发酵液的预处理和固液分离

1、 发酵液的预处理和固液别离第一节 发酵液的预处理 主 要 内 容一、发酵液的特点二、发酵液预处理的目的三、发酵液预处理的方法生物技术下游加工过程的一般步骤 一、发酵液的基本特性目标产物浓度较低，大多为1-10%；悬浮物颗粒小10-5cm，固液悬浮分散体系，细胞密度与 培养液相似；液相粘度大，大多为非牛顿型流体，不易过滤；含有高价无机离子Ca2+ , Mg2+, Fe3+ ，成分复杂菌 丝体、菌种代谢物和剩余培养基悬浮状态稳定：双电层、水化膜、布朗运动 固液别离方法主要是过滤和离心对于细菌及某些放线菌，菌体细小，液体粘度大，不能直接过滤；假设用高速离心，能耗很大，设备昂贵；假设用膜别离技术如微滤

2、易产生膜污染，通量降低。发酵液中由于菌体自溶，核酸、蛋白质及其它有机粘性物质的存在也会影响固液别离。寻找一种经济有效的方法来提高固液别离速度显得十分必要。预处理是生化物质别离纯化过程中必不可少的首要步骤二、发酵液预处理的目的 促进从悬浮液中别离固形物的速度，提高固液别离的效率： 改变发酵液的物理性质，包括增大悬浮液中固体粒子的 尺寸，降低液体黏度，促进从悬浮液中别离固形物的速 度，提高固液别离器的效率； 相对纯化，去除发酵液中的局部杂质高价无机离子、 杂蛋白质、及色素、热原质、毒性物质等有机物质， 以利于后续各步操作； 尽可能使产物转入便于后处理的一相中多数是液相。三、发酵液预处理的方法加热法

3、 Heating调节悬浮液的pH值Regulation of pH助滤剂和反响剂 Filter aids and Reactant )杂蛋白的去除Removal of useless protein高价无机离子的去除Removal of inorganic ion凝聚和絮凝Coagulation and flocculation一 预处理-加热加热是发酵液预处理最简单最常用的方法。加热能改善发酵液的操作特性。麦芽汁的黏度-温度曲线1加热降低液体粘度流体力学原理过滤速率与液体的粘度成反比，降低液体粘度加水稀释法和加热法等可有效提高过滤速率。液体黏度是温度的指数函数，升温是降低黏度的有效措施。2加

4、热使蛋白质变性凝固，去除杂蛋白变性蛋白质的溶解度小。在柠檬酸的生产过程中，将发酵液加热到80可以使蛋白质变性凝固，降低发酵液的粘度，在除去杂蛋白的同时，过滤速度也得到了提高。 加热处理只适用于对热较稳定的产物。注意加热温度与时 间，不影响产物活性和细胞的完整性。有时加热会增加发酵液的颜色增加后处理的难度。 二 预处理-调节pH pH值直接影响发酵液中某些物质的电荷性质，适当调节pH值可改善其过滤特性。细胞(碎片)及某些胶体物质在某个pH值下也可能趋于聚集成为较大颗粒，有利于过滤的进行。调节发酵液的pH到蛋白质的等电点是除去蛋白质的有效方法。大幅度改变pH还能使蛋白质变性凝固。通过调整pH值改变

5、膜过滤中易吸附分子的电荷性质，可减少膜堵塞和污染；18pH 3.8pH 2.8300200400600612pH 4.6pH 4.2Filtrate Volume, cmTime,minutes The effect on filtrate volume of pH案例1链霉素生产中，采用调pH至酸性pH3.0 ，加热至70，维持半个小时的方法来使蛋白变性，能使过滤速度增大10-100倍，滤液粘度可降低1/6。案例2柠檬酸发酵液，采用加热至80以上，使蛋白质变性凝固和降低发酵液粘度，从而大大提高了过滤速度。三参加惰性助滤剂FILTER AIDS a) 助滤剂是一种颗粒均匀，质地坚硬，不可压缩的

6、粒状惰 性物质；b)在发酵液中参加固体助滤剂，那么菌体可吸附于助滤剂微 粒上，助滤剂就作为胶体粒子的载体，均匀地分布于滤 饼层中，降低了滤饼的可压缩性，使滤饼疏松，减小了 过滤阻力，使过滤介质堵塞现象得减轻，易于过滤。c)既能使悬浮液中幼小颗粒状胶态物质截留在格子骨架 上，又能使清液有流畅的沟道，能大大提高过滤能力和 生产效率，改善滤液澄清度，降低过滤本钱。1、助滤剂的选择(1)助滤剂的品种目前生物工业中常用的助滤剂是硅藻土，其次是珍珠岩粉、活性炭、石英砂、石棉粉、纤维素、白土等。应根据过滤介质选择助滤剂品种。使用粗目滤网时易泄漏，可选择石棉粉、纤维素；采用细目滤布时，可使用细硅藻土；(2)粒

7、度根据悬浮液中的颗粒和滤液的澄清度确定，一般颗粒较小的滤饼应采用细小的助滤剂。2、助滤剂的使用方法在滤布上预涂一层助滤剂，作为过滤介质使用，待滤毕后与滤饼一起除去；助滤剂按一定比例均匀地混入待滤悬浮液中，然后一起进入过滤机，使其形成疏松的滤饼，降低滤饼的可压缩性，让滤液顺畅通过。四 参加反响剂 参加某些不影响目标产物的反响剂，可消除发酵液中的一些杂质对过滤的影响，从而提高过滤速度。 1参加反响剂与某些可溶性盐类发生反响生成不溶性沉淀，生成的沉淀能使菌丝具有块状结构，又能使蛋白质凝固，过滤性能上升，沉淀本身可作为助滤剂。如在新生霉素发酵液中参加CaCl2和Na3PO4，生成Ca3(PO4)2沉淀

8、。2发酵液中含有不溶性多糖物质时，用酶将其转化 为单糖，以提高过滤速率。如万古霉素用淀粉作培养基，发酵液过滤前参加0.025%的淀粉酶，搅拌30min后，再加2.5%硅藻土助滤剂，可提高过滤效率5倍。五发酵液中杂质的去除，使发酵液相对纯化高价无机离子Ca2+、Mg2+、Fe2+杂蛋白常规过滤或膜过滤时，易使过滤介质堵塞，影响过滤效率；采用离子交换和吸附法提取时会降低其交换容量和吸附能力；有机溶剂法或双水相萃取时，易产生乳化，使两相别离不清。 在采用离子交换提取时，会影响树脂对生化物质的交换容量。A、高价无机离子的去除方法Ca2+ 草酸、草酸钠 形成草酸钙沉淀 注意回收草酸 ；Mg2+三聚磷酸钠

9、 形成三聚磷酸钠镁可溶性络合物；Fe2+ 黄血盐，普鲁士兰沉淀B、杂蛋白的去除方法1、沉淀法 precipitationA、等电点沉淀法蛋白质的等电点大都在酸性范围内()，调节发酵液的pH到蛋白质的等电点是除去蛋白质的有效方法。B、酸碱调节，使蛋白质与离子形成沉淀在酸性溶液中，蛋白质与一些阴离子形成沉淀，如三氯乙酸盐、水杨酸盐、苦味酸盐等；在碱性溶液中，蛋白质与一些阳离子形成沉淀，如Ag+、Cu2+、Zn2+、Fe3+等。2.变性 Denaturation 蛋白质从有规那么的排列变成不规那么结构的过程称为变性。变性蛋白质溶解度较小。加热大幅度调节pH值加酒精、丙酮等有机溶剂或外表活性剂等 有机

10、溶剂使蛋白质分子外表荷电基团或亲水基团的水化程度降低，破坏蛋白质胶体的水膜，降低溶液的介电常数。使得蛋白质之间的静电引力增大，产生凝聚和沉淀。 有机溶剂变性法影响因素：无机盐对蛋白质的溶解度影响很大；在低离子强度和等电点附近，容易生成沉淀；蛋白质相对分子质量越大，越易沉淀。 优点： 有机溶剂的密度较低，产生的沉淀物易于别离； 缺点：易引起目标蛋白质变性，沉淀操作必须在低温下进行，本钱较高。一般只适用于液体处理量较少的情况。常用于沉淀的有机溶剂：丙酮和乙醇变性法的缺乏之处：加热法只适合于对热较稳定的目的产物；极端pH值也会导致某些目的产物失活，且要消耗大量酸碱；有机溶剂法通常只适用于所处理的液体

11、数量较少的场合。参加某些吸附剂或沉淀剂吸附杂蛋白质而除去。案例1四环类抗生素生产中，采用黄血盐和硫酸锌的协同作用生成亚铁氰化锌钾K2Zn3Fe(CN)52的胶状沉淀来吸附蛋白质，利用此法除蛋白质已取得很好的效果。案例2在枯草杆菌发酵液中，常参加氯化钙和磷酸氢二钠，这两者本身生成庞大的凝胶，把蛋白质、菌体及其它不溶性粒子吸附并包裹在其中而除去，从而加快了过滤速度。3.吸附adsorption (六) 凝聚和絮凝在发酵液预处理中的应用凝聚与絮凝原理：将化学药剂预先投加到悬浮液中，改变细胞、菌体和蛋白质等胶体粒子的分散状态，破坏其稳定 性，使其聚集起来,增大体积以便进行固液别离。常用于菌体细小且粘度

12、较大的发酵液的预处理。特点：不仅能使颗粒尺寸有效增加，并且会增大颗粒的过滤速率，提高滤饼的渗透性或者在深层过滤时产生较好的颗粒保存作用。应用：凝聚和絮凝技术常用于菌体细小而且黏度大的发酵液的预处理中。能有效的改变细胞菌体和蛋白质等胶体粒子的分散状态,使其聚集起来,增大体积以便固液别离。1、凝 聚 Coagulation凝聚过程：指在中性盐铝、铁的盐类或石灰作用下，由于双电层排斥电位的降低，胶体脱稳并使粒子相互聚集成mm 大小块状凝聚体的过程。胶体粒子在中性盐促进下脱稳相互聚集成大粒子1mm大小块状凝聚体的过程。机理：1中和粒子外表电荷 2消除双电层结构3破坏水化膜蛋白质胶体溶液的稳定性蛋白质的

13、相对分子质量在5*103-1*106之间，分子直径约1-30nm，呈胶体性质;蛋白质水化层：蛋白质分子周围存在与蛋白质分子紧密或疏松结合的水化层。紧密结合的水化层可到达蛋白质，而疏松结合的水化层可达蛋白质分子质量的2倍以上；静电排斥作用： 胶体双电层结构发酵液中菌体外表带有负电荷，由于静电引力使溶液中反离子被吸附在其周围。正离子同时受到使它们均匀分布的热运动影响，具有离开胶粒外表的趋势，在界面上形成了双电层。两种相反作用力下，双电层分裂成两部： 1吸附层紧密层；2扩散层。 形成了扩散双电层的结构模型。双电层可分为两局部：紧密层：距胶核外表约一个离子半径的stern平面以内，正离子被紧密结合在胶

14、核外表，不流动。分散层：紧密层外围反离子浓度逐渐降低直至到达主体溶液的平均浓度。滑移面：当胶体粒子在溶液中作相对运动时，总有一薄层液体，随着它一起滑移，这一薄层，厚度比吸附层稍大。不同界面上形成不同的电位:胶核外表的电位s是整个双电层的电位;Stern平面上的电位为d;滑移面上的电位为,称电位。只有电位能实际测到。电位是控制胶粒间电排斥作用的电位，用来表征双电层的特征。带电粒子间的静电相互作用取决于电位的大小。当双电层的电位足够大时，静电排斥作用抵御分子间的相互吸引作用，使蛋白质溶液处于稳定状态。可通过降低蛋白质周围的水化层和双电层厚度 电位降低蛋白质溶液的稳定性，实现蛋白质的沉淀。水化层厚度

15、和电位与溶液性质如电解质的种类、浓度、pH值等密切相关。 双电层与凝聚 N一 阿伏伽德罗常数； T一 热力学温度： k 波尔兹曼常数； e 电子电荷； Zi i种反离子的化合价； Ci i种离子的摩尔浓度。D 水的介电常数； q 胶体的电荷密度，即滑移 面上的电荷密度； 扩散层的有效厚度由上述两式可知，电位与扩散层厚度和电动电荷密度q成正比，而扩散层厚度又与溶液中反离子强度和电荷成反比。电位随溶液中阳离子浓度和价数的升高而下降。对带负电性菌体的发酵液，高价阳离子的存在，可压缩扩散层的厚度，促使电位迅速降低，而且化合价越高，这种影响越显著。 当双电层的排斥力缺乏以抗衡胶粒间的范德华引力时，由于热

16、运动的结果导致胶粒的互相碰撞而聚集起来。 凝聚价凝聚值 在发酵液中参加具有高价阳离子的电解质，能脱除胶粒外表的水化膜，降低电位，使双电层的排斥力减少，当缺乏以抗衡胶粒间的范德华引力时，由于热运动的结果导致胶粒的互相碰撞而聚集起来;电解质的凝聚能力可用凝聚价或凝聚值来表示，使胶粒发生凝聚作用的最小电解质浓度毫摩尔升，称为凝聚价或凝聚值;SchulzeHardy法那么:反离子的价数越高，凝聚价越小，即凝聚能力越强;阳离子对带负电荷的胶粒凝聚能力受化合价、水化半径、离子运动能力的影响，次序为:Al3+ Fe3+ H+ Ca2+ Mg2+ K+ Na+ Li+ 常用的凝聚剂电解质硫酸铝 Al2(SO4

17、)318H2O明矾；氯化铝 AlCl36H2O;三氯化铁 FeCl3;硫酸亚铁 FeSO47H2O ；石灰；ZnSO4；MgCO3利用凝聚方法得到的凝聚体，颗粒常常是比较幼小的1mm左右，有时还不能有效地进行别离。 2、絮 凝 flocculation絮凝：使用絮凝剂天然或合成大分子量聚电解质或生物絮凝剂将胶体粒子交联成网状，形成10mm大小的絮凝团的过程。机理：架桥作用优点：采用絮凝法可形成粗大的絮凝体，使发酵液较易别离。不仅可以提高过滤速度，还能有效去除杂蛋白质和固体杂质，如菌体、细胞和细胞碎片等，提高滤液质量。絮凝机理絮凝剂是一种能溶于水的高分子聚合物，其相对分子质量可高达数万至千万以上

18、，长链状结构，其链节上含有许多活性官能团，包括离子基团以及非离子型基团；它们通过静电引力、范德华引力或氢键的作用，强烈地吸附在胶粒的外表；当一个高分子聚合物的许多链节分别吸附在不同的胶粒外表上，产生架桥联结时，就形成较大絮团，产生絮凝作用。高分子絮凝剂的吸附架桥作用 工业上使用的絮凝剂按来源可分为四类： 人工合成有机高分子聚合物 天然有机高分子聚合物 无机高分子聚合物 微生物絮凝剂 根据活性基团在水中解离情况不同，可分为三类： 阴离子型含有羧基) 阳离子型含有胺基 非离子型。不同类型的有机高分子絮凝剂1人工合成有机高分子聚合物如聚丙烯酰胺类衍生物、聚乙烯亚胺衍生物；聚丙烯酸类和聚苯乙烯类衍生物

19、，是目前常用的人工合成有机高分子聚合物。优点用量少，一般以mg/L计量；絮凝体粗大，别离效果好；絮凝速度快；种类多，适用范围广。可根据使用需要对碳氢链的长度进行调节。缺点存在一定的毒性，生物降解难等问题，特别是聚丙烯酰胺，用于食品和医药工业时应谨慎。聚丙烯酸类阴离子絮凝剂无毒，可用于食品与医药工业。2天然有机高分子絮凝剂 人工合成有机高分子絮凝剂虽然开展很快，但还存在着 残留单体有毒，生物降解难等问题，所以其应用受到了 限制。 天然有机高分子絮凝剂具有无毒，易生物降解，原料来 源广等优点。天然有机高分子改性絮凝剂根据其原料来源不同可分为 淀粉类、纤维素类、植物胶类和聚多糖类。淀粉改性絮凝剂的研

20、究开发最引人注目。3无机高分子聚合物有聚合铁系和铝系两大类铁系絮凝剂具有操作简单、费用低，受温度影响小，亲和力强，能有效地去除悬浮物、外表活性剂、破坏油水乳状液的能力很强等优点，缺点：腐蚀性强、稳定性差。铝系是目前应用广、工艺较成熟的一类无机金属盐絮凝剂，絮凝效果好。缺点：具毒性等。4 微生物絮凝剂微生物絮凝剂是近年来研究开发的新型絮凝剂；一类由微生物或其分泌物产生的具有絮凝细胞功能的代谢产物；包括直接利用微生物细胞的絮凝剂、利用微生物细胞代谢产物的絮凝剂和克隆技术所获得的絮凝剂 主要成分是糖蛋白、粘多糖、纤维素及核酸等高分子物质；微生物絮凝剂和天然絮凝剂与化学合成的絮凝剂相比，最大的优点是平

21、安，无毒和不污染环境。1、微生物絮凝剂的商业化生产始于20世纪90年 代，红平红球菌及由此制成的NOC-1是目前发现 的最正确微生物絮凝剂 2、微生物絮凝剂或将大局部替代普通絮凝剂。3、浮游藻类、草分枝杆茵、硅酸盐芽孢杆菌。参考文献：生物絮凝剂的最新研究进展及其应用发酵液的性质细胞浓度，外表电荷；絮凝剂的浓度：絮凝剂的分子量；pH 控制；搅拌速度。 絮凝的影响因素a. 絮凝剂浓度 浓度增加有助于架桥充分，但是过多的加量会引起吸附 饱和，在胶粒上形成覆盖层而产生再次稳定现象。最正确用量为粒子外表积约有一半被聚合物覆盖；分子量提高、链增长，可使架桥效果明显；但分子量不能超过一定的限度，因为随分子量

22、提高，高 分子絮凝剂的水溶性降低，因此，分子量的选择应适当，b. 高分子絮凝剂分子量溶液pH的变化会影响絮凝剂功能团的电离度，从而影响分子链的伸展形态。电离度增大，链节上相邻离子基团间的电排斥作用，使分子链从卷曲状态变为伸展状态，架桥能力提高。c.溶液pH三 混 凝阳离子型高分子絮凝剂对带负电菌体或蛋白质来说，同 时具有降低粒子排斥电位和产生吸附架桥的双重机理， 所以可以单独使用，非离子型和阴离子型高分子絮凝剂，主要通过分子间引 力和氢键产生吸附架桥，常与无机电解质凝聚剂搭配使 用。首先参加无机电解质，使悬浮粒子脱稳而凝聚，然后， 再参加絮凝剂。凝聚作用为絮凝剂的架桥创造了良好的 条件，从而提

23、高了絮凝效果。这种包括凝聚和絮凝机理的过程，称为混凝。思 考 题1、发酵液为何需要预处理？处理方法有哪些？2、蛋白质胶体溶液稳定的原因是什么？3、凝聚与絮凝过程有何区别？如何将两者结合 使用？第二节 固液别离 常见的固液别离方法过滤 (Filtration)离心 (Centrifugation)全发酵液提取 (Fermentation extraction)一 过滤 FILTRATION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，从而实现固液别离的单元操作。过滤介质filter medium: 过滤采用的多孔物质； 滤浆filte

24、r 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。 分类：滤饼过滤：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0.1%的悬浮液的过滤别离。深层过滤：当颗粒尺寸小于介质孔道直径时，不能在过滤介质外表形成滤饼, 这些颗粒便进入介质内部借惯性和扩散作用趋近孔道壁面,并在静电和外表力的作用下沉积下来，从而与流体别离。深层过滤会使过滤介质内部的孔道逐渐缩小，所以过滤介质必须定期更换或再生。用砂滤法过滤饮用水是深层过滤的实例 A、过滤

25、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； 离心力。 B、过滤阻力介质阻力：一般过滤初期较明显滤饼阻力： 滤饼厚度：随过滤进行而增加 滤饼特性：颗粒形状，大小可压缩性滤饼：形成的滤饼刚性缺乏，其内部空隙结构随着滤饼的增厚或压差的增大而变形，空隙率减小。不可压缩性滤饼：刚性滤饼。大多数情况下，过滤阻力主要取决于滤饼阻力C、滤饼的质量比阻衡量过滤特性的主要指标是滤饼的质量比阻rB ，它表示单位滤饼厚度的阻力系数，决定过滤的流速。与滤饼的结构特性有关。对于可压缩性滤饼，rB是操作压力差的函数： rBr(P) m r-不可压缩滤渣的比阻，对于一定的料液为常数； m-压缩性

26、指数，一般取，对不可压缩性滤饼m为0。对于不可压缩性滤饼， rB为常数，滤饼的比阻值是随操作压力差的提高而增大的。开始过滤时应注意不能很快提高压差，假设操作压力控制过高，由于比阻值的急剧增加，会使过滤速度很快下降，以至到达不能继续过滤的程度。通常靠液柱的自然压差进料，并应缓慢地、逐步地升高压力，一般在相当长的时间内，压力差不要超过0.05 MPa，最后的压差也不超过0.4 MPa。D、恒压下的过滤方程恒压下，可压缩性滤饼的比阻应为常数。如过滤介质的阻力相对较小可以忽略不计， q 到时间时通过单位过滤面积的滤液量，m3； P 压力差，Pa； 滤液粘度，Pas； rB 滤饼的质量比阻，m/kg；

27、XB 通过单位体积滤液所形成的滤渣重量(干重),kgm3； 过滤时间，sE.质量比阻的计算质量比阻可根据上式，利用图解法求得。以/q为纵轴，以q为横轴所得的直线斜率为M，那么rB可按下式计算： 根据滤饼的质量比阻值，可衡量各种不同发酵液过滤的难易程度。真菌的菌丝比较粗大，如青霉素的重量比阻为一0.20)xl012 m/kg左右，发酵液容易过滤,不需要特殊处理。放线菌发酵液菌丝细而分枝，交织成网络状，如链霉素重量比阻为2000 x1012m/kg左右，过滤较困难，一般需经预处理。细菌发酵液的菌体更细小，质量比阻值更大，直接过滤十分困难，如果不用絮凝等方法预处理发酵液，往往难以采用常规过滤设备完成

28、过滤操作。G、过滤速度的强化降低滤饼比阻力rB 一切能够降低rB的方法：如添加电解质、絮凝剂、凝固剂、助滤剂等。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、选择适宜的放罐时间。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。如在链霉素发酵液的培养基中，如以黄豆粉代替玉米浆，那么质量比阻增大倍。对发酵液进行预处理，改善滤液性质H. 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

29、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 指在一定的压力差下，单位时间、单位过滤面积上通过的滤液体积量，它取决于过滤介质上毛细孔径的大小及数目。 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。 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：一般不与酸碱反响，化学性能稳定；形状不规那么，空隙大且多孔，具有很大的吸附外表；无毒且不可压缩，形成的过滤层阻力不随操作压力变化。典型过滤设备：按操作方式分类

30、：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 真空过滤机连续操作 过滤式离心机2、固液别离过滤设备A、实验室用抽滤装置B、板框压滤机压滤器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别离。 适合于固体含量1-10%的悬浮液的别离。 包括滤板和滤框间隔排列而成，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。因此滤板两面制成沟槽，并分别与洗水

31、孔和滤出孔相通。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，固体那么被截留于框内形成滤饼。滤饼充满滤框后停止过滤。框板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含固量多的悬浮液。它最重要的特征是通过过滤介质时产生的压力降为3-5105Pa,这是真空过滤器无法到达的，可以用以过滤细小颗粒或液体粘度高的物料。国内广泛采用。缺点不能连续操作，设备笨重，劳动强度大，卫生条件差，非过滤的辅助时间较长解框、卸饼、洗滤饼、滤布，重新压紧板框等。自动板框式压滤机自动板框压滤机在板框压紧；卸饼、清洗

32、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开展。C、真空过滤机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。1、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，外表有一层金属丝网，网上覆盖滤布，圆筒内沿径向被筋板分隔成假设干个空间。鼓外是大气压而鼓内是局部真空。转鼓下部浸没在悬浮液中，并以很低的转速转动转速约min 。鼓内的真空使液体通过滤布进入转鼓，固体在滤布外表形成滤饼，当滤饼转出液面后，再经洗涤，

33、脱水和卸料从转鼓上脱落下来。圆筒沿径向分隔成假设干18扇形格，每格都有单独的孔道通至分配头上。圆筒转动时，筒内每一空间相继与分配头中的3个室相通，凭藉分配头的作用使这些孔道依次分别与真空管及压缩空气管相通，因而在回转一周的过程中每个扇形格外表即可顺序进行过滤、洗涤、吸干、吹松、卸饼等项操作。过滤区、洗涤及脱水区， 卸渣及再生区3个区域。 过滤区：圆筒内下部的空间与料浆相接触，由于在这个区中的空间与真空管相连，于是滤液被吸入筒内；洗涤及脱水区：当圆筒从料浆槽中转出后，由喷嘴将洗涤水喷向圆筒面上的滤饼层进行洗涤，由于此区也与真空管路相通，于是洗涤水穿过滤饼层而被吸入筒内；卸渣及再生区：经洗涤和脱水

34、的滤饼层继续旋转进入此区。由于此区与压缩空气管路相通，于是压缩空气从筒身内向外穿过滤布将滤饼吹松，随后由刮刀将其刮除。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，对于处理量较大而压差不需要很大的过滤比较适宜。在过滤细、粘物料时，可以采用助滤剂预涂的操作。缺点：辅助设备多，投资大，由于真空过滤，推动力小不超过8104 Pa，滤饼湿度大2030。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差。3.带式真空过滤机连续水平带式真空过滤机是一种自动化程度高的新型过滤设备，该机以过滤布或滤网为介质，使料浆水平布置于过滤介质之上，充分利

35、用料浆重力和真空吸力实现固液别离。 1、进料过滤滤饼洗涤吸干卸料滤布清洗连续进行，自动化程度高。 优点：处理量大，滤饼厚度可达200mm，并可根据对物料的洗净要求进行滤饼洗涤，洗涤效果良好，操作灵活。缺点：占地面积大，有效过滤面积小，投资高。几种过滤设备的比较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，并且大多数滤饼具有可压缩性，压力降与过滤速率不呈线性关系，使得过滤的操作分析和过滤器的设计十分困难。如果料液给过滤介质外表一个平行的大流量冲刷，那么过滤介质外表积累的滤饼就会减少到可以忽略的程度，而通过过滤介质的流速却比较小。这种过滤方式称为错流过滤或切向流过滤。错流过滤打破了传统过

36、滤的机制，即液体的流向和滤膜相切。D、错流过滤Cross-Flow Filtration在压力推动下，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。微滤过程示意图,料液快速经过薄膜,以减少形成滤饼二离心别离离心别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别离过程。动植物细胞的收集、细胞碎片和沉淀的别离等常用离心别离。1、适用范围1、悬浮液中固体颗粒细小，浓度较高，黏度很大， 过滤很慢，甚至难以过滤的悬浮液；2、忌用助滤剂或助滤剂使用无效的别离；3、两

37、种互不相溶的液体的别离，如液-液萃取；4、不同密度的固体悬浮液或乳浊液的别离，如制备 超离心技术。优点 别离速度快； 别离效率高； 液相澄清度好。缺点 与过滤设备相比，设备投资高； 处理量小，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。2、离心别离颗粒沉降原理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。 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。与介质粘度成反比，随介质粘度增大而减小。增大离心力2r可提高

38、沉降速度。对沉降速度小 的颗粒，提高转速是有效的方法。离心力Fc=2r别离因数Fr离心力强度：离心力与重力的比值，表示粒子在离心机中产生的离心加速度与自由下降的加速度之比，在离心场中，微粒可以获得比在重力场中大Fr倍的作用力。;别离因数Fr是离心别离设备的一重要技术指标，是衡量离心程度的参数。Fr越大，离心别离的推动力就越大，离心别离机的别离性能也越好。 离心机的转鼓直径越大，别离因数越大；在转鼓直径相同的情况下，那么转速越高，离心力也越强，转速较低，离心力也小。离心力与转速rpm/minRCF径向距离cm例如：直径1000mm，转速1000转/分的离心机，rpm应折换成 转/秒别离因数为：R

39、CF(1000)=(2*3.1415*16.667)22*0.5/9.8=5601按速度和离心力分类常速离心机 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别离；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 别离；超速离心机 转速2.5-8104rpm，相对离心力5*105g；用 于DNA、RNA、蛋白质、细胞器、病毒别离纯化；检测纯 度；沉降系数和相对分子量测定等。3、离心机的种类与用途 对于常速和高速离心机，由于所别离的颗粒大小和密度相差较大，只要选择好离心速度

40、和时间，就能到达别离效果。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。 1031离心机的种类和使用范围3、离心机分类 (2)按离心机作用原理分离心沉降：转鼓上不开孔，没有过滤介质，利用固液两相的相对密度差，物料按密度大小分层沉降，可以用于液固、液液和液液固物料的别离。离心过滤：转鼓上开有小孔，有过滤介质。利用离心力完成过滤作业，在有孔转鼓离心机中别离悬浮液的操作。兼有离心和过滤的作用。离心别离和超离心：根据物质的沉降系数、质量和形状的不同，应用强大的离心力，将混合物中各组分别离、浓缩、提纯的方法。4、离心沉降设备 斜角式 平抛式 管式 蝶式 螺旋式 多室1斜角式离心机一类结构最

41、简单的实验室常用离心机；离心管腔与转轴成一定倾角的转子角度越大，沉降越结实，别离效果越好；角度越小，颗粒沉降距离短，沉降速度快，但别离效果差；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。特点：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。2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。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；转

42、头结构复杂，最高转速相对要低；容量也小一些。 平抛式离心机转子结构简单，仅为一根直管形的转筒，转速较大，可到达15000r/min，从而产生强大的离心力，离心力强度50000两种类型：GF型：处理乳浊液，进行液液别离，可连续操作， 适合二相密度差甚微的液、液别离 GQ型：处理悬浮液，进行液固澄清操作，间歇操作。 适合浓度低、粘度大、固相颗粒细 、固液比重度差 较小的固液别离。 管式离心机(圆筒式离心机)待处理的物料在一定压力3104 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，并使料液迅速到达与转鼓相同的角速度。转鼓带动物料高速旋转，料液在离心力场的作用下因其密度差的存在而别

43、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降到筒壁上形成沉渣和黏稠的浆状物。到达一定数量后，停机人工去除。管式离心机特点直径40-150mm，高径比4-8，长度较高，结构简单；转速高，别离强度高，可提供较大离心力，高达15000-65000，是普通离心机的8-24倍。适用于别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别离。管状离心机可以冷却，有利蛋白质别离；间歇操作，须定时拆卸、清洗；缺点：沉降面积小，处理能力较低。4碟片式离心机是在管式离心机的根底上开展起来的，在转鼓中参加了许多重迭的碟片。可以增大沉

44、降面积，提高处理能力。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0.5-2.5mm。生物工业中应用最为广泛的一种离心机。适于别离细菌、酵母菌、放线菌等多种微生物细胞悬浮液及细胞碎片悬浮液。生产能力较大，一般用于大规模的别离过程。碟片的作用是缩短固体颗粒或液滴的沉降距离,提高了别离效率。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别离机的生产能力。碟片式离心机工作原理悬浮液由位于转鼓中心的进料管参加转鼓，从碟片外缘进入碟片间隙内缘流动。由于碟片的高速旋转，便产生了惯性离心力，其中密度较大的固体颗粒在离心力作用下沉降到碟片上形成沉渣或液层。沉渣沿碟片外表

45、滑动而脱离碟片并积聚在转鼓内直径最大的部位。 液体那么由于密度小，在后续液体的推动下沿着碟片的隙道 向转子中心流动，然后沿中心轴上升，从套管中排出， 到达别离的目的。特点：离心强度可达3000-10000；由于碟片数多且间隙小，从而增大了沉降面积，缩短了沉降距离，别离效果较好。碟片式离心机类型A、人工排渣的碟片离心机间歇式碟片上不开孔，只有一个清液排出口。机器运行一段时间后，转鼓壁上聚集的沉渣增多，别离液澄清度下降到不符合要求时，间歇排出。只适用于固体颗粒含量很少的悬浮液1%-2%，但可以到达很高的别离因数，特别适用于别离两种液体并同时除去少量固体。抗生素提取，疫苗生产，细菌菌体的收集等。B、

46、喷嘴排渣的碟片离心机连续式离心机，其转鼓呈双锥型，转鼓周边有假设干个喷嘴2-24个，喷嘴直径为。由于排渣的含液量较高，具有流动性，故多用于浓缩过程，浓缩比可达5-20倍。设备参数：转鼓直径可达900mm，最大处理量为300m3/h，适于处理颗粒直径为，体积浓度小于25%的悬浮液;如用于抗生素、酶、氨基酸和微生物或单细胞蛋白质、酵母、淀粉、糖密等。D、活门活塞排渣碟片离心机利用活门启闭排渣孔进行断续自动排渣。位于转鼓底部的环板状活门，在操作时可以上下移动，位置在上时，关闭排渣口，下降时那么开启排渣口。排渣时可以不停车。操作参数：离心强度范围5000-9000，最大处理能力40m3/h，适用于处理

47、颗粒直径为m,固相含量小于10%的悬浮液。对于一些难别离的物料特别有效，如对大肠杆菌等，应用范围是最广的。E、活门排渣的喷嘴式碟片离心机这是近年来开发的机型。它和相同直径的活塞机相似，其速度可增加23%30%。别离因子可达15000左右，是其它碟片式离心机所不能及的。可用于酶制剂，疫苗和胰岛素等生产中别离物的澄清，细菌及rDNA的收集。5螺旋式离心机连续操作的沉降设备。转鼓内有可旋转的螺旋输送器，其转数比转鼓的转数稍低。有立式和卧式两种，卧螺机是一种全速旋转，连续进料、别离和卸料的离心机工作原理转鼓与螺旋以一定差速同向高速旋转，悬浮液通过螺旋输送器的空心轴进入机内中部，由进料管连续引入螺旋内筒

48、，加速后进入转鼓。在离心力场作用下，固相物沉积在转鼓壁上形成沉渣层。输料螺旋将沉积的固相物连续不断定推至转鼓锥端，经排渣口排出机外。较轻的液相物那么形成内层液环，由转鼓大端溢流口连续溢出转鼓，经排液口排出机外。操作参数：最大离心力可达6000，操作温度可达300，操作压力为常压。处理能力3/h，适用于处理颗粒粒度为2um-5mm，固相浓度为1-50%，固液密度差大于的悬浮液。用于别离含固量较多的悬浮液，生产能力较大。常用于胰岛素、细胞色素、胰酶的别离和淀粉精制及废水处理。多室式离心机的转鼓内有假设干同心圆筒组成的环状别离室加长了被别离液体的流程，使液层减薄，增加了沉降面积，减少了沉降距离。同时

49、还有粒度筛分的作用，悬浮液中的粗颗粒沉降到靠近内部的别离室壁上，细颗粒那么沉降到靠近外部的室壁上，澄清的别离液经溢流排出。6多室式离心机操作参数：3-7个别离室；离心力强度为2000-8000，处理能力3/h适用于处理直径大于，固本浓度小于5%的悬浮液常用于抗菌素液液萃取别离，果汁和酒类饮料的澄清等。5、离心过滤离心过滤是将料液送往有孔的转鼓并利用离心力场进行过滤的过程，以离心力为推动力完成过滤作业，兼有离心和过滤的双重作用。结构：转鼓(上有小孔，亦称悬框)； 滤网； 滤布； 原理：由于离心力作用，液体产生径向压差，通过滤饼、 滤网及滤框而流出。料液进入有过滤介质滤网的转鼓中，与沉降式离心机一

50、样，粒子受离心力而沉积，过滤介质那么阻止粒子的通过，形成滤饼。当悬浮液的固体粒子沉积时，滤饼外表生成了澄清液，透过滤饼层和过滤介质向外排出。过滤后期，滤饼压缩、压干。一般分为滤饼形成、滤饼压 紧和滤饼压干三个阶段。转鼓滤饼滤布滤网离心过滤机工作原理图 离心在生物工业中的应用包含体产物别离工艺牛生长激素BGH别离提取来自发酵罐的菌体经过离心除去培养液后参加缓冲液悬浮，通入高压匀浆器反复破碎三次。匀浆经过离心和水洗除去细胞碎片，再添加溶菌酶、EDTA和促进剂以除去脂蛋白和未破碎的细胞。包含体经离心沉淀和水洗后进行变性溶解，溶解剂为6mol/L盐酸胍。溶解的同时通入空气氧化以打断错误连接的双硫键。离

51、心除去沉淀，含变性蛋白质的上清液经超滤浓缩后过凝胶柱除去杂蛋白，再参加复性缓冲液进行透析复性。复性过程中产生的絮凝沉淀用离心除去。6、超离心法利用物质的沉降系数、质量和形状不同，应用强大的离心力相对离心力5*105g，将混合物中各组分别离，浓缩、提纯的方法，称为超离心法。运用超离心法已经成功别离制备各种亚细胞物质，如线粒体、微粒体、溶酶体、DNA和各种RNA。如用5*105g的强大离心力，长时间离心17h以上，可获得具有生物活性的DNA、m-RNA、t-RNA等，为遗传工程提供了必需根底，是现代生物技术领域研究中不可缺少的实验室分析制备手段。1超离心的原理粒子在沉降场沉降的根本公式：如果粒子在离心场中作匀速直线运动，那么Uw=dr/dt结合两式积分，得适用范围：不适用于非球形粒子；只适用于牛顿流体的稀溶液即在某种介质中，使一种球形粒子从液体的弯月面沉降到离心管某部如底部所需的时间。在某一转速时，沉降一组均匀的球形颗粒所需要的时间与它们的直径的平方以及它们的密度和悬浮介质的密度之差成反比，与介质的黏度成正比。当粒子直径d和密度s不同时，移动同样距离所需的时间不同，在同样的沉降时间，其沉降的位置也不同。这是超离心技术的根底。可以从组织匀浆中别离细胞器，顺