第十二章產物的提取與精制第一節概論一、下游加工過程在發酵工程中的地位1.下游加工過程的定義發酵產品系通過微生物發酵過程、酶反應過程或動植物細胞大量培養獲得。從上述發酵液、反應液或培養液中分離、精制有關產品的過程稱為下游加工過程(Downstreamprocessing)。

2.地位二、發酵下游加工過程的特點培養液(或發酵液)是復雜的多相系統培養液中所欲提取的生物物質濃度很低，雜質含量很高

欲提取的生物物質通常很不穩定、遇熱、極端pH、有機溶劑會引起失活或分解。

發酵或培養都是分批操作、生物變異性大，各批發酵液不盡相同，要求下游加工有一定的彈性。三、分離過程的機理與分離操作1.物理性質（1）力學性質：重力、離心力、篩分（2）熱力學性質：狀態變化、相平衡（3）傳質性質：粘度、擴散、熱擴散（4）電磁性質：電泳、電滲析、磁化2.化學性質（1）化學熱力學；化學平衡（2）反應動力學：反應速率（3）光化學性質：激光激發、離子化3.生物學性質（1）分子識別：生物親和作用、生物學識別（2）輸送性質：生物膜輸送（3）反應、響應、控制：酶反應、免疫系統生物操作機理及其分離機理單元操作分離機理分離對象舉例膜分離微濾超濾反滲透透析電滲析滲透氣化壓力差、篩分壓力差、篩分壓力差、篩分濃度差、篩分電荷、篩分汽液相平衡、篩分菌體、細胞蛋白質、多糖、抗生素糖、氨基酸鹽、蛋白質氨基酸、有機酸乙醇萃取有機溶劑萃取雙水相液膜萃取反膠團萃取超臨界萃取液液相平衡液液相平衡液液相平衡液液相平衡相平衡有機酸、抗生素蛋白質、抗生素氨基酸、有機酸、抗生素氨基酸、蛋白質香料、脂質萃取有機溶劑萃取雙水相液膜萃取反膠團萃取超臨界萃取液液相平衡液液相平衡液液相平衡液液相平衡相平衡有機酸、抗生素蛋白質、抗生素氨基酸、有機酸、抗生素氨基酸、蛋白質香料、脂質層析凝膠過濾層析反相層析離子交換層析親和層析疏水相互作用層析聚焦濃度差、篩分分配平衡電荷、濃度差生物親和作用疏水作用電荷、濃度差脫鹽、分子分級甾醇、維生素、肽蛋白質、氨基酸、抗生素、核酸、有機酸蛋白質、核酸蛋白質蛋白質電泳凝膠電泳等電點電泳等速電泳區帶電泳篩分、電荷篩分、電荷、濃度差篩分、電荷、濃度差篩分、電荷、濃度差蛋白質、核酸蛋白質、氨基酸蛋白質、氨基酸蛋白質、核酸離心離心過濾離心沉降超離心離心力、篩分離心力離心力菌體、菌體碎片菌體、細胞蛋白質、核酸、糖類四、發酵工業下游技術的一般工藝過程1.一般工藝過程下游加工過程可分為4個階段：培養液(發酵液)的預處理和固液分離初步純化(提取)高度純化(精制)成品加工2.工藝過程的劃分（1）預處理和固液分離：目的是除去發酵液中的菌體細胞和不溶性固體雜質。（2）初步分離：目的是除去與產物性質差異較大的雜質。（3）高度純化：去除與產物的物理化學性質比較接近的雜質。（4）成品制作：成品形式由產品的最終用途決定。3.選擇下游加工工藝的原則（1）是胞內產物還是胞外產物（2）原料中產物和主要雜質濃度（3）產物和主要雜質的物理化學特性及差異（4）產品用途和質量標準（5）產品的市場價格（6）廢液的處理方法等第二節發酵液的預處理和固液分離發酵液預處理和固液分離的目的:(1)分離菌體和其他懸浮顆粒(細胞碎片、核酸和蛋白質的沉淀物)；(2)除去部分可溶性雜質和改變濾液性質，以利于提取和精制的順利進行。一、發酵液的預處理（一）預處理的方法①高價無機離子的去除方法②雜蛋白質的去除③發酵液的凝聚和絮凝1.高價無機離子的去除方法（1）鈣離子草酸草酸溶解度較小，故用量大時，可用其可溶性鹽，如草酸鈉。反應生成的草酸鈣還能促使蛋白質凝固，提高濾液(也稱為原液)質量。但草酸價格較貴，應注意回收。如四環類抗生素廢液中，加入硫酸鉛，在60℃下反應生成草酸鉛。后者在90~95℃下用硫酸分解，經過濾、冷卻、結晶后可以回收草酸。

（2）鎂離子三聚磷酸鈉它和鎂離子形成可溶性絡合物，用磷酸鹽處理，也能大大降低鈣離子和鎂離子的濃度。此法可用于環絲氨酸的提取。

（3）鐵離子黃血鹽使形成普魯士藍沉淀

2.雜蛋白質的去除方法（1）熱變性（2）沉淀（3）大幅度改變pH3.發酵液的凝聚和絮凝凝聚是在中性鹽作用下，由于雙電層排斥電位的降低，而使膠體體系不穩定的現象。絮凝是指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的過程，是一種以物理的集合為主的過程。（1）機理電解質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，使倫敦·范德華(London—Vanderwaals)吸引力占優勢，這樣膠體就會凝聚成較大、較密實的粒子，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使之更容易過濾。（2）方法在稀溶液中加入電解質試劑：酸、堿、簡單電解質、合成的高分子電解質（3）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（4）影響絮凝的因素絮凝劑的加量、絮凝劑的分子量和類型、溶液的pH、攪拌速度和時間等A.絮凝劑的加量（淀粉酶發酵液的絮凝試驗）B.溶液的pH

（采用堿式氯化鋁和陰離子聚丙烯酰胺搭配使用的混凝方法處理2709堿性蛋白酶發酵液）絮凝技術預處理發酵液的優點：①提高過濾速度的②有效地去除雜蛋白質和固體雜質，提高了濾液質量二、發酵液的過濾過濾就是將懸浮在發酵液中的固體顆粒與液體進行分離的過程。1.影響過濾速度的因素①菌種②發酵條件（培養基的組成、未用完培養基的數量、消沫油、發酵周期）（1）菌種對過濾速度影響真菌的菌絲比較粗大，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過濾。

放線菌發酵液菌絲細而分枝，交織成網絡狀，還含有很多多糖類物質，粘性強，過濾較困難，一般需經預處理，以凝固蛋白質等膠體。

細菌發酵液的菌體更細小，要采用絮凝等方法預處理發酵液。難以采用常規過濾的設備來完成過濾操作。

（2）培養基的組成對過濾速度影響用黃豆粉、花生粉作氮源，淀粉作碳源（過濾困難）發酵后期加消泡油或剩余大量末用完的培養基（3）發酵周期對過濾的影響

正確選擇發酵終了時間對過濾影響很大。在菌絲體自溶前必須放罐，因為細胞自治后的分解產物一般很難過濾。有時延長發酵周期雖能使發酵單位有所提高，但嚴重影響發酵液質量，使色素和膠狀雜質增多、過濾困難，最終造成成品質量降低。2.改善過濾性能的方法用于改善發酵液過濾性能的方法通常有：等電點、蛋白質變性、吸附、凝聚和絮凝、加入助濾劑、直接在發酵液中形成填充-凝固劑、酶解作用（1）過濾助劑助濾劑不可壓縮的多孔微粒、能使濾餅疏松、濾速增大過濾助劑可解決兩個問題：①濾餅的可壓縮性問題②滲透性問題:小粒子如菌絲碎片和細菌細胞，會滲入到轉鼓真空過濾預覆蓋層內部。使得預覆蓋層的部分孔被堵塞，影響了滲透性。常用的過濾助劑有：硅藻土、珍珠巖、磨碎的木漿、淀粉助濾劑的加入方法：①在濾布上預先鋪一層助濾劑(1~2mm)濾速降低，濾液透明度高②直接加入發酵液中助濾劑的用量即助濾劑用量若等于懸浮液中固體含量時，濾速最快。（2）填充-凝固劑加入一些反應劑，它們能相互作用，或和某些溶解性鹽類發生反應生成不溶解的沉淀(CaSO4，AlPO4等)。生成的沉淀能防止菌絲體粘結，使菌絲具有塊狀結構，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。正確選擇反應劑和反應條件，能使過濾速度提高3~10倍。（3）酶解作用

如發酵液中有不溶解的多糖存在則最好用酶將它轉化為單糖，以提高過濾速度。例如萬古霉素用淀粉作培養基，加入淀粉酶后，能使過濾速度加快。3.固-液分離設備的選擇常用于發酵液的分離設備：板框壓濾機、鼓式真空過濾機、離心沉降分離機（1）板框壓濾機優點：①板框壓濾機的過濾面積大②過濾推動力(壓力差)能較大幅度地進行調整，并能耐受較高的壓力差③結構簡單，價格低④動力消耗少缺點：①不能連續操作，設備笨重，勞動強度大②衛生條件差③非生產的輔助時間長，阻礙了過濾效率的提高（2）鼓式真空過濾機優點：①能連續操作②能實現自動化控制缺點：壓差較小，主要適用于霉菌發酵液的過濾。（3）離心分離優點：①分離速度快，效率高②操作時衛生條件好等優點③適合于大規模的分離過程缺點：①投資費用高②能耗較大三、微生物細胞的破碎微生物的代謝產物分泌到細胞或組織之外的，稱為胞外產物。細菌產生的堿性蛋白酶，霉菌產生的糖化酶等

微生物的代謝產物存在于細胞內的，稱為胞內產物。例如青霉素酰化酶，堿性磷酸酯酶等

對于胞外產物只需直接將發酵液預處理及過濾，獲得澄清的濾液，作為進一步純化的出發原液;對于胞內產物，則需首先收集菌體進行細胞破碎，使代謝產物轉入液相中，然后，再進行細胞碎片的分離。1.微生物細胞的破碎技術常見的細胞破碎方法：機械方法球磨機、高壓勻漿器、X-press法、超聲波破碎非機械方法酶解法、滲透壓沖擊、凍結和融化、干燥法、化學法（1）球磨機研磨是將細胞懸浮液與玻璃小珠、石英砂或氧化鋁一起快速攪拌或研磨，使達到細胞的某種程度破碎。缺點是在破碎期間樣品溫度迅速升高，通過用二氧化碳來冷卻容器可得到部分解決。

（2）高壓勻漿器利用高壓迫使細胞懸浮液通過針形閥，由于突然減壓和高速沖擊撞擊造成細胞破裂。各種菌體一次通過高壓勻漿器的破碎率菌體壓力（Mpa）破碎率（%）面包酵母啤酒酵母大腸桿菌解肢假絲酵母5355535562616743（3）X-press法一種改進的高壓方法將濃縮的菌體懸浮液冷卻至-25?C至-30?C形成冰晶體，利用500MPa以上的高壓沖擊，冷凍細胞從高壓閥小孔中擠出。細胞破碎是由于冰晶體的磨損，包埋在冰中的微生物的變形所引起的。優點：適用的范圍廣、破碎率高、細胞碎片的粉碎程度低、活性的保留率高對冷凍—融解敏感的生化物質不適用（4）超聲波法細胞的破碎是由于超聲波的空穴作用，從而產生一個極為強烈的沖擊波壓力，由它引起的粘滯性旋渦在介質中的懸浮細胞上造成了剪切應力，促使細胞內液體發生流動，從而使細胞破碎。對于不同菌種的發酵液，超聲波處理的效果不同。不宜大規模操作（5）酶解法利用酶反應，分解破壞細胞壁上特殊的鍵，從而達到破壁的目的。優點：專一性強，發生酶解的條件溫和。缺點：酶水解費用較貴，一般只適用于小規模的實驗室研究。溶菌酶能專一地分解細胞壁上糖蛋白分子的α-1，4糖苷鍵，使脂多糖解離，經溶菌酶處理后的細胞移至低滲溶液中使細胞破裂。（6）自溶作用是酶解的另一種方法，所需溶胞的酶是由微生物本身產生的。影響自溶過程的因素有溫度、時間、pH緩沖液濃度、細胞代謝途徑等。自溶法在一定程度上能用于工業規模，但是，對不穩定的微生物容易引起所需蛋白質的變性，自溶后的細胞培養液過濾速度也會降低。

（7）滲透壓沖擊將細胞放在高滲透壓的介質中(如一定濃度的甘油或蔗糖溶液)，達到平衡后，介質被突然稀釋，或者將細胞轉入水或緩沖液中，由于滲透壓的突然變化，水迅速進入細胞內，引起細胞壁的破裂。對細胞壁較脆弱的菌，或者細胞壁預先用酶處理，或合成受抑制而強度減弱時才合適。（8）凍結-融化法將細胞放在低溫下突然冷凍和室溫下融化，反復多次而達到破壁作用。由于冷凍，一方面能使細胞膜的硫水鍵結構破裂，從而增加了細胞的親水性能，另一方面胞內水結晶，使細胞內外溶液濃度變化，引起細胞突然膨脹而破裂。細胞壁較脆弱的菌體適用（9）干燥法采用空氣干燥、真空干燥、噴霧干燥、冷凍干燥等空氣干燥主要適用于酵母菌真空干燥適用于細菌的干燥冷凍干燥適用于較不穩定的生化物質干燥法條件變化較劇烈，容易引起蛋白質或其它組織變性。（10）化學法用酸堿及表面活性劑處理，可以使蛋白質水解，細胞溶解或使某些組分從細胞內滲漏出來。某些脂溶性溶劑也能作為化學處理的方法，如丁醇、丙酮、氯仿及尿素等。這些試劑容易引起生化物質破壞，還會帶來分離和回收化學物質的問題。細胞破碎方法分類分類作用機理適應性機械法球磨法固體剪切作用可達較高破碎率，可較大規模操作，大分子目的產物易失活，漿液分離困難高壓勻漿法液體剪切作用可達較高破碎率，可較大規模操作，不適合絲狀菌和革蘭氏陽性菌超聲破碎法液體剪切作用對酵母菌效果較差，破碎過程升溫劇烈，不適合大規模操作X-press法固體剪切作用破碎率高，活性保留率高，對冷凍敏感目的產物不適應非機械法酶溶法酶分解作用具有高度專一性，條件溫和，漿液易分離，溶酶價格高，通用性差化學滲透法改變細胞膜的滲透性具一定選擇性，漿液易分離，但釋放率較低，通用性差滲透壓法滲透壓劇烈改變破碎率較低，常與其他方法結合使用凍結融化法反復凍結-融化破碎率較低，不適合對冷凍敏感的目的產物干燥法改變細胞膜滲透性條件變化劇烈，易引起大分子物質失活2.破碎方法的選擇選擇合適的破碎方法需要考慮下列因素：（1）細胞的數量（2）所需要的產物對破碎條件（溫度、化學試劑、酶等）的敏感性（3）要達到的破碎程度及破碎所必要的速度（4）盡可能采用最溫和的方法（5）具有大規模應用潛力的生化產品應選擇適合于放大的破碎技術第三節沉淀法根據所加入沉淀劑，可以分為：鹽析法、等電點沉淀法、有機溶劑沉淀法、非離子型聚合物沉淀法、聚電解質沉淀法、高價金屬離子沉淀法一、鹽析法1.鹽析的定義在蛋白質溶液中加入中性鹽使其沉淀析出的過程。2.機理通過破壞蛋白質分子表面水膜或中和蛋白質分子表面水膜使蛋白質凝聚沉淀。3.優點成本低操作簡單，安全對許多生物活性物質具有穩定作用。4.缺點沉淀物中含有大量的鹽析劑5.鹽析用中性鹽的選擇（1）常用的中性鹽MgSO4、(NH4)2SO4、Na2SO4、NaH2PO4（2）選擇中性鹽應注意的問題使酶沉淀完全，收率高有利于酶的提純，本身又易去除對酶無毒性，應用不受影響價格低廉廢水處理容易6.鹽析劑用量的確定采用實驗的方法確定7.鹽濃度的表示法鹽析法中的鹽濃度通常以鹽溶液的飽和度表示，飽和的溶液成為100%飽和度。8.蛋白質的濃度與鹽析的關系溶液中蛋白質濃度與中型鹽用量成正比，但是如果蛋白質本身在溶液中含量很低，則需加入較多的中性鹽。9.離子強度和類型對鹽析的影響

幾種蛋白質析出時所需硫酸銨的離子的強度蛋白質在不同電解質中的鹽析效應幾種不同電解質下，一氧化碳血紅蛋白溶解度曲線。圖中不同離子種類對蛋白質溶解度的影響，可以從Hofmeister系列理論中獲得解釋：即離子半徑小而很高電荷的離子在鹽析方面影響較強，離子半徑大而低電荷的離子的影響較弱。單價鹽如KCl，NaCl的鹽析效果一般比較差。10.pH對鹽析的影響

一般地說，蛋白質所帶凈電荷越多，它的溶解度越大；如果所帶的電荷減少至接近于零時溶解度最少，我們稱此時的pH值為該蛋白質的等電點(PI)。改變pH或特異地加入與蛋白質極性基團結合的離子(叫反離子)即可改變蛋白質的帶電性質，也就是改變了蛋白質的溶解度。

注意：在水中或稀鹽溶液中測得的蛋白質等電點與高鹽濃度下所測的結果是不同的。需根據實際情況調整pH值至蛋白質溶解度最低處，才能使鹽析獲得更好效果。11.溫度對鹽析的影響溫度是影響溶解度的重要因素，對于許多無機鹽和小分子的有機化合物，溫度升高，溶解度也相應增大；但對于蛋白質、酶等生物大分子在高離子強度溶液中，溫度的升高，它們的溶解度有時不但不升高。反而減少。許多蛋白質在高離子強度溶液中25C時的溶解度比4C時溶解度明顯地減少。

但必須指出這種溫度升高溶解度的下降現象只有在高離子強度下才能發生。在低離子強度或純水中，蛋白質溶解度大多數在一定范圍內是隨著溫度增加而增加的。

在一般情況下，蛋白質的鹽析溫度要求不嚴格，可以在室溫下進行，只有某些對溫度比較敏感的酶，要求在低溫0-4C下操作。以避免活力的喪失。二、有機溶劑沉淀1.原理有機溶劑的沉淀作用主要是降低水溶液的介電常數，溶液的介電常數減少就意味著溶質分子異性電荷庫侖引力的增加從而使溶解度減少。2.優點（1）分辨能力比鹽析法高，即一種蛋白質或其他溶質只有在一個比較窄的有機溶劑濃度范圍內沉淀。（2）沉淀不用脫鹽，過濾比較容易。（3）在生化制備中應用比鹽析法廣泛3.缺點容易引起蛋白質變性失活，操作常需在低溫下進行。且有機溶劑易燃、易爆、安全要求較高。4.常用的有機溶劑常用的有機溶劑有：乙醇、甲醇、丙酮、異丙醇。5.有機溶劑的選擇有機溶劑沉淀蛋白質的能力隨蛋白質種類及有機溶劑的種類而異。對曲霉淀粉酶而言，有機溶劑沉淀能力，依次為丙酮＞異丙醇＞乙醇＞甲醇。這個順序還受溫度、pH、鹽離子濃度的影響。丙酮沉淀能力最強，但揮發損失多，價格相對較高，工業上一般采用乙醇。

6.有機溶劑沉淀的影響因素影響有機溶劑沉淀的因素有：溫度、蛋白的濃度、pH、金屬離子、離子強度。（1）溫度對有機溶劑沉淀的影響蛋白質在有機溶劑中對溫度反應特別敏感，溫度稍高即發生變性。因此，加入的有機溶劑都必須預冷至較低溫度，操作要在冰浴中進行，同時加入有機溶劑必須緩慢而又不斷攪拌以免溶劑局部過濃。溫度的高低會影響到已沉淀的蛋白質復溶。（2）蛋白質濃度對有機溶劑沉淀的影響低濃度樣品使用有機溶劑的量大但共沉作用小，利于提高分離的效果；高濃度樣品可以節省有機溶劑，減少變性危險，但共沉作用大，分離效果較差。（3）pH值對有機溶劑沉淀的影響在蛋白質結構穩定范圍下選擇溶解度最低處的pH值，有利于提高沉淀效果。適宜的pH值可大大提高分離的分辨能力（4）金屬離子對有機溶劑沉淀的影響

一些多價離子如Zn2+和Ca2+在一定的pH值下能與呈陰離子狀態的蛋白質形成復合物，這種復合物在水中或有機溶劑中的溶解度都大大降低，而不影響蛋白質的活性。（5）離子強度對有機溶劑沉淀的影響離子強度是影響溶質在有機溶劑及水混合液中溶解度的一個重要因素，鹽的濃度大小或太大都對分離有不利影響，對于蛋白質，在有機溶劑中鹽的濃度不超過5%比較合適，使用的乙醇量也以不超過二倍體積為宜。7.有機溶劑沉淀應注意的問題（1）降低溫度，能增加收率和減少蛋白質的變性。（2）所選擇的溶劑必須能和水互溶，而和蛋白質不起作用。（3）蛋白質的分子量越大，產生沉淀所需加入的有機溶劑量越少。（4）一種蛋白質的溶解度通常會由于另一蛋白質的存在而降低。（5）沉淀的蛋白質如不能再溶解，就可能已經變性。（6）對很多酶，丙酮加量在20%~50%之間，就能產生沉淀。（7）接近等電點時，以引起沉淀所需加入有機溶劑的量較少。（8）當溶劑量達到50%時，則通常只有分子量小于15000的蛋白質仍留在溶液中。（9）少量中性鹽的存在能產生鹽溶作用，增加蛋白質在有機溶劑水溶液的溶解度。三、等電點沉淀法1.原理

等電點沉淀法主要利用兩性分子上的電中性時溶解度最低，而各種兩性分子具有不同等電點而進行分離的一種方法。兩性分子在處于等電點時的pH值，再加上其他沉淀因素，則很易沉淀析出。2.等電點沉淀法的優缺點優點：很多蛋白質的等電點都在偏酸性范圍內，而無機酸通常價較廉，井且某些酸，如磷酸、鹽酸和硫酸的應用能為蛋白質類食品所允許。同時，常可直接進行其他純化操作，無需將殘余的酸除去。缺點：酸化時，易使蛋白質失活，這是由于蛋白質對低pH比較敏感。第四節吸附法在發酵工業的下游加工過程中，吸附法應用于發酵產品的除雜、脫色、有毒物質和抗生素的提純精制。應用選擇性吸附法分離精制的產品包括：蛋白質、核酸、酶、抗生素、氨基酸。

一、吸附法的原理吸附法是利用吸附劑與雜質、色素物質、有毒物質、產品之間分子引力的差異，從而起到分離的作用。二、吸附的目的將產品吸附濃縮于吸附劑上；將雜質、色素等需要從發酵液中去除的物質吸附于吸附劑上。三、吸附法的優缺點1.優點可不用或少用有機溶劑；操作簡便、安全、設備簡單；生產過程中pH變化小，適用于穩定性較差的生化物質。2.缺點吸附法選擇性差、收率不高。無機吸附劑性能不穩定，不能連續操作，勞動強度大。炭粉等吸附劑影響環境衛生。由于凝膠類吸附劑、大網格聚合物吸附劑的應用，克服了以上缺點，近年吸附法又得到重視。四、吸附的類型

1.物理吸附吸附劑和吸附物通過分子力(范德華力)產生的吸附。2.化學吸附化學吸附是由于吸附劑在吸附物之間的電子轉移，發生化學反應而產生的，屬于庫侖力范圍。3.交換吸附吸附劑表面如為極性分子或離子所組成則它會吸引溶液中帶相反電荷的離子而形成雙電層。這種吸附又稱為極性吸附。五、吸附劑的基本要求1.吸附劑要求顆粒密度小，表面積大，但孔隙也不能太多，否則被吸附物質不易被洗脫。2.吸附劑的顆粒大小要均勻。3.吸附劑的吸附能力要大，但不能影響洗脫。六、吸附劑的種類1.疏水或非極性吸附劑（活性炭）2.親水或極性吸附劑（硅膠、氧化鋁）3.離子交換樹脂吸附劑七、影響吸附過程的因素1.吸附劑的性質吸附劑的理化性質對吸附的影響很大。吸附劑的性質與其原料、合成方法和再生條件有關。一般要求吸附容量大，吸附速度快和機械強度好。吸附劑的吸附容量除其它外界條件外，主要與比表面積有關。比表面大，空隙度高，吸附容量就越大。吸附速度主要與顆粒度和孔徑分布有關，顆粒度越小，吸附速度就越快，但壓頭損失要增大。孔徑適當，有利于吸附物向空隙中擴散。吸附劑的機械強度則影響其使用壽命。2.吸附物的性質有下列一些規則可用來預測吸附的相對量。（1）能使表面張力降低的物質，易為表面吸附；（2）溶質從較易溶解的溶劑中吸附時，吸附量較少。（3）極性吸附劑易吸附極性物質，非極性吸附劑易吸附非極性物質。（4）對于同系列物質，吸附量的變化是有規則的。如按極性減小的次序排列，次序越在后面的物質，極性越差，因而越易為非極性吸附劑所吸附而越難為極性吸附劑所吸附。3.溶液pH值的影響pH值影響某些化合物的離解度。4.溫度的影響吸附熱越大，則溫度對吸附的影響越大。5.其它組分的影響

當從含有兩種以上組分的溶液中吸附時，根據溶質的性質可以互相促進，干擾或互不干擾。一般說來，對混合物的吸附較純物質的吸附為差。

第五節離子交換法

離子交換作用：是指一個溶液中的某一種離子與一個固體中的另一種具有相同電荷的離子互相調換位置，即溶液中的離子跑到固體上去，把固體上的離子替換下來。這里溶液稱流動相，而固體稱固定相。在發酵工業中可用于分離純化蛋白質、氨基酸、核酸、酶、抗生素等物質。一、基本原理

離子交換劑通常是一種不溶性高分子化合物，它的分子中含有可解離的基團，這些基因在水溶液中能與溶液中的其它陽離子或陰離子起交換作用。離子交換過程有兩個階段──吸附和解吸附。二、離子交換劑的分類

1.陽離子交換劑：磺酸(-SO3H)、磷酸(-PO3H2)、羧酸（-COOH）和酚羥基（-OH）。可分為：強酸型、中酸型和弱酸型。2.陰離子交換劑：伯胺、(-NH2)、仲胺(-NHCH3)、叔胺[N-（CH3）2]和季胺[-N（CH3）2]。可分為：強堿性、中堿性和弱堿性3.兩性離子交換劑4.選擇性離子交換劑5.吸附樹脂6.電子交換樹脂三、影響離子交換速度的因素1.樹脂顆粒的大小；2.樹脂的交聯度；3.溶液中離子濃度；4.溫度；5.離子的大小；6.離子價；7.樹脂強弱。四、離子交換的操作方式1.分批法2.固定床法3.流動床法第六節膜分離過程膜分離技術的優點1.適用范圍廣；2.膜分離過程為物理過程，不需加入化學藥劑；3.膜分離技術分離裝置簡單，占地面積小，系統集成容易；4.膜分離過程系統簡單、操作容易，且易控制，便于維修，有利于生產自動化的推廣與普及。一、膜分離方法的分類

1.分類根據膜材質和方法的差異，可將膜分離方法分為以下種類：（1）透析；（2）超濾；（3）反滲透；（4）微濾；（5）電滲析；（6）液膜技術（7）氣體滲透；（8）滲透蒸發2.膜過濾的孔徑范圍

二、表征膜性能的參數

1.孔的性質(包括孔徑、孔分布和孔隙度)；2.水通量；3.截留率的截斷分子量；4.抗壓能力；5.pH適用范圍；6.對熱和溶劑的穩定性。三、膜分離設備1.選擇膜分離設備應考慮以下因素：（1）分離類型；（2）生產量；（3）操作時的應變性；（4）保養難易程度；（5）操作方便與否。2.常用的膜分離設備（1）管式過濾器（內壓式和外壓式）

（2）中空式過濾器中空纖維膜組件用粗的中空纖維膜組裝成用于超過濾的膜組件，它具有類似于單管程管殼式換熱器的結構。所用的中空纖維，在內壁或內、外壁形成表層。內壓式膜組件適合于管內流過料液，管間匯集滲濾波，外壓式膜組件相反，管間走料液，管內匯集滲濾液。（3）螺旋卷式過濾器卷式膜組件是用平面膜卷制而成的。（4）平板式過濾器板式膜組件用平面膜組成。

各種膜分離設備性能的比較形式優點缺點管式易清洗，無死角適宜于處理固體較多的料液，單根管子可以調換保留體積大，單位體積中所含過濾面積較小，壓力降大中空纖維保留體積小，單位體積中所含過濾面積大，可以逆洗，操作壓力較低（0.25Mpa），動力消耗較低料液需要預處理，單根纖維損壞時，需調換整個模件螺旋卷式膜單位體積中所含過濾面積大，換新膜容易料液需要預處理，壓力降大，易污染，清洗困難平板式保留體積小，能量消耗界于管式和螺旋卷式之間死體積較大四、操作特性1.濃差極化：當溶劑透過膜，而溶質留在膜上，因而便膜面濃度增大，并高于主體中濃度這種濃度差導致溶質自膜面反擴散至主體中，這種現象稱為濃差極化。2.凝膠層：當膜面濃度增大時，通量降低。當膜面濃度增大到某一值時，溶質成最緊密排列，或析出形成凝膠層。濃差極化示意圖凝膠層的形成膜過濾一般采用的錯流過濾方式。錯流過濾是一種新的過濾方式與常規過濾的區別在于它的固體懸浮液流動方向與過濾介質平行，而常規過濾則是垂直的，因此，能連續清除過濾介質表面的滯留物，使濾餅不能形成，所以整個過濾中能保持較高的濾速。五、膜分離過程在發酵工業中的應用

微濾（MF）膜、超濾（UF）膜、納濾（NF）膜、反滲透（RO）膜六、影響超濾速度的各種因素

1.壓力當壓力較低時，通量較小，膜面上尚未形成濃差極化層，此時通量隨壓差成正比增大;當壓力逐漸增大時，膜面上開始形成濃差極化層，通量隨壓差而增大的速度開始減慢。注:當壓力繼續增大時，濃差極化層濃度達到凝膠層濃度時，通量不隨壓差而改變。因為當壓力繼續增大時，雖暫時可使通量增加，但凝膠層厚度也隨之增大，即阻力增大，而使通量回復至原值。

2.發酵液濃度、溫度、流速通量與料液流速成正比；通量與操作溫度成正比；通量與固體濃度成反比。

3.膜的污染膜在使用中，盡管操作條件保持不變，但通量仍逐漸降低的現象稱為污染。污染的原因一般認為是膜與料液中某一溶質的相互作用，或吸附在膜上的溶質和其它溶質的相互作用而引起的。膜污染與濃差極化的區別：濃差極化是可逆的，即變更操作條件可以使濃差極化消除，而污染則必須通過清洗的辦法，才能消除。經清洗后如純水通晝達到或接近原來水平，則認為污染已消除。減輕膜污染的方法①預處理將料液經過一預過濾，以除去較大的粒子，特別對中空纖維和螺旋卷繞式超濾器尤為重要。蛋白質吸附在膜表面上常是形成污染的原因，調節料液的pH遠離等電點可使吸附作用減弱。②改變膜的表面性質制膜時，改變膜的表面極性和電荷，常可減輕污染。膜的清洗方法①機械方法：加海綿球，增大流速，逆洗(對中空纖維超濾器)，脈沖流動，超聲波等。②化學方法用起溶解作用的物質，如：酸、堿、酶(蛋白酶)，螯合劑，表面活性劑。用起切斷離子結合作用的方法，如改變離子強度、pH、電位。起氧化作用的物質，如過氧化氫、次氯酸鹽。用起滲透作用的物質，如磷酸鹽、聚磷酸鹽第七節萃取是用一種溶劑將產物自另一種溶劑(如水)中提取出來，達到濃縮和提純的目的。溶劑萃取法比化學沉淀法分離程度高，比離子交換法選擇性好，傳質快，比蒸餾法能耗低且生產能力大，周期短，便于連續操作、容易實現自動化等。近二十年來又涌現出許多新型的萃取技術，如：雙（兩）水相萃取；反相膠束（膠團）萃取；超臨界萃取；液膜萃取等。一、萃取的原理利用物質在兩種成相的溶劑中溶解度的不同，使所需的目的物質從一種溶劑中轉移到另一種溶劑中，從而達到分離純化的目的。溶劑萃取法是以分配定律為基礎的。在萃取中，被提取的溶液稱為料液，其中欲提取的物質稱為溶質。分配定律：在恒溫恒壓的條件下，一種物質在兩種成相的溶劑（A與B，或上相與下相）的分配濃度之比是一常數，該常數稱為分配系數K。

二、雙（兩）水相萃取雙水相系統是指某些高聚物之間或高聚物與無機鹽之間在水中以適當的濃度溶解會形成互不相溶的兩水相或多水相系統。通過溶質在相間的分配系數的差異而進行萃取的方法即為雙水相萃取。雙水相技術最早出現于1955年。

實例：氨基酸、多肽、核酸、病毒等,特別是成功地應用在蛋白質的大規模分離中。典型的兩水相系統A聚丙二醇-聚乙二醇-聚乙烯醇-葡聚糖聚乙二醇-聚乙烯醇-葡聚糖-聚乙烯吡咯烷酮BDEAE葡聚糖HCl-聚丙二醇NaCl-聚乙二醇Li2SO4C羧甲基葡聚糖鈉鹽-羧甲基纖維素鈉鹽D聚乙二醇聚乙二醇聚乙二醇-磷酸鉀-硫酸銨-硫酸鈉A類為兩種非離子型聚合物；B類其中一種為帶電荷的聚電解質；C類兩種都為聚電解質；D類為一種聚合物與一種無機鹽組成。1.雙水相萃取的優點（1）易于放大；（2）雙水相系統之間的傳質過程和平衡過程快速,因此能耗較小,可以實現快速分離；（3）易于進行連續化操作；（4）相分離過程溫和,生化分子如酶不易受到破壞；（5）選擇性高、收率高；（6）操作條件溫和。2.相圖兩水相形成的條件和定量關系可用相圖來表示，對于由兩種聚合物和水組成的系統，其相圖如上圖所示。圖中以聚合物Q的濃度(重量％)為縱坐標，以聚合物P的濃度(重量%)為橫坐標。只有當P、Q達到一定濃度時才會形成兩相。圖中曲線把均勻區域和兩相區域分隔開來，稱為雙節線。在雙節線下面的區域是均勻的，在上面的區域為兩相區。例如點M代表整個系統的組成，該系統實際上由兩相組成，上相和下相分別由點T和B表示。M、T、B三點在一直線上，T和B代表成平衡的兩相，其相連的直線稱為系線。在同一條系線上的各點分成的兩相，具有相同的組成，但體積比不同。令VT、VB分別代表上相和下相的體積，則有令WT，WB，WM分別代表上相、下相和系統的總重量當系線向下移動時，長度逐漸減小，這說明兩相的差別減小，當達到K點時，系線的長度為零，兩相間差別消失，點K稱為臨界點。雙節線的位置與形狀與聚合物的分子量有關。聚合物的分子量越高，相分離所需的濃度越低；兩種聚合物的分子量相差越大，雙節線的形狀越不對稱。3.雙水相萃取的影響因素生物物質在雙水相中的分配系數主要由化學電位、疏水作用、生物親和力、粒子大小和蛋白質的構象效應所決定，這些