生物分离工程 第2章过滤(发酵液预处理和固液分离).

1、第二章第二章发酵液的预处理发酵液的预处理与固液分离与固液分离第一节发酵液的预处理方法第一节发酵液的预处理方法第二节第二节 发酵液的过滤发酵液的过滤第一节发酵液的预处理方法第一节发酵液的预处理方法一一. .目的：目的： *1.1.分离菌体和其它颗粒分离菌体和其它颗粒2.2. 除去部分可溶性杂质，改变滤液的性质除去部分可溶性杂质，改变滤液的性质 胞内产物和胞外产物处理方法不同胞内产物和胞外产物处理方法不同二二. .发酵液的特性发酵液的特性*1.1.发酵产物浓度很低发酵产物浓度很低; ;2.2.悬浮物颗粒小，相对密度和液相相差不大悬浮物颗粒小，相对密度和液相相差不大; ;3.3.固体粒子可压缩性大，

2、液相粘度大固体粒子可压缩性大，液相粘度大; ;4.4.性质不稳定性质不稳定; ;5.5.动植物细胞，不能经受强的剪切力动植物细胞，不能经受强的剪切力. .三三. .发酵液的预处理方法发酵液的预处理方法* 降低液体粘度降低液体粘度 调整调整pHpH 凝聚与絮凝凝聚与絮凝 惰性助滤剂惰性助滤剂1.1.加水稀释加水稀释 但增加悬浮液的体积，加大后处理任务但增加悬浮液的体积，加大后处理任务2.2.加热加热 但必须严格控制加热温度和时间但必须严格控制加热温度和时间 热稳定性热稳定性 防止细胞溶解，胞内物质外溢，增加发酵防止细胞溶解，胞内物质外溢，增加发酵液液 的复杂性的复杂性(一)降低液体粘度* 恰当恰

3、当pHpH，能促进细胞聚集，改善过滤特性。，能促进细胞聚集，改善过滤特性。 氨基酸是两性电解质氨基酸是两性电解质 等电点等电点 pHpI pHpI 碱性条件碱性条件 负电荷负电荷 pHpI pH Fe3+ H+ Ca2+ Mg2+ K+ Na+ Li+ *常用电解质常用电解质：硫酸铝，氧化铝，三氯化铁等。硫酸铝，氧化铝，三氯化铁等。 *(三.凝聚与絮凝) *2.絮凝：絮凝： * 在某些高分子物质的作用下在某些高分子物质的作用下，基于架桥作用，基于架桥作用使使胶粒形成较大凝聚团的过程胶粒形成较大凝聚团的过程。絮凝成絮凝成10mm大大小块状絮凝物。小块状絮凝物。1)原理：架桥作用原理：架桥作用 另

4、外解释：脱水效应，电中和效应另外解释：脱水效应，电中和效应v必须有长链的线性结构，以便同时必须有长链的线性结构，以便同时吸附多个胶粒，形成较大的絮团吸附多个胶粒，形成较大的絮团v分子质量不能超过一定限度，以便分子质量不能超过一定限度，以便有良好的溶解性有良好的溶解性 v其分子中含有相当多的活性官能团其分子中含有相当多的活性官能团，使之与胶粒表面结合，使之与胶粒表面结合2).絮凝剂的化学结构要求3)絮凝剂的分类：絮凝剂的分类：*v解离情况：解离情况：阳离子型，阴离子型，非离子型阳离子型，阴离子型，非离子型v来源不同：来源不同：有机高分子聚合物有机高分子聚合物：如聚丙烯酰胺等：如聚丙烯酰胺等无机高

5、分子聚合物无机高分子聚合物：如聚合铝盐，聚合铁盐等；：如聚合铝盐，聚合铁盐等；天然有机高分子聚合物天然有机高分子聚合物：如壳聚糖和葡聚糖等聚糖类、明如壳聚糖和葡聚糖等聚糖类、明胶、骨胶和海藻酸钠等；胶、骨胶和海藻酸钠等；微生物絮凝剂微生物絮凝剂:是一类由微生物产生的具有絮凝细胞功能是一类由微生物产生的具有絮凝细胞功能的物质，主要成分是糖蛋白、黏多糖、纤维素和核酸等高的物质，主要成分是糖蛋白、黏多糖、纤维素和核酸等高分子物质。同其它絮凝剂相比，其分子物质。同其它絮凝剂相比，其优点优点是安全、无毒和不是安全、无毒和不污染环境。污染环境。 4)影响絮凝效果的因素影响絮凝效果的因素*1、絮凝剂的种类、

6、相对分子质量和类型、絮凝剂的种类、相对分子质量和类型2、溶液、溶液pH ： pH变化，影响离子型絮凝剂官能团变化，影响离子型絮凝剂官能团的电离度，从而影响分子链的伸展形态。电离度的电离度，从而影响分子链的伸展形态。电离度增大，由于链节上相连离子基团间的静电排斥作增大，由于链节上相连离子基团间的静电排斥作用，使分子链从卷曲状态变为伸展状态，架桥能用，使分子链从卷曲状态变为伸展状态，架桥能力提高。力提高。 3、搅拌速度和时间：搅拌能使絮凝剂迅速分散，、搅拌速度和时间：搅拌能使絮凝剂迅速分散，但凝团后，搅拌会打碎凝团。但凝团后，搅拌会打碎凝团。图图2.1絮凝剂的添加量对过滤速率的影响絮凝剂的添加量对

7、过滤速率的影响5)絮凝剂的添加量：絮凝剂的添加量： 由实验确定，一般较多，利于增加架桥的数量；由实验确定，一般较多，利于增加架桥的数量；过多，引起吸附饱和，絮凝剂争夺胶粒而使絮凝剂粒过多，引起吸附饱和，絮凝剂争夺胶粒而使絮凝剂粒径变小，絮凝效果下降。另外还应考虑成本。径变小，絮凝效果下降。另外还应考虑成本。3.混凝：混凝： *v对带负电的菌体和蛋白质，采用阳离子高分子对带负电的菌体和蛋白质，采用阳离子高分子絮凝剂，同时具有降低胶粒的双电子层电位和产絮凝剂，同时具有降低胶粒的双电子层电位和产生吸附架桥双重机理，从而提高絮凝效果，这种生吸附架桥双重机理，从而提高絮凝效果，这种包括絮凝和凝聚机理的过

8、程，称为混凝。包括絮凝和凝聚机理的过程，称为混凝。( (四四). ).惰性助滤剂惰性助滤剂*特性：特性：颗粒均匀，质地坚硬，不可压缩，多孔颗粒均匀，质地坚硬，不可压缩，多孔滤速增大原因：滤速增大原因：改变滤饼结构，可压缩性下降改变滤饼结构，可压缩性下降种类：种类：硅藻土，纤维素，石棉粉，珍珠岩，白土硅藻土，纤维素，石棉粉，珍珠岩，白土， 淀粉等淀粉等*使用方法：使用方法：过滤介质表面预涂助滤剂过滤介质表面预涂助滤剂 直接加入发酵液直接加入发酵液*如何选择和使用助滤剂：如何选择和使用助滤剂：根据目的产物选择助滤根据目的产物选择助滤剂种类；根据过滤介质和过滤情况，选择助滤剂剂种类；根据过滤介质和过

9、滤情况，选择助滤剂品种；粒度选择；使用量。品种；粒度选择；使用量。1. 1.无机离子的去除无机离子的去除*Ca2 草酸钠草酸钠 草酸钙草酸钙Mg2 三聚磷酸钠三聚磷酸钠 Na5P3O10 Mg2+ MgNa3P3O102Na+ Fe3 黄血盐黄血盐 普鲁士兰沉淀普鲁士兰沉淀 3K4Fe(CN)64 Fe3+ Fe4Fe(CN)63 12K+沉淀法：沉淀法： 酸性条件酸性条件 三氯乙酸盐，苦味酸盐等三氯乙酸盐，苦味酸盐等 碱性条件碱性条件 Ag Zn2 Pb2 Fe3等等 变性法：变性法： 加热、调加热、调pH、有机溶剂、表面活性剂、有机溶剂、表面活性剂吸附法：吸附法： 加入吸附剂吸附杂蛋白加入

10、吸附剂吸附杂蛋白2.2.杂质蛋白的去除杂质蛋白的去除*色素来源：色素来源： 微生物代谢分泌；培养基带微生物代谢分泌；培养基带脱色方法：脱色方法： 离子交换；活性炭吸附；氧化等离子交换；活性炭吸附；氧化等3.3.色素的去除色素的去除* 1 1、改变发酵液过滤特性的方法有哪些？、改变发酵液过滤特性的方法有哪些？2 2、试述影响絮凝效果的因素。、试述影响絮凝效果的因素。3 3、絮凝和凝聚的主要区别是什么？、絮凝和凝聚的主要区别是什么？4 4、发酵液的相对纯化方法有哪些？、发酵液的相对纯化方法有哪些？作业作业 2 2 分类：分类：v过滤和有关操作过滤和有关操作：颗粒受限，液体自由运动：颗粒受限，液体自

11、由运动 饼式过滤；深层过滤；筛分饼式过滤；深层过滤；筛分v沉降和浮选：液体受限，颗粒自由运动沉降和浮选：液体受限，颗粒自由运动 浮选；重力沉降；离心沉降浮选；重力沉降；离心沉降发酵液固液分离主要是离心分离和过滤发酵液固液分离主要是离心分离和过滤*第二节过滤第二节过滤( (固液分离过程固液分离过程) )基本概念基本概念: 过滤介质：过滤介质：过滤操作中所采用过滤操作中所采用的多孔物质的多孔物质 ； 滤浆或料浆：滤浆或料浆：过滤操作中所处过滤操作中所处理的悬浮液理的悬浮液 ； 滤液：滤液：通过介质孔道流出的液通过介质孔道流出的液体；体； 滤饼：滤饼：被过滤介质截留的固体被过滤介质截留的固体物质物质

12、 。一一. .过滤过滤*1.原理：原理： 悬浮液通过过滤介质，固体颗粒与溶液分离悬浮液通过过滤介质，固体颗粒与溶液分离 2.分类：分类： *滤饼滤饼过滤：悬浮液置于介质一侧，固体物沉积于过滤：悬浮液置于介质一侧，固体物沉积于介质表面形成滤饼；介质表面形成滤饼；深床过滤：分离出的固体颗粒并不形成滤饼，而深床过滤：分离出的固体颗粒并不形成滤饼，而是沉积于较厚的粒状过滤介质的床层内部；是沉积于较厚的粒状过滤介质的床层内部； 推动力：推动力：重力；离心力；加压；真空重力；离心力；加压；真空滤浆滤液洗液洗涤液深层过滤表面过滤两种过滤方式二二. .过滤的目的过滤的目的1.1.收集胞内产物的细胞或菌体，分离

13、除去液收集胞内产物的细胞或菌体，分离除去液相，相，2.2.收集含生化物质的液相，分离除去固体悬收集含生化物质的液相，分离除去固体悬浮物，如细胞、菌体、细胞碎片、蛋白质浮物，如细胞、菌体、细胞碎片、蛋白质的沉淀物和它们的絮凝体等。的沉淀物和它们的絮凝体等。三三.影响过滤的因素影响过滤的因素*发酵液的预处理和固液分离发酵液的预处理和固液分离菌种：真菌，放线菌，细菌菌种：真菌，放线菌，细菌培养基：黄豆，花生，淀粉，后期加油，培养基未培养基：黄豆，花生，淀粉，后期加油，培养基未用完用完发酵时间：菌丝自溶前放罐发酵时间：菌丝自溶前放罐黏度（发酵液）黏度（发酵液）过滤的难易程度*根据滤饼的重量比阻值，可衡

14、量各种不同发酵液过根据滤饼的重量比阻值，可衡量各种不同发酵液过滤的难易程度。滤的难易程度。一般，真菌的菌丝比较粗大，如青一般，真菌的菌丝比较粗大，如青霉素的重量比阻为（霉素的重量比阻为（0.150.15一一0.200.20） l0 l01212 m mkgkg左左右，发酵液容易过滤，常不需特殊处理。放线菌发右，发酵液容易过滤，常不需特殊处理。放线菌发酵液菌丝细而分枝，交织成网络状，如链霉素重量酵液菌丝细而分枝，交织成网络状，如链霉素重量比阻为比阻为2000200010101212m/kgm/kg左右，过滤较困难，一般需左右，过滤较困难，一般需经预处理。经预处理。四四.过滤的方法过滤的方法*1

15、1、饼层过滤（滤饼过滤）饼层过滤（滤饼过滤）(1) (1) 定义定义: : 若悬浮液中若悬浮液中固体颗粒固体颗粒的体积百分数的体积百分数大于大于1%1%，则过滤过程中在则过滤过程中在过滤介质表面会形成固体颗粒的滤饼过滤介质表面会形成固体颗粒的滤饼层层，这种过滤操作称为饼层过滤。，这种过滤操作称为饼层过滤。(2) (2) 特点特点: : 在饼层过滤中，由于悬浮液中的部分固体颗在饼层过滤中，由于悬浮液中的部分固体颗粒的粒径可能会小于介质孔道的孔径，因而过滤之初粒的粒径可能会小于介质孔道的孔径，因而过滤之初会有一些幼小颗粒穿过介质而使液体浑浊，但颗粒会会有一些幼小颗粒穿过介质而使液体浑浊，但颗粒会在

16、孔道内很快发生在孔道内很快发生“架桥架桥”现象，并开始形成滤饼层现象，并开始形成滤饼层，滤液由浑浊变为清澈。此后过滤就能有效进行了。，滤液由浑浊变为清澈。此后过滤就能有效进行了。(3) (3) 小结小结: : 在饼层过滤中，在饼层过滤中，真正起截留颗粒作用的是滤真正起截留颗粒作用的是滤饼层而不是过滤介质饼层而不是过滤介质，在饼层过滤过程中，在饼层过滤过程中，滤饼会不滤饼会不断增厚。过滤的阻力随之增加，在推动力不变下，过断增厚。过滤的阻力随之增加，在推动力不变下，过滤速度会愈来愈小。滤速度会愈来愈小。饼层饼层过滤过滤2 2、深层过滤、深层过滤(1) (1) 定义定义: : 当悬浮液中当悬浮液中固

17、体颗粒固体颗粒的百分数在的百分数在0.1%0.1%以以下且下且固体颗粒的固体颗粒的粒度很小粒度很小时，若以小而坚硬的固体颗粒堆积生时，若以小而坚硬的固体颗粒堆积生成的固定床作为过滤介质，将悬浮于液体中的固体颗粒截成的固定床作为过滤介质，将悬浮于液体中的固体颗粒截留在床层内部且过滤介质表面不生成滤饼的过滤称为深层留在床层内部且过滤介质表面不生成滤饼的过滤称为深层过滤。过滤。(2) (2) 适用范围适用范围: : 深层过滤适用于浮液中固体颗粒的体积深层过滤适用于浮液中固体颗粒的体积百分数小于百分数小于0.1%0.1%，且固体颗粒粒径较小的场合。，且固体颗粒粒径较小的场合。(3) (3) 特点特点:

18、 : 深层过滤中，由于悬浮液的粒子直径小于床深层过滤中，由于悬浮液的粒子直径小于床层孔道直径，所以层孔道直径，所以粒子随着液体一起流入床层内的曲折通粒子随着液体一起流入床层内的曲折通道，在穿过此曲折通道时道，在穿过此曲折通道时，因分子间力和静电作用力的作，因分子间力和静电作用力的作用，用，使悬浮粒子粘附在孔道壁面上而被截留使悬浮粒子粘附在孔道壁面上而被截留。过滤介质表。过滤介质表面不生成滤饼，且整个过滤过程中过滤阻力不变。面不生成滤饼，且整个过滤过程中过滤阻力不变。深层深层过滤过滤四.改善过滤方法*发酵液的预处理和固液分离发酵液的预处理和固液分离1.1.助滤剂助滤剂：质地坚硬不可压缩性固体：质

19、地坚硬不可压缩性固体*常用助滤剂常用助滤剂：硅藻土，珍珠岩，活性炭：硅藻土，珍珠岩，活性炭机理：机理：表面吸附胶体及不可压缩型格子结构表面吸附胶体及不可压缩型格子结构使用方法：使用方法：a a 预先制成滤饼预先制成滤饼b b 助滤剂混入悬浮液中一起过滤助滤剂混入悬浮液中一起过滤2、滤饼的洗涤、滤饼的洗涤*a a 回收滤饼中残留的滤液回收滤饼中残留的滤液 ； b b 除去滤饼中的可溶性杂质除去滤饼中的可溶性杂质 所以在过滤操作结束时用某种液体对滤饼进行洗涤。所以在过滤操作结束时用某种液体对滤饼进行洗涤。 五五. . 过滤介质过滤介质(1)(1)定义定义: : 过滤介质是一种多孔物质，它是滤饼的支

20、承物，它应具有过滤介质是一种多孔物质，它是滤饼的支承物，它应具有足够的机械强度和尽可能小的流动阻力，过滤介质的孔道直径足够的机械强度和尽可能小的流动阻力，过滤介质的孔道直径往往会大于悬浮液中一部分颗粒的直径。往往会大于悬浮液中一部分颗粒的直径。(2)(2) 种类种类: : * 工业上常用的过滤介质主要有以下几类：工业上常用的过滤介质主要有以下几类：1 1、织物介质、织物介质: :又称滤布，它由棉、毛、丝、麻等天然纤维及由各种又称滤布，它由棉、毛、丝、麻等天然纤维及由各种合成纤维制成的织物，以及由玻璃丝、金属丝等织成的网。合成纤维制成的织物，以及由玻璃丝、金属丝等织成的网。2 2、粒状介质、粒状

21、介质: :包括细纱、木炭、石棉、硅藻土等细小坚硬的颗粒状包括细纱、木炭、石棉、硅藻土等细小坚硬的颗粒状物质，多用于深床过滤。物质，多用于深床过滤。3 3、多孔道固体介质、多孔道固体介质: :它是具有很多微细孔道的固体材料，如多孔陶它是具有很多微细孔道的固体材料，如多孔陶瓷，多孔塑料及多孔金属制成的板式管。瓷，多孔塑料及多孔金属制成的板式管。六.过滤条件的优化应用优化因素应用优化因素* a a 单位质量助滤剂的滤液最大产量单位质量助滤剂的滤液最大产量 b b 使用周期使用周期 c c 流速流速 七七. .过滤设备过滤设备（1 1） 过滤设备种类：过滤设备种类： * a a 间歇式：分过滤、洗涤、

22、卸饼、清洗、安装等步骤间歇式：分过滤、洗涤、卸饼、清洗、安装等步骤 如叶滤机、板框压滤机等；如叶滤机、板框压滤机等； b b 连续式：大多真空操作连续式：大多真空操作, , 如转筒真空过滤机、圆盘真空过滤机。如转筒真空过滤机、圆盘真空过滤机。 （2 2） 叶滤机（如图所示）叶滤机（如图所示） 恒压操作，过滤面积恒压操作，过滤面积= =洗涤面积洗涤面积 过滤终了时的滤饼厚度过滤终了时的滤饼厚度= =洗涤滤饼厚度洗涤滤饼厚度叶滤机叶滤机（3 3） 板框压滤机板框压滤机A A 结构：结构：若干板、框交替排列，板、框都用支耳架在一对横梁上，用压紧装置压紧或拉开若干板、框交替排列，板、框都用支耳架在一对

23、横梁上，用压紧装置压紧或拉开。B B 滤板结构：滤板结构：凹凸纹路作用支撑滤布，提供滤液或洗涤液的流道。分洗涤板和非洗涤板两种。凹凸纹路作用支撑滤布，提供滤液或洗涤液的流道。分洗涤板和非洗涤板两种。C C 滤框结构：滤框结构：有供料浆通过的暗孔，料浆在压差的推动下籍框两侧覆盖的滤布进行过滤分离。有供料浆通过的暗孔，料浆在压差的推动下籍框两侧覆盖的滤布进行过滤分离。D D 过滤操作液体流动路径：过滤操作液体流动路径：料浆沿料浆沿1 1通道输入，通过滤框的暗孔进入滤框，框中的料浆在压差的推动下籍框通道输入，通过滤框的暗孔进入滤框，框中的料浆在压差的推动下籍框两侧覆盖的滤布进行过滤分离。滤饼在框内两侧生成并增长，滤液通过滤布流到两侧覆盖的滤布进行过滤分离。滤饼在框内两侧生成并增长，滤液通过滤布流到滤板