預(yù)處理和固液分離生物分離工程.ppt

1,發(fā)酵液的預(yù)處理和固液分離 第一講,2,預(yù)處理和固液分離內(nèi)容,固液分離,發(fā)酵液,胞外 上清液/濾液,預(yù)處理,提取生化物質(zhì)的第一步，分兩部分：,胞內(nèi) 富集細胞,3,發(fā)酵液成分很復(fù)雜，包含菌（細胞）體，胞內(nèi)外代謝產(chǎn)物，及剩余的培養(yǎng)基殘分等。 不管人們所需要的產(chǎn)物是胞內(nèi)還是胞外，都首先要進行培養(yǎng)液的預(yù)處理和固液分離開，才能進行后續(xù)操作： 對于胞外產(chǎn)物，可先將菌體或其他懸浮雜質(zhì)去處，才能從澄清的濾液中提取代謝產(chǎn)物。 對于胞內(nèi)產(chǎn)物，首先富集菌體，再進行細胞破碎和碎片分離，然后提取胞內(nèi)產(chǎn)物。,4,14.1 發(fā)酵液的預(yù)處理（Pretreatment ）,5,為何要對發(fā)酵液進行預(yù)處理？,發(fā)酵液的基本特性 發(fā)酵產(chǎn)物濃度較低，大多為1-10%， 懸浮物顆粒小，細胞的相對密度與培養(yǎng)液相似。 固體粒子可壓縮性大 液相粘度大，大多為非牛頓型流體； 懸浮狀態(tài)穩(wěn)定：雙電層、水化膜、布朗運動,6,為何要對發(fā)酵液進行預(yù)處理？,固液分離方法主要是過濾和離心。 對于細菌及某些放線菌，菌體細小，液體粘度大，不能直接過濾，若用高速離心，能耗很大，設(shè)備昂貴。若用膜分離技術(shù)（如微濾）易產(chǎn)生膜污染，通量降低。 發(fā)酵液中由于菌體自溶，核酸、蛋白質(zhì)及其它有機粘性物質(zhì)的存在也會影響固液分離。 因而尋找一種經(jīng)濟有效的方法來提高固液分離速度顯得十分必要。,7,預(yù)處理的目的,預(yù)處理的目的：促進從懸浮液中分離固形物的速度，提高固液分離的效率： 改變發(fā)酵液的物理性質(zhì)，包括增大懸浮液中固體粒子的尺寸，降低液體黏度。 相對純化，去除發(fā)酵液中的部分雜質(zhì)（高價無機離子和雜蛋白質(zhì)），以利于后續(xù)各步操作。 盡可能使產(chǎn)物轉(zhuǎn)入便于后處理的一相中（多數(shù)是液相）；,8,預(yù)處理的方法,凝聚和絮凝 Coagulation and flocculation 加熱法 Heating 調(diào)節(jié)懸浮液的pH值 Regulation of pH 雜蛋白的去除 Removal of useless protein 高價無機離子的去除 Removal of inorganic ion 助濾劑Filter aids和反應(yīng)劑 Reactant,9,一 凝聚和絮凝在發(fā)酵液預(yù)處理中的應(yīng)用,凝聚與絮凝處理過程就是將化學(xué)藥劑預(yù)先投加到懸浮液中，改變細胞、菌體和蛋白質(zhì)等膠體粒子的分散狀態(tài)，破壞其穩(wěn)定性，使其聚集起來,增大體積以便固液分離。 凝聚和絮凝技術(shù)常用于菌體細小而且黏度大的發(fā)酵液的預(yù)處理中。,10,凝聚和絮凝是兩種方法，兩個概念。 凝聚：指在投加的化學(xué)物質(zhì)（鋁、鐵的鹽類）作用下，膠體脫穩(wěn)并使粒子相互聚集成 mm 大小塊狀凝聚體的過程。 絮凝：指使用絮凝劑（天然的和合成的大分子量聚電解質(zhì)）將膠體粒子交聯(lián)成網(wǎng)，形成10 mm大小絮凝團的過程。其中絮凝劑主要起架橋作用。,凝聚和絮凝,11,凝聚：膠體粒子在中性鹽促進下脫穩(wěn)相互聚集成大粒子（1mm） 機理： 1）中和粒子表面電荷 2）消除雙電層結(jié)構(gòu) 3）破壞水化膜,（一） 凝 聚 Coagulation,12,發(fā)酵液中菌體表面帶有負電荷，由于靜電引力使溶液中反離子被吸附在其周圍，在界面上形成了雙電層。 正離子同時受到使它們均勻分布的熱運動影響，具有離開膠粒表面的趨勢。,膠體雙電層結(jié)構(gòu),13,兩種相反作用力下，雙電層分裂成兩部： 1）吸附層或stern層；2）擴散層。 形成了擴散雙電層的結(jié)構(gòu)模型(Gouy-Chapman-Stern model)。,膠體雙電層結(jié)構(gòu),14,膠體雙電層結(jié)構(gòu),不同界面上形成不同的電位: 膠核表面的電位s是整個雙電層的電位; Stern平面上的電位為d; 滑移面上的電位為,稱電位（電動電位）。,15,電位的計算：,D 水的介電常數(shù)； q 膠體的電動電荷密度，即滑移面上的電荷密度； 擴散層的有效厚度，即為吸附層和擴散層界面處電位d降低到其值為1/e處的距離，不能直接測定. 電位是控制膠粒間電排斥作用的電位，用來表征雙電層的特征，并作為研究凝聚機理的重要參數(shù)。,16, 擴散層的有效厚度,式中 N- 阿伏伽德羅常數(shù)； T- 熱力學(xué)溫度： k 波爾茲曼常數(shù)； e 電子電荷； Zi i種反離子的化合價； Ci i種離子的摩爾濃度。,17,雙電層與凝聚,由式（141）和式（14-2）可知，電位與擴散層厚度和電動電荷密度q成正比，而擴散層厚度又與溶液中反離子強度和電荷成反比。 對帶負電性菌體的發(fā)酵液，高價陽離子的存在，可壓縮擴散層的厚度，促使電位迅速降低，而且化合價越高，這種影響越顯著。,18,凝聚價或凝聚值,在發(fā)酵液中加入具有高價陽離子的電解質(zhì)，能脫除膠粒表面的水化膜，降低電位，使雙電層的排斥力減少，當(dāng)不足以抗衡膠粒間的范德華引力時，由于熱運動的結(jié)果導(dǎo)致膠粒的互相碰撞而聚集起來。 電解質(zhì)的凝聚能力可用凝聚價或凝聚值來表示，使膠粒發(fā)生凝聚作用的最小電解質(zhì)濃度（毫摩爾升），稱為凝聚價或凝聚值。,19,SchulzeHardy法則：反離子的價數(shù)越高，凝聚價越小，即凝聚能力越強。 陽離子對帶負電荷的膠粒凝聚能力受化合價、水化半徑、離子運動能力的影響，次序為,Al3+ Fe3+ H+ Ca2+ Mg2+ K+ Na+ Li+,20,常用的凝聚劑電解質(zhì)有：,硫酸鋁 Al2(SO4)318H2O（明礬）； 氯化鋁 AlCl36H2O; 三氯化鐵 FeCl3; 硫酸亞鐵 FeSO47H2O ； 石灰；ZnSO4；MgCO3,21,絮凝：大分子聚電解質(zhì)將膠體粒子交聯(lián)成網(wǎng)狀，形成絮凝團的過程 機理：架橋作用 采用絮凝法可形成粗大的絮凝體，使發(fā)酵液較易分離。,（二）絮 凝 flocculation,22,絮凝劑是一種能溶于水的高分子聚合物，其相對分子質(zhì)量可高達數(shù)萬至一千萬以上，長鏈狀結(jié)構(gòu)，其鏈節(jié)上含有許多活性官能團，包括離子基團以及非離子型基團。 它們通過靜電引力、范德華引力或氫鍵的作用，強烈地吸附在膠粒的表面。 當(dāng)一個高分子聚合物的許多鏈節(jié)分別吸附在不同的膠粒表面上，產(chǎn)生架橋聯(lián)結(jié)時，就形成較大絮團，產(chǎn)生絮凝作用。,絮 凝,23,高分子絮凝劑的吸附架橋作用,24,可分為三類：人工合成有機高分子聚合物、天然有機高分子聚合物、無機高分子聚合物 1）目前常用的是人工合成有機高分子聚合物，如聚丙烯酰胺類衍生物、聚乙烯亞胺衍生物；聚丙烯酸類和聚苯乙烯類衍生物。,工業(yè)上使用的絮凝劑,25,高分子聚合物絮凝劑根據(jù)活性基團在水中解離情況不同，可分為三類：陰離子型（含有羧基)、陽離子型（含有胺基） 、非離子型,26,聚丙烯酰胺類絮凝劑的優(yōu)點 用量少，一般以mg/L計量； 絮凝體粗大，分離效果好； 絮凝速度快； 種類多，適用范圍廣。,聚丙烯酰胺類絮凝劑的缺點： 存在一定的毒性，特別是陽離子型聚丙烯酰胺，用于食品和醫(yī)藥工業(yè)時應(yīng)謹慎。,目前最常見：聚丙烯酰胺類絮凝劑,27,2）天然有機高分子絮凝劑,人工合成有機高分子絮凝劑雖然發(fā)展很快，但還存在著殘留單體有毒，生物降解難等問題，所以其應(yīng)用受到了限制。天然有機高分子絮凝劑具有無毒，易生物降解，原料來源廣等優(yōu)點。 天然有機高分子改性絮凝劑根據(jù)其原料來源不同可分為淀粉類、纖維素類、植物膠類和聚多糖類。 其中淀粉改性絮凝劑的研究開發(fā)最引人注目。,28,3）無機高分子聚合物,有聚合鐵系和鋁系兩大類 鐵系絮凝劑具有操作簡單、費用低，受溫度影響小，親和力強，能有效地去除懸浮物、表面活性劑、破壞油水乳狀液的能力很強等優(yōu)點，缺點腐蝕性強、穩(wěn)定性差。 鋁系是目前應(yīng)用廣、工藝較成熟的一類無機金屬鹽絮凝劑，絮凝效果好，缺點具毒性等。,29,微生物絮凝劑,微生物絮凝劑是近年來研究和開發(fā)的新型絮凝劑， 一類由微生物或其分泌物產(chǎn)生的具有絮凝細胞功能的代謝產(chǎn)物。 包括直接利用微生物細胞的絮凝劑、利用微生物細胞壁代謝產(chǎn)物的絮凝劑和克隆技術(shù)所獲得的絮凝劑 主要成分是糖蛋白、粘多糖、纖維素及核酸等高分子物質(zhì)。 微生物絮凝劑和天然絮凝劑與化學(xué)合成的絮凝劑相比，最大的優(yōu)點是安全，無毒和不污染環(huán)境。,30,微生物絮凝劑,1、微生物絮凝劑的商業(yè)化生產(chǎn)始于20世紀90年代，如紅平紅球菌及由此制成的NOC-1是目前發(fā)現(xiàn)的最佳微生物絮凝劑 2、微生物絮凝劑或?qū)⒋蟛糠痔娲胀ㄐ跄齽?3、浮游藻類、草分枝桿茵、硅酸鹽芽孢桿菌。,31,絮凝的影響因素,發(fā)酵液的性質(zhì)（細胞濃度，表面電荷）； 絮凝劑的濃度，最佳用量為粒子表面積約有一 半被聚合物覆蓋； 絮凝劑的分子量； pH 控制； 攪拌速度。,32,對于帶負電荷的菌體或蛋白質(zhì)來說，采用陽離子型高分子絮凝劑同時具有降低膠粒雙電層電位和產(chǎn)生吸附橋架的雙重機理，單獨使用可達到較好絮凝效果； 對于非離子型和陰離子型高分子絮凝劑，要采用凝聚和絮凝雙重機理才能提高過濾效果。 這種包括凝聚和絮凝機理的過程，稱為混凝。,（三） 混 凝,33,二 預(yù)處理-加熱,1）加熱降低液體粘度 液體黏度是溫度的指數(shù)函數(shù)，升溫是降低黏度的有效措施。流體力學(xué)原理過速率與液體的粘度成反比，降低液體粘度（加水稀釋法和加熱法等）可有效提高過濾速率。,加熱是發(fā)酵液預(yù)處理最簡單最常用的方法。加熱能改善發(fā)酵液的操作特性。,麥芽汁的黏度-溫度曲線。,34,二 預(yù)處理-加熱,2）加熱使蛋白質(zhì)變性凝固 變性蛋白質(zhì)的溶解度小。如檸檬酸發(fā)酵液加熱至80以上，可使蛋白質(zhì)變性凝固，過濾速度加快。 加熱處理只適用于對熱較穩(wěn)定的液體。注意加熱溫度與時間，不影響產(chǎn)物活性和細胞的完整性。,35,三 預(yù)處理-調(diào)節(jié)pH,pH值直接影響發(fā)酵液中某些物質(zhì)的電離度和電荷性質(zhì)，適當(dāng)調(diào)節(jié)pH值可改善其過濾特性。 細胞(碎片)及某些膠體物質(zhì)在某個pH值下也可能趨于絮凝而成為較大顆粒，有利于過濾的進行。 調(diào)節(jié)發(fā)酵液的pH到蛋白質(zhì)的等電點是除去蛋白質(zhì)的有效方法。大幅度改變pH還能使蛋白質(zhì)變性凝固。 通過調(diào)整pH值改變膜過濾中易吸附分子的電荷性質(zhì)，可減少膜堵塞和污染； 影響離子型絮凝劑的電離度。,36,四 加入助濾劑（filter aids）,一種不可壓縮的多孔微粒， 在發(fā)酵液中加入固體助濾劑，則菌體 可吸附于助濾劑微粒上，助濾劑就作為膠體粒子的載體，均勻地分布于濾餅層中，降低了濾餅的可壓縮性，減小了過濾阻力。 目前生物工業(yè)中常用的助濾劑是硅藻土，其次是珍珠巖粉、活性炭、石英砂、石棉粉、纖維素、白土等。,37,助濾劑的選擇,(1)粒度 根據(jù)懸浮液中的顆粒和濾液的澄清度確定，一般顆粒較小的濾餅應(yīng)采用細小的助濾劑。 (2)助濾劑的品種 應(yīng)根據(jù)過濾介質(zhì)選擇助濾劑品種。使用粗目濾網(wǎng)時易泄漏，可選擇石棉粉、纖維素；采用細目濾布時，可使用細硅藻土； (3)用量 間歇操作時，過濾介質(zhì)表面預(yù)涂助濾劑，其厚度應(yīng)不小于2mm。 連續(xù)過濾機中根據(jù)過濾速度確定。使用硅藻土?xí)r，通常細粒為500g/m3，中等粒度700g/m3,粗粒700-1000g/m3。,38,五. 加入反應(yīng)劑,加入某些不影響目標(biāo)產(chǎn)物的反應(yīng)劑，可消除發(fā)酵液中的一些雜質(zhì)對過濾的影響，從而提高過濾速度。 1）加入反應(yīng)劑與某些可溶性鹽類發(fā)生反應(yīng)生成不溶性沉淀,生成的沉淀能防止菌絲體粘結(jié)，使菌絲具有塊狀結(jié)構(gòu)，又能使蛋白質(zhì)凝固，過濾性能上升，沉淀本身可作為助濾劑.如在新生霉素發(fā)酵液中加入cacl2和Na3po4，生成Ca3(po4)2沉淀。 2）發(fā)酵液中含有不溶性多糖物質(zhì)時，用酶將其轉(zhuǎn)化為單糖，以提高過濾速率。如萬古霉素用淀粉作培養(yǎng)基，發(fā)酵液過濾前加入0.025%的淀粉酶，攪拌30min后，再加2.5%硅藻土助濾劑，可提高過濾效率5倍。,39,發(fā)酵液中的雜質(zhì),高價無機離子（Ca2+、Mg2+、Fe2+） 雜蛋白,常規(guī)過濾或膜過濾時，易使過濾介質(zhì)堵塞，影響過濾效率。 采用離子交換和吸附法提取時會降低其交換容量和吸附能力， 有機溶劑法或雙水相萃取時，易產(chǎn)生乳化，使兩相分離不清。,因此，在預(yù)處理時，應(yīng)盡量除去這些物質(zhì)。,六、發(fā)酵液的相對純化,在采用離子交換提煉時，會影響樹脂對生化物質(zhì)的交換容量。,40,（一）高價無機離子的去除方法,Ca2+ 草酸、草酸鈉，形成草酸鈣沉淀（注意回收草酸） ； Mg2+三聚磷酸鈉，形成三聚磷酸鈉鎂可溶性絡(luò)合物； Fe2+ 黃血鹽，普魯士蘭沉淀,41,（二）雜蛋白的去除方法,沉淀法 變性法 吸附法,42,1. 雜蛋白去除-沉淀法 precipitation,A 等電點沉淀法 （isoelectric precipitation ） 蛋白質(zhì)的等電點大都在酸性范圍內(nèi)(pH4.05.5)，調(diào)節(jié)發(fā)酵液的pH到蛋白質(zhì)的等電點是除去蛋白質(zhì)的有效方法。,B. 酸堿調(diào)節(jié)，使蛋白質(zhì)與離子形成沉淀 在酸性溶液中，蛋白質(zhì)與一些陰離子形成沉淀，如三氯乙酸鹽、水楊酸鹽、苦味酸鹽等； 在堿性溶液中，蛋白質(zhì)與一些陽離子形成沉淀，如Ag+、Cu2+、Zn2+、Fe 3+等。,43,2.雜蛋白去除-變性 Denaturation,蛋白質(zhì)從有規(guī)則的排列變成不規(guī)則結(jié)構(gòu)的過程稱為變性。變性蛋白質(zhì)溶解度較小。 加熱， 大幅度調(diào)節(jié)pH值， 加酒精、丙酮等有機溶劑或表面活性劑等。,不足之處： 加熱法只適合于對熱較穩(wěn)定的目的產(chǎn)物； 極端pH值也會導(dǎo)致某些目的產(chǎn)物失活，且要消耗大量酸堿； 有機溶劑法通常只適用于所處理的液體數(shù)量較少的場合。,44,2變性,鏈霉素生產(chǎn)中，采用調(diào)pH至酸性（pH3.0），加熱至70，維持半個小時的方法來使蛋白變性，能使過濾速度增大10-100倍，濾液粘度可降低1/6。 檸檬酸發(fā)酵液，采用加熱至80以上，使蛋白質(zhì)變性凝固和降低發(fā)酵液粘度，從而大大提高了過濾速度。,45,3.雜蛋白去除- 吸附法 adsorption,加入某些吸附劑或沉淀劑吸附雜蛋白質(zhì)而除去。 四環(huán)類抗生素生產(chǎn)中，采用黃血鹽和硫酸鋅的協(xié)同作用生成亞鐵氰化鋅鉀K2Zn3Fe(CN)52的膠狀沉淀來吸附蛋白質(zhì)，利用此法除蛋白質(zhì)已取得很好的效果。 在枯草桿菌發(fā)酵液中，常加入氯化鈣和磷酸氫二鈉，這兩者本身生成龐大的凝膠，把蛋白質(zhì)、菌體及其它不溶性粒子吸附并包裹在其中而除去，從而加快了過濾速度。,46,思考題,1 發(fā)酵液為何需要預(yù)處理？處理方法有 哪些？ 2 凝集與絮凝過程有何區(qū)別？如何將兩 者結(jié)合使用？,47,第十四章 發(fā)酵液的預(yù)處理和固液分離 第二講,48,上節(jié)課的主要內(nèi)容,發(fā)酵液的預(yù)處理 凝聚 絮凝 加熱 調(diào)pH 高價無機離子的去除 雜蛋白質(zhì)的去除,49,14.2 發(fā)酵液的固液分離,50,一 影響發(fā)酵液固液分離的因素,1）發(fā)酵液中懸浮離子的大小,51,2）發(fā)酵液的黏度viscosity ： 固液分離速度通常與粘度成反比，粘度越大，固液分離越困難。影響粘度的因素： 菌體的種類和濃度（重要因素），通常絲狀菌、動物或植物細胞懸浮液粘度較大，濃度增大，粘度也提高。 培養(yǎng)液中蛋白質(zhì)、核酸大量存在：通常細胞破碎或細胞自溶后粘度增大。因此細胞破碎的程度應(yīng)控制，發(fā)酵放罐時間要適宜。 培養(yǎng)基成分：如用黃豆粉、花生粉作氮源，淀粉作碳源，粘度都會升高。 此外，某些染菌發(fā)酵液，如染細菌，則粘度會增大。 發(fā)酵過程的不正常處理，如大量過剩的培養(yǎng)基和消沫油加入，都會使粘度增大。,影響發(fā)酵液固液分離的因素,52,收集胞內(nèi)產(chǎn)物的細胞或菌體，分離除去液相， 收集含生化物質(zhì)的液相，分離除去固體懸浮物（細胞、菌體、細胞碎片、蛋白質(zhì)的沉淀物和它們的絮凝體等）。,固液分離的目的包括兩方面：,53,二 常見的固液分離方法,過濾 filtration 離心 Centrifugation 膜分離 membrane separation 雙水相萃取 ATPS 擴張床吸附 EBA,54,（一） 過 濾 filtration,過濾操作是借助于過濾介質(zhì)，在一定的壓力差P作用下，使懸浮液中的液體通過介質(zhì)的孔道，而固體顆粒被截留在介質(zhì)上，從而實現(xiàn)固液分離的單元操作。 過濾介質(zhì)filter medium : 過濾采用的多孔物質(zhì)； 濾漿filter pulp : 所處理的懸浮液； 濾液filtrate : 通過多孔通道的液體； 濾餅或濾渣 filter cake:被截留的固體物質(zhì)。,55,濾餅過濾：,當(dāng)懸浮液通過濾布時，固體顆粒被濾布阻攔而逐漸形成濾餅（濾渣）。 在濾餅過濾中，當(dāng)濾餅至一定厚度時即起主要的過濾作用 適合于固體含量大于0.1%的懸浮液的過濾分離。,56,過濾推動力： 懸浮液自身壓強差、重力 懸浮液的外加壓力 過濾介質(zhì)的抽真空 離心力 過濾阻力： 介質(zhì)阻力：可視為平變，且一般過濾初較明顯 濾餅阻力: 濾餅厚度：隨過濾進行而增加 濾餅特性：顆粒形狀、大小。 大多情況下，過濾阻力主要取決于濾餅阻力。,57,濾餅的質(zhì)量比阻,衡量過濾特性的主要指標(biāo)是濾餅的質(zhì)量比阻rB ，它表示單位濾餅厚度的阻力系數(shù)。 與濾餅的結(jié)構(gòu)特性有關(guān)。對于不可壓縮性濾餅， rB為常數(shù)，但對于可壓縮性濾餅，rB是操作壓力差的函數(shù)： rBr(P) m （14-3） r-不可壓縮濾渣的比阻，對于一定的料液為常數(shù)；m-壓縮性指數(shù)，一般取0.5-0.8，對不可壓縮性濾餅m為0。 可壓縮濾餅:形成的濾餅剛性不足，其內(nèi)部空隙結(jié)構(gòu)隨著濾餅的增厚或壓差的增大而變形，空隙率減小.,58,濾餅的質(zhì)量比阻與過濾關(guān)系,濾餅的比阻值是隨操作壓力差的提高而增大的。 開始過濾時應(yīng)注意不能很快提高壓差，通?？恳褐淖匀粔翰钸M料，并應(yīng)緩慢地，逐步地升高壓力，一般在相當(dāng)長的時間內(nèi)，壓力差不要超過0.05 MPa，最后的壓差也不超過0.30.4 MPa。 若操作壓力控制過高，由于比阻值的急劇增加，會使過濾速度很快下降，以至達到不能繼續(xù)過濾的程度。,59,恒壓下的過濾方程,恒壓下，可壓縮性濾餅的比阻應(yīng)為常數(shù)。如過濾介質(zhì)的阻力相對較小可以忽略不計，,q 到瞬間，通過單位過濾面積的濾液量，m3； P 壓力差，Pa； 濾液粘度，Pas； rB 濾餅的重量比阻，m/kg； XB 通過單位體積濾液所形成的濾渣重量(干重),kgm3； 過濾時間，s,60,過濾速度的強化,1降低濾餅比阻力rB 一切能夠降低rB的方法：如添加電解質(zhì)、絮凝劑、凝固劑助濾劑等。 2降低濾液黏度 黏度愈低，過濾阻力愈小。加熱、去雜蛋白、絮凝、調(diào)PH、選擇合適的放罐時間。 3降低懸浮液中懸浮固體的濃度 過濾速度與獲得濾餅體積成反比。因此應(yīng)盡可能降低培養(yǎng)基配料濃度（如玉米粉、豆餅粉的濃度）。 4. 對發(fā)酵液進行預(yù)處理，改善濾液性質(zhì)。,61,2 過濾介質(zhì)選擇,過濾介質(zhì)起過濾作用，還是濾餅的支撐物。應(yīng)具有足夠的機械強度和盡可能小的流動阻力。 合理選擇過濾介質(zhì)： 過濾介質(zhì)所能截留的固體粒子大小：通常以過濾介質(zhì)的孔徑表示。常用的過濾介質(zhì)中，纖維濾布所能截留的最小粒子約10m，硅藻土為lm，超濾膜可小于0.5m。 過濾介質(zhì)的透過性：是指在一定的壓力差下，單位時間單位過濾面積上通過濾液的體積量，它取決于過濾介質(zhì)上毛細孔徑的大小及數(shù)目。,62,過濾介質(zhì)-織物介質(zhì),又稱濾布，應(yīng)用最廣泛，包括由棉、麻等天然纖維濾布和合成纖維濾布。 其過濾性能受許多因素的影響，其中最重要的是纖維的特性、編織紋法和線型。,63,過濾介質(zhì)-粒狀介質(zhì),有硅藻土、珍珠巖粉、細砂、活性炭、白土等。 最常用的是硅藻土，是優(yōu)良的過濾介質(zhì)： 一般不與酸堿反應(yīng)，化學(xué)性能穩(wěn)定； 形狀不規(guī)則，空隙大且多孔，具有很大的吸附表面； 無毒且不可壓縮，形成的過濾層阻力不隨操作壓力變化。 硅藻土過濾介質(zhì)通常有三種用法： （1）作為深層過濾介質(zhì)。硅藻土過濾層具有曲折的毛細孔道，借篩分、吸附和深層效應(yīng)作用除去懸浮液中的固體粒子，截留效果可達到1m。 （2）作為預(yù)涂層。在支持介質(zhì)的表面上預(yù)先形成一層較薄的硅藻土預(yù)涂層，用以保護支持介質(zhì)的毛細孔道不被濾餅層中的固體粒子堵塞。 （3）用作助濾劑。,64,過濾介質(zhì)-多孔固體介質(zhì),如多孔陶瓷、多孔玻璃、多孔塑料等，可加工成板狀或管狀，孔隙很小且耐腐蝕，常用于過濾含有少量微粒的懸浮液。,65,典型過濾設(shè)備：,按操作方式分類：間歇過濾機、連續(xù)過濾機,按操作壓強差分類：壓濾、吸濾和離心過濾,實驗室用抽濾裝置 板框壓濾機（間歇操作） 轉(zhuǎn)筒真空過濾機（連續(xù)操作） 過濾式離心機,固液分離過濾設(shè)備,66,1）實驗室用抽濾裝置,67,2）板框壓濾機 plate and frame filter,板框壓濾機的過濾推動力來自泵產(chǎn)生的液壓或進料貯槽中的氣壓。,廣泛應(yīng)用于培養(yǎng)基制備的過濾及霉菌、放線菌、酵母菌和細菌等多種發(fā)酵液的固液分離。 適合于固體含量1-10%的懸浮液的分離。,68,板框壓濾機,包括板和框，多做成正方形，角端均開有小孔，裝合壓緊后即構(gòu)成供濾漿或洗水流通的孔道。框的兩側(cè)覆以濾布，空框與濾布圍成了容納濾漿及濾餅的空間，濾板用以支撐濾布并提供濾液流出的通道。,69,板框式壓濾機在過濾時，懸浮液由離心泵或齒輪泵經(jīng)濾漿通道打人框內(nèi)，濾液穿過濾框兩側(cè)濾布，沿相鄰濾板溝槽流至濾液出口，固體則被截留于框內(nèi)形成濾餅。濾餅充滿濾框后停止過濾。,70,板框壓濾機,優(yōu)點,過濾面積大，結(jié)構(gòu)簡單，價格低，動力消耗少， 對不同過濾特性的發(fā)酵液適應(yīng)性強。 它最重要的特征是通過過濾介質(zhì)時產(chǎn)生的壓力降可以 超過0.1MPa,這是真空過濾器無法達到的。,缺點,不能連續(xù)操作，設(shè)備笨重，勞動強度大，衛(wèi)生條件差，非過濾的輔助時間較長。,71,自動板框式壓濾機,自動板框壓濾機在板框壓緊；卸餅、清洗等操作中可自動完成，勞動強度小，輔助操作時間短。 自動壓濾機結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格昂貴，在一定程度上限制了它的應(yīng)用和發(fā)展。,72,3）真空轉(zhuǎn)鼓過濾機（rotary-drum vacuum filter）,真空過濾設(shè)備以大氣與真空之間的壓力差作為過濾操作的推動力。生物工業(yè)中，用得較多的是轉(zhuǎn)筒式真空過濾機和帶式真空過濾機。 轉(zhuǎn)筒真空過濾機的結(jié)構(gòu) 轉(zhuǎn)筒真空過濾機是一種連續(xù)操作的過濾設(shè)備，設(shè)備的主體是一個由篩板組成能轉(zhuǎn)動的水平圓筒，表面有一層金屬絲網(wǎng)，網(wǎng)上覆蓋濾布,圓筒內(nèi)沿徑向被筋板分隔成若干個空間。,73,轉(zhuǎn)筒真空過濾機結(jié)構(gòu)：,74,轉(zhuǎn)筒下部浸入濾漿槽中，浸沒角約900-1300，圓筒緩慢旋轉(zhuǎn)時(轉(zhuǎn)速約0.5-2rmin)，筒內(nèi)每一空間相繼與分配頭中的3個室相通，可順序進行過濾、洗滌、吸干、吹松、卸餅等項操作。即整個圓筒分為過濾區(qū)、洗滌及脫水區(qū)，卸渣及再生區(qū)3個區(qū)域。,75,轉(zhuǎn)筒真空過濾機,優(yōu)點： 轉(zhuǎn)筒真空過濾機可吸濾、洗滌、卸餅、再生連續(xù)化操作，生產(chǎn)能力大，勞動強度小， 缺點： 輔助設(shè)備多，投資大， 且由于真空過濾，推動力小（不超過8104 Pa），濾餅濕度大（2030）。 主要適用霉菌發(fā)酵液，對菌體細小、黏度大鋪助濾劑。對于濾餅阻力較大的物料適應(yīng)能力較差。,76,帶式真空過濾機,帶式真空過濾機（是自動連續(xù)運轉(zhuǎn)、并能按工藝要求進行無級調(diào)速以及操作方便和動力消耗低的一種新型高效的脫水設(shè)備。,77,帶式真空過濾機流程,1、進料過濾濾餅洗滌吸干卸料濾布清洗連續(xù)進行，配有PLC控制，自動化程度高。 2、真空過濾盤分段設(shè)計，可滿足不同物料過濾、洗滌、吸干的工藝要求，濾帶運行速度采用變頻無級調(diào)速，對不同物料有廣泛的適應(yīng)性。 3、在同一設(shè)備上可采用多次逆流洗滌得到高濃度的濾液，也可采用并流洗滌或順流洗滌獲得高純度的濾餅。,78,結(jié)構(gòu)：,轉(zhuǎn)鼓(上有小孔，亦稱懸框)； 濾網(wǎng)； 濾布； 機架。,原理：,由于離心力作用，液體產(chǎn)生徑向壓差，通過濾餅、濾網(wǎng)及濾筐而流出。,4）離心過濾機（centrifugal filter）,79,幾種過濾設(shè)備的比較,80,5）硅藻土過濾機 diatomite filter,硅藻土中的硅藻有許多不同的形狀，由于硅藻土具有細膩、松散、質(zhì)輕、多孔、吸水和滲透性強的特性，所以它是一種性能優(yōu)良的工業(yè)濾劑。 硅藻土過濾是以硅藻土作為過濾介質(zhì)，它是一種預(yù)涂型過濾器，預(yù)涂、過濾、反沖洗是硅藻土過濾的一般工藝過程。 在釀造、飲料、酒類和水處理等方面得到廣泛應(yīng)用。目前，國內(nèi)主要用于酒類和飲料過濾,81,硅藻,82,硅藻土過濾機,83,又稱切向流過濾（Cross-Flow Filtration） 傳統(tǒng)過濾時過濾液體垂直于過濾介質(zhì)，過濾阻力主要來之濾餅。錯流過濾打破了傳統(tǒng)過濾的機制，即液體的流向和濾膜相切。 在壓力推動下，懸浮液以高速在管狀濾膜的內(nèi)壁作切向流動，利用流動的剪切作用將過濾介質(zhì)表面的固體（濾餅）移走，而附著在濾膜上的濾餅很薄，因而能在長時間內(nèi)保持穩(wěn)定不變的過濾速度,）錯 流 過 濾,84,朗極化工公司膜澄清過濾和膜濃縮的“錯流過濾系統(tǒng)” 陶瓷膜,錯 流 過 濾,85,錯流過濾特點,收率高 （97-98%） 質(zhì)量好 減少處理步聚 染菌罐也能進行處理 介質(zhì)阻力大 不能得到干濾餅 需要大的膜面積 目前適用于小分子的分離,86,（二）離心分離,對于濃度較小，粒徑較大，硬度較強的不溶物，可以采用過濾分離。 但當(dāng)固體顆粒細小而難以過濾時，發(fā)酵液不易被過濾純化，離心操作往顯得十分有效。 離心分離是基于固體顆粒和周圍液體密度存在差異，在離心場中使不同密度的固體顆粒加速沉降的分離過程。 動植物細胞的收集、細胞碎片和沉淀的分離等常用離心分離。,87,優(yōu)點： 分離速度快， 分離效率高、 液相澄清度好； 缺點： 與過濾設(shè)備相比，設(shè)備投資高、 能耗大、 離心產(chǎn)生的固體濃縮物和過濾產(chǎn)生的濃縮不同。 通常情況下離心只能得到一種較為濃縮的懸浮液或漿體。而過濾可獲得的水分含量較低的濾餅。,離心分離,88,離心力與轉(zhuǎn)速,89,離心分離顆粒沉降速度,d 顆粒直徑； p 顆粒密度； m 液體介質(zhì)密度； 液體介質(zhì)粘度； 旋轉(zhuǎn)角速度；r 轉(zhuǎn)軸中心到顆粒中心距離。,增大離心力（2r）可提高沉降速度，對沉降速度小的顆粒，提高轉(zhuǎn)速是有效的方法。 與顆粒直徑有關(guān)，大顆粒容易沉降。 與顆粒密度和介質(zhì)密度之差(p-m)成正比，隨介質(zhì)粘度增大而減小。,90,按速度和離心力： 1、常速離心機 最大轉(zhuǎn)速8000rpm(r/min),相對離心力(RCF)104g以下,用于細胞、菌體和培養(yǎng)基殘渣等分離； 2、高速（冷凍）離心機 1104-2.5104rpm，相對離心力104105g,用于細胞碎片、較大細胞器、大分子沉淀物等分離； 3、超速離心機 轉(zhuǎn)速2.5-8104rpm，相對離心力5*105g；用于DNA、RNA蛋白質(zhì)、細胞器、病毒分離純化；檢測純度；沉降系數(shù)和相對分子量測定等。,離心機的種類與用途,對于常速和高速離心機，由于所分離的顆粒大小和密度相差較大，只要選擇好離心速度和時間，就能達到分離效果。超速離心的離心方法：差速離心、密度梯度離心和等密度梯度離心。,91,按離心機的作用方式： 斜角式 平拋式 管式 蝶式 螺旋式 多室,離心機的種類與用途,92,1）斜角式離心機 是一類結(jié)構(gòu)最簡單的實驗室常用離心機， 指離心管腔與轉(zhuǎn)軸成一定傾角的轉(zhuǎn)子； 角度越大，沉降越結(jié)實，分離效果越好， 角度越小，顆粒沉降距離短，沉降速度快，但分離效果差。 顆粒在角轉(zhuǎn)子中沉降時， 先沿離心力方向撞向離心管， 然后再沿管壁滑向管底， 因此管的一側(cè)會出現(xiàn)顆粒沉積。,93,1）斜角式離心機,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定， 可裝載較多的樣品 使用較高的轉(zhuǎn)速。 加速或減速時，對樣品有攪動。 有些梯度離心要求用角轉(zhuǎn)頭，否則形成的梯度不均一，線性很差,94,2）平拋式離心機 平拋式離心機一類結(jié)構(gòu)簡單的實驗室常用的低中速離心機，轉(zhuǎn)速一般在 3000-6000rpm。 轉(zhuǎn)子活動管套內(nèi)的離心管，靜止時垂直掛在轉(zhuǎn)頭上，旋轉(zhuǎn)時隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，從垂直懸吊上升到水平位置（約200800rpm）。 顆粒在水平轉(zhuǎn)子中的沉降是沿管子軸向移動。 樣品便于收集 受振動和變速攪亂后對流現(xiàn)象小， 但轉(zhuǎn)頭結(jié)構(gòu)復(fù)雜，最高轉(zhuǎn)速相對要低 容量也小一些。,95,平拋式離心機轉(zhuǎn)子,96,）管式離心機 （tubular-bowl centrifuge）,管式離心機具有一個細長而高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)鼓， 轉(zhuǎn)鼓內(nèi)裝有縱向平板， 其下部有進料口。上部兩側(cè)有重液相和輕液相出口。,97,管式離心機,待處理的物料在一定壓力（3104 Pa左右）下由進料管經(jīng)底部空心軸進入鼓內(nèi)， 靠擋板分布于鼓的四周，并使料液迅速達到與轉(zhuǎn)鼓相同的角速度。 轉(zhuǎn)鼓帶動物料高速旋轉(zhuǎn)，在離心力下，懸浮液沿轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁向上流動的，料液在離心力場的作用下因其密度差的存在而分離。 澄清后的液相流動到轉(zhuǎn)鼓上部的排液口排出。 比重大的固體微粒逐漸沉積在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁形成 沉渣層，達到一定數(shù)量后，停機人工清除。,98,管式離心機特點： 結(jié)構(gòu)簡單， 可提供較大離心力，轉(zhuǎn)速高，分離因數(shù)高達15000-65000。 管狀離心機可以冷卻，有利蛋白質(zhì)分離 間歇操作，須定時拆卸、清洗 適用于于分離乳濁液及含細顆粒的稀懸浮液，適用于固含量低于1%，顆粒度小于5微米，黏度大的懸浮液澄清或固液兩相密度差較小的分離。,99,4）碟片式離心機disk-bowl centrifuge,是在管式離心機的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，在轉(zhuǎn)鼓中加入了許多重迭的碟片，縮短了顆粒的沉降距離，提高了分離效率。 是生物工業(yè)中應(yīng)用最為廣泛的一種離心機 有一個密封的轉(zhuǎn)鼓，內(nèi)裝十至上百個錐頂角為60100錐形碟片。 碟片間的距離一般為0.5-2.5mm,100,碟片式離心機工作原理,當(dāng)懸浮液在動壓頭的作用下，經(jīng)中心管流入高速旋轉(zhuǎn)的碟片之間的間隙時，便產(chǎn)生了慣性離心力， 其中密度較大的固體顆粒在離心力作用下向上層碟片的下表面運動，而后在離心力作用下被向外甩出，沿碟片下表面向轉(zhuǎn)子外圍下滑， 而液體則由于密度小，在后續(xù)液體的推動下沿著碟片的隙道向轉(zhuǎn)子中心流動，然后沿中心軸上升，從套管中排出，達到分離的目的,101,碟片式離心機類型,人工排渣的碟片離心機 碟片上不開孔，只有一個清液排出口。沉積在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁上的沉渣，間歇排出。只適用于固體顆粒含量很少的懸浮液。 噴嘴排渣的碟片離心機：當(dāng)固體顆