发酵产物的下游工程

以酶为例，发酵产物的提取过程一般需经历发酵液的预处理、固液分离、酶液浓缩、酶的纯化、酶成品的制备等过程。酶是比较脆弱的物质，如果处理条件不当，容易变性失活。在酶提取之前应对目的酶的基本性质有所了解，如等电点、pH和热稳定性、氧化还原剂对其影响等。

1.发酵液预处理

为了防止不完全澄清导致的酶活性损失或防止滤器堵塞，在开始分离之前有必要对发酵液进行预处理。发酵液通常使用絮凝剂以产生较大的絮凝物或凝聚物，进而加速固液分离。

凝聚是指向胶体悬浮液中加入某种电解质，在电解质中异电离子作用下，胶粒的双电层电位降低，从而使胶体脱稳并使粒子相互聚集成直径1mm左右块状凝聚体的过程。电解质的凝聚能力可用凝聚值来表示，使胶粒发生凝聚作用的最小电解质浓度（mmol/L）称为凝聚值。根据Schuze-Hardy法则，反离子的价数越高，该值就越小，即凝聚能力越强。应用较广泛的凝聚剂有Al2（SO4）3·18H2O（明矾）、AlCl3·6H2O、FeSO4·7H2O、FeCl3和ZnSO4等。

絮凝是指使用絮凝剂（通常是天然或合成的大相对分子质量聚合物）将胶体粒子交联成网，形成10mm左右絮凝团的过程。其中絮凝剂主要起架桥作用。絮凝剂是一种能融入水的高分子聚合物，其相对分子质量甚至大于一千万，它们具有长链状结构，其链节上含有许多活性官能团，包括带电荷的阴离子（如－COOH）或阳离子（如－NH2）基团以及不带电荷的非离子基团。它们通过静电引力、范德华力或氢键的作用，强烈地吸附在胶粒的表面。当一个高分子聚合物的许多链节分别吸附在不同颗粒的表面上，产生架桥连接时，就形成了较大的絮团，这就是絮凝作用。对絮凝剂的化学结构一般有两方面的要求：一方面要求其分子必须含有相当多的活性官能团，使之能和胶粒表面结合；另一方面要求必须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凝团，但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。根据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。根据其来源不同，工业上使用的絮凝剂又可分为如下三类：① 有机高分子聚合物，如聚丙烯酰胺类衍生物和聚苯乙烯类衍生物等；②无机高分子聚合物，如聚合铝盐和聚合铁盐等；③ 天然有机高分子絮凝剂，如聚糖类胶粘物、海藻酸钠、明胶、骨胶、壳多糖和脱乙酰壳多糖等。

2.固液分离

通常使用真空转筒过滤机和碟片式离心机从发酵液中去除细胞、固体或胶体。真空转筒过滤机是一种连续操作的过滤设备，其操作流程如图2-4所示。设备的主体是一个由筛板组成能转动的水平圆筒（图2-5），表面有一层金属丝网，网上覆盖滤布。圆筒内沿径向被筋板分割成若干个空间，每个空间都以单独孔道通至筒轴颈端面的分配头上，分配头内沿径向隔离成3个室，它们分别与真空和压缩空气管路相通。

图2-4　转筒真空过滤机流程图

图2-5　转筒真空过滤机的结构

1—转鼓；2—滤布；3—金属网；4—搅拌器传动装置；5—摇摆式传动装置；6—传动装置；7—手孔；8—过滤室；9—刮刀；10—分配阀；11—滤液管路

转筒下部浸没在发酵液中，圆筒缓慢旋转时（转速0.5～ 2r/min），可顺序进行过滤、洗涤、吸干、吹松、卸饼等项操作。即整个圆筒分为过滤区、洗涤及脱水区、卸渣及再生区3个区域。

过滤区：圆筒下部的空间与发酵液相接触，由于在这个区的空间与真空管联通，于是滤液透过滤布被吸入筒内并经导管和分配头排至滤液贮罐中，滤渣则滞留在滤布的表面形成滤饼。为防止发酵液中固体沉降，在发酵液槽中安装摇摆式搅拌器。

洗涤及脱水区： 当圆筒从发酵液槽中转出后，有喷嘴将洗涤水喷向圆筒面上的滤饼层进行洗涤，由于此区也与真空管路相通，于是洗涤水穿过滤饼层而被吸入筒内，并经分配头引至洗水贮罐中。

卸渣及再生区：经洗涤和脱水的滤饼层继续旋转进入此区，由于此区与压缩空气管路连通，于是压缩空气从圆筒内向外穿过滤布面将滤饼吹松，随后由刮刀将其刮除。刮掉滤饼的滤布通压缩空气继续吹，吹净残余滤渣，使滤布再生。

碟片式离心机是目前生产中应用最广泛的离心机，它具有密闭的转鼓，转鼓内设有数十个至上百个锥角为60° ～120°的锥形碟片，以缩短沉降与分离时间，碟片之间的间隙用碟片背面的狭条来控制，一般碟片间的间隙为0.5～2.5mm。当碟片间的悬浮液随着碟片高速旋转时，固体颗粒在离心力作用下沉降于碟片的内腹面，并连续向鼓壁沉降，澄清液则被迫反方向移动至转鼓中心的进液管周围，并连续被排出。

3.酶液浓缩

常用超滤膜浓缩法。超滤（ultrafiltration）是在加压的情况下（0.1～0.6MPa由外源氮气等惰性气体形成），使酶液通过超滤器，小分子的杂质透过膜，而大分子的酶截留在膜腔内，达到酶浓缩和纯化的目的。聚丙烯腈、聚烯烃、聚砜、聚醚砜是常用的膜材料，其中聚砜膜和聚醚砜膜耐热性和pH适应性好。膜的孔径为0.002～0.06μm，截留相对分子质量为1000～500000的范围。可以根据目的酶的相对分子质量数量级范围，选择不同孔径大小的超滤膜。膜分离设备主要有4种形式：板式、管式、中空纤维式和螺旋卷式。采用此法可使酶液浓缩到体积分数为10%～50%，回收率高达90%。这种方法适用于酶液的浓缩和脱盐，其优点是成本低，操作方便，条件温和，回收率高；缺点是超滤膜容易被污染，分离效果与物料处理及性质密切相关，需精心保养、清洗。

4.盐析分离

酶或蛋白质具有胶体性质，即蛋白质在水中借助水化层和带电荷等性质能均匀分散而不凝聚，盐是一种电解质，由于中性盐的亲水性大于蛋白质的亲水性，当加入大量的中性盐如（NH4）2SO4时，酶表面的水分被脱去，使亲水系统变为憎水系统，电荷被中和，使酶表面的电荷下降，从而引起可见的凝聚或沉淀现象。使不同微生物的蛋白酶沉淀所加盐析剂的量是不同的，需通过试验来确定。有时候也可以利用有机溶剂沉淀的方法实现酶蛋白与液体的分离。

酶制剂干燥的方法较多：气流干燥、喷雾干燥、沸腾干燥、振动干燥和真空冷冻干燥等。

5.发酵产物的精制与纯化

经浓缩、提取的酶液为粗酶液，可以直接应用，或进一步处理制成干粉后使用。工业上可把浓缩后的酶液作为商品粗酶液，或者略浓缩后喷雾干燥，或者盐析后制成干粉出售。这些粗酶中含有其他蛋白质、多糖、脂类和核酸等杂质，与目的酶相比，不纯物质含量很高，要得到较纯制品还要去杂纯化，大多数蛋白酶的纯化方案是需要依据酶的性质设计多步的分离程序。常用的纯化技术包括离子交换层析、凝胶过滤、亲和层析等。

【注释】

[1]本章由牟海津、冯娟、孔青、马悦欣编写。