生物分离工程第二章预处理和固液分离

生物分离工程第二章预处理和固液分离第1页，共46页，2023年，2月20日，星期一第2页，共46页，2023年，2月20日，星期一2.1发酵液的组成

菌体胞内细胞物质胞内外代谢产物剩余培养基水第3页，共46页，2023年，2月20日，星期一悬浮液通常是指固体颗粒在10-5cm（0.1m）以上的固液分散体系，生物细胞培养液基本上也属于悬浮液。其中大部分是水．其次是微生物或动、植物细胞或碎片及少量未用完的培养基，约占培养液体积的20％左右(对微生物发酵而言)，除此以外尚有一定量的代谢产物。水的基本性质中与固-液分离密切相关有以下几点。2.2悬浮液的基本特性第4页，共46页，2023年，2月20日，星期一①水的极性，②水的粘性，它是流体反抗变形的一种性质，反映了流体分子间的相互作用，对水的研究结果表明，它是一种牛顿型流体。水的粘度是温度的函数，改变温度．会对分离效率产生显著的影响。但是由于生物细胞及其产物存在热敏性，所以一般在室温或低温下操作，因而水的粘度可看作常量。③水的表面张力。一船说来，液体介质的表面张力越大，固液分离越困难，因此降低水的表面张力是提高固液分离效率的有效途径之一，向悬浮液中添加表面活性剂是目前行之有效的手段。第5页，共46页，2023年，2月20日，星期一工业生物技术生产过程中典型的生物体的形状和大小第6页，共46页，2023年，2月20日，星期一工业生物技术生产过程中

典型的固体离子第7页，共46页，2023年，2月20日，星期一由于生物体的特殊性，导致其固液分离与一般情况有所不同第8页，共46页，2023年，2月20日，星期一从上面对水和固相基本性质的介绍可知：各类细胞的相对密度与它们的悬浮培养液相似，从而成为沉降和离心操作时难以处理的原因；细胞在很大程度上属于可压缩的和粘稠的物料，因此当分离细胞悬浮液时，在过滤操作中会粘附在滤布上，在错流膜过滤时，会在流过的膜上形成凝胶或不透性薄层，这些薄层会降低各类过滤操作的流速；

植物和动物细胞不能经受像微生物细胞同样程度的外加剪切力的作用，所以那些会产生高的机械剪切力的分离技术，如错流膜过滤和离心，显然不适用。第9页，共46页，2023年，2月20日，星期一

当然，对于那些比微生物细胞尺寸大的植物和动物细胞而盲，可能其细胞回收相对比较容易，且不很昂贵，但是落后和昂贵的发酵技术却成了与动、植物细胞相对应产物发展的障碍。总之，发酵液和其他生物溶液常常是非牛顿型流体，如青霉素等一些霉菌发酵液属于卡森型流体，发酵120h的链霉素，呈拟塑性流体，灰色链丝菌发酵液为塑性流体等。因此，悬浮液的稳定性好、流变行为复杂、粘度高等性质，在很大程度上影响固液分离的效率和方法的选择。第10页，共46页，2023年，2月20日，星期一2.3悬浮液的预处理由于所需的产品在培养液和菌体中浓度很低，并与许多杂质夹杂在一起，同时发酵液或生物溶液又属于非牛顿型流体，所以必须进行预处理。预处理的目的主要有三个：1.改变发酵液的物理性质，促进从悬浮液中分离固形物的速度，提高固液分离器的效率；2.尽可能使产物转入便于后处理的某一相中(多数是液相)；3.去除发酵液中部分杂质，以利于后续各步操作。第11页，共46页，2023年，2月20日，星期一具体方法主要有以下几种1.加热法；2.调节悬浮液的pH值；3.凝聚和絮凝；4.使用惰性助滤剂。1.加热：最简单、最经济的预处理方法。加热不仅可以增加料液的操作特性(如黏度、促凝聚、增加空隙率、去蛋白），也可以对其进行灭菌。但加热变性的方法只适合于对热稳定性的产物。2.调pH值：方法简单有效、成本低廉；第12页，共46页，2023年，2月20日，星期一3.

凝聚指在投加的化学物质(例如水解的凝聚剂，像铝、铁的盐类或石灰等)作用下，胶体脱稳并使粒子相互聚集成1mm大小块状凝聚体的过程。其中凝聚剂的作用，有些是对初始粒子表面电荷的简单中和，另一些是消除双电荷层(采用中性盐例如NaCl等)而脱稳，还有一些是通过氢键或其他复杂的形式与粒子相结合而产生凝聚。第13页，共46页，2023年，2月20日，星期一

絮凝指使用絮凝剂(通常是天然或合成的大分子量聚电解质)将胶体粒子交联成网，形成l0mm大小絮凝团的过程。其中絮凝剂主要起架桥作用。凝聚剂和絮凝剂的选择和剂量及处理条件的优化必须进行广泛的试验研究才能确定下来。第14页，共46页，2023年，2月20日，星期一凝聚剂和絮凝剂的种类较多，其中凝聚剂主要是一些无机类电解质，由于大部分被处理物质的颗粒带负电荷、因此工业上常用的凝聚剂大多为阳离子型．分无机盐类(如硫酸铝、明矾、硫酸铁和硫酸亚铁、三氯化铁、氯化铝、氯化锌、硫酸锌、硫酸镁、铝酸钠等)、金属氧化物类(如氢氧化铝、氢氧化铁、氢氧化钙或石灰等)、聚合无机盐类(如聚合铝和聚合铁等)。第15页，共46页，2023年，2月20日，星期一絮凝剂按官能团分为阴离子、阳离子和非离子三大类型，熟知的聚丙烯酰胺絮凝剂，经不同改性可以成为上述三种类型之一。除此以外，人工合成的高分子絮凝剂还有非离子性的聚氧化乙烯；阴离子性的聚丙烯酸钠和聚苯乙烯磺酸，阳离子性的聚丙烯酸二烷基胺乙酯和聚二烯丙基四胺盐等等。天然和生物絮凝剂目前用得较少。第16页，共46页，2023年，2月20日，星期一4.惰性助滤剂是一种颗粒均匀、质地坚硬、不可压缩的粒状物质，用于扩大过滤表面的适用范围，使非常稀薄或非常细小的悬浮液在过滤时发生的快速挤压和介质堵塞现象得到减轻，易于过滤。其原因是充当过滤介质的助滤剂表面具有吸附胶体的能力、并且由此助滤剂颗粒形成的滤饼具有格子型结构，不可缩，滤孔不会被全部堵塞，可以保持良好的渗透性，既能使悬浮液中细小颗粒状胶态物质截留在格子骨架上，又能使清液有流畅的沟通。所以使用惰性助滤剂能大大提高过滤能力和生产效率、改善滤液澄清度，降低过滤成本。可作为惰性助滤剂的材料很多．如硅藻土、膨胀珍珠岩、石棉、纤维素、末活化的碳、炉渣、重质碳酸钙或这些材料的混合物。第17页，共46页，2023年，2月20日，星期一2.4

悬浮液分离过程和分类固－液分离过程的常规分类见图，根据颗粒收集的方式不同，可分为两大类型。第18页，共46页，2023年，2月20日，星期一沉降和浮选所组成第一类，液体受限于一个固定的或旋转的容器而颗粒在液体里自由移动，分离是由于内或外力场的加速作用产生的质量力施加在颗粒上造成的。这种力场可能是重力场、离心力场或磁场。其分离过程不以颗粒到达收集表面为结局。如果这个过程是连续的，被收集的颗粒必须从筛分容器中转送和排放。如果作用的是重力或离心力(除浮选外)，为了进行分离，在固体和悬浮液体之间必须要有密度差，总之，在这一类中，按照这个原理制成的连续操作设备，常常过滤便宜。第二类被不严格地统称为过滤．颗粒受到过滤介质的限制．而液体可自由通过介质，在这一类里，固体和悬浮液的密度不一定要有差异，但是一个完全连续的操作实际上是不可能实现的，如若可行则成本或许会很高。第19页，共46页，2023年，2月20日，星期一2.5过滤法过滤不但是传统的化工单元操作，而且是目前工业生产中用于分离细胞和不溶性物质的主要方法，其操作是迫使液体通过固体支承物或过滤介质，把固体截留，从而达到固、液分离的目的。由于过滤的对象是生物体及其产物，所以又带来了许多特殊的问题，而要认真对待。2.4.1

过滤的理论基础过滤操作理论分析的起点是达西(Darcy)定律式中U=(1/A)×(dV/dt)为流体的速度，V为在时间t内排出液体的体积，A为床层的横断面积，Δp为通过厚度为l的床层时液体的压力降,K为比例常数，与流体和床层的性质有关，又称为达西定律的渗透度。(2.1)第20页，共46页，2023年，2月20日，星期一2.5.1过滤基础理论Darcy定理U=流体的速度(in:m/s)，p=压力差(in:Pa)，l=床层厚度(in:m)，K=Darcy’s渗透系数，与流体和床层的性质有关。第21页，共46页，2023年，2月20日，星期一科泽尼方程：ε为床层孔隙率(空隙体积与总体积之比)；S为单位体积颗粒中颗粒的表面积。K″为科泽尼常数。计算时，一般取取K″＝5(在大量均匀的球形颗粒中可以测量)对于其他形式的颗粒，值的范围为3.5－5.5，大的颗粒尺寸分布、往往引起K″的值降低，但是高的孔隙率(ε>0.8)却使K″的值增加。当床层体积是一常数时，K值是常数，常称为渗透参数。对科泽尼方程有效性的限制因素包括薄层区域表面的流速，非常高的孔隙度，非常高的广的颗粒尺寸分布和纤维状的、可压缩性大的或吸湿性的填充物质。科泽尼方程揭示了影响过滤各因素之间的内在联系，奠定了过滤理论的基础。第22页，共46页，2023年，2月20日，星期一2.5.2过滤器的设计2.5.2.1

基本方程在过滤器的设计中、多孔床层持性可归结在球形多孔床层阻力因子R中，其定义为R=K-1

在过滤期间，流动阻力由过滤介质自身和逐步积累在它上面的滤饼产生，此时科泽尼方程可写成：式中R为阻力因子；l为厚度；下标C和F分别代表滤饼和介质。第23页，共46页，2023年，2月20日，星期一

滤饼传统的过滤cakeConventionalfiltration第24页，共46页，2023年，2月20日，星期一滤饼的厚度(lc)可用下式表示：通常给滤饼的比阻定义为:α=Rc/ρw由于过滤介质产生的流动阻力可以使其转变成为当量滤饼厚度lF

，设VF是该当量滤饼厚度的滤液当量体积，则滤液的流速可表示为：第25页，共46页，2023年，2月20日，星期一式中V为在时间t内累积的滤液体积；U为滤液通量；A为过滤面积：Δp为通过滤饼和过滤介质后的压力降；α为滤饼的比阻；W为单位滤液体积中沉积固体的干重;μ为滤液的黏度；VF为沉积与过滤介质阻力相当的滤饼厚度所流过的滤液体积。W值可以用滤饼和悬浮液的有关数据按照下式求得式中为单位质量的悬浮液中干固体的质量：ρf为滤液的密度，；m为单位质量干滤饼对应的湿滤饼的质量，它可以表示为:第26页，共46页，2023年，2月20日，星期一2.5.2.2滤饼比阻(平均质量比阻)在过滤器设计中，比阻α(m/kg)是重要的参数，它决定着流速和滤饼性质与其他变量，例如压力降、悬浮液的浓度和过滤面积之间的依赖关系。α值主要随滤饼性质和比表面积的变化而变化，从上面的公式可以导出：式中，ρs=ρW/(1-ε)为滤饼干固体的密度，kg/m3。

第27页，共46页，2023年，2月20日，星期一由上式可知，物料粒度对滤饼比阻的影响最大，因此粒度越细的物料越难过滤。滤饼比阻通常与床层的压力降有关：α＝α′(Δp)式中α′＝(m-n-1ln+1t2n)。n是常数，也称为滤饼的可压缩度，当滤饼不可压缩时，n＝0，对于高度可压缩滤饼，则n趋近于1。工业上所涉及的三种可压缩性滤饼的过滤压力与滤液流速的关系见下图：第28页，共46页，2023年，2月20日，星期一第29页，共46页，2023年，2月20日，星期一2.5.2.3

过滤的操作方式过滤时，按照外加压力和流速的变化，可以将过滤操作分为以下三种方式：1恒压过滤，是一种最常见的操作方式，用压缩空气或真空作为推动力；2恒速过滤，也是一种具有工业意义的操作方式，通常用定容泵来输送料液；3变速－变压过滤操作方式、用离心泵来实现。第30页，共46页，2023年，2月20日，星期一2.5.3.1过滤器的选择(略)2.5.3.2过滤器的类型在生物工艺中应用较广并具有工业意义的过滤器主要是压力和真空过滤器两大类。2.5.3常用新型过滤器(1)真空过滤器它是用于大规模生物分离的主要过滤设备，可以分离较难过滤的悬浮固体粒子。能实现自动操作，故劳动强度小。a转鼓真空过滤器第31页，共46页，2023年，2月20日，星期一转鼓真空过滤器的结构如右图所示。过滤器有一个绕着水平轴转动的鼓，鼓外是大气压而鼓内是部分真空。转鼓的下部浸没在悬浮液中、并以很低的转速转动。鼓内的真空使液体通过滤布进入转鼓，固体粘附在滤布表面形成滤饼，当滤饼转出液面后，再经洗涤、脱水和卸料从转鼓上剥落下来。第32页，共46页，2023年，2月20日，星期一圆盘盘式真空过滤器有两种变种．即水平圆盘过滤器及水平回转翻盘式过滤器，如图所示，其中前者适用于对滤饼洗涤效果要求较高的场合、而后者过滤时圆盘向上，卸料时则翻转向下，借重力或压缩空气卸去滤饼，因此适合于过滤密度大、浓度高的粗颗粒悬浮液。与转鼓真空过滤器相比．圆盘直径大．更易实现大型化。其最大过滤面积可达400m2。b

园盘真空过滤器第33页，共46页，2023年，2月20日，星期一水平带式真空过滤器的优点是处理量大(滤饼厚度可200mm)，并可根据对物质的洗净要求进行滤饼的洗涤，洗涤效果良好，无需搅动装置．操作也灵活，其缺点为：占地面积大，有效过滤面积小，投资较高。c水平带式真空过滤器第34页，共46页，2023年，2月20日，星期一(2)压滤器根据结构型式可将压滤机分为：板框式压滤器、加压叶滤器、带式压滤机和气压罐式连续压滤器等，其中前面两种属于间歇型，后面两种属于连续型。第35页，共46页，2023年，2月20日，星期一在传统的过滤操作中，大部分压力降都是由滤饼阻力产生的，并且大多数滤饼具有可压缩性，压力降与过滤速率不呈线性关系，使得过滤的操作分析和过滤器的设计十分困难，带有很大的经验性。人们通过研究得到：如果料液给过滤介质表面一个平行的大流量冲刷，则过滤介质表面积累的滤饼就会减少到可以忽略的程度，而通过过滤介质的流速却比较小。这种过滤方式称为错流过滤或切向流过滤，见图所示错流方式的膜过滤与传统过滤方法的主要差别为：①过滤介质－膜是薄的多孔的高分子或无机材质，达西定律的可渗透度