預處理和固液分離生物分離工程第1頁，共110頁，2023年，2月20日，星期日預處理和固液分離內容固液分離發(fā)酵液胞外上清液/濾液預處理提取生化物質的第一步，分兩部分：胞內富集細胞2第2頁，共110頁，2023年，2月20日，星期日發(fā)酵液成分很復雜，包含菌（細胞）體，胞內外代謝產物，及剩余的培養(yǎng)基殘分等。不管人們所需要的產物是胞內還是胞外，都首先要進行培養(yǎng)液的預處理和固液分離開，才能進行后續(xù)操作：對于胞外產物，可先將菌體或其他懸浮雜質去處，才能從澄清的濾液中提取代謝產物。對于胞內產物，首先富集菌體，再進行細胞破碎和碎片分離，然后提取胞內產物。3第3頁，共110頁，2023年，2月20日，星期日14.1發(fā)酵液的預處理（Pretreatment）4第4頁，共110頁，2023年，2月20日，星期日為何要對發(fā)酵液進行預處理？發(fā)酵液的基本特性發(fā)酵產物濃度較低，大多為1-10%，懸浮物顆粒小，細胞的相對密度與培養(yǎng)液相似。固體粒子可壓縮性大液相粘度大，大多為非牛頓型流體；懸浮狀態(tài)穩(wěn)定：雙電層、水化膜、布朗運動5第5頁，共110頁，2023年，2月20日，星期日為何要對發(fā)酵液進行預處理？固液分離方法主要是過濾和離心。對于細菌及某些放線菌，菌體細小，液體粘度大，不能直接過濾，若用高速離心，能耗很大，設備昂貴。若用膜分離技術（如微濾）易產生膜污染，通量降低。發(fā)酵液中由于菌體自溶，核酸、蛋白質及其它有機粘性物質的存在也會影響固液分離。因而尋找一種經濟有效的方法來提高固液分離速度顯得十分必要。6第6頁，共110頁，2023年，2月20日，星期日預處理的目的預處理的目的：促進從懸浮液中分離固形物的速度，提高固液分離的效率：⑴改變發(fā)酵液的物理性質，包括增大懸浮液中固體粒子的尺寸，降低液體黏度。⑵相對純化，去除發(fā)酵液中的部分雜質（高價無機離子和雜蛋白質），以利于后續(xù)各步操作。⑶盡可能使產物轉入便于后處理的一相中（多數(shù)是液相）；

7第7頁，共110頁，2023年，2月20日，星期日預處理的方法凝聚和絮凝Coagulationandflocculation

加熱法Heating調節(jié)懸浮液的pH值RegulationofpH雜蛋白的去除Removalofuselessprotein高價無機離子的去除Removalofinorganicion助濾劑Filteraids和反應劑

Reactant

8第8頁，共110頁，2023年，2月20日，星期日一凝聚和絮凝在發(fā)酵液預處理中的應用凝聚與絮凝處理過程就是將化學藥劑預先投加到懸浮液中，改變細胞、菌體和蛋白質等膠體粒子的分散狀態(tài)，破壞其穩(wěn)定性，使其聚集起來,增大體積以便固液分離。凝聚和絮凝技術常用于菌體細小而且黏度大的發(fā)酵液的預處理中。9第9頁，共110頁，2023年，2月20日，星期日凝聚和絮凝是兩種方法，兩個概念。凝聚：指在投加的化學物質（鋁、鐵的鹽類）作用下，膠體脫穩(wěn)并使粒子相互聚集成１mm大小塊狀凝聚體的過程。絮凝：指使用絮凝劑（天然的和合成的大分子量聚電解質）將膠體粒子交聯(lián)成網(wǎng)，形成10

mm大小絮凝團的過程。其中絮凝劑主要起架橋作用。凝聚和絮凝10第10頁，共110頁，2023年，2月20日，星期日凝聚：膠體粒子在中性鹽促進下脫穩(wěn)相互聚集成大粒子（1mm）

機理：

1）中和粒子表面電荷

2）消除雙電層結構3）破壞水化膜

（一）凝聚Coagulation11第11頁，共110頁，2023年，2月20日，星期日發(fā)酵液中菌體表面帶有負電荷，由于靜電引力使溶液中反離子被吸附在其周圍，在界面上形成了雙電層。正離子同時受到使它們均勻分布的熱運動影響，具有離開膠粒表面的趨勢。膠體雙電層結構12第12頁，共110頁，2023年，2月20日，星期日兩種相反作用力下，雙電層分裂成兩部：1）吸附層或stern層；2）擴散層。形成了擴散雙電層的結構模型(Gouy-Chapman-Sternmodel)。膠體雙電層結構13第13頁，共110頁，2023年，2月20日，星期日膠體雙電層結構不同界面上形成不同的電位:膠核表面的電位φs是整個雙電層的電位;Stern平面上的電位為φd;滑移面上的電位為ζ,稱ζ電位（電動電位）。14第14頁，共110頁，2023年，2月20日，星期日ζ電位的計算：D—

水的介電常數(shù)；q—

膠體的電動電荷密度，即滑移面上的電荷密度；

δ—

擴散層的有效厚度，即為吸附層和擴散層界面處電位φd降低到其值為1/e處的距離，不能直接測定.ζ電位是控制膠粒間電排斥作用的電位，用來表征雙電層的特征，并作為研究凝聚機理的重要參數(shù)。15第15頁，共110頁，2023年，2月20日，星期日δ—

擴散層的有效厚度式中N-阿伏伽德羅常數(shù)；T-熱力學溫度：k—波爾茲曼常數(shù)；e—電子電荷；Zi—i種反離子的化合價；Ci—i種離子的摩爾濃度。16第16頁，共110頁，2023年，2月20日，星期日雙電層與凝聚由式（14－1）和式（14-2）可知，ζ電位與擴散層厚度δ和電動電荷密度q成正比，而擴散層厚度又與溶液中反離子強度和電荷成反比。對帶負電性菌體的發(fā)酵液，高價陽離子的存在，可壓縮擴散層的厚度，促使ζ電位迅速降低，而且化合價越高，這種影響越顯著。17第17頁，共110頁，2023年，2月20日，星期日凝聚價或凝聚值在發(fā)酵液中加入具有高價陽離子的電解質，能脫除膠粒表面的水化膜，降低ζ電位，使雙電層的排斥力減少，當不足以抗衡膠粒間的范德華引力時，由于熱運動的結果導致膠粒的互相碰撞而聚集起來。電解質的凝聚能力可用凝聚價或凝聚值來表示，使膠粒發(fā)生凝聚作用的最小電解質濃度（毫摩爾／升），稱為凝聚價或凝聚值。18第18頁，共110頁，2023年，2月20日，星期日Schulze－Hardy法則：反離子的價數(shù)越高，凝聚價越小，即凝聚能力越強。陽離子對帶負電荷的膠粒凝聚能力受化合價、水化半徑、離子運動能力的影響，次序為Al3+>Fe3+>H+>Ca2+>Mg2+>K+>Na+>Li+19第19頁，共110頁，2023年，2月20日，星期日常用的凝聚劑電解質有：硫酸鋁Al2(SO4)3?18H2O（明礬）；氯化鋁AlCl3?6H2O;三氯化鐵FeCl3;硫酸亞鐵FeSO4·7H2O；石灰；ZnSO4；MgCO320第20頁，共110頁，2023年，2月20日，星期日絮凝：大分子聚電解質將膠體粒子交聯(lián)成網(wǎng)狀，形成絮凝團的過程

機理：架橋作用

采用絮凝法可形成粗大的絮凝體，使發(fā)酵液較易分離。（二）絮凝flocculation21第21頁，共110頁，2023年，2月20日，星期日絮凝劑是一種能溶于水的高分子聚合物，其相對分子質量可高達數(shù)萬至一千萬以上，長鏈狀結構，其鏈節(jié)上含有許多活性官能團，包括離子基團以及非離子型基團。它們通過靜電引力、范德華引力或氫鍵的作用，強烈地吸附在膠粒的表面。當一個高分子聚合物的許多鏈節(jié)分別吸附在不同的膠粒表面上，產生架橋聯(lián)結時，就形成較大絮團，產生絮凝作用。

絮凝22第22頁，共110頁，2023年，2月20日，星期日高分子絮凝劑的吸附架橋作用23第23頁，共110頁，2023年，2月20日，星期日可分為三類：人工合成有機高分子聚合物、天然有機高分子聚合物、無機高分子聚合物1）目前常用的是人工合成有機高分子聚合物，如聚丙烯酰胺類衍生物、聚乙烯亞胺衍生物；聚丙烯酸類和聚苯乙烯類衍生物。工業(yè)上使用的絮凝劑24第24頁，共110頁，2023年，2月20日，星期日高分子聚合物絮凝劑根據(jù)活性基團在水中解離情況不同，可分為三類：陰離子型（含有羧基)、陽離子型（含有胺基）、非離子型25第25頁，共110頁，2023年，2月20日，星期日聚丙烯酰胺類絮凝劑的優(yōu)點用量少，一般以mg/L計量；絮凝體粗大，分離效果好；絮凝速度快；種類多，適用范圍廣。聚丙烯酰胺類絮凝劑的缺點：存在一定的毒性，特別是陽離子型聚丙烯酰胺，用于食品和醫(yī)藥工業(yè)時應謹慎。目前最常見：聚丙烯酰胺類絮凝劑26第26頁，共110頁，2023年，2月20日，星期日2）天然有機高分子絮凝劑人工合成有機高分子絮凝劑雖然發(fā)展很快，但還存在著殘留單體有毒，生物降解難等問題，所以其應用受到了限制。天然有機高分子絮凝劑具有無毒，易生物降解，原料來源廣等優(yōu)點。天然有機高分子改性絮凝劑根據(jù)其原料來源不同可分為淀粉類、纖維素類、植物膠類和聚多糖類。其中淀粉改性絮凝劑的研究開發(fā)最引人注目。27第27頁，共110頁，2023年，2月20日，星期日3）無機高分子聚合物有聚合鐵系和鋁系兩大類鐵系絮凝劑具有操作簡單、費用低，受溫度影響小，親和力強，能有效地去除懸浮物、表面活性劑、破壞油水乳狀液的能力很強等優(yōu)點，缺點腐蝕性強、穩(wěn)定性差。鋁系是目前應用廣、工藝較成熟的一類無機金屬鹽絮凝劑，絮凝效果好，缺點具毒性等。28第28頁，共110頁，2023年，2月20日，星期日微生物絮凝劑微生物絮凝劑是近年來研究和開發(fā)的新型絮凝劑，一類由微生物或其分泌物產生的具有絮凝細胞功能的代謝產物。包括直接利用微生物細胞的絮凝劑、利用微生物細胞壁代謝產物的絮凝劑和克隆技術所獲得的絮凝劑主要成分是糖蛋白、粘多糖、纖維素及核酸等高分子物質。微生物絮凝劑和天然絮凝劑與化學合成的絮凝劑相比，最大的優(yōu)點是安全，無毒和不污染環(huán)境。29第29頁，共110頁，2023年，2月20日，星期日微生物絮凝劑1、微生物絮凝劑的商業(yè)化生產始于20世紀90年代，如紅平紅球菌及由此制成的NOC-1是目前發(fā)現(xiàn)的最佳微生物絮凝劑

2、微生物絮凝劑或將大部分替代普通絮凝劑3、浮游藻類、草分枝桿茵、硅酸鹽芽孢桿菌。30第30頁，共110頁，2023年，2月20日，星期日絮凝的影響因素發(fā)酵液的性質（細胞濃度，表面電荷）；絮凝劑的濃度，最佳用量為粒子表面積約有一半被聚合物覆蓋；絮凝劑的分子量；pH控制；攪拌速度。31第31頁，共110頁，2023年，2月20日，星期日對于帶負電荷的菌體或蛋白質來說，采用陽離子型高分子絮凝劑同時具有降低膠粒雙電層電位和產生吸附橋架的雙重機理，單獨使用可達到較好絮凝效果；對于非離子型和陰離子型高分子絮凝劑，要采用凝聚和絮凝雙重機理才能提高過濾效果。這種包括凝聚和絮凝機理的過程，稱為混凝。（三）混凝32第32頁，共110頁，2023年，2月20日，星期日二預處理-加熱1）加熱降低液體粘度液體黏度是溫度的指數(shù)函數(shù)，升溫是降低黏度的有效措施。流體力學原理過速率與液體的粘度成反比，降低液體粘度（加水稀釋法和加熱法等）可有效提高過濾速率。加熱是發(fā)酵液預處理最簡單最常用的方法。加熱能改善發(fā)酵液的操作特性。麥芽汁的黏度-溫度曲線。33第33頁，共110頁，2023年，2月20日，星期日二預處理-加熱2）加熱使蛋白質變性凝固變性蛋白質的溶解度小。如檸檬酸發(fā)酵液加熱至80℃以上，可使蛋白質變性凝固，過濾速度加快。加熱處理只適用于對熱較穩(wěn)定的液體。注意加熱溫度與時間，不影響產物活性和細胞的完整性。

34第34頁，共110頁，2023年，2月20日，星期日三預處理-調節(jié)pH

pH值直接影響發(fā)酵液中某些物質的電離度和電荷性質，適當調節(jié)pH值可改善其過濾特性。細胞(碎片)及某些膠體物質在某個pH值下也可能趨于絮凝而成為較大顆粒，有利于過濾的進行。調節(jié)發(fā)酵液的pH到蛋白質的等電點是除去蛋白質的有效方法。大幅度改變pH還能使蛋白質變性凝固。通過調整pH值改變膜過濾中易吸附分子的電荷性質，可減少膜堵塞和污染；影響離子型絮凝劑的電離度。35第35頁，共110頁，2023年，2月20日，星期日四

加入助濾劑（filteraids）

一種不可壓縮的多孔微粒，在發(fā)酵液中加入固體助濾劑，則菌體可吸附于助濾劑微粒上，助濾劑就作為膠體粒子的載體，均勻地分布于濾餅層中，降低了濾餅的可壓縮性，減小了過濾阻力。目前生物工業(yè)中常用的助濾劑是硅藻土，其次是珍珠巖粉、活性炭、石英砂、石棉粉、纖維素、白土等。36第36頁，共110頁，2023年，2月20日，星期日助濾劑的選擇(1)粒度根據(jù)懸浮液中的顆粒和濾液的澄清度確定，一般顆粒較小的濾餅應采用細小的助濾劑。(2)助濾劑的品種應根據(jù)過濾介質選擇助濾劑品種。使用粗目濾網(wǎng)時易泄漏，可選擇石棉粉、纖維素；采用細目濾布時，可使用細硅藻土；(3)用量間歇操作時，過濾介質表面預涂助濾劑，其厚度應不小于2mm。連續(xù)過濾機中根據(jù)過濾速度確定。使用硅藻土時，通常細粒為500g/m3，中等粒度700g/m3,粗粒700-1000g/m3。37第37頁，共110頁，2023年，2月20日，星期日五.加入反應劑加入某些不影響目標產物的反應劑，可消除發(fā)酵液中的一些雜質對過濾的影響，從而提高過濾速度。

1）加入反應劑與某些可溶性鹽類發(fā)生反應生成不溶性沉淀,生成的沉淀能防止菌絲體粘結，使菌絲具有塊狀結構，又能使蛋白質凝固，過濾性能上升，沉淀本身可作為助濾劑.如在新生霉素發(fā)酵液中加入cacl2和Na3po4，生成Ca3(po4)2沉淀。2）發(fā)酵液中含有不溶性多糖物質時，用酶將其轉化為單糖，以提高過濾速率。如萬古霉素用淀粉作培養(yǎng)基，發(fā)酵液過濾前加入0.025%的淀粉酶，攪拌30min后，再加2.5%硅藻土助濾劑，可提高過濾效率5倍。38第38頁，共110頁，2023年，2月20日，星期日發(fā)酵液中的雜質高價無機離子（Ca2+、Mg2+、Fe2+）雜蛋白常規(guī)過濾或膜過濾時，易使過濾介質堵塞，影響過濾效率。采用離子交換和吸附法提取時會降低其交換容量和吸附能力，有機溶劑法或雙水相萃取時，易產生乳化，使兩相分離不清。因此，在預處理時，應盡量除去這些物質。六、發(fā)酵液的相對純化

在采用離子交換提煉時，會影響樹脂對生化物質的交換容量。39第39頁，共110頁，2023年，2月20日，星期日（一）高價無機離子的去除方法Ca2+——草酸、草酸鈉，→形成草酸鈣沉淀（注意回收草酸）

；Mg2+——三聚磷酸鈉，→形成三聚磷酸鈉鎂可溶性絡合物；Fe2+——黃血鹽，→普魯士蘭沉淀40第40頁，共110頁，2023年，2月20日，星期日（二）雜蛋白的去除方法沉淀法變性法吸附法41第41頁，共110頁，2023年，2月20日，星期日1.雜蛋白去除-沉淀法

precipitationA等電點沉淀法（isoelectricprecipitation）蛋白質的等電點大都在酸性范圍內(pH4.0～5.5)，調節(jié)發(fā)酵液的pH到蛋白質的等電點是除去蛋白質的有效方法。B.酸堿調節(jié)，使蛋白質與離子形成沉淀在酸性溶液中，蛋白質與一些陰離子形成沉淀，如三氯乙酸鹽、水楊酸鹽、苦味酸鹽等；在堿性溶液中，蛋白質與一些陽離子形成沉淀，如Ag+、Cu2+、Zn2+、Fe3+等。42第42頁，共110頁，2023年，2月20日，星期日2.雜蛋白去除-變性

Denaturation

蛋白質從有規(guī)則的排列變成不規(guī)則結構的過程稱為變性。變性蛋白質溶解度較小。加熱，大幅度調節(jié)pH值，加酒精、丙酮等有機溶劑或表面活性劑等。不足之處：加熱法只適合于對熱較穩(wěn)定的目的產物；極端pH值也會導致某些目的產物失活，且要消耗大量酸堿；有機溶劑法通常只適用于所處理的液體數(shù)量較少的場合。

43第43頁，共110頁，2023年，2月20日，星期日2變性鏈霉素生產中，采用調pH至酸性（pH3.0），加熱至70℃，維持半個小時的方法來使蛋白變性，能使過濾速度增大10-100倍，濾液粘度可降低1/6。檸檬酸發(fā)酵液，采用加熱至80℃以上，使蛋白質變性凝固和降低發(fā)酵液粘度，從而大大提高了過濾速度。44第44頁，共110頁，2023年，2月20日，星期日3.雜蛋白去除-

吸附法adsorption加入某些吸附劑或沉淀劑吸附雜蛋白質而除去。四環(huán)類抗生素生產中，采用黃血鹽和硫酸鋅的協(xié)同作用生成亞鐵氰化鋅鉀K2Zn3[Fe(CN)5]2的膠狀沉淀來吸附蛋白質，利用此法除蛋白質已取得很好的效果。在枯草桿菌發(fā)酵液中，常加入氯化鈣和磷酸氫二鈉，這兩者本身生成龐大的凝膠，把蛋白質、菌體及其它不溶性粒子吸附并包裹在其中而除去，從而加快了過濾速度。45第45頁，共110頁，2023年，2月20日，星期日思考題1發(fā)酵液為何需要預處理？處理方法有哪些？2凝集與絮凝過程有何區(qū)別？如何將兩者結合使用？

46第46頁，共110頁，2023年，2月20日，星期日第十四章

發(fā)酵液的預處理和固液分離

第二講47第47頁，共110頁，2023年，2月20日，星期日上節(jié)課的主要內容發(fā)酵液的預處理凝聚絮凝加熱調pH高價無機離子的去除雜蛋白質的去除48第48頁，共110頁，2023年，2月20日，星期日14.2發(fā)酵液的固液分離49第49頁，共110頁，2023年，2月20日，星期日一影響發(fā)酵液固液分離的因素1）發(fā)酵液中懸浮離子的大小50第50頁，共110頁，2023年，2月20日，星期日2）發(fā)酵液的黏度viscosity

：固液分離速度通常與粘度成反比，粘度越大，固液分離越困難。影響粘度的因素：菌體的種類和濃度（重要因素），通常絲狀菌、動物或植物細胞懸浮液粘度較大，濃度增大，粘度也提高。培養(yǎng)液中蛋白質、核酸大量存在：通常細胞破碎或細胞自溶后粘度增大。因此細胞破碎的程度應控制，發(fā)酵放罐時間要適宜。培養(yǎng)基成分：如用黃豆粉、花生粉作氮源，淀粉作碳源，粘度都會升高。此外，某些染菌發(fā)酵液，如染細菌，則粘度會增大。發(fā)酵過程的不正常處理，如大量過剩的培養(yǎng)基和消沫油加入，都會使粘度增大。影響發(fā)酵液固液分離的因素51第51頁，共110頁，2023年，2月20日，星期日收集胞內產物的細胞或菌體，分離除去液相，收集含生化物質的液相，分離除去固體懸浮物（細胞、菌體、細胞碎片、蛋白質的沉淀物和它們的絮凝體等）。固液分離的目的包括兩方面：52第52頁，共110頁，2023年，2月20日，星期日二常見的固液分離方法過濾filtration離心Centrifugation

膜分離membraneseparation雙水相萃取ATPS擴張床吸附EBA53第53頁，共110頁，2023年，2月20日，星期日（一）過濾filtration過濾操作是借助于過濾介質，在一定的壓力差ΔP作用下，使懸浮液中的液體通過介質的孔道，而固體顆粒被截留在介質上，從而實現(xiàn)固液分離的單元操作。過濾介質filtermedium

:過濾采用的多孔物質；濾漿filterpulp

:所處理的懸浮液；濾液filtrate

:通過多孔通道的液體；濾餅或濾渣filtercake:被截留的固體物質。54第54頁，共110頁，2023年，2月20日，星期日濾餅過濾：當懸浮液通過濾布時，固體顆粒被濾布阻攔而逐漸形成濾餅（濾渣）。在濾餅過濾中，當濾餅至一定厚度時即起主要的過濾作用適合于固體含量大于0.1%的懸浮液的過濾分離。55第55頁，共110頁，2023年，2月20日，星期日過濾推動力：懸浮液自身壓強差、重力懸浮液的—外加壓力過濾介質的—抽真空離心力過濾阻力：介質阻力：可視為平變，且一般過濾初較明顯濾餅阻力:濾餅厚度：隨過濾進行而增加濾餅特性：顆粒形狀、大小。大多情況下，過濾阻力主要取決于濾餅阻力。56第56頁，共110頁，2023年，2月20日，星期日濾餅的質量比阻衡量過濾特性的主要指標是濾餅的質量比阻rB，它表示單位濾餅厚度的阻力系數(shù)。與濾餅的結構特性有關。對于不可壓縮性濾餅，rB為常數(shù)，但對于可壓縮性濾餅，rB是操作壓力差的函數(shù)：

rB＝r(ΔP)m

（14-3）r-不可壓縮濾渣的比阻，對于一定的料液為常數(shù)；m-壓縮性指數(shù)，一般取0.5-0.8，對不可壓縮性濾餅m為0。可壓縮濾餅:形成的濾餅剛性不足，其內部空隙結構隨著濾餅的增厚或壓差的增大而變形，空隙率減小.57第57頁，共110頁，2023年，2月20日，星期日濾餅的質量比阻與過濾關系濾餅的比阻值是隨操作壓力差的提高而增大的。開始過濾時應注意不能很快提高壓差，通?？恳褐淖匀粔翰钸M料，并應緩慢地，逐步地升高壓力，一般在相當長的時間內，壓力差不要超過0.05MPa，最后的壓差也不超過0.3－0.4MPa。若操作壓力控制過高，由于比阻值的急劇增加，會使過濾速度很快下降，以至達到不能繼續(xù)過濾的程度。58第58頁，共110頁，2023年，2月20日，星期日恒壓下的過濾方程恒壓下，可壓縮性濾餅的比阻應為常數(shù)。如過濾介質的阻力相對較小可以忽略不計，

q—

到瞬間τ，通過單位過濾面積的濾液量，m3；ΔP—壓力差，Pa；μ—濾液粘度，Pa·s；rB—濾餅的重量比阻，m/kg；XB

—通過單位體積濾液所形成的濾渣重量(干重),kg／m3；τ—過濾時間，s59第59頁，共110頁，2023年，2月20日，星期日過濾速度的強化1．降低濾餅比阻力rB

一切能夠降低rB的方法：如添加電解質、絮凝劑、凝固劑助濾劑等。2．降低濾液黏度μ

黏度愈低，過濾阻力愈小。加熱、去雜蛋白、絮凝、調PH、選擇合適的放罐時間。3．降低懸浮液中懸浮固體的濃度過濾速度與獲得濾餅體積成反比。因此應盡可能降低培養(yǎng)基配料濃度（如玉米粉、豆餅粉的濃度）。4.對發(fā)酵液進行預處理，改善濾液性質。60第60頁，共110頁，2023年，2月20日，星期日2過濾介質選擇過濾介質起過濾作用，還是濾餅的支撐物。應具有足夠的機械強度和盡可能小的流動阻力。合理選擇過濾介質：過濾介質所能截留的固體粒子大?。和ǔＲ赃^濾介質的孔徑表示。常用的過濾介質中，纖維濾布所能截留的最小粒子約10μm，硅藻土為lμm，超濾膜可小于0.5μm。過濾介質的透過性：是指在一定的壓力差下，單位時間單位過濾面積上通過濾液的體積量，它取決于過濾介質上毛細孔徑的大小及數(shù)目。61第61頁，共110頁，2023年，2月20日，星期日過濾介質-織物介質又稱濾布，應用最廣泛，包括由棉、麻等天然纖維濾布和合成纖維濾布。其過濾性能受許多因素的影響，其中最重要的是纖維的特性、編織紋法和線型。

最高溫度℃密度(kg／m3)吸水率％耐磨棉尼綸滌綸92105—12014515511413816-226.5-8.30.04-0.08良優(yōu)優(yōu)

濾

液澄清度阻力濾餅中含

水濾餅脫落壽命堵孔傾向平紋斜紋緞紋依次降依次降依次減依次易中長短依次易62第62頁，共110頁，2023年，2月20日，星期日過濾介質-粒狀介質有硅藻土、珍珠巖粉、細砂、活性炭、白土等。最常用的是硅藻土，是優(yōu)良的過濾介質：①一般不與酸堿反應，化學性能穩(wěn)定；②形狀不規(guī)則，空隙大且多孔，具有很大的吸附表面；③無毒且不可壓縮，形成的過濾層阻力不隨操作壓力變化。硅藻土過濾介質通常有三種用法：（1）作為深層過濾介質。硅藻土過濾層具有曲折的毛細孔道，借篩分、吸附和深層效應作用除去懸浮液中的固體粒子，截留效果可達到1μm。（2）作為預涂層。在支持介質的表面上預先形成一層較薄的硅藻土預涂層，用以保護支持介質的毛細孔道不被濾餅層中的固體粒子堵塞。（3）用作助濾劑。63第63頁，共110頁，2023年，2月20日，星期日過濾介質-多孔固體介質

如多孔陶瓷、多孔玻璃、多孔塑料等，可加工成板狀或管狀，孔隙很小且耐腐蝕，常用于過濾含有少量微粒的懸浮液。64第64頁，共110頁，2023年，2月20日，星期日典型過濾設備：按操作方式分類：間歇過濾機、連續(xù)過濾機按操作壓強差分類：壓濾、吸濾和離心過濾實驗室用抽濾裝置板框壓濾機（間歇操作）轉筒真空過濾機（連續(xù)操作）過濾式離心機固液分離過濾設備65第65頁，共110頁，2023年，2月20日，星期日1）實驗室用抽濾裝置66第66頁，共110頁，2023年，2月20日，星期日2）板框壓濾機

plateandframefilter

板框壓濾機的過濾推動力來自泵產生的液壓或進料貯槽中的氣壓。廣泛應用于培養(yǎng)基制備的過濾及霉菌、放線菌、酵母菌和細菌等多種發(fā)酵液的固液分離。適合于固體含量1-10%的懸浮液的分離。

67第67頁，共110頁，2023年，2月20日，星期日板框壓濾機包括板和框，多做成正方形，角端均開有小孔，裝合壓緊后即構成供濾漿或洗水流通的孔道。框的兩側覆以濾布，空框與濾布圍成了容納濾漿及濾餅的空間，濾板用以支撐濾布并提供濾液流出的通道。68第68頁，共110頁，2023年，2月20日，星期日板框式壓濾機在過濾時，懸浮液由離心泵或齒輪泵經濾漿通道打人框內，，濾液穿過濾框兩側濾布，沿相鄰濾板溝槽流至濾液出口，固體則被截留于框內形成濾餅。濾餅充滿濾框后停止過濾。69第69頁，共110頁，2023年，2月20日，星期日板框壓濾機優(yōu)點過濾面積大，結構簡單，價格低，動力消耗少，對不同過濾特性的發(fā)酵液適應性強。它最重要的特征是通過過濾介質時產生的壓力降可以超過0.1MPa,這是真空過濾器無法達到的。缺點不能連續(xù)操作，設備笨重，勞動強度大，衛(wèi)生條件差，非過濾的輔助時間較長。70第70頁，共110頁，2023年，2月20日，星期日自動板框式壓濾機自動板框壓濾機在板框壓緊；卸餅、清洗等操作中可自動完成，勞動強度小，輔助操作時間短。

自動壓濾機結構復雜，價格昂貴，在一定程度上限制了它的應用和發(fā)展。71第71頁，共110頁，2023年，2月20日，星期日3）真空轉鼓過濾機（rotary-drumvacuumfilter）真空過濾設備以大氣與真空之間的壓力差作為過濾操作的推動力。生物工業(yè)中，用得較多的是轉筒式真空過濾機和帶式真空過濾機。轉筒真空過濾機的結構轉筒真空過濾機是一種連續(xù)操作的過濾設備，設備的主體是一個由篩板組成能轉動的水平圓筒，表面有一層金屬絲網(wǎng)，網(wǎng)上覆蓋濾布,圓筒內沿徑向被筋板分隔成若干個空間。72第72頁，共110頁，2023年，2月20日，星期日轉筒真空過濾機結構：轉筒，扇形格(18格)；

濾室；分配頭；動盤(18個孔，分別與扇形格的18個通道相連)；定盤(三個凹槽：濾液真空凹槽、洗水真空凹槽、壓縮空氣凹槽，分別將動盤的18個孔道分成三個通道)；

濾漿槽。工作過程73第73頁，共110頁，2023年，2月20日，星期日轉筒下部浸入濾漿槽中，浸沒角約900-1300，圓筒緩慢旋轉時(轉速約0.5-2r／min)，筒內每一空間相繼與分配頭中的3個室相通，可順序進行過濾、洗滌、吸干、吹松、卸餅等項操作。即整個圓筒分為過濾區(qū)、洗滌及脫水區(qū)，卸渣及再生區(qū)3個區(qū)域。74第74頁，共110頁，2023年，2月20日，星期日轉筒真空過濾機優(yōu)點：轉筒真空過濾機可吸濾、洗滌、卸餅、再生連續(xù)化操作，生產能力大，勞動強度小，缺點：輔助設備多，投資大，且由于真空過濾，推動力?。ú怀^8×104Pa），濾餅濕度大（20％～30％）。主要適用霉菌發(fā)酵液，對菌體細小、黏度大鋪助濾劑。對于濾餅阻力較大的物料適應能力較差。75第75頁，共110頁，2023年，2月20日，星期日帶式真空過濾機帶式真空過濾機（是自動連續(xù)運轉、并能按工藝要求進行無級調速以及操作方便和動力消耗低的一種新型高效的脫水設備。76第76頁，共110頁，2023年，2月20日，星期日帶式真空過濾機流程1、進料→過濾→濾餅洗滌→吸干→卸料→濾布清洗連續(xù)進行，配有PLC控制，自動化程度高。

2、真空過濾盤分段設計，可滿足不同物料過濾、洗滌、吸干的工藝要求，濾帶運行速度采用變頻無級調速，對不同物料有廣泛的適應性。

3、在同一設備上可采用多次逆流洗滌得到高濃度的濾液，也可采用并流洗滌或順流洗滌獲得高純度的濾餅。77第77頁，共110頁，2023年，2月20日，星期日結構：轉鼓濾餅濾布濾網(wǎng)離心過濾機工作原理圖轉鼓(上有小孔，亦稱懸框)；濾網(wǎng)；濾布；機架。原理：

由于離心力作用，液體產生徑向壓差，通過濾餅、濾網(wǎng)及濾筐而流出。4）離心過濾機（centrifugalfilter）78第78頁，共110頁，2023年，2月20日，星期日設備主要結構過程特點適用性板框壓濾機濾板/濾框/夾緊機構/機架裝合過濾洗滌卸渣整理加壓過濾，推動力較大結構簡單，造價低；過濾面積大，能耗少；間歇操作；洗滌時間長，生產效率低。應用廣泛。對原料的適應性強轉鼓真空過濾機轉筒(濾網(wǎng)、濾布)/分配頭、濾漿槽過濾洗滌吹干卸渣連續(xù)化生產，自動化程度高真空過濾，推動力較?。?，濾餅濕度大，設備投資高適于粒度中等，粘度不太大的物料離心過濾機轉鼓(濾網(wǎng)、濾布)/機架過濾洗滌卸渣離心過濾，推動力最大；濾液濕度小，設備成本高，應用廣泛，過濾面積小。幾種過濾設備的比較79第79頁，共110頁，2023年，2月20日，星期日5）硅藻土過濾機diatomitefilter硅藻土中的硅藻有許多不同的形狀，由于硅藻土具有細膩、松散、質輕、多孔、吸水和滲透性強的特性，所以它是一種性能優(yōu)良的工業(yè)濾劑。硅藻土過濾是以硅藻土作為過濾介質，它是一種預涂型過濾器，預涂、過濾、反沖洗是硅藻土過濾的一般工藝過程。在釀造、飲料、酒類和水處理等方面得到廣泛應用。目前，國內主要用于酒類和飲料過濾

80第80頁，共110頁，2023年，2月20日，星期日硅藻81第81頁，共110頁，2023年，2月20日，星期日硅藻土過濾機82第82頁，共110頁，2023年，2月20日，星期日又稱切向流過濾（Cross-FlowFiltration）傳統(tǒng)過濾時過濾液體垂直于過濾介質，過濾阻力主要來之濾餅。錯流過濾打破了傳統(tǒng)過濾的機制，即液體的流向和濾膜相切。在壓力推動下，懸浮液以高速在管狀濾膜的內壁作切向流動，利用流動的剪切作用將過濾介質表面的固體（濾餅）移走，而附著在濾膜上的濾餅很薄，因而能在長時間內保持穩(wěn)定不變的過濾速度６）錯流過濾83第83頁，共110頁，2023年，2月20日，星期日朗極化工公司膜澄清過濾和膜濃縮的“錯流過濾系統(tǒng)”

陶瓷膜錯流過濾84第84頁，共110頁，2023年，2月20日，星期日錯流過濾特點收率高（97-98%）質量好減少處理步聚染菌罐也能進行處理介質阻力大不能得到干濾餅需要大的膜面積目前適用于小分子的分離85第85頁，共110頁，2023年，2月20日，星期日（二）離心分離對于濃度較小，粒徑較大，硬度較強的不溶物，可以采用過濾分離。但當固體顆粒細小而難以過濾時，發(fā)酵液不易被過濾純化，離心操作往顯得十分有效。離心分離是基于固體顆粒和周圍液體密度存在差異，在離心場中使不同密度的固體顆粒加速沉降的分離過程。動植物細胞的收集、細胞碎片和沉淀的分離等常用離心分離。86第86頁，共110頁，2023年，2月20日，星期日優(yōu)點：分離速度快，分離效率高、液相澄清度好；缺點：與過濾設備相比，設備投資高、能耗大、離心產生的固體濃縮物和過濾產生的濃縮不同。通常情況下離心只能得到一種較為濃縮的懸浮液或漿體。而過濾可獲得的水分含量較低的濾餅。離心分離87第87頁，共110頁，2023年，2月20日，星期日離心力與轉速88第88頁，共110頁，2023年，2月20日，星期日離心分離顆粒沉降速度d－顆粒直徑；ρp－顆粒密度；ρm－液體介質密度；η－液體介質粘度；ω－旋轉角速度；r－轉軸中心到顆粒中心距離。增大離心力（ω2r）可提高沉降速度，對沉降速度小的顆粒，提高轉速是有效的方法。與顆粒直徑有關，大顆粒容易沉降。與顆粒密度和介質密度之差(ρp-ρm)成正比，隨介質粘度增大而減小。89第89頁，共110頁，2023年，2月20日，星期日按速度和離心力：1、常速離心機最大轉速8000rpm(r/min),相對離心力(RCF)104g以下,用于細胞、菌體和培養(yǎng)基殘渣等分離；2、高速（冷凍）離心機1×104-2.5×104rpm，相對離心力104~105g,用于細胞碎片、較大細胞器、大分子沉淀物等分離；3、超速離心機轉速2.5-8×104rpm，相對離心力5*105g；用于DNA、RNA蛋白質、細胞器、病毒分離純化；檢測純度；沉降系數(shù)和相對分子量測定等。離心機的種類與用途對于常速和高速離心機，由于所分離的顆粒大小和密度相差較大，只要選擇好離心速度和時間，就能達到分離效果。超速離心的離心方法：差速離心、密度梯度離心和等密度梯度離心。90第90頁，共110頁，2023年，2月20日，星期日按離心機的作用方式：斜角式平拋式管式蝶式螺旋式多室離心機的種類與用途91第91頁，共110頁，2023年，2月20日，星期日1）斜角式離心機是一類結構最簡單的實驗室常用離心機，指離心管腔與轉軸成一定傾角的轉子；角度越大，沉降越結實，分離效果越好，角度越小，顆粒沉降距離短，沉降速度快，但分離效果差。顆粒在角轉子中沉降時，先沿離心力方向撞向離心管，然后再沿管壁滑向管底，因此管的一側會出現(xiàn)顆粒沉積。92第92頁，共110頁，2023年，2月20日，星期日1）斜角式離心機結構穩(wěn)定，可裝載較多的樣品使用較高的轉速。加速或減速時，對樣品有攪動。有些梯度離心要求用角轉頭，否則形成的梯度不均一，線性很差．93第93頁，共110頁，2023年，2月20日，星期日2）平拋式離心機平拋式離心機一類結構簡單的實驗室常用的低中速離心機，轉速一般在3000-6000rpm。轉子活動管套內的離心管，靜止時垂直掛在轉頭上，旋轉時隨著轉子轉動，從垂直懸吊上升到水平位置（約200—800rpm）。顆粒在水平轉子中的沉降是沿管子軸向移動。樣品便于收集受振動和變速攪亂后對流現(xiàn)象小，但轉頭結構復雜，最高轉速相對要低容量也小一些。

94第94頁，共110頁，2023年，2月20日，星期日平拋式離心機轉子95第95頁，共110頁，2023年，2月20日，星期日３）管式離心機

（tubular-bowlcentrifuge）管式離心機具有一個細長而高速旋轉的轉鼓，轉鼓內裝有縱向平板，其下部有進料口。上部兩側有重液相和輕液相出口。96第96頁，共110頁，2023年，2月20日，星期日管式離心機待處理的物料在一定壓力（3×104Pa左右）下由進料管經底部空心軸進入鼓內，靠擋板分布于鼓的四周，并使料液迅速達到與轉鼓相同的角速度。轉鼓帶動物料高速旋轉，在離心力下，懸浮液沿轉鼓內壁向上流動的，料液在離心力場的作用下因其密度差的存在而分離。澄清后的液相流動到轉鼓上部的排液口排出。比重大的固體微粒逐漸沉積在轉鼓內壁形成沉渣層，達到一定數(shù)量后，停機人工清除。97第97頁，共110頁，2023年，2月20日，星期日管式離心機特點：結構簡單，可提供較大離心力，轉速高，分離因數(shù)高達15000-65000。管狀離心機可以冷卻，有利蛋白質分離間歇操作，須定時拆卸、清洗適用于于分離乳濁液及含細顆粒的稀懸浮液，適用于固含量低于1%，顆粒度小于5微米，黏度大的懸浮液澄清或固液兩相密度差較小的分離。98第98頁，共110頁，2023年，2月20日，星期日4）碟片式離心機disk-bowlcentrifuge是在管式離心機的基礎上發(fā)展起來的，在轉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。

是生物工業(yè)中應用最為廣泛的一種離心機

有一個密封的轉鼓，內裝十至上百個錐頂角為60~100゜錐形碟片。碟片間的距離一般為0.5-2.5mm,99第99頁，共110頁，2023年，2月20日，星期日碟片式離心機工作原理當懸浮液在動壓頭的作用下，經中心管流入高速旋轉的碟片之間的間隙時，便產生了慣性離心力，其中密度較大的固體顆粒在離心力作用下向上層碟片的下表面運動，而后在離心力作用下被向外甩出，沿碟片下表面向轉子外圍下滑，而液體則由于密度小，在后續(xù)液體的推動下沿著碟片的隙道向轉子中心流動，然后沿中心軸上升，從套管中排出，達到分離的目的

100第100頁，共110頁，2023年，2月20