生物發酵提純技術

生物發酵提純就是利用微生物的特定性狀和功能，通過現代化工程技術和設備來生產有用物質或將微生物直接用於工業化生產獲得目的產物的技術體系。包括發酵和提純兩個工序。提純是將所需要的產物從發酵液中分離出來的過程，也稱後處理。主要包括細胞破碎，分離，醪液輸送，過濾除雜，離子交換電滲析，逆滲透，超濾，凝膠過濾（層析），沉澱分離，溶媒萃取，蒸發，結晶，蒸餾，乾燥包裝等過程和單元操作。

基本介紹

• 中文名：生物發酵提純技術
• 外文名：無
• 含義：利用微生物的特定性狀和功能
• 發酵：培養

什麼是發酵

發酵就是將微生物接種到合適的培養基中，通過控制其生長和代謝環境，來使微生物發揮起獨特功能的過程。其主要內容包括菌種的選育，種子的擴大培養，培養基的配製與滅菌，接種及發酵控制等。

發酵的類型

從不同的角度可將發酵分成不同的類型。根據是否需要氧氣可分為厭氧發酵（靜置發酵）和好氧發酵（通氣發酵）；根據發酵培養基的性質可分為固態發酵和液態發酵；根據發酵方式的不同可分為分批發酵、補料分批發酵及連續發酵等。

化妝品發酵

厭氧發酵

適用於厭氧或兼性厭氧微生物的發酵，如丙酮丁醇發酵、酵母菌的酒精發酵、乳酸發酵等。產生丙酮、丁醇的梭狀芽孢桿菌（Clostridium）是一種專性厭氧微生物，它的菌體發酵和發酵應在無氧條件下進行。酵母菌是一類兼性厭氧微生物，根據其生理特點，在種子製備時應在攪拌通風的條件下進行以促使其生長繁殖，而酒精發酵則在缺氧條件下進行。乳酸菌大多屬耐氣性厭氧菌，它們的生長和代謝產物合成與氧的有無關係不大，但為了防止雜菌污染，還是以缺氧環境中發酵為宜。

液態發酵

指發酵培養基的狀態為液體。絕大多數純種發酵都為液態發酵，如青黴素髮酵。早期的青黴素髮酵在液體淺盤上進行，由於該法存在產量低、易污染且勞動強度大等缺點，現已被深層液體通風發酵法取代。

深層液體通風發酵在密閉通風發酵罐中進行，將種子接入滅菌的發酵培養基中，然後在適宜的溫度、溶氧下發酵，發酵罐中有蛇管或夾套可以控溫，溶解氧的濃度可以通過調節攪拌機轉速或通入的無菌空氣的風量來控制。

分批發酵

指在發酵過程中，除了不斷進行通氣（好氧發酵）和為調節發酵液的pH而加入酸鹼溶液外，與外界沒有其它物料交換的一種發酵方式。培養基的量一次性加入，產品一次性收穫，廣泛採用的一種發酵方式。其優點是：①對溫度的要求低，工藝操作簡單；②比較容易解決雜菌污染和菌種退化等問題；③對營養物的利用效率較高，產物濃度也比連續發酵要高。缺點是：①人力、物力、動力消耗較大；②生產周期較長，由於分批發酵時菌體有一定的生長規律，都要經歷延滯期、對數生長期、穩定期和衰亡期，而且每批發酵都要經菌種擴大發酵、設備沖洗、滅菌等階段；③生產效率低，生產上常以體積生產率（以每小時每升發酵物中代謝產物的g數來表示）來計算效率，在分批發酵過程中，必須計算全過程的生產率，即時間不僅包括發酵時間，而且也包括放料、洗罐、加料、滅菌等時間。

提純的步驟

固液分離

不管所需要的發酵產物是胞外代謝產物，還是胞內物質，甚至是菌體本身，首先都要進行固液分離，從發酵液中將細胞或其他固形物分開。其方法主要有預處理、過濾、離心和沉降。

有效成分提取

（1）、細胞破碎要提取細胞內的酶、多糖和核酸等，必須首先破碎細胞。基因工程產物，大都積累在細胞內，要獲得這些產物，也必須先把細胞破碎。

（2）、濃縮和沉澱濃縮是將低濃度溶液除去一定量溶劑（包括水）變為高濃度溶液的過程，常見的有蒸發濃縮、冷凍濃縮和吸收濃縮等三種。

（3）、離子交換及吸附許多生物物質是兩性物質，隨著溶液pH值的不同，可以以陽離子、陰離子和偶極離子三種形式存在。這些分子能依靠靜電力可逆地結合在離子交換樹脂上。吸附可有兩個目的，其一是將發酵產品吸附並濃縮於吸附劑上，其二是用吸附劑去除發酵液中的雜質或有害物質。

（4）、蒸餾是分離液體混合物的一種有效方法，是基於發酵產物的沸點不同，將所需物質從液體混合物中分離出來的過程。

（5）、萃取將某種特定溶劑，加到發酵液混合物中，根據發酵液組分在水相和有機相中的溶解度不同，將所需物質分離出來的過程。此法常用於抗生素的分離工作中。如將抗生素髮酵液與某一有機溶劑混合，並調節至適當的pH，大部分抗生素即溶於有機相中。有機相分離出來後，再調節pH，可使抗生素轉至水相中，如此反覆可得到較純的抗生素。紅曲發酵液中紅色素的提取也可用此法。萃取法具有傳質速度快、生產周期短、便於連續操作、可自動控制、分離效率高、生產能力大等優點，所以套用相當普遍。

超臨萃取技術

由於技術的發展，萃取不一定在水相與有機相之間進行，發展出了雙水相萃取法、反膠束萃取法和超臨界流體萃取法等新技術。化妝品界套用較多的為超臨界流體萃取技術。其具有以下特點：

1、超臨界萃取可以在接近室溫(35～40℃)及CO2氣體籠罩下進行提取，有效地防止了熱敏性物質的氧化和逸散。因此，在萃取物中保持著藥用植物的有效成分，而且能把高沸點、低揮發性、易熱解的物質在遠低於其沸點溫度下萃取出來；

2、使用SFE是最乾淨的提取方法，由於全過程不用有機溶劑，因此萃取物絕無殘留的溶劑物質，從而防止了提取過程中對人體有害物的存在和對環境的污染，保證了100%的純天然性；

3、萃取和分離合二為一，當飽和的溶解物的CO2流體進入分離器時，由於壓力的下降或溫度的變化，使得CO2與萃取物迅速成為兩相（氣液分離）而立即分開，不僅萃取的效率高而且能耗較少，提高了生產效率也降低了費用成本；

4、CO2是一種不活潑的氣體，萃取過程中不發生化學反應，且屬於不燃性氣體，無味、無臭、無毒、安全性非常好；

5、CO2氣體價格便宜，純度高，容易製取，且在生產中可以重複循環使用，從而有效地降低了成本；

6、壓力和溫度都可以成為調節萃取過程的參數，通過改變溫度和壓力達到萃取的目的，壓力固定通過改變溫度也同樣可以將物質分離開來；反之，將溫度固定，通過降低壓力使萃取物分離，因此工藝簡單容易掌握，而且萃取的速度快。

（6）、層析當發酵液濃縮物隨流動相流經裝有固定相的層析柱時，混合物中各物質因分子大小不同而被分離的技術，是1960年代才發展起來的快速、簡便而高效的分離技術，套用非常廣泛，如可用於脫鹽、去除熱源物質、濃縮高分子溶液、測定相對分子量、純化抗生素等領域。其原理是基於被分離物質分子大小的不同，大分子物質不易進入凝膠顆粒（固定相）的微孔，因此向下流動的速度快；小分子物質除了可在凝膠顆粒間擴散外，還可進入凝膠的微孔中，因此向下流動的速度慢。

已發展出了氣相色譜、中壓液相色譜、高效液相色譜等新方法來分離樣品。

層析法的最大特點是分離效率高，它能分離各種性質極相類似的物質。而且它既可以用於少量物質的分析鑑定，又可用於大量物質的分離純化製備。因此，作為一種重要的分析分離手段與方法，它廣泛地套用於科學研究與工業生產上。它在石油、化工、醫藥衛生、生物科學、環境科學、農業科學等領域都發揮著十分重要的作用。

（7）、膜分離依靠特定的膜允許物質透過或被截留的過程。膜分離近似於篩分過程，依據濾膜孔徑的大小而達到分離的目的。按分離粒子或分子大小的不同，分為透析、電滲析、微濾、超濾、反滲透和納米過濾等六種過程。套用在化妝品領域的主要為微濾，鑒於微孔濾膜的分離特徵，微孔濾膜的套用範圍主要是從氣相和液相中截留微粒、細菌以及其他污染物，以達到淨化、分離、濃縮的目的。

提純關鍵步驟

生物提純在提取環節中的關鍵步驟包括：萃取、層析和膜分離。

發酵產品的後加工

（1）結晶是製備純物質的一種有效方法。結晶過程因具有高度選擇性，只有同類分子或離子才能形成結晶，所以析出的晶體很純。在發酵工業中，結晶廣泛用於抗生素、胺基酸、有機酸、糖、核苷酸、維生素、輔酶等小分子的生產。

（2）乾燥生物產品含水易引起水解變性，影響質量，所以必須進行乾燥處理。工業上乾燥設備很多，但因生物製品大多為熱敏性物質，易變性失活，所以用於生化產品的乾燥必須快速高效，加熱溫度不能過高，產品與乾燥介質的接觸時間不能太長，而且為防止雜質混入和保持潔淨乾燥，乾燥過程必須在密閉條件下進行。

生物發酵提純技術的優勢

傳統方法獲取的一些植物精油和植物精華，純度和活性一般在20%—30%左右。而用生物發酵提純技術獲取的植物活性精華與植物精油純度均可高達99.99%。