【由于本课程讲的是生化技术，所以生物工程的细节是非重点】
疑问：什么叫生长对数期？为什么要选择微生物生产目的产物的时候要挑生长对数期？
微生物的生长对数期是指微生物培养过程中细胞数量呈指数级增长的关键阶段。
关于对数期的解释，需要从微生物生长曲线说起。微生物在培养过程中会经历四个典型阶段：延滞期、对数期、稳定期和衰亡期。
对数期之所以重要，是因为这个阶段细胞分裂最快，生理状态最活跃。
对数期获得目标产物的关键窗口。
在工业生产中，选择对数期收获微生物或产物主要有三个关键原因：
相对延滞期：细胞活性高，代谢旺盛，适合做菌种或酶源；
注：对数期的细胞以恒定速率分裂（如大肠杆菌每20分钟分裂一次）。
相对稳定器和衰亡期
一是：细胞年龄、大小、生理状态高度同步（90%以上细胞处于相同生长阶段）,细胞成分均一，有利于后续分离纯化；
二是：能避开稳定期的副产物积累。
注：稳定期虽然生物量最大，但细胞开始积累储存物质（颗粒（糖原、脂肪等））和次级代谢产物；
衰亡期则出现自溶，释放大量杂质。
细胞开始释放蛋白酶消化对自己没有用的武物质（降解目标蛋白）
细菌为了竞争有限的生存资源开始产生内毒素（如革兰氏阴性菌外膜脂多糖）
被杀死的细菌会自溶释放DNA（增加溶液黏度，阻碍过滤）
具体怎么判断对数期呢？实际操作中可以通过监测OD值（光密度）或细胞数量变化，当生长曲线出现直线上升段时就是对数期了。不同微生物的对数期时长差异很大，比如大肠杆菌在适宜条件下可能只有几小时，而某些真菌可能持续数天。对数期的持续时长还受营养浓度、温度、pH等影响（通常数小时至数天）。
生长对数期的特点：
细胞分裂速率最大化
三、实际生产中的操作策略
1. 收获时机控制
对数期末期（Late-Log Phase）：
当细胞密度达到最大生长速率的70-80%时收获（此时产物积累与细胞活性达到平衡）。
监测指标：
光密度（OD600）：通常OD=0.6-1.0（细菌）或OD=4-8（酵母）
细胞计数：显微镜或流式细胞仪
代谢参数：溶氧骤降、pH突变
2. 典型应用案例
产物类型 微生物 对数期操作 效果
胰岛素（重组） 大肠杆菌 OD600=0.8时诱导表达 包涵体得率提高40%，杂质减少
青霉素 产黄青霉菌 菌丝长度达临界值时转入生产罐 避免过早转入导致产量下降
乳酸 乳酸杆菌 pH降至5.5时开始连续补料 维持对数期延长至24小时，产率+30%
四、例外情况：稳定期的应用
少数产物需在稳定期收获：
次级代谢产物：
抗生素（如链霉素）、色素等需营养胁迫诱导合成。
孢子/芽孢：
枯草芽孢杆菌的芽孢形成于稳定期。
储存物质：
聚羟基脂肪酸酯（PHA）在碳氮比失衡时积累。
💡 关键原则：
胞内产物/生长关联型产物 → 选对数期
次级代谢产物/胁迫诱导型产物 → 选稳定期
五、技术挑战与解决方案
问题 对策
对数期窗口短（仅数小时） 连续培养、恒化器（Chemostat）技术
高密度培养时营养耗尽过快 补料分批发酵（Fed-batch）
细胞状态监测延迟 在线传感器（如拉曼光谱实时监测代谢）

动植微生物细胞培育获取目标产物收获前，要对发酵液进行预处理。
一、发酵液预处理的核心目的
| 目标类型 | 具体作用 | 对下游工艺的影响
| 改变发酵液物理性质| 降低黏度、增大颗粒尺寸、破坏胶体稳定性| 提升固液分离效率（过滤速度↑10-100倍，离心能耗↓30-50%）
| 去除部分杂质 | 清除可溶性杂蛋白、核酸、无机盐、色素 | 保护层析柱/膜系统，减少纯化步骤（如离子交换柱寿命延长2-3倍）
| 保护目标产物 | 抑制蛋白酶活性、防止氧化降解 | 提高产物回收率（如抗生素活性损失率<5% vs 未处理时>30%）
二、发酵液预处理的关键内容
1. 过滤特性改变
| 参数 | 预处理前 | 预处理后目标 | 技术手段 |
|-----------------|------------------------------|---------------------------------|------------------------------|
| 黏度 | 高（1-5000 mPa·s） | 降至<50 mPa·s | 加热、稀释、酶解核酸 |
| 颗粒粒径 | 0.1-10 μm（易堵滤膜）| 增大至50-200 μm | 絮凝（如壳聚糖诱导聚集） |
| Zeta电位 | -15至-40 mV（胶体稳 | 接近0 mV（促聚沉） | pH调节、添加电解质 |
2. 发酵液的相对纯化
| 杂质类型 | 去除原理 | 典型方法 |
| 可溶性蛋白 | 变性沉淀 | 加热（60-80℃）、调等电点（pH 4-5） |
| 核酸 | 酶解或凝聚 | 添加DNA酶、聚乙烯亚胺（PEI）絮凝 |
| 金属离子 | 沉淀或螯合 | 草酸盐沉淀Ca²⁺、EDTA络合Fe³⁺ |
| 色素 | 吸附或氧化 | 活性炭吸附、H₂O₂脱色 |
三、预处理方法的技术细节
1. 凝聚与絮凝（最核心）
| 类型 | 作用机制 | 常用试剂 | 适用场景 |
| 凝聚 | 压缩双电层（DLVO理论 | Al₂(SO₄)₃、FeCl₃ | 细菌/酵母发酵液（pH 5-7） |
| 絮凝 | 高分子桥联作用 | 聚丙烯酰胺（PAM）、壳聚糖 | 真菌菌丝体（带负电荷表面） |
- 效果对比：
- 未处理发酵液滤速：0.1-0.5 m³/(m²·h)
- 絮凝后滤速：5-20 m³/(m²·h)（提升50倍以上）
2. 加热（低成本高效）
- 温度控制：
- 60-70℃（目标产物是耐热产物）：灭活蛋白酶，凝固杂蛋白
- 80-90℃（目标产物是热稳定产物）：彻底破坏细胞结构
- 案例：青霉素发酵液加热至70℃，滤速提高3倍，同时灭活青霉素酰化酶
3. pH调节（精准控制）
| 目标 | pH范围 | 作用 |
| 等电点沉淀杂蛋白 | 3.5-5.5 | 去除60-80%可溶性蛋白 |
| 促进絮凝剂作用 | 6.0-7.0（阳离子絮凝剂| 增强电荷中和效果 |
| 防止目标产物降解 | 根据产物特性 | 如维生素C需pH 2.5防氧化 |
5. 稀释（双刃剑）
- 优势：黏度↓50-90%，适用于高固含量发酵液（如放线菌发酵）
- 代价：增加后续浓缩能耗（每稀释1倍，蒸发能耗↑70%）
关键结论
发酵液预处理是分离纯化的成败关键，通过：
✅ 物理改性（黏度↓、粒径↑）→ 解决分离可行性问题
✅ 化学纯化（去杂蛋白/核酸）→ 解决纯化经济性问题
实现从“难以处理的混沌体系”到“可高效分离的工程物料”的转化，为下游工序奠定技术经济性基础。

【补充】为什么发酵液很黏呢？
发酵液和腐烂食物表现出的黏稠特性，主要源于微生物代谢产生的高分子物质及其细胞破裂释放的胞内成分。
这些物质通过形成网状结构、增加流体阻力导致黏度上升。
发酵液黏稠的核心物质
1. 胞外多糖（EPS）如黄原胶——黏性主力军。
2. 核酸（DNA/RNA）——隐形增稠剂来源：微生物自溶或机械损伤释放
3. 蛋白质胶体类型 来源 增稠原理
分泌蛋白 微生物胞外分泌 疏水区聚集形成胶束
破裂细胞蛋白 离心/搅拌导致细胞破碎 变性后疏水基暴露，相互交联
4 .微生物菌体本身丝状真菌（如青霉菌）：
菌丝体形成三维网状结构（类似棉花纤维）
酵母聚集体：出芽繁殖未分离，形成颗粒簇（直径>100 μm）
黏性形成的科学机制来源于高分子溶液特性：
机制 原理 实例
分子链缠结 长链聚合物相互穿插形成物理交联 黄原胶浓度>0.3%时发生缠结
电黏效应 带电基团（-COO⁻, -PO₄²⁻）吸引反离子水合层 DNA溶液黏度随盐浓度升高而下降
浓度逾渗 达到临界浓度后黏度指数级上升 1%葡聚糖溶液黏度≈水，2%时暴增
工业应对策略：
1. 降低多糖影响
酶解法：添加β-葡聚糖酶（水解黄原胶主链） → 黏度↓90%
稀释法：加水降低浓度（代价：增加后续处理体积）
2. 消除核酸黏性
核酸酶处理：添加DNase I（水解DNA长链） + Mg²⁺激活 → 黏度↓70%
絮凝沉降：阳离子聚合物（如PEI）中和电荷促核酸沉淀
3. 破坏胶体结构
方法 作用 参数
加热 蛋白变性、凝胶网络熔解 60-80℃维持10-30 min
pH调节 改变电荷分布促聚集 等电点（pH 4-5）处理
添加电解质 压缩双电层减少水合层 0.1 M NaCl可降黏50%
关键结论
发酵液与腐烂食物的黏性本质是：
🔬 微生物代谢产生的“生物聚合物”（多糖/核酸/蛋白）在溶液中形成：
✅ 物理缠结（长链分子穿插） + ✅ 电化学作用（电荷-水合层） + ✅ 微观结构（网络/凝胶）
工业预处理通过生物酶切、物理破胶、化学改性三重手段破解黏性困局，为高效分离扫清障碍。

【补充】黄原胶是什么
黄原胶是菌在发酵过程中分泌的一种阴离子胞外多糖，由葡萄糖、甘露糖、葡糖醛酸等单糖构成的高分子聚合物。具有独特的“五糖重复单元”结构和侧链修饰。
黄原胶的分子结构与特性
1. 化学结构
A[主链] --> B[β-1,4-葡萄糖骨架]
A --> C[侧链] --> D[甘露糖-葡糖醛酸-甘露糖三糖单元]
C --> E[部分甘露糖携带丙酮酸基团]
C --> F[部分甘露糖携带乙酰基]
分子量：2×10⁶ ~ 20×10⁶ Da（超长链聚合物）
带电性：葡糖醛酸与丙酮酸基团赋予负电荷（pH>4时）
2. 核心物理特性
性质 机制 应用价值
高粘度 分子链缠结 + 侧链氢键作用 1%溶液黏度可达水1000倍
pH/热稳定性 侧链保护主链抗酸碱/高温（80℃以下稳定） 酸性饮料/高温灭菌食品
盐响应性 盐浓度↑ → 黏度↑（电荷屏蔽效应） 油气钻探泥浆抗盐增稠
假塑性 剪切变稀（外力下解缠结） 无
微生物产生黄原胶的生物学原因
微生物合成黄原胶并非“自愿服务人类”，而是进化出的生存策略，核心目的包括：
1. 构建保护性生物膜（Biofilm）
物理屏障：
黄原胶在菌体表面形成凝胶层，阻挡：
✅ 噬菌体入侵
✅ 宿主免疫细胞（如植物防御反应）
✅ 抗生素/杀菌剂渗透
案例：野油菜黄单胞菌侵染十字花科植物时，黄原胶屏障使其耐药性提高100倍。
2. 增强环境适应性
环境胁迫 黄原胶的防护机制
干旱 锁住水分（1g黄原胶结合200g水）
营养匮乏 作为碳源储备（可被胞外酶降解回用）
pH波动 缓冲酸碱冲击（羧基电离调节H⁺浓度）
3. 促进定殖与扩散
黏附作用：
阴离子多糖吸附于植物气孔/根部，辅助病原菌定殖。
流动性控制：
假塑性使菌落在外力（如雨水冲刷）下暂时降低黏度，利于扩散至新区域。
4. 调控群体感应（Quorum Sensing）
黄原胶凝胶网络可：
✅ 浓缩信号分子（如AHLs）
✅ 加速菌群协作响应
黄原胶的工业应用场景
1. 食品工业（70%市场份额）
功能 应用实例 替代方案对比
增稠/悬浮 果粒橙汁（防果肉沉淀） 明胶（动物源）→ 黄原胶（素食）
冷冻/解冻稳定剂 冰淇淋（抑制冰晶生长） 羧甲基纤维素（口感较差）
泡沫稳定 啤酒（维持绵密泡沫层） ——
2. 油气开采（“水下脚手架”）
作用：
钻探泥浆：携带岩屑上浮
压裂液：悬浮支撑剂（砂粒）进入岩缝
优势：
✅ 抗盐（海水配制仍稳定）
✅ 抗剪切（钻头高速旋转不失效）
3. 医药领域
药物缓释：胃酸中稳定 → 肠道pH触发降解
伤口敷料：高吸水性 + 透氧性

以下是针对发酵液预处理中相关技术的深度解析，结合机理与工业实践系统阐述：
采用凝聚和絮凝技术能有效改变细胞、细胞碎片及溶解大分子物质的分散状态，使其聚结成较大的颗粒，便于提高过滤速率；还能有效除去杂蛋白质和固体杂质，提高滤液质量
一、凝聚与絮凝：胶体脱稳的“双剑合璧”
1. 作用机制对比
| 过程 | 原理 | 试剂举例 | 目标粒径变化 |
| 凝聚 | 压缩双电层（DLVO理论）添加电解质中和电荷 → 降低Zeta电位至±5mV以内 | Al₂(SO₄)₃、FeCl₃、CaCl₂ | 1~10 μm → 10~50 μm |
| 絮凝 | 高分子桥联作用 长链聚合物同时吸附多个颗粒 → 形成三维网状絮团 | 聚丙烯酰胺(PAM)、壳聚糖 | 50 μm → 200~1000 μm |
> 典型案例：
> 青霉素发酵液中添加0.1% AlCl₃（凝聚剂） + 10 ppm 阴离子PAM（絮凝剂） → 将发酵液胶体转变为悬浊溶液，滤速从0.2 m³/h提升至5.8 m³/h（29倍增长）
工业级操作规范
A[发酵液] --分步添加策略（凝聚→絮凝）
> B{调pH至最佳值}
B --> C[添加凝聚剂+快搅200rpm/1min]
C --> D[添加絮凝剂+慢搅50rpm/10min]
D --> E[静置沉降/过滤]
快搅目的：促进凝聚剂均匀分散与电荷中和
慢搅目的：避免剪切力破坏絮团生长
2. 关键操作参数
| 参数 | 凝聚阶段要求 | 絮凝阶段要求 | 偏离后果 |
| 搅拌速度 | 高速（200~300 rpm） | 低速（30~50 rpm） | 絮凝阶段会高速破坏絮团 → 粒径↓ |
| 作用时间 | 1~3 min | 5~15 min | 时间不足 → 絮体密实度↓30% |
| 温度 | 20~40℃（避免破胶） | 同左 | >60℃导致高分子链断裂 |
二、pH调控：
pH值直接影响发酵液中某些物质的电离度和电荷性质，适当调节pH值可改善其过滤特性
1. pH对分离效率的三重影响
| 作用维度 | 科学机制 | 工业案例 |
| 胶体电荷调控 | 调节Zeta电位至等电点（pI）→ 杂质蛋白/细胞表面电荷归零 → 促凝集 | 酵母发酵液调至pH 4.5（pI）→ 絮凝剂用量减半 |
| 产物稳定性保护 | 避开目标产物降解的pH区间 如青霉素在pH 6.5~7.0稳定，pH<4或>8快速水解 | 控制pH 6.8±0.2 → 青霉素回收率>90% |
| 晶体抑制 | 防止Ca²⁺/Mg²⁺形成草酸盐杂质沉淀• pH>6.5时草酸钙溶解度骤降 | 柠檬酸发酵液维持pH 3.0 → 减少结晶堵塞风险 |
2. pH与絮凝剂的协同效应
- 阳离子絮凝剂（如壳聚糖）：
- 最佳pH 5.0~6.0（此时-NH₃⁺电离度高，电荷密度大）
- 阴离子絮凝剂（如PAM）：
- 最佳pH 7.0~8.0（避免H⁺竞争结合胶体负电荷位点）
结论
发酵液预处理中：
🔧 凝聚/絮凝是破解固液分离难题的物理化学钥匙——通过精准操控胶体界面行为，将“顽固胶体”转化为“易滤絮团”。
⚖️ pH调控则是贯穿全程的电荷平衡术，在保护产物活性、抑制杂质间走钢丝。
二者协同构成生物分离工程的基石，直接决定下游纯化的技术经济性。

【补充】双电层是什么？
胶粒本体（如蛋白质、细菌细胞壁、酶）由于电离作用、选择性吸附等带有固定不动的带电基团（如蛋白质-coo-和-NH₃⁺），形成了胶粒的表面电荷层。
生物胶体（蛋白质/细胞）：主要靠 自身基团电离（如-COOH → -COO⁻）带电
无机胶体：才主要依赖 选择性吸附（如AgI吸附I⁻带负电）
胶粒 先有本征电荷（如负电），吸附阳离子是为中和负电，不会导致胶粒带正电；只有吸附过量高价阳离子（如Al³⁺），才可能发生电荷反转。
由于整个溶液是电中性的，所以胶粒附近还应有等量的反离子存在。
固定层：溶液中被静电吸引的外来反离子紧密吸附在溶胶粒子表面形成了一层单分子层（厚度≈0.5 nm），反离子与粒子表面电荷相反，不能随溶液流动而流动，但是可以在不脱落的前提下平行滑动，也称为吸附层。
扩散层：松散分布的反离子受静电吸引+热运动扩散（厚度1~100 nm）
Zeta电位：滑动面（固定层与扩散层交界处） 的电势值，决定胶体稳定性
固粒表面吸附的反离子和溶液中的反离子构成双电层。
反离子在溶液中受到两个方向相反的作用：
1.固粒表面被吸附的离子的引力，力图将它们拉向界面；
2.离子本身的热运动，使之离开界面而扩散到溶液中去，
其结果使反离子在固粒表面外呈平衡分布：靠近界面处反离子浓度大些；随着与界面距离的增大，反离子由多到少，形成扩散分布。
双电层的厚度随溶液中离子浓度和电荷数而不同。

【补充】桥联作用的本质：高分子的“多爪吸附术”1，关键步骤：
i. 链段伸展：高分子在溶液中舒展成长链（分子量>10⁶ Da）
ii. 多点吸附：同一高分子链通过静电/氢键/疏水作用 同时抓住多个胶体颗粒
iii. 网络编织：多条高分子链交联 → 形成 “颗粒-高分子-颗粒” 的网状结构
特性 凝聚（电解质） 絮凝（高分子桥联）
作用力 电荷中和（短程） 物理架桥（长程）
结构强度 弱（易被剪切破坏） 强（抗剪切网状结构）
絮团尺寸 1~100 μm 0.1~10 mm
孔隙率 低（密实沉淀） 高（疏松网状，含水率>95%）

降低液体粘度的常用方法
❑ 加水稀释法
❑ 加热法 只适合对热稳定的生物活性物质

凝聚和絮凝
凝聚是指在电解质的作用下，发酵液中的胶体脱稳并使粒子相互聚集成1mm大小的凝聚体的过程
凝聚是在中性盐作用下，由于双电层排斥电位的降低，而使胶体体系不稳定的现象
絮凝是指在某些高分子絮凝剂存在下，基于架桥作用，使胶体粒子交联成网状10mm大小絮凝团的过程
絮凝是指在某些高分子絮凝剂存在下，基于架桥作用，使胶粒形成粗大的絮凝团的过程，是一种以物理的集合为主的过程

【补充】加热为什么能降低液体粘度？（高温状态下为什么液体粘度下降？）
加热降低液体粘度的本质在于削弱分子间作用力和增加分子动能，以下是具体机制及工业应用分析：
一、粘度本质：流动阻力的微观解释
粘度（η） 反映流体流动时内摩擦阻力，微观上取决于：
1. 分子间作用力（范德华力/氢键）
2. 分子链缠结（高分子流体）
3. 自由体积（分子可活动空间）
二、加热降粘的四大物理机制
1. 分子动能提升 → 挣脱束缚
- 公式：分子平均动能 \( Ek = \frac{3}{2} kT \)
- 效果：
温度每升高10°C，分子动能增加约3.3% → 更易克服分子间引力
案例：
重油（20°C, η=10 Pa·s）→ 加热至80°C → η降至0.1 Pa·s（降幅99%）
2. 削弱分子间作用力
| 作用力类型 | 温度敏感性 | 加热效果 |
| 范德华力 | 中 | 按 \( T^{-1/2} \) 减弱 |
| 氢键 | 高 | 60°C以上显著断裂 |
| 离子间静电 | 低 | 基本不受影响 |
实验证据：
- 水在25°C时氢键寿命≈1 ps → 90°C时缩短至0.1 ps
- 甘油（多羟基化合物）加热效果：
20°C: η=1.5 Pa·s → 50°C: η=0.3 Pa·s（氢键网络破坏）
```
3. 增加自由体积（Free Volume）
- 自由体积理论：
η=Aexp(Bv0/vf)
η：动力粘度
A,B：材料常数（B 通常≈1，量纲为1）
v0：分子紧密堆积时的占有体积（Occupied Volume）
vf：自由体积（Free Volume）
- 加热作用：
温度↑ → 分子热膨胀 → 自由体积 \( Vf \) ↑ → 粘度指数级下降
4. 解缠结（高分子流体特有）
A[低温] --> B[分子链紧密缠结]
C[加热] --> D[链段运动增强]
D --> E[解缠结]
E --> F[粘度下降]
- 案例：
聚丙烯熔体（180°C, η=5000 Pa·s）→ 升至240°C → η降至800 Pa·s
三、不同流体的温度敏感性对比
| 流体类型 | 粘度温度系数 | 典型应用场景 |
| 牛顿流体（水） | 低（-2%/°C） | 管道输送节能 |
| 非牛顿流体 | 中（-5%/°C）| 涂料喷涂 |
| 高分子熔体 | 高（-10%/°C）| 注塑成型 |
| 玻璃熔体 | 极高（-15%/°C）| 玻璃吹制工艺 |
> 注：水的粘度变化：
> 0°C: 1.79 mPa·s → 100°C: 0.28 mPa·s（下降84%）
四、工业应用案例
1. 石油管道输送
- 问题：
含蜡原油在15°C时粘度高达5000 mPa·s（无法泵送）
- 方案：
加热至60°C → 粘度降至80 mPa·s
- 节能效益：
输送能耗降低70%，管道通量提升300%
2. 聚合物注塑成型
- 工艺窗口：
- PC塑料：300°C时η=300 Pa·s（可充模）
- 低于280°C：η>1000 Pa·s（充模不全）
- 温度控制精度：需±1°C（防止降解）
3. 食品加工（巧克力调温）
- 关键温度点：
- 40°C：η=25 Pa·s（流动性差）
- 50°C：η=8 Pa·s（可浇注成型）
- 过热风险：>55°C油脂分离（需精准控温）
五、例外情况（粘度随温度升高）
1. 负粘度温度系数流体
| 物质 | 温度范围 | 反常现象原因 |
| 液态铋 | 300-600°C | 层状结构熔融 |
| 部分离子液体 | 窄温区 | 预相变有序化 |
2. 生物大分子变性
- 案例：
鸡蛋清蛋白溶液：
- 25°C: η=2 mPa·s
- 加热至70°C → 蛋白聚集 → η骤增至50 mPa·s
结论
加热降粘的核心机制是：
🔥 动能增加（克服作用力） + 📦 自由体积扩大（分子易移动）
工业中通过精准控温（如原油管道±2°C、注塑±1°C）实现：
- ⚡ 能耗降低30-70%
- 🚀 流动效率提升200-500%
需注意高分子降解（>临界温度）和生物分子变性等反效应！

【补充】凝聚是化学变化，而絮凝是物理变化，为何？
根据胶体化学原理，凝聚（Coagulation）和絮凝（Flocculation）在本质上的区别源于它们的作用机制和涉及的相互作用类型。以下是详细解释，说明为何凝聚被视为化学变化，而絮凝被视为物理变化。
1. 凝聚（Coagulation）是化学变化的原因
凝聚过程主要涉及胶体粒子的电荷中和和双电层压缩，这改变了粒子的表面化学性质，属于化学变化。
原因如下：
- 机制核心：电荷中和
在电解质（如盐类）作用下，胶体粒子表面的电荷被中和，导致双电层排斥电位（Zeta 电位，记作 $\zeta$）降低。这破坏了胶体的稳定性，使粒子脱稳并聚集。该过程涉及离子交换或静电相互作用，属于化学键级别的变化（如离子键的形成或破坏）。
- 公式支持：Zeta 电位 $\zeta$ （ζ）与电解质浓度 $c$ 的关系可用双电层理论描述：
$$
\zeta \propto \frac{1}{\sqrt{c}} 即ζ∝1/√c
$$
其中 $c$ 是电解质浓度。此公式表明，增加电解质浓度会显著降低 $\zeta$，导致排斥力减弱，粒子通过化学吸引力（如范德华力或库仑力）聚集。这涉及到胶体表面化学性质的改变，而非单纯物理状态的变化。
- 化学变化的特征：
- 新键的形成：电解质离子（如 $\ce{Na+}$ 或 $\ce{Ca^{2+}}$）与胶体表面电荷发生反应，形成临时离子键，改变了粒子的化学环境。
- 不可逆性：凝聚过程通常是不可逆的，因为电荷中和后，粒子难以重新分散（除非改变化学条件，如 pH 或离子强度）。
- 示例：在发酵液中添加 $\ce{AlCl3}$（电解质），胶体粒子因 $\ce{Al^{3+}}$ 离子的电荷中和而脱稳，形成凝聚体。这本质上是化学反应驱动的。
2. 絮凝（Flocculation）是物理变化的原因
絮凝过程主要基于高分子絮凝剂的物理吸附和架桥作用，不改变胶体粒子的化学组成，仅通过物理力将粒子连接，因此属于物理变化。原因如下：
- 机制核心：物理架桥
高分子絮凝剂（如聚丙烯酰胺）的长链结构通过物理吸附（如氢键或范德华力）同时结合多个胶体粒子，形成“架桥”效应，最终生成絮凝团。此过程不涉及化学键的改变，仅粒子间物理位置的调整。
- 公式支持：架桥作用中的吸附力 F吸附 与粒子间距 $r$ 的关系可简化为：
$$
F{\text{吸附}} \propto \frac{1}{r^2} F吸附∝1/r^2
$$
此公式描述了物理力（如范德华力）随距离衰减的特性，强调粒子间通过物理吸引而非化学反应交联。
- 物理变化的特征：
- 无化学组成改变：胶体粒子本身未被化学修饰；高分子絮凝剂仅作为“桥梁”物理地连接粒子，形成疏松网状结构。
- 可逆性：絮凝过程通常是可逆的（如通过搅拌或稀释可破坏絮凝团），因为作用力较弱，不涉及键合断裂。
- 示例：添加聚丙烯酰胺到胶体体系中，高分子链吸附粒子表面，通过物理架桥形成絮凝团。这类似于物理集合（如磁铁吸引铁屑），而非化学反应。
总结：核心区别
| 特征 | 凝聚（化学变化） | 絮凝（物理变化） |
| 主导作用 | 电荷中和、双电层压缩（化学键级别变化） | 架桥吸附（物理力集合） |
| 公式体现 |ζ∝1/√c（化学电位变化） | F吸附∝1/r^2（物理力衰减） |
| 可逆性 | 通常不可逆（化学键形成后难逆转） | 通常可逆（物理连接易破坏） |
| 粒子变化 | 表面化学性质改变（如电荷中和） | 仅物理位置重组（化学组成不变） |
简言之，凝聚是化学变化，因为它涉及胶体表面电荷的化学修饰和键合变化；絮凝是物理变化，因为它仅通过物理力实现粒子集合，不触及化学本质。这一区别在胶体稳定性和水处理等领域至关重要。

发酵液的相对纯化
高价无机离子的除去
对产品质量影响较大的无机杂质主要有Ca2+、Mg2+、Fe3+等高价金属离子，预处理中应将它们除去
通过沉淀或离子交换法去除，离子电荷平衡方程示例：
2PO4^3− + 3Ca2+ −> Ca3(PO4)2↓
杂蛋白质的除去
沉淀法、变性法、吸附法
沉淀法：调节 pH 至等电点（pI）
pI=（pKa+pKb）/2(两性电解质)
吸附法：利用吸附剂表面积 SadsSads 与蛋白质结合
生物活性物质存在部位
“胞内”与 “胞外”两种存在部位
胞外物质由细胞产生，再分泌至细胞外环境
胞内物质存在于细胞内，但有的游离在胞浆中，有些结合于质膜或器膜上，或存在于细胞器内（如线粒体、溶酶体）
关键处理目标函数
为优化纯化效率，需最大化目标产物回收率 ηη：
η=Cproduct/Ctotal×100
其中 CtotalCtotal 为初始总浓度，CproductCproduct 为纯化后浓度。

细胞破碎
采用物理、化学、酶或机械的方法，在一定程度上破坏细胞壁和细胞膜，设法使胞内产物最大程度地释放到液相中
细胞破碎机理：
a.压缩/撞击破碎
原理：施加冲击力或压力，导致细胞壁脆性断裂。
应用：高压匀浆、珠磨。
b.剪切破碎
原理：通过流体剪切应力破坏细胞壁。
应用：高速搅拌、超声波处理。
c.化学渗透
原理：利用化学剂（如去垢剂、酶）改变渗透压，使细胞膜破裂。
应用：酶解法（如溶菌酶）、渗透压冲击。
细胞破碎的主要阻力来自于细胞壁（如肽聚糖、脂多糖）
一般来说，细胞壁的结构和强度取决于其组成以及相互之间交联的程度。
不同类型的微生物（如细菌、酵母、霉菌，如革兰氏阳性菌壁厚、酵母壁多糖丰富）其细胞壁的结构特性是不同的，取决于遗传（如基因表达）和环境因素（如培养条件）。

细胞破碎方法分类
细胞破碎方法主要分为机械法（通过物理力破坏细胞结构）和非机械法（通过化学、生物或环境变化诱导细胞破裂）。以下是完整分类：
- 机械法
- 固体剪切作用（通过固体介质间的摩擦和剪切力破碎细胞）
- 珠磨法（使用玻璃珠或金属珠在高速搅拌下破碎细胞）
- 压榨法（通过高压迫使细胞通过狭窄缝隙，产生剪切力）
- 液体剪切作用（通过液体流动或冲击力破碎细胞）
- 高压匀浆法（细胞悬浮液在高压下通过匀浆阀，产生高速剪切）
- 超声波破碎法（利用超声波空化效应产生局部高压和剪切力）
- 非机械法
- 干燥处理（通过脱水改变细胞渗透压或结构，导致破裂）
- 空气干燥（在空气中缓慢脱水，使细胞收缩破裂）
- 真空干燥（在真空条件下加速脱水）
- 冷冻干燥（先冷冻后真空脱水，冰晶形成破坏细胞膜）
- 喷雾干燥（将细胞悬浮液雾化后热风干燥，快速脱水破碎）
- 溶胞作用（通过溶解细胞壁或膜实现破裂）
- 酶溶法（使用酶如溶菌酶特异性降解细胞壁）
- 化学法（使用化学试剂如去污剂或有机溶剂溶解膜结构）
- 物理法（通过物理变化如渗透压冲击或冻融循环诱导破裂）
简要说明
- 机械法：依赖物理力（剪切、冲击），适用于大规模处理，但可能产生热量或碎片，需控制参数（如压力或时间）以避免产物变性。
- 非机械法：更温和，适用于敏感生物分子（如酶或DNA），但可能引入化学残留或耗时较长。例如：
- 干燥处理中，冷冻干燥（冻干）常用于保存活细胞产物，过程涉及相变：水从固态直接升华
- 溶胞作用中，酶溶法特异性高，但成本较高；物理法如冻融循环利用冰晶膨胀破坏细胞