Chapter 2 发酵液的预处理与固液分离.ppt

生物分离工程生物分离工程Bioseparation南京工业大学南京工业大学南京工业大学南京工业大学制药与生物工程学院制药与生物工程学院制药与生物工程学院制药与生物工程学院国家精品课程国家精品课程第二讲 发酵液的预处理与固液分离u 通过本章学习应掌握的内容概述发酵液的预处理固液分离工程及常用设备一、概述u微生物或动植物细胞在合适的培养基，p值，温度和通气搅拌（或厌气）等发酵条件下进行生长和合成生物活性物质目标产品；u培养（发酵）液中包含了菌（细胞）体，胞内外代谢产物，胞内的细胞物质及剩余的培养基残分等；u只有将固，液分离开，才能从澄清的滤液中采用物理、化学的方法提取代谢产物，或从细胞出发进行破碎、碎片分离和提取胞内产物。二、发酵液的预处理1、微生物发酵液特性2、发酵液预处理的目的3、发酵液预处理方法1、微生物发酵液的特性u发酵产物浓度较低，处理体积量大；u各类细胞的颗粒小，相对密度与液相相差不大；u细胞等固型物含水量大，可压缩性大；u液相粘度大，大多为非牛顿型流体；u产品生物活性不稳定；u动植物细胞不耐剪切。工业技术中典型的固体粒子固体粒子的类型尺寸（umum)细胞碎片Fe Fe3+3+H H+Ca Ca2+2+Mg Mg2+2+K K+Na Na+Li Li+硫酸铝硫酸铝 AlAl2 2(SO(SO4 4)3 3 18H18H2 2O O（明矾）；明矾）；氯化铝氯化铝 AlClAlCl3 36H6H2 2O;O;三氯化铁三氯化铁 FeClFeCl3 3;硫酸亚铁硫酸亚铁 FeSOFeSO4 47H7H2 2O O；石灰；石灰；ZnSOZnSO4 4；MgCOMgCO3 3 豆腐的原料黄豆富含蛋白质，蛋白质含量36%-40%，经水浸、磨浆、除渣、加热，得到的蛋白质的胶体。点豆腐就是设法使蛋白质发生凝聚而与水分离。盐卤是结晶氯化镁MgCl26H2O的水溶液，属电解质溶液，可以中和胶体微粒表面吸附的离子的电荷，使蛋白质分子凝聚起来得到豆腐。其他如石膏、酯酸、柠檬酸等都有相同的作用，都可用来点豆腐。在市场上销售一种盒装豆腐，洁白细腻，质量明显高于传统方法制做的豆腐，原来，它的凝固剂采用了一种新的化学物质葡萄糖酸内酯。凝聚的运用絮凝 在某些高分子絮凝剂存在下，基于桥架作用，当一个高分子聚合物的许多链节分别吸附在不同的胶粒表面上，产生桥架联接时，形成粗大的絮凝团（10mm）的过程。絮凝是一种以物理的集合为主的过程。polyacrylamide Flocculation絮凝剂u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一千万以上，长链状结构，其链节上含有许多活性官能团，包括带电荷的阴离子（如-COOH）或阳离子（如-NH2）基团以及不带电荷的非离子型基团。u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表面。u当一个高分子聚合物的许多链节分别吸附在不同的胶粒表面上，产生桥架联结时，就形成了较大的絮团，这就是絮凝作用。絮凝剂的化学结构 1、要求其分子必须含有相当多的活性官能团，使之能和胶粒表面相结合；2、具有长链的线性结构，以便同时与多个胶粒吸附形成较大的絮团，3、相对分子质量不能超过一定限度，以使其具有良好的溶解性。絮凝剂的分类u有机高分子聚合物，如聚丙烯酰胺类衍生物、聚苯乙类衍生物、聚丙烯酸类絮凝剂。u无机高分子聚合物，如聚合铝盐、聚合铁盐等。u天然有机高分子絮凝剂，如聚糖类胶粘物、海藻酸钠、明胶、骨胶、壳多糖、脱乙酰壳多糖等。微生物絮凝剂u直接利用微生物细胞的絮凝剂，如某些细菌、霉菌、放线菌和酵母；u利用微生物细胞提取物的絮凝剂，如酵母细胞壁的葡聚糖、甘露聚糖、蛋白质和N一乙酰葡萄糖胺等成分；u微生物细胞代谢产物的絮凝剂，主要是细菌的荚膜和粘液质，主要成分为多糖、少量的多肽、蛋白质、脂类及其复合物。目前最常见的高分子聚合物絮凝剂目前最常见的高分子聚合物絮凝剂有机合成的聚丙烯酰胺（有机合成的聚丙烯酰胺（polyacrylamidepolyacrylamide）类衍生物类衍生物根据活性基团在水中解离情况不同，可分为三类：根据活性基团在水中解离情况不同，可分为三类：非离子型、非离子型、阴离子型（含有羧基）阴离子型（含有羧基）阳离子型（含有胺基）阳离子型（含有胺基）l用量少，一般以用量少，一般以mg/Lmg/L计量；计量；l絮凝体粗大，分离效果好；絮凝体粗大，分离效果好；l絮凝速度快；絮凝速度快；l种类多，适用范围广。种类多，适用范围广。u存在一定的毒性，特别是存在一定的毒性，特别是阳离子型聚丙烯酰胺，用阳离子型聚丙烯酰胺，用于食品和医药工业时应谨于食品和医药工业时应谨慎。慎。絮凝运用絮凝运用絮凝效果与絮凝剂的加量、相对分子质量和类型、溶液的pH、搅拌转速和时间等因素有关。1、絮凝剂浓度增加有助于架桥充分，但是，过多的加量反而会引起吸附饱和，在每个胶粒上形成覆盖层而使胶粒产生再次稳定现象。适宜的加量通常由实验得出。2、虽然高分子絮凝剂分子量提高，链增长，可使架桥效果明显，但是，分子量不能超过一定的限度，因为随分子量提高，高分子絮凝剂的水溶性降低。絮凝运用注意点絮凝运用注意点絮凝运用注意点絮凝运用注意点3、溶液pH的变化常会影响离子型絮凝剂中功能团的电离度，从而影响分子链的伸展形态。电离度增大，由于链节上相邻离子基团间的电排斥作用，而使分子链从卷曲状态变为伸展状态，所以架桥能力提高。4、搅拌、温度等的影响混凝u对于带负电荷的菌体或蛋白质来说，采用阳离子型高分子絮凝剂同时具有降低胶粒双电层电位和产生吸附桥架的双重机理；u对于非离子型和阴离子型高分子絮凝剂，则主要通过分子间引力和氢键作用产生吸附架桥，它们常与无机电解质凝聚剂搭配使用。混凝u 首先加入无机电解质，使悬浮粒子间的相互排斥能降低，脱稳而凝聚成微粒，u然后，再加入絮凝剂。无机电解质的凝聚作用为高分子絮凝剂的架桥创造了良好的条件，从而，提高了絮凝效果。u这种包括凝聚和絮凝机理的过程，常称为混凝混凝。助滤剂u助滤剂是一种不可压缩的多孔微粒，它能使滤饼疏松，吸附胶体，扩大过滤面积，滤速增大。u常用的助滤剂有硅藻土、纤维素、石棉粉、珍珠岩、白土、炭粒、淀粉等，其中最常用的是硅藻土。u使用方法有两种：一种是在过滤介质表面预涂助滤剂，另一种是直接加入发酵液，也可两种方法同时兼用。使用硅藻土时，通常细粒用量为使用硅藻土时，通常细粒用量为500 g/m3500 g/m3；中等粒中等粒度用量为度用量为700 g/m3700 g/m3；粗粒用量为粗粒用量为700-1000 g/m3700-1000 g/m3。助滤剂的作用u由简单表面过滤变为深床过滤,可得到高质量的滤液。u可防止过滤介质被污染。u可增加滤速。助滤剂的选择u粒度先中等，再根据情况逐渐放大或缩小粒径u助滤剂的品种可根据过滤介质调整：酸（碱）性、固形物颗粒大小，滤饼开裂等u用量选择最小厚度是2mm加入反应剂 利用反应剂和某些可溶性盐类发生反应生成不溶性沉淀。作用：生成的沉淀能防止菌丝体粘结，使菌丝具有块状结构，沉淀本身可作为助滤剂，并且能使胶状物和悬浮物凝固，消除发酵液中某些杂质对过滤的影响，从而改善过滤性能。u在新生霉素发酵液中加入氯化钙和磷酸钠。u环丝氨酸发酵液用氧化钙和磷酸处理，生成磷酸钙沉淀。u万古霉素用淀粉作培养基，发酵液过滤前加入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。高价无机离子的除去 去除钙离子：通常使用草酸。但由于草酸溶解度较小，不适合用量较大的场合，可用其可溶性盐，草酸价格昂贵，注意回收。去除镁离子：加入三聚磷酸钠，与镁离子形成络合物。用磷酸盐处理，也能大大降低钙离子和镁离子的浓度。例如：环丝氨酸的提取。去除铁离子，可加入黄血盐，使其形成普鲁士蓝沉淀而除去。杂蛋白质的除去 (1)(1)沉淀法 蛋白质在酸性溶液中，能与一些阴离子，如三氯乙酸盐、水杨酸盐、钨酸盐、苦味酸盐、鞣酸盐、过氯酸盐等形成沉淀；在碱性溶液中，能与一些阳离子如Ag+、Cu2+、Zn 2+、Fe 3+和Pb2+等形成沉淀。杂蛋白质的除去(2)吸附法加入某些吸附剂或沉淀剂吸附杂蛋白质而除去。1、在枯草芽孢杆菌发酵液中，加入氯化钙和磷酸氢二钠，两者生成庞大的凝胶，把蛋白质、菌体及其他不溶性粒子吸附并包裹在其中而除去，从而可加快过滤速率。2、在四环素类抗生素中，采用黄血盐和硫酸锌的协同作用生成亚铁氰化锌钾的胶状沉淀来吸附蛋白质(3)变性法 加热，大幅度调节pH，加酒精等有机溶剂或表面活性剂等。例如：在抗生素生产中，常将发酵液pH调至偏酸性范围(pH2-3)或较碱性范围(pH8-9)使蛋白质凝固，一般以酸性下除去的蛋白质较多。局限性：加热法只适合于对热较稳定的目的产物；极端pH也会导致某些目的产物失活，并且要消耗大量酸碱；而有机溶剂法通常只适用于所处理的液体数量较少的场合。杂蛋白质的除去三、固液分离工程及设备三、固液分离工程及设备1、过滤2、离心与沉降3、双水相萃取4、扩张床吸附1、过滤（Filtration）u过滤是在某一支撑物上放过滤介质，注入含固体颗粒的溶液，在外力作用下，实现固液分离目的的操作。过滤的分类u按固体颗粒在过滤介质上的滞留情况可以分为表层过滤和深层过滤；u按悬浮液的含固量可以分为澄清过滤和成饼过滤；u按料浆在过滤器内的流动方向可以分为终端过滤和横流过滤（又错流过滤或动态过滤）；u从过滤过程操作方式上分为恒速过滤、恒压过滤和先升压后恒压过滤。过滤操作介质滤饼阻力过滤洗涤干燥卸料洗涤滤饼，提高收率压缩空气或真空辅助操作u织物介质 u多孔固体介质u堆积介质u多孔膜过滤介质织物介质u 最常用的过滤介质，工业上称为滤布(网)1、天然或人造纤维如：棉、毛、合成纤维等编织成各种形式的非金属滤布，织物组织采用平纹和斜纹组织。2、耐腐蚀的不锈钢丝、铜丝或镍丝等织成各种形式的金属滤布。u孔隙率的大小及孔分布是过滤效率的影响因素u可截留的最小颗粒的直径为5-65m 性能 涤纶 锦纶 丙纶 维纶 耐酸性 强 较差 良好 不耐酸 耐碱性 耐弱碱 良好 强 耐强碱 导电性 很差 较好 良好 一般 断裂伸长 30%-40%18%-45%大与涤纶 12%-25%回复性 很好 在 10%伸长时回复率 90%以上 略好与涤纶 较差 耐磨性 很好 很好 好 较好 耐热性 170 130 略收缩 90 略收缩 100 有收缩 软化点 230-240 180 140-150 200 熔化点 255-265 210-215 165-170 220 工业滤布材质性能指标 多孔固体介质u如多孔陶瓷、多孔玻璃、多孔塑料、不锈钢粉末冶金等均属此类u多作成板状或管状，耐腐蚀性好，孔隙小，强度高u常用于过滤含有少量微粒的悬浮液，能截留1-3m的微小颗粒，例如白酒、糖液的过滤。堆积介质u焦炭、石砾、细砂、锯屑、活性炭、玻璃碴、酸性白土等。由上述固体颗粒堆积而成的床层，称作滤床。u用作过滤介质使含少量悬浮物的液体澄清，多用于深层过滤，如城市给水。多孔膜u用于膜过滤的各种有机分子膜和无机材料膜。u多孔过滤膜的过滤精度可达1um以下。u主要用于医药工业及生物化学带菌污水处理等精密过滤场合。类型实例可有效滤除的最小颗粒/m表面型金属元件片式5线隙式5金属编制网金属网式5纤维织品天然或合成纤维制品10深度型刚性多孔介质陶瓷1金属粉末烧结式3微孔材料泡沫塑料3微孔滤膜亚微米非织品纤维毛毡、棉丝10滤纸5合成纤维滤材5无机纤维滤材（玻璃、陶瓷纤维）1不锈钢纤维毡3松散固体颗粒硅藻土、膨胀珍珠岩、非活性炭亚微米选择过滤介质的基本要求u过滤介质对固体颗粒的捕集能力 u过滤介质的渗透率u卸渣和清洗再生性能 u化学稳定性能 u材料的机械性能深层过滤（Deep bed filtrationDeep bed filtration）u 将过滤介质填充于过滤器内构成过滤层，当悬浮液通过滤层时，固体颗粒被阻拦或吸在滤层的颗粒上，使滤液得以澄清，这种方法也叫做澄清过滤。深层过滤u 过滤介质：硅藻土、石英砂、颗粒活性炭、玻璃珠、塑料颗粒等，也有用烧结陶瓷、烧结金属、粘合塑料及用金属丝绕成的管子等组成的成型颗粒滤层。深层过滤 适合于固体含量少于0.1gl00ml、颗粒直径在5-100m的悬浮液的过滤分离，如河水、麦芽汁、酒类和饮料等的澄清。u当悬浮液通过滤布时，固体颗粒被滤布所阻拦而逐渐形成滤饼(或称滤渣)。当滤饼至一定厚度时即起过滤作用，此时即可获得澄清的滤液，这种方法叫做滤饼过滤或滤渣过滤。u适合于固体含量大于0.1g100ml的悬浮液的过滤分离。滤饼过滤（Cake Cake filterationfilteration）过滤操作 根据推动力分为重力过滤加压过滤真空过滤离心过滤根据操作方式分为连续过滤间隙过滤过滤过程数学描述u不可压缩滤饼的一般方程液体的粘度 过滤介质阻力 滤饼阻力u过滤介质阻力为常数u滤饼的阻力可描述为：滤饼的阻力特性单位体积滤液中固体的含量u 用At/V对V/A做图，斜率为K，截距为B；u 过滤介质阻力忽略不计。不可压缩滤饼滤饼的阻力特性每单位体积的滤液中含固体滤饼的量可压缩滤饼 通常情况下滤饼都是可压缩的，因此不能仅仅用作图的办法来描述，随着滤饼的被压缩，过滤速度逐渐降低，能耗增加。可压缩滤饼u对于可压缩滤饼的过滤方程需考虑到滤饼阻力特性是压力的函数，其关系式为滤饼比阻常数滤饼压缩系数可压缩滤饼影响过滤速度的因素影响过滤速度的因素u菌种类型u培养基组分u发酵终点控制菌种类型对过滤的影响u真菌的菌丝比较粗大，发酵液容易过滤，常不需特殊处理。其滤渣呈紧密饼状物，很容易从滤布上刮下来；u放线菌发酵液菌丝细而分枝，交织成网络状。还含有很多多糖类物质，粘性强，过滤较困难，一般需经预处理，以凝固蛋白质等胶体；u细菌发酵液的菌体更细小，因此，过滤十分困难，如不用絮凝等方法预处理发酵液，往往难以采用常规过滤的设备来完成过滤操作。培养基组分对过滤的影响 培养基的组成对过滤速度影响也很大。u用黄豆粉、花生粉作氮源、淀粉作碳源会使过滤困难。u发酵后期加消沫剂或剩余大量未用完的培养基，都会使过滤困难。发酵终点控制对过滤的影响 正确选择发酵终了时间对过滤影响很大。u在菌丝自溶前必须放罐，因为细胞自溶后的分解产物一般很难过滤。u有时延长发酵周期虽能使发酵单位有所提高，但严重影响发酵液质量，使色素和胶状杂质增多、过滤困难，最终造成成品质量降低。采用等电点，蛋白质变性、吸附以及凝聚和絮凝等方法预处理发酵液，以改变发酵液的性状和过滤性能。过滤设备的选择u被过滤液体的过滤特性u生产规模：间歇式，连续式u操作条件：是否是挥发性的u操作要求：流出液及滤饼的处理方法u材料：是否有腐蚀性重力过滤加压过滤板框压滤机u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。u最重要的特征是通过过滤介质时产生的压力降可以超过0.5MPa,这是真空过滤器无法达到的。许多块滤板和滤框交替排列，板和框均通过支耳架在一对横梁上，利用压紧装置压紧或拉开。滤板和滤框形状多为正方形，过滤机组装时，将滤框与滤板用过滤布隔开且交替排列并借手动、电动或油压机构将其压紧。板、框的角部开设的小孔构成供滤浆或洗水流通的孔道。框的两侧覆以滤布，空框与滤布围成容纳滤浆及滤饼的空间。滤板作用是支撑滤布并提供滤液流出的通道，板面制成各种凸凹纹路。滤板有洗涤板、非洗涤板和盲板三种结构，其中洗涤板设有洗水进口，非洗涤板无洗水进口，而盲板则不开设任何液流通道。为了辨别常在板、框外侧铸有标记。操作方式操作方式滤 液 滤浆洗液 洗液1、过滤 滤浆由滤浆通路经滤框右上角小孔进入滤框空间，固粒被滤布截留，在框内形成滤饼，滤液则穿过滤饼和滤布流向两侧的滤板，再沿滤板的沟槽流至下方的通孔排出。排出口处常装有一个旋塞，用来观察流出滤液的澄清程度。上述结构滤液排出的方式称明流式。对于暗流式的压滤机，滤液则是由板框通孔组成的密闭通道集中流出。这种结构较简单，且可减少滤液与空气的接触。工作原理过滤L2、洗涤 当滤框内充满滤饼时，其过滤速率大大降低或压力超过允许范围，应停止进料，洗涤滤饼。在洗涤板的左上角的小孔与洗水通路相通，专供洗液输入之用。此孔是洗涤板与过滤板的区分之处。它们在组装时必须按顺序交替排列，即滤板滤框洗涤板滤框滤板。过滤操作时，洗涤板虽亦起过滤板的作用，但在洗涤时，其下端出口被关闭，洗涤液穿过滤布、滤框和滤布向过滤板流动，并从过滤板下部排出。洗涤L工作原理3、干燥、卸渣与清洗 洗涤结束后，有时需要通入压缩空气将滤饼中的滤液排走，使滤饼干燥，然后拆开过滤机，除去滤饼，进行清理，重新组装，进入下一循环操作。工作原理板框压滤机的特点与应用u板框压滤机结构简单、造价低、过滤面积大，无运动件、过滤推动力大（最大可达1MPa 以上，一般在0.3-0.5MPa），管理方便、使用可靠、便于操作检查u适用于低浓度悬浮液、胶体悬浮液、分离液相粘度大或接近饱和状态的悬浮液的过滤，如饴糖、啤酒、麻油等生产中悬浮液的分离等u主要缺点是装卸板框的劳动强度大、生产效率低、滤饼洗涤慢、不均匀、滤布磨损严重等。u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%1-10%的悬浮液的分离。板框过滤机生产能力：一个周期内，单位时间可获得滤液量。生产能力生产能力真空过滤真空转鼓过滤机u优点：自动化程度高、操作连续和处理量大；u缺点：受推动力(真空度)的限制，真空转鼓过滤机一般不适于菌体较小和粘度较大的细菌发酵液的过滤。此外，采用真空转鼓过滤机过滤所得固相的干度不如加压过滤；u适合于固体含量较大(10)的悬浮液的分离，在发酵工业中广泛用于霉菌、放线菌和酵母菌发酵液或细胞悬浮液的过滤分离。110987654321817161514131112动盘动盘转筒及分配头的结构转筒及分配头的结构定盘定盘1818格分成格分成6 6个工作区个工作区 1 1区区(17(17格格)：过滤区；：过滤区；2 2区区(810(810格格)：滤液吸干区；：滤液吸干区；3 3区区(1213(1213格格)：洗涤区；：洗涤区；4 4区区(14(14格格)：洗后吸干区；：洗后吸干区；5 5区区(16(16格格)：吹松卸渣区；：吹松卸渣区；6 6区区(17(17格格)：滤布再生区。：滤布再生区。l过滤区过滤区(1-2(1-2区区)，f f 槽槽;l洗涤区洗涤区(3-4(3-4区区)，g g槽槽 ;l干燥卸渣区干燥卸渣区(5-6(5-6区区)，h h 槽槽;f 槽槽h 槽槽g 槽槽操作方式u过滤u洗涤生产能力生产能力 生产周期：生产周期：卸渣区洗涤脱水区过滤区123456n-n-转数（rpm）转速0.1-3 rpm，过高则滤饼薄，不易卸料；过滤面积为转筒总面积的30%-40%为宜。错流过滤 一种维持恒压下高速过滤的技术。其操作特点是使悬浮液在过滤介质表面作切向流动，利用流动的剪切作用将过滤介质表面的固体(滤饼)移走。当移走固体的速率与固体的沉积速率相等时，过滤速滤就近似恒定。u 优点：灵活、操作方便;可以维持较高的过滤速率。u 缺点：1、能耗比一般过滤高，大部分用来使流体产生快速流动。2、固相的含水量较高，主要是起浓缩作用。当固相浓度较高而使流动性能下降时，过滤速率迅速下降。3、不能避免过滤介质的污染和堵塞。错流过滤离心过滤2、重力沉降u重力沉降(gravity settling)-依靠外力(重力)作用，利用密度差异使之发生相对运动而分离的过程。u重力沉降是化工过程中常用的气固、液固和液液分离手段，在生物分离过程中亦有一定程度的应用。Fdd=2R球形颗粒沉降过程球形颗粒沉降过程重力沉降过程受力分析微粒所受浮力微粒所受阻力当微粒所受浮力与阻力一致时，微粒加速度为零，联立以上二式可得微粒运动速度方程：考虑球形的固体颗粒，则当浮力、摩擦阻力和重力达到平衡时，固体颗粒匀速沉降，重力沉降速度为：重力沉降式液固分离设备u特点：设备简单、运行成本低、能耗低体积庞大、分离效率低u传统的沉降设备：矩形水平流动池圆形径向流动池斜板与斜管式沉淀池污水处理装置3、离心分离v 离心过滤：转鼓周壁开孔，为过滤式转鼓，适合于固相含量较多，颗粒较粗的悬浮液分离v 离心沉降：转鼓周壁无孔，为沉降式转鼓，适合于固相含量较少，颗粒较细的悬浮液v 离心分离：转鼓周壁无孔，转数最高，适合于乳浊液的分离。离心过滤离心过滤u转鼓内铺设滤布或筛网，旋转时悬浮液被离心力甩向转鼓周壁，固体颗粒被筛网截留在鼓内形成滤饼，而液体经滤饼和筛网的过滤由鼓壁开孔甩离鼓壁，从而达到固液分离的目的。u代表设备：三足式离心机离心沉降离心沉降v 分离旋转时，悬浮液在离心力的作用下，相当密度较大的颗粒先向鼓壁沉降形成沉渣，澄清液由转鼓顶端溢出甩离转鼓，从而达到悬浮液澄清的目的。v代表设备：碟片式离心机离心分离离心分离u旋转时乳浊液在离心力的作用下分为两层，相对密度大的液体首先沉降紧贴在转鼓的外层，相对密度大的液体则在里层，在不同的部位分别将其引出转鼓而达到液、液分离的目的。当乳浊液中含有少量固体颗粒时，则能进行液、液、固三相。u代表设备：管式离心机离心分离理论FFCFduTurRn 颗粒在离心力场中沉降时，在径向沉降方向上使其方向不断改变的力称为向心力Fc。n 而颗粒的惯性却促使它脱离圆周轨道而沿切线方向飞出，这种惯性力称为离心力F。离心力场中的固体沉降规律u固体颗粒沉降方向是沿离心力作用方向，即径向沉降u沉降速度随着颗粒沉降所造成回转半径的增大而继续增大u离心沉降速度较重力沉降速度大的多n 在离心沉降分离中，当颗粒所受的流体阻力处在离心沉降分离中，当颗粒所受的流体阻力处于斯托克斯区，于斯托克斯区，离心沉降速度为离心沉降速度为:离心沉降速度 离心设备的一个重要技术指标是其所能达到的离心力与重力的比值，称为分离因数。分离因数是衡量离心程度的参数，用Fr表示 式中，r为离心机转鼓的回转半径，w为转鼓的角速度(s-1)，N为转鼓的转数（r/min)。离心机的分类（操作原理）u过滤离心机 转鼓壁开孔，并覆以滤布，借助离心力作用实现过滤分离。分离因数不大，转速一般在1000-1500r/min，用于易过滤晶体悬浮液和较大颗粒悬浮液的分离和物料脱水。u沉降离心机 转鼓壁无孔，借助离心力作用来实现沉降分离。主要用于牛乳净化、回收动植物蛋白、分离可可、咖啡、茶等滤浆及鱼油去杂和鱼油的制取中。它的典型设备有螺旋卸料沉降式，常用于分离不易过滤的悬浮液。u分离离心机 转鼓壁无孔，但分离因数3000以上，转速高，约4000r/min以上，主要用于乳浊液的分离和悬浮液的增浓或澄清，如乳脂分离。u 普通离心机 FrFr3000，主要用于分离乳状和细粒悬浮液。u 超高速离心机 Fr50000，主要用于分离极不易分离的超微细粒的悬浮系统和高分子胶体悬浮液。离心机的分类（分离因素）1）三足式离心机 2）上悬式离心机 3）刮刀卸料式离心机 4）活塞卸料式离心机 5）离心卸料式离心机 6）振动卸料式离心机 7）螺旋卸料式离心机 8）进动卸料式离心机 9）蝶片式分离机 10）管式分离机间歇式适合悬浮液适合乳浊液离心机的分类（设备结构）碟片式离心机u碟片式离心机适应于细菌、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的分离。u它的生产能力较大，最大允许处理量达300m3h，一般用于大规模的分离过程。过程计算管式离心机n 管式离心机是一种沉降式离心机，可用于液液分离和固液分离。n用于液液分离时为连续操作，而用于固液分离时则为间歇操作，操作一段时间后需将沉积于转鼓壁上的固体定期人工卸除。R0R1yxLiquid interfacel管式离心机分离原理图过程计算管式离心机u管式离心机的转鼓直径较小，容量有限，因此生产能力较小。转速相对较低的管式离心机最大处理量可达10m3h。u管式离心机除可用于微生物细胞的分离外，还可用于细胞碎片、细胞器、病毒、蛋白质、核酸等生物大分子的分离。u管式离心机设备简单，操作稳定，分离效率高。在生物工业中，特别适合于一般离心机难以分离而固形物含量2排渣方式间歇或连续间歇连续连续滤渣状况团块装（间歇）糊膏状糊膏状较干分离因素（g）104-6 105103-2 104103-2 104103-104最大处理量（m3/h)10200300200三足式离心机u三足式离心机是世界上最早出现的离心机，属于间歇式离心机。具有结构简单、适应性强、操作方便、制造容易等特点，至今仍然是保有量最多、应用范围最广的离心机。u转鼓内铺设滤布或筛网，旋转时悬浮液被离心力甩向转鼓周壁，固体颗粒被筛网截留在鼓内形成滤饼，而液体经滤饼和筛网的过滤由鼓壁开孔甩离鼓壁，从而达到固液分离的目的。三足式离心机三足式离心机1.1.底盘底盘 2.2.立柱立柱 3.3.缓冲弹簧缓冲弹簧 4.4.吊杆吊杆 5 5转鼓体转鼓体 6.6.转鼓底转鼓底 7.7.拦液板拦液板8.8.制动器把手制动器把手 9.9.机盖机盖 10.10.主轴主轴 11.11.外壳外壳 12.12.电动机电动机13.13.传动皮带传动皮带 14.14.制动轮制动轮 15.15.滤液出口滤液出口 16.16.机座机座设备结构图操作过程u三足式式离心机属于间歇式操作，包括第一次加速（空转鼓启动加速到所需要的速度）第二次加速（加料、加速到全速）全速运转、洗涤、甩干、减速和卸料等阶段操作注意事项全速运转是从转鼓转速达到最高速度开始，一直到料浆液面下降到滤饼层表面为止。这一阶段不能洗涤否则将是低效洗涤。分离操作开始形成滤饼，直到料浆液面下降到滤饼层表面。洗涤目的是用少量的洗涤液以最大限度地置换滤饼中留存的母液，使之完全过滤，并洗去杂质。离心甩干是最后的过滤阶段，此时空气渗入滤饼层中，其实质是气相渗入滤饼层后的液相流动，或是气液两相在颗粒层内的双向流动。目的是尽量降低离心过滤或洗涤后滤饼中的最终残液量。过程计算作业u絮凝和凝聚u管式离心机的转筒内径12cm，筒长70cm，转数15000r/min。利用其浓缩酵母细胞悬浮液，处理能力为4.0L/min。(1)计算酵母细胞的重力沉降速度；(2)如果细胞发生破碎，细胞碎片直径减少到原来的1/2，液体粘度上升3倍，在相同条件下离心浓缩该物料，试计算此时离心机的处理能力。