生物分离工程 第2章过滤(发酵液预处理和固液分离)

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。
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
3.色素的去除
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
作业 2
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？
深层过滤
四.改善过滤方法**
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： 发酵液的预处理和固液分离 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
(三.凝聚与絮凝) **
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+ **
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.
发酵液的预处理和固液分离
三.影响过滤的因素**
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）× l012 m／kg左
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。
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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
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。
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。
图2.1絮凝剂的添加量对过滤速率的影响
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。
常用电解质：硫酸铝，氧化铝，三氯化铁等。
**
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
2).絮凝剂的化学结构要求
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
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。
三.发酵液的预处理方法**
㈠ 降低液体粘度 ㈡ 调整pH ㈢ 凝聚与絮凝 ㈣ 惰性助滤剂
(一)降低液体粘度**
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
二.调节PH **
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 pH>pI 碱性条件 负电荷 pH<pI 酸性条件 正电荷 等电点下，两性物质的溶解度最小
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。
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- 1.0 MPa 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。
1.无机离子的去除**
Ca2＋
Mg2＋ Fe3＋
草酸钠
草酸钙
MgNa3P3O10＋2Na+
三聚磷酸钠 黄血盐 普鲁士兰沉淀
Fe4[Fe(CN)6]3 ＋12K+
Na5P3O10＋ Mg2+ 3K4Fe(CN)6＋4 Fe3+
2.杂质蛋白的去除**
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
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
两种过滤 方式
表面过滤 滤浆 洗涤液
深层过滤 洗液
滤液
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。
其分子中含有相当多的活性官能团 ，使之与胶粒表面结合
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。
(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。
第二节过滤(固液分离过程)
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**
一.过滤**
1.原理：
悬浮液通过过滤介质，固体颗粒与溶液分离
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 。

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