大部分工業(yè)生物分離的第一步往往是將不溶物質(zhì)從發(fā)酵液

第三章離心大部分工業(yè)生物分離的第一步往往是將不溶物質(zhì)從發(fā)酵液中除去。這些不溶性固體的濃度和顆粒大小的變化范圍很寬。濃度可高達每單位體積含60%的不溶性固體，又可低至每單位體積僅含0.1%。粒徑的變化可以從直徑約為1um的微生物，到直徑為1mm的不溶性物質(zhì)。對于這些濃度較小，粒徑較大，硬度較強的不溶物，，我們可以采用過濾方法分離。在前一章中，我們講述了過濾法，包括助濾劑的應用。有些發(fā)酵液中，使用助濾劑有利于過濾分離，而還有一些發(fā)酵液則不行。當發(fā)酵液不易被過濾純化時，我們可以采用離心的方法來分離，這也是這章的主題。與過濾設(shè)備相比，離心設(shè)備的價格昂貴。但當固體顆粒細小而難以過濾時，離心操作往顯得十分有效。離心分離是基于固體顆粒和周圍液體密度存在差異，在離心場中使不同密度的固體顆粒加速沉降的分離過程，當靜置懸浮液時，密度較大的固體顆粒在重力作用下逐漸下沉，這一過程稱為沉降。由于沉降和離心相似，這兒就放在一塊討論。離心產(chǎn)生的固體濃縮物和過濾產(chǎn)生的濃縮不同。通常情況下離心只能得到一種較為濃縮的懸浮液或漿體。而過濾可獲得的水分含量較低的濾餅。但是，對大多數(shù)生物發(fā)酵液可以離心但不能有效地過濾分離，所以離心往往是很有效的方法。A.顆粒的沉降當一固體微粒通過無限連續(xù)介質(zhì)時，它的運動速度受兩種力的影響：一是微粒受到因微粒和流體介質(zhì)間密度不同而產(chǎn)生的浮力作用；二是微粒所受到的流體阻力作用。FbFg

Fdd=2R球形顆粒沉降的受力情況FB=﹝πd3(ρs-ρ)/6﹞a.(3.1)d是微粒半徑，mρs-ρ分別為微粒和液體介質(zhì)密度，kg/m3a是微粒加速度,m/s2在稀溶液中，作用于單個球形微粒上的阻力FD，可用Stoks（斯托克斯）定律表示。FD=3πdμν(3.2)μ連續(xù)介質(zhì)粘度ν是微粒運動速度這個等式僅當球形微粒較小時方能成立。當Re<1時Re=dρν/μ<1(3.3)等式3.3基本上滿足所有的生物溶液，所以，本章主要分析這個等式。如果Re>1時，阻力為FD=f(ρν2/2)(πd2/4)(3.4)f是摩擦因子當球形粒子在介質(zhì)中運動時速度較小，因此作用其上的阻力也較小，當阻力與浮力平衡時，微粒加速度為零。聯(lián)立方程3.1和3.2，得到ν=d2(ρs-ρ)a/(18μ)(3.5)此式給出了微粒穩(wěn)定狀態(tài)和最終速度對于沉降，重力沉降加速度為重力加速度） νg=d2(ρs-ρ)g/(18μ)(3.6)離心沉降加速度則不同a=rω2νω=d2(ρs-ρ)rω2/(18μ)(3.7)ω-轉(zhuǎn)鼓回轉(zhuǎn)角速度，r/s）r為轉(zhuǎn)鼓中心軸線與微粒間距離，mB.

Centrifuges離心機我們先來描述這三種最有用的離心機：a、管式離心機最簡單，可提供較大離心力；管狀離心機可以冷卻，在蛋白質(zhì)生產(chǎn)中很有利；懸浮液由管底進，澄清液由管口流出。Tubularbowl管壁上沉積物為濃漿可連續(xù)加料至流出物固體損失使離心不能正常進行須定時拆卸、清洗，這種間斷性操作也是最大的缺點取不同位置上的典型離子分析

R0R1zrLiqu花idi濁nter賺facelIdea板liza拒tion革of柔t(yī)he野tubu爭lar欺bowl泥cen槽trif照uge為了便于腥分析，假淋設(shè)典型粒傍子位于以櫻下幾種情嫩況：(1)兩位于罰離心機戚底部Z羅向上(2)愚位于旋轉(zhuǎn)沫軸r軸向亭上的微粒(3)碰位于液稻體界面添半徑r尸1和管約心半徑視r0的盈微粒之刑間(4)拉粒子策同時在即Z和淘r兩席個方向勁上移動Z方向的鹽動力來源爬于離心機榜底部泵入自料液的對套流）dz/儲dt=錯Q/[月π(R02-R12)]爛(3攝.8)Q為料適液流速等式3京.8尼表示差Z方向糕重力可政忽略假定離心列力很大，幻玉R1是常粘數(shù)，由Z陡決定方向上運冠動與半徑央r有關(guān)dr/史dt=囑d2(ρs-ρ)森rω2/(1榆8μ)拖(3.貢9)dr/d度t=νg(rω2/g)畝(3酬.10)結(jié)合3衛(wèi).8和害3.9紙，得出傲離心機搶內(nèi)部微覆粒的運廟動軌跡dr/紗dz=眉(dr很/dt抬)/(夫dz/港dt)準=νg(rω2/g)π惠(R02-R12)/Q賭(3.1驅(qū)1)如果νg很大，微樓粒將很快旨到達管壁旬；如果泵榜入流速Q(mào)殲增大，懸帽浮固體微趴粒將向上幕走得更遠吃方能到達禍管壁。對于那愧些難以迅到達管票壁的微復粒分析拔，在r魔=R1時進離心袍機，在r吊=R0時也不會碼碰到管壁部這時Z=虛l，對（處3.11矩）積分。Q=νgω2πl(wèi)(R02-R12)/[g輪㏑(R0/R1)]僅(3減.12樣)對于大億部分管意式離心貝機，這盛個等式作可以簡躍化，因眾為R0和R1近似相罵等(R02-R12)/待㏑(R0/R1)=(汽R0+R1)(R0-R1)/館㏑[1動+(R0-R1)麗/椒R1]=…爽=2R2(3.1黃3)R1.T唇hus印Eq勁.(3帳.12索)b昨eco漫mes饅:仍R是平賭均粒徑Q=νg(2π比lR2ω2/g)柱=νg[∑]簡(3押.14帳)νg為微粒本攤身的函數(shù)，與離心毒機無關(guān)[∑]銹的量綱同是長度賤的平方今，表達灶離心機朱函數(shù)與射微粒性幅質(zhì)無關(guān)，代表離阻心機的分指離特性。b、碟枕片式離心裕機這種離心宇機在生物秧分離中非破常常見，漆可連續(xù)操巖作但結(jié)構(gòu)滅復雜，價薄格較高。料液由管啄頂進，清政液從加料恭口附近環(huán)講行裂口流抓出和管式脊離心機抗最顯著收的區(qū)別做在固體鄙即非間拘歇式的小被移出與也不通叼過離心避機管壁僵上的孔糕連續(xù)的點去除填充固肆體的性粥質(zhì)決定麻離心機簽類型假定一儲固體微森粒位于慚（x，厲y）的仆位置x沿碟井片間隙畏方向與刪碟片外刑沿距離y為微法粒與最膝下面碟迫片外緣臨的距離R1內(nèi)緣半悄徑料液延梢碟片間捏隙向上某運動，縣進入時羊在R0處，流出虧時R1處微粒、y鏈向運動，骨在對流作沫用和離心抬沉降作用鈴下dx/脆dt=減ν0-νωsin獲θ吼(3原.15臂)ν0為泵送狀作用下師的流體啞速度νω為微粒在菠離心力作打用下的運擁動速度θ為肺碟片與垂窄直方向上拳的夾角如果θ=鳴0微粒只帥在對流作押用下運動臉，等式就昏與3.8憤相等速度紅v0有三個重關(guān)要特征：(1)負比沉榨降速度唐Vw大塔很多(2)遺v0是半徑刃的函數(shù)獎，流體詞流向軸區(qū)心時v0變大，藍因為流憂量Q是宅常數(shù)，綿半徑變輸小，流脾動空間罩也變小(3)畫V0是y的兄函數(shù)，鉤即在碟縱片表面糞V0=凳0ν0=[Q男/(2魂nπr纖l)]棕f(y槍)鹽（3濟.16粘）\Q-盼--液霸體的流置量n---醒碟片數(shù)r--映-微粒首與轉(zhuǎn)鼓揉軸線間父距離l---廊相鄰碟驗片間隙寬芬度f(y擋)--王-碟莫片間流辰速變化身的函數(shù)液體在蘆y方向冷上v0的平均偉速度與蒙其對流否速度相皂等1/l并∫0lν0dy=[吉Q/(n從2πrl斑)]竿(3.1腳7)1/l∫0lf(y勒)dy李=1介(線3.1然8)結(jié)合方程偽Eq諷.(3.朝15)開&(3.沃16)晶得到dx/d蛾t=ν0-νωsinθ鈔≒ν0=[Q/傭(n2π句rl)]笨f(y)叫(3殲.19)因為對效流速度銳要遠大沸于沉降正速度上式給出秧了碟片式援離心機中列的微粒的愧運動軌跡滑方程對難分離強的微粒進桃行研究女這些微罰粒在碟片瞇外緣進入涂，此時x裹=0，y探=0如果在其仗離開隙道為前剛好抵天達上碟片箭底部,其猾坐標為x倉=(r0哨-r)/罰sinθ舍，y=l微粒在能離心力珍場作用您下,將鞋沿碟片魄底部運真動到碟耕片外邊脾緣,匯健集到濾農(nóng)渣中毒，再清汁除掉。根據(jù)上述若臨界條件雷分析，由昌微分方程任（3.3眨-18）柿可寫出其軌定積分方纖程Q=νg[2π隸nω2(R03-R13)co螞sθ/屠(3g意)]=釀νg[∑]崇(3.2賢4)Vg-巖--煮Vg反簡映微粒抽特性∑--沉-∑貢為離心招機特性Δp/績l=(階μαρ0)ν陜(3挪.25)-dp品/dr嗚=(μ滑αρ0)ν眉(3父.26迷)2πr嬸lυ=敵Q普(3.城27)-dp吩/dr難=μα種ρ0Q/(2疾πrl)丈(3件.28)Δp=ρ絞ω2(R02-R12)/2息(3餡.29)Q=(償πω2ρl/μ借αρ0)×(R02-R12)/(R0/Rc)碑(黃3.30豈)C.c紫entr墓ifug私alf戶iltr奴atio數(shù)n合離商心過濾Q=dν則/dt判(叢3.31頑)ρcπ(R02-Rc2)l=ρ0ν挎(3.印32)t=μα開ρcRc2/[αρ顏ω2(R02-R12)][(兼R0/Rc)2-1-α㏑(R0/Rc宴)]境(3.頁33)t=(μ慰αρ0/αΔ犁p)(笛V/A浪)2(3.3財4)V/A沿=(ρc/ρ0)(ρ0V/ρcA)=陡(ρc/ρ0)(R0-Rc)(3.3靠5)t=(μ隆αρc2/αρ0Δp)禁(R0-Rc)2(3.3腸6)第三種籃耽式過濾機墾是離心和幻玉過濾方法儀的結(jié)合。金它具有一滲個多孔可籃高速旋轉(zhuǎn)介的圓筒嶺。SRB萄A2直通籃埋式過濾輩器懸浮液延循著圓筒的鼻旋轉(zhuǎn)軸連飄續(xù)加入，慰通過筒壁蛋上的小孔胡流出中空柱狀病料液的內(nèi)幟徑基本為銷一個常數(shù)目，不隨料青液的加入守而改變?yōu)V餅在繳筒壁上豪沉積，變?yōu)V餅的冠內(nèi)徑為程Rc為了簡架便起見織，假定耗濾餅為瓣不可壓久縮濾餅分析離心賞過濾應考欣慮到固體味是通過液遍體流過濾應餅進行分春離正因如此潛，該過程至相對來說漏,更象是懂2.3章唐提到的過叮濾，而不狹象離心過澆程我們首先祖根據(jù)過濾女壓差Δp蓄和流體通景過濾餅的秤速度成正歲比進行分每析Δp/l酸=(μα怕ρ0)ν喚(3.嶄25)l-濾遍餅的厚炸度u-料液居的粘度a-濾餅不的比阻力p0-匯單位體且積料液歇所含的裙濾渣量由于轉(zhuǎn)鼓拋壁上的濾佛餅并非平服面狀的，熱壓差沿著響半徑方向震而改變，籠故將式改速寫成為微亞分方程式-dp/沾dr=(府μαρ0)ν師(膝3.2章6)另外，通萄過濾餅的到流速不是備常數(shù)，軸啦心處流速胖較高。與帥過濾生產(chǎn)循能力Q有魔關(guān)2πr漿lυ=嶺Q斷(3賠.27擴)l-離陣心機的組高度結(jié)合（3詢.27）旅、（3.貸26）兩桑式可得-dp菜/dr傍=μα舞ρ0Q/(2枯πrl)肯(3.2踩8)對壓降進忘行積分為Δp=ρ段ω2(R02-R12)/2塑(3.統(tǒng)29)而在離心轉(zhuǎn)力場作用織下轉(zhuǎn)鼓壁某上的料液仗層延徑向濾的壓力為票：結(jié)合式搬（3.2絮8）和（費3.29拔）重新整墓理后得Q=(叫πω2ρl/鹽μαρ0)×(若R02-R12)/單㏑(R0/Rc)(3.賓30)ρ為懸浮懼液的密度流速不是色常數(shù)隨著悠濾餅厚度矮的增加而吊降低，因烈此Rc也垂是減小的廉。這樣Q短和Rc都那是時間的躺函數(shù)。對于產(chǎn)生破一定體積紡的濾液所亡需的時間借有下式成及立Q=d發(fā)ν/d碌t譯(3.螺31)