发酵液的固液分离

1、发酵液的固液分离发酵液的固液分离 固液分离的目的固液分离的目的 收集胞内产物的细胞或菌体，分离收集胞内产物的细胞或菌体，分离 除去液相除去液相 收集含生化物质的液相，分离除去收集含生化物质的液相，分离除去 固体悬浮物（细胞、菌体、细胞碎固体悬浮物（细胞、菌体、细胞碎 片、蛋白质的沉淀物和它们的絮凝片、蛋白质的沉淀物和它们的絮凝 体等）。体等）。 影响发酵液固液分离的因素影响发酵液固液分离的因素 1 1）发酵液中悬浮离子的大小）发酵液中悬浮离子的大小 2 2）发酵液的黏度）发酵液的黏度viscosity ： 固液分离速度通常与粘度成反比，粘度越大，固液固液分离速度通常与粘度成反比，粘度越大，固液

2、 分离越困难。影响粘度的因素：分离越困难。影响粘度的因素： l 菌体的种类和浓度（重要因素），菌体的种类和浓度（重要因素），通常丝状菌、通常丝状菌、 动物或植物细胞悬浮液粘度较大，浓度增大，粘动物或植物细胞悬浮液粘度较大，浓度增大，粘 度也提高。度也提高。 l 培养液中蛋白质、核酸大量存在培养液中蛋白质、核酸大量存在：通常细胞破碎：通常细胞破碎 或细胞自溶后粘度增大。因此细胞破碎的程度应或细胞自溶后粘度增大。因此细胞破碎的程度应 控制，发酵放罐时间要适宜。控制，发酵放罐时间要适宜。 l 培养基成分培养基成分：如用黄豆粉、花生粉作氮源，淀粉：如用黄豆粉、花生粉作氮源，淀粉 作碳源，粘度都会升高。

3、作碳源，粘度都会升高。 l 此外，某些染菌发酵液，如染细菌，则粘度会增此外，某些染菌发酵液，如染细菌，则粘度会增 大。大。 l 发酵过程的不正常处理，如大量过剩的培养基和发酵过程的不正常处理，如大量过剩的培养基和 消沫油加入，都会使粘度增大。消沫油加入，都会使粘度增大。 常见的固液分离方法常见的固液分离方法 （一）过滤 常规过滤 错流过滤 （二）离心分离 （三）发酵液不经固液分离直接提取 分离 过过 滤滤 filtrationfiltration 过滤操作过滤操作是借助于过滤介质，在一定的压力是借助于过滤介质，在一定的压力 差差PP作用下，使悬浮液中的液体通过介质的作用下，使悬浮液中的液体通过

4、介质的 孔道，而固体颗粒被截留在介质上，从而实孔道，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。现固液分离的单元操作。 过滤介质过滤介质filter mediumfilter medium : : 过滤采用的多孔过滤采用的多孔 物质；物质； 滤浆滤浆filter pulpfilter pulp : : 所处理的悬浮液；所处理的悬浮液； 滤液滤液filtratefiltrate : : 通过多孔通道的液体；通过多孔通道的液体； 滤饼或滤渣滤饼或滤渣 filter cake:filter cake:被截留的固体物质。被截留的固体物质。 当悬浮液通过滤布时，固体颗粒被滤布阻拦而逐当悬浮液

5、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。 u过滤推动力：过滤推动力： 悬浮液自身压强差、重力悬浮液自身压强差、重力 悬浮液的悬浮液的外加压力外加压力 过滤介质的过滤介质的抽真空抽真空 离心力离心力 u过滤阻力：过滤阻力： 介质阻力介质阻力：可视为平变，且一般过滤初较明显可视为平变，且一般过滤初较明显 滤饼阻力滤饼阻力: : 滤饼厚度：随过滤进行而增加滤饼厚度：随过

6、滤进行而增加 滤饼特性：颗粒形状、大小。滤饼特性：颗粒形状、大小。 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。 过滤速度的强化过滤速度的强化 1 1降低滤饼比阻力降低滤饼比阻力rBrB 一切能够降低一切能够降低rB的方法：如添加电解质、絮凝的方法：如添加电解质、絮凝 剂、凝固剂助滤剂等。剂、凝固剂助滤剂等。 2 2降低滤液黏度降低滤液黏度 黏度愈低，过滤阻力愈小。加热、去杂蛋白、黏度愈低，过滤阻力愈小。加热、去杂蛋白、 絮凝、调絮凝、调PH、选择合适的放罐时间、选择合适的放罐时间。 3 3降低悬浮液中悬浮固体的浓度降低悬浮液中悬浮固体的浓度 过滤速度与获得

7、滤饼体积成反比。因此应尽可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、豆饼粉的能降低培养基配料浓度（如玉米粉、豆饼粉的 浓度）。浓度）。 4. 4. 对发酵液进行预处理，改善滤液性质。对发酵液进行预处理，改善滤液性质。 过滤介质选择过滤介质选择 过滤介质起过滤作用，还是滤饼的支撑物。应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。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：合理选择过滤介质： 过滤介质所能截留的固体粒子大小过滤介质所能截留的固体粒子大小：通常以过通常以过 滤介质的滤介质的孔径孔径表示。常用的过滤介

8、质中，纤维表示。常用的过滤介质中，纤维 滤布所能截留的最小粒子约滤布所能截留的最小粒子约10m10m，硅藻土为，硅藻土为 lmlm，超滤膜可小于，超滤膜可小于0.5m0.5m。 过滤介质的过滤介质的透过性透过性：是指在一定的压力差下，是指在一定的压力差下， 单位时间单位过滤面积上通过滤液的体积量，单位时间单位过滤面积上通过滤液的体积量， 它取决于过滤介质上毛细孔径的大小及数目。它取决于过滤介质上毛细孔径的大小及数目。 过滤介质过滤介质- -织物介质织物介质 又称滤布，应用最广泛，包括由棉、麻等天然纤又称滤布，应用最广泛，包括由棉、麻等天然纤 维滤布和合成纤维滤布。维滤布和合成纤维滤布。 其过滤

9、性能受许多因素的影响，其中最重要的是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、编织纹法和线型纤维的特性、编织纹法和线型。 过滤介质过滤介质- -粒状介质粒状介质 有硅藻土、珍珠岩粉、细砂、活性炭、白土等。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：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；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；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无毒且不可压缩，形成的过滤层阻力不随操作压力 变化。变化。

10、硅藻土过滤介质通常有三种用法：硅藻土过滤介质通常有三种用法： （1 1）作为深层过滤介质作为深层过滤介质。硅藻土过滤层具有曲折的硅藻土过滤层具有曲折的 毛细孔道，借筛分、吸附和深层效应作用除去悬浮毛细孔道，借筛分、吸附和深层效应作用除去悬浮 液中的固体粒子，截留效果可达到液中的固体粒子，截留效果可达到1m1m。 （2 2）作为预涂层。作为预涂层。在支持介质的表面上预先形成一在支持介质的表面上预先形成一 层较薄的硅藻土预涂层，用以保护支持介质的毛细层较薄的硅藻土预涂层，用以保护支持介质的毛细 孔道不被滤饼层中的固体粒子堵塞。孔道不被滤饼层中的固体粒子堵塞。 （3 3）用作助滤剂用作助滤剂。 过滤

11、介质过滤介质- -多孔固体介质多孔固体介质 如多孔陶瓷、多孔玻璃、多孔塑料等，可加工如多孔陶瓷、多孔玻璃、多孔塑料等，可加工 成板状或管状，孔隙很小且耐腐蚀，常用于过成板状或管状，孔隙很小且耐腐蚀，常用于过 滤含有少量微粒的悬浮液。滤含有少量微粒的悬浮液。 典型过滤设备典型过滤设备： 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、吸滤和离心过滤按操作压强差分类：压滤、吸滤和离心过滤 实验室用抽滤装置实验室用抽滤装置 板框压滤机（间歇操作）板框压滤机（间歇操作） 转筒真空过滤机（连续操作）转筒真空过滤机（连续操作） 过滤式离心机过滤式离心机

12、 固液分离过滤设备固液分离过滤设备 15 1 1）实验室用抽滤装置）实验室用抽滤装置 2 2）板框压滤机）板框压滤机 plate and frame filterplate and frame filter 板框压滤机的过滤推动力来自泵产生的液压或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。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、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。酵母菌和细菌等多种发酵液的固液分离。 适合于固体含量适合于固体含量1-10%1-10%的悬浮液的分离。的悬浮液的分离。 17 板框压滤机板框压滤机 包

13、括板和框，多做成正方形，角端均开有小孔，包括板和框，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滤饼的空间，滤板用以支撑滤布并提供滤液流出 的通道。的通道。 板框压滤机板框压滤机 优点优点 过滤面积大，结构简单，价格低，动力消耗少，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。对不同过滤特性的发酵液适应性强。 它最重要的特征是通过过滤介质时产生的压力它最重要的特征是

14、通过过滤介质时产生的压力 降可以超过降可以超过0.1MPa,0.1MPa,这是真空过滤器无法达到这是真空过滤器无法达到 的。的。 缺点缺点 不能连续操作，设备笨重，劳动强度大，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。卫生条件差，非过滤的辅助时间较长。 自动板框式压滤机自动板框式压滤机 自动板框压滤机在板框压紧；卸饼、清洗等操自动板框压滤机在板框压紧；卸饼、清洗等操 作中可自动完成，劳动强度小，辅助操作时间作中可自动完成，劳动强度小，辅助操作时间 短。短。 自动压滤机结构复杂，价格昂贵，在一定程度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。上

15、限制了它的应用和发展。 转筒真空过滤机结构转筒真空过滤机结构 p转筒，扇形格转筒，扇形格(18格格)； 滤室；滤室； 分配头；分配头； 动盘动盘(18(18个孔，分别个孔，分别 与扇形格的与扇形格的1818个通道个通道 相连相连) )； 定盘定盘( (三个凹槽：三个凹槽：滤滤 液真空凹槽、洗水真空液真空凹槽、洗水真空 凹槽、压缩空气凹槽凹槽、压缩空气凹槽， 分别将动盘的分别将动盘的1818个孔个孔 道分成三个通道道分成三个通道) )； p滤浆槽。滤浆槽。 转筒下部浸入滤浆槽中，浸没角约转筒下部浸入滤浆槽中，浸没角约900-1300900-1300， 圆筒缓慢旋转时圆筒缓慢旋转时( (转速约转速

16、约0.5-2r0.5-2rmin)min)，筒内每，筒内每 一空间相继与分配头中的一空间相继与分配头中的3 3个室相通，可顺序进个室相通，可顺序进 行过滤、洗涤、吸干、吹松、卸饼等项操作。行过滤、洗涤、吸干、吹松、卸饼等项操作。 即整个圆筒分为过滤区、洗涤及脱水区，卸渣即整个圆筒分为过滤区、洗涤及脱水区，卸渣 及再生区及再生区3 3个区域。个区域。 转筒真空过滤机转筒真空过滤机 优点：优点： 转筒真空过滤机可吸滤、洗涤、卸饼、再生连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，劳动强度小续化操作，生产能力大，劳动强度小 缺点：缺点： 辅助设备多，投资大，辅助设备多，投资大，

17、且由于真空过滤，推动力小（不超过且由于真空过滤，推动力小（不超过8 8104 104 PaPa），滤饼湿度大（），滤饼湿度大（20203030）。）。 主要适用霉菌发酵液，对菌体细小、黏度大铺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助滤剂。对于滤饼阻力较大的物料适应能力较 差。差。 23 结构结构： 转鼓转鼓 滤饼滤饼 滤布滤布 滤网滤网 离心过滤机工作原理图离心过滤机工作原理图 p转鼓转鼓( (上有小孔，亦称悬上有小孔，亦称悬 框框) )； 滤网；滤网； 滤布；滤布； p机架。机架。 原理：原理： 由于离心力作用，液体产生径向压差，通过滤由于离心力作

18、用，液体产生径向压差，通过滤 饼、滤网及滤筐而流出。饼、滤网及滤筐而流出。 离心过滤机（离心过滤机（centrifugal filter） 滤板滤板/ /滤框滤框/ / 夹紧机构夹紧机构/ /机机 架架 装合装合 过滤过滤 洗涤洗涤 卸渣卸渣 整理整理 几种过滤设备的比较几种过滤设备的比较 又称切向流过滤（又称切向流过滤（Cross-Flow Filtration） 传统过滤时过滤液体垂直于过滤介质，过滤阻力主要传统过滤时过滤液体垂直于过滤介质，过滤阻力主要 来之滤饼。错流过滤打破了传统过滤的机制，即来之滤饼。错流过滤打破了传统过滤的机制，即液体液体 的流向和滤膜相切。的流向和滤膜相切。 在压

19、力推动下，在压力推动下，悬浮液悬浮液以高速在管状滤膜的内壁以高速在管状滤膜的内壁作切作切 向流动向流动，利用流动的剪切作用将过滤介质表面的固体利用流动的剪切作用将过滤介质表面的固体 （滤饼）移走，（滤饼）移走，而附着在滤膜上的滤饼很薄，因而能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在长时间内保持稳定不变的过滤速度 错错 流流 过过 滤滤 26 微滤过程示意图微滤过程示意图, ,料液快速经过薄膜料液快速经过薄膜, ,以减少形成滤饼以减少形成滤饼 错错 流流 过过 滤滤 错流过滤特点错流过滤特点 (收率高收率高 （97-98%97-98%） (质量好质量好 (减少处理步聚

20、减少处理步聚 (染菌罐也能进行处理染菌罐也能进行处理 (介质阻力大介质阻力大 (不能得到干滤饼不能得到干滤饼 (需要大的膜面积需要大的膜面积 (目前适用于小分子的分离目前适用于小分子的分离 （二）离心分离（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。沉降的分离过程。 细胞的收集、细胞碎片和沉淀的分离等细胞的收集、细胞碎片和沉淀的分离等 常用离心分离。常用离心分离。 优点：优点： 分离速度快，分离速度快， 分离效率高、分离效率高、 液相澄清度好液相

21、澄清度好 缺点：缺点： 设备投资高、设备投资高、 能耗大、能耗大、 离心产生的固体浓缩物和过滤产生的浓缩不同。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。或浆体。而过滤可获得的水分含量较低的滤饼。 离心分离离心分离 离 心 力 与 转 速 离心分离颗粒沉降速度离心分离颗粒沉降速度 2 2 () (14 6) 18 pm p d ur d 颗粒直径；颗粒直径； p 颗粒密度；颗粒密度； m 液体介质密度；液体介质密度； 液体介质粘度；液体介质粘度； 旋转角速度；旋转角速

22、度；r 转轴中心到颗粒中心距离。转轴中心到颗粒中心距离。 增大离心力（增大离心力（2r）可提高沉降速度，对沉）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。降速度小的颗粒，提高转速是有效的方法。 与颗粒直径有关，大颗粒容易沉降。与颗粒直径有关，大颗粒容易沉降。 与颗粒密度和介质密度之差与颗粒密度和介质密度之差(p-m)成正比，成正比， 随介质粘度增大而减小。随介质粘度增大而减小。 32 按速度和离心力：按速度和离心力： 1 1、常速离心机常速离心机 最大转速最大转速8000rpm(r/min),8000rpm(r/min),相对离心力相对离心力 (RCF)10(RCF)104 4

23、g g以下以下, ,用于细胞、菌体和培养基残渣等分离；用于细胞、菌体和培养基残渣等分离； 2 2、高速（冷冻）离心机高速（冷冻）离心机 1 110104 4-2.5-2.510104 4rpmrpm，相对离心力，相对离心力 10104 410105 5g,g,用于细胞碎片、较大细胞器、大分子沉淀物等分离；用于细胞碎片、较大细胞器、大分子沉淀物等分离； 3 3、超速离心机超速离心机 转速转速2.5-82.5-810104 4rpmrpm，相对离心力，相对离心力5 5* *10105 5g g；用于；用于 DNADNA、RNARNA蛋白质、细胞器、病毒分离纯化；检测纯度；沉降系蛋白质、细胞器、病毒

24、分离纯化；检测纯度；沉降系 数和相对分子量测定等。数和相对分子量测定等。 离心机的种类与用途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。度离心和等密度梯度离心。 按离心机的作用方式按离心机的作用方式： 斜角式斜角式 平抛式平抛式 管式管式 蝶式蝶式 螺旋式螺旋式 多室多室 34 1 1）斜角式离心机）斜角式离心机 v

25、是一类结构最简单的实验室常用离心机是一类结构最简单的实验室常用离心机 v指离心管腔与转轴成一定倾角的转子；指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，但分离效果差角度越小，颗粒沉降距离短，沉降速度快，但分离效果差 v颗粒在角转子中沉降时，颗粒在角转子中沉降时， 先沿离心力方向撞向离心管，先沿离心力方向撞向离心管， 然后再沿管壁滑向管底，然后再沿管壁滑向管底， 因此管的一侧会出现颗粒沉积。因此管的一侧会出现颗粒沉积。 2 2）平抛式离心机）平抛式离心机 v平抛式离心机一类结构简单的实验平抛式离

26、心机一类结构简单的实验 室常用的低中速离心机，转速一般在室常用的低中速离心机，转速一般在 3000-6000rpm3000-6000rpm。 v 转子活动管套内的离心管，静止时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（约动，从垂直悬吊上升到水平位置（约 200200800rpm800rpm）。）。 v颗粒在水平转子中的沉降是沿管子颗粒在水平转子中的沉降是沿管子 轴向移动。轴向移动。 v样品便于收集，受振动和变速搅乱样品便于收集，受振动和变速搅乱 后对流现象小后对流现象小 v但转头结构复杂，最高转速相对要但转头结构复杂，最高转速相对要 低容量也小一些。低容量也小一些。 36 平抛式离心机转子平抛式离心机转子 37 管式离心机管式离心机 待处理的物料在一定压力（待处理的物料在一定压力（3 310104 4 Pa Pa左右）下由进料左右）下由进料 管经底部空心轴进入鼓内，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。同的角速度。 转鼓带动物料高速旋转，转鼓带动物料高速旋转，在离心力下，悬浮液沿转鼓在离心力下，悬浮液沿转鼓 内壁向上流动的，内壁向上流动的，料液在离心力场的作用下因其密度料液在离心力场的