第二章 过 滤

1、1第二章第二章 过过 滤滤2过滤操作是借助于过滤介质，在一定的压力差过滤操作是借助于过滤介质，在一定的压力差PP作用下，使悬浮液中的液体通过介质的孔道，作用下，使悬浮液中的液体通过介质的孔道，而固体颗粒被截留在介质上，从而实现固液分离而固体颗粒被截留在介质上，从而实现固液分离的单元操作。的单元操作。n过滤介质过滤介质filter medium : : 过滤采用的多孔物质；过滤采用的多孔物质； n滤浆滤浆filter pulp : : 所处理的悬浮液；所处理的悬浮液； n滤液滤液filtrate : : 通过多孔通道的液体；通过多孔通道的液体； n滤饼或滤渣滤饼或滤渣 filter cakefi

2、lter cake: :被截留的固体物质。被截留的固体物质。3当悬浮液通过滤布时，固体颗粒被滤布阻拦而逐当悬浮液通过滤布时，固体颗粒被滤布阻拦而逐渐形成滤饼（滤渣）。渐形成滤饼（滤渣）。在滤饼过滤中，当滤饼至一定厚度时即起主要的在滤饼过滤中，当滤饼至一定厚度时即起主要的过滤作用过滤作用适合于固体含量大于适合于固体含量大于0.1%0.1%的悬浮液的过滤分离。的悬浮液的过滤分离。4u过滤推动力：过滤推动力：n悬浮液自身压强差、重力悬浮液自身压强差、重力n悬浮液的悬浮液的外加压力外加压力n过滤介质的过滤介质的抽真空抽真空n离心力离心力u过滤阻力：过滤阻力：n介质阻力介质阻力：可视为平变，且一般过滤初

3、较明显：可视为平变，且一般过滤初较明显n滤饼阻力滤饼阻力: :n滤饼厚度：随过滤进行而增加滤饼厚度：随过滤进行而增加n滤饼特性：颗粒形状、大小。滤饼特性：颗粒形状、大小。n大多情况下，过滤阻力主要取决于滤饼阻力。大多情况下，过滤阻力主要取决于滤饼阻力。5预处理和固液分离预处理和固液分离固液分离固液分离发酵液发酵液胞外胞外上清液上清液/滤液滤液预处理预处理提取生化物质的第一步，分两部分：提取生化物质的第一步，分两部分：胞内胞内富集细胞富集细胞6n发酵液成分很复杂，包含菌（细胞）体，胞内发酵液成分很复杂，包含菌（细胞）体，胞内外代谢产物，及剩余的培养基残分等。外代谢产物，及剩余的培养基残分等。n不

4、管人们所需要的产物是胞内还是胞外，都首不管人们所需要的产物是胞内还是胞外，都首先要进行培养液的预处理和固液分离开，才能先要进行培养液的预处理和固液分离开，才能进行后续操作：进行后续操作：n对于胞外产物，可先将菌体或其他悬浮杂质去对于胞外产物，可先将菌体或其他悬浮杂质去处，才能从澄清的滤液中提取代谢产物。处，才能从澄清的滤液中提取代谢产物。n对于胞外产物，首先富集菌体，再进行细胞破对于胞外产物，首先富集菌体，再进行细胞破碎和碎片分离，然后提取胞内产物。碎和碎片分离，然后提取胞内产物。71 1 预处理预处理（Pretreatment ）8为何要对发酵液进行预处理？为何要对发酵液进行预处理？发酵液的

5、基本特性发酵液的基本特性n发酵产物浓度较低，大多为发酵产物浓度较低，大多为1-10%1-10%，n悬浮物颗粒小，悬浮物颗粒小，细胞的相对密度与培养液相似。细胞的相对密度与培养液相似。n可压缩性可压缩性n液相粘度大，大多为非牛顿型流体；液相粘度大，大多为非牛顿型流体；n悬浮状态稳定：双电层、水化膜、布朗运动悬浮状态稳定：双电层、水化膜、布朗运动9为何要进行预处理？为何要进行预处理？n固液分离方法主要是过滤和离心。固液分离方法主要是过滤和离心。n对于细菌及某些放线菌，菌体细小，液体粘度对于细菌及某些放线菌，菌体细小，液体粘度大，不能直接过滤，若用高速离心，能耗很大，大，不能直接过滤，若用高速离心，

6、能耗很大，设备昂贵。若用膜分离技术（如微滤）易产生设备昂贵。若用膜分离技术（如微滤）易产生膜污染，通量降低。膜污染，通量降低。n发酵液中由于菌体自溶，核酸、蛋白质及其它发酵液中由于菌体自溶，核酸、蛋白质及其它有机粘性物质的存在也会影响固液分离。有机粘性物质的存在也会影响固液分离。n因而寻找一种经济有效的方法来提高固液分离因而寻找一种经济有效的方法来提高固液分离速度显得十分必要。速度显得十分必要。10预处理的目的预处理的目的预处理的目的：预处理的目的：促进从悬浮液中分离固形物的速度，促进从悬浮液中分离固形物的速度，提高固液分离的效率提高固液分离的效率：n改变发酵液的物理性质，包括增大悬浮液中固体

7、粒改变发酵液的物理性质，包括增大悬浮液中固体粒子的尺寸，降低液体黏度。子的尺寸，降低液体黏度。n 相对纯化，去除发酵液中的部分杂质（高价无机离相对纯化，去除发酵液中的部分杂质（高价无机离子和杂蛋白质），以利于后续各步操作。子和杂蛋白质），以利于后续各步操作。n尽可能使产物转入便于后处理的一相中（多数是液尽可能使产物转入便于后处理的一相中（多数是液相）；相）； 11预处理的方法预处理的方法n加热法加热法 Heatingn凝聚和絮凝凝聚和絮凝 Coagulation and flocculation n助滤剂助滤剂Filter aids和反应剂和反应剂 Reactant 12一.加热液体黏度是温度

8、的指数函数，液体黏度是温度的指数函数，升温是降低黏度的有效措施。升温是降低黏度的有效措施。流体力学原理过速率与液体的流体力学原理过速率与液体的粘度成反比，降低液体粘度粘度成反比，降低液体粘度（加水稀释法和加热法等）可（加水稀释法和加热法等）可有效提高过滤速率。有效提高过滤速率。加热是发酵液预处理最简单最常用的方法。加加热是发酵液预处理最简单最常用的方法。加热能改善发酵液的操作特性。热能改善发酵液的操作特性。麦芽汁的黏度麦芽汁的黏度-温度曲线。温度曲线。13n2 2）加热使蛋白质变性凝固）加热使蛋白质变性凝固 变性蛋白质的溶解度小。如柠檬酸发酵液加热至变性蛋白质的溶解度小。如柠檬酸发酵液加热至8

9、080以上，可使蛋白质变性凝固，过滤速度加快。以上，可使蛋白质变性凝固，过滤速度加快。n加热处理只适用于对热较稳定的液体。注意加热温加热处理只适用于对热较稳定的液体。注意加热温度与时间，不影响产物活性和细胞的完整性。度与时间，不影响产物活性和细胞的完整性。n 14二凝聚和絮凝二凝聚和絮凝n凝聚与絮凝处理过程就是将化学药剂预先投凝聚与絮凝处理过程就是将化学药剂预先投加到悬浮液中，改变细胞、菌体和蛋白质等加到悬浮液中，改变细胞、菌体和蛋白质等胶体粒子的分散状态，破坏其稳定性，胶体粒子的分散状态，破坏其稳定性，使其使其聚集起来聚集起来, ,增大体积以便固液分离。增大体积以便固液分离。n凝聚和絮凝技术

10、常用于菌体细小而且黏度大凝聚和絮凝技术常用于菌体细小而且黏度大的发酵液的预处理中。的发酵液的预处理中。15凝聚和絮凝是两种方法，两个概念。凝聚和絮凝是两种方法，两个概念。n凝聚：凝聚：指在投加的化学物质（铝、铁的盐类）指在投加的化学物质（铝、铁的盐类）作用下，胶体脱稳并使粒子相互聚集成作用下，胶体脱稳并使粒子相互聚集成 mm mm 大小块状凝聚体的过程。大小块状凝聚体的过程。n絮凝：絮凝：指使用絮凝剂（天然的和合成的大分子指使用絮凝剂（天然的和合成的大分子量聚电解质）将胶体粒子交联成网，形成量聚电解质）将胶体粒子交联成网，形成10mm10mm大小絮凝团的过程。其中絮凝剂主要起大小絮凝团的过程。

11、其中絮凝剂主要起架桥作用。架桥作用。凝聚和絮凝凝聚和絮凝16凝聚：胶体粒子在中性盐促进下脱稳相互聚集成凝聚：胶体粒子在中性盐促进下脱稳相互聚集成大粒子（大粒子（1mm1mm）机理：机理：1）中和粒子表面电荷中和粒子表面电荷 2 2）消除双电层结构）消除双电层结构3 3）破坏水化膜）破坏水化膜（一）（一） 凝凝 聚聚 Coagulation17 发酵液中菌体表面带有负发酵液中菌体表面带有负电荷，由于静电引力使溶电荷，由于静电引力使溶液中反离子被吸附在其周液中反离子被吸附在其周围，在界面上形成了双电围，在界面上形成了双电层。层。 正离子同时受到使它们均正离子同时受到使它们均匀分布的热运动影响，具匀

12、分布的热运动影响，具有离开胶粒表面的趋势。有离开胶粒表面的趋势。胶体双电层结构胶体双电层结构18两种相反作用力下，双电层分裂成两部：两种相反作用力下，双电层分裂成两部：1 1）吸附层或）吸附层或sternstern层；层；2 2）扩散层。）扩散层。形成了扩散双电层的结构模型形成了扩散双电层的结构模型( (Gouy-Chapman-Stern model) )。胶体双电层结构胶体双电层结构19胶体双电层结构胶体双电层结构不同界面上形成不同不同界面上形成不同的电位的电位:l胶核表面的电位胶核表面的电位s是整个双电层的电位是整个双电层的电位;lStern平面上的电位平面上的电位为为d;l滑移面上的电

13、位为滑移面上的电位为,称称电位（电动电电位（电动电位）。位）。20电位的计算：电位的计算： D 水的介电常数； q 胶体的电动电荷密度，即滑移面上的电荷密度； 扩散层的有效厚度，即为吸附层和扩散层界面处电位d降低到其值为1/e处的距离，不能直接测定. 电位电位是控制胶粒间电排斥作用的电位，用来表是控制胶粒间电排斥作用的电位，用来表征双电层的特征，并作为研究凝聚机理的重要参征双电层的特征，并作为研究凝聚机理的重要参数。数。21 扩散层的有效厚度扩散层的有效厚度 式中式中 NN一一 阿伏伽德罗常数；阿伏伽德罗常数； T T一一 热力学温度：热力学温度： k k 波尔兹曼常数；波尔兹曼常数； e e

14、 电子电荷；电子电荷； Zi iZi i种反离子的化合价；种反离子的化合价； Ci iCi i种离子的摩尔浓度。种离子的摩尔浓度。22双电层与凝聚n由式（由式（14141 1）和式（）和式（1414一一2 2）可知，）可知，电电位与扩散层厚度位与扩散层厚度和电动电荷密度和电动电荷密度q q成正比，成正比，而扩散层厚度又与溶液中反离子强度和电而扩散层厚度又与溶液中反离子强度和电荷成反比。荷成反比。n对带负电性菌体的发酵液，高价阳离子的对带负电性菌体的发酵液，高价阳离子的存在，可压缩扩散层的厚度，促使存在，可压缩扩散层的厚度，促使电位电位迅速降低，而且化合价越高，这种影响越迅速降低，而且化合价越高

15、，这种影响越显著。显著。23凝聚价或凝聚值 n在发酵液中加入具有高价阳离子的电解质，能在发酵液中加入具有高价阳离子的电解质，能脱除胶粒表面的水化膜，降低脱除胶粒表面的水化膜，降低电位，使电位，使双电双电层的排斥力减少，当不足以抗衡胶粒间的范德层的排斥力减少，当不足以抗衡胶粒间的范德华引力时，由于热运动的结果导致胶粒的互相华引力时，由于热运动的结果导致胶粒的互相碰撞而聚集起来。碰撞而聚集起来。n电解质的凝聚能力可用凝聚价或凝聚值来表示，电解质的凝聚能力可用凝聚价或凝聚值来表示，使胶粒发生凝聚作用的最小电解质浓度（毫摩使胶粒发生凝聚作用的最小电解质浓度（毫摩尔升），称为凝聚价或凝聚值。尔升），称为

16、凝聚价或凝聚值。24nSchulzeHardy法则：反离子的价数越高，法则：反离子的价数越高，凝凝聚价聚价越小，即凝聚能力越强。越小，即凝聚能力越强。n阳离子对带负电荷的胶粒凝聚能力受化合价、阳离子对带负电荷的胶粒凝聚能力受化合价、水化半径、离子运动能力的影响，次序为水化半径、离子运动能力的影响，次序为Al3+ Fe3+ H+ Ca2+ Mg2+ K+ Na+ Li+25n常用的凝聚剂电解质有：常用的凝聚剂电解质有：硫酸铝硫酸铝 Al2(SO4)318H2O（明矾）；（明矾）；氯化铝氯化铝 AlCl36H2O;三氯化铁三氯化铁 FeCl3;硫酸亚铁硫酸亚铁 FeSO47H2O ；石灰；石灰；Z

17、nSO4；MgCO326n絮凝絮凝：大分子聚电解质将胶体粒子交联大分子聚电解质将胶体粒子交联成网状，形成絮凝团的过程成网状，形成絮凝团的过程机理机理：架桥作用：架桥作用n采用絮凝法可形成粗大的絮凝体，使发采用絮凝法可形成粗大的絮凝体，使发酵液较易分离。酵液较易分离。（二）絮（二）絮 凝凝 flocculation27l絮凝剂是一种能溶于水的高分子聚合物，其相对分絮凝剂是一种能溶于水的高分子聚合物，其相对分子质量可高达数万至一千万以上，长链状结构，其子质量可高达数万至一千万以上，长链状结构，其链节上含有许多活性官能团，包括离子基团以及非链节上含有许多活性官能团，包括离子基团以及非离子型基团。离子

18、型基团。l它们通过静电引力、范德华引力或氢键的作用，强它们通过静电引力、范德华引力或氢键的作用，强烈地吸附在胶粒的表面。烈地吸附在胶粒的表面。l当一个高分子聚合物的许多链节分别吸附在不同的当一个高分子聚合物的许多链节分别吸附在不同的胶粒表面上，产生架桥联结时，就形成较大絮团，胶粒表面上，产生架桥联结时，就形成较大絮团，产生絮凝作用。产生絮凝作用。 絮絮 凝凝28高分子絮凝剂的吸附架桥作用高分子絮凝剂的吸附架桥作用 29可分为三类：人工合成有机高分子聚合物、天然有可分为三类：人工合成有机高分子聚合物、天然有机高分子聚合物、无机高分子聚合物机高分子聚合物、无机高分子聚合物1 1）目前常用的是人工合

19、成有机高分子聚合物，如聚）目前常用的是人工合成有机高分子聚合物，如聚丙烯酰胺类衍生物、聚乙烯亚胺衍生物；聚丙烯酸丙烯酰胺类衍生物、聚乙烯亚胺衍生物；聚丙烯酸类和聚苯乙烯类衍生物。类和聚苯乙烯类衍生物。工业上使用的絮凝剂工业上使用的絮凝剂30 高分子聚合物絮凝剂高分子聚合物絮凝剂根据活性基团在水中解离情况根据活性基团在水中解离情况不同，可分为三类：阴离子型（含有羧基不同，可分为三类：阴离子型（含有羧基)、阳离子、阳离子型（含有胺基）型（含有胺基） 、非离子型、非离子型31聚丙烯酰胺类絮凝剂的优点聚丙烯酰胺类絮凝剂的优点l 用量少，一般以用量少，一般以mg/L计量；计量；l 絮凝体粗大，分离效果好

20、；絮凝体粗大，分离效果好；l 絮凝速度快；絮凝速度快；l 种类多，适用范围广种类多，适用范围广。聚丙烯酰胺类絮凝剂的缺点：聚丙烯酰胺类絮凝剂的缺点：存在一定的毒性，特别是阳离子型聚丙烯酰胺，用存在一定的毒性，特别是阳离子型聚丙烯酰胺，用于食品和医药工业时应谨慎。于食品和医药工业时应谨慎。目前最常见：目前最常见：聚丙烯酰胺类聚丙烯酰胺类絮凝剂絮凝剂322 2）天然有机高分子絮凝剂）天然有机高分子絮凝剂人工合成有机高分子絮凝剂虽然发展很快，但还存在人工合成有机高分子絮凝剂虽然发展很快，但还存在着残留单体有毒，生物降解难等问题，所以其应用受着残留单体有毒，生物降解难等问题，所以其应用受到了限制。天然

21、有机高分子絮凝剂具有无毒，易生物到了限制。天然有机高分子絮凝剂具有无毒，易生物降解，原料来源广等优点。降解，原料来源广等优点。n天然有机高分子改性絮凝剂根据其原料来源不同可天然有机高分子改性絮凝剂根据其原料来源不同可分为淀粉类、纤维素类、植物胶类和聚多糖类。分为淀粉类、纤维素类、植物胶类和聚多糖类。n其中淀粉改性絮凝剂的研究开发最引人注目。其中淀粉改性絮凝剂的研究开发最引人注目。333 3）无机高分子聚合物）无机高分子聚合物有聚合铁系和铝系两大类有聚合铁系和铝系两大类u铁系絮凝剂具有操作简单、费用低，受温度影铁系絮凝剂具有操作简单、费用低，受温度影响小，亲和力强，能有效地去除悬浮物、表面响小，

22、亲和力强，能有效地去除悬浮物、表面活性剂、破坏油水乳状液的能力很强等优点，活性剂、破坏油水乳状液的能力很强等优点，缺点腐蚀性强、稳定性差。缺点腐蚀性强、稳定性差。u铝系是目前应用广、工艺较成熟的一类无机金铝系是目前应用广、工艺较成熟的一类无机金属盐絮凝剂，絮凝效果好，缺点具毒性等。属盐絮凝剂，絮凝效果好，缺点具毒性等。34微生物微生物絮凝剂絮凝剂n微生物絮凝剂是近年来研究和开发的新型絮凝剂，微生物絮凝剂是近年来研究和开发的新型絮凝剂，n一类由微生物或其分泌物产生的具有絮凝细胞功能一类由微生物或其分泌物产生的具有絮凝细胞功能的代谢产物。的代谢产物。n包括直接利用微生物细胞的絮凝剂、利用微生物细包

23、括直接利用微生物细胞的絮凝剂、利用微生物细胞壁代谢产物的絮凝剂和克隆技术所获得的絮凝剂胞壁代谢产物的絮凝剂和克隆技术所获得的絮凝剂 n主要成分是糖蛋白、粘多糖、纤维素及核酸等高分主要成分是糖蛋白、粘多糖、纤维素及核酸等高分子物质。子物质。n微生物絮凝剂和天然絮凝剂与化学合成的絮凝剂相微生物絮凝剂和天然絮凝剂与化学合成的絮凝剂相比，最大的优点是安全，无毒和不污染环境比，最大的优点是安全，无毒和不污染环境。35微生物絮凝剂微生物絮凝剂1、微生物絮凝剂的商业化生产始于、微生物絮凝剂的商业化生产始于20世纪世纪90年代，年代，如红平红球菌及由此制成的如红平红球菌及由此制成的NOC-1NOC-1是目前发

24、现的最佳微生物是目前发现的最佳微生物絮凝剂絮凝剂 2、微生物絮凝剂或将大部分替代普通絮凝剂、微生物絮凝剂或将大部分替代普通絮凝剂3、浮游藻类、草分枝杆茵、硅酸盐芽孢杆菌。、浮游藻类、草分枝杆茵、硅酸盐芽孢杆菌。36絮凝的影响因素絮凝的影响因素n发酵液的性质（细胞浓度，表面电荷）；发酵液的性质（细胞浓度，表面电荷）；n絮凝剂的浓度，最佳用量为粒子表面积约有一絮凝剂的浓度，最佳用量为粒子表面积约有一 半被聚合物覆盖；半被聚合物覆盖；n絮凝剂的分子量；絮凝剂的分子量；npH pH 控制；控制；n搅拌速度。搅拌速度。37n对于带负电荷的菌体或蛋白质来说，采用阳离子对于带负电荷的菌体或蛋白质来说，采用阳离子型高分子絮凝剂同时具有降低胶粒双电层电位和型高分子絮凝剂同时具有降低胶粒双电层电位和产生吸附桥架的双重机理，单独使用可达到较好产生吸附桥架的双重机理，单独使用可达到较好絮凝效果；絮凝效果；n对于非离子型和阴离子型高分子絮凝剂，要采用对于非离子型和阴离子型高分子絮凝剂，要采用凝聚和絮凝双重机理才能提高过滤效果。凝聚和絮凝双重机理才能提高过滤效果。n这种包括凝聚和絮凝机理的过程，称为混凝。这种包括凝聚和絮凝机理的过程，称为混凝。混混 凝凝38三 filter aids） n一种不可压缩