发酵液的固液分离

1、1发酵液的固液分离发酵液的固液分离2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）。3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42 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，固液分离越困

2、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。作碳源，粘度都会升高。l

3、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。5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6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，从的孔道，

4、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。而实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。7当悬浮液通过滤布时，固体颗粒被滤布阻拦而逐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（滤渣）。

5、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。8u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。

6、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。9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

7、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。10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1

8、0m10m，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。11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

9、法和线型纤维的特性、编织纹法和线型。12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。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

10、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。13过滤介质过滤介质- -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

11、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。 14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固液分离过滤设备固液分离过滤设备151 1）实验室用抽滤装置）实验室用抽滤装置162 2）板框压滤机）板框压滤机plate and

12、 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

13、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。18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

14、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。19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。上限制了它的应用和发展。20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

15、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。21 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。

16、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。 22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， 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

17、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）24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

18、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25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

19、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27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 28（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

20、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。29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

21、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30离心力与转速31离心分离颗粒沉降速度离心分离颗粒沉降速度22()(14 6)18pmpdurd 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

22、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 4g 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

23、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

24、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。 33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341 1）斜角式离心机）斜角式离心机v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

25、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。352 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

26、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 PaPa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作用下因其密度差的存