生物分离工程第2章过滤(发酵液预处理和固液分离)

第二章发酵液的预处理与固液分离第一节发酵液的预处理方法第二节发酵液的过滤第一节发酵液的预处理方法一.目的：**1.分离菌体和其它颗粒2.除去部分可溶性杂质，改变滤液的性质胞内产物和胞外产物处理方法不同二.发酵液的特性**1.发酵产物浓度很低;2.悬浮物颗粒小，相对密度和液相相差不大;3.固体粒子可压缩性大，液相粘度大;4.性质不稳定;5.动植物细胞，不能经受强的剪切力.三.发酵液的预处理方法**㈠降低液体粘度㈡调整pH㈢凝聚与絮凝㈣惰性助滤剂1.加水稀释但增加悬浮液的体积，加大后处理任务2.加热但必须严格控制加热温度和时间⑴热稳定性⑵防止细胞溶解，胞内物质外溢，增加发酵液的复杂性(一)降低液体粘度**恰当pH，能促进细胞聚集，改善过滤特性。氨基酸是两性电解质等电点pHpI碱性条件负电荷pHpI酸性条件正电荷等电点下，两性物质的溶解度最小二.调节PH**1.凝聚：在电解质的作用下，由于胶体之间双电子层排斥作用降低，电位下降，而使胶体体系不稳定的现象。凝聚成1mm大小块状凝聚物。**原理：双电子层理论凝聚值：使胶粒发生凝聚作用的最小电解质浓度，又称聚沉值。聚沉能力：聚沉值的倒数阳离子聚沉能力：Al3+Fe3+H+Ca2+Mg2+K+Na+Li+**常用电解质：硫酸铝，氧化铝，三氯化铁等。**(三.凝聚与絮凝)**2.絮凝：**在某些高分子物质的作用下，基于架桥作用使胶粒形成较大凝聚团的过程。絮凝成10mm大小块状絮凝物。1)原理：架桥作用另外解释：脱水效应，电中和效应必须有长链的线性结构，以便同时吸附多个胶粒，形成较大的絮团分子质量不能超过一定限度，以便有良好的溶解性其分子中含有相当多的活性官能团，使之与胶粒表面结合2).絮凝剂的化学结构要求3)絮凝剂的分类：**解离情况：阳离子型，阴离子型，非离子型来源不同：有机高分子聚合物：如聚丙烯酰胺等无机高分子聚合物：如聚合铝盐，聚合铁盐等；天然有机高分子聚合物：如壳聚糖和葡聚糖等聚糖类、明胶、骨胶和海藻酸钠等；微生物絮凝剂:是一类由微生物产生的具有絮凝细胞功能的物质，主要成分是糖蛋白、黏多糖、纤维素和核酸等高分子物质。同其它絮凝剂相比，其优点是安全、无毒和不污染环境。4)影响絮凝效果的因素**1、絮凝剂的种类、相对分子质量和类型2、溶液pH：pH变化，影响离子型絮凝剂官能团的电离度，从而影响分子链的伸展形态。电离度增大，由于链节上相连离子基团间的静电排斥作用，使分子链从卷曲状态变为伸展状态，架桥能力提高。3、搅拌速度和时间：搅拌能使絮凝剂迅速分散，但凝团后，搅拌会打碎凝团。图2.1絮凝剂的添加量对过滤速率的影响5)絮凝剂的添加量：由实验确定，一般较多，利于增加架桥的数量；过多，引起吸附饱和，絮凝剂争夺胶粒而使絮凝剂粒径变小，絮凝效果下降。另外还应考虑成本。3.混凝：**对带负电的菌体和蛋白质，采用阳离子高分子絮凝剂，同时具有降低胶粒的双电子层电位和产生吸附架桥双重机理，从而提高絮凝效果，这种包括絮凝和凝聚机理的过程，称为混凝。(四).惰性助滤剂**特性：颗粒均匀，质地坚硬，不可压缩，多孔滤速增大原因：改变滤饼结构，可压缩性下降种类：硅藻土，纤维素，石棉粉，珍珠岩，白土，淀粉等**使用方法：过滤介质表面预涂助滤剂直接加入发酵液**如何选择和使用助滤剂：根据目的产物选择助滤剂种类；根据过滤介质和过滤情况，选择助滤剂品种；粒度选择；使用量。1.无机离子的去除**Ca2＋草酸钠草酸钙Mg2＋三聚磷酸钠Na5P3O10＋Mg2+MgNa3P3O10＋2Na+Fe3＋黄血盐普鲁士兰沉淀3K4Fe(CN)6＋4Fe3+Fe4[Fe(CN)6]3＋12K+沉淀法：酸性条件三氯乙酸盐，苦味酸盐等碱性条件Ag＋Zn2＋Pb2＋Fe3＋等变性法：加热、调pH、有机溶剂、表面活性剂吸附法：加入吸附剂吸附杂蛋白2.杂质蛋白的去除**色素来源：微生物代谢分泌；培养基带脱色方法：离子交换；活性炭吸附；氧化等3.色素的去除**1、改变发酵液过滤特性的方法有哪些？2、试述影响絮凝效果的因素。3、絮凝和凝聚的主要区别是什么？4、发酵液的相对纯化方法有哪些？作业2分类：过滤和有关操作：颗粒受限，液体自由运动饼式过滤；深层过滤；筛分沉降和浮选：液体受限，颗粒自由运动浮选；重力沉降；离心沉降发酵液固液分离主要是离心分离和过滤**第二节过滤(固液分离过程)基本概念:过滤介质：过滤操作中所采用的多孔物质；滤浆或料浆：过滤操作中所处理的悬浮液；滤液：通过介质孔道流出的液体；滤饼：被过滤介质截留的固体物质。一.过滤**1.原理：悬浮液通过过滤介质，固体颗粒与溶液分离2.分类：**滤饼过滤：悬浮液置于介质一侧，固体物沉积于介质表面形成滤饼；深床过滤：分离出的固体颗粒并不形成滤饼，而是沉积于较厚的粒状过滤介质的床层内部；推动力：重力；离心力；加压；真空滤浆滤液洗液洗涤液深层过滤表面过滤两种过滤方式二.过滤的目的1.收集胞内产物的细胞或菌体，分离除去液相，2.收集含生化物质的液相，分离除去固体悬浮物，如细胞、菌体、细胞碎片、蛋白质的沉淀物和它们的絮凝体等。三.影响过滤的因素**发酵液的预处理和固液分离菌种：真菌，放线菌，细菌培养基：黄豆，花生，淀粉，后期加油，培养基未用完发酵时间：菌丝自溶前放罐黏度（发酵液）过滤的难易程度**根据滤饼的重量比阻值，可衡量各种不同发酵液过滤的难易程度。一般，真菌的菌丝比较粗大，如青霉素的重量比阻为（0.15一0.20）×l012m／kg左右，发酵液容易过滤，常不需特殊处理。放线菌发酵液菌丝细而分枝，交织成网络状，如链霉素重量比阻为2000×1012m/kg左右，过滤较困难，一般需经预处理。四.过滤的方法**1、饼层过滤（滤饼过滤）(1)定义:若悬浮液中固体颗粒的体积百分数大于1%，则过滤过程中在过滤介质表面会形成固体颗粒的滤饼层，这种过滤操作称为饼层过滤。(2)特点:在饼层过滤中，由于悬浮液中的部分固体颗粒的粒径可能会小于介质孔道的孔径，因而过滤之初会有一些幼小颗粒穿过介质而使液体浑浊，但颗粒会在孔道内很快发生“架桥”现象，并开始形成滤饼层，滤液由浑浊变为清澈。此后过滤就能有效进行了。(3)小结:在饼层过滤中，真正起截留颗粒作用的是滤饼层而不是过滤介质，在饼层过滤过程中，滤饼会不断增厚。过滤的阻力随之增加，在推动力不变下，过滤速度会愈来愈小。饼层过滤2、深层过滤(1)定义:当悬浮液中固体颗粒的百分数在0.1%以下且固体颗粒的粒度很小时，若以小而坚硬的固体颗粒堆积生成的固定床作为过滤介质，将悬浮于液体中的固体颗粒截留在床层内部且过滤介质表面不生成滤饼的过滤称为深层过滤。(2)适用范围:深层过滤适用于浮液中固体颗粒的体积百分数小于0.1%，且固体颗粒粒径较小的场合。(3)特点:深层过滤中，由于悬浮液的粒子直径小于床层孔道直径，所以粒子随着液体一起流入床层内的曲折通道，在穿过此曲折通道时，因分子间力和静电作用力的作用，使悬浮粒子粘附在孔道壁面上而被截留。过滤介质表面不生成滤饼，且整个过滤过程中过滤阻力不变。深层过滤四.改善过滤方法**发酵液的预处理和固液分离1.助滤剂：质地坚硬不可压缩性固体**常用助滤剂：硅藻土，珍珠岩，活性炭机理：表面吸附胶体及不可压缩型格子结构使用方法：a预先制成滤饼b助滤剂混入悬浮液中一起过滤2、滤饼的洗涤**a回收滤饼中残留的滤液；b除去滤饼中的可溶性杂质所以在过滤操作结束时用某种液体对滤饼进行洗涤。五.过滤介质(1)定义:过滤介质是一种多孔物质，它是滤饼的支承物，它应具有足够的机械强度和尽可能小的流动阻力，过滤介质的孔道直径往往会大于悬浮液中一部分颗粒的直径。(2)种类:**工业上常用的过滤介质主要有以下几类：1、织物介质:又称滤布，它由棉、毛、丝、麻等天然纤维及由各种合成纤维制成的织物，以及由玻璃丝、金属丝等织成的网。2、粒状介质:包括细纱、木炭、石棉、硅藻土等细小坚硬的颗粒状物质，多用于深床过滤。3、多孔道固体介质:它是具有很多微细孔道的固体材料，如多孔陶瓷，多孔塑料及多孔金属制成的板式管。六.过滤条件的优化应用优化因素**a单位质量助滤剂的滤液最大产量b使用周期c流速七.过滤设备（1）过滤设备种类：**a间歇式：分过滤、洗涤、卸饼、清洗、安装等步骤如叶滤机、板框压滤机等；b连续式：大多真空操作,如转筒真空过滤机、圆盘真空过滤机。（2）叶滤机（如图所示）恒压操作，过滤面积=洗涤面积过滤终了时的滤饼厚度=洗涤滤饼厚度叶滤机（3）板框压滤机A结构：若干板、框交替排列，板、框都用支耳架在一对横梁上，用压紧装置压紧或拉开。B滤板结构：凹凸纹路作用支撑滤布，提供滤液或洗涤液的流道。分洗涤板和非洗涤板两种。C滤框结构：有供料浆通过的暗孔，料浆在压差的推动下籍框两侧覆盖的滤布进行过滤分离。D过滤操作液体流动路径：料浆沿1通道输入，通过滤框的暗孔进入滤框，框中的料浆在压差的推动下籍框两侧覆盖的滤布进行过滤分离。滤饼在框内两侧生成并增长，滤液通过滤布流到滤板板面的凹槽后,因板面凹槽有暗孔与2、4通道相连或与3通道相连，故滤液可由三条通道流到过滤机外。E洗涤操作液体流动路径：洗涤液由3通道进到洗涤板两侧，横贯滤框，穿过框内两层滤饼及两层滤布，到达非洗涤板的两侧凹槽，然后由2、4通道流出。特点：结构简单，制造方便，占地面积小，过滤面积大，操作压强高0.1-1.0MPa但间歇操作，劳动强度大，效率低板框压滤机操作简图（4）转筒真空过滤机：连续过滤机（如图所示）结构：可转动的水平圆筒，圆筒表面有一层金属丝网，上覆滤布，转筒下部浸在盛有悬浮液的滤槽中，转速0.1-3r/min,转一周，可完成过滤、脱水、洗涤、卸渣一个工作循环，转筒上有许多扇形小格子，每格上均有真空吸管吸走滤液。特点：连续自动操作、生产能力大，适于量大而易过滤的物料，但费用高，附属设备多，过滤面积小，真空操作对设备要求高。其它过滤设备自学