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1、生物分离技术,第三章 固液分离技术,固液分离,发酵液或其他细胞悬浮液,胞外上清液/滤液,预处理,提取生化物质的第一步，分两部分：,胞内富集细胞,固液分离：是将固液多相混合体系中固体（细胞、菌体、细胞碎片及沉淀或结晶等）与液体分离开来的技术。,影响原料液固液分离的因素,1）原料液(发酵液)中悬浮粒子的大小,2）原料液(发酵液)的黏度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。影响粘度的因素：菌体的种类和浓度（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。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。因此细胞破碎的程
2、度应控制，发酵放罐时间要适宜。培养基成分：如用黄豆粉、花生粉作氮源，淀粉作碳源，粘度都会升高。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。,收集胞内产物的细胞或菌体，分离除去液相，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、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：,固液分离方法,第一节 过滤技术第二节 离心技术,第一节 过滤技术,一、概述(概念与原理)二、过滤的分类三、过滤介质四、过滤设备五、影响过滤速度的主要因素,一、过 滤( filtration)概述(概念与原理),1、过滤(概念)：是借助于过滤介质，在一定的外力作用下，
3、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，从而实现固液分离的技术过程。2、原理筛分过滤介质filter medium : 过滤采用的多孔物质； 滤浆filter 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。,过滤介质常用的有滤纸、滤布、纤维、多孔陶瓷、烧结金属和各种高分子膜等。,滤饼,传统的过滤,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%的悬浮液的过滤分离。,过滤推动力：悬浮液自身
4、压强差、重力悬浮液的外加压力过滤介质的抽真空离心力过滤阻力：介质阻力：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。,3、过滤速度的强化,(1)降低料液黏度 黏度愈低，过滤阻力愈小。加热、去杂蛋白、絮凝、调PH。(2)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）。(3) 对发酵液进行预处理，改善滤液性质。,二、过滤的分类,1、根据推动力的产生条件不同，过滤有（1）常压过滤(重力过滤)（2）加压过滤（3）减压过滤(真空过滤)（4）离心过滤2、依据过滤过程中固体颗粒截留机理不同分为：深层介质过滤，绝对过滤；3、据过
5、滤操作方式不同分为：间歇过滤，连续过滤。 ,(1)常压过滤(重力过滤) :以液位差为推动力的过滤。实验室常用的滤纸过滤以及生产中使用的吊篮或吊袋过滤都属于常压过滤。,(2)加压过滤:以压力泵或压缩空气产生的压力为推动力。生产中常用各式压滤机进行加压过滤。添加助滤剂、降低悬浮液粘度、适当提高温度等措施，均有利于加快过滤速度和提高分离效果。,加压过滤用压力泵或压缩空气作过滤动力。,(3)减压过滤(真空过滤) : 又称为真空过滤或抽滤，是通过在过滤介质的下方抽真空的方法，以增加过滤介质上下方之间的压力差，推动液体通过过滤介质，而把大颗粒截留的过滤方法实验室常用的抽滤瓶和生产中使用的各种真空抽滤机均属
6、于此类。减压过滤需要配备有抽真空系统。由于压力差最高不超过0.1 MPa，多用于粘性不大的物料的过滤。 ,减压过滤示意图,（4）离心过滤由离心机所产生的离心力作为料液的推动力。,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0.5m。过滤介质的透过性：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，它取决于过滤介质上毛细孔径的大小及数目。,三、过滤介质,1、过滤介质-织物介质,又称滤布，应用最
7、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。,2、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：一般不与酸碱反应，化学性能稳定；形状不规则，空隙大且多孔，具有很大的吸附表面；无毒且不可压缩，形成的过滤层阻力不随操作压力变化。硅藻土过滤介质通常有三种用法：（1）作为深层过滤介质。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，截留效果可达到1m。（2）作为预涂层。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
8、不被滤饼层中的固体粒子堵塞。（3）用作助滤剂。,3、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，常用于过滤含有少量微粒的悬浮液。,四、过滤设备,2、典型过滤设备：,1、按操作方式分类：间歇过滤机、连续过滤机,1）板框过滤机（间歇操作） 2）真空转筒过滤机（连续操作） 3）离心过滤机4）硅藻土过滤机5）错 流 过 滤6）实验室用抽滤装置,1）板框过滤机plate and frame filter,板框过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分离。适合于固体含
9、量1-10%的悬浮液的分离。,板框过滤机,包括板和框，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。,板框过滤机,板框式过滤机在过滤时，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。,板框过滤机,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。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0.1MPa,这是真空过滤器无法达到的。,缺点,不能连续操
10、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。,自动板框式过滤机,自动板框过滤机在板框压紧；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。自动过滤机结构复杂，价格昂贵，在一定程度上限制了它的应用和发展。,2）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。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，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。,真空
11、转筒过滤机结构：,转筒下部浸入滤浆槽中，浸没角约90度-130度，圆筒缓慢旋转时(转速约0.5-2rmin)，筒内每一空间相继与分配头中的3个室相通，可顺序进行过滤、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。,Dry,Wash,Immersion,Rotation,Knife,Cake,Feed,真空转鼓过滤机,真空转筒过滤机,优点：真空转筒过滤机可吸滤、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
12、滤剂。对于滤饼阻力较大的物料适应能力较差。,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的一种新型高效的脱水设备。,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，可满足不同物料过滤、洗涤、吸干的工艺要求，滤带运行速度采用变频无级调速，对不同物料有广泛的适应性。3、在同一设备上可采用多次逆流洗涤得到高浓度的滤液，也可采用并流洗涤或顺流洗涤获得高纯度的滤饼。,结构：,转鼓(上有小孔，亦称悬框)； 滤网； 滤布； 机架。,原理：,由于离心力作用，液体产生径向压差，通过滤饼、
13、滤网及滤筐而流出。,3）离心过滤机（centrifugal filter）,几种过滤设备的比较,4）硅藻土过滤机 diatomite filter,硅藻土中的硅藻有许多不同的形状，由于硅藻土具有细腻、松散、质轻、多孔、吸水和渗透性强的特性，所以它是一种性能优良的工业滤剂。硅藻土过滤是以硅藻土作为过滤介质，它是一种预涂型过滤器，预涂、过滤、反冲洗是硅藻土过滤的一般工艺过程。在酿造、饮料、酒类和水处理等方面得到广泛应用。目前，国内主要用于酒类和饮料过滤,硅藻,硅藻土过滤机,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
14、破了传统过滤的机制，即液体的流向和滤膜相切。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,5）错 流 过 滤,微滤过程示意图,料液快速经过薄膜,以减少形成滤饼,错 流 过 滤,朗极化工公司膜澄清过滤和膜浓缩的“错流过滤系统” 陶瓷膜,错 流 过 滤,错流过滤特点,收率高 （97-98%）质量好减少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的膜面积目前适用于小分子的分离,6）实验室用抽滤装置,五、影响过滤速度的主要因素1、料液的理化性质 料液黏度越大、料液中固形物颗粒越小、形成的滤饼越易压缩，则过滤速度越慢。可采取加入助滤剂来解决。2、过滤工艺条件恒速过滤：随着滤饼加厚要不断加压；恒压过滤：随着滤饼加厚过滤速度渐减。,第二节 离心技术,END,
