生化工程学：第2讲 发酵液的预处理与过滤技术

第二讲发酵液的预处理与过滤技术国内主要推荐专家和单位主要单位华东理工大学，南京工业大学，江南大学，中国科学院上海药物所，中国科学院上海生物工程中心，华南理工大学，北京大学主要专家伦世仪，杨胜利，欧阳平凯推荐教材1分离纯化工艺原理顾觉奋著，中国医药科技出版社2化工原理梁忠英著，中国医药科技出版社3生物过程工程与设备陈洪章著，化学工业出版社

4生物工程下游技术刘国诠主编化学工业出版社5生物化工原理顾其丰主编上海科学技术出版社6生物化学产品制备技术陈来同唐运主编科学技术文献出版社背景知识：流体力学力学的一个分支，它主要研究流体本身的静止状态和运动状态，以及流体和固体界壁间有相对运动时的相互作用和流动的规律。

适用对象

水、空气、水蒸气、润滑油、地下石油、含泥沙的江水、血液、超高压作用下的金属、燃烧后产生成分复杂的气体、高温条件下的等离子体等等。流体力学内容

流体力学的主要基础

牛顿运动定律和质量守恒定律，热力学知识，宏观电动力学的基本定律和物理学、化学的基础知识。平板间的流体剪应力与速度梯度牛顿粘性定律

在流体中运动的物体所受到的阻力与流体密度、物体迎流截面积以及运动速度的平方成正比的关系。流体力学中最常用的基本模型有：连续介质、牛顿流体、不可压缩流体、理想流体、平面流动等。牛顿粘性定律这种速度沿距离Y的变化称为速度分布。

各物理量关系构成牛顿内摩擦定律

t=u·du/dy

说明流体在流动过程中流体层间所产生的剪应力(t)与法向速度梯度成正比，与压力无关。

流体类型①牛顿型流体：符合牛顿粘性定律的流体。

气体及大多数低分子量液体是牛顿型流体。

②非牛顿型流体

a——表观粘度，非纯物性,是剪应力的函数。1.原料的选择和预处理1要选择有效成分含量高的新鲜材料2来源丰富易得3制造工艺简单易行4成本比较低5经济效果要好细胞色素、人工心瓣膜RNA、COA肝素、胰肽酶核酸类、转移因子茶多酚、SOD基因工程类产品如：多肽、酶生物活性物质的存在方式和存在特点

存在方式：分为胞内与胞外两种存在部位。存在特点：组成复杂，含量较低，杂质含量很高，而且生理活性愈高，含量愈低，分离纯化比较困难

生物材料的选取，保存与预处理1生物材料的选取选材的关键：根据有效成分的含量确定选择特定的生物品种，组织器官，生长期

杂质少，材料相对丰富

2、生物材料的培养与保存生理活性物质易失活与降解，采集时必须保持材料的新鲜。如胰脏采摘后要立即速冻，防止胰岛素活力下降。保存生物材料的主要方法有速冻、冻干、有机溶剂脱水，制成丙酮粉，或浸存于丙酮与甘油中等。原材料的选择与预先处理植物注意季节性；不同时期不同组织的含量差异。动物生理状态不同，不同生长部位。微生物生长对数期，酶和核酸的含量最高预先处理动物处理掉结缔组织，脂肪组织等非活性部分植物如种子去壳脱脂微生物菌体和发酵液的处理预先处理的共同步骤1冷冻法处理原料：-20℃冷库保存抑制酶和微生物的作用2速冻：形成微小冰晶，不破坏细胞结构3有机溶剂去除水分：延长保存时间，常用丙酮和乙醇等，如可形成丙酮干燥粉，既减少酶的变性失活，同时脱水脱脂，使蛋白质与脂质结合的部分化学键打开，促使某些酶容易释放到溶液中，有利于有效成分的保存发酵液的预处理和菌体的回收发酵液的组分：菌体（细胞体），胞内外代谢产物，胞内的细胞物质，剩余的培养基残分成分实质：细胞：水，蛋白质，核酸，糖类，脂类，无机盐培养基：不同类型个不同（如ＬＢ培养基）现代发酵工程主要指利用利用微生物、动植物细胞和基因工程菌在人工生物反应器（发酵罐）中培养而获得产物的工业过程。现代发酵工程是生物代谢、微生物生长动力学、大型发酵罐或生物反应器研制、化工原理等密切结合和应用的结果。

发酵工程菌种筛选

摇瓶试验发酵罐中试

由实验室研究到产业化的过程发酵生产

悬浮液概念：固体颗粒度在１０－５ｃｍ以上的固液分散体系．生物细胞培养液成分：

水（80%），微生物或动植物细胞及碎片，少量培养基，细胞代谢产物（20%）悬浮液的基本特性特点（液相＋固相）１水的极性

氢键的形成发生强烈的缔合作用，强化水分子在物料表面的附着状态２水的黏度流体分子间的相互作用，牛顿型流体，可视为常量，随着温度变化而变化３水的表面张力水在固体表面的附着程度及在孔隙内深入的程度与表面张力有关，而表面张力随温度的升高而降低.-----加入表面活性剂固相（1）细胞形态（图２．１）：圆形、椭圆形、丝状、不规则状等。（2）固体颗粒的柔软度有关系固体粒子尺寸（表２．１）µm×µm细胞碎片≤0.4×0.4细菌细胞1×2酵母细胞7×10动物细胞40×40植物细胞100×100真菌菌丝1-10丝网状絮凝物100×100尺寸增加回收费用增加悬浮液的特点１各类细胞的相对密度与悬浮培养液相似---沉降与离心的困难２细胞在很大程度上属于可压缩的和粘稠的物料--膜分离的困难３植物和动物细胞不能经受象微生物那样的外加剪切力----错流过滤和离心的困难4不同微生物发酵的时间构成不同流体性质。悬浮液稳定性好、流变行为复杂、粘度高等特性影响固液分离的效率和方法。过滤悬浮液的预处理目的１改变发酵液的物理性质，促进从悬浮液中分离固形物的速度，提高固液分离器的效率．２尽可能使产物转入便于后处理的某一相中．３去除发酵液中部分杂质，利于后续操作．被分离物质的性质溶液ＰＨ值，热稳定性，分子质量，分子大小，物质的类别悬浮液预处理的方法１加热法---降低粘度，破坏胶体结构，加速聚集、蒸发体积２调节悬浮液的ＰＨ值---破坏稳定性、加速聚集３凝聚和絮凝---增加颗粒物的大小，有利于增加空隙４使用惰性助滤剂---减轻堵塞现象，助于过滤，硅藻土、珍珠岩，纤维素、炉渣等预处理的方法加热的优缺点：优点：降低悬浮液的黏度，破坏凝胶状结构，降低悬浮液的最终体积．缺点：对产品本身的热稳定性有影响．调节悬浮液的ｐＨ值因为在水溶液中某些酸、碱物质会解离，在ｐＨ值时改变了分配系数，直接影响其溶解度。促进聚集作用调节剂：草酸或无机酸或碱凝聚和絮凝目的：

通过利用化学药剂投放，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，使它们聚集成可分离的絮凝体。结果：增加颗粒尺寸，增大颗粒沉降或浮选速率，提高滤饼的渗透性或提高颗粒保留作用。凝聚和絮凝凝聚概念：

在投加的化学物质作用下，胶体脱稳并使粒子相互聚集成１ｍｍ大小块状凝聚体的过程．絮凝概念：使用絮凝剂（通常是天然或合成的大分子量聚电解质）将胶体粒子交联成网，形成１０ｍｍ大小絮凝团的过程．凝聚剂和絮凝剂凝聚剂：无机盐类（硫酸铝，明矾，硫酸铁和硫酸亚铁，三氯化铁，氯化铝，氯化锌，硫酸锌等）金属氧化物类（氢氧化铝，氢氧化铁，氢氧化钙）聚合无机盐类（聚合铝和聚合铁）絮凝剂（天然或合成的的大分子量聚电解质）阴离子型：聚丙烯酸钠，聚苯乙烯磺酸阳离子型：聚丙烯酸二烷基胺乙脂，聚二烯丙基四胺盐非离子型：聚氧化乙烯脱色絮凝剂

污水絮凝剂凝聚剂和絮凝剂的优缺点絮凝剂的作用

架桥作用凝聚剂凝聚剂的作用1、对粒子表面电荷的简单中和2、消除双电荷层而脱稳3、通过氢键与粒子结合而凝聚硅藻土，膨胀珍珠岩，石棉，纤维素，未活化的碳，炉渣，重质碳酸钙惰性助滤剂的使用惰性助滤剂特性：颗粒均匀，质地坚硬，不可压缩的粒状物质惰性助滤剂作用原理惰性助滤剂表面具有吸附胶体的能力，形成的滤饼具有格子型结构，不可压缩，使悬浮液中的细小颗粒状胶体物质留在格子上，减轻非常稀薄或非常细小的悬浮液在过滤时发生的快速挤压和介质堵塞白色木质纤维素珍珠岩助滤剂惰性助滤剂作用

缓解稀薄或细小的悬浮液在过滤时导致的快速挤压和介质堵塞现象使用方法1、预涂在滤布上作为过滤介质2、按一定比例均匀混入悬浮液，使悬浮液形成较松软的滤饼，降低其压缩性。硅藻土助滤剂悬浮液的分离过程和分类参考图２．２７第一类：沉降和浮选固体和悬浮液体之间有密度差，在重力场，离心力场或磁场作用下，液体受限制于固定或旋转的容器第二类：过滤颗粒受限制，而液体可自由通过介质

滤饼传统的过滤cakeConventionalfiltrationChapter2Filtration第二章过滤过滤概念将悬浮在液体或气体中的固体颗粒分离出来的单元操作。将料液通过固体支持或者过滤介质时，使得固体物质从溶液中分离，对于好的定形的晶体，这是一种最直接的步骤。基本原理：在压力差的作用下，悬浮液中的液体（或气体）透过可渗性介质（过滤介质），固体颗粒为介质所截留，从而实现液体和固体的分离。

外滤式真空转鼓过滤机发酵液和其它生物溶液组成的过滤液本质(1)微小而形状多变的微生物细胞(2)高的非牛顿粘度流体或者是高度可压缩滤饼。过滤的原理：Darcy’slaw（达西定律）适用范围1、适用于不可压缩和简单的可压缩滤饼，普遍使用于生物分离过程·

Darcy’slawholdsonlywhenRe<5

当Re<5时达西定律才成立

Re=dvρ/μ(1-ε)(2.2)d-滤饼粒子的大小或孔的直径

ε-thevoidfractioninthecake滤饼空隙率

ρ-theliquiddensity液体的密度

Re–Reynoldsnumber雷诺准数Darcy’slaw（达西定律）--过滤器的设计Darcy’slawrelatestheflowratethroughaporousbedofsolidstothepressuredropcausingthatflowDarcy定律把流速与通过固体多孔床产生的压降联系起来。V=k△P/μl

(2.1)V流速正比于压降V流速反比于阻力l/k

V–流体流速

K－比例常数,通常叫达西方程参数△P－通过厚度为l的床产生的压降

μ－液体粘度Forbatchfiltration,thevelocityis对于板框式过滤,速率方程为：

V=(1/A)*dV/dt(2.3)A–filtrationarea过滤面积V–thetotalvolumeoffiltration过滤液体积t–thefiltrationtime过滤时间

Theresistancetoincludeexplicitlythecontributionsofcakeandfiltermedium.

滤饼和过滤介质所产生的阻力：

l/k=Rm+Rc(2.4）Rmtheresistanceofthefiltermedium

过滤介质的阻力Rctheresistanceofaccumulatecakebio-mass

滤饼的阻力

过滤操作本质流体通过固体颗粒床层的流动，所不同的是这个固体颗粒层的厚度随着过滤过程的进行而不断增加，故在恒压过滤操作中，其过滤速率不断降低。

影响过滤速度的主要因素除压强差△p，滤饼厚度L外，还有滤饼和悬浮液的性质，悬浮液温度，过滤介质的阻力等，故难以用流体力学的方法处理。

过滤法常用过滤器的选择依据１进料性质２产品要求３操作条件４生产水平５材料和结构过滤操作的结果是涉及滤液清晰度滤饼的干燥度过滤的操作方式分类依据按照外加压力和流速的变化方式恒压过滤：压缩空气或真空为推动力恒速过滤：用定容泵来输送料液变速-变压过滤：用离心泵过滤的特点本质多相流体通过多孔介质的流动过程。

①流体通过多孔介质的流动属于极慢流动，即渗流流动。有两个影响因素，一是宏观的流体力学因素，二是微观物理化学因素。

②悬浮液中的固体粒是连续不断地沉积在介质内部