防止菌絲體粘結(jié)，使菌絲具有塊狀結(jié)構(gòu)，沉淀本身即可作為助濾劑，并且還能使膠狀物和懸浮物凝固，如新生霉素發(fā)酵液中加入氯化鈣和磷酸鈉，生成的磷酸鈣可作為填充-凝固劑。一方面作為助濾劑，另一方面還可使某些蛋白質(zhì)凝固。又如環(huán)絲氨酸發(fā)酵液用氧化鈣和磷酸處理，生成的磷酸鈣沉淀，能使懸浮物凝固。多余的磷酸根離子，還能除去鈣、鎂離子。并且在發(fā)酵液中不會(huì)引入其它陽離子而影環(huán)環(huán)絲氨酸的離子交換吸附。正確選擇反應(yīng)劑和反應(yīng)條件，能使過濾速度提高3~10倍。填充-凝固劑改善過濾性能較好的方法是加入一些反應(yīng)劑，它們能38酶解作用如發(fā)酵液中有不溶解的多糖存在則最好用酶將它轉(zhuǎn)化為單糖，以提高過濾速度。例如萬古霉素用淀粉作培養(yǎng)基，加入淀粉酶后，能使過濾速度加快。酶解作用如發(fā)酵液中有不溶解的多糖存在則最好用酶將它轉(zhuǎn)化為單糖39五、固－液分離工程及設(shè)備（1）離心分離管式高速離心機(jī)、碟片式離心機(jī)（2）過濾真空過濾機(jī)、板框過濾機(jī)、五、固－液分離工程及設(shè)備40離心分離

優(yōu)點(diǎn)分離速度快，效率高，操作時(shí)衛(wèi)生條件好等優(yōu)點(diǎn)，適合于大規(guī)模的分離過程。缺點(diǎn)投資費(fèi)用高，能耗較大。離心分離41板框壓濾機(jī)優(yōu)點(diǎn)：板框壓濾機(jī)的過濾面積大；過濾推動(dòng)力(壓力差)能較大幅度地進(jìn)行調(diào)整，并能耐受較高的壓力差；結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格低，動(dòng)力消耗少等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)不能連續(xù)操作，設(shè)備笨重，勞動(dòng)強(qiáng)度大，衛(wèi)生條件差，非生產(chǎn)的輔助時(shí)間長，阻礙了過濾效率的提高。板框壓濾機(jī)42概述第一節(jié)發(fā)酵工程下游技術(shù)發(fā)展一、發(fā)酵產(chǎn)物的分類從工業(yè)發(fā)酵范疇來看，從發(fā)酵液中獲得的發(fā)酵產(chǎn)物大致可分為三類：1、菌體：2、酶：3、代謝產(chǎn)物第九章發(fā)酵工程下游技術(shù)發(fā)展及發(fā)酵液的預(yù)處理概述第九章發(fā)酵工程下游技術(shù)發(fā)展及發(fā)酵液的預(yù)處理43二、下游加工過程在生物技術(shù)中的地位下游技術(shù)（工程）（downstreamprocessing）：對于由生物界自然產(chǎn)生的或由微生物菌體發(fā)酵的、動(dòng)植物細(xì)胞組織培養(yǎng)的、酶反應(yīng)等各種生物工業(yè)生產(chǎn)過程獲得的生物原料，經(jīng)提取分離、加工并精制目的成分，最終使其成為產(chǎn)品的技術(shù)。下游加工過程的重要性。（組成、費(fèi)用和關(guān)注程度）①組成：下游加工過程是生物技術(shù)的重要組成部分，發(fā)酵液或反應(yīng)液需要經(jīng)過下游加工過程才能成為成品；②費(fèi)用：傳統(tǒng)發(fā)酵工業(yè)中下游部分的費(fèi)用占整個(gè)工廠投資費(fèi)用的６０％，而對重組ＤＮＡ生產(chǎn)蛋白質(zhì)等基因工程產(chǎn)品，下游加工的費(fèi)用可占整個(gè)生產(chǎn)費(fèi)用的８０％－９０％；③關(guān)注程度：英國政府工業(yè)部于１９８３年發(fā)起生物分離計(jì)劃（ＢＩＯＳＥＰ），專門研究下游加工過程；１９８７年英國化學(xué)工業(yè)會(huì)召開了專門討論下游加工過程的國際會(huì)議；我國也于１９８９年在濟(jì)南召開了一次專門會(huì)議；近十年來國內(nèi)外有關(guān)生物分離或蛋白質(zhì)純化的專著陸續(xù)出版。二、下游加工過程在生物技術(shù)中的地位下游技術(shù)（工程）（dow44三、下游加工技術(shù)的特點(diǎn)1.發(fā)酵液的復(fù)雜性造成分離上的困難性。2.欲提取的產(chǎn)物通常濃度低且很不穩(wěn)定。3.多為分批操作，各批發(fā)酵液不盡相同，要求下游加工有一定彈性。三、下游加工技術(shù)的特點(diǎn)45四、生物工業(yè)下游技術(shù)的發(fā)展歷程古代釀造業(yè)2.第一代生物技術(shù)古代釀造業(yè)包括釀酒、制醬（油）、醋、酸奶和干酪等。技術(shù)原始、家庭式作坊、產(chǎn)物基本不經(jīng)過后處理而直接使用，無下游技術(shù)。主要指19世紀(jì)60年代---20世紀(jì)40年代青霉素等抗生素出現(xiàn)之前的生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)。發(fā)現(xiàn)了發(fā)酵的本質(zhì)是微生物的作用，掌握了純種培養(yǎng)技術(shù)，生物技術(shù)進(jìn)入近代釀造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展階段。到20世紀(jì)上半葉，逐漸開發(fā)形成了發(fā)酵法生產(chǎn)酒精、丙酮、丁醇等微生物發(fā)酵工業(yè)（厭氧發(fā)酵），其產(chǎn)品相對簡單，基本上是無活性的小分子。此時(shí)開始引入過濾、蒸餾、精餾等近代分離技術(shù)。四、生物工業(yè)下游技術(shù)的發(fā)展歷程古代釀造業(yè)古代釀造業(yè)包括46

以20世紀(jì)40年代出現(xiàn)的青霉素產(chǎn)品為代表。

無菌空氣制備技術(shù)、大型好氧發(fā)酵裝置開發(fā)，一大批通風(fēng)發(fā)酵技術(shù)產(chǎn)品相繼投入了工業(yè)生產(chǎn)，如抗生素（鏈霉素）、氨基酸（谷氨酸）、有機(jī)酸（核酸、檸檬酸）、酶制劑（淀粉酶）、微生物多糖和單細(xì)胞蛋白等。產(chǎn)品多樣性決定了分離方法的多樣性。借鑒和引進(jìn)吸收了大量的近代化學(xué)工業(yè)的分離技術(shù)，如沉淀、離子交換、萃取、結(jié)晶等。3.第二代生物技術(shù)以20世紀(jì)40年代出現(xiàn)的青霉素產(chǎn)品為代表。3.第二代生47

以20世紀(jì)70年代末崛起的DNA重組技術(shù)及細(xì)胞融合技術(shù)為代表。

生物技術(shù)在其主要領(lǐng)域：基因工程、酶工程、細(xì)胞工程和微生物發(fā)酵工程取得了長足進(jìn)步，一批高附加值的產(chǎn)品開始面世，如乙肝疫苗、干擾素等。80年代，發(fā)現(xiàn)了一大批生理功能性物質(zhì)，如活性糖質(zhì)、活性肽、高度不飽和脂肪酸等，生物技術(shù)在深度和廣度上都取得了很大的進(jìn)展。1988年，日本由40多家公司組建高度分離系統(tǒng)技術(shù)研究聯(lián)合體，瑞典的Pharmacia，Alfa-Laval等組建了Biolink公司，加強(qiáng)在生物工業(yè)下游技術(shù)領(lǐng)域的研究開發(fā)力量，不斷推出新技術(shù)、新產(chǎn)品、新裝備，以搶占更多的市場。新技術(shù)有超臨界CO2萃取技術(shù)、膜過濾、滲透蒸發(fā)技術(shù)、各種色譜（層析）技術(shù)等。4.第三代生物技術(shù)以20世紀(jì)70年代末崛起的DNA重組技術(shù)及細(xì)胞融合技術(shù)為4820世紀(jì)80年代以來，生物工業(yè)下游技術(shù)進(jìn)步很快，出現(xiàn)了很多新概念、新技術(shù)、新產(chǎn)品和新裝備。大致可分為以下幾大類：（1）固液分離技術(shù)

近20年來，將在污水處理、化學(xué)工程和選礦工程上廣泛使用的絮凝技術(shù)引入到發(fā)酵液的預(yù)處理上，研究開發(fā)了菌體及懸浮物絮凝技術(shù)，改善了發(fā)酵液的分離性能，加之纖維素助濾劑的開發(fā)，大大提高了發(fā)酵液的固液分離效率。在固液分離機(jī)械方面，也出現(xiàn)了一些性能優(yōu)良的新型機(jī)械，如帶式過濾機(jī)、連續(xù)半連續(xù)板框過濾機(jī)、螺旋沉降式離心機(jī)等。微濾膜可高效分離細(xì)微的懸浮粒子。20世紀(jì)80年代以來，生物工業(yè)下游技術(shù)進(jìn)步很快，出現(xiàn)了很多新49已開發(fā)出珠磨破碎、壓力釋放破碎、冷凍加壓釋放破碎和化學(xué)破碎等技術(shù)。該技術(shù)的成熟使得胞內(nèi)生物物質(zhì)的大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)成為可能。（2）細(xì)胞破碎技術(shù)主要開發(fā)了沉淀、離子交換、萃取、超濾等技術(shù)。較早出現(xiàn)的是酶及蛋白質(zhì)的鹽析法；有機(jī)溶劑沉淀法；雙水相萃取技術(shù)比較適合于胞內(nèi)活性物質(zhì)和細(xì)胞碎片的分離，為進(jìn)一步純化精制創(chuàng)造了前提；超濾技術(shù)解決了生物大分子對pH、熱、有機(jī)溶劑、金屬離子敏感等難題，在生物大分子的分級(jí)、濃縮、脫鹽等操作中得到了廣泛的使用。（3）初步分離純化技術(shù)已開發(fā)出珠磨破碎、壓力釋放破碎、冷凍加壓釋放破碎和化學(xué)破碎等50小分子物質(zhì)一般可通過離子交換、脫色和結(jié)晶、重結(jié)晶等方法獲得純度很高的產(chǎn)品。生物大分子的純化一直是個(gè)難題。20世紀(jì)70年代以來，逐漸開發(fā)出各種色譜（層析）技術(shù)，如親和色譜、疏水色譜、聚焦色譜、離子交換色譜和凝膠色譜等，后兩種技術(shù)已開始用于批量生產(chǎn)。（4）高度分離純化技術(shù)超臨界CO2萃取技術(shù)在獲得天然生物物質(zhì)方面有著獨(dú)特的優(yōu)勢。20世紀(jì)80年代以來，已經(jīng)在許多領(lǐng)域中迅速實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化。如啤酒花中有效成分和咖啡豆中咖啡因的萃取分離。介于反滲透和超濾之間的納米濾（Nanofiltration）技術(shù)，由于其能使水和大部分無機(jī)鹽通過而截留分子量300-1000的小分子有機(jī)物，且操作壓力低，在生物工業(yè)和水處理中具有廣闊的應(yīng)用前景。滲透蒸發(fā)技術(shù)、液膜技術(shù)及反膠團(tuán)技術(shù)的研究和應(yīng)用開發(fā)等也相繼取得了很大的進(jìn)展。（5）其他新型分離技術(shù)小分子物質(zhì)一般可通過離子交換、脫色和結(jié)晶、重結(jié)晶等方法獲得純51五、發(fā)酵工業(yè)下游技術(shù)的一般工藝過程下游加工過程由各種化工單元操作組成。由于生物產(chǎn)品品種多，性質(zhì)各異，故用到的單元操作很多，其中如蒸餾、萃取、結(jié)晶、吸附、蒸發(fā)和干燥等屬傳統(tǒng)的單元操作，理論比較成熟，而另一些則為新近發(fā)展起來的單元操作，如細(xì)胞破碎、膜過程和色層分離等，缺乏完整的理論，介于兩者之間的有離子交換過程等。五、發(fā)酵工業(yè)下游技術(shù)的一般工藝過程下游加工過程由各種化工單元521、一般工藝過程一般說來，下游加工過程可分為4個(gè)階段：培養(yǎng)液(發(fā)酵液)的預(yù)處理和固液分離；初步純化(提取)；高度純化(精制)；產(chǎn)品的最后加工。預(yù)處理和固液分離：目的是除去發(fā)酵液中的菌體細(xì)胞和不溶性固體雜質(zhì)（離心和過濾）。初步分離：目的是除去與產(chǎn)物性質(zhì)差異較大的雜質(zhì)，為后道精制工序創(chuàng)造有利條件（萃取、吸附、沉淀、蒸發(fā)）高度純化：去除與產(chǎn)物的物理化學(xué)性質(zhì)比較接近的雜質(zhì)（層析、膜分離、離子交換、沉淀、電泳）。產(chǎn)品的最后加工：成品形式由產(chǎn)品的最終用途決定（結(jié)晶、干燥、蒸餾）。1、一般工藝過程預(yù)處理和固液分離：目的是除去發(fā)酵液中的菌53下游加工一般工藝流程發(fā)酵液細(xì)胞分離提取、分離純化、精制產(chǎn)物胞外產(chǎn)物胞內(nèi)產(chǎn)物離心或過濾細(xì)胞破碎整體細(xì)胞萃取離心或過濾離心或過濾干燥含產(chǎn)物的清液廢物離心或過濾干燥產(chǎn)物＝＝＝＝考下游加工一般工藝流程發(fā)酵液細(xì)胞分離提取、分離純化、精制產(chǎn)物胞54下游工藝過程決定于產(chǎn)品的性質(zhì)和要求達(dá)到的純度如產(chǎn)品為菌體本身，則工藝比較簡單，只需經(jīng)過濾、得到菌體，再經(jīng)干燥就可，如單細(xì)胞蛋白的生產(chǎn)。如可以從發(fā)酵液直接提取，則可省去固液分離步驟。如為胞外產(chǎn)物則可省去細(xì)胞破碎步驟。下游工藝過程決定于產(chǎn)品的性質(zhì)和要求達(dá)到的純度552、如何著手對一種未知的發(fā)酵產(chǎn)品進(jìn)行提取。(1)產(chǎn)品的類型，性質(zhì)的研究。①可大致確定它是屬于哪一類型；②可了解它是一種成分還是幾種成分的混合物。(2)穩(wěn)定性研究。確定在哪一種條件下進(jìn)行提取和精制不受破壞，即確定提取條件。2、如何著手對一種未知的發(fā)酵產(chǎn)品進(jìn)行提取。56適合于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的傳統(tǒng)技術(shù)經(jīng)過改造提高后，適應(yīng)面更寬，效率會(huì)更高，仍然顯示出強(qiáng)勁的生命力。各種新型高效的過濾機(jī)械和離心機(jī)械的問世，結(jié)晶理論和離子交換技術(shù)的新進(jìn)展，提高了產(chǎn)品的收率、質(zhì)量和生產(chǎn)效率。六、生物工業(yè)下游技術(shù)的發(fā)展動(dòng)態(tài)——成本、質(zhì)量、環(huán)保將是該技術(shù)發(fā)展方向和動(dòng)力1.傳統(tǒng)分離技術(shù)的提高和完善適合于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的傳統(tǒng)技術(shù)經(jīng)過改造提高后，適應(yīng)面更寬，571）新型分離介質(zhì)的研究開發(fā)2）子代分離技術(shù)3）其他新興下游技術(shù)2.新技術(shù)的研究開發(fā)膜（膜材料和膜制造工藝）、樹脂（離子交換樹脂和大網(wǎng)格樹脂）和凝膠（瓊脂糖凝膠為基質(zhì)，與各種配基結(jié)合后制成各種色譜分離介質(zhì)）是目前主要的新型分離介質(zhì)。各種分離純化技術(shù)相互結(jié)合、交叉、滲透，形成子代分離技術(shù)。如膜技術(shù)和萃取、蒸餾、蒸發(fā)技術(shù)相結(jié)合形成了膜萃取技術(shù)、膜蒸餾及滲透蒸發(fā)技術(shù)；色譜技術(shù)與離子交換技術(shù)等結(jié)合形成了離子交換色譜、等電聚焦色譜等。由溶劑萃取技術(shù)衍生出一大批生物工業(yè)分離技術(shù)，如雙水相萃取、超臨界CO2萃取、反膠團(tuán)萃?。?xì)胞碎片去除、細(xì)胞胞內(nèi)物質(zhì)、酶及蛋白質(zhì)、天然生物物質(zhì)的提取分離）；菌體絮凝技術(shù)和菌體細(xì)胞破碎技術(shù)的進(jìn)展為工業(yè)化經(jīng)濟(jì)的分離菌體細(xì)胞和大規(guī)模生產(chǎn)胞內(nèi)物質(zhì)創(chuàng)造了技術(shù)前提。1）新型分離介質(zhì)的研究開發(fā)2.新技術(shù)的研究開發(fā)膜（膜材料和58第二節(jié)發(fā)酵液的預(yù)處理

一、發(fā)酵液的一般特征1、含水量高，一般可達(dá)90％～99%2、產(chǎn)品濃度低3、懸浮物顆粒小，密度與液體相差不大4、固體粒子可壓縮性大5、液體黏度大，大多為非牛頓型流體6、產(chǎn)物性質(zhì)不穩(wěn)定第二節(jié)發(fā)酵液的預(yù)處理

一、發(fā)酵液的一般特征59二、發(fā)酵液預(yù)處理的目的和要求1、預(yù)處理的目的：（1）改變發(fā)酵液的物理性質(zhì)，促進(jìn)懸浮液中分離固形物的速度，提高固液分離器的效率（2）盡可能使產(chǎn)物轉(zhuǎn)入便于后處理的某一相中（多數(shù)是液體）（3）去除發(fā)酵液中部分雜質(zhì)，以利于后續(xù)各步操作。二、發(fā)酵液預(yù)處理的目的和要求602、發(fā)酵液預(yù)處理的要求:（1）菌體的分離（2）固體懸浮物的去除（3）蛋白質(zhì)的去除（4）重金屬離子的去除（5）色素、熱原質(zhì)、毒性物質(zhì)等有機(jī)雜質(zhì)的去除（6）改變發(fā)酵液的性質(zhì)（7）調(diào)節(jié)適宜pH值和溫度2、發(fā)酵液預(yù)處理的要求:61三、預(yù)處理的方法1、加熱法2、調(diào)節(jié)懸浮液的pH3、發(fā)酵液的凝聚和絮凝4、高價(jià)無機(jī)離子的去除方法5、雜蛋白質(zhì)的去除三、預(yù)處理的方法1、加熱法621、加熱法：降低懸浮液的黏度，除去某些雜蛋白，降低懸浮物的最終體積，破壞凝膠狀結(jié)構(gòu)、增加濾餅的空隙度不適用熱敏性的物質(zhì)2、調(diào)節(jié)懸浮液的pH

通過調(diào)節(jié)發(fā)酵液pH到蛋白質(zhì)的等電點(diǎn)使蛋白質(zhì)沉淀，同時(shí)絡(luò)合重金屬離子；常用的酸化劑有草酸、鹽酸、硫酸和磷酸1、加熱法：633，發(fā)酵液的凝聚和絮凝機(jī)理電解質(zhì)將膠體粒子表面上的電荷中和，減少存在于膠體粒子間的靜電斥力，使范德華力占優(yōu)勢，這樣膠體就會(huì)凝聚成較大、較密實(shí)的粒子（凝聚），或在某些高分子絮凝劑存在下，基于架橋作用，使膠粒形成粗大的絮凝團(tuán)使之更容易過濾（絮凝）。常用的凝聚方法在稀溶液中加入電解質(zhì)以促進(jìn)凝聚。試劑包括酸、堿、簡單電解質(zhì)和合成的高分子電解質(zhì)。常用的絮凝劑聚丙烯酰胺、聚乙烯亞胺、聚胺衍生物、氯化鈣、磷酸氫二鈉3，發(fā)酵液的凝聚和絮凝機(jī)理64第九章發(fā)酵工程下游技術(shù)發(fā)展及發(fā)酵液的預(yù)處理課件65影響絮凝的因素絮凝劑的添加量發(fā)酵液的pH絮凝劑的分子量攪拌轉(zhuǎn)速攪拌時(shí)間影響絮凝的因素絮凝劑的添加量66絮凝劑加量對絮凝效果(濾速)的影響料液中，絮凝劑濃度增加有助于架橋充分，但是過多的加量反而會(huì)引起吸附飽和，在每個(gè)膠粒上形成覆蓋層而使膠粒產(chǎn)生再次穩(wěn)定現(xiàn)象。絮凝劑加量對絮凝效果(濾速)的影響料液中，絮凝劑濃度增加有助67發(fā)酵液pH對陰離子聚丙烯酰胺絮凝效果的影響溶液pH的變化常會(huì)影響離子型絮凝劑中官能團(tuán)的電離度，從而影響分子鏈的伸展形態(tài)。電離度增大，由于鏈節(jié)上相鄰離子基團(tuán)間的電排斥作用，而使分子鏈從卷曲狀態(tài)變?yōu)樯煺範(fàn)顟B(tài)，所以架橋能力提高。發(fā)酵液pH對陰離子聚丙烯酰胺絮凝效果的影響溶液pH的變化常會(huì)68絮凝技術(shù)預(yù)處理發(fā)酵液的優(yōu)點(diǎn)不僅在于過濾速度的提高，還在于能有效地去除雜蛋白質(zhì)和固體雜質(zhì)，如菌體、細(xì)胞和細(xì)胞碎片等，提高了濾液質(zhì)量絮凝技術(shù)預(yù)處理發(fā)酵液的優(yōu)點(diǎn)不僅在于過濾速度的提高，還在于能有694、高價(jià)無機(jī)離子的去除方法鈣離子，可用草酸。鎂離子，可用三聚磷酸鈉它和鎂離子形成可溶性絡(luò)合物，用磷酸鹽處理，也能大大降低鈣離子和鎂離子的濃度。此法可用于環(huán)絲氨酸的提取。鐵離子，可加入黃血鹽，使形成普魯士藍(lán)沉淀。4、高價(jià)無機(jī)離子的去除方法705、雜蛋白質(zhì)的去除方法熱變性沉淀大幅度改變pH5、雜蛋白質(zhì)的去除方法71四、發(fā)酵液的過濾微生物發(fā)酵液中含有大量菌體、細(xì)胞或細(xì)胞碎片以及殘余的固體培養(yǎng)基成分。過濾就是將懸浮在發(fā)酵液中的固體顆粒與液體進(jìn)行分離的過程。在過濾操作中，要求濾速快，濾液澄清并且有高的收率。四、發(fā)酵液的過濾微生物發(fā)酵液中含有大量菌體、細(xì)胞或細(xì)胞碎片721、影響過濾速度的因素過濾速度和以下因素有關(guān)菌種。發(fā)酵條件。培養(yǎng)基的組成未用完培養(yǎng)基的數(shù)量消泡劑發(fā)酵周期1、影響過濾速度的因素過濾速度和以下因素有關(guān)73菌種對過濾速度影響真菌的菌絲比較粗大，如青霉菌的菌絲直徑可達(dá)10μm，發(fā)酵液容易過濾，不需特殊處理。其濾渣呈緊密餅狀物，很容易從濾布上刮下來，故可采用鼓式真空過濾機(jī)過濾。放線菌發(fā)酵液菌絲細(xì)而分枝，交織成網(wǎng)絡(luò)狀。如鏈霉素發(fā)酵液菌絲僅0.5~1.0μm左右，還含有很多多糖類物質(zhì)，粘性強(qiáng)，過濾較困難，一般需經(jīng)預(yù)處理，