发酵液的固液分离分类和处理要求

1、1发酵液的固液分离分类和处理要求2上节课的主要内容发酵液的预处理凝聚絮凝加热调pH高价无机离子的去除杂蛋白质的去除3常见的固液分离方法过滤 filtration离心 Centrifugation 膜分离 membrane separation双水相萃取 ATPS扩张床吸附 EBA均相物系(honogeneous system): 均相混合物。物系内部各处均匀且无相界面。如溶液和混合气体都是均相物系。自然界的混合物分为两大类：非均相物系(non-honogeneous system): 非均相混合物。物系内部有隔开不同相的界面存在，且界面两侧的物料性质有显著差异。如：悬浮液、乳浊液、泡沫液属于液

2、态非均相物系，含尘气体、含雾气体属于气态非均相物系。3.1 概述分散相： 分散物质。在非均相物系中，处于分散状态的物质。连续相： 分散介质。包围着分散物质而处于连续状态的流体。非均相物系由分散相和连续相组成 要实现分离，必须使分散相和连续相之间发生相对运动。因此，非均相物系的分离操作遵循流体力学的基本规律。非均相物系的分离原理： 非均相物系分离的理论基础：根据两相物理性质(如密度等)的不同而进行的分离。 由于非均相物的两相间的密度等物理特性差异较大，因此常采用机械方法进行分离。按两相运动方式的不同，机械分离大致分为沉降和过滤两种操作。 通常先造成一个两相物系，再用机械分离的方法分离，如蒸馏，萃

3、取等。非均相物系的分离方法：均相物系的分离：8 发酵液的分离非常困难，最常用的固液分离方法是过滤和离心。 体积较大的颗粒过滤 体积较小的颗粒（1-10m）离心 体积再小 发酵液预处理后再过滤或离心3.2 非均相物系的分离过滤10过滤操作是借助于过滤介质，在一定的压力差P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，从而实现固液分离的单元操作。过滤介质filter medium : 过滤采用的多孔物质； 滤浆filter pulp : 所处理的悬浮液； 滤液filtrate : 通过多孔通道的液体； 滤饼或滤渣 filter cake:被截留的固体物质。滤浆(slurry)：

4、原悬浮液。滤饼(filter cake)：截留的固体物质。过滤介质(filtering medium)：多孔物质。滤液(filterate)：通过多孔通道的液体。过滤操作示意图(滤饼过滤)123.2.2 分类： 依据机理分为： 深层过滤：硅藻土、活性炭（ 固体1g/L） 滤饼过滤：常压、减压、加压（ 固体 1g/L） 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）。在滤饼过滤中，当滤饼至一定厚度时即起主要的过滤作用。适合于固体含量大于1g/L的悬浮液的过滤分离。13深层过滤滤饼过滤143.2.3 过滤理论： 过滤速率 ：dQ/dt = Ap/L(Rm+Rc) 3.2.4 影响过滤

5、的因素 1）推动力 悬浮液自身压强差、重力 悬浮液的外加压力 过滤介质的抽真空 2）悬浮液的性质（发酵液的黏度） 3）过滤阻力： 介质阻力：一般过滤初较明显 滤饼阻力:滤饼厚度：随过滤进行而增加； 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。154）影响发酵液固液分离的其它因素（1）发酵液中悬浮离子的大小16（2）菌体的种类和浓度（重要因素），通常丝状菌、动物或植物细胞悬浮液粘度较大，浓度增大，粘度也提高。（3）培养液中蛋白质、核酸大量存在：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控制，发酵放罐时间要适宜。（4）培养基成分：如用黄豆粉、花生粉作氮源，淀粉作

6、碳源，粘度都会升高。（5）某些染菌发酵液，如染细菌，则粘度会增大。（6）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。173.2.5 过滤速度的强化1降低滤饼比阻力一切能够降低滤饼比阻力的方法：如添加电解质、絮凝剂、凝固剂助滤剂等。2降低滤液黏度 黏度愈低，过滤阻力愈小。加热、去杂蛋白、絮凝、调PH、选择合适的放罐时间。3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。因此应尽可能降低培养基配料浓度（如玉米粉、豆饼粉的浓度）。4. 对发酵液进行预处理，改善滤液性质。183.2.6 过滤介质选择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

7、流动阻力。合理选择过滤介质：过滤介质所能截留的固体粒子大小：通常以过滤介质的孔径表示。常用的过滤介质中，纤维滤布所能截留的最小粒子约10m，硅藻土为lm，超滤膜可小于。过滤介质的透过性：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，它取决于过滤介质上毛细孔径的大小及数目。19过滤介质-织物介质又称滤布，应用最广泛，包括由棉、麻等天然纤维滤布和合成纤维滤布。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。最高温度密度 (kgm3)吸水率耐磨棉尼纶涤纶9210512014515511413816-226.5-8.30.04-0.08良优优滤 液澄清度阻力滤饼中

8、含 水滤饼脱落寿命堵孔倾向平纹斜纹缎纹依次降依次降依次减依次易中长短依次易20过滤介质-粒状介质有硅藻土、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：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；无毒且不可压缩，形成的过滤层阻力不随操作压力变化。硅藻土过滤介质通常有三种用法：（1）作为深层过滤介质。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液中的固体粒子，截留效果可达到1m。（2）作为预涂层。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孔道不被滤饼层中的固体粒子堵塞。（3）用作助滤剂。2

9、1过滤介质-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。 22典型过滤设备：按操作方式分类：间歇过滤机、连续过滤机按操作压强差分类：压滤、吸滤和离心过滤实验室用抽滤装置板框压滤机（间歇操作） 转筒真空过滤机（连续操作） 过滤式离心机3.2.7 固液分离过滤设备231）实验室用抽滤装置242）板框压滤机plate and frame filter 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。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。适合于固体含量1-10%的悬浮液的分离。

10、25板框压滤机包括板和框，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的通道。26板框式压滤机在过滤时，悬浮液由离心泵或齿轮泵经滤浆通道打入框内，滤液穿过滤框两侧滤布，沿相邻滤板沟槽流至滤液出口，固体则被截留于框内形成滤饼。滤饼充满滤框后停止过滤。27板框压滤机优点过滤面积大，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。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0.1MPa,这是真空过滤器无法达到的。缺点不能连续操作，设备笨重，劳动强度大，卫生条件差，非过滤

11、的辅助时间较长。28自动板框式压滤机自动板框压滤机在板框压紧；卸饼、清洗等操作中可自动完成，劳动强度小，辅助操作时间短。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。293）真空转鼓过滤机（rotary-drum vacuum filter）真空过滤设备以大气与真空之间的压力差作为过滤操作的推动力。生物工业中，用得较多的是转筒式真空过滤机和带式真空过滤机。转筒真空过滤机的结构转筒真空过滤机是一种连续操作的过滤设备，设备的主体是一个由筛板组成能转动的水平圆筒，表面有一层金属丝网，网上覆盖滤布,圆筒内沿径向被筋板分隔成若干个空间。30转筒真空过滤机结构：转筒，扇形格(18格)；

12、滤室； 分配头； 动盘(18个孔，分别与扇形格的18个通道相连)； 定盘(三个凹槽：滤液真空凹槽、洗水真空凹槽、压缩空气凹槽，分别将动盘的18个孔道分成三个通道)； 滤浆槽。31转筒下部浸入滤浆槽中，浸没角约900-1300，圆筒缓慢旋转时(转速约min)，筒内每一空间相继与分配头中的3个室相通，可顺序进行过滤、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，卸渣及再生区3个区域。 32转筒真空过滤机优点：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，缺点：辅助设备多，投资大，且由于真空过滤，推动力小，滤饼湿度大（2030）。主要适用霉菌发酵液，

13、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差。33带式真空过滤机带式真空过滤机（是自动连续运转、并能按工艺要求进行无级调速以及操作方便和动力消耗低的一种新型高效的脱水设备。34带式真空过滤机流程1、进料过滤滤饼洗涤吸干卸料滤布清洗连续进行，配有PLC控制，自动化程度高。2、真空过滤盘分段设计，可满足不同物料过滤、洗涤、吸干的工艺要求，滤带运行速度采用变频无级调速，对不同物料有广泛的适应性。3、在同一设备上可采用多次逆流洗涤得到高浓度的滤液，也可采用并流洗涤或顺流洗涤获得高纯度的滤饼。35结构：转鼓滤饼滤布滤网离心过滤机工作原理图转鼓(上有小孔，亦称悬框)； 滤网； 滤布； 机

14、架。 原理： 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。4）离心过滤机（centrifugal filter）36设备主要结构过程特点适用性板框压滤机滤板/滤框/夹紧机构/机架装合过滤洗涤卸渣整理加压过滤，推动力较大 结构简单，造价低； 过滤面积大，能耗少； 间歇操作； 洗涤时间长，生产效率低。应用广泛。对原料的适应性强转鼓真空过滤机转筒(滤网、滤布)/分配头、滤浆槽过滤洗涤吹干卸渣连续化生产，自动化程度高真空过滤，推动力较小；，滤饼湿度大，设备投资高适于粒度中等，粘度不太大的物料离心过滤机转鼓(滤网、滤布)/机架过滤洗涤卸渣离心过滤，推动力最大； 滤液湿度小，设备成本高，

15、应用广泛，过滤面积小。几种过滤设备的比较375）硅藻土过滤机 diatomite filter硅藻土中的硅藻有许多不同的形状，由于硅藻土具有细腻、松散、质轻、多孔、吸水和渗透性强的特性，所以它是一种性能优良的工业滤剂。硅藻土过滤是以硅藻土作为过滤介质，它是一种预涂型过滤器，预涂、过滤、反冲洗是硅藻土过滤的一般工艺过程。在酿造、饮料、酒类和水处理等方面得到广泛应用。目前，国内主要用于酒类和饮料过滤 38硅藻39硅藻土过滤机40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，过滤阻力主要来自滤饼。错流过滤打破了传统过滤的机制，即液体的流向和滤膜相切。在

16、压力推动下，悬浮液以高速在管状滤膜的内壁作切向流动，利用流动的剪切作用将过滤介质表面的固体（滤饼）移走，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）错 流 过 滤41微滤过程示意图,料液快速经过薄膜,以减少形成滤饼错 流 过 滤42朗极化工公司膜澄清过滤和膜浓缩的“错流过滤系统” 陶瓷膜 错 流 过 滤43错流过滤特点收率高 （97-98%）质量好减少处理步聚染菌罐也能进行处理介质阻力大不能得到干滤饼需要大的膜面积目前适用于小分子的分离 44对于浓度较小，粒径较大，硬度较强的不溶物，可以采用过滤分离。但当固体颗粒细小而难以过滤时，发酵液不易被过滤纯化，离心操作往显得十分有

17、效。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沉降的分离过程。动植物细胞的收集、细胞碎片和沉淀的分离等常用离心分离。3.3 离心45优点：分离速度快，分离效率高、液相澄清度好；缺点：与过滤设备相比，设备投资高、能耗大、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或浆体。而过滤可获得的水分含量较低的滤饼。离心分离46离心力与转速47离心分离颗粒沉降速度d 颗粒直径； p 颗粒密度；m 液体介质密度； 液体介质粘度； 旋转角速度；r 转轴中心到颗粒中心距离。 增大离心力（2r）可提高沉降速度，对沉降速度小的颗粒，提高转

18、速是有效的方法。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(p-m)成正比，随介质粘度增大而减小。48按速度和离心力：1、常速离心机 最大转速8000rpm(r/min),相对离心力(RCF)104g以下,用于细胞、菌体和培养基残渣等分离；2、高速（冷冻）离心机 1104-2.5104rpm，相对离心力104-105g,用于细胞碎片、较大细胞器、大分子沉淀物等分离；3、超速离心机 转速2.5-8104rpm，相对离心力5105g；用于DNA、RNA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。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度

19、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、密度梯度离心和等密度梯度离心。 49按离心机的作用方式：斜角式平抛式管式蝶式螺旋式多室离心机的种类与用途501）斜角式离心机是一类结构最简单的实验室常用离心机，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，角度越小，颗粒沉降距离短，沉降速度快，但分离效果差。颗粒在角转子中沉降时，先沿离心力方向撞向离心管，然后再沿管壁滑向管底，因此管的一侧会出现颗粒沉积。511）斜角式离心机结构稳定，可装载较多的样品使用较高的转速。加速或减速时，对样品有搅动。有些梯度离心要求用角转头，否则形成的梯度不均一

20、，线性很差522）平抛式离心机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 3000-6000rpm。 转子活动管套内的离心管，静止时垂直挂在转头上，旋转时随着转子转动，从垂直悬吊上升到水平位置（约200800rpm）。颗粒在水平转子中的沉降是沿管子轴向移动。样品便于收集受振动和变速搅乱后对流现象小，但转头结构复杂，最高转速相对要低容量也小一些。 53平抛式离心机转子54）管式离心机 （tubular-bowl centrifuge）管式离心机具有一个细长而高速旋转的转鼓，转鼓内装有分离盘，其下部有进料口。上部两侧有重液相和轻液相出口。55管式离心机待处理的物料在一定压力（3

21、104 Pa左右）下由进料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同的角速度。转鼓带动物料高速旋转，在离心力下，悬浮液沿转鼓内壁向上流动的，料液在离心力场的作用下因其密度差的存在而分离。澄清后的液相流动到转鼓上部的排液口排出。比重大的固体微粒逐渐沉积在转鼓内壁形成 沉渣层，达到一定数量后，停机人工清除。56管式离心机特点：结构简单，可提供较大离心力，转速高，分离因数高达15000-65000。管状离心机可以冷却，有利蛋白质分离间歇操作，须定时拆卸、清洗适用于于分离乳浊液及含细颗粒的稀悬浮液，适用于固含量低于1%，颗粒度小于5微米，黏度大的悬浮液澄清或固液两相密度差较小的分离。574）碟片式离心机disk-bowl centrifuge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。 是生物工业中应用最为广泛的一种离心机 有一个密封的转鼓，内装十至上百个锥顶角为60100锥形碟片。碟片间的距离一般为0