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【志珩】生物工程下游技术，涉及固液分离、全发酵液提取等技术和设备

2021-04-12

从古至今，人类都没有放弃对发酵工程的研究，在当今生物工程技术中它是一种“旧改新”的技术，同时生物分离也是生物产品产业化的必经之路，分离效率直接决定产品的生产成本，因此生物工业下游技术的发展日益受到研究者的重视。

从广义上讲，发酵工程由三部分组成：上游工程，发酵工程和下游工程。其中，下游工程指从发酵液中分离和纯化产品的技术：包括固液分离技术（离心分离，过滤分离，沉淀分离等工艺）；细胞破壁技术（超声，高压剪切，渗透压，表面活性剂和溶壁酶等）；蛋白质纯化技术（沉淀法，色谱分离法和超滤法等）。

本质上，如何从混合原料中高效，快速，特异捕获目标物质是下游技术的首要解决问题？这里对其中的固液分离技术的原理，方法和设备做一概括。

1，目标物在胞内，通过固液分离才可以收集胞内产物的细胞或菌体，除去液相；

2，分离除去细胞碎片，获得胞内的目标物；

3，目标物在液相中，通过固液分离收集含生化物质的液相，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。

1，传统的固液分离适用于物理状态不同的固液混合体；

2，从发酵液中除去菌体细胞；

3，除去细胞分裂后的细胞碎片；

4，沉淀出的蛋白质或其他无机盐等物质；

5，因此有时需要通过凝聚或絮凝等创设条作加固形物。同时，也降低了粘度；

6，现在基于粒度不同：膜技术，双水相萃�。┱勾参降�。

其目的在于在于分离细胞，菌体和其他悬浮颗粒，还希望除去一部分杂质并改变其性质，以利于后续的各步操作。

对发酵液进行预处理可以促进从悬浮液中分离固形物的速度，提高固液分离的效率：

加热法：加热可降低液体的黏度，根据流体力学的原理，如何通过滤饼的速率与液体的黏度成反比，可见降低液体黏度可有效提高过滤速率；同时，在适当的温度和受热时间下迅速转换例如，链霉素发酵液，调酸至PH3.0后，加热至70℃，维持半小时，其黏度下降至原来的1/6，过滤速度可增加10?100倍。

调节悬浮液的PH值： PH值直接影响发酵液中某些物质的电离度和混合物性质，因此适当调节发酵液的PH值可改善其过滤特性。的方法之一。

凝聚和絮凝：凝聚和絮凝都是悬浮液预处理的重要方法，其处理过程就是将化学药剂预先加入到悬浮液中，改变细胞，细胞碎片，菌体和Pro等胶体粒子的分散状态，破坏其稳定性，转变凝结成裂的颗粒，适当提高过滤速率，而且能有效地除去杂蛋白和固体杂质，提高分辨率质量。但凝聚和絮凝是两种不同的方法，其具体处理过程还是有差异的，应该明确区分开来，不可取代。

（1）凝聚：指向胶体悬浮液中加入某种电解质，在电解质异电离子作用下，胶体粒子的双电层电位降低，从而使胶体失去稳定性散射粒子相互凝聚成1mm左右大小的块状凝聚体的过程。

（2）絮凝：指使用絮凝剂将胶体粒子交联成网，形成10mm左右大小的絮凝团的过程。其中絮凝剂主要起架桥作用。采用凝聚方法得到的凝聚体，其颗粒往往只有1mm左右，比较细�。惺辈荒苡行У亟蟹掷�。而采用絮凝方法则�？尚纬纱执蟮男跄澹�10mm左右），使发酵液较容易分离。

添加助滤剂：助滤剂是一种不可压缩的多孔微粒，它能使滤饼疏松，滤速增大这是因为使用助滤剂后，悬浮液中大量的细微粒子被吸附到助滤剂的表面上，从而改变了滤饼结构，使滤饼的可压缩性下降，过滤衰减降低。

常用的助滤剂有硅藻土，纤维素，石棉粉，珍珠岩，白土，炭�：偷矸鄣�。

添加反应剂：通过添加一些不影响目标物质的反应剂，可消除发酵液中某些杂质对过滤的影响，从而提高过滤速率。加入的反应剂与某些可溶性盐类发生反应，生成不溶性沉淀，如CaSO4，AlPO4等。

添加草酸盐除去高价无机离子：主要是Ca2 +，Mg2 +和Fe2 +等。

沉淀法： Pro是两性物质，在酸性溶液中，能与一些阴离子如三氯乙酸盐，水杨酸盐，苦味酸盐等形成沉淀，在碱性溶液中，能与一些阳离子如Ag +， Cu2 +，Zn2 +，Fe3 +和Pb2 +等形成沉淀。

变性法：其中较常用的是加热法，还有大幅度调节PH，加酒精，乙酸等有机溶剂或某些表面活性剂等方法。

吸附法：加入某些吸附剂吸附杂蛋白而将其除去。

固液分离是生物产品生产中经常遇到的重要单元操作，固液分离可以收集胞内产物的细胞或菌体，分离除去液相；还可以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）。

因此，培养基，发酵液，某些中间产品和半成品等都需要进行固液分离，其方法很多，传统的方法是过滤和离心；现代一种全新的生物分离技术被提出，即全发酵液提�。饕玫降姆椒ㄓ心ぜ际�，双水相萃�。┱勾参�。

过滤操作是过滤过滤介质，在一定的压力差△p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。

（1）过滤介质

织物介质：又称滤布，应用较普遍，包括由棉，麻等天然纤维滤布和合成纤维滤布；

颗粒介质：有硅藻土，珍珠岩粉，细砂，活性炭，白土等；

多孔固体介质：如多孔陶瓷，多孔玻璃，多孔塑料等，可加工成板状或管状，微小且耐腐蚀，常用于过滤含少量微粒的悬浮液。

（2）常用设备

△按操作方式分类：间歇过滤机，连续过滤机

△按操作压强差分类：压滤，吸滤和离心过滤

板框压滤机（间歇操作）：板框压滤机的过滤推动力来自泵产生的液压或进料储存槽中的气压。和细菌等多种发酵液的固液分离。

转筒真空过滤机（吸水，卸料，再生连续化操作，生产能力大，劳动强度�。�。其主要适用霉菌发酵液，对菌体细�。ざ却笃讨思�。

过滤式离心机：离心过滤是指借用旋转液体所遭受的离心力而通过介质和滤饼，固体颗粒被截留于过滤介质表面的操作过程。

对于浓度降低，降低临界值，硬度增大的不溶物，可以采用过滤分离。但当固体颗粒细小而难以过滤时，发酵液不易被过滤纯化，离心操作朝十分十分有效。

离心分离是基于固体颗�：椭芪б禾迕芏却嬖诘牟钜�，在离心场中使不同密度的固体颗粒加速分离的分离过程。一般动植物细胞的收集，细胞碎片和沉淀的分离等常用离心分离。

利用离心机高速旋转产生的离心力来实现分离，具有分离速度快，分离效率高，串行重复度好等优点；缺点是设备投资大，连续排料时，固相干度不如过滤设备。离心机的样式有：斜角式，平抛式，管式，蝶式，螺旋式，多室式。

一种新型的生物分离技术概念，集成化分离技术，即对现有的两种或两种以上的单元操作进行有效的组合，组成一种有效的单元操作，以达到提高产品收率，减少纯化步骤，降低纯化费用和投资成本的目的。

（1）膜技术

该技术的关键在于膜上连接的配基数量要大，同时必须解决膜孔道的污染问题。

（2）双水相萃取

向水相中加入缩水的某些碳水化合物化合物（如葡聚糖，聚乙醇等）后，形成密度不同的两相，轻相中取代某种高分子化合物，重相中取代盐类或另类高分子化合物，从而达到分离和提纯某些高分子化合物的目的。

（3）伸缩床吸附

向细胞碎片悬浮液中加入某种固体吸附剂，或者用细胞碎片悬浮液通过约会吸附剂的固定床，即可达到除去细胞碎片的目的。主要的问题是很难选择合适的吸附剂，以保证目的产物不被吸附而损失。

由于扩展床吸附色谱技术具有集成化分离的优点，分离周期短，成本低，在生物产品的分离中应用普遍，特别适用于含有细胞等固体粒子的粗制品的分离。同时扩展床介质的配比基团主要是离子交换配基，疏水配基以及亲和配基，只是，决定了该技术不再重复蛋白质分离，即扩展床技术的应用领域在不断扩大。发酵液的分离纯化技术，在生物工程产品的下游处理过程中有十分广阔的应用前景，目前通过科研人员不断研究，消化，吸收国内外同类产品优良技术，并在其中的固液分离设备在结构形式上，分离效率，自动化水平，功能集成，产品质量和可靠性方面已经有了质的飞跃，并在各行各业中不断地被普遍应用。

随着科技的不断发展，无论是固液分离技术还是设备，始终都将快速转变与欧美不断扩大的差距。

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