预处置和固液分离生物分离工程.pptx

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,发酵液预处理和固液分离,第一讲,1,第1页,预处理和固液分离内容,固液分离,发酵液,胞外,上清液/滤液,预处理,提取生化物质第一步，分两部分：,胞内,富集细胞,2,第2页,发酵液成份很复杂，包含菌（细胞）体，胞内外代谢产物，及剩下培养基残分等。,不论人们所需要产物是胞内还是胞外，都首先要进行培养液预处理和固液分离开，才能进行后续操作：,对于胞外产物，可先将菌体或其它悬浮杂质去处，才能从澄清滤液中提取代谢产物。,对于胞内产物，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。,3,第3页,14.1,发酵液预处理,（,Pretreatment,）,4,第4页,为何要对发酵液进行预处理？,发酵液基本特征,发酵产物浓度较低，大多为1-10%，,悬浮物颗粒小，细胞相对密度与培养液相同。,固体粒子可压缩性大,液相粘度大，大多为非牛顿型流体；,悬浮状态稳定：双电层、水化膜、布朗运动,5,第5页,为何要对发酵液进行预处理？,固液分离方法主要是过滤和离心。,对于细菌及一些放线菌，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，设备昂贵。若用膜分离技术（如微滤）易产生膜污染，通量降低。,发酵液中因为菌体自溶，核酸、蛋白质及其它有机粘性物质存在也会影响固液分离。,因而寻找一个经济有效方法来提升固液分离速度显得十分必要。,6,第6页,预处理目标,预处理目标：,促进从悬浮液中分离固形物速度，提升固液分离效率,：,改变发酵液物理性质，包含增大悬浮液中固体粒子尺寸，降低液体黏度。,相对纯化，去除发酵液中部分杂质（高价无机离子和杂蛋白质），以利于后续各步操作。,尽可能使产物转入便于后处理一相中（多数是液相）；,7,第7页,预处理方法,凝聚和絮凝,Coagulation and flocculation,加热法,Heating,调整悬浮液,pH,值,Regulation of pH,杂蛋白去除,Removal of useless protein,高价无机离子去除,Removal of inorganic ion,助滤剂,Filter aids,和反应剂,Reactant,8,第8页,一 凝聚和絮凝在发酵液预处理中应用,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，改变细胞、菌体和蛋白质等胶体粒子分散状态，破坏其稳定性，,使其聚集起来,增大致积方便固液分离。,凝聚和絮凝技术惯用于菌体细小而且黏度大发酵液预处理中。,9,第9页,凝聚和絮凝是两种方法，两个概念。,凝聚：,指在投加化学物质（铝、铁盐类）作用下，胶体脱稳并使粒子相互聚集成 mm 大小块状凝聚体过程。,絮凝：,指使用絮凝剂（天然和合成大分子量聚电解质）将胶体粒子交联成网，形成10 mm大小絮凝团过程。其中絮凝剂主要起架桥作用。,凝聚和絮凝,10,第10页,凝聚：胶体粒子在中性盐促进下脱稳相互聚集成大粒子（,1mm,）,机理：,1,）,中和粒子表面电荷,2,）消除双电层结构,3,）破坏水化膜,（一）凝 聚,Coagulation,11,第11页,发酵液中菌体表面带有负电荷，因为静电引力使溶液中反离子被吸附在其周围，在界面上形成了双电层。,正离子同时受到使它们均匀分布热运动影响，含有离开胶粒表面趋势。,胶体双电层结构,12,第12页,两种相反作用力下，双电层分裂成两部：,1）吸附层或stern层；2）扩散层。,形成了扩散双电层结构模型(,Gouy-Chapman-Stern,model,)。,胶体双电层结构,13,第13页,胶体双电层结构,不一样界面上形成不一样电位,:,胶核表面电位,s,是整个双电层电位,;,Stern,平面上电位为,d;,滑移面上电位为,称,电位（电动电位）。,14,第14页,电位计算：,D,水介电常数；,q,胶体电动电荷密度，即滑移面上电荷密度；,扩散层有效厚度，即为吸附层和扩散层界面处电位,d,降低到其值为,1/e,处距离，不能直接测定,.,电位,是控制胶粒间电排斥作用电位，用来表征双电层特征，并作为研究凝聚机理主要参数。,15,第15页,扩散层有效厚度,式中 N-阿伏伽德罗常数；,T-热力学温度：,k 波尔兹曼常数；,e 电子电荷；,Zi i种反离子化合价；,Ci i种离子摩尔浓度。,16,第16页,双电层与凝聚,由式（141）和式（14-2）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。,对带负电性菌体发酵液，高价阳离子存在，可压缩扩散层厚度，促使电位快速降低，而且化合价越高，这种影响越显著。,17,第17页,凝聚价或凝聚值,在发酵液中加入含有高价阳离子电解质，能脱除胶粒表面水化膜，降低,电位，使,双电层排斥力降低，当不足以抗衡胶粒间范德华引力时，因为热运动结果造成胶粒相互碰撞而聚集起来。,电解质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最小电解质浓度（毫摩尔升），称为凝聚价或凝聚值。,18,第18页,Schulze,Hardy,法则：反离子价数越高，,凝聚价,越小，即凝聚能力越强。,阳离子对带负电荷胶粒凝聚能力受化合价、水化半径、离子运动能力影响，次序为,Al,3+,Fe,3+,H,+,Ca,2+,Mg,2+,K,+,Na,+,Li,+,19,第19页,惯用凝聚剂电解质有：,硫酸铝,Al,2,(SO,4,),3,18H,2,O（明矾）；,氯化铝,AlCl,3,6H,2,O;,三氯化铁,FeCl,3,;,硫酸亚铁 FeSO,4,7H,2,O；,石灰；,ZnSO,4,；MgCO,3,20,第20页,絮凝,：,大分子聚电解质将胶体粒子交联成网状，形成絮凝团过程,机理,：架桥作用,采取絮凝法可形成粗大絮凝体，使发酵液较易分离。,（二）絮 凝,flocculation,21,第21页,絮凝剂是一个能溶于水高分子聚合物，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，包含离子基团以及非离子型基团。,它们经过静电引力、范德华引力或氢键作用，强烈地吸附在胶粒表面。,当一个高分子聚合物许多链节分别吸附在不一样胶粒表面上，产生架桥联结时，就形成较大絮团，产生絮凝作用。,絮 凝,22,第22页,高分子絮凝剂吸附架桥作用,23,第23页,可分为三类：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,1）当前惯用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；聚丙烯酸类和聚苯乙烯类衍生物。,工业上使用絮凝剂,24,第24页,高分子聚合物絮凝剂,依据活性基团在水中解离情况不一样，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,25,第25页,聚丙烯酰胺类絮凝剂优点,用量少，普通以mg/L计量；,絮凝体粗大，分离效果好；,絮凝速度快；,种类多，适用范围广,。,聚丙烯酰胺类絮凝剂缺点：,存在一定毒性，尤其是阳离子型聚丙烯酰胺，用于食品和医药工业时应慎重。,当前最常见：,聚丙烯酰胺类,絮凝剂,26,第26页,2,）天然有机高分子絮凝剂,人工合成有机高分子絮凝剂即使发展很快，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含有没有毒，易生物降解，原料起源广等优点。,天然有机高分子改性絮凝剂依据其原料起源不一样可分为淀粉类、纤维素类、植物胶类和聚多糖类。,其中淀粉改性絮凝剂研究开发最引人注目。,27,第27页,3,）无机高分子聚合物,有聚合铁系和铝系两大类,铁系絮凝剂含有操作简单、费用低，受温度影响小，亲和力强，能有效地去除悬浮物、表面活性剂、破坏油水乳状液能力很强等优点，缺点腐蚀性强、稳定性差。,铝系是当前应用广、工艺较成熟一类无机金属盐絮凝剂，絮凝效果好，缺点具毒性等。,28,第28页,微生物,絮凝剂,微生物絮凝剂是近年来研究和开发新型絮凝剂，,一类由,微生物,或其分泌物产生含有絮凝细胞功效代谢产物。,包含直接利用微生物细胞絮凝剂、利用微生物细胞壁代谢产物絮凝剂和克隆技术所取得絮凝剂,主要成份是糖蛋白、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絮凝剂相比，最大优点是安全，无毒和不污染环境,。,29,第29页,微生物絮凝剂,1、微生物絮凝剂商业化生产始于20世纪90年代，,如红平红球菌及由此制成NOC-1是当前发觉最正确微生物絮凝剂,2、微生物絮凝剂或将大部分替换普通絮凝剂,3、浮游藻类、草分枝杆茵、硅酸盐芽孢杆菌。,30,第30页,絮凝影响原因,发酵液性质（细胞浓度，表面电荷）；,絮凝剂浓度，最正确用量为粒子表面积约有一 半被聚合物覆盖絮凝剂分子量；,pH,控制；,搅拌速度。,31,第31页,对于带负电荷菌体或蛋白质来说，采取阳离子型高分子絮凝剂同时含有降低胶粒双电层电位和产生吸附桥架双重机理，单独使用可到达很好絮凝效果；,对于非离子型和阴离子型高分子絮凝剂，要采取凝聚和絮凝双重机理才能提升过滤效果。,这种包含凝聚和絮凝机理过程，称为混凝。,（三）混 凝,32,第32页,二 预处理,-,加热,1,）加热降低液体粘度,液体黏度是温度指数函数，升温是降低黏度有效办法。流体力学原理过速率与液体粘度成反比，降低液体粘度（加水稀释法和加热法等）可有效提升过滤速率。,加热是发酵液预处理最简单最惯用方法。加热能改进发酵液操作特征。,麦芽汁黏度-温度曲线。,33,第33页,二 预处理,-,加热,2,）加热使蛋白质变性凝固,变性蛋白质溶解度小。如柠檬酸发酵液加热至,80,以上，可使蛋白质变性凝固，过滤速度加紧。,加热处理只适合用于对热较稳定液体。注意加热温度与时间，不影响产物活性和细胞完整性。,34,第34页,三 预处理,-,调整,pH,pH,值直接影响发酵液中一些物质电离度和电荷性质，适当调整,pH,值可改进其过滤特征。,细胞,(,碎片,),及一些胶体物质在某个,pH,值下也可能趋于絮凝而成为较大颗粒，有利于过滤进行。,调整发酵液,pH,到蛋白质等电点是除去蛋白质有效方法。大幅度改变,pH,还能使蛋白质变性凝固。,经过调整,pH,值改变膜过滤中易吸附分子电荷性质，可降低膜堵塞和污染；,影响离子型絮凝剂电离度。,35,第35页,四,加入助滤剂（,filter aids,）,一个不可压缩多孔微粒，,在发酵液中加入固体助滤剂，则菌体 可吸附于助滤剂微粒上，助滤剂就作为胶体粒子载体，均匀地分布于滤饼层中，降低了滤饼可压缩性，减小了过滤阻力。,当前生物工业中惯用助滤剂是硅藻土，其次是珍珠岩粉、活性炭、石英砂、石棉粉、纤维素、白土等。,36,第36页,助滤剂选择,(1),粒度,依据悬浮液中颗粒和滤液澄清度确定，普通颗粒较小滤饼应采取细小助滤剂。,(2),助滤剂品种,应依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；采取细目滤布时，可使用细硅藻土；,(3),用量,间歇操作时，,过滤介质表面预涂助滤剂，,其厚度应大于,2mm,。,连续过滤机中依据过滤速度确定。使用硅藻土时，通常细粒为,500g/m,3,，中等粒度,700g/m,3,粗粒,700-1000g/m,3,。,37,第37页,五.加入反应剂,加入一些不影响目标产物反应剂，可消除发酵液中一些杂质对过滤影响，从而提升过滤速度。,1）加入反应剂与一些可溶性盐类发生反应生成不溶性沉淀,生成沉淀能预防菌丝体粘结，使菌丝含有块状结构，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加入cacl,2,和Na,3,po,4,生成Ca,3,(po4),2,沉淀。,2）发酵液中含有不溶性多糖物质时，用酶将其转化为单糖，以提升过滤速率。如万古霉素用淀粉作培养基，发酵液过滤前加入0.025%淀粉酶，搅拌30min后，再加2.5%硅藻土助滤剂，可提升过滤效率5倍。,38,第38页,发酵液中杂质,高价无机离子（Ca,2+,、Mg,2+,、Fe,2+,）,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。,采取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，使两相分离不清。,所以，在预处理时，应尽可能除去这些物质。,六、发酵液相对纯化,在采取离子交换提炼时，会影响树脂对生化物质交换容量,。,39,第39页,（一）高价无机离子去除方法,Ca,2+,草酸、草酸钠，,形成草酸钙沉淀,（注意回收草酸）,；,Mg,2+,三聚磷酸钠，,形成三聚磷酸钠镁可溶性络合物；,Fe,2+,黄血盐，,普鲁士兰沉淀,40,第40页,（二）杂蛋白去除方法,沉淀法,变性法,吸附法,41,第41页,1.,杂蛋白去除,-,沉淀法,precipitation,A 等电点沉淀法,（,isoelectric precipitation,）,蛋白质等电点大都在酸性范围内(pH4.05.5)，调整发酵液pH到蛋白质等电点是除去蛋白质有效方法。,B.酸碱调整，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+、Cu,2+,、Zn,2+,、Fe,3+,等。,42,第42页,2.,杂蛋白去除,-,变性,Denaturation,蛋白质从有规则排列变成不规则结构过程称为变性。变性蛋白质溶解度较小。,加热，,大幅度调整pH值，,加酒精、丙酮等有机溶剂或表面活性剂等。,不足之处：,加热法只适合于对热较稳定目标产物；,极端pH值也会造成一些目标产物失活，且要消耗大量酸碱；,有机溶剂法通常只适合用于所处理液体数量较少场所。,43,第43页,2,变性,链霉素生产中，采取,调,pH,至酸性（,pH3.0,），加热至,70,，维持半个小时方法来使蛋白变性，能使过滤速度增大,10-100,倍，滤液粘度可降低,1/6,。,柠檬酸发酵液，采取加热至,80,以上，使蛋白质变性凝固和降低发酵液粘度，从而大大提升了过滤速度。,44,第44页,3.,杂蛋白去除,-,吸附法,adsorption,加入一些吸附剂或沉淀剂吸附杂蛋白质而除去,。,四环类抗生素生产中，采取黄血盐和硫酸锌协同作用生成亚铁氰化锌钾,K,2,Zn,3,Fe(CN),5,2,胶状沉淀来吸附蛋白质，利用此法除蛋白质已取得很好效果。,在枯草杆菌发酵液中，常加入氯化钙和磷酸氢二钠，这二者本身生成庞大凝胶，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，从而加紧了过滤速度。,45,第45页,思索题,1,发酵液为何需要预处理？处理方法有,哪些？,2,凝集与絮凝过程有何区分？怎样将两,者结合使用？,46,第46页,第十四章,发酵液预处理和固液分离,第二讲,47,第47页,上节课主要内容,发酵液预处理,凝聚,絮凝,加热,调,pH,高价无机离子去除,杂蛋白质去除,48,第48页,14.2,发酵液固液分离,49,第49页,一 影响发酵液固液分离原因,1,）发酵液中悬浮离子大小,50,第50页,2,）发酵液黏度,viscosity,：,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。影响粘度原因：,菌体种类和浓度（主要原因），通常丝状菌、动物或植物细胞悬浮液粘度较大，浓度增大，粘度也提升。,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。所以细胞破碎程度应控制，发酵放罐时间要适宜。,培养基成份：如用黄豆粉、花生粉作氮源，淀粉作碳源，粘度都会升高。,另外，一些染菌发酵液，如染细菌，则粘度会增大。,发酵过程不正常处理，如大量过剩培养基和消沫油加入，都会使粘度增大。,影响发酵液固液分离原因,51,第51页,搜集胞内产物细胞或菌体，分离除去液相，,搜集含生化物质液相，分离除去固体悬浮物（细胞、菌体、细胞碎片、蛋白质沉淀物和它们絮凝体等）。,固液分离目标包含两方面：,52,第52页,二 常见固液分离方法,过滤,filtration,离心,Centrifugation,膜分离,membrane separation,双水相萃取,ATPS,扩张床吸附,EBA,53,第53页,（一）过 滤,filtration,过滤操作是借助于过滤介质，在一定压力差,P,作用下，使悬浮液中液体经过介质孔道，而固体颗粒被截留在介质上，从而实现固液分离单元操作。,过滤介质,filter medium,:,过滤采取多孔物质；,滤浆,filter pulp,:,所处理悬浮液；,滤液,filtrate,:,经过多孔通道液体；,滤饼或滤渣,filter cake,:,被截留固体物质。,54,第54页,滤饼过滤：,当悬浮液经过滤布时，固体颗粒被滤布阻拦而逐步形成滤饼（滤渣）。,在滤饼过滤中，当滤饼至一定厚度时即起主要过滤作用,适合于固体含量大于0.1%悬浮液过滤分离。,55,第55页,过滤推进力：,悬浮液本身压强差、重力,悬浮液,外加压力,过滤介质,抽真空,离心力,过滤阻力：,介质阻力,：可视为平变，且普通过滤初较显著,滤饼阻力,:,滤饼厚度：随过滤进行而增加,滤饼特征：颗粒形状、大小。,大多情况下，过滤阻力主要取决于滤饼阻力。,56,第56页,滤饼质量比阻,衡量过滤特征主要指标是滤饼质量比阻,rB,，它表示单位滤饼厚度阻力系数。,与滤饼结构特征相关。对于不可压缩性滤饼，,rB,为常数，但对于可压缩性滤饼，,rB,是操作压力差函数：,rB,r(P),m,（,14-3,）,r-,不可压缩滤渣比阻，对于一定料液为常数；,m-,压缩性指数，普通取，对不可压缩性滤饼,m,为,0,。,可压缩滤饼,:,形成滤饼刚性不足，其内部空隙结构伴随滤饼增厚或压差增大而变形，空隙率,减小,.,57,第57页,滤饼质量比阻与过滤关系,滤饼比阻值是随操作压力差提升而增大。,开始过滤时应注意不能很快提升压差，通常靠液柱自然压差进料，并应迟缓地，逐步地升高压力，普通在相当长时间内，压力差不要超出,0.05 MPa,，最终压差也不超出,0.3,0.4 MPa,。,若操作压力控制过高，因为比阻值急剧增加，会使过滤速度很快下降，以至到达不能继续过滤程度。,58,第58页,恒压下过滤方程,恒压下，可压缩性滤饼比阻应为常数。如过滤介质阻力相对较小能够忽略不计，,q,到瞬间，经过单位过滤面积滤液量，m3；,P 压力差，Pa；,滤液粘度，Pas；,rB 滤饼重量比阻，m/kg；,X,B,经过单位体积滤液所形成滤渣重量(干重),kgm,3,；,过滤时间，s,59,第59页,过滤速度强化,1,降低滤饼比阻力,rB,一切能够降低,rB,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,、选择适当放罐时间。,3,降低悬浮液中悬浮固体浓度,过滤速度与取得滤饼体积成反比。所以应尽可能降低培养基配料浓度如玉米粉、豆饼粉浓度）。,4.,对发酵液进行预处理，改进滤液性质。,60,第60页,2,过滤介质选择,过滤介质起过滤作用，还是滤饼支撑物。应含有足够机械强度和尽可能小流动阻力。,合理选择过滤介质：,过滤介质所能截留固体粒子大小,：通常以过滤介质孔径表示。惯用过滤介质中，纤维滤布所能截留最小粒子约,10m,，硅藻土为,lm,，超滤膜可小于,0.5m,。,过滤介质透过性：,是指在一定压力差下，单位时间单位过滤面积上经过滤液体积量，它取决于过滤介质上毛细孔径大小及数目。,61,第61页,过滤介质,-,织物介质,又称滤布，应用最广泛，包含由棉、麻等天然纤维滤布和合成纤维滤布。,其过滤性能受许多原因影响，其中最主要是纤维特征、编织纹法和线型。,最高温度,密度,(kgm,3,),吸水率,耐磨,棉,尼纶,涤纶,92,105120,145,155,114,138,16-22,6.5-8.3,0.04-0.08,良,优,优,滤 液,澄清度,阻力,滤饼中,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,62,第62页,过滤介质,-,粒状介质,有硅藻土、珍珠岩粉、细砂、活性炭、白土等。,最惯用是硅藻土，是优良过滤介质：,普通不与酸碱反应，化学性能稳定；,形状不规则，空隙大且多孔，含有很大吸附表面；,无毒且不可压缩，形成过滤层阻力不随操作压力改变。,硅藻土过滤介质通常有三种使用方法：,（,1,）,作为深层过滤介质,。硅藻土过滤层含有波折毛细孔道，借筛分、吸附和深层效应作用除去悬浮液中固体粒子，截留效果可到达,1m,。,（,2,）,作为预涂层。,在支持介质表面上预先形成一层较薄硅藻土预涂层，用以保护支持介质毛细孔道不被滤饼层中固体粒子堵塞。,（,3,）,用作助滤剂,。,63,第63页,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，惯用于过滤含有少许微粒悬浮液。,64,第64页,经典过滤设备,：,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,试验室用抽滤装置,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,固液分离过滤设备,65,第65页,1,）试验室用抽滤装置,66,第66页,2,）板框压滤机,plate and frame filter,板框压滤机过滤推进力来自泵产生液压或进料贮槽中气压。,广泛应用于培养基制备过滤及霉菌、放线菌、酵母菌和细菌等各种发酵液固液分离。,适合于固体含量1-10%悬浮液分离。,67,第67页,板框压滤机,包含板和框，多做成正方形，角端均开有小孔，装合压紧后即组成供滤浆或洗水流通孔道。框两侧覆以滤布，空框与滤布围成了容纳滤浆及滤饼空间，滤板用以支撑滤布并提供滤液流出通道。,68,第68页,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。滤饼充满滤框后停顿过滤。,69,第69页,板框压滤机,优点,过滤面积大，结构简单，价格低，动力消耗少，,对不一样过滤特征发酵液适应性强。,它最主要特征是经过过滤介质时产生压力降能够,超出0.1MPa,这是真空过滤器无法到达。,缺点,不能连续操作，设备粗笨，劳动强度大，卫生条件差，非过滤辅助时间较长。,70,第70页,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应用和发展。,71,第71页,3）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压力差作为过滤操作推进力。生物工业中，用得较多是转筒式真空过滤机和带式真空过滤机。,转筒真空过滤机结构,转筒真空过滤机是一个连续操作过滤设备，设备主体是一个由筛板组成能转动水平圆筒，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。,72,第72页,转筒真空过滤机,结构：,转筒，扇形格,(18,格,),；,滤室；,分配头；,动盘(18个孔，分别与扇形格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18个孔道分成三个通道)；,滤浆槽。,工作过程,73,第73页,转筒下部浸入滤浆槽中，浸没角约,900-1300,，圆筒迟缓旋转时,(,转速约,0.5-2r,min),，筒内每一空间相继与分配头中,3,个室相通，可次序进行过滤、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。,74,第74页,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，,且因为真空过滤，推进力小（不超出,8104 Pa,），滤饼湿度大（,20,30,）。,主要适用霉菌发酵液，对菌体细小、黏度大铺助滤剂。对于滤饼阻力较大物料适应能力较差。,75,第75页,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一个新型高效脱水设备。,76,第76页,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，可满足不一样物料过滤、洗涤、吸干工艺要求，滤带运行速度采取变频无级调速，对不一样物料有广泛适应性。,3,、在同一设备上可采取屡次逆流洗涤得到高浓度滤液，也可采取并流洗涤或顺流洗涤取得高纯度滤饼。,77,第77页,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；,机架。,原理：,因为离心力作用，液体产生径向压差，经过滤饼、滤网及滤筐而流出。,4）离心过滤机,（,centrifugal filter,）,78,第78页,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，推进力较大,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，推进力较小；，,滤饼湿度大设备投资高,适于粒度中等，粘度不太大物料,离心过滤机,转鼓(滤网、滤布)/机架,过滤,洗涤,卸渣,离心过滤，推进力最大；,滤液湿度小，设备成本高，,应用广泛，过滤面积小。,几个过滤设备比较,79,第79页,5,）硅藻土过滤机,diatomite filter,硅藻土中硅藻有许多不一样形状，因为硅藻土含有细腻、涣散、质轻、多孔、吸水和渗透性强特征，所以它是一个性能优良工业滤剂。,硅藻土过滤是以硅藻土作为过滤介质，它是一个预涂型过滤器，预涂、过滤、反冲洗是硅藻土过滤普通工艺过程。,在酿造、饮料、酒类和水处理等方面得到广泛应用。当前，国内主要用于酒类和饮料过滤,80,第80页,硅藻,81,第81页硅藻土过滤机,82,第82页,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，过滤阻力主要来之滤饼。错流过滤打破了传统过滤机制，即液体流向和滤膜相切。,在压力推进下，,悬浮液,以高速在管状滤膜内壁,作切向流动,，,利用流动剪切作用将过滤介质表面固体（滤饼）移走，,而附着在滤膜上滤饼很薄，因而能在长时间内保持稳定不变过滤速度,）错 流 过 滤,83,第83页,朗极化工企业膜澄清过滤和膜浓缩“错流过滤系统”,陶瓷膜,错 流 过 滤,84,第84页,错流过滤特点,收率高（,97-98%,）,质量好,降低处理步聚,染菌罐也能进行处理,介质阻力大,不能得到干滤饼,需要大膜面积,当前适合用于小分子分离,85,第85页,（二）离心分离,对于浓度较小，粒径较大，硬度较强不溶物，能够采取过滤分离。,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，在离心场中使不一样密度固体颗粒加速沉降分离过程。,动植物,细胞搜集、细胞碎片和沉淀分离等惯用离心分离。,86,第86页,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、,离心产生固体浓缩物和过滤产生浓缩不一样。,通常情况下离心只能得到一个较为浓缩悬浮液或浆体。而过滤可取得水分含量较低滤饼。,离心分离,87,第87页,离心力与转速,88,第88页,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（,2,r）可提升沉降速度，对沉降速度小颗粒，提升转速是有效方法。,与颗粒直径相关，大颗粒轻易沉降。,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。,89,第89页,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)10,4,g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,110,4,-2.510,4,rpm，相对离心力10,4,10,5,g,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2.5-810,4,rpm，相对离心力5*10,5,g；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。,离心机种类与用途,对于常速和高速离心机，因为所分离颗粒大小和密度相差较大，只要选择好离心速度和时间，就能到达分离效果。超速离心离心方法：差速离心、密度梯度离心和等密度梯度离心。,90,第90页,按离心机作用方式：,斜角式,平抛式,管式,蝶式,螺旋式,多室,离心机种类与用途,91,第91页,1）斜角式离心机,是一类结构最简单试验室惯用离心机，,指离心管腔与转轴成一定倾角转子；,角度越大，沉降越坚固，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，,所以管一侧会出现颗粒沉积。,92,第92页,1,）斜角式离心机,结构稳定，,可装载较多样品,使用较高转速。,加速或减速时，对样品有搅动。,有些梯度离心要求用角转头，不然形成梯度不均一，线性很差,93,第93页,2）,平抛式离心机,平抛式离心机一类结构简单试验室惯用低中速离心机，转速普通在 3000-6000rpm。,转子活动管套内离心管，静止时垂直挂在转头上，旋转时伴随转子转动，从垂直悬吊上升到水平位置（约200800rpm）。,颗粒在水平转子中沉降是沿管子轴向移动。,样品便于搜集,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。,94,第94页,平抛式离心机转子,95,第95页,）管式离心机,（,tubular-bowl centrifuge,）,管式离心机含有一个细长而高速旋转转鼓，,转鼓内装有纵向平板，,其下部有进料口。上部两侧有重液相和轻液相出口。,96,第96页,管式离心机,待处理物料在一定压力（,310,4,Pa,左右）下由进料管经底部空心轴进入鼓内，,靠挡板分布于鼓四面，并使料液快速到达与转鼓相同角速度。,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，料液在离心力场作用下因其密度差存在而分离。,澄清后液相流动到转鼓上部排液口排出。,比重大固体微粒逐步沉积在转鼓内壁形成,沉渣层，到达一定数量后，停机人工去除。,97,第97页,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,。,管状离心机能够冷却，有利蛋白质分离,间歇操作，须定时拆卸、清洗,适合用于于分离乳浊液及含细颗粒稀悬浮液，适合用于固含量低于,1%,，颗粒度小于,5,微米，黏度大悬浮液澄清或固液两相密度差较小分离。,98,第98页,4,）碟片式离心机,disk-bowl centrifuge,是在管式离心机基础上发展起来，在转鼓中加入了许多重迭碟片，缩短了颗粒沉降距离，提升了分离效率。,是生物工业中应用最为广泛一个离心机,有一个密封转鼓，内装十至上百个锥顶角为,60100,锥形碟片。,碟片间距离普通为,0.5-2.5mm,99,第99页,碟片式离心机工作原理,当悬浮液在动压头作用下，经中心管流入高速旋转碟片之间间隙时，便产生了惯性离心力，,其中密度较大固体颗粒在离心力作用下向上层碟片下表面运动，而后在离心力作用下被向外甩出，沿碟片下表面向转子外围下滑，,而液体则因为密度小，在后续液体推进下沿着碟片隙道向转子中心流动，然后沿中心轴上升，从套管中排出，到达分离目标,100,第100页,碟片式离心机类型,人工排渣碟片离心机碟片上不开孔，只有一个清液排出口。沉积在转鼓内壁上沉渣，间歇排出。只适合用于固体颗粒含量极少悬浮液。,喷嘴排渣碟片离心机,：当固体颗粒含量较多时，可采取含有喷嘴排渣碟式离心沉降机。在有特殊形状内壁转鼓壁上开设若干喷嘴,活门（活塞）排渣碟片离心机,这是近年来开发机型，它和相同直径活塞机相同，其速度可增加,23%30%,故可使分离原因达,15000,左右，可用于酶制剂，疫苗和胰岛素等生产中分离物澄清。,101,第101页,5,）螺旋式离心机,scroll-type centrifuge,连续操作沉降设备。,转鼓内有可旋转螺旋输送器，其转数比转鼓转数稍低。,有立式和卧式两种，卧螺机是一个全速旋转，连续进料、分离和卸料离心机，最大离心力可达6000，操作温度可达300,用于分离含固量较多悬浮液，生产能力较大。,102,第102页,螺旋式离心机工作原理,转鼓与螺旋以一定差速同向高速旋转，悬浮液经过螺旋输送器空心轴进入机内中部，由进料管连续引入螺旋内筒，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。输料螺旋将沉积固相物连续不停定推至转鼓锥端，经排渣口排出机外，,较轻液相物则形成内层液环，由转鼓大端溢流口连续溢出转鼓，经排液口排出机外。,103,第103页,6,）多室式,multichamber centrifuge,多室式离心机转鼓内有若干同心圆筒组成环状分离室,加长了被分离液体流程，使液层减薄，增加了沉降面积，降低了沉降距离。,同时还有粒度筛分作用，悬浮液中粗颗粒沉降到靠近内部分离室壁上，细颗粒则沉降到靠近外部室壁上，澄清分离液经溢流排出。,惯用于抗菌素液液萃取分离，果汁和酒类饮料澄清等。,104,第104页,14.3,全发酵液提取,一个新型生物分离技术概念被提出：集成化分离技术，即对已经有两种或两种以上单元操作进行有效组合，组成一个有效单元操作，以到达提升产品收率、缩短纯化步骤、降低纯化费用和投资成本目标。,1.,用,膜技术,进行全发酵液提取,2.,用,双水相,萃取进行全发酵液提取,3.,用,扩张床吸附,进行全发酵液提取,105,第105页,扩张床亦称膨胀床是发展中吸附分离技术。,九十年代初，英国剑桥大学等经过对吸附剂改进及对层析柱和流体分布器精心设计，得到了稳定、返混小扩张床。,扩张床吸附技术,Expanded bed adsorption,106,第106页,吸附介质颗粒在向上流动上清作用下扩张起来，上清中目标蛋白被吸附于介质上，而细胞及碎片经过柱子而流出，而洗脱目标蛋白时从反方向将吸附介质压紧，再用洗脱液将目标蛋白洗下来。,操作分为五个部分:(1)平衡(equlibration)、(2)吸附(adsorption)、(3)冲洗(washing)、(4)洗脱(elution)和(5)再生（,regeneration),。,107,第107页,扩张床吸附技术,扩张床吸附集澄清、浓缩和初步纯化于一体分离纯化技术。,能够降低离心或过滤等单元操作步骤，节约操作周期。提升目标产物收率，降低了分离纯化成本，,被称为近几十年来出现第一个新单元操作。伴随商业化吸附剂和装置出现，愈来愈多地引发人们兴趣和关注。,108,第108页,109,第109页,思索题,发酵液为何需要预处理？处理方法有哪些？,凝集与絮凝过程有何区分？怎样将二者结合使用？,固液分离方法有哪些？,改进过滤过程方法？,为何说扩张床吸附是一个集成化分离技术,?,110,第110页,