第六章 发酵的下游加工过程

发酵工业下游技术的一般工艺过程
❖ 下游加工过程由各种化工单元操作组成。 由于生物产品品种多，性质各异，故用到 的单元操作很多，其中如蒸馏、萃取、结 晶、吸附、蒸发和干燥等属传统的单元操 作，理论比较成熟，而另一些则为新近发 展起来的单元操作，如细胞破碎、膜过程 和色层分离等，缺乏完整的理论，介于两 者之间的有离子交换过程等。
二、发酵液的固液分离
❖ 微生物发酵液中含有大量菌体、细胞或细胞 碎片以及残余的固体培养基成分。
❖ 固液分离是指将发酵液（或培养液）中的悬 浮固体，如细胞、菌体、细胞碎片以及蛋白 质等的沉淀物或它们的絮凝体分离除去
（一）影响过滤速度的因素
❖ 1、发酵液中粒子的直径 ❖ 2、发酵液黏度
培养基的组成 未用完培养基的数量 消沫油 发酵周期
❖ 2、絮凝作用 ❖ 絮凝是指使用絮凝剂（通常是天然或合成的大分子
量聚电解质），在悬浮粒子之间产生架桥作用而使 胶粒形成粗大的絮凝团的过程。
❖ 常用的絮凝剂 ❖ 聚丙烯酰胺、聚乙烯亚胺、聚胺衍生物、氯化钙、
磷酸氢二钠
❖ 絮凝技术预处理发酵液的优点不仅在于过滤 速度的提高，还在于能有效地去除杂蛋白质 和固体杂质，如菌体、细胞和细胞碎片等， 提高了滤液质量
目的
❖ （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 （多数是液体）
❖ （3）去除发酵液中部分杂质，以利于后续各步 操作。
一、 发酵液的预处理
❖ 采用理化方法设法增大虚浮液中固体粒子 的大小、或降低粘度，以利于过滤。
❖ 去除会影响后续提取的高价无机离子。
❖ 发酵醪预处理的要求:
❖ （1）菌体的分离 ❖ （2）固体悬浮物的去除 ❖ （3）蛋白质的去除 ❖ （4）重金属离子的去除 ❖ （5）色素、热原质、毒性物质等有机杂质的去除 ❖ （6）改变发酵醪的性质 ❖ （7）调节适宜pH值和温度

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下游加工过程的选择原则

在工业生产规模的前提下
①能够达到所要求的纯度；
②收率高；
③生产成本尽可能低；
④工艺过程尽可能缩短和简化 ⑤生产中所产生的废物能够处理； ⑥实验过程能够成功地进行放大；
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发酵工程下游技术的发展趋势？

①膜技术的推广使用；


②亲和技术的推广使用；
③优质层析介质的研究； ④上游技术对下游过程的的特点和重要性？
1.发酵液是复杂的多相系统； 发酵液是含有细胞、代谢产物和剩余培养基等多 组分的多相系统，粘度常很大，从中分离固体物 质很困难。 2.代谢产物在培养液中的浓度很低，并且稳定性差， 而培养液中杂质含量却很高； 发酵产品在发酵液中浓度很低，且常常与代谢产 物、营养物质等大量杂质共存于细胞内或细胞外， 形成复杂的混合物；欲提取的产品通常很不稳定， 遇热、极端pH、有机溶剂会分解或失活。
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下游加工过程的一般流程和单元操作
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达到工业应用水平的技术 固液分离技术：过滤、离心、絮凝。 细胞破碎技术：珠磨破碎、压力释放破碎、冷冻加压
释放破碎和化学破碎等技术。

初步分离纯化技术：沉淀、离子交换、萃取、超滤等
技术。

高度分离纯化技术：小分子物质可通过离子交换、脱
色和结晶、重结晶等方法。生物大分子的纯化采用各种色 谱技术，如离子交换色谱和凝胶色谱，目前已经开始批量 生产。
下游工程
Fermentation Process Control
Downstream Processes
7
Fermentation engineering
上游工程
Upstream Processes - 优良菌种的选育 - 动植物细胞的培养 - 培养基的配制 Fermentation Process Control

第六章 发酵工艺过程控制
• 发酵，原本是指在厌氧条件下葡萄糖通过酵解途径生成乳酸或乙醇等的分解代谢过程 。 在广义的工艺上，则把发酵看做是微生物把一些原料养分在合适的条件下（通常是 需氧）经特定的代谢转变成产物的过程。
• 发酵是一种很复杂的生化过程，发酵生产受许多因素的影响和工艺条件的制约。需要 多年的经验才能掌握。
第二节 发酵过程的主要控制参 数
• 在发酵工艺中，要想控制发酵，使其按人的意志转移，是很难办到的。因为影响发 酵的因素太多，有些因素还是未知的，但了解发酵工艺条件对过程的影响和掌握反 映菌的生理代谢和发酵过程变化的规律，可以帮助人们有效地控制微生物的生长和 生产。
第二节 发酵过程的主要控制参
数 1. pH值（酸碱度）
以溶氧、pH值、呼吸商、排气中CO2分 压及代谢产物浓度等作为控制参数
３、半连续发酵
是指在补料－分批发酵的基础上，间歇地放掉部分发酵液 （行业中称为带放）的培养方法。
优点：
① 可以除去快速利用碳源的阻遏效应，并维持适当 的菌体浓度，使不至于加剧供氧的矛盾；
② 克服养分的不足，避免发酵过早结束； 缺点
（Yx/s）和产物得率系数（Yp/s），分别定义为消耗1g营养物质生成的细胞的克数和生成产物 的克数。
工业生产中可通过测定一定时间内细胞和产物的生成量及营养物质的消耗量来进行计算。
在分批培养过程中根据产物生成是否与菌体生长同 步的关系，将微生物产物形成动力学分为① 生长关 联型 和② 非生长关联型。
二、pH值对发酵的影响及控制
• 发酵液pH对菌体生长、繁殖和产物积累影响较大 。生产前应进行试验和研究。
• 菌体生长、繁殖和产物积累的最适pH不一定相同 。
• 整个发酵过程的pH是变化的。 1、 pH对发酵的影响 2、影响发酵pH的因素 3、最适pH的选择和调节

聚戊烯醇
n
OR
聚戊烯醇：R＝H，n＝10～20 聚戊烯醇乙酸酯：R=Ac,n=10～20
②“柚子全组分综合利用技术”项目
平和文旦柚
柚子果囊 果酒
柚子果皮
里层白皮
外层青皮
柚子叶
粒粒柚饮料
果胶
柚皮糖
柚皮苷 天然色素
③“枇杷全组分综合利用技术”项目
枇杷
枇杷叶
枇杷核
枇杷花
淀粉 三萜酸、苦杏仁苷、皂苷
膳食纤维
13.4 生物下游加工过程的一般步 聚
逆胶束示意图
1、胶束与反胶束的形成
正胶束
表面活性剂溶于水在水中聚集一起形成（正胶束）;极性基团 在外,非极性基团在内,溶解非极性物质; 将表面活性剂溶于水中，当其浓度超过临界胶束浓度(CMC)时， 表面活性剂就会在水溶液中聚集在一起而形成聚集体，在通常 情况下，这种聚集体是水溶液中的胶束，称为正常胶束 (normal micelle)。结构示意见图a。
13.6 非蛋白类杂质的去除
❖ （1） DNA
❖
A 阴离子交换（pH 4.0)
❖
B 亲和层析（不被吸附）
❖
C 疏水层析
❖ （2）热原 （蛋白质溶液中的去热原）
❖
A 生产过程无菌
❖
B 所有层析介质无菌
❖
C 所用溶液无菌
❖
D 亲和层析（多粘菌素）
❖ （3）去病毒
❖
A 加热 （60 C)
❖
B 过滤
❖
C 灭活剂
13.7 目标蛋白的表征和分析方法
❖ （1） HPLC ❖ （2） SDS-PAGE ❖ （3） 氨基酸顺序分析 ❖ （4） 氨基酸，肽图，免疫化学 ❖ （5） 与标准品对照分析