第六章--细胞破碎与料液分离设备.

第三篇产物分离设备 第六章细胞破碎与料液分离设备 微生物代谢产物大多分泌到胞外 如大多数小分子代谢物 部分酶蛋白等 但有些目标产物如大多数酶蛋白 类脂和部分抗生素等存在于胞内 要分离和提取此类产物 就必须进行细胞破碎 使目标产物转入液相 然后进行细胞碎片的分离 第一节细胞破碎设备 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 搅拌器的转速700 1450转 min流速50 500L h细胞悬浮液浓度30 50 细胞湿重 体积 玻璃小珠装量70 90 玻璃珠直径0 45 1mm 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 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 三 超声波振荡器 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 槽式 探头直接插入介质式 第二节固液分离设备 固液分离的方法很多 生物工业中运用的方法有分离筛 重力沉降 浮选分离 离心分离和过滤等 其中最常用的主要是过滤和离心分离 过滤是迫使液体通过固体支撑物或过滤介质 把固体截留 从而达到固液分离的目的 离心分离是利用惯性离心力和物质的沉降系数或浮力密度的不同而进行的分离 浓缩等操作 一 过滤设备 过滤又可分为澄清过滤和滤饼过滤两种 1 澄清过滤当悬浮液通过过滤介质时 固体颗粒被阻拦或吸附在滤层颗粒上 使滤液得以澄清 2 滤饼过滤当悬浮液通过滤介质时 固体颗粒被介质阻拦而形成滤饼 当滤饼积至一定厚度时就起到过滤作用 此时即可获得澄清的滤液 按照过滤推动力的差别 习惯上把过滤机分为常压过滤机 加压过滤机和真空过滤机三种 一 常压过滤机 啤酒麦芽汁中有大量的细小悬浮液以及破碎的大麦皮壳 在啤酒厂麦芽糖化的过滤仍采用这种压力差很小的平底筛过滤机 二 加压过滤机 1 板框压滤机 滤板 分为洗涤板 非洗涤板 滤框 滤布 纸 滤板和滤框的材质 不锈钢铸铁硬橡胶塑料板框压滤机的操作压力 最大10 x105Pa 1MPa 通常3 5x105Pa 自动板框压滤机 2 硅藻土过滤机 硅藻土是藻类硅藻的化石 是一种较纯的二氧化硅矿石 硅藻土过滤机被广泛用于啤酒生产中的冷凝固物地分离和成熟啤酒地过滤 它还多用于葡萄酒 清酒及其他含有低浓度细微蛋白质胶体粒子悬浮液地过滤 硅藻土过滤机型号很多 其设计的特点是体积小 过滤能力强 操作自动化 硅藻土过滤机一般分为三种类型 板框过滤机 叶片式过滤机和柱式过滤机 1 板框式硅藻土过滤机 2 叶片式硅藻土过滤机 垂直式硅藻土过滤机 水平叶式硅藻土过滤机 3 柱式硅藻土过滤机 三 真空过滤机 真空转鼓过滤机以大气与真空之间的压力差作为过滤操作的推动力 过滤设备选用的基本原则1 根据物料的过滤性能 初步确定选择哪种推动力的设备 2 根据处理物料的化学性质 检查所选择的过滤机类型是否正确 3 根据工艺过程的特点和生产规模可对选择的过滤设备进行筛选 4 根据对滤饼的纯度或母液回收率等要求来确定过滤机类型 5 根据对滤饼含湿率的要求 决定是否选用带有机械挤压过程的设备 6 根据所选择的设备 物料的基本特性数据进行设备生产能力和最佳操作条件的计算 以确定设备的大小 投资费用 操作费用 三 离心分离设备 利用离心力来达到液 液分离 液 固分离或液 液 固分离的方法统称为离心分离 离心分离可分为三种形式 离心沉降 离心过滤和超离心 1 离心沉降利用固液两相的相对密度差 在离心机无孔转鼓或管子中进行悬浮液的分离操作 2 离心过滤利用离心力并通过过滤介质 在有孔转鼓离心机中分离悬浮液的操作 3 超离心利用不同溶质颗粒在液体中各种部分分布的差异 分离不同相对密度液体的操作 一 离心沉降设备 1 瓶式离心机这是一类结构最简单的实验室常用的低 中速离心机 转速一般在3000 6000 其转子常为外摆式 操作一般在室温下进行 也有配冷却装置的冷冻离心机 2 多室式离心机多室式离心机的转鼓内又若干同心圆组成若干同心环状分离室 这样可以加长分离液体的流程 使液层减薄 以增加沉降的面积 减少沉降的距离 同时还具有粒度筛分的作用 悬浮液中的粗颗粒沉降在靠近内部的分离室壁上 细颗粒则沉降到靠近外部的室壁上 澄清的分离液经溢流口或由向心泵排出 多室式离心机的出渣比较困难 一般在运转一端时间后 待分离液澄清度不符合要求时 停机清理 这种离心机由3 7个分离室 离心力强度为2000 8000 处理能力为2 5 10m3 h 适合处理直径大于0 1 m的颗粒 固相浓度小于5 的悬浮液 3 管式离心机电动机将动力传给机头上的皮带轮和主轴 从而带动转鼓绕自身轴线高速旋转 在转鼓内壁形成强大的离心力场 物料由底部进料口射入转鼓内 在强大的离心力作用下 迫使料液进行分层运动 液固分离 GQ型 质量轻的液体在转鼓中心 流动到转鼓上部通过集液盘回收 质量重的固体被甩在转鼓内壁上 待停机人工卸料 液液固分离 GF型 密度大的液体形成外环 密度轻的液体形成内环 微量的固体沉积在转鼓内壁上 待停机后人工卸料 管式离心机 4 碟片式离心机碟式离心机是立式离心机的一种 转鼓装在立轴上端 通过传动装置由电动机驱动而高速旋转 转鼓内有一组互相套叠在一起的碟形零件 碟片 碟片与碟片之间留有很小的间隙 悬浮液 或乳浊液 由位于转鼓中心的进料管加入转鼓 当悬浮液 或乳浊液 流过碟片之间的间隙时 固体颗粒 或液滴 在离心机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 分离后的液体从出液口排出转鼓 碟片的作用是缩短固体颗粒 或液滴 的沉降距离 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 积聚在转鼓内的固体在分离机停机后拆开转鼓由人工清除 或通过排渣机构在不停机的情况下从转鼓中排出 碟式分离机可以完成两种操作 液 固分离 即底浓度悬浮液的分离 称澄清操作 液 液 或液 液 固 分离 即乳浊液的分离 称分离操作 碟式离心机是1877年由瑞典的德拉阀斯发明 它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 缩短了颗粒的沉降距离 提高了分离效率 碟式离心机工作示意图 碟片式离心机 5 沉降式螺旋卸料离心机 卧螺离心机 在电机拖动下 转鼓带动差速器外壳旋转 由于差速器的变速作用 螺旋推料器以一定的差速 超前或滞后 与转鼓同向旋转 待分离的悬浮液从加料管进入螺旋推料器的料仓内 经初步加速后经料仓出口进入转鼓 由于离心力的作用 转鼓内的悬浮液很快分成两相 较重的固相沉积在转鼓外层 在螺旋推料器的作用下 沉渣和分离液向相反的方向运动 沉渣被推送到锥段进一步脱水后经出渣口排出 分离液从大端溢流孔排出 液 固分离设备 卧式螺旋卸料沉降离心机 二 离心过滤设备 离心过滤原理 1 三足式离心机 液 固分离设备 三足式离心机 手动刮刀 下部卸料 液 固分离设备 三足式上部卸料吊袋离心机 液 固分离设备 三足上悬螺旋刮刀过滤全自动离心机 2 卧式刮刀卸料离心机 3 卧式活塞推料离心机 4 翻袋式离心机 第三节膜分离设备膜分离技术是一种广泛应用于溶液或气体物质分离 浓缩和提纯的分离技术 膜壁微孔密布 原液在一定压力下通过膜的一侧 溶剂及小分子溶质透过膜壁为滤出液 而大分子溶质被膜截留 达到物质分离及浓缩的目的 膜从广义上可定义为两相之间的一个不连续区间 起栅栏作用 阻止块体移动而允许一个或几个物类有序通过的相 膜分离过程为动态过滤过程 大分子溶质被膜壁阻隔 随浓缩液流出 膜不易被堵塞 可连续长期使用 过滤过程可在常温 低压下运行 无相态变化 高效节能 膜分离是在20世纪初出现 20世纪60年代后迅速崛起的一门分离新技术 膜分离技术由于兼有分离 浓缩 纯化和精制的功能 又有高效 节能 环保 分子级过滤及过滤过程简单 易于控制等特征 可广泛应用于食品 医药 生物 环保 化工 冶金 能源 石油 水处理 电子 仿生等领域 已成为当今分离科学中最重要的手段之一 膜分离技术透析微过滤 MF 超滤 UF 纳滤 NF 反渗透 RO 电渗析 ED 膜电解 ME 扩散渗析 DD 蒸汽渗透 VP 气体分离 气体透过 GS 全蒸发 PV 膜蒸馏 MD 膜接触器 MC 载体介导传递 膜分类有机膜聚偏二氟乙烯膜聚四氟乙烯膜聚醚砜膜纤维素膜尼龙膜聚烯烃膜聚丙烯腈膜无机膜1 无机分离膜从表层结构上可以分为 致密膜和多孔膜两大类 应工业化生产的需要 目前 多孔陶瓷膜应用较为成熟和广泛 2 无机膜按照制膜材料 可以分为 陶瓷膜 金属膜 合金膜 高分子金属络和物膜 分子筛复合膜 沸石膜 玻璃膜等 3 无机膜按照结构特点 可以分为 非担载膜 主要在实验室和科研工作中居多 和担载膜 主要应用于工业化生产居多 膜分离优点干净 比萃取 效率高 比薄膜蒸发浓缩 投资小 比大型离心机 易验证 比有机溶剂沉淀 连续操作易于放大常温条件 膜分离过程设备 板膜 中空纤维膜 卷膜 中空纤维膜 陶瓷膜 下面我们介绍一下反渗透 纳滤 超滤 微滤四种常用的膜分离技术 一 反渗透膜分离技术与设备1 反渗透膜分离技术的基本原理在相同的外压下 当溶液与纯溶剂为半透膜隔开时 纯溶剂会通过半透膜使溶液变淡的现象称为渗透 当在单位时间内 溶剂分子进入溶液内的数目要比溶液内的溶剂分子通过半透膜进入纯溶剂内的数目多时 溶剂通过半透膜渗透到溶液中 使得溶液体积增大 浓度变稀 当单位时间内溶剂分子从两个相反的方向穿过半透膜的数目彼此相同时 我们称之为渗透平衡 渗透必须通过一种膜进行 这种膜只能允许溶剂分子通过 而不容许溶质分子通过 因此称为半透膜 当半透膜隔开溶液与纯溶剂时 加在原溶液上的额外压力使原溶液恰好能阻止纯溶剂进入溶液 我们称此压力为渗透压 在通常情况下 溶液越浓 溶液的渗透压越大 如果加在溶液上的压力超过了渗透压 则溶液中的溶剂向纯溶剂方向流动 此过程叫做反渗透 液 固分离设备 2 反渗透膜设备各种膜分离装置主要包括膜组件和泵 所谓膜组件是将膜以某种形式制成一定构型的元件 然后将元件置于压力容器 并提供给水 浓水和产品水的通道 目前 工业上常用的反渗透膜组件形式主要有板框式 管式 螺旋卷式及中空纤维式四种类型 1 板框式反渗透膜组件板框式是一传统的反渗透膜组件 它是由板框式压滤机衍生而来的 它们的区别在于板框式过滤机的过滤介质是帆布 棉饼等 而这里所用的是膜 在结构设计上也不尽相同 例如平板式反渗透组件的结构设计要求耐很高的压力 同其他组件形式相比 平板式的最大特点是制造组装比较简单 膜的更换 清洗 维护比较容易 平板式组件的基本构造是膜 原液流道和透过液流道 彼此相互交替重叠压紧 该装置结构紧凑 处理量的增大 可以通过改变膜的层数来调整 膜越多 则处理量越大 由于组装简单 比较坚固 对于压力变动或现场作业的可靠性较大 平板式组件的优点 平板式组件的原液流道截面积较大 压力损失较小 原液的流速可以高达1 5m s 因此原液即使含有一些杂质异物也不易堵塞流道 对处理对象的适应面较广 并且对预处理的要求较低 将原液流道隔板设计成各种形状的凹凸波纹可以使流体易于实现湍流 存在的问题 平板膜组件对膜的机械强度要求比较高 由于膜的面积可以大到0 4m2 如果没有足够的强度就很难安装 更换 此外 液体湍流时造成的波动 也要求膜有足够的强度才能耐机械振动 密封边界线长也是这种形式的主要缺点之一 因此 装置越大 对各零部件的加工精度要求也就越高 尽管组装结构简单 但相应增加了成本 2 管式反渗透膜组件管式反渗透器有内压式 外压式 单管和管束式等几种 管式组件的优点是 流动状态好 流速易控制 另外 安装 拆卸 换膜和维修均较方便 能够处理含有悬浮固体的溶液 机械清除杂质也较容易 而且 合适的流动状态还可以防止浓差极化和污染 管式反渗透膜组件的不足之处是 与平板膜相比 管膜的制备比较难控制 如果采用普通的管径 1 27cm 则单位体积内有效膜面积的比率较低 此外 管口的密封也比较困难 3 中空纤维式膜组件 中空纤维反渗透器的组装方法是 把几十万 或更多 根中空纤维弯成 形并装入圆柱型耐压容器内 纤维束的开口端密封在环氧树脂的管板中 在纤维束的中心轴处安置一个原水分配管 使原水径向流过纤维束 纤维束外面包以网布 以使形状固定 并能促进原水形成滞流状态 淡水透过纤维管壁后 沿纤维的中空内腔流经管板而引出 浓原水在容器的另一端排出 高压原水在中空纤维外面流动是因为纤维壁可承受的内向压力要比外向抗张力大 即使纤维强度不够 也只能被压瘪 或者中空部分被压实 堵塞 但不会破裂 因而防止了产品水被原水污染的可能 中空纤维式装置的主要优点是 单位体积内有效膜表面积比率高 故可采用透水率较低 而物化稳定性好的尼龙中空纤维 该膜不需要支撑材料 寿命可达 年 这是一种效率高 成本低 体积小和重量轻的反渗透装置 中空纤维式装置的主要缺点是 中空纤维膜的制作技术复杂 管板制作也较困难 同时不能处理含悬浮固体的原水 4 螺旋卷式膜组件螺旋卷式膜组件是由美国GulfGeneralAtomics 缩写为GGA 公司于1964年开发研制成功的 这种膜的结构是双层的 中间为多孔支撑材料 两边是膜 其中三边被密封成膜袋状 另一个开放边与一根多孔中心产品收集管密封连接 在膜袋外部的原水侧再垫一网眼型间隔材料 也就是把膜 多孔支撑体 膜 原水侧间隔材料依次叠合 绕中心产品水收集管紧密地卷起来形成一个膜卷 再装入圆柱型压力容器里 就成为一个螺旋卷组件 在实际应用中 把几个膜组件的中心管密封串联起来构成一个组件 再安装到压力容器中 组成一个单元 供给水 原水 及浓缩液沿着与中心管平行的方向在网眼间隔层中流动 浓缩后由压力容器另一端引出 产品水则沿着螺旋方向在两层膜间的膜袋内的多孔支撑材料中流动 最后流入中心产品水收集管而被导出 二 纳滤膜分离技