第二章發(fā)酵液的預(yù)處理和固液分離方法課件

1、第二章 發(fā)酵液的預(yù)處理和固液分離改變發(fā)酵液的物理性質(zhì)，提高固液分離效率；盡可能使產(chǎn)物轉(zhuǎn)入便于后處理的某一相中(多為液相)；去除發(fā)酵液中部分雜質(zhì)，以利于提取和精制后續(xù)各工序的順利進(jìn)行。 發(fā)酵液預(yù)處理的目的2.1 發(fā)酵液的預(yù)處理和固液分離預(yù)處理和固液分離內(nèi)容生物產(chǎn)品的分類（根據(jù)分離特點(diǎn)）培養(yǎng)液產(chǎn)品：如飲料酒類，沒有提取與精制，只需考慮除去固相雜志即可。細(xì)胞產(chǎn)品：如活性干酵母，只需固液分離和洗滌可溶性雜志的過(guò)程。粗制產(chǎn)品：如工業(yè)用酶制劑，只需考慮產(chǎn)品提取。精制產(chǎn)品：有純度要求，大多數(shù)生物產(chǎn)品屬此類，其分離回收過(guò)程一般包括預(yù)處理和固液分離、提取、精制和成品加工四步。精制產(chǎn)品分離純化一般流程胞外產(chǎn)品胞內(nèi)

2、產(chǎn)品2.1 發(fā)酵液預(yù)處理2.1.1 引言發(fā)酵液預(yù)處理的目的：改變?yōu)V液的性質(zhì)除去部分可溶性雜質(zhì)盡可能使產(chǎn)物轉(zhuǎn)入便于后處理的一相中（多數(shù)是液相）以利于后續(xù)各工序的順利進(jìn)行預(yù)處理的方法加水稀釋法Dilution with water加熱法 Heating調(diào)節(jié)懸浮液的pH值 Regulation of pH凝聚和絮凝 Coagulation and flocculation助濾劑Filter aids和反應(yīng)劑 Reactant高價(jià)無(wú)機(jī)離子的去除 Removal of inorganic ion雜蛋白的去除 Removal of USELESS PROTEIN2.1.2發(fā)酵液過(guò)濾性能的改變生物懸浮液的特

3、性：懸浮物顆粒小，比重與液相相差不大；固體粒子可壓縮性大；粘度大，含有蛋白質(zhì)、多糖等膠體物質(zhì)，大多為非牛頓型流體。改性的目的：降低濾餅比阻，提高過(guò)濾與分離的速率。 發(fā)酵產(chǎn)物濃度較低，而且懸浮液中大部分是水； 懸浮物顆粒小，相對(duì)密度與液相相差不大； 固體粒子可壓縮性大； 液相粘度大，大多為非牛頓型流體； 性質(zhì)不穩(wěn)定，隨時(shí)間變化。微生物發(fā)酵液的特性一、降低液體粘度根據(jù)流體力學(xué)原理，濾液通過(guò)濾餅的速率與液體的粘度成反比，降低液體粘度就可有效提高過(guò)濾速率。降低液體粘度的常用方法 加水稀釋法 加熱法 加水稀釋法 優(yōu)點(diǎn)：降低液體粘度，提高過(guò)濾速率缺點(diǎn)：增加懸浮液的體積，加大后繼過(guò)程的處理任務(wù)。 加熱法 優(yōu)

4、點(diǎn)：1. 升高溫度可有效降低液體粘度，提高過(guò)濾速率； 2. 在適當(dāng)溫度和受熱時(shí)間下可使蛋白質(zhì)凝聚，形成較大顆粒的凝聚物，進(jìn)一步改善了發(fā)酵液的過(guò)濾特性。 實(shí)例：鏈霉素發(fā)酵液，調(diào)酸至pH3.0后，加熱至70，維持半小時(shí)，液相粘度下降至原來(lái)的1/6，過(guò)濾速率可增大10100倍。 加熱法注意事項(xiàng)： 使用加熱法時(shí)必須嚴(yán)格控制加熱溫度與時(shí)間。加熱的溫度必須控制在不影響目的產(chǎn)物活性變質(zhì)的范圍內(nèi)；溫度過(guò)高或時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，會(huì)使細(xì)胞溶解，胞內(nèi)物質(zhì)外溢，增加發(fā)酵液的復(fù)雜性，影響其后的產(chǎn)物分離與純化。二、調(diào)整pHpH值直接影響發(fā)酵液中某些物質(zhì)的電離度和電荷性質(zhì)，適當(dāng)調(diào)節(jié)pH值可改善其過(guò)濾特性。是發(fā)酵工業(yè)中發(fā)酵液預(yù)處理中常

5、用的方法之一。氨基酸、蛋白質(zhì)等兩性物質(zhì)，在其等電點(diǎn)處的溶解度最小，此即為等電點(diǎn)沉淀法。應(yīng)用實(shí)例：味精生產(chǎn)中，利用等電點(diǎn)(pH3.22)沉淀法提取谷氨酸；對(duì)于蛋白質(zhì)，由于羧基的電離度比氨基大，故蛋白質(zhì)的酸性性質(zhì)通常強(qiáng)于堿性，因而大多數(shù)蛋白質(zhì)的等電點(diǎn)都在酸性范圍內(nèi)(pH 4.05.5)。利用酸性來(lái)調(diào)節(jié)發(fā)酵液pH值使之達(dá)到等電點(diǎn)，可除去蛋白質(zhì)等酸性兩性物質(zhì)。 在膜過(guò)濾中，發(fā)酵液中的大分子物質(zhì)易與膜發(fā)生吸附，通過(guò)調(diào)整pH值改變易吸附分子的電荷性質(zhì)，即可減少堵塞和污染。細(xì)胞、細(xì)胞碎片及某些膠體物質(zhì)等在某個(gè)pH值下也可能趨于絮凝而成為較大顆粒，有利于過(guò)濾的進(jìn)行。 應(yīng)用實(shí)例：三、凝聚與絮凝 采用凝聚和絮凝技

6、術(shù)能有效改變大分子物質(zhì)的分散狀態(tài)，使其聚結(jié)成較大的顆粒，便于提高過(guò)濾速率； 采用凝聚和絮凝技術(shù)能有效地除去雜蛋白質(zhì)和固體雜質(zhì)，提高濾液質(zhì)量。 作用：1凝聚 凝聚是指在電解質(zhì)作用下，由于膠粒之間雙電層電排斥作用降低，電位下降，而使膠體體系不穩(wěn)定的現(xiàn)象。 在生理pH值下，發(fā)酵液中的菌體或蛋白質(zhì)常常帶有負(fù)電荷，由于靜電引力的作用，使溶液中帶相反電荷的陽(yáng)離子被吸附在其周圍，在界面上形成雙電層。但是，這些正離子還具有因熱運(yùn)動(dòng)而離開膠粒表面的趨勢(shì)。在相距膠核表面約一個(gè)離子半徑Stern平面以內(nèi)，正離子被緊密束縛在膠核表面，稱為吸附層；在Stern平面以外，剩余的正離子在溶液中擴(kuò)散開去，距離越遠(yuǎn)，濃度越小，

7、最后達(dá)到主體溶液的平均濃度，稱為擴(kuò)散層。雙電層的組成當(dāng)膠粒在溶液中作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，總有一薄層液體，隨著它一起滑移，這一薄層的厚度比吸附層稍大，滑移面在圖中用波紋線表示?；泼嫔系碾娢环Q為電位（或電動(dòng)電位），它是控制膠粒間電排斥作用的電位，用來(lái)表征雙電層的特征，是研究凝聚機(jī)理的重要參數(shù)。 帶有相同電荷和擴(kuò)散雙電層的結(jié)構(gòu)。電位越大，電排斥作用就越強(qiáng)，膠粒的分散程度也越大，發(fā)酵液過(guò)濾就越困難。 膠粒保持分散狀態(tài)的原因 膠粒表面的水化作用，形成了包圍于粒子周圍的水化層，也能阻礙膠粒間的直接聚集。如果在發(fā)酵液中加入具有相反電性的電解質(zhì)，就可以中和膠粒的電性，使電位降低，膠體體系變得不穩(wěn)定。當(dāng)雙電層的排斥力

8、不足以抗衡膠粒間的范德華引力時(shí)，由于熱運(yùn)動(dòng)的結(jié)果就導(dǎo)致膠粒的互相碰撞而聚集。另外，由于電解質(zhì)離子在水中的水化作用會(huì)破壞膠粒周圍的水化層，使膠粒可以直接碰撞而聚集。影響凝聚作用的主要因素是無(wú)機(jī)鹽的種類、化合價(jià)以及無(wú)機(jī)鹽的用量。根據(jù)靜電學(xué)基本定理，可推導(dǎo)電位的基本公式為 （21）q：膠體的電動(dòng)電荷密度，即滑移面上的電荷密度，庫(kù)侖/m2；D：水的介電常數(shù)，F(xiàn)m-1；：擴(kuò)散層的有效厚度，m（即吸附層和擴(kuò)散層界面處電位d降低到其值為1/e處的距離，不能直接測(cè)定） （2-2)N：阿伏伽德羅常數(shù)，mol-1；e：電子電荷，庫(kù)侖；k：波爾茲曼常數(shù)，JK-1；T：熱力學(xué)溫度，K；ci：i離子摩爾濃度，mol/L

9、；Zi：i離子的化合價(jià)。從上兩式可知，電位與溶液中帶相反電荷的離子強(qiáng)度有關(guān)，因此，提高離子的化合價(jià)和濃度可以壓縮擴(kuò)散雙電層，使其厚度減小，從而使電位降低。電解質(zhì)的凝聚能力可用凝聚值來(lái)表示，使膠粒發(fā)生凝聚作用的最小電解質(zhì)濃度（mol/L）稱為凝聚值。根據(jù)Schuze-Hardy法則，反離子的價(jià)數(shù)越高，該值就越小，即凝聚能力越強(qiáng)。陽(yáng)離子對(duì)帶負(fù)電荷的發(fā)酵液膠體粒子凝聚能力的次序?yàn)椋篈l3+ Fe3+ H+ Ca2+ Mg2+ K+ Na+ Li+。 常用的凝聚電解質(zhì)有：硫酸鋁A12(SO4)318H2O (明礬)氯化鋁AICl36H2O三氯化鐵FeCl36H2O硫酸亞鐵FeSO47H2O石灰、ZnS

10、O4、MgCO3等。 2絮凝采用凝聚方法得到的凝聚體，其顆粒常常是比較細(xì)小的，有時(shí)還不能有效地進(jìn)行分離。采用絮凝法則?？尚纬纱执蟮男跄w，使發(fā)酵液較易分離。絮凝是指在某些高分子絮凝劑存在下，基于架橋作用，使膠粒形成較大絮凝團(tuán)的過(guò)程。 絮凝劑是一種能溶于水的高分子聚合物，其相對(duì)分子質(zhì)量可高達(dá)數(shù)萬(wàn)至一千萬(wàn)以上，它們具有長(zhǎng)鏈狀結(jié)構(gòu)，其鏈節(jié)上含有許多活性功能團(tuán)，包括帶電荷的陰離子(如-COOH)或陽(yáng)離子(如-NH2)基團(tuán)以及不帶電荷的非離子型基團(tuán)。它們通過(guò)靜電引力、范德華力或氫鍵的作用，強(qiáng)烈地吸附在膠粒的表面。當(dāng)一個(gè)高分子聚合物的許多鏈節(jié)分別吸附在不同的膠粒表面上，產(chǎn)生橋架聯(lián)接時(shí)，就形成了較大的絮團(tuán)，

11、這就是絮凝作用。對(duì)絮凝劑的化學(xué)結(jié)構(gòu)一般有下列要求:分子必須含有相當(dāng)多的活性官能團(tuán)，使之能和膠粒表面相結(jié)合；必須具有長(zhǎng)鏈的線性結(jié)構(gòu)，以便同時(shí)與多個(gè)膠粒吸附形成較大的絮團(tuán)，但絮凝劑的相對(duì)分子量不能超過(guò)一定限度，以使其具有良好的溶解性。 根據(jù)其活性基團(tuán)在水中解離情況的不同，絮凝劑可分為: 非離子型 陰離子型 陽(yáng)離子型 根據(jù)其來(lái)源的不同又可分為如下三類：(1) 有機(jī)高分子聚合物，如聚丙烯酰胺類衍生物、聚苯乙烯類衍生物。(2) 無(wú)機(jī)高分子聚合物，如聚合鋁鹽、聚合鐵鹽等。(3) 天然有機(jī)高分子絮凝劑，如聚糖類膠粘物、海藻酸鈉、明膠、骨膠、殼多糖、脫乙酰殼多糖等。 應(yīng)用現(xiàn)狀：目前最常用的絮凝劑是有機(jī)合成的聚

12、丙烯酰胺類衍生物，其絮凝體粗大，分離效果好，絮凝速度快，用量少，適用范圍廣。它們的主要缺點(diǎn)是存在一定的毒性，特別是陽(yáng)離子型聚丙烯酰胺，一般不宜用于食品及醫(yī)藥工業(yè)。近年來(lái)發(fā)展的聚丙烯酸類陰離子絮凝劑，無(wú)毒，可用于食品和醫(yī)藥工業(yè)。 影響因素：較多的絮凝劑有助于增加橋架的數(shù)量，但過(guò)多的添加量反而會(huì)引起吸附飽和，絮凝劑爭(zhēng)奪膠粒而使絮凝團(tuán)的粒徑變小，絮凝效果下降。 絮凝劑的加量絮凝劑相對(duì)分子量和類型溶液的pH攪拌轉(zhuǎn)速和時(shí)間溶液pH值的變化常會(huì)影響離子型絮凝劑中官能團(tuán)的電離度，從而影響吸附作用的強(qiáng)弱。3混凝對(duì)于帶負(fù)電荷的菌體或蛋白質(zhì)來(lái)說(shuō)，采用陽(yáng)離子型高分子絮凝劑同時(shí)具有降低膠粒雙電層電位和產(chǎn)生吸附橋架的雙

13、重機(jī)理。這種包括凝聚和絮凝機(jī)理的過(guò)程，稱為混凝。對(duì)于非離子型和陰離子型高分子絮凝劑，則可以與無(wú)機(jī)電解質(zhì)凝聚劑搭配使用。首先加入電解質(zhì)，使懸浮粒子間的雙電層電位降低、脫穩(wěn)，凝聚成微粒，然后再加入絮凝劑絮凝成較大的顆粒。無(wú)機(jī)電解質(zhì)的凝聚作用為高分子絮凝劑的架橋創(chuàng)造了良好的條件，從而大大提高了絮凝的效果。四、加入惰性助濾劑助濾劑是一種不可壓縮的多孔微粒，它能使濾餅疏松，濾速增大。 使用助濾劑后，懸浮液中大量的細(xì)微膠體粒子被吸附到助濾劑的表面上，從而改變了濾餅結(jié)構(gòu)，它的可壓縮性下降，過(guò)濾阻力降低。 硅藻土、纖維素、石棉粉、珍珠巖、白土、炭粒、淀粉常用的助濾劑助濾劑的使用方法：在過(guò)濾介質(zhì)表面預(yù)涂助濾劑直

14、接加入發(fā)酵液兩種方法同時(shí)兼用使用時(shí)需要一個(gè)帶攪拌器的混合槽，充分?jǐn)嚢杌旌暇鶆?，防止分層沉淀。五、加入反?yīng)劑 加入某些不影響目的產(chǎn)物的反應(yīng)劑，可消除發(fā)酵液中某些雜質(zhì)對(duì)過(guò)濾的影響，從而提高過(guò)濾速率。 加入反應(yīng)劑，可以和某些可溶性鹽類發(fā)生反應(yīng)生成不溶性沉淀，如CaSO4、AlPO4等。生成的沉淀能防止菌絲體粘結(jié)，使菌絲具有塊狀結(jié)構(gòu)，沉淀本身可作為助濾劑，并且能使膠狀物和懸浮物凝固，從而改善過(guò)濾性能。正確選擇反應(yīng)劑和反應(yīng)條件，能使過(guò)濾速率提高310倍。應(yīng)用實(shí)例：在新生霉素發(fā)酵液中加入氯化鈣和磷酸鈉，生成的磷酸鈣沉淀可充當(dāng)助濾劑，另一方面可使某些蛋白質(zhì)凝固。環(huán)絲氨酸發(fā)酵液用氧化鈣和磷酸處理，生成磷酸鈣沉

15、淀，能使懸浮物凝固，多余的磷酸根離子還能除去鈣、鎂離子，并且在發(fā)酵液中不會(huì)引入其他陽(yáng)離子，以免影響環(huán)絲氨酸的離子交換吸附。如果發(fā)酵液中含有不溶性多糖物質(zhì)，則最好用酶將它轉(zhuǎn)化為單糖，以提高過(guò)濾速率。例如萬(wàn)古霉素用淀粉作培養(yǎng)基，發(fā)酵液過(guò)濾前加入0.025的淀粉酶，攪拌30min后，再加2.5硅藻土助濾劑，從而可使過(guò)濾速率提高5倍。2.2 發(fā)酵液中部分雜質(zhì)的去除在預(yù)處理時(shí)，必須采用適當(dāng)?shù)姆椒ㄊ惯@些雜質(zhì)沉淀，在固液分離時(shí)除去，以利于后提取與精制過(guò)程的順利進(jìn)行。 一、高價(jià)無(wú)機(jī)離子的除去 發(fā)酵液中常見的無(wú)機(jī)離子主要有Ca2+、Mg2+和Fe2+等。 通常使用草酸 當(dāng)發(fā)酵液中鈣離子濃度較高時(shí)，可用草酸的可溶

16、性鹽，如草酸鈉。反應(yīng)生成的草酸鈣還能促使蛋白質(zhì)凝固，改善發(fā)酵液的過(guò)濾性能。由于草酸價(jià)格較貴，應(yīng)注意采用適當(dāng)方法回收。 鈣離子的去除：Ca2+加草酸鈉沉淀 C2O4Na2+ Ca2 + C2O4Ca+ 2Na+應(yīng)用實(shí)例：四環(huán)類抗生素發(fā)酵液常采用草酸鈣沉淀法除去鈣離子，在其廢液中加入硫酸鉛，在60下反應(yīng)生成草酸鉛，后者在9095下用硫酸分解，再經(jīng)過(guò)濾、冷卻、結(jié)晶后即可回收草酸。 鎂離子的去除： 可加入三聚磷酸鈉，它和鎂離子形成可溶性絡(luò)合物后，即可消除對(duì)離子交換的影響。 Na5P3O10 + Mg2+ MgNa3P3O10 + 2Na+加入黃血鹽(三水合六氰合鐵()酸鉀 )，可與鐵離子形成普魯士藍(lán)沉

17、淀而除去。 發(fā)酵液中鐵離子的去除：4Fe3+ 3K4Fe(CN)6Fe4Fe(CN)63+ 12K+二、雜蛋白質(zhì)的除去在改善發(fā)酵液過(guò)濾特性的眾多方法中，有許多可在改善過(guò)濾特性的同時(shí)，除去雜蛋白質(zhì)。 1. 沉淀法 蛋白質(zhì)是兩性物質(zhì)，在酸性溶液中，能與一些陰離子如三氯乙酸鹽、水楊酸鹽、鎢酸鹽、苦味酸鹽、鞣酸鹽、過(guò)氯酸鹽等形成沉淀；在堿性溶液中，能與一些陽(yáng)離子如Ag、Cu2、Zn2、Fe3和Pb2等形成沉淀。 2. 變性法 使蛋白質(zhì)變性的方法很多，其中最常用的是加熱法。加熱不僅使蛋白質(zhì)變性，同時(shí)降低液體粘度，提高過(guò)濾速率。 將檸檬酸發(fā)酵液加熱至80以上，使蛋白質(zhì)變性凝固和降低發(fā)酵液粘度，即可大大提高

18、過(guò)濾速率。 使蛋白質(zhì)變性的其他方法有：大幅度調(diào)節(jié)pH，加酒精、丙酮等有機(jī)溶劑或表面活性劑等。 變性法存在一定的局限性。加熱法只適合于對(duì)熱較穩(wěn)定的目的產(chǎn)物；極端pH也會(huì)導(dǎo)致某些目的產(chǎn)物失活，并且要消耗大量酸堿；有機(jī)溶劑法通常只適用于所處理的液體數(shù)量較少的場(chǎng)合。3. 吸附法 加入某些吸附劑或沉淀劑吸附雜蛋白質(zhì)而除去。 在四環(huán)類抗生素中，采用黃血鹽和硫酸鋅的協(xié)同作用生成亞鐵氰化鋅鉀的膠狀沉淀來(lái)吸附蛋白質(zhì)，在生產(chǎn)實(shí)際中已取得很好的效果。在枯草芽孢桿菌發(fā)酵液中，加入氯化鈣和磷酸氫二鈉，兩者生成龐大的凝膠，把蛋白質(zhì)、菌體及其它不溶性粒子吸附并包裹在其中而除去，從而可加快過(guò)濾速率。應(yīng)用實(shí)例：2.3 固液分離

19、過(guò)程和分類 固液分離是生物產(chǎn)品工廠中經(jīng)常遇到的重要單元操作。培養(yǎng)基、發(fā)酵液、某些中間產(chǎn)物和半成品等都需進(jìn)行固液分離。 其中發(fā)酵液由于種類多、粘度大和成分復(fù)雜，其固液分離最為困難。固液分離的方法很多，根據(jù)顆粒收集的方式不同，可分為兩大類型：第一類：沉降和浮選 第二類：過(guò)濾在沉降和浮選所組成的第一類中，液體受限于一個(gè)固定的或旋轉(zhuǎn)的容器而顆粒在液體里自由移動(dòng)，分離是由于內(nèi)、外力場(chǎng)的加速作用產(chǎn)生的質(zhì)量力施加在顆粒上造成的，這種力場(chǎng)可能是重力場(chǎng)、離心力場(chǎng)或磁場(chǎng)。 如果作用的是重力或離心力(除浮選外)，為了進(jìn)行分離，在固體和懸浮液體之間必須要有密度差。 第二類被不嚴(yán)格地統(tǒng)稱為過(guò)濾，顆粒受到過(guò)濾介質(zhì)的限制，

20、而液體可自由通過(guò)介質(zhì)。 在發(fā)酵液或生物培養(yǎng)液的分離過(guò)程中，當(dāng)前用得較多的還是過(guò)濾(包括錯(cuò)流膜過(guò)濾)和離心兩大方法。2.4 過(guò)濾法（Filtration）過(guò)濾是傳統(tǒng)的化工單元操作，而且是目前工業(yè)生產(chǎn)中用于分離細(xì)胞和不溶性物質(zhì)的主要方法，其操作是迫使液體通過(guò)固體支承物或過(guò)濾介質(zhì)，把固體截留，從而達(dá)到固、液分離的目的。過(guò)濾過(guò)濾介質(zhì)：過(guò)濾采用的多孔物質(zhì)；濾漿：所處理的懸浮液；濾液：通過(guò)多孔通道的液體；濾餅或?yàn)V渣：被截留的固體物質(zhì)一發(fā)酵液的過(guò)濾特性和濾餅的重量比阻微生物的發(fā)酵液大多數(shù)屬于非牛頓型液體，濾渣為可壓縮性的。衡量過(guò)濾特性的主要指標(biāo)是濾餅的重量比阻rB，它表示單位濾餅厚度的阻力系數(shù)，與濾餅的結(jié)構(gòu)

21、特性有關(guān)。對(duì)于不可壓縮性濾餅，比阻值為常數(shù)，但對(duì)于可壓縮性濾餅，比阻rB是操作壓力差的函數(shù)，一般可用下式表示： rBr (p)m (2-3) r為不可壓縮濾渣的比阻，對(duì)于一定的料液，其值為常數(shù)； m為壓縮性指數(shù)，一般取0.50.8，對(duì)不可壓縮性濾餅，m0；由（23）式可知，濾餅的比阻值是隨操作壓力差的提高而增大的。開始過(guò)濾時(shí)應(yīng)注意不能很快提高壓差，通常靠液柱的自然壓差進(jìn)料，并應(yīng)緩慢地，逐步地升高壓力，一般在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，壓力差不要超過(guò)0.05 MPa，最后的壓差也不超過(guò)0.30.4 MPa。恒壓下，可壓縮性濾餅的比阻值應(yīng)為常數(shù)。如過(guò)濾介質(zhì)的阻力相對(duì)較小可以忽略不計(jì)，則恒壓下的過(guò)濾方程式如下：

22、q2 （24） 式中 q 到瞬間通過(guò)單位過(guò)濾面積的濾液量，m； p 壓力差，Pa； 濾液粘度，Pas；rB 濾餅的重量比阻，m/kg；XB通過(guò)單位體積濾液，所形成的濾渣重量（干重），kg/m3； 過(guò)濾時(shí)間，s。 重量比阻可根據(jù)式（24），利用圖解法求得。以/q為縱軸，以q為橫軸所得的直線斜率為M，則rB可按下式計(jì)算： rB （25）根據(jù)濾餅的重量比阻值，可衡量各種不同發(fā)酵液過(guò)濾的難易程度。 練習(xí)題： 在從慶大霉素發(fā)酵液過(guò)濾分離鏈霉菌的過(guò)濾實(shí)驗(yàn)中，使用硅藻土作助濾劑。小型過(guò)濾機(jī)的過(guò)濾面積A0.01m3，濾液粘度1.110-3 Pas，過(guò)濾壓差p6.772104 Pa，且發(fā)酵液固體懸浮物濃度為15

23、kg/m3。過(guò)濾時(shí)間所對(duì)應(yīng)的濾液量如下： /s5102030V10-6/m340558095求：濾餅比阻rB。 二影響過(guò)濾速度的因素 過(guò)濾速度和菌種、發(fā)酵條件（培養(yǎng)基的組成，未用完培養(yǎng)基的數(shù)量，消泡劑，發(fā)酵周期）等有關(guān)。1. 菌種對(duì)過(guò)濾速度影響： 真菌的菌絲比較粗大，發(fā)酵液容易過(guò)濾，常不需特殊處理。放線菌發(fā)酵液菌絲細(xì)而分枝，交織成網(wǎng)絡(luò)狀。還含有很多多糖類物質(zhì)，粘性強(qiáng)，過(guò)濾較困難，一般需經(jīng)預(yù)處理，以凝固蛋白質(zhì)等膠體。細(xì)菌發(fā)酵液的菌體更細(xì)小，過(guò)濾十分困難，如不用絮凝等方法預(yù)處理發(fā)酵液，往往難以采用常規(guī)過(guò)濾的設(shè)備來(lái)完成過(guò)濾操作。 用黃豆粉、花生粉作氮源、淀粉作碳源會(huì)使過(guò)濾困難。發(fā)酵后期加消泡劑或剩余

24、大量未用完的培養(yǎng)基，都會(huì)使過(guò)濾困難。2. 培養(yǎng)基的組成對(duì)過(guò)濾速度的影響在菌絲自溶前必須放罐，因?yàn)榧?xì)胞自溶后的分解產(chǎn)物一般很難過(guò)濾。延長(zhǎng)發(fā)酵周期雖能使發(fā)酵單位有所提高，但嚴(yán)重影響發(fā)酵液質(zhì)量，使色素和膠狀雜質(zhì)增多、過(guò)濾困難，最終造成成品質(zhì)量降低。3. 發(fā)酵終了時(shí)間對(duì)過(guò)濾的影響三過(guò)濾設(shè)備生化工業(yè)常用的過(guò)濾設(shè)備主要有加壓葉濾機(jī)、板框過(guò)濾機(jī)和回轉(zhuǎn)真空過(guò)濾機(jī)等。 四錯(cuò)流過(guò)濾（Cross-Flow Filtration）錯(cuò)流過(guò)濾又稱切向流過(guò)濾，是一種維持恒壓下高速過(guò)濾的技術(shù)。發(fā)酵液在過(guò)濾介質(zhì)表面作切向流動(dòng)，利用流動(dòng)的剪切作用將過(guò)濾介質(zhì)表面的固體（濾餅）移走。 錯(cuò)流過(guò)濾在膜分離過(guò)程中被廣泛使用，隨著過(guò)濾介質(zhì)的

25、不斷改進(jìn)，采用精密微濾膜的錯(cuò)流過(guò)濾法已逐漸成為過(guò)濾操作的主流。與傳統(tǒng)的真空過(guò)濾或板框過(guò)濾相比，錯(cuò)流膜過(guò)濾用于抗生素生產(chǎn)的過(guò)濾工序具有如下優(yōu)點(diǎn)： 過(guò)濾收率高。 濾液質(zhì)量好。 減少處理步驟。 對(duì)染菌罐批易于處理，也容易進(jìn)行擴(kuò)大生產(chǎn)。錯(cuò)流過(guò)濾的缺點(diǎn)：錯(cuò)流過(guò)濾產(chǎn)生的剪切作用容易使蛋白質(zhì)產(chǎn)物失活； 能耗比一般過(guò)濾高，大部分用來(lái)使流體產(chǎn)生快速流動(dòng)； 固相的含水量較高，主要是起濃縮作用； 不能避免過(guò)濾介質(zhì)的污染和堵塞，解決的辦法是采用脈沖反洗式錯(cuò)流過(guò)濾。 五 澄清過(guò)濾當(dāng)懸浮液通過(guò)濾層時(shí)，固體顆粒被阻攔或吸附在濾層的顆粒上，使濾液得以澄清，這種方法叫做澄清過(guò)濾。適合于固體含量少于0.1%(V)、顆粒直徑較小的

26、懸浮液的過(guò)濾分離，多用于需要除菌的場(chǎng)合。2.5 離心分離法（Centrifugation）離心分離，是利用慣性離心力和物質(zhì)的沉降系數(shù)或浮力密度的不同而進(jìn)行的分離操作。 離心分離對(duì)那些固體顆粒很小或液體黏度很大，過(guò)濾速度很慢，甚至難以過(guò)濾的懸浮液十分有效；對(duì)那些忌用助濾劑或助濾劑使用無(wú)效的懸浮液的分離，也能得到滿意的結(jié)果。分離速率快、分離效率高、液相澄清度好等。 優(yōu)點(diǎn)： 離心分離結(jié)果得到的是漿狀物而不是干的濾餅； 離心設(shè)備復(fù)雜、價(jià)格昂貴。 缺點(diǎn)：離心分離的形式 離心沉降，利用固液兩相的相對(duì)密度差，在離心機(jī)無(wú)孔轉(zhuǎn)鼓或管子中進(jìn)行懸浮液的分離操作；離心過(guò)濾，利用離心力并通過(guò)過(guò)濾介質(zhì)，在有孔轉(zhuǎn)鼓離心機(jī)中

27、分離懸浮液的操作；離心分離和超離心，利用不同溶質(zhì)顆粒在液體中各部分分布的差異，分離不同相對(duì)密度液體的操作。 2.5.1 離心沉降 一離心沉降的原理 離心沉降的基礎(chǔ)是固體的沉降。Ff球形顆粒沉降的受力情況當(dāng)一個(gè)固體微粒通過(guò)無(wú)限連續(xù)流體時(shí)，其運(yùn)動(dòng)速度受到兩種力影響：一是連續(xù)流體對(duì)它的浮力FB；二是流體對(duì)運(yùn)動(dòng)粒子的粘滯力Ff。當(dāng)這兩種力達(dá)到平衡時(shí)，該微粒即以恒定的速度沉降。 假設(shè)該微粒為球形，則該微粒所受的浮力可表示為： FB = (s - )gV = (2-6) 式中 d為粒子直徑； s和分別為粒子和流體的密度； g為重力加速度； V為粒子體積。在稀溶液中，作用于單個(gè)球形微粒上的粘滯力Ff，可用S

28、tockes定律表示：Ff = = （2-7） 式中連續(xù)流體的黏度；u為粒子的運(yùn)動(dòng)速度；CD為阻滯系數(shù)；A為粒子在運(yùn)動(dòng)方向上的投影面積。 其中CD不是常數(shù)，它取決于雷諾數(shù)Re的變化，對(duì)于球形粒子，根據(jù)實(shí)驗(yàn)得知： Re 1 CD = 24/Re (2-8)1 Re 104 CD = 24/Re + 3/ + 0.34 (2-9) 對(duì)于生化溶質(zhì)來(lái)說(shuō)，可以滿足Re1的要求，所以：Ff = CD = (2-10)當(dāng)粒子以勻速運(yùn)動(dòng)沉降時(shí)，F(xiàn)BFf，故最終勻速沉降速率為： u = (2-11) 沉降速率與粒子直徑的平方成正比，與粒子和流體的密度差成正比，而與流體的黏度成反比；也就是說(shuō)粒子的沉降速度僅僅是液

29、體性質(zhì)及粒子本身特性的函數(shù)。 如果粒子在離心力場(chǎng)中沉降，則重力加速度g應(yīng)換成離心加速度2r，即： u = （2-12） 為旋轉(zhuǎn)角速度， r為粒子離轉(zhuǎn)軸中心的距離。 離心分離因數(shù)Fr (又稱離心力強(qiáng)度) Fr = （2-13） Fr表示了粒子在離心機(jī)中產(chǎn)生的離心加速度與自由下降的加速度之比；Fr越大，越有利于分離。 在實(shí)踐中，常按分離因數(shù)Fr的大小，對(duì)離心機(jī)分類：Fr3000，為常速離心機(jī)；Fr300050000，為中速離心機(jī)；Fr50000，為高速離心機(jī)；Fr = 2104106，為超速離心機(jī) 二離心式沉降分離設(shè)備及其原理利用離心沉降力將懸浮液中固液相分離，其設(shè)備可分為兩大類：離心沉降設(shè)備離心

30、過(guò)濾設(shè)備 離心沉降設(shè)備從操作方式上看，有分批操作和連續(xù)操作之分；從形式上看有管式、套筒式、碟片式等形式；從出渣方式上看，有人工間歇出渣和自動(dòng)出渣等方式。1管式離心機(jī)管式離心機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，僅是一根直管形的轉(zhuǎn)筒，其直徑較小，長(zhǎng)度較大，轉(zhuǎn)速很高，可達(dá)到50000rpm，從而產(chǎn)生強(qiáng)大的離心力，除此之外它還可以冷卻，這有利于蛋白質(zhì)的分離。 操作時(shí)，懸浮液或乳濁液從管底加入，被轉(zhuǎn)筒的縱向肋板帶動(dòng)與轉(zhuǎn)筒同速旋轉(zhuǎn)，上清液在頂部排出，固體粒子沉降到筒壁上形成沉渣和粘稠的漿狀物。 缺點(diǎn)是運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間后，需停機(jī)清除沉渣后才能重新使用，因此操作是間歇式的。 假設(shè)某典型粒子位于距離心機(jī)底部z及離轉(zhuǎn)軸r處的位置上，這一位置

31、是在液體表面半徑R1和離心管半徑R0之間。 粒子在運(yùn)轉(zhuǎn)的離心機(jī)中沿著z和r兩個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，其中在z方向上的運(yùn)動(dòng)，是由離心機(jī)底部進(jìn)入料液的對(duì)流作用引起的： = （2-14）式中Q為料液流量。z方向上的運(yùn)動(dòng)速度隨Q的增加而加大，而與粒子所處位置無(wú)關(guān)，因此它是常數(shù)。 粒子在r方向上的運(yùn)動(dòng)，可用下式表示： = （2-15） 又知粒子在重力場(chǎng)中的沉降速率為： ug = （2-16） 由式（2-15）和（2-16）可得： = （2-17） 結(jié)合式（2-14）、（2-17），可得到微粒在離心機(jī)中的運(yùn)動(dòng)軌跡，即： = = （2-18）當(dāng)ug較高（微粒直徑或其密度較大）時(shí)，微粒將很快到達(dá)管壁；而當(dāng)泵入流速Q(mào)增大時(shí)

32、，懸浮固體微粒將向上走得更遠(yuǎn)才能到達(dá)管壁。 考慮到最難除去的粒子，即在rR1處進(jìn)入離心機(jī)，并且在出口處（zH）接近筒壁(rR0)的粒子。對(duì)這些難以去除的粒子，按進(jìn)入和離開的邊界條件將式（2-18）進(jìn)行積分得： Q = （2-19）對(duì)于管式離心機(jī)，正常分離操作所允許的最大物料流速，即生產(chǎn)能力Q，是反映微粒和料液特性的沉降速度ug以及離心機(jī)特性參數(shù)H、R0、R1及的函數(shù)。 在大多數(shù)管式離心機(jī)中，由于液層很薄，所以R0接近于R1，因此式（2-19）可以簡(jiǎn)化為：式中R（R0R1）/2，為平均半徑，這樣式（219）可以寫成：該式同樣表明最大流量Q取決于系統(tǒng)的性質(zhì)ug和離心機(jī)的特性，這給離心機(jī)的設(shè)計(jì)、放大

33、以及操作帶來(lái)了方便。 用管式離心機(jī)從發(fā)酵液中分離大腸桿菌細(xì)胞，已知離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓內(nèi)徑為0.127m，高0.73m。轉(zhuǎn)速為16000rpm，生產(chǎn)能力Q0.2m3/h。求：（1）細(xì)胞的離心沉降速度ug；（2）若大腸桿菌細(xì)胞破碎后，微粒直徑平均降低一倍，細(xì)胞漿液濃度升高3倍。試估算用上述離心機(jī)對(duì)破碎細(xì)胞液的處理能力。2碟片式離心機(jī) 碟片式離心機(jī)有一密封的轉(zhuǎn)鼓，內(nèi)裝十至上百個(gè)錐頂角為60100錐形碟片，懸浮液由中心進(jìn)料管進(jìn)入轉(zhuǎn)鼓，從碟片外緣進(jìn)入碟片間隙向碟片內(nèi)緣流動(dòng)。顆粒沉降到碟片內(nèi)表面上后向碟片外緣滑動(dòng)，最后沉積到鼓壁上。已澄清的液體經(jīng)溢流口或由向心泵排出。在碟片式離心機(jī)中，料液從中心管進(jìn)入離心機(jī)底部后

34、，以角沿著錐形碟片向上、向內(nèi)運(yùn)動(dòng)?，F(xiàn)設(shè)典型粒子位于直角坐標(biāo)的某點(diǎn)(x，y)上，這里的x是指沿著碟片的粒子離開碟片外緣的距離；而y是指離開碟片的垂直距離。碟片外緣與內(nèi)緣半徑分別為R0和R1，轉(zhuǎn)速為。 粒子的運(yùn)動(dòng)過(guò)程可分析如下： (1) 粒子在x方向的運(yùn)動(dòng)由對(duì)流和沉降引起，可用下式表示： = （2-20） 式中u0是因?qū)α髟斐傻囊核?，usin是粒子在離心力作用下產(chǎn)生的x方向上的沉降分速度，是碟片與垂線間的傾角。 式中Q為總流量；n為碟片數(shù)；r為粒子離轉(zhuǎn)鼓軸線的距離；h為碟片間的垂直距離；f（y）為流速隨碟片間的距離變化的函數(shù)。 大多數(shù)情況下，u0 比沉降速度usin大得多，并且u0是半徑和y的函數(shù)

35、，在碟片表面上，其值為零，在碟片間隙的中央其值最大。因此，可以得到下式： = = （2-21） 根據(jù)質(zhì)量守恒定律，可知在y方向上u0的平均值必然與該平均速度相等： = （2-22） 根據(jù)定義，函數(shù)f（y）在碟片間隙h上的積分應(yīng)為： = 1 (2-23) 將式（2-20）、（2-21）結(jié)合，就得到粒子在x方向上運(yùn)動(dòng)情況： = u0 = （2-24）(2) 粒子沿y方向上的運(yùn)動(dòng)速度： = （2-25）或?qū)懗桑?= 將上式與式(2-24)結(jié)合，可得下式： = = （2-26） 從示意圖可發(fā)現(xiàn)r = R0- xsin，將它代入式(2-24)，可得到粒子在離心機(jī)碟片間的運(yùn)動(dòng)軌跡： = （2-27） 從示

36、意圖中不難看出，處于碟片外緣半徑即x = 0處且在相鄰兩碟片中的下碟片上，即y = 0處的粒子是最難分離的。如果在其離開隙道前剛好抵達(dá)上碟片底部，及其坐標(biāo)為x = ，y = h，則在離心立場(chǎng)的作用下，該粒子將沿著碟片的底部運(yùn)動(dòng)到碟片的外緣，匯集到濾渣中去。 按照上述分析的邊界條件，對(duì)式(2-27)進(jìn)行積分并整理后可得：Q = = （2-28）與管式離心機(jī)一致，碟片式離心機(jī)的生產(chǎn)能力Q取決于參數(shù)ug和，其中，ug是由懸浮固體微粒的特性決定的；而反映了離心機(jī)的幾何特性。 2.5.2 離心過(guò)濾離心過(guò)濾是將料液送入有孔的轉(zhuǎn)鼓并利用離心力場(chǎng)進(jìn)行過(guò)濾的過(guò)程，以離心力為推動(dòng)力完成過(guò)濾作業(yè)，兼有離心和過(guò)濾的雙

37、重作用。一離心過(guò)濾的原理 料液首先進(jìn)入裝有過(guò)濾介質(zhì)的轉(zhuǎn)鼓中，然后被加速到轉(zhuǎn)鼓旋轉(zhuǎn)速度，形成附著在鼓壁上的液環(huán)。與沉降式離心機(jī)一樣，粒子受離心力而沉積，過(guò)濾介質(zhì)則阻止粒子的通過(guò)，形成濾餅。當(dāng)懸浮液的固體粒子沉積時(shí)，濾餅表面生成了澄清液，該澄清液透過(guò)濾餅層和過(guò)濾介質(zhì)向外排出。 間歇離心過(guò)濾二離心過(guò)濾的設(shè)備 離心過(guò)濾機(jī)設(shè)有一個(gè)開孔轉(zhuǎn)鼓，可以分離固體密度大于或小于液體密度的懸浮液。三離心過(guò)濾分離過(guò)程分析 以工業(yè)上常用的籃式(或筐式)過(guò)濾離心機(jī)為例，過(guò)濾器是半徑為R0的多孔圓筒，轉(zhuǎn)鼓的內(nèi)表面鋪有一層流動(dòng)阻力較小的濾布，加料液連續(xù)地加入圓筒，被迅速旋轉(zhuǎn)的圓筒甩向內(nèi)壁，一方面形成恒定料液表面，離軸半徑為R1

38、，另一方面粒子積累于內(nèi)壁上形成濾餅，離軸的半徑為RC。 已知平板型過(guò)濾器操作時(shí)，通過(guò)濾餅的壓力降與流速成正比： = （2-29）式中l(wèi)為濾餅厚度；為料液黏度；為濾餅比阻；0為單位體積料液中固體的質(zhì)量。對(duì)于籃式離心機(jī)： 濾餅不是平板而呈圓柱形，壓力降隨半徑而變化，可用下式表示： = （2-30） 流體通過(guò)濾餅的流速也隨半徑而異，越接近鼓壁流速越小，可用下式表示： u = （2-31） 式中Q為濾液的體積流量，與位置無(wú)關(guān)，是常數(shù)；H為離心機(jī)的高度。 結(jié)合式(2-30)和式(2-31)，可得到： = （2-32） 將上式從Rc R0積分，可以得到濾餅層的壓力降： = （2-33） 在離心過(guò)濾中，造成

39、壓力降的推動(dòng)力應(yīng)該是施加在流體上的離心力： = （2-34） 結(jié)合式(2-33)和式(2-34)便可求得通過(guò)濾餅的流體流量： Q = （2-35）體積流量Q并非常數(shù)，而是隨著濾餅厚度的變化而變化，濾餅厚度增加則RC減小，Q也減小，并且Q和RC都是時(shí)間的函數(shù)。 在離心過(guò)濾的計(jì)算中，所需求的是給定體積料液的過(guò)濾時(shí)間，因此要將上述公式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，可利用Q的定義以及固體的質(zhì)量守恒公式來(lái)完成： Q = (2-36) = (2-37) 式中C為單位體積濾餅中固體的質(zhì)量；0為單位體積料液中所含固體的質(zhì)量。 將式(2-36)和式(2-37)代入式(2-35)后積分可得過(guò)濾時(shí)間： t = （2-38） 該式是得到

40、厚度為(R0-RC)的濾餅所需的過(guò)濾時(shí)間，常用于過(guò)濾操作的放大。 2.5.3 超離心法根據(jù)物質(zhì)的沉降系數(shù)、質(zhì)量和形狀不同，應(yīng)用強(qiáng)大的離心力，將混合物中各組分分離、濃縮、提純的方法稱為超離心法。 應(yīng)用超離心技術(shù)中的差速離心、等密度梯度離心等方法，已經(jīng)成功的分離制取各種亞細(xì)胞物質(zhì)，如線粒體、微粒體、溶酶體、腫瘤病毒等。 超離心法是現(xiàn)代生物技術(shù)領(lǐng)域研究中不可缺少的實(shí)驗(yàn)室分析和制備手段。 用5105g以上的強(qiáng)大離心力，長(zhǎng)時(shí)間的離心(如17h以上)，可獲得具有生物活性的DNA、各種與蛋白質(zhì)合成有關(guān)的酶系、各種mRNA和tRNA等，這為遺傳工程、酶工程的發(fā)展提供了必需基礎(chǔ)。一超離心技術(shù)的原理 超離心技術(shù)中

41、，由于使用的離心機(jī)類型是無(wú)孔轉(zhuǎn)鼓，所以也屬離心沉降，根據(jù)前面的討論，粒子在離心力場(chǎng)中進(jìn)行沉降的基本公式為： = （2-39） 如果粒子在離心力場(chǎng)中作勻速直線運(yùn)動(dòng)，即： = （2-40） 結(jié)合上兩式并積分，便可求得在某種介質(zhì)中，使一種球形粒子從液體的彎月面沉降到離心管某部(如底部)所需的時(shí)間: t = （2-41） t = （2-41） 式中t為沉降時(shí)間；為懸浮介質(zhì)的黏度；d為粒子直徑；s為粒子密度；為介質(zhì)密度；r1為從旋轉(zhuǎn)軸中心到液體彎月面的距離；r2為從旋轉(zhuǎn)軸中心到離心管底部的距離。在某一轉(zhuǎn)速時(shí)，沉降一組均勻的球形顆粒所需要的時(shí)間與它們直徑的平方以及它們的密度和懸浮介質(zhì)的密度之差成反比，而與介質(zhì)的黏度成正比。 當(dāng)粒子直徑d和密度0不同時(shí)，移動(dòng)同樣距離所需的時(shí)間不同，在同樣的沉降時(shí)間，其沉降的位置也不同，這是“微分離心”的基礎(chǔ)。 二超離心技術(shù)的分類 按照處理要求和規(guī)模，超離心技術(shù)分為：制備性超離心分析性超離心1制備性超離心 制備性超離心的主要目的是最大限度地從樣品中分離高純度目標(biāo)組分，進(jìn)行深入的生物化學(xué)研究。 制備性超離心分離和純化生物樣品一般使用以下方法： 差速離心法 一般密度梯度離心法 等密度離心法 粒子差速離心 (Differential Pelleting) 簡(jiǎn)稱差速離心法，是采用逐漸