生物分離工程第二章預(yù)處理和固液分離

生物分離工程第二章預(yù)處理和固液分離第1頁，共46頁，2023年，2月20日，星期一第2頁，共46頁，2023年，2月20日，星期一2.1發(fā)酵液的組成

菌體胞內(nèi)細(xì)胞物質(zhì)胞內(nèi)外代謝產(chǎn)物剩余培養(yǎng)基水第3頁，共46頁，2023年，2月20日，星期一懸浮液通常是指固體顆粒在10-5cm（0.1m）以上的固液分散體系，生物細(xì)胞培養(yǎng)液基本上也屬于懸浮液。其中大部分是水．其次是微生物或動(dòng)、植物細(xì)胞或碎片及少量未用完的培養(yǎng)基，約占培養(yǎng)液體積的20％左右(對微生物發(fā)酵而言)，除此以外尚有一定量的代謝產(chǎn)物。水的基本性質(zhì)中與固-液分離密切相關(guān)有以下幾點(diǎn)。2.2懸浮液的基本特性第4頁，共46頁，2023年，2月20日，星期一①水的極性，②水的粘性，它是流體反抗變形的一種性質(zhì)，反映了流體分子間的相互作用，對水的研究結(jié)果表明，它是一種牛頓型流體。水的粘度是溫度的函數(shù)，改變溫度．會對分離效率產(chǎn)生顯著的影響。但是由于生物細(xì)胞及其產(chǎn)物存在熱敏性，所以一般在室溫或低溫下操作，因而水的粘度可看作常量。③水的表面張力。一船說來，液體介質(zhì)的表面張力越大，固液分離越困難，因此降低水的表面張力是提高固液分離效率的有效途徑之一，向懸浮液中添加表面活性劑是目前行之有效的手段。第5頁，共46頁，2023年，2月20日，星期一工業(yè)生物技術(shù)生產(chǎn)過程中典型的生物體的形狀和大小第6頁，共46頁，2023年，2月20日，星期一工業(yè)生物技術(shù)生產(chǎn)過程中

典型的固體離子第7頁，共46頁，2023年，2月20日，星期一由于生物體的特殊性，導(dǎo)致其固液分離與一般情況有所不同第8頁，共46頁，2023年，2月20日，星期一從上面對水和固相基本性質(zhì)的介紹可知：各類細(xì)胞的相對密度與它們的懸浮培養(yǎng)液相似，從而成為沉降和離心操作時(shí)難以處理的原因；細(xì)胞在很大程度上屬于可壓縮的和粘稠的物料，因此當(dāng)分離細(xì)胞懸浮液時(shí)，在過濾操作中會粘附在濾布上，在錯(cuò)流膜過濾時(shí)，會在流過的膜上形成凝膠或不透性薄層，這些薄層會降低各類過濾操作的流速；

植物和動(dòng)物細(xì)胞不能經(jīng)受像微生物細(xì)胞同樣程度的外加剪切力的作用，所以那些會產(chǎn)生高的機(jī)械剪切力的分離技術(shù)，如錯(cuò)流膜過濾和離心，顯然不適用。第9頁，共46頁，2023年，2月20日，星期一

當(dāng)然，對于那些比微生物細(xì)胞尺寸大的植物和動(dòng)物細(xì)胞而盲，可能其細(xì)胞回收相對比較容易，且不很昂貴，但是落后和昂貴的發(fā)酵技術(shù)卻成了與動(dòng)、植物細(xì)胞相對應(yīng)產(chǎn)物發(fā)展的障礙?？傊?，發(fā)酵液和其他生物溶液常常是非牛頓型流體，如青霉素等一些霉菌發(fā)酵液屬于卡森型流體，發(fā)酵120h的鏈霉素，呈擬塑性流體，灰色鏈絲菌發(fā)酵液為塑性流體等。因此，懸浮液的穩(wěn)定性好、流變行為復(fù)雜、粘度高等性質(zhì)，在很大程度上影響固液分離的效率和方法的選擇。第10頁，共46頁，2023年，2月20日，星期一2.3懸浮液的預(yù)處理由于所需的產(chǎn)品在培養(yǎng)液和菌體中濃度很低，并與許多雜質(zhì)夾雜在一起，同時(shí)發(fā)酵液或生物溶液又屬于非牛頓型流體，所以必須進(jìn)行預(yù)處理。預(yù)處理的目的主要有三個(gè)：1.改變發(fā)酵液的物理性質(zhì)，促進(jìn)從懸浮液中分離固形物的速度，提高固液分離器的效率；2.盡可能使產(chǎn)物轉(zhuǎn)入便于后處理的某一相中(多數(shù)是液相)；3.去除發(fā)酵液中部分雜質(zhì)，以利于后續(xù)各步操作。第11頁，共46頁，2023年，2月20日，星期一具體方法主要有以下幾種1.加熱法；2.調(diào)節(jié)懸浮液的pH值；3.凝聚和絮凝；4.使用惰性助濾劑。1.加熱：最簡單、最經(jīng)濟(jì)的預(yù)處理方法。加熱不僅可以增加料液的操作特性(如黏度、促凝聚、增加空隙率、去蛋白），也可以對其進(jìn)行滅菌。但加熱變性的方法只適合于對熱穩(wěn)定性的產(chǎn)物。2.調(diào)pH值：方法簡單有效、成本低廉；第12頁，共46頁，2023年，2月20日，星期一3.

凝聚指在投加的化學(xué)物質(zhì)(例如水解的凝聚劑，像鋁、鐵的鹽類或石灰等)作用下，膠體脫穩(wěn)并使粒子相互聚集成1mm大小塊狀凝聚體的過程。其中凝聚劑的作用，有些是對初始粒子表面電荷的簡單中和，另一些是消除雙電荷層(采用中性鹽例如NaCl等)而脫穩(wěn)，還有一些是通過氫鍵或其他復(fù)雜的形式與粒子相結(jié)合而產(chǎn)生凝聚。第13頁，共46頁，2023年，2月20日，星期一

絮凝指使用絮凝劑(通常是天然或合成的大分子量聚電解質(zhì))將膠體粒子交聯(lián)成網(wǎng)，形成l0mm大小絮凝團(tuán)的過程。其中絮凝劑主要起架橋作用。凝聚劑和絮凝劑的選擇和劑量及處理?xiàng)l件的優(yōu)化必須進(jìn)行廣泛的試驗(yàn)研究才能確定下來。第14頁，共46頁，2023年，2月20日，星期一凝聚劑和絮凝劑的種類較多，其中凝聚劑主要是一些無機(jī)類電解質(zhì)，由于大部分被處理物質(zhì)的顆粒帶負(fù)電荷、因此工業(yè)上常用的凝聚劑大多為陽離子型．分無機(jī)鹽類(如硫酸鋁、明礬、硫酸鐵和硫酸亞鐵、三氯化鐵、氯化鋁、氯化鋅、硫酸鋅、硫酸鎂、鋁酸鈉等)、金屬氧化物類(如氫氧化鋁、氫氧化鐵、氫氧化鈣或石灰等)、聚合無機(jī)鹽類(如聚合鋁和聚合鐵等)。第15頁，共46頁，2023年，2月20日，星期一絮凝劑按官能團(tuán)分為陰離子、陽離子和非離子三大類型，熟知的聚丙烯酰胺絮凝劑，經(jīng)不同改性可以成為上述三種類型之一。除此以外，人工合成的高分子絮凝劑還有非離子性的聚氧化乙烯；陰離子性的聚丙烯酸鈉和聚苯乙烯磺酸，陽離子性的聚丙烯酸二烷基胺乙酯和聚二烯丙基四胺鹽等等。天然和生物絮凝劑目前用得較少。第16頁，共46頁，2023年，2月20日，星期一4.惰性助濾劑是一種顆粒均勻、質(zhì)地堅(jiān)硬、不可壓縮的粒狀物質(zhì)，用于擴(kuò)大過濾表面的適用范圍，使非常稀薄或非常細(xì)小的懸浮液在過濾時(shí)發(fā)生的快速擠壓和介質(zhì)堵塞現(xiàn)象得到減輕，易于過濾。其原因是充當(dāng)過濾介質(zhì)的助濾劑表面具有吸附膠體的能力、并且由此助濾劑顆粒形成的濾餅具有格子型結(jié)構(gòu)，不可縮，濾孔不會被全部堵塞，可以保持良好的滲透性，既能使懸浮液中細(xì)小顆粒狀膠態(tài)物質(zhì)截留在格子骨架上，又能使清液有流暢的溝通。所以使用惰性助濾劑能大大提高過濾能力和生產(chǎn)效率、改善濾液澄清度，降低過濾成本?？勺鳛槎栊灾鸀V劑的材料很多．如硅藻土、膨脹珍珠巖、石棉、纖維素、末活化的碳、爐渣、重質(zhì)碳酸鈣或這些材料的混合物。第17頁，共46頁，2023年，2月20日，星期一2.4

懸浮液分離過程和分類固－液分離過程的常規(guī)分類見圖，根據(jù)顆粒收集的方式不同，可分為兩大類型。第18頁，共46頁，2023年，2月20日，星期一沉降和浮選所組成第一類，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)或外力場的加速作用產(chǎn)生的質(zhì)量力施加在顆粒上造成的。這種力場可能是重力場、離心力場或磁場。其分離過程不以顆粒到達(dá)收集表面為結(jié)局。如果這個(gè)過程是連續(xù)的，被收集的顆粒必須從篩分容器中轉(zhuǎn)送和排放。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，總之，在這一類中，按照這個(gè)原理制成的連續(xù)操作設(shè)備，常常過濾便宜。第二類被不嚴(yán)格地統(tǒng)稱為過濾．顆粒受到過濾介質(zhì)的限制．而液體可自由通過介質(zhì)，在這一類里，固體和懸浮液的密度不一定要有差異，但是一個(gè)完全連續(xù)的操作實(shí)際上是不可能實(shí)現(xiàn)的，如若可行則成本或許會很高。第19頁，共46頁，2023年，2月20日，星期一2.5過濾法過濾不但是傳統(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固體支承物或過濾介質(zhì)，把固體截留，從而達(dá)到固、液分離的目的。由于過濾的對象是生物體及其產(chǎn)物，所以又帶來了許多特殊的問題，而要認(rèn)真對待。2.4.1

過濾的理論基礎(chǔ)過濾操作理論分析的起點(diǎn)是達(dá)西(Darcy)定律式中U=(1/A)×(dV/dt)為流體的速度，V為在時(shí)間t內(nèi)排出液體的體積，A為床層的橫斷面積，Δp為通過厚度為l的床層時(shí)液體的壓力降,K為比例常數(shù)，與流體和床層的性質(zhì)有關(guān)，又稱為達(dá)西定律的滲透度。(2.1)第20頁，共46頁，2023年，2月20日，星期一2.5.1過濾基礎(chǔ)理論Darcy定理U=流體的速度(in:m/s)，p=壓力差(in:Pa)，l=床層厚度(in:m)，K=Darcy’s滲透系數(shù)，與流體和床層的性質(zhì)有關(guān)。第21頁，共46頁，2023年，2月20日，星期一科澤尼方程：ε為床層孔隙率(空隙體積與總體積之比)；S為單位體積顆粒中顆粒的表面積。K″為科澤尼常數(shù)。計(jì)算時(shí)，一般取取K″＝5(在大量均勻的球形顆粒中可以測量)對于其他形式的顆粒，值的范圍為3.5－5.5，大的顆粒尺寸分布、往往引起K″的值降低，但是高的孔隙率(ε>0.8)卻使K″的值增加。當(dāng)床層體積是一常數(shù)時(shí)，K值是常數(shù)，常稱為滲透參數(shù)。對科澤尼方程有效性的限制因素包括薄層區(qū)域表面的流速，非常高的孔隙度，非常高的廣的顆粒尺寸分布和纖維狀的、可壓縮性大的或吸濕性的填充物質(zhì)?？茲赡岱匠探沂玖擞绊戇^濾各因素之間的內(nèi)在聯(lián)系，奠定了過濾理論的基礎(chǔ)。第22頁，共46頁，2023年，2月20日，星期一2.5.2過濾器的設(shè)計(jì)2.5.2.1

基本方程在過濾器的設(shè)計(jì)中、多孔床層持性可歸結(jié)在球形多孔床層阻力因子R中，其定義為R=K-1

在過濾期間，流動(dòng)阻力由過濾介質(zhì)自身和逐步積累在它上面的濾餅產(chǎn)生，此時(shí)科澤尼方程可寫成：式中R為阻力因子；l為厚度；下標(biāo)C和F分別代表濾餅和介質(zhì)。第23頁，共46頁，2023年，2月20日，星期一

濾餅傳統(tǒng)的過濾cakeConventionalfiltration第24頁，共46頁，2023年，2月20日，星期一濾餅的厚度(lc)可用下式表示：通常給濾餅的比阻定義為:α=Rc/ρw由于過濾介質(zhì)產(chǎn)生的流動(dòng)阻力可以使其轉(zhuǎn)變成為當(dāng)量濾餅厚度lF

，設(shè)VF是該當(dāng)量濾餅厚度的濾液當(dāng)量體積，則濾液的流速可表示為：第25頁，共46頁，2023年，2月20日，星期一式中V為在時(shí)間t內(nèi)累積的濾液體積；U為濾液通量；A為過濾面積：Δp為通過濾餅和過濾介質(zhì)后的壓力降；α為濾餅的比阻；W為單位濾液體積中沉積固體的干重;μ為濾液的黏度；VF為沉積與過濾介質(zhì)阻力相當(dāng)?shù)臑V餅厚度所流過的濾液體積。W值可以用濾餅和懸浮液的有關(guān)數(shù)據(jù)按照下式求得式中為單位質(zhì)量的懸浮液中干固體的質(zhì)量：ρf為濾液的密度，；m為單位質(zhì)量干濾餅對應(yīng)的濕濾餅的質(zhì)量，它可以表示為:第26頁，共46頁，2023年，2月20日，星期一2.5.2.2濾餅比阻(平均質(zhì)量比阻)在過濾器設(shè)計(jì)中，比阻α(m/kg)是重要的參數(shù)，它決定著流速和濾餅性質(zhì)與其他變量，例如壓力降、懸浮液的濃度和過濾面積之間的依賴關(guān)系。α值主要隨濾餅性質(zhì)和比表面積的變化而變化，從上面的公式可以導(dǎo)出：式中，ρs=ρW/(1-ε)為濾餅干固體的密度，kg/m3。

第27頁，共46頁，2023年，2月20日，星期一由上式可知，物料粒度對濾餅比阻的影響最大，因此粒度越細(xì)的物料越難過濾。濾餅比阻通常與床層的壓力降有關(guān)：α＝α′(Δp)式中α′＝(m-n-1ln+1t2n)。n是常數(shù)，也稱為濾餅的可壓縮度，當(dāng)濾餅不可壓縮時(shí)，n＝0，對于高度可壓縮濾餅，則n趨近于1。工業(yè)上所涉及的三種可壓縮性濾餅的過濾壓力與濾液流速的關(guān)系見下圖：第28頁，共46頁，2023年，2月20日，星期一第29頁，共46頁，2023年，2月20日，星期一2.5.2.3

過濾的操作方式過濾時(shí)，按照外加壓力和流速的變化，可以將過濾操作分為以下三種方式：1恒壓過濾，是一種最常見的操作方式，用壓縮空氣或真空作為推動(dòng)力；2恒速過濾，也是一種具有工業(yè)意義的操作方式，通常用定容泵來輸送料液；3變速－變壓過濾操作方式、用離心泵來實(shí)現(xiàn)。第30頁，共46頁，2023年，2月20日，星期一2.5.3.1過濾器的選擇(略)2.5.3.2過濾器的類型在生物工藝中應(yīng)用較廣并具有工業(yè)意義的過濾器主要是壓力和真空過濾器兩大類。2.5.3常用新型過濾器(1)真空過濾器它是用于大規(guī)模生物分離的主要過濾設(shè)備，可以分離較難過濾的懸浮固體粒子。能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)操作，故勞動(dòng)強(qiáng)度小。a轉(zhuǎn)鼓真空過濾器第31頁，共46頁，2023年，2月20日，星期一轉(zhuǎn)鼓真空過濾器的結(jié)構(gòu)如右圖所示。過濾器有一個(gè)繞著水平軸轉(zhuǎn)動(dòng)的鼓，鼓外是大氣壓而鼓內(nèi)是部分真空。轉(zhuǎn)鼓的下部浸沒在懸浮液中、并以很低的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)。鼓內(nèi)的真空使液體通過濾布進(jìn)入轉(zhuǎn)鼓，固體粘附在濾布表面形成濾餅，當(dāng)濾餅轉(zhuǎn)出液面后，再經(jīng)洗滌、脫水和卸料從轉(zhuǎn)鼓上剝落下來。第32頁，共46頁，2023年，2月20日，星期一圓盤盤式真空過濾器有兩種變種．即水平圓盤過濾器及水平回轉(zhuǎn)翻盤式過濾器，如圖所示，其中前者適用于對濾餅洗滌效果要求較高的場合、而后者過濾時(shí)圓盤向上，卸料時(shí)則翻轉(zhuǎn)向下，借重力或壓縮空氣卸去濾餅，因此適合于過濾密度大、濃度高的粗顆粒懸浮液。與轉(zhuǎn)鼓真空過濾器相比．圓盤直徑大．更易實(shí)現(xiàn)大型化。其最大過濾面積可達(dá)400m2。b

園盤真空過濾器第33頁，共46頁，2023年，2月20日，星期一水平帶式真空過濾器的優(yōu)點(diǎn)是處理量大(濾餅厚度可200mm)，并可根據(jù)對物質(zhì)的洗凈要求進(jìn)行濾餅的洗滌，洗滌效果良好，無需攪動(dòng)裝置．操作也靈活，其缺點(diǎn)為：占地面積大，有效過濾面積小，投資較高。c水平帶式真空過濾器第34頁，共46頁，2023年，2月20日，星期一(2)壓濾器根據(jù)結(jié)構(gòu)型式可將壓濾機(jī)分為：板框式壓濾器、加壓葉濾器、帶式壓濾機(jī)和氣壓罐式連續(xù)壓濾器等，其中前面兩種屬于間歇型，后面兩種屬于連續(xù)型。第35頁，共46頁，2023年，2月20日，星期一在傳統(tǒng)的過濾操作中，大部分壓力降都是由濾餅阻力產(chǎn)生的，并且大多數(shù)濾餅具有可壓縮性，壓力降與過濾速率不呈線性關(guān)系，使得過濾的操作分析和過濾器的設(shè)計(jì)十分困難，帶有很大的經(jīng)驗(yàn)性。人們通過研究得到：如果料液給過濾介質(zhì)表面一個(gè)平行的大流量沖刷，則過濾介質(zhì)表面積累的濾餅就會減少到可以忽略的程度，而通過過濾介質(zhì)的流速卻比較小。這種過濾方式稱為錯(cuò)流過濾或切向流過濾，見圖所示錯(cuò)流方式的膜過濾與傳統(tǒng)過濾方法的主要差別為：①過濾介質(zhì)－膜是薄的多孔的高分子或無機(jī)材質(zhì)，達(dá)西定律的可滲透度