生化工程學(xué)：第2講 發(fā)酵液的預(yù)處理與過濾技術(shù)

第二講發(fā)酵液的預(yù)處理與過濾技術(shù)國內(nèi)主要推薦專家和單位主要單位華東理工大學(xué)，南京工業(yè)大學(xué)，江南大學(xué)，中國科學(xué)院上海藥物所，中國科學(xué)院上海生物工程中心，華南理工大學(xué)，北京大學(xué)主要專家倫世儀，楊勝利，歐陽平凱推薦教材1分離純化工藝原理顧覺奮著，中國醫(yī)藥科技出版社2化工原理梁忠英著，中國醫(yī)藥科技出版社3生物過程工程與設(shè)備陳洪章著，化學(xué)工業(yè)出版社

4生物工程下游技術(shù)劉國詮主編化學(xué)工業(yè)出版社5生物化工原理顧其豐主編上?？茖W(xué)技術(shù)出版社6生物化學(xué)產(chǎn)品制備技術(shù)陳來同唐運(yùn)主編科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社背景知識：流體力學(xué)力學(xué)的一個分支，它主要研究流體本身的靜止?fàn)顟B(tài)和運(yùn)動狀態(tài)，以及流體和固體界壁間有相對運(yùn)動時的相互作用和流動的規(guī)律。

適用對象

水、空氣、水蒸氣、潤滑油、地下石油、含泥沙的江水、血液、超高壓作用下的金屬、燃燒后產(chǎn)生成分復(fù)雜的氣體、高溫條件下的等離子體等等。流體力學(xué)內(nèi)容

流體力學(xué)的主要基礎(chǔ)

牛頓運(yùn)動定律和質(zhì)量守恒定律，熱力學(xué)知識，宏觀電動力學(xué)的基本定律和物理學(xué)、化學(xué)的基礎(chǔ)知識。平板間的流體剪應(yīng)力與速度梯度牛頓粘性定律

在流體中運(yùn)動的物體所受到的阻力與流體密度、物體迎流截面積以及運(yùn)動速度的平方成正比的關(guān)系。流體力學(xué)中最常用的基本模型有：連續(xù)介質(zhì)、牛頓流體、不可壓縮流體、理想流體、平面流動等。牛頓粘性定律這種速度沿距離Y的變化稱為速度分布。

各物理量關(guān)系構(gòu)成牛頓內(nèi)摩擦定律

t=u·du/dy

說明流體在流動過程中流體層間所產(chǎn)生的剪應(yīng)力(t)與法向速度梯度成正比，與壓力無關(guān)。

流體類型①牛頓型流體：符合牛頓粘性定律的流體。

氣體及大多數(shù)低分子量液體是牛頓型流體。

②非牛頓型流體

a——表觀粘度，非純物性,是剪應(yīng)力的函數(shù)。1.原料的選擇和預(yù)處理1要選擇有效成分含量高的新鮮材料2來源豐富易得3制造工藝簡單易行4成本比較低5經(jīng)濟(jì)效果要好細(xì)胞色素、人工心瓣膜RNA、COA肝素、胰肽酶核酸類、轉(zhuǎn)移因子茶多酚、SOD基因工程類產(chǎn)品如：多肽、酶生物活性物質(zhì)的存在方式和存在特點(diǎn)

存在方式：分為胞內(nèi)與胞外兩種存在部位。存在特點(diǎn)：組成復(fù)雜，含量較低，雜質(zhì)含量很高，而且生理活性愈高，含量愈低，分離純化比較困難

生物材料的選取，保存與預(yù)處理1生物材料的選取選材的關(guān)鍵：根據(jù)有效成分的含量確定選擇特定的生物品種，組織器官，生長期

雜質(zhì)少，材料相對豐富

2、生物材料的培養(yǎng)與保存生理活性物質(zhì)易失活與降解，采集時必須保持材料的新鮮。如胰臟采摘后要立即速凍，防止胰島素活力下降。保存生物材料的主要方法有速凍、凍干、有機(jī)溶劑脫水，制成丙酮粉，或浸存于丙酮與甘油中等。原材料的選擇與預(yù)先處理植物注意季節(jié)性；不同時期不同組織的含量差異。動物生理狀態(tài)不同，不同生長部位。微生物生長對數(shù)期，酶和核酸的含量最高預(yù)先處理動物處理掉結(jié)締組織，脂肪組織等非活性部分植物如種子去殼脫脂微生物菌體和發(fā)酵液的處理預(yù)先處理的共同步驟1冷凍法處理原料：-20℃冷庫保存抑制酶和微生物的作用2速凍：形成微小冰晶，不破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)3有機(jī)溶劑去除水分：延長保存時間，常用丙酮和乙醇等，如可形成丙酮干燥粉，既減少酶的變性失活，同時脫水脫脂，使蛋白質(zhì)與脂質(zhì)結(jié)合的部分化學(xué)鍵打開，促使某些酶容易釋放到溶液中，有利于有效成分的保存發(fā)酵液的預(yù)處理和菌體的回收發(fā)酵液的組分：菌體（細(xì)胞體），胞內(nèi)外代謝產(chǎn)物，胞內(nèi)的細(xì)胞物質(zhì)，剩余的培養(yǎng)基殘分成分實(shí)質(zhì)：細(xì)胞：水，蛋白質(zhì)，核酸，糖類，脂類，無機(jī)鹽培養(yǎng)基：不同類型個不同（如ＬＢ培養(yǎng)基）現(xiàn)代發(fā)酵工程主要指利用利用微生物、動植物細(xì)胞和基因工程菌在人工生物反應(yīng)器（發(fā)酵罐）中培養(yǎng)而獲得產(chǎn)物的工業(yè)過程。現(xiàn)代發(fā)酵工程是生物代謝、微生物生長動力學(xué)、大型發(fā)酵罐或生物反應(yīng)器研制、化工原理等密切結(jié)合和應(yīng)用的結(jié)果。

發(fā)酵工程菌種篩選

搖瓶試驗(yàn)發(fā)酵罐中試

由實(shí)驗(yàn)室研究到產(chǎn)業(yè)化的過程發(fā)酵生產(chǎn)

懸浮液概念：固體顆粒度在１０－５ｃｍ以上的固液分散體系．生物細(xì)胞培養(yǎng)液成分：

水（80%），微生物或動植物細(xì)胞及碎片，少量培養(yǎng)基，細(xì)胞代謝產(chǎn)物（20%）懸浮液的基本特性特點(diǎn)（液相＋固相）１水的極性

氫鍵的形成發(fā)生強(qiáng)烈的締合作用，強(qiáng)化水分子在物料表面的附著狀態(tài)２水的黏度流體分子間的相互作用，牛頓型流體，可視為常量，隨著溫度變化而變化３水的表面張力水在固體表面的附著程度及在孔隙內(nèi)深入的程度與表面張力有關(guān)，而表面張力隨溫度的升高而降低.-----加入表面活性劑固相（1）細(xì)胞形態(tài)（圖２．１）：圓形、橢圓形、絲狀、不規(guī)則狀等。（2）固體顆粒的柔軟度有關(guān)系固體粒子尺寸（表２．１）μm×μm細(xì)胞碎片≤0.4×0.4細(xì)菌細(xì)胞1×2酵母細(xì)胞7×10動物細(xì)胞40×40植物細(xì)胞100×100真菌菌絲1-10絲網(wǎng)狀絮凝物100×100尺寸增加回收費(fèi)用增加懸浮液的特點(diǎn)１各類細(xì)胞的相對密度與懸浮培養(yǎng)液相似---沉降與離心的困難２細(xì)胞在很大程度上屬于可壓縮的和粘稠的物料--膜分離的困難３植物和動物細(xì)胞不能經(jīng)受象微生物那樣的外加剪切力----錯流過濾和離心的困難4不同微生物發(fā)酵的時間構(gòu)成不同流體性質(zhì)。懸浮液穩(wěn)定性好、流變行為復(fù)雜、粘度高等特性影響固液分離的效率和方法。過濾懸浮液的預(yù)處理目的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．３去除發(fā)酵液中部分雜質(zhì)，利于后續(xù)操作．被分離物質(zhì)的性質(zhì)溶液ＰＨ值，熱穩(wěn)定性，分子質(zhì)量，分子大小，物質(zhì)的類別懸浮液預(yù)處理的方法１加熱法---降低粘度，破壞膠體結(jié)構(gòu)，加速聚集、蒸發(fā)體積２調(diào)節(jié)懸浮液的ＰＨ值---破壞穩(wěn)定性、加速聚集３凝聚和絮凝---增加顆粒物的大小，有利于增加空隙４使用惰性助濾劑---減輕堵塞現(xiàn)象，助于過濾，硅藻土、珍珠巖，纖維素、爐渣等預(yù)處理的方法加熱的優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：降低懸浮液的黏度，破壞凝膠狀結(jié)構(gòu)，降低懸浮液的最終體積．缺點(diǎn)：對產(chǎn)品本身的熱穩(wěn)定性有影響．調(diào)節(jié)懸浮液的ｐＨ值因?yàn)樵谒芤褐心承┧帷A物質(zhì)會解離，在ｐＨ值時改變了分配系數(shù)，直接影響其溶解度。促進(jìn)聚集作用調(diào)節(jié)劑：草酸或無機(jī)酸或堿凝聚和絮凝目的：

通過利用化學(xué)藥劑投放，改變細(xì)胞，菌體和蛋白質(zhì)等膠體粒子的分散狀態(tài)，破壞其穩(wěn)定性，使它們聚集成可分離的絮凝體。結(jié)果：增加顆粒尺寸，增大顆粒沉降或浮選速率，提高濾餅的滲透性或提高顆粒保留作用。凝聚和絮凝凝聚概念：

在投加的化學(xué)物質(zhì)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．絮凝概念：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１０ｍｍ大小絮凝團(tuán)的過程．凝聚劑和絮凝劑凝聚劑：無機(jī)鹽類（硫酸鋁，明礬，硫酸鐵和硫酸亞鐵，三氯化鐵，氯化鋁，氯化鋅，硫酸鋅等）金屬氧化物類（氫氧化鋁，氫氧化鐵，氫氧化鈣）聚合無機(jī)鹽類（聚合鋁和聚合鐵）絮凝劑（天然或合成的的大分子量聚電解質(zhì)）陰離子型：聚丙烯酸鈉，聚苯乙烯磺酸陽離子型：聚丙烯酸二烷基胺乙脂，聚二烯丙基四胺鹽非離子型：聚氧化乙烯脫色絮凝劑

污水絮凝劑凝聚劑和絮凝劑的優(yōu)缺點(diǎn)絮凝劑的作用

架橋作用凝聚劑凝聚劑的作用1、對粒子表面電荷的簡單中和2、消除雙電荷層而脫穩(wěn)3、通過氫鍵與粒子結(jié)合而凝聚硅藻土，膨脹珍珠巖，石棉，纖維素，未活化的碳，爐渣，重質(zhì)碳酸鈣惰性助濾劑的使用惰性助濾劑特性：顆粒均勻，質(zhì)地堅硬，不可壓縮的粒狀物質(zhì)惰性助濾劑作用原理惰性助濾劑表面具有吸附膠體的能力，形成的濾餅具有格子型結(jié)構(gòu)，不可壓縮，使懸浮液中的細(xì)小顆粒狀膠體物質(zhì)留在格子上，減輕非常稀薄或非常細(xì)小的懸浮液在過濾時發(fā)生的快速擠壓和介質(zhì)堵塞白色木質(zhì)纖維素珍珠巖助濾劑惰性助濾劑作用

緩解稀薄或細(xì)小的懸浮液在過濾時導(dǎo)致的快速擠壓和介質(zhì)堵塞現(xiàn)象使用方法1、預(yù)涂在濾布上作為過濾介質(zhì)2、按一定比例均勻混入懸浮液，使懸浮液形成較松軟的濾餅，降低其壓縮性。硅藻土助濾劑懸浮液的分離過程和分類參考圖２．２７第一類：沉降和浮選固體和懸浮液體之間有密度差，在重力場，離心力場或磁場作用下，液體受限制于固定或旋轉(zhuǎn)的容器第二類：過濾顆粒受限制，而液體可自由通過介質(zhì)

濾餅傳統(tǒng)的過濾cakeConventionalfiltrationChapter2Filtration第二章過濾過濾概念將懸浮在液體或氣體中的固體顆粒分離出來的單元操作。將料液通過固體支持或者過濾介質(zhì)時，使得固體物質(zhì)從溶液中分離，對于好的定形的晶體，這是一種最直接的步驟?；驹恚涸趬毫Σ畹淖饔孟?，懸浮液中的液體（或氣體）透過可滲性介質(zhì)（過濾介質(zhì)），固體顆粒為介質(zhì)所截留，從而實(shí)現(xiàn)液體和固體的分離。

外濾式真空轉(zhuǎn)鼓過濾機(jī)發(fā)酵液和其它生物溶液組成的過濾液本質(zhì)(1)微小而形狀多變的微生物細(xì)胞(2)高的非牛頓粘度流體或者是高度可壓縮濾餅。過濾的原理：Darcy’slaw（達(dá)西定律）適用范圍1、適用于不可壓縮和簡單的可壓縮濾餅，普遍使用于生物分離過程·

Darcy’slawholdsonlywhenRe<5

當(dāng)Re<5時達(dá)西定律才成立

Re=dvρ/μ(1-ε)(2.2)d-濾餅粒子的大小或孔的直徑

ε-thevoidfractioninthecake濾餅空隙率

ρ-theliquiddensity液體的密度

Re–Reynoldsnumber雷諾準(zhǔn)數(shù)Darcy’slaw（達(dá)西定律）--過濾器的設(shè)計Darcy’slawrelatestheflowratethroughaporousbedofsolidstothepressuredropcausingthatflowDarcy定律把流速與通過固體多孔床產(chǎn)生的壓降聯(lián)系起來。V=k△P/μl

(2.1)V流速正比于壓降V流速反比于阻力l/k

V–流體流速

K－比例常數(shù),通常叫達(dá)西方程參數(shù)△P－通過厚度為l的床產(chǎn)生的壓降

μ－液體粘度Forbatchfiltration,thevelocityis對于板框式過濾,速率方程為：

V=(1/A)*dV/dt(2.3)A–filtrationarea過濾面積V–thetotalvolumeoffiltration過濾液體積t–thefiltrationtime過濾時間

Theresistancetoincludeexplicitlythecontributionsofcakeandfiltermedium.

濾餅和過濾介質(zhì)所產(chǎn)生的阻力：

l/k=Rm+Rc(2.4）Rmtheresistanceofthefiltermedium

過濾介質(zhì)的阻力Rctheresistanceofaccumulatecakebio-mass

濾餅的阻力

過濾操作本質(zhì)流體通過固體顆粒床層的流動，所不同的是這個固體顆粒層的厚度隨著過濾過程的進(jìn)行而不斷增加，故在恒壓過濾操作中，其過濾速率不斷降低。

影響過濾速度的主要因素除壓強(qiáng)差△p，濾餅厚度L外，還有濾餅和懸浮液的性質(zhì)，懸浮液溫度，過濾介質(zhì)的阻力等，故難以用流體力學(xué)的方法處理。

過濾法常用過濾器的選擇依據(jù)１進(jìn)料性質(zhì)２產(chǎn)品要求３操作條件４生產(chǎn)水平５材料和結(jié)構(gòu)過濾操作的結(jié)果是涉及濾液清晰度濾餅的干燥度過濾的操作方式分類依據(jù)按照外加壓力和流速的變化方式恒壓過濾：壓縮空氣或真空為推動力恒速過濾：用定容泵來輸送料液變速-變壓過濾：用離心泵過濾的特點(diǎn)本質(zhì)多相流體通過多孔介質(zhì)的流動過程。

①流體通過多孔介質(zhì)的流動屬于極慢流動，即滲流流動。有兩個影響因素，一是宏觀的流體力學(xué)因素，二是微觀物理化學(xué)因素。

②懸浮液中的固體粒是連續(xù)不斷地沉積在介質(zhì)內(nèi)部