《生物工程设备》第八章 发酵液的预处理和固液分离设备.doc

第八章 发酵液的预处理和固液分离设备第一节 发酵液的预处理 生物工业生产中的培养基和发酵液，由于高黏度、非牛顿性、菌体细小且可压缩，若不经过适当的预处理就很难实现工业规模的过滤，由于菌体自溶释放出的核酸及其他有机物质的存在会造成液体浑浊，即使采用高速离心机也难以分离。还有一些发酵液中，高价无机离子(Ca2+、Mg2+、Fe2+)和杂蛋白质较多。高价无机离子的存在，在采用离子交换法提炼时，会影响树脂的交换容量。杂蛋白质的存在在采用大网格树脂吸附法提炼时会降低其吸附能力，采用萃取法时容易产生乳化，使两相分离不清，采用过滤法时，过滤速度下降，过滤膜受到污染。发酵液预处理的目的在于增大悬浮液中固体颗粒的尺寸，除去高价无机离子和杂蛋白质，降低液体教度，实现有效分离。一、加热加热是发酵液预处理最简单且最常用的方法。加热能改善发酵液的操作特性。蛋白质从有规则排列变成不规则结构的过程称为变性，变性蛋白质的溶解度小。加热是蛋白质变性凝固的有效方法。如柠檬酸发酵液加热至80以上，可使蛋白质变性凝固、过滤速度加快，此外，加热能使发酵液黏度明显降低。液体黏度是温度的指数函数，升高温度是降低黏度的有效措施。二、凝聚和絮凝凝聚和絮凝技术能有效地改变细胞、菌体和蛋白质等固体粒子的分散状态，使之聚集、颗粒增大，便于分离，常用于细小茵体且鼓度较大的发酵液预处理中。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过程。三、加入盐类发酵液中加入某些盐类，可除去高价无机离子。如除去钙离子，可加入草酸钠，反应生成的草酸钙能促进蛋白质凝固、提高溶液质量。除去镁离子，可加入三聚磷酸钠，它与镁离子形成不溶性络合物：用磷酸盐处理，也能大大降低钙离子和镁离子的浓度。除去铁离子，可加入黄血盐使其形成普鲁士蓝沉淀。四、调节pH 蛋白质一般以胶体状态存在于发酵液中。胶体状态的稳定性与其所带电荷有关。蛋白质属两性物质，在酸性溶液中带正电荷，而在碱性溶液中带负电荷。某一pH下，净电荷为零，溶解度最小，称为等电点。由于羧基的电离度比氨基大，因而蛋白质的酸性通常强于碱性，其等电点大都在酸性范围内(pH4.05.0)，因此，调节发酵液的pH到蛋白质的等电点是除去蛋白质的有效方法。大幅度改变pH，还能使蛋白质变性凝固。对于加入离子型絮凝剂的发酵液，调节pH可改变絮凝剂的电离度，从而改变分子链的伸展状态。电离度大，链节上相邻离子基团间的电排斥作用强，使分子链从卷曲状态变为伸展状态，则架桥能力提高。五、加入助滤剂在含有大量细小胶体粒子的发酵液中加入团体助滤剂，这些胶体粒子吸附于助滤剂微粒上，助滤剂就作为胶体粒子的载体，均匀地分布于滤饼层中，相应地改变了滤饼结构，降低了滤饼的可压缩性，也就减小了过滤阻力。目前生物工业中常用的助滤剂是硅藻土，其次是珍珠岩粉、活性炭、石英砂、石棉粉、纤维素、白土等。第二节 细胞破碎设备细胞破碎的方法很多，一般按是否使用外加力分为机械法和非机械法两类。非机械法有酶溶法、化学法、物理法和干燥法等。在此我们对非机械法不作进一步讨论，下面介绍一下机械法中常用的细胞破碎设备。（一）高速珠磨机珠磨机的工作原理是将进入珠磨机的细胞悬浮液与极细的玻璃珠一起搅拌，由于研磨作用，使细胞破碎，释放出内含物。图8-1为水平搅拌式珠磨机结构示意图。如图8-1所示在水平位置的磨室内放置玻璃小珠，装在圆心轴上的圆盘搅拌器高速旋转，使细胞悬浮液和玻璃小珠相互搅拌，在液面出口处，旋转圆盘和出口平板之间的狭缝很小，可阻挡玻璃小珠。从而在珠液分离器的协助下，珠子被挡在破碎室内，而浆液则流出，从而实现连续操作。由于珠磨破碎过程要产生热量，易造成某些活性物质的失活，一般在磨室装有夹套冷却装置。（二）高压匀浆器高压匀浆器是用作细胞破碎的较好的设备。它是由可产生高压的正向排代泵和排出阀组成。高压匀浆器的排出阀简图如图8-2所示。细胞浆液通过止逆阀进入泵内，利用高压使其在排出阀的小孔冲击，并且高速撞击在撞击环上。细胞在这一系列的高速运动中经历了剪切、碰撞以及高压到常压的变化，从而造成细胞破裂。在操作方式上，可以采用单次通过匀浆器或多次循环通过等方式。对某些较难破碎的细胞如小球菌、链球菌、酵母菌和乳酸杆菌等，应采用多次循环的方式才能达到较高的破碎率。（三）超声波振荡器超声波具有频率高、波长短、定向传播等特点，通常在1525KHz的频率下操作。超声波振荡器有不同的类型，常用的为电声型，它是由发声器和换能器组成，发生器能产生高频电流，换能器的作用是把电磁振荡转换成机械振动。超声波振荡器又可分为槽式和探头直接插入介质两种型式，一般破碎效果后者比前者好。超声波对细胞的破碎作用与液体中空穴的形成有关。Douiash指出当超声波在液体中传播时，液体中的某一小区域交替重复地产生巨大的压力和拉力。由于拉力的作用，使液体拉伸而破裂，从而出现细小的空穴。这种空穴泡受到超声波的迅速冲击而迅速闭合，从而产生一个极为强烈的冲击波压力，由它引起的粘滞性旋涡在悬浮细胞上造成了剪切应力，促使细胞内部液体发生流动，而使细胞破碎。超声波处理细胞悬浮液时，破碎效率与超声波的声强、频率、液体的温度、压强和处理时间等有关，此外与介质的离子强度、pH值和菌种的性质等也有很大的关联。不同的菌种，用超声波处理的效果也不同，杆菌比球菌易破碎，革兰氏阴性菌细胞比革兰氏阳性菌易破碎，酵母菌效果较差。第三节过滤设备分常压过滤设备、加压过滤机、真空过滤机和离心过滤一、板框式及板式压滤机（一）板框式压滤机 由若干滤板和滤框间隔排列而组成，板和框之间夹有滤布，当板框压紧后即形成若干滤室。料液由离心泵或齿轮泵打入由板和框组成的通道并分别进入各滤室，滤液经滤布由滤板下方流出，滤渣即停留在滤室中，最后形成滤饼。板框压滤机在滤液引出方式上有明流和暗流。明流：滤液从每一滤板下方直接引出。适用于一般场合，如发酵液的过滤。暗流：滤液集中在尾板的出口流出。适用于滤液需保持无菌等要求的场合。常用的板框压滤机有BMS,BAS,BMY和BAY等形式，B板框压滤机，M明流，A暗流，S手动压紧，Y液压压紧；代号下面的数字表示过滤面积、内框尺寸及框的厚度。如BMY60/810-25表示明流液压压紧的板框压滤机，过滤面积60m2,内框尺寸810810mm,内框尺寸25mm。板框压滤机的最大操作压力大气压，通常使用压力大气压。在发酵液过滤时每小时每米过滤面积可处理发酵液升。滤布有平纹、斜纹及缎纹等，平纹的阻力最大，缎纹最小，滤液澄清度以平纹最清，缎纹最差。（二）板式压滤机较常见的是凹腔板式压滤机(图2-2-8)，也称箱式压滤机，它全部由滤板并列组合而成，即滤板具有板和框的双重作用。滤板通常为凹面形圆盘，滤板两侧各有一凸出的边框，这样当两块滤板合拢时，中间的内腔即形成滤箱。每块滤板的两侧覆以滤布，利用螺旋活接头将滤和紧贴于板的凸缘平面上，这样可将滤箱空间分隔成滤布与板面间的滤液空间及滤布外部的滤浆空间。（三）自动板框压滤机 板框压紧、卸饼、清洗等操作自动完成。过滤时，悬浮液从板框上部两个角孔形成的通道并行压入滤框，滤液穿过滤框两侧的滤布，沿滤板表面的沟槽流入下部角孔形成的通道，滤饼则在滤框内形成。洗饼完毕，油压机将板框拉开，使滤框下降。开动滤饼推板，框内滤饼以水平方向推出落下。传动装置带动环形滤布绕一系列转轴旋转，达到洗滤布的目的。滤框复位，重新压紧，完成一个操作周期。（四）板框压滤机的工艺计算压滤机的选择应考虑以下2个方面；首先尽可能选用较薄的滤框。其次，压滤机台数的确定应从投资、布置、操作等全面考虑，一般以选择较大规格者为适宜。二、真空过滤设备(以大气和真空之间的压力差作为操作的推动力)（一） 转筒真空过滤机的结构与操作工作原理 真空过滤设备采用大气与真空之间的强差作为过滤操作的推动力。 基本构成 真空鼓式过滤设备是一种可以连续操作的过滤设备，它具有一水平旋转的滤鼓，鼓的外表面镶有若干块矩形筛板，在筛上再依次铺设金属丝网和滤布，在筛板内的转鼓空间，被径向筋片分隔成若干过滤室，每一过滤室都以其单独孔道连通至转鼓轴颈的端面。分配头被径向的隔离块分成三个室，它们分别与真空和压缩空气管路相连通。、工作过程 过滤区：转鼓中下面的一些过滤室与料液相接触。过滤室与真空系统相通，于是料液中的固体粒子被吸附在滤布的表面而形成滤渣层，滤液被吸入鼓内经导管和分配头排至滤液贮罐中。洗涤及脱水区：当转鼓从料液槽中转出后，洗涤水喷嘴将洗涤水喷向鼓上滤渣层进行洗涤。同于处在真空情况下，于是洗涤水和滤渣残余水分不断地被抽入鼓内，并通过分配头将其引入另一贮罐中。卸渣及再生区：此区内通入压缩空气或蒸汽使滤渣松散与滤布脱离，随后由刮刀将刮下。目前使用的为GP型优点：连续化操作，机械化程度高，劳动强度低，处理量大，滤渣洗涤良好。缺点：辅助设备较多，滤渣含水量较高，不能过滤较细和较粘的物料第四节 离心分离设备离心分离设备分两类，一类是过滤式离心分离设备，另一类是沉降式离心分离设备。对于前者，分离操作的推动力为惯性离心力，常采用滤布作为过滤介质。其分离原理和工艺计算与上节讨论的过滤设备基本相同。这里主要讨论沉降式离心分离设备。一、分离原理 用于使悬浮液或乳浊液进行离心分离过程的设备。二、离心机的构造 由一个由电动机带动作快速旋转的转鼓。鼓壁可分为有孔或无孔，有孔的鼓壁一般复上滤布，当鼓高速旋转时，鼓内液体靠离心力的作用，由滤孔钻出，固体颗粒则留在滤布上离心过滤。若鼓壁无孔，物料受离心力的作用，按比重的大小分层沉淀，比重较大的颗粒物料直接附在鼓壁上，比重较小的液体则靠近鼓的中央离心沉降。三、离心机分类1 按转速分类（）常速离心机转速rpm以内（）高速离心机转速rpm以内（）超高速离心机转速rpm以内按操作方法分类（）间歇式离心机加料、分离、洗涤、卸渣等操作均系间歇进行。如三足式离心机，上悬式离心机。（）连续式离心机加料、分离、洗涤、甩干、卸渣、过滤介质再生等操作是自动间歇进行地进行或自动连续地进行。如螺旋卸料离心机，刮刀卸料离心机等。四、离心过滤设备三足式离心机，主要有一个上面开口的转鼓，转鼓壁上开有均匀而较密集的小孔，鼓内贴放滤布袋。型号SS-450,SS-600,SS-800,SS-1000。 五、离心沉降设备管式或鼓式离心机套筒式离心沉降机转鼓内有若干竖立的同心圆筒相套，可加长分离液体的流程，使液层减薄，以增加沉降面积，减少沉降距离，同时还具有粒度筛分的作用，大颗粒在内部的一些套筒壁上沉降，小颗粒则在靠外面的一些套筒壁上沉降。（一）管式离心机的结构 离心机的转鼓由顶盖、带空心轴的底盖和管状转筒组成。机壳2内装有管状转鼓4，转鼓悬挂于离心机上端的挠性驱动轴7上，下部由底盖形成中空轴并置于机壳底部的导向轴衬内。待处理的物料以一定压力由进料管经底部空心轴进入鼓底，靠圆形折转挡板1分布于鼓四周。鼓内设有十字形挡板3，液体在鼓内由挡板被加速到转鼓速度，在离心力场作用下，乳浊液（或悬浮液）沿轴向上流动的过程被分成轻液相和重液相，通过上方溢环状流口排出。（二）碟片式离心机的结构(缩短了颗粒的沉降距离提高了分离效率) 具有一密闭的转鼓，鼓中放置有数十个至上百个锥顶角为60120度的锥形碟片，碟片与碟片间的距离用附于碟片背面的具有一定厚度的狭条来控制，碟片的距离为.5.5mm，当转鼓连同碟片以高速旋转时，碟片间的悬浮液中的固体颗粒因其有较大的质量，优先沉降于碟片的内腹面，并连续向鼓壁方面沉降，澄清的液体则被迫反方向移动而在转颈部进液管周围的排液口排出。离心分离因素f：离心力与重力之比 f=Fp/m=n2r/900第五节 膜分离设备常见的膜分离过程有渗透、透析、电渗析、反渗透、微过滤、超滤、气体透过等。膜分离过程的核心是膜本身，工业应用的膜应具有较大的透过速度和较高的选择性，此外，还应具备机械强度好、耐热、化学性能稳定，不被细菌污染等条件。对于以膜为核心制作的膜分离设备来讲，分离过程中必须具备如下条件：膜面切向速度快，以减少浓差极化；单位体积所含膜面积较大；容易拆洗和更新膜；保留体积小，无死角；具有可靠的膜支撑装置。通常使用的膜分类设备分：板式、管式、中空纤维式和螺旋圈式。一、板式膜过滤器滤膜复合在刚性多孔支撑板上，支撑板材料为不锈钢多孔筛板、微孔玻璃纤维压板或带沟槽的膜压酚醛板。料液从膜面流过时，水及小分子溶质透过膜，透过液从支撑板的下部孔道中汇集排出。为减小浓差极化，滤板的表面为凸凹形，以形成浓液流的湍动。浓缩液从另一孔道流出收集。二、管式膜过滤器管的流通方式有单管和管束，液流的流动方式有管内流和管外流。特点：结构简单，适应性强，清洗方便，耐高压，无死角，适宜于处理高黏度及固体含量较高的料液。保留体积大，压力降大，单位体积所含的过滤面积小。三、中空纤