第六章细胞破碎与料液分离设备

破碎原理

超声波对细胞的破碎作用与液体中 空穴的形成有关。
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。由于拉力 的作用，使液体拉伸而破裂，从而出现细小的 空穴。这种空穴泡受到超声波的迅速冲击而迅 速闭合，从而产生一个极为强烈的冲击波压力， 由它引起的粘滞性旋涡在悬浮细胞上造成了剪 切应力，促使细胞内部液体发生流动，从而使 细胞破碎。
第三篇 产物分离设备
第八章 细胞破碎与料液分离设备
主要内容

第一节 细胞破碎设备 第二节 固液分离设备 第三节 膜分离技术与设备
第一节 细胞破碎设备
破碎目的和方法
一、高速珠磨机
二、高压匀浆器
三、超声波振荡器
Leabharlann Baidu
细胞破碎目的
微生物代谢产物中有些目标产物如大 多数酶蛋白、类脂和部分抗生素等存在于 胞内。 要分离和提取此类产物，就必须进行细 胞破碎，使目标产物转入液相，然后进行 细胞碎片的分离。
x0-单位体积滤液中滤出滤饼体积，m3/m3
过滤基本方程

在单位时间内通过单位过滤面积的滤液量为 瞬时过滤速度u： dq dV u Ad d 6-2
式中 q 单位过滤面积所得的滤液量，q=V/A，m3/m2； A 过滤面积，m2。 V——滤液量 令表示滤饼层空隙率（ = 空隙体积/滤饼层体积），则： u dV 6-3 u1 Ad 取le=CL，式3-1中的de 采用水力当量直径，则：
de 4 流通截面积 4 细管的流动空间 润湿周边长 细管的全部内表面积
令颗粒比表面积a=颗粒表面积/颗粒体 积，则：
d e 4 a1
将上述几式式代入式6-1，整理得：
p1 dV 3 Ad 2Ca 2 1 2 L
2
（6－4）
r 2Ca 2 1 3 r称为滤饼的比阻，与滤饼的结构有关。r
破碎方法的分类
细胞破碎按是否使用外加力分为机 械法和非机械法两类。

非机械法有：酶溶法、化学法、物理法和干燥 法等

机械法常用的设备有：高速珠磨机、高压匀浆 器、超声波振荡器
（一）高速珠磨机

工作原理：将进入珠磨机的细胞悬浮液 与极细的玻璃珠一起搅拌，由于研磨作 用，使细胞破碎，释放出内含物。
2
出 料 口 进料口
溢 流 口
图6-9 GW2.5/1.2-N真空过滤机
滤布循环行进式（RCF）转鼓真空过滤机

RCF转鼓真空过滤机在普通转鼓式真空过滤 机的基础上在其转鼓的表面再安装了一条由 转鼓驱动的首尾闭合的滤布带。因行进方向 的转折，使滤饼脱离滤布。滤布在行进过程 2 中从正反两方面受到洗刷而再生。

细胞破碎率

破碎效率与超声波的声强、频率、液体 的温度、压强和处理时间等有关，此外 与介质的离子强度、pH值和菌种的性质 等也有很大的关联。
第二节 固液分离设备

一、固液分离方法概述 二、过滤设备 三、过滤过程计算 四、离心分离设备
一、固液分离方法概述


在生物加工过程中的一些中间产物如： 微生物发酵液、动植物细胞培养液、酶 反应液或各种提取液，常常是由固相与 液相组成，而且大多数表现为粘度大和 成分复杂 。 故这些产物的固-液分离比较困难。
le 孔道的平均长度，m。
p1 2 u1 de 32l e
de 滤饼层孔道的当量直径，m；
过滤微分方程：
dq p d r0 x0 q R
dq/dt-过滤速度，m/s；
r0-滤饼体积比阻力，1/m2；
dV 1 pF d r0l R
q-单位过滤面积上所得的滤液体积，m3/m2；
二、过滤设备
根据过滤机理不同可分为：澄清过滤和 滤饼过滤 澄清过滤：当悬浮液通过过滤介质时，固体颗
粒被阻拦或吸附在滤层颗粒上，使滤液得以澄清。
滤饼过滤：当悬浮液通过滤介质时，固体颗粒
被介质阻拦而形成滤饼，当滤饼积至一定厚度时 就起到过滤作用，此时即可获得澄清的滤液。
过滤介质的选择
过滤介质一般按照不同的过滤操作进行 分类 ： 澄清过滤：硅藻土、砂、颗粒活性碳、玻璃珠、
H
滤液 滤浆 滤饼
图6-5 水平叶式硅藻土过滤机
柱式硅藻土过滤机

在柱式过滤机的柱式滤管上制备硅藻土 涂层时，将悬浮液所含硅藻土和液体作 垂直于柱式滤管面的同向流动。硅藻土 沉积在柱式滤管（不锈钢圆环）的外表 面之上形成预涂层，悬浮液中的液体在 过滤推动力作用下穿过预滤层，滤液沿 中心Y形棒的凹型槽沟排出机外，再携带 硅藻土进行循环直到滤液澄清为止。该 机的优点是滤层在柱上，不易变形脱落， 滤柱为圆形，其过滤表面积会随滤层的 增加而增加。
塑料颗粒等，填充于过滤器内即构成过滤层；也 有用烧结陶瓷、烧结金属、粘合塑料及用金属丝 绕成的管子等组成的成型颗粒滤层。在澄清过滤 中，过滤介质起着主要的过滤作用。
滤饼过滤：滤布，包括天然或合成纤维织布、
金属织布，及毡、石棉板、玻璃纤维纸、合成纤
按照过滤推动力的差别，习惯上把过滤机分为：
常压过滤机——推动力太小 自动板框压滤机 ——大大缩短了间歇时间，减轻劳动强度
6 洗涤吸干区 3 2 料液 Ⅰ 滤出液 5 过滤区 图6-8 真空转鼓过滤机工作原理 2-过滤室 3-分配阀 4-料液槽 5-摇摆式搅拌器 6-洗涤液喷嘴 7-刮刀 4 再生区 Ⅱ Ⅲ 空气 压缩 Ⅳ 卸渣区 7
1-转鼓
无格式转鼓真空过滤机
转鼓 反吹阀 吸入管 喷淋管 上机壳 下机壳

它是在标准型转 鼓真空过滤机基 础上开发的新机 种，其特点是： 没有空格室、整 个转鼓内腔都是 真空状态、结构 简单、单位面积 过滤能力大、反 吹管与滤液管隔

影响破碎主要因素是压力、温度和通过匀浆器 的次数
匀浆一次与多次的效果
（三）超声波振荡器

常用的超声波振荡器为电声型，它是由 发声器和换能器组成，发生器能产生高 频电流，频率通常15～25KHz。换能器 的作用是把电磁振荡转换成机械振动。
超声波振荡器又可分为槽式和探头直接 插入介质两种型式，一般破碎效果后者 比前者好。

不要带入新的杂质，方便后续工序

最常用的主要是过滤和离心分离。
过滤

目前工业生产中用于固液分离的主要方法， 传统的单元操作。
原理：迫使液体通过固体支撑物或过滤介 质，把固体截留，从而达到固液分离的目 的。

离心分离


原理：利用惯性离心力和物质的沉降系 数或浮力密度的不同而进行的分离、浓 缩等操作。 使用范围：固体颗粒很小且黏度很大、 过滤速度很慢、甚至难以过滤的悬浮液 分离有效，对那些忌用助滤剂的悬浮液 的分离。
1 2 3 2
2
A
A
3
A-A
3 4
图6-6 柱式滤管 -管板连接接头 2-不锈钢环 3-Y形的金属棒 4-端盖
图6-7 柱式过滤机 -封头 2-柱式滤管 3-壳体
柱式硅藻土过滤机
真空转鼓过滤机
这种过滤机的主要元件是转鼓，其内 维持一定的真空度，与外界大气压的压差即 为过滤推动力。在过滤操作时，转鼓下部浸 没于待处理的料液中。当转鼓以低速旋转时 (一般为1-2.6r/min)，滤液就穿过过滤介质 而被吸入转鼓内腔，而滤渣则被过滤介质阻 截，形成滤饼。当转鼓继续转动，生成的滤 饼依次被洗涤、吸干、刮刀卸饼。最后通过 再生区，压缩空气通过分配阀的Ⅳ室进入再 生区，吹落堵在滤布上微粒，使滤布再生。
板框硅藻土过滤机

其结构与上述的板框过滤机没有多大差别，也是 滤板和滤框的交替排列，只是在过滤介质前放置 了涂有硅藻土的金属丝网。
垂直式硅藻土过滤机
顶部为快开式顶盖， 底部有一条水平的滤 液汇集总管，两者之 间垂直排列了许多扁 平的滤叶。每张滤叶 的下部有一根滤液导 出管，将其内腔与滤 液汇集总管连接
3
4
2
5
6
7
8
图 8-1 水平搅拌式珠磨机结构示意图 1- 细胞悬浮液 2-细胞匀浆液 3-珠磨分离器 4-冷却液出口 5-搅拌电机 6-冷却液进口 7-搅拌浆 8-玻璃珠
1/ s
细胞破碎率
一级速率方程式 间歇： 1 ln Kt 1 R 1 连续： ln K 1 R

K－反应速率常数 1/s， R-破碎率％， t-破碎时间s。
r0 p
s
可压缩滤饼的s大约为0.20.8。不可压缩滤饼s=0。于是 式3-2可写成： p 1 过滤推动力 （6－5） dV
Ad
rL

过滤阻力
式中p1 为过滤推动力， rL可视为滤饼阻力。
过滤基本方程

将介质阻力折合成厚度为Le的滤饼阻力，式3-3成为： dV p （6－6） Ad r L Le L cV / A 滤饼层厚度L为 令 代入（6-6)中得
滤饼推出板 滤液 滤板 滤布 防止滤布蛇形装置 （1）过滤与洗饼 图6-3 （2）降框，卸饼及洗刷滤布 型自动板框过滤机 滤框 滤饼
全自动压滤机DRXA1000-10

PP滤版 PP滤布 油压动力单元 5HP 电控箱（PLC） 进料管理装置 震动落料系统 自动清洗 自动拉板 自动卸料 台湾原装产品
加压过滤
硅藻土过滤机
板框硅藻土过滤机
叶片式硅藻土过滤机 柱式硅藻土过滤机
垂直叶片式硅藻土过滤机
水平式硅藻土过滤机
真空转鼓过滤机 真空过滤机 无格式转鼓真空过滤机 滤布循环行进式（RCF）转鼓真空过滤机
常压过滤机

此类过滤机由于推动力太小，在工业中 很少用。但在啤酒厂麦芽糖化的过滤仍 采用这种压力差很小的平底筛过滤机。
三、过滤过程计算
L u1 u u le
图 3-3
流体在滤饼中流动的简化模型

将孔道视为长度均为le的一组平行细管，流体 在细管中的平均流速u1，同时考虑到滤饼较薄， 广义压力降可近似用压力降代替，则：
6－1
式中 u1 流体的真实流速，m/s； p1 通过滤饼的压力降，N/m2； 滤液的粘度，Ns/m2；
反应速率常数K

与许多操作参数有关，如搅拌转速、料
液的循环流速、细胞悬浮液的浓度、玻
璃珠的装置和珠径以及温度等。

上述因素不仅影响破碎程度，也影响所
需的能量。
（二）高压匀浆器


构成：由可产生高压的正向排代泵和排 出阀组成。 工作原理：细胞浆液通过止逆阀进入泵 内，利用高压使其在排出阀的小孔冲击， 并且高速撞击在撞击环上。细胞在这一 系列的高速运动中经历了剪切、碰撞以 及高压到常压的变化，从而造成细胞破 裂。

高压匀浆原理
D E
C
B
A
图8-2 高压匀浆器的派出阀 A-手轮 B-阀杆 C-阀体 D-阀座 E-撞击环
细胞破碎率

采用高压匀浆器破碎细胞属于一级反应过程。 破碎的动力学方程可表示为
ln[1/(1 R)] Kt np

a
R-破碎率 Kt-与温度等有关的破碎常数 n-匀浆次数 p-操作压力 α-与微生物种类有关的常数
一、固液分离方法概述

固液分离的方法很多，生物工业中运用 的方法有：分离筛、重力沉降、浮选分 离、离心分离和过滤等。
分离方法选择原则
因待处理溶液的性质而异，重要参 数：



分离粒子的大小和尺寸 介质的黏度 粒子和介质之间的密度差 固体颗粒的含量 粒子聚集或絮凝作用的影响 产品稳定性助滤剂的选择 料液对设备的腐蚀性 操作规模及费用
11 10 9 8 7 6 5 图6-10 RCF真空转鼓过滤机工作原理 1-过滤筒 2-洗涤水 3-真空调整 4-过滤槽 5-搅拌装置 6-洗涤液 7-刮板 8-滤饼剥离滚 9-喷嘴 10-张紧滚 11-滤布 真空 4 脱水 3
剥离
脱液 洗涤
滤布循环行进式真空过滤机的工作工艺图
橡胶带式真空过滤机的工作原 理
自动板框压滤机


旧板框过滤机的缺点是需人工排除滤饼和洗换 滤布，设备笨重，间歇操作，卫生条件差。但 具有过滤结构简单，单位体积的过滤面积大， 装置紧凑等优点。 自动板框过滤机是一种较新型的压滤设备，它 使板框的拆装、滤饼的脱落卸出和滤布的清洗 滤布驱动滚筒 滤布张紧装置 滤布 等操作都自动进行，大大缩短了间歇时间，减 滤板 轻劳动强度。 滤浆 滤框
1
2 3
4
流动方向
图6-4 垂直式硅藻土过滤机 顶盖 2-滤液 3-滤液出口 4-滤液进口 5-御渣口
水平叶式硅藻土过滤机
该过滤机在垂直空心 轴上装有许多水平排列 的滤叶。滤叶内腔与空 心轴内腔相通，滤液从 滤叶内腔汇集空心轴， 然后从底部排出。 滤叶的上侧是一层细金 属丝网，作为硅藻土预 涂层的支持介质，中央 夹着一层大孔格粗金属 丝网，作为细金属丝网