第六章--細(xì)胞破碎與料液分離設(shè)備.

第三篇產(chǎn)物分離設(shè)備 第六章細(xì)胞破碎與料液分離設(shè)備 微生物代謝產(chǎn)物大多分泌到胞外 如大多數(shù)小分子代謝物 部分酶蛋白等 但有些目標(biāo)產(chǎn)物如大多數(shù)酶蛋白 類脂和部分抗生素等存在于胞內(nèi) 要分離和提取此類產(chǎn)物 就必須進(jìn)行細(xì)胞破碎 使目標(biāo)產(chǎn)物轉(zhuǎn)入液相 然后進(jìn)行細(xì)胞碎片的分離 第一節(jié)細(xì)胞破碎設(shè)備 細(xì)胞破碎的方法很多 一般按是否使用外加力分為機(jī)械法和非機(jī)械法兩類 非機(jī)械法有酶溶法 化學(xué)法 物理法和干燥法等 在此我們對(duì)非機(jī)械法不作進(jìn)一步討論 下面介紹一下機(jī)械法中常用的細(xì)胞破碎設(shè)備 一 高速珠磨機(jī) 攪拌器的轉(zhuǎn)速700 1450轉(zhuǎn) min流速50 500L h細(xì)胞懸浮液濃度30 50 細(xì)胞濕重 體積 玻璃小珠裝量70 90 玻璃珠直徑0 45 1mm 二 高壓勻漿器 高壓勻漿器是用作細(xì)胞破碎的較好的設(shè)備 它是由可產(chǎn)生高壓的正向排代泵和排出閥組成 細(xì)胞漿液通過止逆閥進(jìn)入泵內(nèi) 利用高壓使其在排出閥的小孔沖擊 并且高速撞擊在撞擊環(huán)上 細(xì)胞在這一系列的高速運(yùn)動(dòng)中經(jīng)歷了剪切 碰撞以及高壓到常壓的變化 從而造成細(xì)胞破裂 三 超聲波振蕩器 當(dāng)超聲波在液體中傳播時(shí) 液體中的某一小區(qū)域交替重復(fù)地產(chǎn)生巨大的壓力和拉力 由于拉力的作用 使液體拉伸而破裂 從而出現(xiàn)細(xì)小的空穴 這種空穴泡受到超聲波的迅速?zèng)_擊而迅速閉合 從而產(chǎn)生一個(gè)極為強(qiáng)烈的沖擊波壓力 由它引起的粘滯性旋渦在懸浮細(xì)胞上造成了剪切應(yīng)力 促使細(xì)胞內(nèi)部液體發(fā)生流動(dòng) 而使細(xì)胞破碎 槽式 探頭直接插入介質(zhì)式 第二節(jié)固液分離設(shè)備 固液分離的方法很多 生物工業(yè)中運(yùn)用的方法有分離篩 重力沉降 浮選分離 離心分離和過濾等 其中最常用的主要是過濾和離心分離 過濾是迫使液體通過固體支撐物或過濾介質(zhì) 把固體截留 從而達(dá)到固液分離的目的 離心分離是利用慣性離心力和物質(zhì)的沉降系數(shù)或浮力密度的不同而進(jìn)行的分離 濃縮等操作 一 過濾設(shè)備 過濾又可分為澄清過濾和濾餅過濾兩種 1 澄清過濾當(dāng)懸浮液通過過濾介質(zhì)時(shí) 固體顆粒被阻攔或吸附在濾層顆粒上 使濾液得以澄清 2 濾餅過濾當(dāng)懸浮液通過濾介質(zhì)時(shí) 固體顆粒被介質(zhì)阻攔而形成濾餅 當(dāng)濾餅積至一定厚度時(shí)就起到過濾作用 此時(shí)即可獲得澄清的濾液 按照過濾推動(dòng)力的差別 習(xí)慣上把過濾機(jī)分為常壓過濾機(jī) 加壓過濾機(jī)和真空過濾機(jī)三種 一 常壓過濾機(jī) 啤酒麥芽汁中有大量的細(xì)小懸浮液以及破碎的大麥皮殼 在啤酒廠麥芽糖化的過濾仍采用這種壓力差很小的平底篩過濾機(jī) 二 加壓過濾機(jī) 1 板框壓濾機(jī) 濾板 分為洗滌板 非洗滌板 濾框 濾布 紙 濾板和濾框的材質(zhì) 不銹鋼鑄鐵硬橡膠塑料板框壓濾機(jī)的操作壓力 最大10 x105Pa 1MPa 通常3 5x105Pa 自動(dòng)板框壓濾機(jī) 2 硅藻土過濾機(jī) 硅藻土是藻類硅藻的化石 是一種較純的二氧化硅礦石 硅藻土過濾機(jī)被廣泛用于啤酒生產(chǎn)中的冷凝固物地分離和成熟啤酒地過濾 它還多用于葡萄酒 清酒及其他含有低濃度細(xì)微蛋白質(zhì)膠體粒子懸浮液地過濾 硅藻土過濾機(jī)型號(hào)很多 其設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是體積小 過濾能力強(qiáng) 操作自動(dòng)化 硅藻土過濾機(jī)一般分為三種類型 板框過濾機(jī) 葉片式過濾機(jī)和柱式過濾機(jī) 1 板框式硅藻土過濾機(jī) 2 葉片式硅藻土過濾機(jī) 垂直式硅藻土過濾機(jī) 水平葉式硅藻土過濾機(jī) 3 柱式硅藻土過濾機(jī) 三 真空過濾機(jī) 真空轉(zhuǎn)鼓過濾機(jī)以大氣與真空之間的壓力差作為過濾操作的推動(dòng)力 過濾設(shè)備選用的基本原則1 根據(jù)物料的過濾性能 初步確定選擇哪種推動(dòng)力的設(shè)備 2 根據(jù)處理物料的化學(xué)性質(zhì) 檢查所選擇的過濾機(jī)類型是否正確 3 根據(jù)工藝過程的特點(diǎn)和生產(chǎn)規(guī)?？蓪?duì)選擇的過濾設(shè)備進(jìn)行篩選 4 根據(jù)對(duì)濾餅的純度或母液回收率等要求來確定過濾機(jī)類型 5 根據(jù)對(duì)濾餅含濕率的要求 決定是否選用帶有機(jī)械擠壓過程的設(shè)備 6 根據(jù)所選擇的設(shè)備 物料的基本特性數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)備生產(chǎn)能力和最佳操作條件的計(jì)算 以確定設(shè)備的大小 投資費(fèi)用 操作費(fèi)用 三 離心分離設(shè)備 利用離心力來達(dá)到液 液分離 液 固分離或液 液 固分離的方法統(tǒng)稱為離心分離 離心分離可分為三種形式 離心沉降 離心過濾和超離心 1 離心沉降利用固液兩相的相對(duì)密度差 在離心機(jī)無孔轉(zhuǎn)鼓或管子中進(jìn)行懸浮液的分離操作 2 離心過濾利用離心力并通過過濾介質(zhì) 在有孔轉(zhuǎn)鼓離心機(jī)中分離懸浮液的操作 3 超離心利用不同溶質(zhì)顆粒在液體中各種部分分布的差異 分離不同相對(duì)密度液體的操作 一 離心沉降設(shè)備 1 瓶式離心機(jī)這是一類結(jié)構(gòu)最簡單的實(shí)驗(yàn)室常用的低 中速離心機(jī) 轉(zhuǎn)速一般在3000 6000 其轉(zhuǎn)子常為外擺式 操作一般在室溫下進(jìn)行 也有配冷卻裝置的冷凍離心機(jī) 2 多室式離心機(jī)多室式離心機(jī)的轉(zhuǎn)鼓內(nèi)又若干同心圓組成若干同心環(huán)狀分離室 這樣可以加長分離液體的流程 使液層減薄 以增加沉降的面積 減少沉降的距離 同時(shí)還具有粒度篩分的作用 懸浮液中的粗顆粒沉降在靠近內(nèi)部的分離室壁上 細(xì)顆粒則沉降到靠近外部的室壁上 澄清的分離液經(jīng)溢流口或由向心泵排出 多室式離心機(jī)的出渣比較困難 一般在運(yùn)轉(zhuǎn)一端時(shí)間后 待分離液澄清度不符合要求時(shí) 停機(jī)清理 這種離心機(jī)由3 7個(gè)分離室 離心力強(qiáng)度為2000 8000 處理能力為2 5 10m3 h 適合處理直徑大于0 1 m的顆粒 固相濃度小于5 的懸浮液 3 管式離心機(jī)電動(dòng)機(jī)將動(dòng)力傳給機(jī)頭上的皮帶輪和主軸 從而帶動(dòng)轉(zhuǎn)鼓繞自身軸線高速旋轉(zhuǎn) 在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁形成強(qiáng)大的離心力場 物料由底部進(jìn)料口射入轉(zhuǎn)鼓內(nèi) 在強(qiáng)大的離心力作用下 迫使料液進(jìn)行分層運(yùn)動(dòng) 液固分離 GQ型 質(zhì)量輕的液體在轉(zhuǎn)鼓中心 流動(dòng)到轉(zhuǎn)鼓上部通過集液盤回收 質(zhì)量重的固體被甩在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁上 待停機(jī)人工卸料 液液固分離 GF型 密度大的液體形成外環(huán) 密度輕的液體形成內(nèi)環(huán) 微量的固體沉積在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁上 待停機(jī)后人工卸料 管式離心機(jī) 4 碟片式離心機(jī)碟式離心機(jī)是立式離心機(jī)的一種 轉(zhuǎn)鼓裝在立軸上端 通過傳動(dòng)裝置由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)而高速旋轉(zhuǎn) 轉(zhuǎn)鼓內(nèi)有一組互相套疊在一起的碟形零件 碟片 碟片與碟片之間留有很小的間隙 懸浮液 或乳濁液 由位于轉(zhuǎn)鼓中心的進(jìn)料管加入轉(zhuǎn)鼓 當(dāng)懸浮液 或乳濁液 流過碟片之間的間隙時(shí) 固體顆粒 或液滴 在離心機(jī)作用下沉降到碟片上形成沉渣 或液層 沉渣沿碟片表面滑動(dòng)而脫離碟片并積聚在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)直徑最大的部位 分離后的液體從出液口排出轉(zhuǎn)鼓 碟片的作用是縮短固體顆粒 或液滴 的沉降距離 擴(kuò)大轉(zhuǎn)鼓的沉降面積 轉(zhuǎn)鼓中由于安裝了碟片而大大提高了分離機(jī)的生產(chǎn)能力 積聚在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的固體在分離機(jī)停機(jī)后拆開轉(zhuǎn)鼓由人工清除 或通過排渣機(jī)構(gòu)在不停機(jī)的情況下從轉(zhuǎn)鼓中排出 碟式分離機(jī)可以完成兩種操作 液 固分離 即底濃度懸浮液的分離 稱澄清操作 液 液 或液 液 固 分離 即乳濁液的分離 稱分離操作 碟式離心機(jī)是1877年由瑞典的德拉閥斯發(fā)明 它是在管式離心機(jī)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 碟式離心機(jī)工作示意圖 碟片式離心機(jī) 5 沉降式螺旋卸料離心機(jī) 臥螺離心機(jī) 在電機(jī)拖動(dòng)下 轉(zhuǎn)鼓帶動(dòng)差速器外殼旋轉(zhuǎn) 由于差速器的變速作用 螺旋推料器以一定的差速 超前或滯后 與轉(zhuǎn)鼓同向旋轉(zhuǎn) 待分離的懸浮液從加料管進(jìn)入螺旋推料器的料倉內(nèi) 經(jīng)初步加速后經(jīng)料倉出口進(jìn)入轉(zhuǎn)鼓 由于離心力的作用 轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的懸浮液很快分成兩相 較重的固相沉積在轉(zhuǎn)鼓外層 在螺旋推料器的作用下 沉渣和分離液向相反的方向運(yùn)動(dòng) 沉渣被推送到錐段進(jìn)一步脫水后經(jīng)出渣口排出 分離液從大端溢流孔排出 液 固分離設(shè)備 臥式螺旋卸料沉降離心機(jī) 二 離心過濾設(shè)備 離心過濾原理 1 三足式離心機(jī) 液 固分離設(shè)備 三足式離心機(jī) 手動(dòng)刮刀 下部卸料 液 固分離設(shè)備 三足式上部卸料吊袋離心機(jī) 液 固分離設(shè)備 三足上懸螺旋刮刀過濾全自動(dòng)離心機(jī) 2 臥式刮刀卸料離心機(jī) 3 臥式活塞推料離心機(jī) 4 翻袋式離心機(jī) 第三節(jié)膜分離設(shè)備膜分離技術(shù)是一種廣泛應(yīng)用于溶液或氣體物質(zhì)分離 濃縮和提純的分離技術(shù) 膜壁微孔密布 原液在一定壓力下通過膜的一側(cè) 溶劑及小分子溶質(zhì)透過膜壁為濾出液 而大分子溶質(zhì)被膜截留 達(dá)到物質(zhì)分離及濃縮的目的 膜從廣義上可定義為兩相之間的一個(gè)不連續(xù)區(qū)間 起柵欄作用 阻止塊體移動(dòng)而允許一個(gè)或幾個(gè)物類有序通過的相 膜分離過程為動(dòng)態(tài)過濾過程 大分子溶質(zhì)被膜壁阻隔 隨濃縮液流出 膜不易被堵塞 可連續(xù)長期使用 過濾過程可在常溫 低壓下運(yùn)行 無相態(tài)變化 高效節(jié)能 膜分離是在20世紀(jì)初出現(xiàn) 20世紀(jì)60年代后迅速崛起的一門分離新技術(shù) 膜分離技術(shù)由于兼有分離 濃縮 純化和精制的功能 又有高效 節(jié)能 環(huán)保 分子級(jí)過濾及過濾過程簡單 易于控制等特征 可廣泛應(yīng)用于食品 醫(yī)藥 生物 環(huán)保 化工 冶金 能源 石油 水處理 電子 仿生等領(lǐng)域 已成為當(dāng)今分離科學(xué)中最重要的手段之一 膜分離技術(shù)透析微過濾 MF 超濾 UF 納濾 NF 反滲透 RO 電滲析 ED 膜電解 ME 擴(kuò)散滲析 DD 蒸汽滲透 VP 氣體分離 氣體透過 GS 全蒸發(fā) PV 膜蒸餾 MD 膜接觸器 MC 載體介導(dǎo)傳遞 膜分類有機(jī)膜聚偏二氟乙烯膜聚四氟乙烯膜聚醚砜膜纖維素膜尼龍膜聚烯烴膜聚丙烯腈膜無機(jī)膜1 無機(jī)分離膜從表層結(jié)構(gòu)上可以分為 致密膜和多孔膜兩大類 應(yīng)工業(yè)化生產(chǎn)的需要 目前 多孔陶瓷膜應(yīng)用較為成熟和廣泛 2 無機(jī)膜按照制膜材料 可以分為 陶瓷膜 金屬膜 合金膜 高分子金屬絡(luò)和物膜 分子篩復(fù)合膜 沸石膜 玻璃膜等 3 無機(jī)膜按照結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 可以分為 非擔(dān)載膜 主要在實(shí)驗(yàn)室和科研工作中居多 和擔(dān)載膜 主要應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)居多 膜分離優(yōu)點(diǎn)干凈 比萃取 效率高 比薄膜蒸發(fā)濃縮 投資小 比大型離心機(jī) 易驗(yàn)證 比有機(jī)溶劑沉淀 連續(xù)操作易于放大常溫條件 膜分離過程設(shè)備 板膜 中空纖維膜 卷膜 中空纖維膜 陶瓷膜 下面我們介紹一下反滲透 納濾 超濾 微濾四種常用的膜分離技術(shù) 一 反滲透膜分離技術(shù)與設(shè)備1 反滲透膜分離技術(shù)的基本原理在相同的外壓下 當(dāng)溶液與純?nèi)軇榘胪改じ糸_時(shí) 純?nèi)軇?huì)通過半透膜使溶液變淡的現(xiàn)象稱為滲透 當(dāng)在單位時(shí)間內(nèi) 溶劑分子進(jìn)入溶液內(nèi)的數(shù)目要比溶液內(nèi)的溶劑分子通過半透膜進(jìn)入純?nèi)軇﹥?nèi)的數(shù)目多時(shí) 溶劑通過半透膜滲透到溶液中 使得溶液體積增大 濃度變稀 當(dāng)單位時(shí)間內(nèi)溶劑分子從兩個(gè)相反的方向穿過半透膜的數(shù)目彼此相同時(shí) 我們稱之為滲透平衡 滲透必須通過一種膜進(jìn)行 這種膜只能允許溶劑分子通過 而不容許溶質(zhì)分子通過 因此稱為半透膜 當(dāng)半透膜隔開溶液與純?nèi)軇r(shí) 加在原溶液上的額外壓力使原溶液恰好能阻止純?nèi)軇┻M(jìn)入溶液 我們稱此壓力為滲透壓 在通常情況下 溶液越濃 溶液的滲透壓越大 如果加在溶液上的壓力超過了滲透壓 則溶液中的溶劑向純?nèi)軇┓较蛄鲃?dòng) 此過程叫做反滲透 液 固分離設(shè)備 2 反滲透膜設(shè)備各種膜分離裝置主要包括膜組件和泵 所謂膜組件是將膜以某種形式制成一定構(gòu)型的元件 然后將元件置于壓力容器 并提供給水 濃水和產(chǎn)品水的通道 目前 工業(yè)上常用的反滲透膜組件形式主要有板框式 管式 螺旋卷式及中空纖維式四種類型 1 板框式反滲透膜組件板框式是一傳統(tǒng)的反滲透膜組件 它是由板框式壓濾機(jī)衍生而來的 它們的區(qū)別在于板框式過濾機(jī)的過濾介質(zhì)是帆布 棉餅等 而這里所用的是膜 在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上也不盡相同 例如平板式反滲透組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求耐很高的壓力 同其他組件形式相比 平板式的最大特點(diǎn)是制造組裝比較簡單 膜的更換 清洗 維護(hù)比較容易 平板式組件的基本構(gòu)造是膜 原液流道和透過液流道 彼此相互交替重疊壓緊 該裝置結(jié)構(gòu)緊湊 處理量的增大 可以通過改變膜的層數(shù)來調(diào)整 膜越多 則處理量越大 由于組裝簡單 比較堅(jiān)固 對(duì)于壓力變動(dòng)或現(xiàn)場作業(yè)的可靠性較大 平板式組件的優(yōu)點(diǎn) 平板式組件的原液流道截面積較大 壓力損失較小 原液的流速可以高達(dá)1 5m s 因此原液即使含有一些雜質(zhì)異物也不易堵塞流道 對(duì)處理對(duì)象的適應(yīng)面較廣 并且對(duì)預(yù)處理的要求較低 將原液流道隔板設(shè)計(jì)成各種形狀的凹凸波紋可以使流體易于實(shí)現(xiàn)湍流 存在的問題 平板膜組件對(duì)膜的機(jī)械強(qiáng)度要求比較高 由于膜的面積可以大到0 4m2 如果沒有足夠的強(qiáng)度就很難安裝 更換 此外 液體湍流時(shí)造成的波動(dòng) 也要求膜有足夠的強(qiáng)度才能耐機(jī)械振動(dòng) 密封邊界線長也是這種形式的主要缺點(diǎn)之一 因此 裝置越大 對(duì)各零部件的加工精度要求也就越高 盡管組裝結(jié)構(gòu)簡單 但相應(yīng)增加了成本 2 管式反滲透膜組件管式反滲透器有內(nèi)壓式 外壓式 單管和管束式等幾種 管式組件的優(yōu)點(diǎn)是 流動(dòng)狀態(tài)好 流速易控制 另外 安裝 拆卸 換膜和維修均較方便 能夠處理含有懸浮固體的溶液 機(jī)械清除雜質(zhì)也較容易 而且 合適的流動(dòng)狀態(tài)還可以防止?jié)獠顦O化和污染 管式反滲透膜組件的不足之處是 與平板膜相比 管膜的制備比較難控制 如果采用普通的管徑 1 27cm 則單位體積內(nèi)有效膜面積的比率較低 此外 管口的密封也比較困難 3 中空纖維式膜組件 中空纖維反滲透器的組裝方法是 把幾十萬 或更多 根中空纖維彎成 形并裝入圓柱型耐壓容器內(nèi) 纖維束的開口端密封在環(huán)氧樹脂的管板中 在纖維束的中心軸處安置一個(gè)原水分配管 使原水徑向流過纖維束 纖維束外面包以網(wǎng)布 以使形狀固定 并能促進(jìn)原水形成滯流狀態(tài) 淡水透過纖維管壁后 沿纖維的中空內(nèi)腔流經(jīng)管板而引出 濃原水在容器的另一端排出 高壓原水在中空纖維外面流動(dòng)是因?yàn)槔w維壁可承受的內(nèi)向壓力要比外向抗張力大 即使纖維強(qiáng)度不夠 也只能被壓癟 或者中空部分被壓實(shí) 堵塞 但不會(huì)破裂 因而防止了產(chǎn)品水被原水污染的可能 中空纖維式裝置的主要優(yōu)點(diǎn)是 單位體積內(nèi)有效膜表面積比率高 故可采用透水率較低 而物化穩(wěn)定性好的尼龍中空纖維 該膜不需要支撐材料 壽命可達(dá) 年 這是一種效率高 成本低 體積小和重量輕的反滲透裝置 中空纖維式裝置的主要缺點(diǎn)是 中空纖維膜的制作技術(shù)復(fù)雜 管板制作也較困難 同時(shí)不能處理含懸浮固體的原水 4 螺旋卷式膜組件螺旋卷式膜組件是由美國GulfGeneralAtomics 縮寫為GGA 公司于1964年開發(fā)研制成功的 這種膜的結(jié)構(gòu)是雙層的 中間為多孔支撐材料 兩邊是膜 其中三邊被密封成膜袋狀 另一個(gè)開放邊與一根多孔中心產(chǎn)品收集管密封連接 在膜袋外部的原水側(cè)再墊一網(wǎng)眼型間隔材料 也就是把膜 多孔支撐體 膜 原水側(cè)間隔材料依次疊合 繞中心產(chǎn)品水收集管緊密地卷起來形成一個(gè)膜卷 再裝入圓柱型壓力容器里 就成為一個(gè)螺旋卷組件 在實(shí)際應(yīng)用中 把幾個(gè)膜組件的中心管密封串聯(lián)起來構(gòu)成一個(gè)組件 再安裝到壓力容器中 組成一個(gè)單元 供給水 原水 及濃縮液沿著與中心管平行的方向在網(wǎng)眼間隔層中流動(dòng) 濃縮后由壓力容器另一端引出 產(chǎn)品水則沿著螺旋方向在兩層膜間的膜袋內(nèi)的多孔支撐材料中流動(dòng) 最后流入中心產(chǎn)品水收集管而被導(dǎo)出 二 納濾膜分離技