生物工艺学第二章 发酵液预处理与固液分离 (2)(精品).ppt

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1、 第二章第二章 发酵液的预处理与固液分离发酵液的预处理与固液分离预处理和固液分离内容预处理和固液分离内容固液分离固液分离发酵液发酵液胞外胞外上清液上清液/滤液滤液预处理预处理提取生化物质的第一步，分两部分：提取生化物质的第一步，分两部分：胞内胞内富集细胞富集细胞2n发酵液成分很复杂，包含菌（细胞）体，胞内发酵液成分很复杂，包含菌（细胞）体，胞内外代谢产物，及剩余的培养基残分等。外代谢产物，及剩余的培养基残分等。n不管人们所需要的产物是胞内还是胞外，都首不管人们所需要的产物是胞内还是胞外，都首先要进行培养液的预处理和固液分离开，才能先要进行培养液的预处理和固液分离开，才能进行后续操作：进行后续操

2、作：n对于胞外产物，可先将菌体或其他悬浮杂质去对于胞外产物，可先将菌体或其他悬浮杂质去处，才能从澄清的滤液中提取代谢产物。处，才能从澄清的滤液中提取代谢产物。n对于胞外产物，首先富集菌体，再进行细胞破对于胞外产物，首先富集菌体，再进行细胞破碎和碎片分离，然后提取胞内产物。碎和碎片分离，然后提取胞内产物。3 一、发酵一、发酵液的预处理液的预处理41、为何要对发酵液进行预处理？、为何要对发酵液进行预处理？发酵液的基本特性发酵液的基本特性n发酵产物浓度较低，大多为发酵产物浓度较低，大多为1-10%1-10%，n悬浮物颗粒小，细胞的相对密度与培养液相似。悬浮物颗粒小，细胞的相对密度与培养液相似。n可压

3、缩性可压缩性n液相粘度大，大多为非牛顿型流体；液相粘度大，大多为非牛顿型流体；n悬浮状态稳定：双电层、水化膜、布朗运动悬浮状态稳定：双电层、水化膜、布朗运动5为何要对发酵液进行预处理？为何要对发酵液进行预处理？n固液分离方法主要是过滤和离心。固液分离方法主要是过滤和离心。n对于细菌及某些放线菌，菌体细小，液体粘度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，若用高速离心，能耗很大，大，不能直接过滤，若用高速离心，能耗很大，设备昂贵。若用膜分离技术（如微滤）易产生设备昂贵。若用膜分离技术（如微滤）易产生膜污染，通量降低。膜污染，通量降低。n发酵液中由于菌体自溶，核酸、蛋白质及其它发酵

4、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分离。有机粘性物质的存在也会影响固液分离。n因而寻找一种经济有效的方法来提高固液分离因而寻找一种经济有效的方法来提高固液分离速度显得十分必要。速度显得十分必要。62、预处理的目的、预处理的目的预处理的目的：预处理的目的：降低液体黏度，促进从悬浮液降低液体黏度，促进从悬浮液中分离固形物的速度，提高固液分离的效率中分离固形物的速度，提高固液分离的效率：n 改变发酵液的物理性质，包括增大悬浮液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。中固体粒子的尺寸，降低液体黏度。n 相对纯化，去除发酵液中的部分杂质（高相对

5、纯化，去除发酵液中的部分杂质（高价无机离子和杂蛋白质），以利于后续各步操价无机离子和杂蛋白质），以利于后续各步操作。作。n 尽可能使产物转入便于后处理的一相中尽可能使产物转入便于后处理的一相中（多数是液相）；（多数是液相）；73、预处理的方法、预处理的方法n凝聚和絮凝凝聚和絮凝n高价无机离子的去处高价无机离子的去处 n加热法加热法n调节悬浮液的调节悬浮液的PHPH值值 n杂蛋白的去处杂蛋白的去处 n助滤剂助滤剂和反应剂和反应剂 8一一 凝聚和絮凝在发酵液预处理中的应用凝聚和絮凝在发酵液预处理中的应用n凝聚与絮凝处理过程就是将化学药剂预先凝聚与絮凝处理过程就是将化学药剂预先投加到悬浮液中，改变细

6、胞、菌体和蛋白投加到悬浮液中，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，质等胶体粒子的分散状态，破坏其稳定性，使其聚集起来使其聚集起来,增大体积以便固液分离增大体积以便固液分离。n凝聚和絮凝技术常用于菌体细小而且黏度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大的发酵液的预处理中。9n凝聚：凝聚：指在电解质作用下，由于胶粒之指在电解质作用下，由于胶粒之间双电层电排斥作用降低，电位下降，间双电层电排斥作用降低，电位下降，而使胶体体系不稳定的现象；而使胶体体系不稳定的现象；相互聚集相互聚集成大粒子（成大粒子（1mm1mm）的过程。）的过程。n絮凝：絮凝：指在某些高分子絮

7、凝剂存在下，指在某些高分子絮凝剂存在下，基于桥架作用，使胶粒形成较大絮凝团基于桥架作用，使胶粒形成较大絮凝团的过程。的过程。其中絮凝剂主要起架桥作用。其中絮凝剂主要起架桥作用。10n凝聚凝聚机理：机理：1）中和粒子表面电荷中和粒子表面电荷 2 2）消除双电层结构）消除双电层结构3 3）破坏水化膜）破坏水化膜11n发酵液中菌体表面带有发酵液中菌体表面带有负电荷，由于静电引力负电荷，由于静电引力使溶液中反离子被吸附使溶液中反离子被吸附在其周围，在界面上形在其周围，在界面上形成了双电层。成了双电层。n正离子同时受到使它们正离子同时受到使它们均匀分布的热运动影响，均匀分布的热运动影响，具有离开胶粒表面

8、的趋具有离开胶粒表面的趋势。势。胶体双电层结构胶体双电层结构12两种相反作用力下，双电层分裂成两部：两种相反作用力下，双电层分裂成两部：n1 1）吸附层或）吸附层或sternstern层；层；n2 2）扩散层。）扩散层。形成了扩散双电层的结构模型形成了扩散双电层的结构模型。胶体双电层结构胶体双电层结构13胶体双电层结构胶体双电层结构不同界面上形成不同不同界面上形成不同的电位的电位:l胶核表面的电位胶核表面的电位s是整个双电层的电位是整个双电层的电位;l吸附层（吸附层（Stern）平面上的电位为平面上的电位为d;l滑移面上的电位为滑移面上的电位为,称称电位（电动电位）电位（电动电位）。l 扩散层

9、的有效厚度14电位的计算：电位的计算：nD 水的介电常数；nq 胶体的电动电荷密度，即滑移面上的电荷密度；扩散层的有效厚度，即为吸附层和扩散层界面处电位d降低到其值为1/e处的距离电位电位是控制胶粒间电排斥作用的电位，用来表征是控制胶粒间电排斥作用的电位，用来表征双电层的特征，并作为研究凝聚机理的重要参数。双电层的特征，并作为研究凝聚机理的重要参数。15 扩散层的有效厚度扩散层的有效厚度n式中式中 NN一一 阿伏伽德罗常数；阿伏伽德罗常数；n T T一一 热力学温度：热力学温度：n k k 波尔兹曼常数；波尔兹曼常数；n e e 电子电荷；电子电荷；n ZiZi i i种反离子的化合价；种反离

10、子的化合价；n CiCi i i种离子的摩尔浓度。种离子的摩尔浓度。16双电层与凝聚n由式（由式（14141 1）和式（）和式（1414一一2 2）可知，）可知，电电位与扩散层厚度位与扩散层厚度和电动电荷密度和电动电荷密度q q成正比，成正比，而扩散层厚度又与溶液中反离子强度和电而扩散层厚度又与溶液中反离子强度和电荷成反比。荷成反比。n对带负电性菌体的发酵液，高价阳离子的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，促使存在，可压缩扩散层的厚度，促使电位电位迅速降低，而且化合价越高，这种影响越迅速降低，而且化合价越高，这种影响越显著。显著。17凝聚价或凝聚值 n在发酵液中加入具

11、有高价阳离子的电解质，能在发酵液中加入具有高价阳离子的电解质，能脱除胶粒表面的水化膜，降低脱除胶粒表面的水化膜，降低电位，使电位，使双电双电层的排斥力减少，当不足以抗衡胶粒间的范德层的排斥力减少，当不足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。碰撞而聚集起来。n电解质的凝聚能力可用凝聚价或凝聚值来表示，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。尔升），称为凝聚价或凝聚值。18n反离子的价数越高，反离子的价数越高，凝聚

12、价凝聚价越小，即凝聚能力越小，即凝聚能力越强。越强。n阳离子对带负电荷的胶粒凝聚能力受化合价、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，次序为水化半径、离子运动能力的影响，次序为Al3+Fe3+H+Ca2+Mg2+K+Na+Li+19n常用的凝聚剂电解质有：常用的凝聚剂电解质有：硫酸铝硫酸铝硫酸铝硫酸铝 AlAl2 2(SO(SO4 4)3 3 18H18H2 2OO（明矾）；明矾）；明矾）；明矾）；氯化铝氯化铝氯化铝氯化铝 AlClAlCl3 3 6H6H2 2O;O;三氯化铁三氯化铁三氯化铁三氯化铁 FeClFeCl3 3;硫酸亚铁硫酸亚铁硫酸亚铁硫酸亚铁 Fe

13、SOFeSO4 47H7H2 2OO；石灰；石灰；石灰；石灰；ZnSOZnSO4 4；MgCOMgCO3 320n絮凝絮凝：大分子聚电解质将胶体粒子交联大分子聚电解质将胶体粒子交联成网状，形成絮凝团的过程成网状，形成絮凝团的过程机理机理：架桥作用：架桥作用n采用絮凝法可形成粗大的絮凝体，使发采用絮凝法可形成粗大的絮凝体，使发酵液较易分离。酵液较易分离。21l絮凝剂是一种能溶于水的高分子聚合物，其相对分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，包括离子基团以及非离子节上含有许多活

14、性官能团，包括离子基团以及非离子型基团。型基团。l它们通过静电引力、范德华引力或氢键的作用，强它们通过静电引力、范德华引力或氢键的作用，强烈地吸附在胶粒的表面。烈地吸附在胶粒的表面。l当一个高分子聚合物的许多链节分别吸附在不同的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，产生架桥联结时，就形成较大絮团，产胶粒表面上，产生架桥联结时，就形成较大絮团，产生絮凝作用。生絮凝作用。絮絮凝凝22高分子絮凝剂的吸附架桥作用高分子絮凝剂的吸附架桥作用 23可分为三类：可分为三类：人工合成有机高分子聚合物、人工合成有机高分子聚合物、天然有机高分子聚合物、天然有机高分子聚合物、无机高分子聚合物无机高

15、分子聚合物1 1）目前常用的是人工合成有机高分子聚合物，如聚）目前常用的是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；丙烯酰胺类衍生物、聚乙烯亚胺衍生物；聚丙烯酸聚丙烯酸类和聚苯乙烯类衍生物。类和聚苯乙烯类衍生物。工业上使用的絮凝剂工业上使用的絮凝剂24 高分子聚合物絮凝剂高分子聚合物絮凝剂根据活性基团在水中解离情况根据活性基团在水中解离情况不同，可分为三类：阴离子型（含有羧基不同，可分为三类：阴离子型（含有羧基)、阳离子、阳离子型（含有胺基）型（含有胺基）、非离子型、非离子型25聚丙烯酰胺类絮凝剂的优点聚丙烯酰胺类絮凝剂的优点l用量少，一般以用量少，一般以mg/L计量；

16、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。聚丙烯酰胺类絮凝剂的缺点：聚丙烯酰胺类絮凝剂的缺点：存在一定的毒性，特别是阳离子型聚丙烯酰胺，存在一定的毒性，特别是阳离子型聚丙烯酰胺，用于食品和医药工业时应谨慎。用于食品和医药工业时应谨慎。目前最常见：目前最常见：聚丙烯酰胺类聚丙烯酰胺类絮凝剂絮凝剂262 2）天然有机高分子絮凝剂）天然有机高分子絮凝剂天然有机高分子絮凝剂具有无毒，易生物降解，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。原料来源广等优点。n天然有机高分子改性絮凝剂根据其原料来源天然有机高分

17、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、植物胶类和聚不同可分为淀粉类、纤维素类、植物胶类和聚多糖类。多糖类。n其中淀粉改性絮凝剂的研究开发最引人注目。其中淀粉改性絮凝剂的研究开发最引人注目。273 3）无机高分子聚合物）无机高分子聚合物有聚合铁系和铝系两大类有聚合铁系和铝系两大类u铁系絮凝剂具有操作简单、费用低，受温度影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、表面响小，亲和力强，能有效地去除悬浮物、表面活性剂、破坏油水乳状液的能力很强等优点，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。缺点腐蚀性强、稳定性差。u铝系是目前应用

18、广、工艺较成熟的一类无机金铝系是目前应用广、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。属盐絮凝剂，絮凝效果好，缺点具毒性等。28微生物微生物絮凝剂絮凝剂n一类由一类由微生物微生物或其分泌物产生的具有絮凝细胞功能或其分泌物产生的具有絮凝细胞功能的代谢产物。的代谢产物。n包括直接利用微生物细胞的絮凝剂、利用微生物细包括直接利用微生物细胞的絮凝剂、利用微生物细胞壁代谢产物的絮凝剂和克隆技术所获得的絮凝剂胞壁代谢产物的絮凝剂和克隆技术所获得的絮凝剂 n主要成分是糖蛋白、粘多糖、纤维素及核酸等高分主要成分是糖蛋白、粘多糖、纤维素及核酸等高分子物质。子物质。n微生物絮凝剂最大的优点是安全

19、，无毒和不污染环微生物絮凝剂最大的优点是安全，无毒和不污染环境境。29微生物絮凝剂微生物絮凝剂1、微生物絮凝剂的商业化生产始于、微生物絮凝剂的商业化生产始于20世纪世纪90年代，年代，如红平红球菌制成的如红平红球菌制成的NOC-1NOC-1是目前发现的最佳微生物絮凝剂是目前发现的最佳微生物絮凝剂 2、微生物絮凝剂或将大部分替代普通絮凝剂、微生物絮凝剂或将大部分替代普通絮凝剂3、浮游藻类、草分枝杆茵、硅酸盐芽孢杆菌。、浮游藻类、草分枝杆茵、硅酸盐芽孢杆菌。30絮凝的影响因素絮凝的影响因素n发酵液的性质（细胞浓度，表面电荷）；发酵液的性质（细胞浓度，表面电荷）；n絮凝剂的浓度，絮凝剂的浓度，(最佳

20、用量为粒子表面积约最佳用量为粒子表面积约有一半被聚合物覆盖；有一半被聚合物覆盖；)n絮凝剂的分子量；絮凝剂的分子量；npH pH 控制；控制；n搅拌速度。搅拌速度。31n对于带负电荷的菌体或蛋白质来说，采用阳离子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，单独使用可达到较好产生吸附桥架的双重机理，单独使用可达到较好絮凝效果；絮凝效果；n对于非离子型和阴离子型高分子絮凝剂，要采用对于非离子型和阴离子型高分子絮凝剂，要采用凝聚和絮凝双重机理才能提高过滤效果。凝聚和絮凝双重机理才能提高过滤效果。

21、n这种包括凝聚和絮凝机理的过程，称为混凝。这种包括凝聚和絮凝机理的过程，称为混凝。32发酵液中的杂质发酵液中的杂质A.A.高价无机离子（高价无机离子（CaCa2+2+、MgMg2+2+、FeFe2+2+）B.B.杂蛋白杂蛋白u常规过滤或膜过滤时，易使过滤介质堵塞，影响过滤效率。常规过滤或膜过滤时，易使过滤介质堵塞，影响过滤效率。u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，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，u有机溶剂法或双水相萃取时，易产生乳化，使两相分离不清。有机溶剂法或双水相萃取时，易产生乳化，使两相分离不清。因此，在预处理时，应尽量除去这些物质。因此，在预处

22、理时，应尽量除去这些物质。二、发酵液的相对纯化二、发酵液的相对纯化u在采用离子交换提炼时，会影响树脂对生化物质的交换容量在采用离子交换提炼时，会影响树脂对生化物质的交换容量。33（一）高价无机离子的去除方法（一）高价无机离子的去除方法1.Ca2+草酸、草酸钠，草酸、草酸钠，形成草酸钙沉淀形成草酸钙沉淀（注（注意回收草酸）意回收草酸）；2.Mg2+三聚磷酸钠，三聚磷酸钠，形成三聚磷酸钠镁可形成三聚磷酸钠镁可溶性络合物；溶性络合物；Na5P3O10+Mg2+=MgNa3P3O10+2Na3.Fe2+黄血盐，黄血盐，普鲁士兰沉淀普鲁士兰沉淀3K4Fe(CN)6+4Fe2+=Fe4Fe(CN)63+1

23、2K+34（二）杂蛋白的去除方法（二）杂蛋白的去除方法 沉淀法沉淀法 变性法变性法 吸附法吸附法351.杂蛋白去除杂蛋白去除-沉淀法沉淀法A A 等电点沉淀法等电点沉淀法蛋白质的等电点大都在酸性范围内蛋白质的等电点大都在酸性范围内(pH4.0(pH4.05.5)5.5)，调节发酵，调节发酵液的液的pHpH到蛋白质的等电点可除去蛋白质。到蛋白质的等电点可除去蛋白质。B.酸碱调节，使蛋白质与离子形成沉淀酸碱调节，使蛋白质与离子形成沉淀l在酸性溶液中，蛋白质与一些阴离子形成沉淀，如三氯在酸性溶液中，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；乙酸盐、水杨酸盐、苦味酸盐等；在碱性溶

24、液中，蛋白质与一些阳离子形成沉淀，如在碱性溶液中，蛋白质与一些阳离子形成沉淀，如AgAg+、CuCu2+2+、ZnZn2+2+、Fe Fe 3+3+等。等。362.2.杂蛋白去除杂蛋白去除-变性变性Denaturation 蛋白质从有规则的排列变成不规则结构的过程称为变蛋白质从有规则的排列变成不规则结构的过程称为变性。变性蛋白质溶解度较小。性。变性蛋白质溶解度较小。l加热，加热，l大幅度调节大幅度调节pHpH值，值，l加酒精、丙酮等有机溶剂或表面活性剂等。加酒精、丙酮等有机溶剂或表面活性剂等。不足之处：不足之处：a.a.加热法只适合于对热较稳定的目的产物；加热法只适合于对热较稳定的目的产物；b

25、.b.极端极端pHpH值也会导致某些目的产物失活，且要消耗大量酸碱；值也会导致某些目的产物失活，且要消耗大量酸碱；c.c.有机溶剂法通常只适用于所处理的液体数量较少的场合。有机溶剂法通常只适用于所处理的液体数量较少的场合。372蛋白质变性例子蛋白质变性例子n链霉素生产中，采用链霉素生产中，采用调调pHpH至酸性至酸性（pH3.0pH3.0），加热至），加热至7070，维持半个，维持半个小时的方法来使蛋白变性，能使过滤小时的方法来使蛋白变性，能使过滤速度增大速度增大10-10010-100倍，滤液粘度可降低倍，滤液粘度可降低1/61/6。n柠檬酸发酵液，采用加热至柠檬酸发酵液，采用加热至8080

26、以上，以上，使蛋白质变性凝固和降低发酵液粘度，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。从而大大提高了过滤速度。383.3.杂蛋白去除杂蛋白去除-吸附法吸附法 adsorptionn加入某些吸附剂或沉淀剂吸附杂蛋白质而除去加入某些吸附剂或沉淀剂吸附杂蛋白质而除去。n四环类抗生素生产中，采用黄血盐和硫酸锌的协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同作用生成亚铁氰化锌钾K K2 2ZnZn3 3Fe(CN)Fe(CN)5 5 2 2的胶状的胶状沉淀来吸附蛋白质，利用此法除蛋白质已取得很沉淀来吸附蛋白质，利用此法除蛋白质已取得很好的效果。好的效果。n在枯草杆

27、菌发酵液中，常加入氯化钙和磷酸氢二在枯草杆菌发酵液中，常加入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，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。从而加快了过滤速度。39 二、二、发酵液的固液分离发酵液的固液分离40一一 影响发酵液固液分离的因素影响发酵液固液分离的因素n 1 1）发酵液中悬浮离子的大小）发酵液中悬浮离子的大小412 2）发酵液的黏度）发酵液的黏度：固液分离速度通常与粘度成反比，粘度越大，固液分离固液分离速度通常与粘度成反比，粘度越大，固液分离越困难。影响粘度的

28、因素：越困难。影响粘度的因素：l菌体的种类和浓度菌体的种类和浓度（重要因素），通常丝状菌、动物或植（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。物细胞悬浮液粘度较大，浓度增大，粘度也提高。l培养液中蛋白质、核酸大量存在培养液中蛋白质、核酸大量存在：l细胞破碎或细胞自溶后细胞破碎或细胞自溶后粘度增大。因此细胞破碎的程度应粘度增大。因此细胞破碎的程度应控制，发酵放罐时间要适宜。控制，发酵放罐时间要适宜。l培养基成分培养基成分：如用黄豆粉、花生粉作氮源，淀粉作碳源，：如用黄豆粉、花生粉作氮源，淀粉作碳源，粘度都会升高。粘度都会升高。l某些染菌发酵液某些染菌发酵液，如染

29、细菌，则粘度会增大。，如染细菌，则粘度会增大。l发酵过程的不正常处理，如大量过剩的培养基和消沫油加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。入，都会使粘度增大。影响发酵液固液分离的因素42n收集胞内产物的细胞或菌体，分离除收集胞内产物的细胞或菌体，分离除去液相，去液相，n收集含生化物质的液相，分离除去固收集含生化物质的液相，分离除去固体悬浮物（细胞、菌体、细胞碎片、体悬浮物（细胞、菌体、细胞碎片、蛋白质的沉淀物和它们的絮凝体等）。蛋白质的沉淀物和它们的絮凝体等）。固液分离的目的包括两方面：固液分离的目的包括两方面：43二二 常见的固液分离方法常见的固液分离方法n过滤

30、过滤 n离心离心 n膜分离膜分离 n双水相萃取双水相萃取 ATPSATPSn扩张床吸附扩张床吸附 EBAEBA44（一）（一）过过 滤滤 过滤操作过滤操作是借助于过滤介质，在一定的是借助于过滤介质，在一定的压力差压力差PP作用下，使悬浮液中的液体通过作用下，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，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。从而实现固液分离的单元操作。45A.A.A.A.根据过滤机理，过滤操作可分为澄清过滤和滤饼过滤。根据过滤机理，过滤操作可分为澄清过滤和滤饼过滤。根据过滤机理，过滤操作可分为澄清过滤和滤饼过滤。根据过滤机理，过滤操作可分

31、为澄清过滤和滤饼过滤。澄清过滤：澄清过滤：澄清过滤：澄清过滤：l l滤饼过滤：滤饼过滤：滤饼过滤：滤饼过滤：过滤介质为硅藻土、砂、颗粒活性炭、玻璃珠、塑料颗粒等，当悬浮液通过滤层过滤介质为硅藻土、砂、颗粒活性炭、玻璃珠、塑料颗粒等，当悬浮液通过滤层时，固体颗粒被阻拦或吸附在滤层的颗粒上，使滤液得以澄清，适合于固体含量时，固体颗粒被阻拦或吸附在滤层的颗粒上，使滤液得以澄清，适合于固体含量少于少于0.1g/100ml、颗粒直径在颗粒直径在5-100um的悬浮液的过滤分离，如河水、麦芽汁、的悬浮液的过滤分离，如河水、麦芽汁、酒类和饮料等的澄清。酒类和饮料等的澄清。过滤介质为滤布，包括天然或合成纤维织

32、布、金属织布、玻璃纤维纸、合成纤过滤介质为滤布，包括天然或合成纤维织布、金属织布、玻璃纤维纸、合成纤维等无纺布。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（滤维等无纺布。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）。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法叫做滤饼过滤46滤饼过滤：滤饼过滤：当悬浮液通过滤布时，固体颗粒被滤布阻拦而逐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）。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在滤饼过滤

33、中，当滤饼至一定厚度时即起主要的过滤作用过滤作用适合于固体含量大于适合于固体含量大于0.1%0.1%的悬浮液的过滤分离。的悬浮液的过滤分离。47u过滤推动力：过滤推动力：n悬浮液自身压强差、重力悬浮液自身压强差、重力n悬浮液的悬浮液的外加压力外加压力n过滤介质的过滤介质的抽真空抽真空48滤饼的质量比阻滤饼的质量比阻n衡量过滤特性的主要指标是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r rB B ，它表示单位滤饼厚度的阻力系数。，它表示单位滤饼厚度的阻力系数。与滤与滤饼的结构特性有关。饼的结构特性有关。49滤饼的质量比阻滤饼的质量比阻n对于不可压缩性滤饼，对于不可压缩性滤饼，r rB

34、B为常数，但对于可压为常数，但对于可压缩性滤饼，缩性滤饼，r rB B是操作压力差的函数：是操作压力差的函数：n r rB Br(Pr(P)mm （14-314-3）nr-r-不可压缩滤渣的比阻，对于一定的料液为常不可压缩滤渣的比阻，对于一定的料液为常数数nm-m-压缩性指数，一般取压缩性指数，一般取0.5-0.80.5-0.8，对不可压缩，对不可压缩性滤饼性滤饼mm为为0 0。n可压缩滤饼可压缩滤饼:形成的滤饼刚性不足，其内部空隙结构随形成的滤饼刚性不足，其内部空隙结构随着滤饼的增厚或压差的增大而变形，空隙率着滤饼的增厚或压差的增大而变形，空隙率减小减小.50滤饼的质量比阻与过滤关系滤饼的质

35、量比阻与过滤关系n滤饼的比阻值是随操作压力差的提高而增大的。滤饼的比阻值是随操作压力差的提高而增大的。n开始过滤时应注意不能很快提高压差，通常靠液柱的开始过滤时应注意不能很快提高压差，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，压力差不要超过在相当长的时间内，压力差不要超过0.05 0.05 MPaMPa，最后最后的压差也不超过的压差也不超过0.30.30.4 0.4 MPaMPa。n若操作压力控制过高，由于比阻值的急剧增加，会使若操作压力控制过高，由于比阻值的急剧增加，会使过滤速度很快下降，以至达到不能继续过滤的程

36、度。过滤速度很快下降，以至达到不能继续过滤的程度。51恒压下的过滤方程n恒压下，可压缩性滤饼的比阻应为常数。如过滤介恒压下，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，质的阻力相对较小可以忽略不计，n q 到瞬间到瞬间，通过单位过滤面积的滤液量，通过单位过滤面积的滤液量，m m3 3；n P P 压力差，压力差，PaPa；n 滤液粘度，滤液粘度，PaPas s；n r rB B 滤饼的重量比阻，滤饼的重量比阻，m/kgm/kg；n X XB B 通过单位体积滤液所形成的滤渣重量通过单位体积滤液所形成的滤渣重量(干重干重),kg),kgm m3 3；n 过滤时间，过滤时间，

37、s s52过滤速度的强化过滤速度的强化1 1降低滤饼比阻力降低滤饼比阻力r rB B n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。2 2降低滤液黏度降低滤液黏度 n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 3降低悬浮液中悬浮固体的浓度降低悬浮液中悬浮固体的浓度n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）。4.4.对发酵液进行预处理，改善滤液性质。对发酵液进行预处理，改善滤液性质。53质量比阻的计算质量比阻可根据式质量比阻可根据式144，利用图解法求得。以，利用图解法求得。以/q为纵轴，为纵轴，以

38、以q为横轴所得的直线斜率为为横轴所得的直线斜率为M，则，则rB可按下式计算：可按下式计算：542 过滤介质选择过滤介质选择合理选择过滤介质：合理选择过滤介质：n过滤介质所能截留的固体粒子大小过滤介质所能截留的固体粒子大小：通常以过：通常以过滤介质的孔径表示。常用的过滤介质中，纤维滤介质的孔径表示。常用的过滤介质中，纤维滤布所能截留的最小粒子约滤布所能截留的最小粒子约10m10m，硅藻土为，硅藻土为lmlm，超滤膜可小于，超滤膜可小于0.5m0.5m。n过滤介质的透过性：过滤介质的透过性：是指在一定的压力差下，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，单位时间单位过滤面积上通

39、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。它取决于过滤介质上毛细孔径的大小及数目。55过滤介质过滤介质-织物介质织物介质n又称滤布，应用最广泛，包括由棉、麻等天然纤维滤布又称滤布，应用最广泛，包括由棉、麻等天然纤维滤布和合成纤维滤布。和合成纤维滤布。n其过滤性能受许多因素的影响，其中最重要的是纤维的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。特性、编织纹法和线型。最高温度最高温度密度密度 (kg(kgm m3 3)吸水率吸水率耐磨耐磨棉棉尼纶尼纶涤纶涤纶929210510512012014514515515511411413813816-2216-226

40、.5-8.36.5-8.30.04-0.080.04-0.08良良优优优优滤滤 液液澄清度澄清度阻力阻力滤饼中滤饼中含含 水水滤饼滤饼脱落脱落寿命寿命堵孔堵孔倾向倾向平纹平纹斜纹斜纹缎纹缎纹依依次次降降依依次次降降依依次次减减依依次次易易中中长长短短依依次次易易56过滤介质过滤介质-粒状介质粒状介质n有硅藻土、珍珠岩粉、细砂、活性炭、白土等。有硅藻土、珍珠岩粉、细砂、活性炭、白土等。n最常用的是硅藻土，是优良的过滤介质：最常用的是硅藻土，是优良的过滤介质：n一般不与酸碱反应，化学性能稳定；一般不与酸碱反应，化学性能稳定；n形状不规则，空隙大且多孔，具有很大的吸附表面；形状不规则，空隙大且多孔，

41、具有很大的吸附表面；n无毒且不可压缩，形成的过滤层阻力不随操作压力变化。无毒且不可压缩，形成的过滤层阻力不随操作压力变化。n硅藻土过滤介质通常有三种用法：硅藻土过滤介质通常有三种用法：n（1 1）作为深层过滤介质作为深层过滤介质。硅藻土过滤层具有曲折的毛细孔道，。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，截留效果可达到留效果可达到1m1m。n（2 2）作为预涂层。作为预涂层。在支持介质的表面上预先形成一层较薄的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硅藻土

42、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。的固体粒子堵塞。n（3 3）用作助滤剂用作助滤剂。57过滤介质过滤介质-多孔固体介质多孔固体介质n如多孔陶瓷、多孔玻璃、多孔塑料等，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。蚀，常用于过滤含有少量微粒的悬浮液。58典型过滤设备典型过滤设备：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实验室用抽滤装置板框压滤机（间歇操

43、作）板框压滤机（间歇操作）转筒真空过滤机（连续操作）转筒真空过滤机（连续操作）过滤式离心机过滤式离心机固液分离过滤设备固液分离过滤设备591 1）实验室用抽滤装置）实验室用抽滤装置60 2）板框压滤机）板框压滤机n板框压滤机的过滤推动力来自泵产生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。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、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。酵母菌和细菌等多种发酵液的固液分离。适合于固体含量适合于固体含量1-10%1-10%的悬浮液的分离。的悬浮液的分离。61板框压滤机板框压滤机62 板框

44、过滤机板框过滤机63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人框内，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。64板框压滤机板框压滤机优点优点过滤面积大，结构简单，价格低，动力消耗过滤面积大，结构简单，价格低，动力消耗少，少，对不同过滤特性的发酵液适应性强。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力降可以超过0.1MPa,0.1MPa,这是真空过滤器无法达这是真空过滤器无法达到的。到的。缺点缺点不能连续操作，设备笨重，劳动强度大，不能连续操

45、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。卫生条件差，非过滤的辅助时间较长。65自动板框式压滤机自动板框式压滤机n自动板框压滤机在板框压紧；卸饼、清洗等操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，辅助操作时间作中可自动完成，劳动强度小，辅助操作时间短。短。n自动压滤机结构复杂，价格昂贵，在一定程度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。上限制了它的应用和发展。6667真空转鼓过滤机优点：真空转鼓过滤机具有自动化程度高、操作连续、处理真空转鼓过滤机具有自动化程度高、操作连续、处理量大。特别适合固体含量大（量大。特别适合固体含量大

46、（1010）的悬浮液的分离，在）的悬浮液的分离，在发酵工业中广泛用于霉菌、放线菌和酵母发酵液或细胞悬发酵工业中广泛用于霉菌、放线菌和酵母发酵液或细胞悬浮液的过滤分离。浮液的过滤分离。缺点：由于受真空度的限制，不适于菌体较小和粘度较大的由于受真空度的限制，不适于菌体较小和粘度较大的细菌发酵液的过滤，且过滤所得固相的干度不如加压过滤。细菌发酵液的过滤，且过滤所得固相的干度不如加压过滤。683 3）真空转鼓过滤机）真空转鼓过滤机69转筒真空过滤机转筒真空过滤机结构：结构：p转筒，扇形格转筒，扇形格(18格格)；滤室；滤室；分配头；分配头；动盘动盘(18(18个孔，分别与扇个孔，分别与扇形格的形格的1

47、818个通道相连个通道相连)；定盘定盘(三个凹槽：三个凹槽：滤液真滤液真空凹槽、洗水真空凹槽、空凹槽、洗水真空凹槽、压缩空气凹槽压缩空气凹槽，分别将动，分别将动盘的盘的1818个孔道分成三个通个孔道分成三个通道道)；p滤浆槽。滤浆槽。工作过程工作过程70n转筒下部浸入滤浆槽中，浸没角约转筒下部浸入滤浆槽中，浸没角约900-1300900-1300，圆筒缓慢旋转时圆筒缓慢旋转时(转速约转速约0.5-2r0.5-2rmin)min)，筒内每，筒内每一空间相继与分配头中的一空间相继与分配头中的3 3个室相通，可顺序进个室相通，可顺序进行过滤、洗涤、吸干、吹松、卸饼等项操作。行过滤、洗涤、吸干、吹松、

48、卸饼等项操作。即整个圆筒分为过滤区、洗涤及脱水区，卸渣即整个圆筒分为过滤区、洗涤及脱水区，卸渣及再生区及再生区3 3个区域。个区域。717214.2.3 离 心定义：借助离心机旋转所产生的离心力的作用，促使不同大小，不同密度的粒子分离的技术。7374离心力（单位质量）分离因数75设备设备设备设备主要结构主要结构主要结构主要结构过程过程过程过程特点特点特点特点适用性适用性适用性适用性板框压板框压板框压板框压滤机滤机滤机滤机滤板滤板/滤框滤框/夹紧机构夹紧机构/机机架架装合装合过滤过滤洗涤洗涤卸渣卸渣整理整理加压过滤，推动力较大加压过滤，推动力较大加压过滤，推动力较大加压过滤，推动力较大 结构简单

49、，造价低；结构简单，造价低；结构简单，造价低；结构简单，造价低；过滤面积大，能耗少；过滤面积大，能耗少；过滤面积大，能耗少；过滤面积大，能耗少；间歇操作；间歇操作；间歇操作；间歇操作；洗涤时间长，生产效率低。洗涤时间长，生产效率低。洗涤时间长，生产效率低。洗涤时间长，生产效率低。应用广泛。对应用广泛。对应用广泛。对应用广泛。对原料的适应性原料的适应性原料的适应性原料的适应性强强强强转鼓真转鼓真转鼓真转鼓真空过滤空过滤空过滤空过滤机机机机转筒转筒转筒转筒(滤网、滤网、滤网、滤网、滤布滤布滤布滤布)/)/)/)/分配分配分配分配头、滤浆槽头、滤浆槽头、滤浆槽头、滤浆槽过滤过滤过滤过滤洗涤洗涤洗涤洗

50、涤吹干吹干吹干吹干卸渣卸渣卸渣卸渣连续化生产，自动化程度高连续化生产，自动化程度高连续化生产，自动化程度高连续化生产，自动化程度高真空过滤，推动力较小；，真空过滤，推动力较小；，真空过滤，推动力较小；，真空过滤，推动力较小；，滤饼湿度大，设备投资高滤饼湿度大，设备投资高滤饼湿度大，设备投资高滤饼湿度大，设备投资高适于粒度中等，适于粒度中等，适于粒度中等，适于粒度中等，粘度不太大的粘度不太大的粘度不太大的粘度不太大的物料物料物料物料离心过离心过离心过离心过滤机滤机滤机滤机转鼓转鼓转鼓转鼓(滤网、滤网、滤网、滤网、滤布滤布滤布滤布)/)/)/)/机架机架机架机架过滤过滤过滤过滤洗涤洗涤洗涤洗涤卸渣