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