生物分离工程1.2.3提取-固液分离
《生物分离工程》知识点整理
《⽣物分离⼯程》知识点整理⽣物分离⼯程第⼀章(绪论)⽣物分离⼯程的定义和过程⽣物分离⼯程定义（名词解释）：为提取⽣物产品时所需的原理、⽅法、技术及相关硬件设备的总称，指从发酵液、动植物细胞培养液、酶反应液和动植物组织细胞与体液等中提取、分离纯化、富集⽣物产品的过程。
过程：⽬标产物捕获⽬标产物初步纯化(萃取、沉淀、吸附等⽅法)⽬标产物⾼度纯化和精制细胞分离三种⼿段：重⼒沉降离⼼沉降过滤第⼆章离⼼分离原理和⽅法：原理：离⼼沉降是在离⼼⼒的作⽤下发⽣的。
单位质量的物质所受到的离⼼⼒：式中：r为离⼼半径，即从旋转轴⼼到沉降颗粒的距离；ω为旋转⾓速度；N为离⼼机的转数，s－1⽅法：（1）差速离⼼分级（2）区带离⼼（差速区带离⼼、平衡区带离⼼）离⼼分离设备：离⼼⼒（转速)的⼤⼩：低速离⼼机、⾼速离⼼机、超离⼼机按⽤途：分析性、制备性按⼯业应⽤：管式离⼼机、碟⽚式离⼼机实验室⽤以离⼼管式转⼦离⼼机，离⼼操作为间歇式悬浮液的预处理⽅法和⽬的：⽅法：1.加热：最简单和最廉价的处理⽅法。
黏度、促凝聚、固体成分体积、破坏凝胶结构、增加空隙率调pH值：⽅法简单有效、成本低廉2.凝聚：在凝聚剂(如铝盐、铁盐、⽯灰和NaCl)作⽤下，细胞蛋⽩质等胶体去稳定，并聚集成1mm⼤⼩的凝聚块的过程。
（机理：破坏双电层，⽔解后胶体吸附，氢键结合等）3.絮凝：在絮凝剂⾼分⼦聚合电解质的作⽤下，胶体颗粒和聚合电解质交连成⽹，形成10mm⼤⼩的絮凝团过程。
（机理：絮凝剂主要起中和电荷、桥架和⽹络作⽤）4.惰性助滤剂：⼀种颗粒均匀、质地坚硬的粒状物质，⽤于扩⼤过滤表⾯的适应围，减轻细⼩颗粒的快速挤压变形和过滤介质的堵塞。
（使⽤⽅法：预涂层；按⼀定⽐率混合。
助滤剂种类：硅藻⼟、纤维素、未活化的炭、炉渣、重质碳酸钙等。
）⽬的：提⾼过滤速度和过滤质量是过滤操作的⽬标。
各种细胞破碎技术原理和优缺点：原理：许多⽣物产物在细胞培养过程中保留在细胞，需破碎细胞，使⽬标产物选择性地释放到液相。
生物分离工程离心分离解析课件
②振动卸料式离心机是利用离心 力和轴向激振力等的综合作用进 行固液分离的。筛篮内的物料在 离心力作用下脱水，在轴向激振 力作用下由小端向大端脉动性地 移动。脱水后的物料从筛篮大端 落人卸料室，进人排料槽， 离 心液则由机壳收集，由排出室排 出。
③连续沉降-过滤式螺旋卸料离心机是利用 离心沉降原理进行固液分离，固体通过螺旋 推料器上的叶片推至转鼓小端排渣口排出， 液相则通过转鼓大端的溢流孔溢出。如此不 断循环，以达到连续分离的目的。
离心分离是除过滤之外的另一种非常有效的 固-液分离方法。
它是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一项分离、浓缩或提 炼操作。
优点：离心分离对那些固体颗粒很小或液体 粘度很大，过滤速率很慢，甚至难以过滤的 悬浮液的分离十分有效，对那些忌用助滤剂 或助滤剂使用无效的悬浮液的分离也能得到 满意的结果。
卧式螺旋沉降离心机(卧式螺旋卸料沉 降离心过滤)
5.2.3 离心过滤的计算
（1）Grace方程
（2）Storrow方程
5.3 离心机的选用
根据经验
5.4 离心机在生物工业中的应用
在生物工业中离心机通常用来处理液相粘度在
1～2mPa.s，固－液密度差为≤0.1g/ml和粒子 大小为0.5～100μm的悬浮液，其中的固形物，
图4.7 管式离心机工 作示意图
式中：Q为料液流量，上式意味着忽略 在z方向上重力场的影响，实际上，由 于管式离心机的高转速，重力作用确实 是可以忽略的。z方向上的运动速度随 Q的增加而加大，而与粒子所处位置无 关，因此它是常数。
粒子在r-axis 上的移动速度可表示为：
已知粒子在重力场中的沉降速率为：
❖ 最大离心力强度可达6000 ❖ 操作温度可达300℃ ❖ 操作压力一般为常压 ❖ 常用于胰岛素，细胞色素，胰酶的分离等。
生物分离工程复习笔记
生物分离工程复习笔记生物分离工程内容：1.生物分离工程概念、特点、操作流程等；2.生物分离中常用到的分离操作方法，其概念、原理、特征、适用对象、注意事项、优缺点、使用实例等；3.常用方法的比较；基本知识点（一）一．生物分离工程概述1，生物分离工程（P1）生物分离工程是指从发酵液、反应液或动植物细胞培养液中分离、纯化生物产品的过程。
它描述了生物产品分离、纯化过程的原理、方法和设备，又称为生物工程下游技术。
特征：应用面广;种类繁多，结构功能复杂，生物活性各异;目的产物在初始物料中的含量低;原料中目标产物浓度越低，所需能耗越高，分离过程成本越大;始物料成分复杂,常需多个步骤,产品总收率低;易变质、易失活、易变性，对温度、pH值、重金属离子、有机溶剂、剪切力、表面张力等非常敏感；产品的质量要求高，尤其是药品等2.传统生化产品和基因工程产品在提取和精制上的差异（P1）（了解）1）传统生化产品都为小分子(工业用酶除外，但它们对纯度要求不高、提取方法较简单)．其理化性能(如平衡关系等)数据都为已知，因此放大比较有根据；基因工程产品大多为大分子，必要数据缺乏，放大多凭经验。
2）由于第一代基因工程产品都以E.coli作为宿主，表达产品处于胞内，提取前需将细胞破碎，细胞内物质释放出来，给提取增加了很多困难；而发酵液中的产物，浓度较低，杂质又多，且一般大分子较小分子不稳定(易失活，如对剪切力)，故提取较困难。
3）大分子(蛋白质)的分离主要困难在于杂蛋白的分离，由于蛋白质都内氨基酸所构成，所以性质相似，分离主要依靠高分辨力的精制方法，如色谱分离等。
3.生物技术下游加工过程的一般流程和单元操作（P4）1）一般工艺流程一般来说，下游加工过程含培养液（发酵液）的预处理和固液分离；初步纯化（提取）；高度纯化（精制）；最后纯化。
第1 页共1 页生物分离工程2）具体过程1发酵液预处理和固液分离○过滤和离心是预处理最基本的单元操作。
固液分离技术的概述和应用
合肥学院Hefei University生物分离工程课程综述题目: 固液分离技术的概述和发展系别:专业:学号:姓名:2013年3月25日固液分离技术的概述和应用摘要：生物分离技术是上世纪末及本世纪初发展国民经济的关键技术之一。
生物分离技术的发展，为人类提供了丰富多彩的生物产品。
而固液分离技术是生物分离技术中很重要的一部分，本文主要概述了固液分离技术的相关知识和其在工业领域应用的情况。
以及根据当今工业发展的特点，对固液分离技术的今后发展趋势作一些简要推论。
关键词：固液分离技术设备应用情况发展动向1 前言：固液分离是一种重要的单元操作，从液相中除去固体一般采用筛或沉淀方法，水处理中有微滤、澄清和深床过滤等方法。
现有的传统固液分离技术主要集中在压滤、过滤、重力沉降等方面，它广泛的应用于医药卫生、造纸、环境保护、食品、发酵等各大行业[1]。
在许多生产过程中，过滤与分离机构是关键设备之一，其技术水平的高低，质量的优劣直接影响到许多过程实现工业化规模生产的可能性、工艺过程的先进性和可靠性、制品质量和能耗、环境保护等经济和社会效益[2]。
在物料湿法加工过程中，固液分离工艺越来越受到人们重视。
因为工艺不完善首先会影响产品质量，造成物料流失，并且对环境造成的污染也会更加严重，特别是颗粒悬浮液，由于其颗粒小，沉降速率慢，滤饼的孔径小，透气性差，从而导致颗粒悬浮液的分离效率降低[3]。
全球水资源急剧短缺，生存环境日益恶化,人们因此对固液分离工艺也提出了更高的要求[4]，世界各国的许多研究者在这方面的也有很多深入的研究。
2 历史发展：最早的分离技术可以追朔到中国夏,商朝的酿酒业中的蒸酒技术；古人制糖和盐掌握了蒸发浓缩和结晶技术；用蒸馏方法从煤焦油中提取油品。
十八世纪英国工业革命, 使化学工业这个巨人真正诞生和发展起来, 随之分离工程也诞生并发展起来。
1901 年英国学者戴维斯在其著作《化学工程手册》中首先确定了分离操作的概念, 1923 年美国学者刘易斯和麦克亚当斯合著出版了《化工原理》, 从而确立了分离工程理论[5]。
实验三固液提取、分离
实验三中药固液提取、分离实验一、实验内容普通提取、超声提取、微波提取、固液分离二、实验目的1．熟悉固液不同提取工艺方法、固液分离工艺方法。
2．完成中药…的普通、超声、微波三种常压提取工艺操作过程。
3．测定提取浓度－时间曲线，比较不同提取工艺方法的特点。
4．完成固液提取液的抽滤、离心过滤分离操作三、实验原理1、对具有细胞结构的中药材，在溶剂作用下，借毛细管先将药材由外而内浸润，并在渗透压作用下，溶剂向细胞内部渗透，细胞内可溶物质溶解，继而在浓度差的推动下向胞外扩散，进而由表面向溶液本体扩散，完成固液提取过程。
2、在浸润、渗透、溶解、扩散过程中，渗透和扩散是全部提取过程的速控步骤，加快这两个过程，就能加快整个提取单元操作速率。
3、提高温度，加快分子运动，可以加快浸润、渗透、溶解、扩散各个阶段的速率，故煎煮、回流提取比常温提取快。
4、于普通提取时，给体系加特定频率的超声波，由于超声波的空化、等作用，四、实验材料、设备1、市售黄芪原药材，切制成约2mm厚、5mm长待用；2、葡萄糖230.0 mg／L的溶液，分析纯配制；3、0.2％蒽酮试剂，用80％硫酸溶液配制；4、1000ml三口烧瓶（磨口，2个）、回流管（2个）、1.5m长硅橡胶管（2根）温度计（2个）、橡胶塞（4个，其中两个打洞可插入温度计）；5、超声波提取器；6、微波提取装置；7、可调压电炉（2台）；8、离心机；9、水浴加热器；10、分光光度计（2至4台）、电子天平；11、10ml离心管（8个）、实验离心机；12、1.0 mL移液管、25.0ml容量瓶（30个）、10ml具塞试管（20个）、250ml烧杯（8个）、250ml棕色容量瓶2个；13、蒸馏水（100L）、冰块适量。
五、实验操作步骤1、粉碎实验1）检查粉碎机（锤式）粉碎室是否清扫干净，选择最大网眼的筛板安装到位，关闭并拧紧粉碎室盖；接通电源，开启电机，待粉碎机正常运转，将接料布袋系牢于出料口。
生物分离工程
生物分离工程名词解释1、错流过流：料液流动方向与过滤介质平行的过滤属于错流过滤。
其常用的过滤介质为微孔滤膜或超滤膜。
2生物分离工程：指从发酵液、动植物细胞培养液、酶反应液中分离、纯化生物产品的过程。
3. 盐析：蛋白质在高离子强度的溶液中溶解度降低、发生沉淀的现象4、沉淀：是指在溶液中加入沉淀剂使溶质溶解度降低，生成无定形固体从溶液中析出的过程。
5、等电点沉淀：指利用蛋白质在PH等于其等电点的溶液中溶解度下降的原理进行沉淀分离的方法。
6、萃取：萃取是利用溶质在互不相溶的溶剂里的溶解度不同，用一种溶剂把溶质从它与另一种溶剂所组成的溶液（原料）中提取出来的方法。
7、带溶剂：是指易溶于溶剂中并能够和溶质形成复合物且此复合物在一定条件下又容易分解的物质，也称为化学萃取剂。
8、细胞破碎：是指利用各种方法去破坏细胞壁和细胞膜，使胞内产物有效的释放出来。
9、包含体：包含体是聚集蛋白形成的浓密颗粒，呈无定形或类晶体。
10、乳化现象：是一种液体分散在另一种不相混合的液体中的现象。
11、超临界流体：是温度和压力同时高于临界值的流体，亦即压缩到具有接近液体密度的气体。
12、超临界流体萃取：是指利用超临界流体作为萃取剂，从固体或液体中萃取出某种高沸点或热敏性成分，以达到分离和纯化的目的。
13、蒸发浓缩：是利用加热的方法使溶液中的一部分溶剂（通常为水）汽化后除去，得到含较高浓度溶质的一种操作过程。
14、结晶：是溶液中的溶质在一定条件下因分子有规则的排列而结合成晶体的过程。
15、双水相萃取：利用物质在互不相溶的两水相间分配系数的差异来进行萃取的方法。
16、分离：是利用混合物中各组分在物理性质或化学性质上的差异，通过适当的装置和方法，使各组分分配至不同的空间区域或者在不同的时间依次分配至同一区域的过程。
17、亲和沉淀：亲和沉淀是利用蛋白质与特定分子（配基、基质、辅酶）之间高度专一作用而设计的一种特殊选择性的分离技术。
18、重结晶：第一章1、生物分离工程主要目标产品类型：直接产物，即由发酵直接生产，分离过程从发酵罐流出物开始间接产物：即由发酵过程得到细胞或酶，再经转化和修饰得到产品。
生物分离中固液分离综述
生物分离中固液分离综述摘要：除去固体杂质，得到溶液（沉降）；分离掉溶液获得固体（过滤）。
关键字：固液分离方法、设备由于固液悬浮液中的分散相和连续相具有不同的物理性质，故工业上一般都采用机械方法将两相进行分离。
要实现这种分离，必须使分散相和连续相之间发生相对运动。
根据两相运动方式的不同，机械分离可按两种操作方式进行：一、液体受限制，而固体颗粒在作相对运动的过程，包括浮选、重力沉降（通常称为沉降分离）和离心沉降（离心分离）等操作。
重力沉降的推动作用是重力，一般也称为沉降分离；离心沉降的推动力主要是惯性离心力，一般也称为离心分离。
二、固体颗粒受限制而液体作相对动的过程称为过滤。
实现过滤操作的外力可以是重力、压强差或惯性离心力。
因此，过滤又可分为重力过滤、加压过滤、真空过滤和离心过滤。
对于这两种机械分离，前者取决于固体颗粒和液体两相之间的密度差，而后者实现的前提是应具有过滤介质。
1.1 沉降沉降是固液悬浮液失稳的一种现象，因为固体和液体间有密度差存在，若固体和液体间的密度差大于零，固体颗粒在悬浮液中受重力的作用下沉，经过一定时间的沉降，悬浮液分为上部澄清的液体层及下部被液体浸透的固体带。
沉降作为一种固液分离的方法，广泛应用在制药、环保、化工、矿业、冶金等许多工业领域。
利用重力沉降性质进行固液分离，由于借助的是地心引力而无须外加能量，理论上讲是最经济的方法。
当然若欲达到有效的分离，首先须提供足够的沉降面积，其次为了加快固体颗粒的终端沉降速度，需采用凝聚与絮凝技术。
而对于由更小的颗粒及粘度较高的溶液构成的悬浮液，仅靠絮凝技术仍难以达到固液分离的要求时，则需要人为引入离心力以增强固体颗粒沉降的推动力，即为离心沉降。
1.1.1 沉降分离理论沉降分离只是一个物理过程，属于过程工程中的一个单元操作。
沉降速度是固液分离理论中的一个重要的基本概念。
如果实现沉降过程的推动力是重力，则称重力沉降速度；若推动力为离心力则称离心沉降速度。
生物分离工程.docx
第一章生物分离的一般步骤1、不溶物的去除（固液分离）——预处理包括过滤、离心、细胞破碎等，产物浓度和质量得到了提高。
2、产物提取（浓缩）产物初步纯化的过程。
将目标产物与性质差异较大的杂质分开，可大幅提高产物浓度。
往往多单元协同操作，如吸附、萃取、沉淀、超滤等。
以上分离过程不具备特异性，只是进行初分，除去主要杂质3、产品的纯化产物被高度纯化，除去与目标物性质接近的杂质。
采用的技术具有产物的高选择性和杂质的去除性，即可以除去微量的杂质。
如色谱、电泳、层析等。
4、产品精制将纯化的产品按要求制成商用成品。
按商品要求的用途、纯度、剂型等进行最后加工。
如结晶、喷雾干燥、冷冻干燥等。
生物分离基本原理生物分离的基本原理是指根据混合物（包括原子、离子、分子、分子复合物、分子聚合体、和细胞、细胞碎片和颗粒等）中各种溶质间具有物理、化学和生物学性质的差别，利用能够识别这些差别的分离介质和能够扩大这些差别的分离设备，实现各种物质的分离，或使被分离的目的产物得以纯化。
第二章发酵液预处理的目的预处理的目的：促进从悬浮液中分离固形物的速度，提高固液分离的效率：（1）改变发酵液的物理性质，包括增大悬浮液中固体粒子的尺寸，降低液体黏度。
（2）相对纯化，去除发酵液中的部分杂质（高价无机离子和杂蛋白质），以利于后续各步操作。
（3）尽可能使产物转入便于后处理的一相中（多数是液相）。
发酵液预处理的方法1.加热法（Heating）2.调节悬浮液的pH值（Regulation of pH）3.助滤剂和反应剂（Filter aids and Reactant)4.杂蛋白的去除（Removal of useless protein）5.高价无机离子的去除（Removal of inorganicion）6.凝聚和絮凝（Coagulation and flocculation）凝聚：凝聚是指在电解质作用下，由于胶粒之间扩散双电层电位下降，电排斥作用降低，破坏胶体体系的分散状态，使之不稳定相互凝集成1mm左右块状凝聚体的现象。
生物分离工程的特点
⽣物分离⼯程的特点1、⽣物分离⼯程的特点；①成分复杂，固液分离困难；②浓度低，分离能耗⼤③收率低；④易失活；⑤不稳定性。
2、精制产品分离纯化⼀般流程1．胞外产品：发酵液→预处理→⽬的产物尽量进液相→→固液分离→收集液相后→提取与精制2．胞内产品：发酵液→预处理→除杂、改变液相性质→固－液分离→收集细胞或菌体→细胞破碎→⽬的产物进液相→固－液分离→收集液相→后提取与精制3、⽣物悬浮液的特性：①悬浮物颗粒⼩，⽐重与液相相差不⼤；②固体粒⼦可压缩性⼤；③粘度⼤，含有蛋⽩质、多糖等胶体物质，⼤多为⾮⽜顿型流体。
改性的⽬的：降低滤饼⽐阻，提⾼过滤与分离的速率。
4、凝聚：指在电解质作⽤下，由于胶粒间双电层排斥电位的降低，⽽使胶体体系不稳定的现象。
凝聚作⽤机理：加⼊电解质→电解质中的⾼价阳离⼦→对胶体周围离⼦的影响→双电层电位↓→胶体稳定性↓→发⽣凝聚5、阳离⼦对带负电荷的发酵液胶体粒⼦凝聚能⼒的次序为：Al3+>Fe3+>H+>Ca2+>Mg2+>K+>Na+>Li+6、絮凝：指在某些⾼分⼦絮凝剂存在下，基于桥架作⽤，使胶粒形成较⼤絮凝团的过程。
7、错流过滤（Cross-Flow Filtration)⼜称切向流过滤，是⼀种维持恒压下⾼速过滤的技术。
其操作特点是使悬浮液在过滤介质表⾯作切向流动，利⽤流动的剪切作⽤将过滤介质表⾯的固体（滤饼）移⾛。
8、珠磨法细胞破碎率可⽤⼀级反应动⼒学表⽰：间歇操作：ln[1/(1-R )]=Kt连续操作： ln[1/(1-R )]=K τ其中τ=V /F 式中： R —破碎率（g/g ） K —反应速率常数(1/s) t —破碎时间(s)τ—平均停留时间(s) V —破碎室悬浮液体积（L ）F —进料速率(L/s)9、⾼压匀浆法破碎的动⼒学⽅程 KT —与温度等有关的破碎常数。
N —悬浮液通过匀浆器的次数。
P —操作压⼒。
a —微⽣物种类常数，对于酵母菌a 值可取2.210、简述采⽤多种破碎⽅法相结合提⾼破碎率的原理化学法与酶法取决于细胞壁膜的化学组成，机械法取决于细胞结构的机械强度，⽽化学组成⼜决定了结构的机械强度，组成的变化必然影响到强度的差异，这就是化学法与机械法相结合的原理。
生物分离工程 第3章-发酵液预处理和固液分离
E.离心
工业上常用
1. 离心沉降
根据固体和液体之间的密度差,利用离心机提 供的离心力实现固液分离。 沉降的难易取决于固体物质和液体的密度差, 同时还取决于固体和液体的其他性质以及离心 机的离心能力.(可以颗粒沉降速度表示)
优点：分离速度快，分离效率高,液相澄清度好, 技术易掌握；结果重复性好； 缺点：设备投资高、能耗大。
微生物污染、蛋白酶水解等作用的影响。
细胞培养液的特殊之处
A、细胞成分及碎片大小不一，颗粒大小，分离成本。 B、固液密度相近，黏度高：沉降和离心分离困难 C、固体成分可压缩可变形 + 高黏度：过滤困难，黏附 在滤布，错流过滤形成凝胶层 D、动植物细胞抗剪切力差：错流膜过滤和离心等不适 E、流变性复杂，非牛顿型流体，青霉素发酵液为卡森 型流体，120h链霉素发酵液为拟塑性流体，灰色链 丝菌发酵液为塑性流体。
改善发酵液过滤特性的物理化学方法：
调酸（等电点）、热处理、电解质处理、添加凝
聚剂、添加表面活性物质、添加反应剂、冷冻-解冻
及添加助滤剂等。
1、降低液体粘度：稀释、升高温度
（1）加水稀释法
加水稀释法能降低液体粘度，但会增加悬浮液的 体积，加大后继过程的处理任务。而且，单从过滤操 作看，稀释后过滤速率提高的百分比必须大于加水比 才能认为有效，即若加水一倍，则稀释后液体的粘度 必须下降50％以上才能有效提高过滤速率。
C.旋液分离
悬浮液以较高速度沿切线方向进入旋风分离器， 轻相由分离器中央排出， 霉菌和放线菌为丝状菌，体形较大，发酵液采用 重相由分离器下部排出， 过滤方法； 细菌和酵母菌为单细胞，体形较小，其发酵液采 但不适合直径<5 μm颗粒去除（可用丝网分离器）。 用高速离心分离，如对发酵液进行预处理，也可 D.介质过滤 用过滤进行固液分离。
生物分离工程
单元操作及其适用范围。
1.固液分离：过滤（真菌，细菌，细胞碎片），离心（真菌、病毒、细胞）2.细胞破壁：机械法，酶法，化学法（胞内产品、酶、实验）3.产品分离纯化：蒸馏（乙醇和溶剂回收）萃取（抗生素、酶、精制油）、沉淀（酶），吸附（抗生素），膜技术（脱盐和除热原、蛋白质溶液脱盐），液相色谱（干扰素、血制品、蛋白质和多肽抗生素和多肽）4.水和溶剂的去除浓缩（抗生素，咖啡喝果汁），干燥（多数药物，a-淀粉酶和单细胞蛋白）。
哪些单元操作适用于生物小分子物质的提取？哪些单元操作生物大分子的提取？答：适用于生物小分子的单元操作有：液体萃取、非活性基吸附、低压亲和色谱逆同、高效液相色谱、蒸发、反渗透、超滤。
适用于大分子的单元操作有：过滤、离心、双水相萃取、沉淀，电渗析液相色谱、电泳、等电聚焦、干燥。
生物技术下游加工过程的发展动向：①基础理论研究：选择性分离剂、数学模型②应用研究：提高分离过程选择性、开发新介质、提高分离纯化技术③工程问题研究④改善环境相容性发酵液为何需要预处理？处理方法有哪些？答：因为发酵液中发酵产物浓度较低，含有许多杂质，悬浮颗粒，细胞的相对密度与培养液相似，液相粘度大，大多为非牛顿型液体，需要预处理。
此外，预处理可达到如下目的：⑴改变发酵液的物理性质，包括增大悬浮液中固体粒子的尺寸，降低液体黏度。
促进从悬浮液中固形物的分离速度，提高固液分离的效率。
⑵相对纯化，去除发酵液中的部分杂质（高价无机离子和杂蛋白质），以利于后续各步操作。
⑶尽可能使产物转入便于后处理的一相中（多数是液相）处理方法：加热法；絮凝和凝聚；调节PH；杂蛋白的去除；高价无机离子的去除；助滤剂和反应剂。
凝聚和絮凝过程有何区别？答：凝聚：指在投加的化学物质（铝、铁的盐类）作用下，胶体脱稳并使粒子相互聚集成１mm 大小块状凝聚体的过程。
机理：中和粒子表面电荷、消除双电层结构、破坏水化膜絮凝：指使用絮凝剂（天然的和合成的大分子量聚电解质）将胶体粒子交联成网，形成10mm 大小絮凝团的过程。
生物分离工程技术三固液分离技术二离心技术PPT教案
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S 称为斯维德伯格(Svedberg)单位
物质的沉降系数(续)
S与物质颗粒大小和密度及溶剂黏度间的关系可表示为：
S d 2 1013
18
物质颗粒的沉降S大小与物质颗粒直径的平方成正比，与沉降 颗粒和溶剂液体密度之差成正比，与溶剂液体黏度的18倍成反 比。由于液体黏度受液体性质和温度影响很大所以S通常定义 为20℃时以水作溶剂的物质的沉降值。在离心力的作用下，由 于悬浮颗粒所处的液体环境不同，(δ-ρ) > 0时S为正数，颗 粒向离心方向沉淀，(δ-ρ)＝0 时S为0，颗粒物质与液体密度 相等，受力均衡，颗粒维持原位不动，(δ-ρ)<O时S为负数， 液体中的物质颗粒朝向心方向浮动。
2、离心机的选择
常速离心机：最大转速在8000r／min以内，相对离心
力(RCF)在l×l04×g以下。主要用于细胞、细胞碎片和培养基 残渣等固形物的分离，也用于酶的结晶等较大颗粒的分离。
高速离心机：最大转速为(1～2.5)×104r／min，相对
离心力达到(104～105)×g，主要用于各种沉淀物、细胞碎片 和细胞器等的分离。
6、离心条件的确定
离心力 离心时间及计算 温度和pH值
离心力
RCF＝ω2r ω＝ 2π rpm
980
60
RCF = 1.119×10－5×(rpm)2 r
离心力的大小与转速的平方(rpm2)及旋转半径(r)成 正比。在转速一定的条件下，颗粒距离心轴越远， 其所受的离心力越大。在离心过程中，随着颗粒在 离心管中移动，其所受到的离心力也在变化。一般 离心力的数据是指其平均值，即是指在离心溶液中 点处颗粒所受的离心力。
生物分离工程预处理和固液分离
发酵液的预处理和固液分离
悬浮液的预处理
高分子絮凝剂的吸附架桥作用
发酵液的预处理和固液分离
悬浮液的预处理
常用的絮凝剂
聚丙烯酰胺（po1yacry1amide）类和聚乙烯亚胺
（polyethyleneimine）衍生物，根据活性基团在水中解离情况不同， 可分为非离子型、阴离子型（含有羧基）和阳离子型（含有胺基）三 类。由于聚丙烯酰胺类絮凝剂具有用量少，一般以ppm计量，絮凝体 粗大，分离效果好，絮凝速度快以及种类多等优点，所以适用范围广。 聚丙烯酸类阴离子絮凝剂和聚苯乙烯类衍生物。 无机高分子聚合物也是较好的一类絮凝剂，如聚合铝盐和聚合铁盐等。 天然有机高分子絮凝剂，如壳聚糖和葡聚糖等聚糖类，还有明胶、骨 胶、海藻酸钠等。 微生物絮凝剂是近年来研究和开发的新型絮凝剂，它是一类由微生物 产生的具有絮凝细胞功能的物质。主要成分是糖蛋白、粘多糖、纤维 素及核酸等高分子物质。微生物絮凝剂和天然絮凝剂与化学合成的絮 凝剂相比，最大的优点是安全，无毒和不污染环境。
凝聚和絮凝在发酵液预处理中的应用
凝聚和絮凝技术能有效的改变细胞菌体和蛋 白质等胶体粒子的分散状态,使其聚集起来,增大 体积以便固液分离,常用于菌体细小而且黏度大的 发酵液的预处理中.
发酵液的预处理和固液分离
悬浮液的预处理
发酵液的带电现象
发酵液中的细胞、菌体或蛋白质等胶体粒子的表面，一般
都带有电荷，带电的原因很多，主要是吸附溶液中的离子 或自身基团的电离。通常发酵液中细胞或菌体带有负电荷， 由于静电引力的作用使溶液中带相反电荷的粒于（即正离 子）被吸附在其周围，在界面上形成了双电层。 但是这些正离子还受到使它们均匀分布开去的热运动的影 响，具有离开胶粒表面的趋势，在这两种相反作用的影响 下，双电层就分裂成两部分，在相距胶核表面约一个离子 半径的stern平面以内，正离子被紧密束缚在胶核表面，称 为吸附层或stern层；在stern平面以外，剩余的正离子则 在溶液中扩散开去，距离越远，浓度越小，最后达到主体 溶液的平均浓度，称为扩散层。这样就形成了扩散双电层 的结构模型。
生物分离预处理和固液分离方法的综述
生物分离预处理和固液分离方法的综述摘要：生物分离是从生物材料、微生物的发酵液、生物反应液或动植物细胞的培养液中分离并纯化有关产品（如具有药理活性作用的蛋白质等）的过程，又称为下游加工过程。
从微生物发酵液或细胞培养液中提取生化物质的第一个重要步骤，就是预处理和固液分离。
其目的不仅在于分离细胞、菌体和其他悬浮颗粒，还希望除去部分可溶性杂质和改变滤液的性质，以利于后续的各步操作。
关键词：生物分离预处理固液分离正文一、预处理的方法1.加热加热是最简单和经济的预处理方法，即把发酵液(培养液)加热到所需温度并保温适当时间。
加热能使杂蛋白变性凝固，从而降低发酵液(培养液)的粘度，使固液分离变得容易。
但加热的方法只适合对热稳定的生物活性物质。
2.凝聚和絮凝凝聚和絮凝在预处理中，常用于细小菌体或细胞(分泌胞外产物)、细胞的(分泌胞内产物)碎片以及蛋白质等胶体粒子的去除。
其处理过程就是将一定的化学药剂预先投加到发酵液(或培养液)，改变细胞、菌体和蛋白质等胶体粒子的分散状态，破坏其稳定性，使它们聚集成可分离的絮凝体，再进行分离。
但是应当注意，凝聚和絮凝是两种方法，两个概念，其具体处理过程也是有差别的。
（1）凝聚凝聚是指在某些电解质作用下，破坏细胞、菌体和蛋白质等胶体粒子的分散状态，使胶体粒子聚集的过程。
凝聚剂主要是一些无机类电解质，由于大部分被处理的物质带负电荷(如细胞或菌体一般带负电荷)，因此工业上常用的凝聚剂大多为阳离子型，分为无机盐类、金属氧化物类。
常用的无机盐类凝聚剂有：Al2(SO4)3?18H2O(明矾)、AlCl3?6H2O、FeCl3、ZnSO4、MgCO3等;常用的金属氧化物类凝聚剂有：Al(OH)3、Fe3O4、Ca(OH)2或石灰等。
（2）絮凝絮凝是指使用絮凝剂(通常是天然或合成的大分子量聚电解质)，在悬浮粒子之间产生架桥作用而使胶粒形成粗大的絮凝团的过程。
常用的絮凝剂有聚丙烯酰胺、聚氧化乙烯、、聚丙烯酸钠和聚苯乙烯磺酸。
预处理和固液分离生物分离工程
液体黏度是温度的指数函数， 升温是降低黏度的有效措施。 流体力学原理过速率与液体的 粘度成反比，降低液体粘度 （加水稀释法和加热法等）可 有效提高过滤速率。 麦芽汁的黏度-温度曲线。
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二 预处理-加热
2）加热使蛋白质变性凝固
凝聚：指在投加的化学物质（铝、铁的盐类） 作用下，胶体脱稳并使粒子相互聚集成１ mm 大小块状凝聚体的过程。 絮凝：指使用絮凝剂（天然的和合成的大分子 量聚电解质）将胶体粒子交联成网，形成10 mm大小絮凝团的过程。其中絮凝剂主要起架 桥作用。
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（一） 凝 聚 Coagulation
凝聚：胶体粒子在中性盐促进下脱稳相互聚集成 大粒子（1mm）
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目前最常见：聚丙烯酰胺类絮凝剂
聚丙烯酰胺类絮凝剂的优点
用量少，一般以mg/L计量； 絮凝体粗大，分离效果好； 絮凝速度快； 种类多，适用范围广。
聚丙烯酰胺类絮凝剂的缺点：
存在一定的毒性，特别是阳离子型聚丙烯酰胺，用 于食品和医药工业时应谨慎。
26
2）天然有机高分子絮凝剂
人工合成有机高分子絮凝剂虽然发展很快，但还存在 着残留单体有毒，生物降解难等问题，所以其应用受 到了限制。天然有机高分子絮凝剂具有无毒，易生物 降解，原料来源广等优点。
18
Schulze－Hardy法则：反离子的价数越高，凝 聚价越小，即凝聚能力越强。 阳离子对带负电荷的胶粒凝聚能力受化合价、 水化半径、离子运动能力的影响，次序为
Al3+ >Fe3+ >H+ >Ca2+ >Mg2+ >K+ >Na+ >Li+
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（2）工作原理
（3）操作规程
助滤剂预涂层的敷设 过滤 残液过滤 排渣 清洗
（四）提高过滤速度的主要措施
4.增加过滤推动力
增加液位差 加压 减压
（五）工业上常用的过滤设备
1.板框过滤或压滤机
(1)基本结构
组成方式
•如果将非洗涤板编号为1、 框为2、洗涤板为3，则板 框的组合方式服从1—2— 3—2……1—2—3之规律。
（3）操作规程
压滤机设备检查 压滤机操作准备 压滤机操作
Fr越大，离心分离的推动力就越大，离心分 离机的分离性能也越好。
4.K因子与离心时间的预测 （1）K因子 表示离心机转头特性的一种参数 K＝2.53×1011㏑［R/r]/（rpm）2
（2）则颗粒沉降所需的时间 T＝K／S（hr）
K实际＝Kmax ×（Rpmmax /Rpmmin ）
(三)影响离心效果的因素 1.固相颗粒与液相密度差
圆形、方形、圆灯笼
形。
粒状介质 珍珠岩粉、硅藻土、活性炭、白陶土 其他过滤介质
金属过滤介质、多孔陶瓷、多孔玻璃、塑料
（四）提高过滤速度的主要措施
2.改善悬浮液的物理性质 （1）降低液体粘度：加热 （2）增大滤饼层毛细管直径，减少弯曲因子 （3）先自然沉降再过滤 3.添加助滤剂
使用助滤剂的条件
c.活塞排渣碟片式离心机
5.螺旋卸料沉降离
心机
卧式和立式螺旋卸料沉降离心机结构示 意图：(a)卧式；(b)立式 1－进料管；2－三角皮带轮；3－右轴承； 4－螺旋输送器；5－进料空；6－机壳；7－转 鼓；8－左轴承；9－行星差速器；10－过载保 护装置；11－溢流孔；12－排渣孔
WL型卧式螺旋卸料 过滤离心机
力强度可达15000～65000， 处理能力为0.1～0.4m3/h ，
适合的固体粒子粒径为
0.01～100μ m，常用于微生
物菌体和蛋白质的分离等。
1 电机支架 2 驱动装置 3 环形堰板 4 排液管 5 轻液 6 重液 7 转鼓 8 固体 9 制动器 10 机架 11 液 体入口
3.多室式离心机
中的可溶性盐。
（二）过滤机理
1.表面筛滤：单丝平纹编织网 2.深沉过滤：多数毡子
3.滤饼过滤：滤布
4.深层过滤：过滤片、多孔陶瓷
（三）影响过滤的因素
nπd⊿P
V＝
128uL
v:过滤速度
n:毛细孔道数
⊿P:过滤介质两端压强差 u:滤液粘度 L:厚度 d:毛细孔道直径
1.混合物中悬浮微粒的性质和大小 2.混合液的黏度 3.过滤介质两面的压力差
(四)离心沉降及设备
1.瓶式离心机
实验室常用的低、中、
高速离心机，转速3000～
15000rpm，其转子常为外
摆式或角式，操作一般在 室温下进行，也有配备冷 却装置的冷冻离心机。
2.管式离心
机
一根直管形的转筒,其直
径较小，长度较大，转速很 高，可达到50000rpm，转筒
直径一般为40～150mm，离心
4.碟片式离心机
有一密封的转鼓，内装
10～100个锥顶角为60～100
o
锥形碟片，悬浮液→转鼓→碟
片间隙向碟片内缘流动→颗粒
沉降到碟片内表面上后向碟片 外缘滑动→沉积到鼓壁上。碟 片间距离一般为0.5～2.5mm， 离心力强度可达3000～10000。
a．人工排渣的碟片离心机 抗生素、疫苗、菌体收集 b．喷嘴排渣碟片式离心机 抗生素、酶、氨基酸、淀粉、 糖蜜的浓缩
颗粒或生物大分子物质在离心力场中沉降速度
的量度，定义为：颗粒在单位离心力场中粒子移
动的速度。 一定距离内，某物质在单位离心力场中移动的 时间来表示；绝大多数在1～200×10-13秒范围 实际运用时把1×10-13 作为一个量纲
3.分离因数
衡量离心分离机性能的主要指标，离心 加速度与重力加速度的比值。
4.过滤介质的特性
（四）提高过滤速度的主要措施
1.选择适当的过滤介质
（1）选择过滤介质时应主要考虑的因素
孔径大小适于截留被分离的固体微粒
空的数量多，孔道短且不弯曲
耐酸碱且化学稳定性好 有一定的机械强度，易于回收 再生方便，使用寿命长，成本低
（2）工业上常见的过滤介质
织物介质 纺织滤布 无纺滤布
悬浮液中固体粒子浓度很低 需要得到高澄清度的滤液 滤饼的颗粒太小而粘度太大 硅藻土、珍珠岩、 纤维素、炭粉
助滤剂应具备的条件
孔隙率在70％以上 压缩性指数在0.3以下 粒径在1um以上，球形较好 密度要大于滤液密度 不与液体发生反应 沉降不能太快
基本用法
预敷涂层法:先预铺一 层助滤剂 支持体添加法：滤浆中 添加助滤剂，用量与滤浆 中固体成分等量，0.2～ 0.8g/100ml
（4）故障诊断及排除
板块本身的损坏 板框间渗水 形不成滤饼或滤饼不均匀 滤板行动迟缓或易掉 液压系统的故障
2. 预涂式叶片式过滤机
（1）基本结构
A-机壳；B-原料泵；C-循环桶；D-计量泵；E-流量计；F-视镜；G-电 动机；H-安全阀；L-碟形活门操作手柄；M-粗滤器；N-残渣过滤器； O-压力表；P-视镜；Q-清洗喷水管；1～18阀门
理的样品量则可大幅提高。因此，离心
F m r
r RCF g
2
2
机转子室能够承受的RCF是离心机性能 的重要参数。
RCF
1.11910 (rpm) r
2
5
2 rpm rpm 60 30
2.沉降系数（sedimentation coefficient, S ）
V
δ ﹥ρ ：颗粒沉于底部 δ ＝ρ ：达平衡状态 δ ﹥ρ ：漂于溶剂上方
2.固相颗粒形状和浓度
分子量相同、形状不同的固相颗粒物质在离心 力的作用下可有不同的沉降速率; 料液浓度增加到一定程度,物质颗粒的沉降还 会出现浓度阻滞即拖尾现象。
3.液相粘滞度与离心分离工作 液相粘滞度是沉降过程中产生摩擦阻力的主要原因， 其变化受液体溶质性质、含量及环境温度的影响。
SGZ型三足式刮刀卸料自动离心机
过滤分离技术
• 生活实例1： 家庭自制豆腐、滤勺 生活实例2： 水中漂浮物处理
教育技术中心
Hale Waihona Puke 二、知识技能介绍（一）过滤的概念
在外力作用下，使悬浮 液中的液体通过多孔介质的 孔道，而悬浮液中的固体颗 粒被截留在介质上，从而实
滤浆 滤饼 过滤介质
现固、液分离的操作
该转头工作时所能产生MAXRCF＝
1.119×7.18×(104)2 ×10－5。转头承受 lg的负载变为8000g负载。如果转速升 至105 rpm，转头承受lg的负载变为
1.离心力与相对离心力
8×105g。如果转速降至103 rpm，转头 承受1g的负载变为80g，这样离心机的 制造难度便大为降低、一次离心能够处
转鼓内有若干同心圆筒组成若干同 心环状分离室，有3-7个分离室,离心 力强度为2000～8000，处理能力为 2.5～10m3/h 。
多室离心机的出渣比较困难，一般在运转一段时间后，待分离 液澄清度不符合要求时，停机清理。 适于处理直径大于0.1μ m的颗粒，固相浓度小于5％的悬浮液， 常用于抗菌素液-液萃取分离，果汁和酒类饮料的澄清等。
1.2.2. 固液分离-离心分离技术
（一）概述
1.离心分离的概念
利用惯性离心力、物质的沉降系数，或浮力密度的不同 而进行的一项分离、浓缩或提炼操作。
2.应用范围：
可用于悬浮液中液体或固体的直接回收,而且可用 于两种互不相溶液体的分离,如液-液萃取，和不同密 度固体或乳浊液的分离
3.离心分离的形式 ①离心沉降：利用固液
两相的相对密度差，在离
心机无孔转鼓或管子中进 行悬浮液的分离操作；
教育技术中心
②离心过滤：利用离心 力并通过过滤介质，在有孔
转鼓离心机中分离悬浮液的
操作；
•
教育技术中心
③离心分离和超离
心：利用不同溶质颗粒
在液体中各部分分布的 差异，分离不同相对密 度液体的操作。
•
Fd
球形颗粒沉降的受力情况
R转头7.18㎝，MAXRPM为104 rpm，则
纺织滤布 无纺滤布
原料纤维 四酮纺丝 四酮纺丝 过滤层 三维 三维 过滤机理 滤饼 深层和滤饼 310～330 质量g/㎡ 310～330 0.65～0.7 0.65～0.7 布厚 常用温度 ﹤130℃ ﹤130℃
无石棉滤板（正ξ电位深层过滤板）
由极细纤维、细硅藻 土合成聚合物树脂； 厚度2.3～4.6㎜，孔 隙率达70～85％；
滤液
多孔介质称为过滤介质；所处理的悬浮液称为滤
浆；滤浆中被过滤介质截留的固体颗粒称为称为滤
饼或滤渣；通过过滤介质后的液体称为滤液；
驱使液体通过过滤介质的推动力可以有重力、压 力（或压差）和离心力； 过滤操作的目的一是获得清净的液体产品，也可 是得到固体产品；
洗涤的作用：回收滤饼中残留的滤液或除去滤饼