第五章_过滤、离心与膜分离设备

（6）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30 min后，再加2.5%硅藻土助滤剂，可提高过滤效率5倍。
① 凝聚 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。 凝聚作用就是向 胶体悬浮中加入某种 电解质，在电解质中异电离子作用下，胶 粒的双电层电位降低，使胶体体系不稳定 ，胶体粒子间因相互碰撞而产生凝聚的现 象。
图5-1 胶体结构和双电层示意图
4

6 3 8 7 4 5
图5-3 板框压滤机结构图 1-固定端板 2-滤布 3-板框支座 4-可动端板 5-支撑 横梁 6-过滤板 7-滤框 8-洗涤板

图5-4 滤板和滤框
（1）过滤板 （2）滤框 （3）洗涤框 1-料液通道 2-滤液出口 3-滤液或洗液出口 4-洗液通道
⑤ 操作 过滤 滤布 洗涤 过滤 卸渣 过滤 清洗
《生物工程设备》
Bioengineering Equipment 第5章 过滤、离心与膜分离设备

5.1过滤速度的强化 5.2过滤设备 5.3离心设备 5.4膜过滤设备

5.1过滤速度的强化
5.1.1发酵液的预处理 目的：
①分离菌体和其他悬浮颗粒
②除去部分可溶性杂质 ③改变滤液的性质——以利于后继各工序的顺利进行
•
•
酸碱变性：如在抗生素生产中，常将发酵液pH调至pH2～3或pH8～9 使蛋白质凝固。
有机溶剂变性：如酒精、丙酮等使蛋白质凝固。
③ 吸附法 ——加入某些吸附剂或沉淀剂吸附杂蛋白质而除去

5.2过滤设备
常压 过滤 加压
真空
固 -液分离 沉降
重力沉降 离心沉降 过滤式离心 沉降式离心
B、滤饼比阻力的异常性与过滤速度的强化 ① 降低滤饼比阻力r0增大毛细孔直径d，滤饼阻力r0下降 采用方法： 添加电解质、絮凝剂、凝固剂：d 增大； 加助滤剂：小粒子附于其上成大粒子，d增大； 加热：胶体粒子变性凝固，d 增大； 调pH：蛋白质等电点，溶解度变小或凝固，d 增大。 ② 降低滤液粘度η 升温 使粘度η下降； 加酶 热敏性物料用加酶法。 ③降低悬浮液中悬浮固体的浓度 工艺方面 主要从培养基方面考虑 设备方面 用连续能除渣的设备 ④热处理 热处理能使蛋白质等胶体粒子变性凝固，d 增大，使 过滤速度大为提高。 ⑤提高过滤压力差ΔP 允许压差操作≤0.3 MPa 开始压力小，逐步提高压力。


5.2.2 过滤设备
常压、加压、真空等过滤设备。 （1）板框式压滤机 ① 应用 培养基制备的过滤及霉菌、放线菌、酵母菌和细菌等多种发酵液 的固液分离。适合于固体含量1-10%的悬浮液的分离。
② 优点 过滤面积大，结构简单，价格低，动力消耗少，对不同过滤特性的 发酵液适应性强。 ③ 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。
目前最常用的絮凝剂为有机合成的聚丙烯酰胺（polyacrylamide）类 衍生物。源自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。
（4）过滤速率的强化 A、过滤速率
dV 1 pA dt r0l R
式中 V — 滤液体积，m3 t — 过滤时间，s η— 滤液黏度，Pa•s Δp — 过滤压力差，Pa A — 过滤面积，m2 r0 — 滤饼的体积比阻力，1/m2 l — 滤饼厚度，m R — 滤布阻力，1/m
（5-1）

滤布张紧装置 滤布驱动滚筒 滤板 滤浆 滤框 滤饼推出板 滤液 滤板 滤布 防止滤布蛇形装置 滤框 滤饼 滤布
（1）过滤与洗饼
（2）降框，卸饼及洗刷滤布
图8-3 型自动板框过滤机 图 5-5 IFP型自动板框过滤机
（2）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 布的清洗等操作都自动进行，大大缩短了间歇时间，并减轻劳动强度。 该板框过滤机的板框在构造上与传统的无多大差别，唯一不同是板 与框的两边侧上下有四只开孔角耳，构成液体或气体的通路。滤布不需 要开孔，是首尾封闭的。
恒压过滤：将过滤操作的推动力维持在某一不变的压力下进行。 恒速过滤：操作中以恒定的流量向过滤机供料以维持过滤速率不变。

（2）生物物料过滤特点
① 微生物发酵液中含有大量菌体、细胞或细胞碎片以及残余的固体 培养基成分。 ② 饼有高度可压缩性。 ③ 胶体粒子能吸水，形成不流动的液体层，过滤阻力增大。 ④ 在过滤操作中，要求滤速快、滤液澄清，并且有高的收率。 根据过滤机理，过滤操作可分为澄清过滤和滤饼过滤。
或污染，影响过滤速率。

（1）高价无机离子的除去
① Ca2+
——加草酸钠沉淀 C2O4Na2 + Ca2+ → C2O4Ca↓ + 2Na+
② Mg2+
——加三聚磷酸钠形成络合物 Na5P3O10 + Mg2+ →MgNa3P3O10 + 2Na+
③ Fe2+
——加入黄血盐，形成普鲁士蓝沉淀
例如：去除蛋白质：
提高絮凝剂的絮凝效果。
（5）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。
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。

① 过滤和洗饼
a. 悬浮液从板框上部的两条通道流入滤框； b. 滤液在压力的作用下，穿过在滤框前后两侧的滤布，沿滤板表面流 入下部通道，最后流出机外； c. 清洗滤饼也按照此路线进行。

④ 结构组成 a. 滤板和滤框间隔排列，框两侧覆以滤布，形成空腔供滤板支撑、 压紧； b. 滤板的作用：支撑滤布，提供滤液流出的通道。正方形，角端开 有小孔，两面制成沟槽，与滤出口和洗水孔道连通；
c. 滤框的作用：提供滤 浆进入的空间，容纳滤饼 ，总框数由其生产能力和 悬浮液固体浓度确定。 滤液引出方式：明流和 暗流。

5.1.2 生物反应液的相对纯化
• 生物反应液中的杂质不仅直接影响产品质量和收得率，同时对后继提 取和精制有很大影响。
•
高价无机离子（Ca2+、Mg2+ 、Fe2+ 等）——影响离子交换法提取时树
脂的交换容量。
•
可溶性杂蛋白质——影响离子交换和吸附法提取时的交换容量和吸附
能力；萃取时易产生乳化现象，使两相分离不清；膜过滤时，易堵塞

（2）杂蛋白质的除去
① 沉淀法
• •
酸性溶液：加阴离子沉淀，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。 碱性溶液：加阳离子沉淀，如Ag+、Cu2+ 、Zn2+ 、Fe3+ 、Pb2+ 等。
② 变性法
•
加热变性：70～80℃，30min，蛋白质大多变性沉淀。
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 ② 絮凝 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。
离心
14

5.2.1过滤分离
（1）基本概念 过滤介质：一种能让液体通过，将固体粒子截留的介质。 滤渣：滤浆中的固体粒子 滤饼：被截留在过滤介质上的滤渣 滤液：滤过的液体
滤饼过滤：悬浮液中的颗粒沉积在过滤介质表面形成滤饼层，滤液穿过 滤饼层中的空隙流动叫做滤饼过滤。 深层过滤：固体颗粒不形成滤饼，而是沉积在过滤介质内部叫做深层过 滤。
③ 混凝（凝聚+絮凝）
•
凝聚的特点是密度大，下沉速度快，但颗粒小；絮凝的特点是密度小， 下沉速度慢，而颗粒较大。它们单独使用时效果较差，所以絮凝剂常 与无机电解质凝聚剂搭配使用 。
首先加入电解质，使悬浮粒子间的双电层电位降低、脱稳、凝聚成微 粒，然后再加入絮凝剂絮凝成较大的颗粒。
发酵液预处理的方法：
加热、凝聚和絮凝、加入盐类、调节pH、加入助滤剂等。

（1）加热 加热处理只是用于对热稳定的目标产物。
（2）凝聚与絮凝 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。
澄清过滤： 过滤介质为硅藻土、砂、颗粒活性炭、玻璃珠、塑料颗粒等，当 悬浮液通过滤层时，固体颗粒被阻拦或吸附在滤层的颗粒上，使滤液 得以澄清，适合于固体含量少于 0.1 g/100mL 、颗粒直径在 5-100μm的 悬浮液的过滤分离，如河水、麦芽汁、酒类和饮料等的澄清。

滤饼过滤： 过滤介质为滤布，包括天然或合成纤维织布、金属织布、玻璃纤维 纸、合成纤维等无纺布。当悬浮液通过滤布时，固体颗粒被滤布阻拦 而逐渐形成滤饼（滤渣）。当滤饼至一定厚度时即起过滤作用，此时 即可获得澄清的滤液，这种方法叫做滤饼过滤，在滤饼过滤中，悬浮 液 本身形成 的滤饼 起着主 要的过滤 作用 ，适 合于固体 含量 大 于 0.1 g/100mL的悬浮液的过滤分离。