生物工程设备 第八章 过滤 离心与膜分离设备

第一节 发酵液的预处理
一、发酵液过滤特性的改变
微生物发酵液的成分极为复杂，其中除了所培养的微生物菌体 及残存的固体培养基外，还有未被微生物完全利用的糖类、无机盐、 蛋白质，以及微生物的各种代谢产物。
1.微生物发酵液的特性为：
(1)发酵产物浓度较低，大多为1-10%，悬浮液中大部分是水； (2)悬浮物颗粒小，相对密度与液相相差不大； (3)固体粒子可压缩性大； (4)液相粘度高 ，大多为非牛顿型流体； (5)性质不稳定，随时间变化，如易受空气氧化、微生物污染、 蛋白酶水解等作用的影响。
Fig.10-5 Coagulation
Leabharlann Baidu
①凝聚
发酵液中的细胞、菌体或蛋白质等胶体粒子双电层 的结构使胶粒之间不易聚集而保持稳定的分散状态。
阳离子对带负电荷的胶粒凝聚能力的次序为：
Al3+ >Fe3+ >H+ >Ca2+ >Mg2+ >K+ >Na+ >Li+
常用的凝聚剂电解质有：
硫酸铝 Al2(SO4)3•18H2O（明矾）； 氯化铝 AlCl3•6H2O; 三氯化铁 FeCl3; 硫酸亚铁 FeSO4·7H2O ； 石灰；ZnSO4；MgCO3
的(3进)凝行。聚与絮凝
采用凝聚和絮凝技术能有效改变细胞、细胞碎片及溶解大分子物质 的分散状态，使其聚结成较大的颗粒，便于提高过滤速率。另外，还 能有效地除去杂蛋白和固体杂质，提高滤液质量。
2.改变发酵液特性的方法
①凝聚——指在电解质作用下，由于胶粒之间双电层电排 斥作用降低，电位下降，而使胶体体系不稳定的现象； ②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。
工业上使用的絮凝剂可分为三类：
1）合成有机高分子聚合物，如聚丙烯酰胺类衍生物、聚 苯乙烯类衍生物； 2）无机高分子聚合物，如聚合铝盐、聚合铁盐等； 3）天然有机高分子絮凝剂，如聚糖类胶粘物、海藻酸钠、 明胶、骨胶、壳聚糖、脱乙酰壳聚糖等。
目前最常见的高分子聚合物絮凝剂
有机合成的聚丙烯酰胺（polyacrylamide）类衍生物
第八章 过滤 离心与膜分离设备
前言
❖ 过滤速率的强化
➢
发酵液的预处理
➢
过滤介质选择
❖ 过滤设备
➢
板框式及板式压滤机
➢
真空过滤机
❖ 离心分离设备
➢
分离原理与分离因数
➢
常用离心机结构及选型
❖ 膜分离设备
➢
膜分离方法
➢
膜分离设备
第一节 过滤分离操作
过滤是分离悬浮液最普遍和最有效的单元操作之一
过滤：以某种多孔物 质为介质，在外力作 用下，使悬浮液中的 液体通过介质的孔道， 而使固体颗粒被截留 在介质上，从而实现 固、液分离的单元操 作。
②絮凝
a.絮凝剂是一种能溶于水的高分子聚合物，其相对分子质量可高达数 万至一千万以上，长链状结构，其链节上含有许多活性官能团，包括 带电荷的阴离子（如---COOH）或阳离子（如---NH2）基团以及不带 电荷的非离子型基团。 b.它们通过静电引力、范德华引力或氢键的作用，强烈地吸附在胶粒 的表面。 c.当一个高分子聚合物的许多链节分别吸附在不同的胶粒表面上，产 生桥架联结时，就形成了较大的絮团，这就是絮凝作用。
根据活性基团在水中解离情况不同，可分为三类： ① 非离子型、 ② 阴离子型（含有羧基） ③ 阳离子型（含有胺基）
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。
2.改变发酵液特性的方法
(1)降低液体粘度
根据流体力学原理，滤液通过滤介质的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。注意 加热温度与时间，不影响产物活性和细胞的完整性。
(2)调整pH
pH值直接影响发酵液中某些物质的电离度和电荷性质，适当调节 pH值可改善其过滤特性。氨基酸、蛋白质等电点的调节；在膜过滤 中，发酵液中的大分子物质易与膜发生吸附，通过调整pH值改变易吸 附分子的电荷性质，即可减少堵塞和污染；❖细胞、细胞碎片及某些胶 体物质等在某个pH值下也可能趋于絮凝而成为较大颗粒，有利于过滤
聚丙烯酰胺类絮凝剂的应用
医药和食品工业：聚丙烯酸类阴离子絮凝剂（无毒），聚苯乙烯类衍 生物，无机高分子聚合物絮凝剂（聚合铝盐、聚合铁盐等），天然有 机高分子絮凝剂（多聚糖类胶粘物、海藻酸钠、明胶、骨胶、壳多糖、 脱乙酰壳多糖等）。
③混凝
a.对于带负电荷的菌体或蛋白质来 说，采用阳离子型高分子絮凝剂同 时具有降低胶粒双电层电位和产生 吸附桥架的双重机理；
常用的助滤剂有： 硅藻土、纤维素、石棉粉、白土、炭粒、淀粉等， 最常用的是硅藻土。使用硅藻土时，通常细粒用量为500 g/m3；中等 粒度用量为700 g/m3；粗粒用量为700-1000 g/m3。
(5)加入反应剂
（1）加入反应剂和某些可溶性盐类发生反应生成不溶性沉淀，如 CaSO4，AlPO4等。生成的沉淀能防止菌丝体粘结，使菌丝具有块状结 构，沉淀本身可作为助滤剂，且能使胶状物和悬浮物凝固，改善过滤性 能；（2）如发酵液中含有不溶性多糖物质，用酶将其转化为可溶性单 糖，以提高过滤速率。如万古霉素用淀粉作培养基，发酵液过滤前加入 0.025%的淀粉酶，搅拌30min后，再加2.5%硅藻土助滤剂，可提高 过滤效率5倍
3. 杂蛋白的去除方法
(1) 沉淀法
蛋白质一般以胶体状态存在于发酵液中。
特 在酸性溶液中带正电荷； 征 在碱性溶液中带负电荷。
在某一pH下，净电荷为零，溶解度最小，称为等电点。
酸碱调节，使蛋白质与盐或离子形成沉淀
①在酸性溶液中，蛋白质与一些阴离子，如三氯乙酸盐、水杨 酸盐、钨酸盐、苦味酸盐、鞣酸盐、过氯酸盐等形成沉淀； ②在碱性溶液中，蛋白质与一些阳离子，如Ag+、Cu++、 Zn++、Fe+++和Pb++等形成沉淀。
b. 对于非离子型和阴离子型高分 子絮凝剂而言，可以通过添加电解 质产生凝聚作用，并结合自身的絮 凝机理能提高过滤效果，这种包括 凝聚和絮凝机理的过程，称为混凝。阳离子型高分子絮凝剂
2.改变发酵液特性的方法
(4)加入助滤剂
一种不可压缩的多孔微粒，它能使滤饼疏松，滤速增大。悬浮液中大 量的细微胶体粒子被吸附到助滤剂的表面上，改变了滤饼结构，降低了 过滤阻力。