发酵液的预处理和固液分离PPT.ppt

1、发酵液的预处理和固液分离,第一节 发酵液的预处理,主 要 内 容,一、发酵液的特点 二、发酵液预处理的目的 三、发酵液预处理的方法,生物技术下游加工过程的一般步骤,一、发酵液的基本特性,目标产物浓度较低，大多为1-10%； 悬浮物颗粒小10-5cm，固液悬浮分散体系，细胞密度与 培养液相似； 液相粘度大，大多为非牛顿型流体，不易过滤； 含有高价无机离子（Ca2+ , Mg2+, Fe3+ ，成分复杂（菌 丝体、菌种代谢物和剩余培养基） 悬浮状态稳定：双电层、水化膜、布朗运动,固液分离方法主要是过滤和离心 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，设备昂

2、贵； 若用膜分离技术（如微滤）易产生膜污染，通量降低。 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。 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。 预处理是生化物质分离纯化过程中必不可少的首要步骤,二、发酵液预处理的目的,促进从悬浮液中分离固形物的速度，提高固液分离的效率： 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，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； 相对纯化，去除发酵液中的部分杂质（高价无机离子、 杂蛋白质、及色素、热原质、毒性物质等有机物质）， 以利于后续各步操作； 尽可能使产物转入便于后处理的一相

3、中（多数是液相）。,三、发酵液预处理的方法,加热法 （Heating） 调节悬浮液的pH值（Regulation of pH） 助滤剂和反应剂 （Filter aids and Reactant ) 杂蛋白的去除（Removal of useless protein） 高价无机离子的去除（Removal of inorganic ion） 凝聚和絮凝（Coagulation and flocculation）,（一） 预处理-加热,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。,麦芽汁的黏度-温度曲线,1）加热降低液体粘度 流体力学原理过滤速率与液体的粘度成反比，降低液体粘

4、度（加水稀释法和加热法等）可有效提高过滤速率。 液体黏度是温度的指数函数，升温是降低黏度的有效措施。,2）加热使蛋白质变性凝固，去除杂蛋白 变性蛋白质的溶解度小。 在柠檬酸的生产过程中，将发酵液加热到80可以使蛋白质变性凝固，降低发酵液的粘度，在除去杂蛋白的同时，过滤速度也得到了提高。 加热处理只适用于对热较稳定的产物。注意加热温度与时 间，不影响产物活性和细胞的完整性。 有时加热会增加发酵液的颜色增加后处理的难度。,（二） 预处理-调节pH,pH值直接影响发酵液中某些物质的电荷性质，适当调节pH值可改善其过滤特性。 细胞(碎片)及某些胶体物质在某个pH值下也可能趋于聚集成为较大颗粒，有利于过

5、滤的进行。 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。 通过调整pH值改变膜过滤中易吸附分子的电荷性质，可减少膜堵塞和污染；,案例1 链霉素生产中，采用调pH至酸性pH3.0 ，加热至70，维持半个小时的方法来使蛋白变性，能使过滤速度增大10-100倍，滤液粘度可降低1/6。 案例2 柠檬酸发酵液，采用加热至80以上，使蛋白质变性凝固和降低发酵液粘度，从而大大提高了过滤速度。,（三）加入惰性助滤剂（FILTER AIDS）,a) 助滤剂是一种颗粒均匀，质地坚硬，不可压缩的粒状惰 性物质； b)在发酵液中加入固体助滤剂，则菌体可吸附于助滤剂微 粒

6、上，助滤剂就作为胶体粒子的载体，均匀地分布于滤 饼层中，降低了滤饼的可压缩性，使滤饼疏松，减小了 过滤阻力，使过滤介质堵塞现象得减轻，易于过滤。 c)既能使悬浮液中幼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道，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。,1、助滤剂的选择,(1)助滤剂的品种 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。 应根据过滤介质选择助滤剂品种。使用粗目滤网时易泄漏，可选择石棉粉、纤维素；采用细目滤布时，可使用细硅藻土； (2)粒度 根据悬浮液中的颗粒和滤液的澄清度确定，一般颗粒较小的滤饼应

7、采用细小的助滤剂。,2、助滤剂的使用方法,在滤布上预涂一层助滤剂，作为过滤介质使用，待滤毕后与滤饼一起除去； 助滤剂按一定比例均匀地混入待滤悬浮液中，然后一起进入过滤机，使其形成疏松的滤饼，降低滤饼的可压缩性，让滤液顺畅通过。,（四） 加入反应剂,加入某些不影响目标产物的反应剂，可消除发酵液中的一些杂质对过滤的影响，从而提高过滤速度。 1）加入反应剂与某些可溶性盐类发生反应生成不溶性沉淀，生成的沉淀能使菌丝具有块状结构，又能使蛋白质凝固，过滤性能上升，沉淀本身可作为助滤剂。 如在新生霉素发酵液中加入CaCl2和Na3PO4，生成Ca3(PO4)2沉淀。,2）发酵液中含有不溶性多糖物质时，用酶将

8、其转化 为单糖，以提高过滤速率。 如万古霉素用淀粉作培养基，发酵液过滤前加入0.025%的淀粉酶，搅拌30min后，再加2.5%硅藻土助滤剂，可提高过滤效率5倍。,（五）发酵液中杂质的去除，使发酵液相对纯化,高价无机离子（Ca2+、Mg2+、Fe2+） 杂蛋白,常规过滤或膜过滤时，易使过滤介质堵塞，影响过滤效率； 采用离子交换和吸附法提取时会降低其交换容量和吸附能力； 有机溶剂法或双水相萃取时，易产生乳化，使两相分离不清。,在采用离子交换提取时，会影响树脂对生化物质的交换容量。,A、高价无机离子的去除方法,Ca2+ 草酸、草酸钠 形成草酸钙沉淀 （注意回收草酸） ； Mg2+三聚磷酸钠 形成三

9、聚磷酸钠镁可溶性络合物； Fe2+ 黄血盐，普鲁士兰沉淀,B、杂蛋白的去除方法,1、沉淀法 precipitation,A、等电点沉淀法 蛋白质的等电点大都在酸性范围内(pH4.05.5)，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。,B、酸碱调节，使蛋白质与离子形成沉淀 在酸性溶液中，蛋白质与一些阴离子形成沉淀，如三氯乙酸盐、水杨酸盐、苦味酸盐等； 在碱性溶液中，蛋白质与一些阳离子形成沉淀，如Ag+、Cu2+、Zn2+、Fe3+等。,2.变性 Denaturation,蛋白质从有规则的排列变成不规则结构的过程称为变性。变性蛋白质溶解度较小。 加热 大幅度调节pH值 加酒精、丙酮等

10、有机溶剂或表面活性剂等 有机溶剂使蛋白质分子表面荷电基团或亲水基团的水化程度降低，破坏蛋白质胶体的水膜，降低溶液的介电常数。使得蛋白质之间的静电引力增大，产生凝聚和沉淀。,有机溶剂变性法影响因素： 无机盐对蛋白质的溶解度影响很大； 在低离子强度和等电点附近，容易生成沉淀； 蛋白质相对分子质量越大，越易沉淀。 优点： 有机溶剂的密度较低，产生的沉淀物易于分离； 缺点： 易引起目标蛋白质变性，沉淀操作必须在低温下进行，成本较高。一般只适用于液体处理量较少的情况。 常用于沉淀的有机溶剂：丙酮和乙醇,变性法的不足之处： 加热法只适合于对热较稳定的目的产物； 极端pH值也会导致某些目的产物失活，且要消耗

11、大量酸碱； 有机溶剂法通常只适用于所处理的液体数量较少的场合。,加入某些吸附剂或沉淀剂吸附杂蛋白质而除去。 案例1 四环类抗生素生产中，采用黄血盐和硫酸锌的协同作用生成 亚铁氰化锌钾K2Zn3Fe(CN)52的胶状沉淀来吸附蛋白质，利 用此法除蛋白质已取得很好的效果。 案例2 在枯草杆菌发酵液中，常加入氯化钙和磷酸氢二钠，这两者 本身生成庞大的凝胶，把蛋白质、菌体及其它不溶性粒子吸 附并包裹在其中而除去，从而加快了过滤速度。,3.吸附（adsorption）,(六) 凝聚和絮凝在发酵液预处理中的应用,凝聚与絮凝原理： 将化学药剂预先投加到悬浮液中，改变细胞、菌体和蛋白质等胶体粒子的分散状态，破

12、坏其稳定 性，使其聚集起来,增大体积以便进行固液分离。 常用于菌体细小且粘度较大的发酵液的预处理。,特点： 不仅能使颗粒尺寸有效增加，并且会增大颗粒的过滤速率，提高滤饼的渗透性或者在深层过滤时产生较好的颗粒保留作用。 应用： 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。能有效的改变细胞菌体和蛋白质等胶体粒子的分散状态,使其聚集起来,增大体积以便固液分离。,1、凝 聚 Coagulation,凝聚过程：指在中性盐（铝、铁的盐类或石灰）作用下，由于双电层排斥电位的降低，胶体脱稳并使粒子相互聚集成mm 大小块状凝聚体的过程。 胶体粒子在中性盐促进下脱稳相互聚集成大粒子（1mm）大小块状

13、凝聚体的过程。,机理：1）中和粒子表面电荷 2）消除双电层结构 3）破坏水化膜,蛋白质胶体溶液的稳定性 蛋白质的相对分子质量在5*103-1*106之间，分子直径约1-30nm，呈胶体性质; 蛋白质水化层：蛋白质分子周围存在与蛋白质分子紧密或疏松结合的水化层。紧密结合的水化层可达到0.35g/g蛋白质，而疏松结合的水化层可达蛋白质分子质量的2倍以上； 静电排斥作用：, 胶体双电层结构,发酵液中菌体表面带有负电荷，由于静电引力使溶液中反离子被吸附在其周围。 正离子同时受到使它们均匀分布的热运动影响，具有离开胶粒表面的趋势，在界面上形成了双电层。,两种相反作用力下，双电层分裂成两部： 1）吸附层（

14、紧密层）；2）扩散层。 形成了扩散双电层的结构模型。,双电层可分为两部分： 紧密层：距胶核表面约一个离子半径的stern平面以内，正离子被紧密结合在胶核表面，不流动。 分散层：紧密层外围反离子浓度逐渐降低直至达到主体溶液的平均浓度。 滑移面：当胶体粒子在溶液中作相对运动时，总有一薄层液体，随着它一起滑移，这一薄层，厚度比吸附层稍大。,不同界面上形成不同的电位: 胶核表面的电位s是整个双电层的电位; Stern平面上的电位为d; 滑移面上的电位为,称电位。,只有电位能实际测到。 电位是控制胶粒间电排斥作用的电位，用来表征双电层的特征。 带电粒子间的静电相互作用取决于电位的大小。 当双电层的电位足

15、够大时，静电排斥作用抵御分子间的相互吸引作用，使蛋白质溶液处于稳定状态。,可通过降低蛋白质周围的水化层和双电层厚度（ 电位）降低蛋白质溶液的稳定性，实现蛋白质的沉淀。 水化层厚度和电位与溶液性质（如电解质的种类、浓度、pH值等）密切相关。, 双电层与凝聚,N一 阿伏伽德罗常数； T一 热力学温度： k 波尔兹曼常数； e 电子电荷； Zi i种反离子的化合价； Ci i种离子的摩尔浓度。,D 水的介电常数； q 胶体的电荷密度，即滑移 面上的电荷密度； 扩散层的有效厚度,由上述两式可知，电位与扩散层厚度和电动电荷密度q成正比，而扩散层厚度又与溶液中反离子强度和电荷成反比。 电位随溶液中阳离子浓

16、度和价数的升高而下降。 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，促使电位迅速降低，而且化合价越高，这种影响越显著。 当双电层的排斥力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碰撞而聚集起来。, 凝聚价（凝聚值）,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，降低电位，使双电层的排斥力减少，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碰撞而聚集起来; 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（毫摩尔升），称为凝聚价或凝聚值; SchulzeHardy法则:反离子的价数越高，凝聚价越小

17、，即凝聚能力越强; 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:,Al3+ Fe3+ H+ Ca2+ Mg2+ K+ Na+ Li+, 常用的凝聚剂电解质,硫酸铝 Al2(SO4)318H2O（明矾）； 氯化铝 AlCl36H2O; 三氯化铁 FeCl3; 硫酸亚铁 FeSO47H2O ； 石灰；ZnSO4；MgCO3,利用凝聚方法得到的凝聚体，颗粒常常是比较幼小的（1mm左右），有时还不能有效地进行分离。,2、絮 凝 flocculation,絮凝：使用絮凝剂（天然或合成大分子量聚电解质或生物絮凝剂）将胶体粒子交联成网状，形成10mm大小的絮凝团的过程。机理

18、：架桥作用 优点：采用絮凝法可形成粗大的絮凝体，使发酵液较易分离。不仅可以提高过滤速度，还能有效去除杂蛋白质和固体杂质，如菌体、细胞和细胞碎片等，提高滤液质量。,絮凝机理,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离子型基团； 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； 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，产生絮凝作用。,高分子絮凝剂的吸附架桥作用,工业上使用的絮凝剂,按来源可分为四类： 人工合成有机高分子聚合物 天然有机高分子聚合

19、物 无机高分子聚合物 微生物絮凝剂,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) 阳离子型（含有胺基） 非离子型。,不同类型的有机高分子絮凝剂,1）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；聚丙烯酸类和聚苯乙烯类衍生物，是目前常用的人工合成有机高分子聚合物。,优点 用量少，一般以mg/L计量； 絮凝体粗大，分离效果好； 絮凝速度快； 种类多，适用范围广。 可根据使用需要对碳氢链的长度进行调节。,缺点 存在一定的毒性，生物降解难等问题，特别是聚丙烯酰胺，用于食品和医药工业时应谨慎。 聚丙烯酸类阴离子絮凝剂无毒，可用于食品与医药工业。,2）天然有机高分

20、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。 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。 淀粉改性絮凝剂的研究开发最引人注目。,3）无机高分子聚合物,有聚合铁系和铝系两大类 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。 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。,4） 微生

21、物絮凝剂,微生物絮凝剂是近年来研究开发的新型絮凝剂； 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； 包括直接利用微生物细胞的絮凝剂、利用微生物细胞代谢产物的絮凝剂和克隆技术所获得的絮凝剂 主要成分是糖蛋白、粘多糖、纤维素及核酸等高分子物质； 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。,1、微生物絮凝剂的商业化生产始于20世纪90年 代，红平红球菌及由此制成的NOC-1是目前发现 的最佳微生物絮凝剂 2、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。 参考文献：生物絮凝剂的最新研究进展及其应用,发酵液的性质

22、（细胞浓度，表面电荷）； 絮凝剂的浓度： 絮凝剂的分子量； pH 控制； 搅拌速度。, 絮凝的影响因素,a. 絮凝剂浓度 浓度增加有助于架桥充分，但是过多的加量会引起吸附 饱和，在胶粒上形成覆盖层而产生再次稳定现象。 最佳用量为粒子表面积约有一半被聚合物覆盖；,分子量提高、链增长，可使架桥效果明显； 但分子量不能超过一定的限度，因为随分子量提高，高 分子絮凝剂的水溶性降低，因此，分子量的选择应适当，,b. 高分子絮凝剂分子量,溶液pH的变化会影响絮凝剂功能团的电离度，从而影响分子链的伸展形态。 电离度增大，链节上相邻离子基团间的电排斥作用，使分子链从卷曲状态变为伸展状态，架桥能力提高。,c.溶

23、液pH,（三） 混 凝,阳离子型高分子絮凝剂对带负电菌体或蛋白质来说，同 时具有降低粒子排斥电位和产生吸附架桥的双重机理， 所以可以单独使用， 非离子型和阴离子型高分子絮凝剂，主要通过分子间引 力和氢键产生吸附架桥，常与无机电解质凝聚剂搭配使 用。 首先加入无机电解质，使悬浮粒子脱稳而凝聚，然后， 再加入絮凝剂。凝聚作用为絮凝剂的架桥创造了良好的 条件，从而提高了絮凝效果。 这种包括凝聚和絮凝机理的过程，称为混凝。,思 考 题,1、发酵液为何需要预处理？处理方法有哪些？ 2、蛋白质胶体溶液稳定的原因是什么？ 3、凝聚与絮凝过程有何区别？如何将两者结合 使用？,第二节 固液分离,常见的固液分离方

24、法,过滤 (Filtration) 离心 (Centrifugation) 全发酵液提取 (Fermentation extraction),（一） 过滤 FILTRATION,过滤操作是借助于过滤介质，在一定的压力差P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，从而实现固液分离的单元操作。 过滤介质filter medium: 过滤采用的多孔物质； 滤浆filter pulp: 所处理的悬浮液； 滤液filtrate: 通过多孔通道的液体； 滤饼或滤渣 filter cake:被截留的固 体物质。,分类：,滤饼过滤：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

25、（滤渣）。在滤饼过滤中，当滤饼至一定厚度时即起主要的过滤作用。适合于固体含量大于0.1%的悬浮液的过滤分离。 深层过滤：当颗粒尺寸小于介质孔道直径时，不能在过滤介质表面形成滤饼, 这些颗粒便进入介质内部借惯性和扩散作用趋近孔道壁面,并在静电和表面力的作用下沉积下来，从而与流体分离。深层过滤会使过滤介质内部的孔道逐渐缩小，所以过滤介质必须定期更换或再生。用砂滤法过滤饮用水是深层过滤的实例,A、过滤推动力 悬浮液自身压强差、重力； 悬浮液的外加压力； 过滤介质的抽真空； 离心力。,B、过滤阻力,介质阻力：一般过滤初期较明显 滤饼阻力： 滤饼厚度：随过滤进行而增加 滤饼特性：颗粒形状，大小 可压缩性

26、滤饼：形成的滤饼刚性不足，其内部空隙结构随着滤饼的增厚或压差的增大而变形，空隙率减小。 不可压缩性滤饼：刚性滤饼。 大多数情况下，过滤阻力主要取决于滤饼阻力,C、滤饼的质量比阻,衡量过滤特性的主要指标是滤饼的质量比阻rB ，它表示单位滤饼厚度的阻力系数，决定过滤的流速。 与滤饼的结构特性有关。 对于可压缩性滤饼，rB是操作压力差的函数： rBr(P) m r-不可压缩滤渣的比阻，对于一定的料液为常数； m-压缩性指数，一般取0.5-0.8，对不可压缩性滤饼m为0。 对于不可压缩性滤饼， rB为常数，,滤饼的比阻值是随操作压力差的提高而增大的。 开始过滤时应注意不能很快提高压差，若操作压力控制过

27、高，由于比阻值的急剧增加，会使过滤速度很快下降，以至达到不能继续过滤的程度。 通常靠液柱的自然压差进料，并应缓慢地、逐步地升高压力，一般在相当长的时间内，压力差不要超过0.05 MPa，最后的压差也不超过0.30.4 MPa。,D、恒压下的过滤方程,恒压下，可压缩性滤饼的比阻应为常数。如过滤介质 的阻力相对较小可以忽略不计，,q 到时间时通过单位过滤面积的滤液量，m3； P 压力差，Pa； 滤液粘度，Pas； rB 滤饼的质量比阻，m/kg； XB 通过单位体积滤液所形成的滤渣重量(干重),kgm3； 过滤时间，s,E.质量比阻的计算,质量比阻可根据上式，利用图解法求得。 以/q为纵轴，以q为

28、横轴所得的直线斜率为M，则rB可按 下式计算：,根据滤饼的质量比阻值，可衡量各种不同发酵液过滤的难易程度。,真菌的菌丝比较粗大，如青霉素的重量比阻为(0.15一0.20)xl012 m/kg左右，发酵液容易过滤,不需要特殊处理。 放线菌发酵液菌丝细而分枝，交织成网络状，如链霉素重量比阻为2000 x1012m/kg左右，过滤较困难，一般需经预处理。 细菌发酵液的菌体更细小，质量比阻值更大，直接过滤十分困难，如果不用絮凝等方法预处理发酵液，往往难以采用常规过滤设备完成过滤操作。,G、过滤速度的强化,降低滤饼比阻力rB 一切能够降低rB的方法：如添加电解质、絮凝剂、凝固剂、助滤剂等。 降低滤液黏度

29、 黏度愈低，过滤阻力愈小。加热、去杂蛋白、絮凝、调pH、选择合适的放罐时间。,降低悬浮液中悬浮固体的浓度 过滤速度与获得滤饼体积成反比。因此应尽可能降低培养基配料浓度（如玉米粉、豆饼粉的浓度）。如在链霉素发酵液的培养基中，如以黄豆粉代替玉米浆，则质量比阻增大0.6-1.0倍。 对发酵液进行预处理，改善滤液性质,H. 过滤介质选择,过滤介质起过滤作用，还是滤饼的支撑物。应具有足够的 机械强度和尽可能小的流动阻力。 合理选择过滤介质： 过滤介质所能截留的固体粒子大小 通常以过滤介质的孔径表示。常用的过滤介质中，纤维滤布所能截留的最小粒子约10m，硅藻土为lm，超滤膜可小于0.5m。 过滤介质的透过

30、性 指在一定的压力差下，单位时间、单位过滤面积上通过的滤液体积量，它取决于过滤介质上毛细孔径的大小及数目。, 过滤介质-织物介质,又称滤布，应用最广泛，包括由棉、麻等天然纤维滤布和合成纤维滤布。 其过滤性能受许多因素的影响，其中最重要的是纤维的特性、编织纹法和线型。, 过滤介质-粒状介质,有硅藻土、珍珠岩粉、细砂、活性炭、白土等。 最常用的是硅藻土，是优良的过滤介质： 一般不与酸碱反应，化学性能稳定； 形状不规则，空隙大且多孔，具有很大的吸附表面； 无毒且不可压缩，形成的过滤层阻力不随操作压力变化。,典型过滤设备：,按操作方式分类：间歇过滤机、连续过滤机,按操作压强差分类：压滤、吸滤和离心过滤

31、,实验室用抽滤装置 板框压滤机（间歇操作） 真空过滤机（连续操作） 过滤式离心机,2、固液分离过滤设备,A、实验室用抽滤装置,B、板框压滤机（压滤器）,板框压滤机的过滤推动力来自泵产生的液压或进 料贮槽中的气压。,广泛应用于培养基制备的过滤及霉菌、放线菌、酵 母菌和细菌等多种发酵液的固液分离。 适合于固体含量1-10%的悬浮液的分离。,包括滤板和滤框间隔排列而成，多做成正方形，角端均开有小孔，装合压紧后即构成供滤浆或洗水流通的孔道。 框的两侧覆以滤布，空框与滤布围成了容纳滤浆及滤饼的空间。 滤板用以支撑滤布并提供滤液流出的通道。因此滤板两面制成沟槽，并分别与洗水孔和滤出孔相通。,板框式压滤机在

32、过滤时，悬浮液由离心泵或齿轮泵经滤浆通道打入框内，滤液穿过滤框两侧滤布，沿相邻滤板沟槽流至滤液出口，固体则被截留于框内形成滤饼。滤饼充满滤框后停止过滤。,框,板,板框压滤机,优点,过滤面积大，结构简单，价格低，动力消耗少，对不同过滤特性的发酵液适应性强（含固量多的悬浮液）。 它最重要的特征是通过过滤介质时产生的压力降为3-5105Pa,这是真空过滤器无法达到的，可以用以过滤细小颗粒或液体粘度高的物料。国内广泛采用。,缺点,不能连续操作，设备笨重，劳动强度大，卫生条件差，非过滤的辅助时间较长（解框、卸饼、洗滤饼、滤布，重新压紧板框等）。,自动板框式压滤机,自动板框压滤机在板框压紧；卸饼、清洗等操

33、作中可自动完成，劳动强度小，辅助操作时间短。 自动压滤机结构复杂，价格昂贵，在一定程度上限制了它的应用和发展。,C、真空过滤机,真空过滤设备以大气与真空之间的压力差作为过 滤操作的推动力。 生物工业中，用得较多的是转筒式真空过滤机和 带式真空过滤机。,1、转筒真空过滤机的结构,转筒真空过滤机是一种连续操作的过滤设备。 设备的主体是一个由筛板组成能转动的水平圆筒，表面有一层金属丝网，网上覆盖滤布，圆筒内沿径向被筋板分隔成若干个空间。,鼓外是大气压而鼓内是部分真空。转鼓下部浸没在悬浮液中，并以很低的转速转动（转速约0.5-2rmin ）。 鼓内的真空使液体通过滤布进入转鼓，固体在滤布表面形成滤饼，

34、当滤饼转出液面后，再经洗涤，脱水和卸料从转鼓上脱落下来。,圆筒沿径向分隔成若干（18）扇形格，每格都有单独的孔道通至分配头上。 圆筒转动时，筒内每一空间相继与分配头中的3个室相通，凭藉分配头的作用使这些孔道依次分别与真空管及压缩空气管相通，因而在回转一周的过程中每个扇形格表面即可顺序进行过滤、洗涤、吸干、吹松、卸饼等项操作。 过滤区、洗涤及脱水区， 卸渣及再生区3个区域。,过滤区：圆筒内下部的空间与料浆相接触，由于在这个区中的空间与真空管相连，于是滤液被吸入筒内； 洗涤及脱水区：当圆筒从料浆槽中转出后，由喷嘴将洗涤水喷向圆筒面上的滤饼层进行洗涤，由于此区也与真空管路相通，于是洗涤水穿过滤饼层而

35、被吸入筒内； 卸渣及再生区：经洗涤和脱水的滤饼层继续旋转进入此区。由于此区与压缩空气管路相通，于是压缩空气从筒身内向外穿过滤布将滤饼吹松，随后由刮刀将其刮除。,优点： 转筒真空过滤机可吸滤、洗涤、卸饼、再生连续化操作，生产能力大，劳动强度小，对于处理量较大而压差不需要很大的过滤比较合适。在过滤细、粘物料时，可以采用助滤剂预涂的操作。 缺点： 辅助设备多，投资大， 由于真空过滤，推动力小（不超过8104 Pa），滤饼湿度大（2030）。 主要适用霉菌发酵液，对菌体细小、黏度大铺助滤剂。对于滤饼阻力较大的物料适应能力较差。,3.带式真空过滤机,连续水平带式真空过滤机是一种自动化程度高的新型过滤 设

36、备，该机以过滤布或滤网为介质，使料浆水平布置于过 滤介质之上，充分利用料浆重力和真空吸力实现固液分离。,1、进料过滤滤饼洗涤吸干卸料滤布清洗连续进行，自动化程度高。,优点： 处理量大，滤饼厚度可达200mm，并可根据对物料的洗净要求进行滤饼洗涤，洗涤效果良好，操作灵活。 缺点： 占地面积大，有效过滤面积小，投资高。,几种过滤设备的比较,传统过滤时过滤液体垂直于过滤介质，过滤阻力主要来自滤饼，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。 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

37、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。 错流过滤打破了传统过滤的机制，即液体的流向和滤膜相切。,D、错流过滤（Cross-Flow Filtration）,在压力推动下，悬浮液以高速在管状滤膜的内壁 作切向流动，利用流动的剪切作用将过滤介质表 面的固体（滤饼）移走，而附着在滤膜上的滤饼 很薄，因而能在长时间内保持稳定不变的过滤速 度。,微滤过程示意图,料液快速经过薄膜,以减少形成滤饼,（二）离心分离,离心分离是基于固体颗粒和周围液体密度存在差异，在离心场中使不同密度的固体颗粒加速沉降的分离过程。 动植物细胞的收集、细胞碎片和沉淀的分离等常用离心分离。,1、适用范围,1、悬浮

38、液中固体颗粒细小，浓度较高，黏度很大， 过滤很慢，甚至难以过滤的悬浮液； 2、忌用助滤剂或助滤剂使用无效的分离； 3、两种互不相溶的液体的分离，如液-液萃取； 4、不同密度的固体悬浮液或乳浊液的分离，如制备 超离心技术。,优点 分离速度快； 分离效率高； 液相澄清度好。 缺点 与过滤设备相比，设备投资高； 处理量小，能耗大； 离心产生的固体浓缩物和过滤产生的浓缩不同,通常情况 下离心只能得到一种较为浓缩的悬浮液或浆体，而过滤 可获得的水分含量较低的滤饼。,2、离心分离颗粒沉降原理,d 颗粒直径； p 颗粒密度； m 液体介质密度； 液体介质粘度； 旋转角速度； r 转轴中心到颗粒中心距离。,与

39、颗粒直径有关，大颗粒容易沉降。 与颗粒密度和介质密度之差(p-m)成正比。 与介质粘度成反比，随介质粘度增大而减小。 增大离心力（2r）可提高沉降速度。对沉降速度小 的颗粒，提高转速是有效的方法。,离心力Fc=2r,分离因数Fr（离心力强度）：离心力与重力的比值，表示粒子在离心机中产生的离心加速度与自由下降的加速度之比，在离心场中，微粒可以获得比在重力场中大Fr倍的作用力。; 分离因数Fr是离心分离设备的一重要技术指标，是衡量离心程度的参数。Fr越大，离心分离的推动力就越大，离心分离机的分离性能也越好。 离心机的转鼓直径越大，分离因数越大； 在转鼓直径相同的情况下，则转速越高，离心力也越强，转

40、速较低，离心力也小。,离心力与转速,rpm/min,RCF,径向距离 （cm）,1.119,例如： 直径1000mm，转速1000转/分的离心机，rpm应折换成 转/秒 分离因数为：RCF(1000)=(2*3.1415*16.667)2*0.5/9.8=104.722*0.5/9.8=560,（1）按速度和离心力分类 常速离心机 最大转速8000rpm(r/min)，相对离心力 (RCF)104g以下，用于细胞、菌体和培养基残渣等分离； 高速（冷冻）离心机 1104-2.5104rpm，相对离心力 104-105g，用于细胞碎片、较大细胞器、大分子沉淀物等 分离； 超速离心机 转速2.5-8

41、104rpm，相对离心力5*105g；用 于DNA、RNA、蛋白质、细胞器、病毒分离纯化；检测纯 度；沉降系数和相对分子量测定等。,3、离心机的种类与用途,对于常速和高速离心机，由于所分离的颗粒大小和密度相差较大，只要选择好离心速度和时间，就能达到分离效果。 超速离心的离心方法：差速离心、密度梯度离心和等密度梯度离心。,103,（1）离心机的种类和使用范围,3、离心机分类,(2)按离心机作用原理分,离心沉降：转鼓上不开孔，没有过滤介质，利用固液两相的相对密度差，物料按密度大小分层沉降，可以用于液固、液液和液液固物料的分离。 离心过滤：转鼓上开有小孔，有过滤介质。利用离心力完成过滤作业，在有孔转

42、鼓离心机中分离悬浮液的操作。兼有离心和过滤的作用。 离心分离和超离心：根据物质的沉降系数、质量和形状的不同，应用强大的离心力，将混合物中各组分分离、浓缩、提纯的方法。,4、离心沉降设备,斜角式 平抛式 管式 蝶式 螺旋式 多室,1）斜角式离心机 一类结构最简单的实验室常用离心机； 离心管腔与转轴成一定倾角的转子 角度越大，沉降越结实，分离效果越好； 角度越小，颗粒沉降距离短，沉降速度快，但分离效果差； 颗粒在角转子中沉降时，先沿离心力方向撞向离心管，然后再沿管壁滑向管底，因此管的一侧会出现颗粒沉积。,特点： 结构稳定； 可装载较多的样品； 使用较高的转速； 加速或减速时，对样品有搅动。,2）平

43、抛式离心机 平抛式离心机一类结构简单的实验室常用的低中速离心机，转速一般在 3000-6000rpm。 转子活动管套内的离心管，静止时垂直挂在转头上，旋转时随着转子转动，从垂直悬吊上升到水平位置。 颗粒在水平转子中的沉降是沿管子轴向移动； 样品便于收集； 受振动和变速搅乱后对流现象小； 转头结构复杂，最高转速相对要低； 容量也小一些。,平抛式离心机转子,结构简单，仅为一根直管形的转筒，转速较大，可达到15000r/min，从而产生强大的离心力，离心力强度50000 两种类型： GF型：处理乳浊液，进行液液分离，可连续操作， 适合二相密度差甚微的液、液分离 GQ型：处理悬浮液，进行液固澄清操作，

44、间歇操作。 适合浓度低、粘度大、固相颗粒细 、固液比重度差 较小的固液分离。,）管式离心机(圆筒式离心机),待处理的物料在一定压力（3104 Pa左右）下由进料管经底部空心轴进入鼓内。靠挡板分布于鼓的四周，并使料液迅速达到与转鼓相同的角速度。 转鼓带动物料高速旋转，料液在离心力场的作用下因其密度差的存在而分离。 澄清后的液相流动到转鼓上部的排液口排出。 比重大的固体微粒逐渐沉降到筒壁上形成沉渣和黏稠的浆状物。达到一定数量后，停机人工清除。,管式离心机特点 直径40-150mm，高径比4-8，长度较高，结构简单； 转速高，分离强度高，可提供较大离心力，高达15000-65000，是普通离心机的8

45、-24倍。 适用于分离乳浊液及含细颗粒的稀悬浮液，适用于固含量低于1%，颗粒度小于5微米，黏度大的悬浮液澄清或固液两相密度差较小的分离。 管状离心机可以冷却，有利蛋白质分离； 间歇操作，须定时拆卸、清洗； 缺点： 沉降面积小，处理能力较低。,4）碟片式离心机,是在管式离心机的基础上发展起来的，在转鼓中加入了许多重迭的碟片。可以增大沉降面积，提高处理能力。 有一个密封的转鼓，内装十至上百个锥顶角为60100锥形碟片。 碟片间的距离一般为0.5-2.5mm。 生物工业中应用最为广泛的一种离心机。适于分离细菌、酵母菌、放线菌等多种微生物细胞悬浮液及细胞碎片悬浮液。 生产能力较大，一般用于大规模的分离

46、过程。,碟片的作用是缩短固体颗粒（或液滴）的沉降距离,提高了分离效率。 扩大转鼓的沉降面积，转鼓中由于安装了碟片而大大提高了分离机的生产能力。,碟片式离心机工作原理,悬浮液由位于转鼓中心的进料管加入转鼓，从碟片外缘进入碟片间隙内缘流动。由于碟片的高速旋转，便产生了惯性离心力， 其中密度较大的固体颗粒在离心力作用下沉降到碟片上形成沉渣（或液层）。沉渣沿碟片表面滑动而脱离碟片并积聚在转鼓内直径最大的部位。,液体则由于密度小，在后续液体的推动下沿着碟片的隙道 向转子中心流动，然后沿中心轴上升，从套管中排出， 达到分离的目的。,特点： 离心强度可达3000-10000； 由于碟片数多且间隙小，从而增大

47、了沉降面积，缩短了沉降距离，分离效果较好。,碟片式离心机类型,A、人工排渣的碟片离心机（间歇式） 碟片上不开孔，只有一个清液排出口。 机器运行一段时间后，转鼓壁上聚集的沉渣增多，分离液澄清度下降到不符合要求时，间歇排出。 只适用于固体颗粒含量很少的悬浮液（1%-2%），但可以达到很高的分离因数，特别适用于分离两种液体并同时除去少量固体。 抗生素提取，疫苗生产，细菌菌体的收集等。,B、喷嘴排渣的碟片离心机 连续式离心机，其转鼓呈双锥型，转鼓周边有若干个喷嘴（2-24个），喷嘴直径为0.5-3.2mm。 由于排渣的含液量较高，具有流动性，故多用于浓缩过程，浓缩比可达5-20倍。,设备参数： 转鼓直

48、径可达900mm，最大处理量为300m3/h，适于处理颗粒直径为0.1-100um，体积浓度小于25%的悬浮液; 如用于抗生素、酶、氨基酸和微生物或单细胞蛋白质、酵母、淀粉、糖密等。,D、活门（活塞）排渣碟片离心机,利用活门启闭排渣孔进行断续自动排渣。 位于转鼓底部的环板状活门，在操作时可以上下移动，位置在上时，关闭排渣口，下降时则开启排渣口。 排渣时可以不停车。 操作参数： 离心强度范围5000-9000，最大处理能力40m3/h，适用于处理颗粒直径为0.1-500m,固相含量小于10%的悬浮液。 对于一些难分离的物料特别有效，如对大肠杆菌等，应用范围是最广的。,E、活门排渣的喷嘴式碟片离心

49、机,这是近年来开发的机型。 它和相同直径的活塞机相似，其速度可增加23%30%。分离因子可达15000左右，是其它碟片式离心机所不能及的。 可用于酶制剂，疫苗和胰岛素等生产中分离物的澄清，细菌及rDNA的收集。,5）螺旋式离心机,连续操作的沉降设备。 转鼓内有可旋转的螺旋输送器，其转数比转鼓的转数稍低。 有立式和卧式两种，卧螺机是一种全速旋转，连续进料、分离和卸料的离心机,工作原理,转鼓与螺旋以一定差速同向高速旋转，悬浮液通过螺旋输送器的空心轴进入机内中部，由进料管连续引入螺旋内筒，加速后进入转鼓。 在离心力场作用下，固相物沉积在转鼓壁上形成沉渣层。输料螺旋将沉积的固相物连续不断定推至转鼓锥端

50、，经排渣口排出机外。 较轻的液相物则形成内层液环，由转鼓大端溢流口连续溢出转鼓，经排液口排出机外。,操作参数： 最大离心力可达6000，操作温度可达300，操作压力为常压。 处理能力0.4-60m3/h，适用于处理颗粒粒度为2um-5mm，固相浓度为1-50%，固液密度差大于0.05g/cm3的悬浮液。 用于分离含固量较多的悬浮液，生产能力较大。 常用于胰岛素、细胞色素、胰酶的分离和淀粉精制及废水处理。,多室式离心机的转鼓内有若干同心圆筒组成的环状分离室 加长了被分离液体的流程，使液层减薄，增加了沉降面积，减少了沉降距离。 同时还有粒度筛分的作用，悬浮液中的粗颗粒沉降到靠近内部的分离室壁上，细

51、颗粒则沉降到靠近外部的室壁上，澄清的分离液经溢流排出。,6）多室式离心机,操作参数：,3-7个分离室； 离心力强度为2000-8000， 处理能力2.5-10m3/h 适用于处理直径大于0.1um，固本浓度小于5%的悬浮液 常用于抗菌素液液萃取分离，果汁和酒类饮料的澄清等。,5、离心过滤,离心过滤是将料液送往有孔的转鼓并利用离心力场进行过滤的过程，以离心力为推动力完成过滤作业，兼有离心和过滤的双重作用。 结构：转鼓(上有小孔，亦称悬框)； 滤网； 滤布； 原理：由于离心力作用，液体产生径向压差，通过滤饼、 滤网及滤框而流出。,料液进入有过滤介质（滤网）的转鼓中，与沉降式离心机一样，粒子受离心力

52、而沉积，过滤介质则阻止粒子的通过，形成滤饼。 当悬浮液的固体粒子沉积时，滤饼表面生成了澄清液，透过滤饼层和过滤介质向外排出。 过滤后期，滤饼压缩、压干。 一般分为滤饼形成、滤饼压 紧和滤饼压干三个阶段。,离心在生物工业中的应用,包含体产物分离工艺（牛生长激素BGH分离提取）,来自发酵罐的菌体经过离心除去培养液后加入缓冲液悬浮，通入高压匀浆器反复破碎三次。 匀浆经过离心和水洗除去细胞碎片，再添加溶菌酶、EDTA和促进剂以除去脂蛋白和未破碎的细胞。 包含体经离心沉淀和水洗后进行变性溶解，溶解剂为6mol/L盐酸胍。溶解的同时通入空气氧化以打断错误连接的双硫键。 离心除去沉淀，含变性蛋白质的上清液经

53、超滤浓缩后过凝胶柱除去杂蛋白，再加入复性缓冲液进行透析复性。 复性过程中产生的絮凝沉淀用离心除去。,6、超离心法,利用物质的沉降系数、质量和形状不同，应用强大的离心力（相对离心力5*105g），将混合物中各组分分离，浓缩、提纯的方法，称为超离心法。 运用超离心法已经成功分离制备各种亚细胞物质，如线粒体、微粒体、溶酶体、DNA和各种RNA。 如用5*105g的强大离心力，长时间离心（17h以上），可获得具有生物活性的DNA、m-RNA、t-RNA等，为遗传工程提供了必需基础，是现代生物技术领域研究中不可缺少的实验室分析制备手段。,（1）超离心的原理,粒子在沉降场沉降的基本公式：,如果粒子在离心场中作匀速直线运动，则,Uw=dr/dt,结合两式积分，得,适用范围：不适用于非球形粒子；只适用于牛顿流体的稀溶液,即在某种介质中，使一种球形粒子从液体的弯月面沉降到离心管某部（如底部）所需的时间。,在某一转速时，沉降一组均匀的球形颗粒所需要的时