发酵工程下游加工过程概论

发酵工程下游加工过程概论第1页，共33页，2023年，2月20日，星期四一、发酵工程下游加工过程概论1、发酵工程下游加工过程的特点

1）所需产物在培养液中浓度较低，且稳定性差2）普遍存在下游工程代价高，回收率较低等问题发酵液是复杂的多相系统第2页，共33页，2023年，2月20日，星期四2、发酵工程下游加工过程的一般程序成品加工发酵液的预处理和过滤提取精制采用凝聚和絮凝技术加速固、液分离；如产物在细胞内，还要进行细胞破碎提取（初步纯化）目的是除去与目标产物性质差异大的杂质精制（高度纯化）是采用对产品有高度选择性的分离技术，除去与产物化学性质和物理性质相近的杂质最终获得质量合格的产品第3页，共33页，2023年，2月20日，星期四3、主要操作单元：絮凝离心过滤细胞破碎萃取沉淀层析结晶干燥第4页，共33页，2023年，2月20日，星期四二、发酵液预处理和过滤为什么要对发酵液进行预处理？预处理的目的是什么？第5页，共33页，2023年，2月20日，星期四发酵液的基本特性

产物浓度低具有极性黏度大表面张力大性质不稳定第6页，共33页，2023年，2月20日，星期四一）发酵液的预处理1、目的：

发酵液中杂质多且成分复杂，其中对纯化影响最大的是高价无机离子(Ca2+、Mg2+、Fe3+等)和杂蛋白等改变发酵液的物理性质，加快悬浮液中固形物沉降的速度；尽可能使产物转入便于以后处理的相中；（一般为液相）能够除去部分杂质。第7页，共33页，2023年，2月20日，星期四2、高价无机离子的去除镁离子的去除：

常用草酸与钙离子生成草酸钙沉淀草酸为弱酸，对发酵产物的破坏较小，草酸钙沉淀还能促进蛋白质凝固，有利于提高滤液的过滤速度；草酸的溶解度较小，需大用量时，可用草酸钠取代；草酸价格较高，生产上一般需回收钙离子的去除：铁离子的去除：常用三聚磷酸钠与镁离子形成可溶性络合物

Na5P3O10+Mg2+=MgNa3P3O10+2Na+常用黄血盐与铁离子形成普鲁氏蓝沉淀3K4Fe(CN)6+4Fe3+=Fe4[Fe(CN)6]3↓+12K+第8页，共33页，2023年，2月20日，星期四3、可溶性杂蛋白的去除

杂蛋白的存在会降低离子交换树脂和大网格树脂的吸附量，如采用溶剂萃取，会发生乳化，影响两相分离。此外，在常规过滤和膜过滤时，还会使滤速下降，使膜受到污染。第9页，共33页，2023年，2月20日，星期四1）沉淀法

调等电点

因羧基的电离度比氨基大，所以大多数蛋白质的等电点都在酸性范围(pH4.0-5.5)

但仅靠调等电点还不能使大部分蛋白质沉淀蛋白质是两性物质，在酸性溶液中，能与一些阴离子物质如三氯乙酸盐、水杨酸盐、钨酸盐、苦味酸盐、鞣酸盐和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+、Zn2+、Fe3+、Pb2+等形成沉淀2）变性法

变性蛋白溶解度较小

最常用加热法

加热不仅能使蛋白变性，还可降低液体黏度，提高过滤速率；

其他方法：

大幅度调节pH，加酒精、丙酮等有机溶剂或表面活性剂

变性法存在一定的局限

如加热法只适用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，且需消耗大量酸碱，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。3）吸附法加入某些吸附剂或沉淀剂吸附杂蛋白而将其除去

如四环素生产中，采用黄血盐和硫酸锌的协同作用生成亚铁氰化钾的胶状沉淀来吸附蛋白；在枯草芽孢杆菌发酵中，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第10页，共33页，2023年，2月20日，星期四

凝聚和絮凝都是发酵液预处理的重要方法，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。

发酵液预处理的方法—凝聚和絮凝第11页，共33页，2023年，2月20日，星期四

凝聚指在投加的化学物质（如水解的凝聚剂：铝、铁的盐类或石灰等）作用下，胶体脱稳并使粒子相互聚集成1mm大小块状凝聚体的过程。

电解质的凝聚能力可用凝聚值表示，即使胶粒发生凝聚作用的最小电解质浓度（mmol/L）。一般反离子的价数越高，凝聚值越小，即凝聚能力越强。

如

Al3+>Fe3+>H+>Ca2+>Mg2+>K+>Na+>Li+

第12页，共33页，2023年，2月20日，星期四

絮凝指使用絮凝剂（通常是天然或合成的大分子量聚电解质）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，工业上使用到的有聚丙烯酰胺类衍生物、聚合铝盐、海藻酸钠、壳聚糖等，目前最常用的是聚丙烯酰胺类衍生物。第13页，共33页，2023年，2月20日，星期四1）板框(plateandframe)压滤机板框过滤机结构图

1-尾板2-滤框3-滤板4-主梁5-头板6-紧压装置二）发酵液过滤常用设备第14页，共33页，2023年，2月20日，星期四板框过滤机第15页，共33页，2023年，2月20日，星期四

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Clothwashing第16页，共33页，2023年，2月20日，星期四1）板框(plateandframe)压滤机2）带式压滤机二）发酵液过滤常用设备第17页，共33页，2023年，2月20日，星期四

发酵后期要少加消泡剂和少进行补料，防止消泡剂和未用完的培养基增加过滤难度；菌体自溶前放罐可防止因菌体自溶释放出的代谢产物增加发酵液黏度影响发酵液过滤的因素1）菌体细胞体积

真菌菌丝体较粗大，发酵液不需特殊处理，易过滤；放线菌菌丝细而分支，交织成网格状，较难过滤，发酵液需经预处理，凝固蛋白质等胶体物质，提高过滤速度；细菌菌体更小，发酵液如不经絮凝等预处理，很难用常规过滤设备进行过滤操作。2）培养基组成黄豆饼粉、花生饼粉等会增加过滤难度3）放罐时机第18页，共33页，2023年，2月20日，星期四当发酵液中有不溶性多糖时，会使发酵液的黏度增大而影响过滤速度；可用酶将其转化成可溶性单糖，提高滤速。提高过滤性能的方法1）加助滤剂

助滤剂是一种不可压缩的多孔微粒，能使滤饼疏松，从而增加滤速；

常用硅藻土、珍珠岩等；

加入方法有两种：a)预先在滤布上铺上一层1-2mm厚的助滤剂；b)直接把助滤剂加入发酵液中。2）添加填充凝固剂如CaSO4、AlPO4等本身就是助滤剂，且能使胶状物和悬浮物凝固3）酶解法第19页，共33页，2023年，2月20日，星期四（沉淀、吸附、萃取、超滤、结晶）发酵液初步纯化细胞碎片分离细胞破碎细胞分离高度纯化成品加工预处理胞外产物（加热、调pH、絮凝）（过滤、离心分离、膜分离)（匀浆、研磨、酶解）（离心分离、双水相萃取、膜分离）（重结晶、离子交换、色谱分离、膜分离）（浓缩、无菌过滤、干燥、成型）胞内产物提取精制——产品的收得率和质量控制。第20页，共33页，2023年，2月20日，星期四细胞破碎

目的代谢产物并非都是分泌型的，许多是存在于细胞内的，特别是基因工程菌在细胞内形成的包含体是不分泌的，故需进行细胞破碎。第21页，共33页，2023年，2月20日，星期四

大规模破碎细胞常用方法；利用高压使细胞悬液通过针型阀，由于突然减压和高速冲击撞击环，造成细胞破碎。影响破碎的主要因素是压力、温度和循环次数1）高压匀浆法高压匀浆器排出阀2）高速球磨法高速球磨机1-物料进口2-物料出口3、4-冷却水进、出口5、6-夹套冷却水进、出口由于圆盘的高速旋转，细胞悬浮液与极细的玻璃小珠、石英砂或氧化铝一起快速搅拌或研磨，使细胞得以破碎。3）超声波法

常用超声波频率15-25kHz；原理：由于超声波产生极为强烈的冲击波压力，引起黏滞性旋涡在介质中的细胞上造成了剪切力，促使细胞内液体发生流动，造成细胞破碎；超声波振荡易引起温度的剧烈上升，操作时需冷却；通常杆菌比球菌易破，阴性菌比阳性菌易破4）酶解法

专一性强，条件温和；但费用较高

酶解法的另一方式是利用微生物的自溶作用大多数微生物都能产生一种可以水解自身细胞壁的酶；当改变一定的环境条件，可诱发这种酶的过量产生或激发其他自溶酶产生，而发生自溶现象。5）渗透压冲击法

将细胞先放入高渗透压的介质中，如高浓度的甘油或蔗糖液，在达到平衡后，介质突然被稀释，或将细胞转入水或缓冲液中，水就会迅速进入细胞内，致使细胞膨胀，引起细胞壁的破裂；此法适用于细胞壁较脆弱的，或者细胞壁预先用酶处理的，或细胞壁合成受到抑制的微生物；6）反复冻结-融化法

将细胞反复在低温下突然冷冻后在室温下融化，引起细胞破裂；低温冷冻一方面能使细胞膜的疏水键结构断裂，从而增加细胞的亲水性能；另一方面胞内水结晶使细胞内外溶液浓度发生变化，引起细胞突然膨胀而破裂。该法适用于细胞壁较脆弱的细胞细胞破碎方法第22页，共33页，2023年，2月20日，星期四二、提取（初步分离）（一）沉淀法（Precipitation）

沉淀是通过改变条件或加入某种试剂，使溶液中的溶质由液相转变为固相析出的过程。方法简单、成本低、使用广泛，初步分离的常用手段。盐析法有机溶剂沉淀法等电点沉淀法非离子型聚合物沉淀法聚电解质沉淀法生成盐复合物沉淀法热变性及酸碱变性沉淀法第23页，共33页，2023年，2月20日，星期四

中性盐的加入能破坏蛋白质的胶体性质，使蛋白质的溶解度降低而析出。1.盐析法(Saltingout)

破坏了蛋白质在水中存在的两个因素(水化层和电荷),从而使蛋白质沉淀。将大量盐加到蛋白质溶液中，高浓度的盐离子（如硫酸铵的SO4和NH4)有很强的水化力，可夺取蛋白质分子的水化层，使之“失水”，于是蛋白质胶粒凝结并沉淀析出。

蛋白质盐析常用的中性盐，主要有硫酸铵、硫酸镁、硫酸钠、氯化钠、磷酸钠等。第24页，共33页，2023年，2月20日，星期四盐溶(saltingin)：许多蛋白在低盐浓度下发生盐溶现象（比在纯水中的溶解度大大增加）；高盐浓度则盐析，离子强度越大，蛋白质的溶解度越低；由于各种蛋白质分子颗粒大小、亲水程度不同，故盐析所需的盐浓度也不一样，因此调节混合蛋白质溶液中的中性盐浓度可使各种蛋白质分段沉淀。

1）蛋白质浓度蛋白质浓度高时，欲分离的蛋白质常常夹杂着其他蛋白质地一起沉淀出来（共沉现象）。因此在盐析前血清要加等量生理盐水稀释，使蛋白质含量在2.5-3.0%。2）离子强度和种类3）温度

温度是影响溶质溶解度的重要因素，升高温度可以增加许多无机盐和小分子有机化合物的溶解度；4）pH

由于蛋白质在等电点时最易沉淀，故可选择等电点的pH作为盐析pH影响盐析的因素第25页，共33页，2023年，2月20日，星期四2.等电点沉淀法原理：利用两性电解质在电中性时溶解度最低优点：许多蛋白的等电点都在偏酸范围内，而许多无机酸的价格低廉；缺点：酸化时易引起蛋白失活

不少蛋白质与金属结合后会发生等电点偏移，如胰岛素的等电点为5.3，在与Zn2+结合形成胰岛素锌盐，其等电点升为6.2；故加入金属离子后选择等电点沉淀时，要注意调整pH。第26页，共33页，2023年，2月20日，星期四二、提取（初步分离）（二）结晶法（crystallization）

物质从液态（液体或熔融体）或气态形成晶体的过程叫结晶。第27页，共33页，2023年，2月20日，星期四第28页，共33页，2023年，2月20日，星期四

加入能使结晶溶质溶解度降低的物质，让结晶溶质形成过饱和液；例如卡那霉素不溶于乙醇，向卡那霉素脱色液中加入终浓度为60%-80%的乙醇，就结晶析出;在普鲁卡因青霉素结晶时，加入一定量的食盐，可使结晶更易析出结晶方法（过饱和溶液形成的方法）1）浓缩结晶减压蒸发浓缩，达到过饱和2）冷却结晶适用于溶解度随温度变化很大的物质；