第七章 细胞破碎与液固分离设备 课件

使用频率：15～ 使用频率：15～25KHz 操作时： 操作时：可采用多次循环方式
二、固液分离设备
（一）过滤设备
1、过滤相关概念 过滤：利用能让液体通过而截留固体颗粒的多孔介质， 过滤：
使悬浮液中固液得到分离的单元操作。
滤浆： 滤浆：过滤操作中所处理的悬浮液 过滤介质： 过滤介质：过滤用的多孔性材料 滤饼： 滤饼：被截留住的固体物质 滤液： 滤液：通过多孔介质的液体
工业常用的过滤介质： 3、工业常用的过滤介质： a)织物介质 滤布、 织物介质： a)织物介质：滤布、滤网 b)堆积介质 堆积介质： b)堆积介质： c)多孔介质 多孔介质： c)多孔介质： 4、 助滤剂 常用助滤剂：硅藻土、珍珠岩、炭粉、 常用助滤剂：硅藻土、珍珠岩、炭粉、石 棉粉等。 棉粉等。 助滤剂的加法有两种： 助滤剂的加法有两种： 用助滤剂配成悬浮液， ①用助滤剂配成悬浮液，在正式过滤前用 它进行过滤， 它进行过滤，在过滤介质上形成一层由助滤剂 组成的滤饼。 组成的滤饼。 ②直接将助滤剂以一定比例加到滤浆中一 起过滤。 起过滤。
(3)超声波振荡器 (3)超声波振荡器
工作原理： 工作原理：
当超声波在液体中传播时， 当超声波在液体中传播时，液体中的某一 小区域交替重复地产生巨大的压力和拉力。 小区域交替重复地产生巨大的压力和拉力。由 于拉力的作用，使液体拉伸而破裂， 于拉力的作用，使液体拉伸而破裂，从而出现 细小的空穴。 细小的空穴。这种空穴泡受到超声波的迅速冲 击而迅速闭合， 击而迅速闭合，从而产生一个极为强烈的冲击 波压力，该压力在悬浮细胞上造成了剪切应力， 波压力，该压力在悬浮细胞上造成了剪切应力， 促使细胞破碎。 促使细胞破碎。
• 洗涤阶段： 洗涤阶段： 先关闭洗涤板上的滤液 洗涤板上的滤液 出口，洗涤水经洗水通 出口 道进入各个洗涤板的两 侧。 洗涤水在压差的推动力 下，依次穿过滤布、滤 滤布、 滤布 滤布， 饼、滤布，到达非洗涤 板，从其下角的滤液出 口排出
• 优点：结构简单，价格低，动力消耗少过滤面 优点：结构简单，价格低， 积大， 积大，对不同过滤特性的发酵液适应性强 • 缺点：不能连续操作，设备笨重，劳动强度大， 缺点：不能连续操作，设备笨重，劳动强度大， 卫生条件差，非过滤的辅助时间较长。 卫生条件差，非过滤的辅助时间较长。
2、两种过滤方式----深层过滤、滤饼过滤 两种过滤方式----深层过滤、 ----深层过滤 深层过滤： （1）深层过滤：
悬浮液中的颗粒直径小于床层直径， 悬浮液中的颗粒直径小于床层直径，当颗 粒随流体在床层的曲折孔边穿过时， 粒随流体在床层的曲折孔边穿过时，靠静电及 分子力作用粘附在孔道壁上， 分子力作用粘附在孔道壁上，即固体颗粒沉积 于过滤介质床层内部 适用于悬浮液中颗粒甚小且含量甚微（ 适用于悬浮液中颗粒甚小且含量甚微（液 体中颗粒体积小于0.1% 的场合。 0.1%） 体中颗粒体积小于0.1%）的场合。
• 影响破碎速率因素： 影响破碎速率因素： 珠体直径： ①珠体直径： 工业规模不得小于0.4mm 工业规模不得小于0.4mm 珠体的装量： ②珠体的装量： 宜控制在80% 90%珠体体积 80%—90%珠体体积/ 宜控制在80% 90%珠体体积/腔体自 由体积 细胞浓度： ③细胞浓度： 最佳的细胞浓度应该用实验来确定 搅拌器转速： ④搅拌器转速：应适当
• 板框压滤机的操作： 板框压滤机的操作： 间歇操作，每个操作循环由组装、过滤、 间歇操作，每个操作循环由组装、过滤、洗 卸饼、清理5 涤、卸饼、清理5个阶段 • 过滤阶段： 过滤阶段： 悬浮液在指定压强下经滤浆 悬浮液 通路由滤框角上的孔道并行 进入各个滤框； 滤液分别穿过滤框两侧的滤 滤液 布，沿滤板板面的 凹槽至滤 液出口排出； 固体颗粒被滤布截留在框内 固体颗粒 形成滤饼，待滤饼充满全框 后，停止过滤。
• 工作过程： 过滤、吸干、洗涤、吸干、吹松、卸饼六 个操作过程 • 优缺点： 优点：能连续自动操作，省人力，生产能力 大，适用于处理含过滤颗粒较多的悬浮液 缺点：投资费用高，过滤面积不大。过滤推动 力有限，对滤饼阻力较大的物料适应力差。
（3）三足式离心机 P97
（二）沉降设备
1、沉降概念 在某种力场中利用分散相和连续相之间的 密度差异，使之发生相对运动而实现分离的操 密度差异， 差异 作过程。 作过程。 • 根据作用力不同可分为：重力沉降和离心沉降 根据作用力不同可分为： 2、离心分离因数 指同一颗粒在同一种介质中的离心力与重 f=mrω /mg=rω 力的比值 ：f=mrω2/mg=rω2/g≈rN2/900 可将离心机分为三类： 由f可将离心机分为三类： (1)普通离心机 f<3000，用于0.01 1mm颗粒 0.01~1mm (1)普通离心机 f<3000，用于0.01 1mm颗粒 (2)高速离心机 f=3000～50000， (2)高速离心机 f=3000～50000，极细颗粒 (3)超速离心机 f>50000，分散度较高的乳浊液 (3)超速离心机 f>50000，
5、过滤设备 (1)板框压滤机 (1)板框压滤机 P91
①结构：机架、压紧机构、过滤机构组成 结构：机架、压紧机构、 滤布和滤框作用；滤板的作用； ②滤布和滤框作用；滤板的作用；小孔作用 • 将非洗涤板编号为1、框为2、洗涤板为3，则 将非洗涤板编号为1 框为2 洗涤板为3 板框的组合方式： 板框的组合方式：1—2—3—2—1—2—3 2 3 2 1 2 3
第七章 细胞破碎与固液分离 设备
一、细胞破碎设备 二、过滤设备 三、沉降设备
一、细胞破碎
细胞破碎目的？ 细胞破碎目的？ 细胞破碎阻力？ 细胞破碎阻力？
1、常用细胞破碎方法: 常用细胞破碎方法:
机械法：珠磨法；高压匀浆法；超声破碎法 机械法：珠磨法；高压匀浆法； 非机械法：酶法；化学渗透法；反复冻融法； 非机械法：酶法；化学渗透法；反复冻融法； 渗透压法等
）、碟片式离心机 （3）、碟片式离心机 P102
（4）卧螺离心机 P101
2、机械破碎设备
(1)高速珠磨机 (1)高速珠磨机 • 结构： 结构：
• 工作原理： 工作原理： 进入珠磨机的细胞悬浮液与极细的 玻璃小珠、石英砂、 玻璃小珠、石英砂、氧化铝等研磨剂一 起快速搅拌或研磨，研磨剂、 起快速搅拌或研磨，研磨剂、珠子与细 胞之间的互相剪切、碰撞，使细胞破碎， 胞之间的互相剪切、碰撞，使细胞破碎， 释放出内含物。在珠液分离器的协助下， 释放出内含物。在珠液分离器的协助下， 珠子被滞留在破碎室内，浆液流出， 珠子被滞留在破碎室内，浆液流出，从 而实现连续操作。 而实现连续操作。破碎中产生的热量一 般采用夹套冷却的方式带滤饼过滤：滤饼层为有效过滤介质 滤饼过滤： 过滤介质：多孔性织物，如滤布、 过滤介质：多孔性织物，如滤布、滤网 当粒径大于过滤介质孔径时，会形成滤饼； 当粒径大于过滤介质孔径时，会形成滤饼； 当粒径小于过滤介质孔径时，通过“架桥现象” 当粒径小于过滤介质孔径时，通过“架桥现象” 形成滤饼。 形成滤饼。 滤饼层就成为有效的过滤介质。 滤饼层就成为有效的过滤介质。 适用于处理颗粒含量较高 液体中颗粒体积大于1% 1%） （液体中颗粒体积大于1%）的悬 浮液。 浮液。
3、离心沉降设备 （1）旋液分离器 （2）管式离心机 P100
分离乳浊液或含细颗粒的稀悬浮液 分离乳浊液的原理：转鼓由转轴带动旋转， 分离乳浊液的原理：转鼓由转轴带动旋转，从下部 进入的乳浊液自下向上流动过程中，被分为内外两层， 进入的乳浊液自下向上流动过程中，被分为内外两层， 外层为重液，内层为轻液，重液和轻液从顶部各自的 外层为重液，内层为轻液， 溢流口排出 • 分离悬浮液的原理： 分离悬浮液的原理：悬浮液自底部进入随转鼓转 在自下而上流动过程中，液体由轻液口溢出， 动，在自下而上流动过程中，液体由轻液口溢出，而 颗粒沉降在转鼓内壁。 颗粒沉降在转鼓内壁。 •
）、转筒真空过滤机 连续式操作） （2）、转筒真空过滤机 （连续式操作） 主要部件：水平转筒、 主要部件：水平转筒、分配头
转动盘
固定盘
1~7 8~10 11 12~13
过滤区 吸干区 不工作区 洗涤区
f 通道 f 通道 没有通道 g通道
14 吸干区 g 通道 15 不工作区 没有通道 16~17 吹松及卸饼区 h 通道 不工作区 18
(2)高压匀浆器（大规模细胞破碎方法） (2)高压匀浆器（大规模细胞破碎方法） 高压匀浆器 主要结构：高压室、针形阀、 主要结构：高压室、针形阀、撞击环 工作原理： 工作原理： 利用高压使细胞悬浮液通过针形阀， 利用高压使细胞悬浮液通过针形阀，细胞 悬浮液自高压室针形阀喷出时， 悬浮液自高压室针形阀喷出时，每秒速度高达 几百米， 几百米，高速喷出的浆液又射到静止的撞击环 被迫改变方向从出口管流出。 上，被迫改变方向从出口管流出。细胞在这一 系列高速运动过程中经历了剪切、 系列高速运动过程中经历了剪切、碰撞及由高 压到常压的变化，从而造成细胞破碎。 压到常压的变化，从而造成细胞破碎。