1、發(fā)酵液的預(yù)處理和菌體的發(fā)酵液的預(yù)處理和菌體的 回收回收 第二章第二章 發(fā)酵液成分很復(fù)雜，包含菌（細(xì)胞）體，胞內(nèi)發(fā)酵液成分很復(fù)雜，包含菌（細(xì)胞）體，胞內(nèi) 外代謝產(chǎn)物，及剩余的培養(yǎng)基殘分等。不管人們所外代謝產(chǎn)物，及剩余的培養(yǎng)基殘分等。不管人們所 需要的產(chǎn)物是胞內(nèi)還是胞外，都需要的產(chǎn)物是胞內(nèi)還是胞外，都首先要進(jìn)行培養(yǎng)液首先要進(jìn)行培養(yǎng)液 的預(yù)處理和固液分離開，才能進(jìn)行后續(xù)操作的預(yù)處理和固液分離開，才能進(jìn)行后續(xù)操作： 對(duì)于胞外產(chǎn)物，可先將菌體或其他懸浮雜質(zhì)去對(duì)于胞外產(chǎn)物，可先將菌體或其他懸浮雜質(zhì)去 處，才能從澄清的濾液中提取代謝產(chǎn)物。處，才能從澄清的濾液中提取代謝產(chǎn)物。 對(duì)于胞內(nèi)產(chǎn)物，首先富集菌體，再進(jìn)

2、行細(xì)胞破對(duì)于胞內(nèi)產(chǎn)物，首先富集菌體，再進(jìn)行細(xì)胞破 碎和碎片分離，然后提取胞內(nèi)產(chǎn)物。碎和碎片分離，然后提取胞內(nèi)產(chǎn)物。 2.12.1 懸浮液的基本特性懸浮液的基本特性 一、懸浮液一、懸浮液 通常是指固體顆粒度在通常是指固體顆粒度在1010-5 -5cm cm以上的固液分散體系，以上的固液分散體系， 生物細(xì)胞培養(yǎng)液基本上也是懸浮液。生物細(xì)胞培養(yǎng)液基本上也是懸浮液。 其中大部分是其中大部分是水水，其次是，其次是微生物微生物或或動(dòng)植物細(xì)胞動(dòng)植物細(xì)胞或或碎碎 片片及少量及少量未用完的培養(yǎng)基未用完的培養(yǎng)基，除此之外還有一定量的，除此之外還有一定量的代謝代謝 產(chǎn)物產(chǎn)物。 工業(yè)生物技術(shù)中典型的固體粒子工業(yè)生物技

3、術(shù)中典型的固體粒子 二、懸浮液的基本特性二、懸浮液的基本特性 微生物發(fā)酵液的特性為：微生物發(fā)酵液的特性為： 發(fā)酵產(chǎn)物濃度較低，大多為發(fā)酵產(chǎn)物濃度較低，大多為1-10%， 懸浮液中大部分是水；懸浮液中大部分是水； 懸浮物顆粒小，相對(duì)密度與液相相差懸浮物顆粒小，相對(duì)密度與液相相差 不大；不大； 液相粘度大，大多為非牛頓型流體；液相粘度大，大多為非牛頓型流體； 性質(zhì)不穩(wěn)定，隨時(shí)間變化，如易受空性質(zhì)不穩(wěn)定，隨時(shí)間變化，如易受空 氣氧化、微生物污染、蛋白酶水解等氣氧化、微生物污染、蛋白酶水解等 作用的影響。作用的影響。 2.22.2 懸浮液的預(yù)處理懸浮液的預(yù)處理 n為什么要對(duì)發(fā)酵液進(jìn)行預(yù)處理？為什么要對(duì)

4、發(fā)酵液進(jìn)行預(yù)處理？ n預(yù)處理的目的是什么？預(yù)處理的目的是什么？ n預(yù)處理有哪些方法？預(yù)處理有哪些方法？ 固液分離方法主要是過濾和離心。固液分離方法主要是過濾和離心。 對(duì)于細(xì)菌及某些放線菌，菌體細(xì)小，液體粘度大，不對(duì)于細(xì)菌及某些放線菌，菌體細(xì)小，液體粘度大，不 能直接過濾，若用高速離心，能耗很大，設(shè)備昂貴。若用能直接過濾，若用高速離心，能耗很大，設(shè)備昂貴。若用 膜分離技術(shù)（如微濾）易產(chǎn)生膜污染，通量降低。膜分離技術(shù)（如微濾）易產(chǎn)生膜污染，通量降低。 發(fā)酵液中由于菌體自溶，核酸、蛋白質(zhì)及其它有機(jī)粘發(fā)酵液中由于菌體自溶，核酸、蛋白質(zhì)及其它有機(jī)粘 性物質(zhì)的存在也會(huì)影響固液分離。性物質(zhì)的存在也會(huì)影響固液

5、分離。 一、預(yù)處理的目的一、預(yù)處理的目的 為什么要對(duì)發(fā)酵液進(jìn)行預(yù)處理？為什么要對(duì)發(fā)酵液進(jìn)行預(yù)處理？ 因而尋找一種經(jīng)濟(jì)有效的方法因而尋找一種經(jīng)濟(jì)有效的方法(發(fā)酵液預(yù)處理發(fā)酵液預(yù)處理)來提高固液分來提高固液分 離速度顯得十分必要。離速度顯得十分必要。 一、預(yù)處理的目的一、預(yù)處理的目的 （1）改變發(fā)酵液的物理性質(zhì)，促進(jìn)從懸浮液）改變發(fā)酵液的物理性質(zhì)，促進(jìn)從懸浮液 中分離固形物的速度，提高固液分離器的效率；中分離固形物的速度，提高固液分離器的效率； （2）盡可能使產(chǎn)物轉(zhuǎn)入便于后處理的一相中）盡可能使產(chǎn)物轉(zhuǎn)入便于后處理的一相中 （多數(shù)是液相）；（多數(shù)是液相）； （3）去除發(fā)酵液中的部分雜質(zhì)，以利于后續(xù)）

6、去除發(fā)酵液中的部分雜質(zhì)，以利于后續(xù) 各步操作。各步操作。 對(duì)發(fā)酵液進(jìn)行預(yù)處理的目的？對(duì)發(fā)酵液進(jìn)行預(yù)處理的目的？ 促進(jìn)從懸浮液中分離固形物的速度，提高固液分離的效率促進(jìn)從懸浮液中分離固形物的速度，提高固液分離的效率 通過對(duì)發(fā)酵液進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)處理，即可改善其流體通過對(duì)發(fā)酵液進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)處理，即可改善其流體 性能，降低濾餅比阻，提高過濾與分離的速率。性能，降低濾餅比阻，提高過濾與分離的速率。 1. 降低液體粘度降低液體粘度 根據(jù)流體力學(xué)原理，濾液通過濾餅的速率與液體的根據(jù)流體力學(xué)原理，濾液通過濾餅的速率與液體的 粘度成反比，降低液體粘度可有效提高過濾速率。粘度成反比，降低液體粘度可有效提高過濾速率。

7、 有有加水稀釋法和加熱法加水稀釋法和加熱法 二、預(yù)處理的方法二、預(yù)處理的方法 一般加熱的溫度采用一般加熱的溫度采用6580。不同的蛋白質(zhì)其開始。不同的蛋白質(zhì)其開始 變性沉淀的溫度不同。變性沉淀的溫度不同。最簡(jiǎn)單也是最廉價(jià)的發(fā)酵液預(yù)處最簡(jiǎn)單也是最廉價(jià)的發(fā)酵液預(yù)處 理方法理方法。通過對(duì)發(fā)酵液進(jìn)行加熱處理可以達(dá)到幾個(gè)目的：。通過對(duì)發(fā)酵液進(jìn)行加熱處理可以達(dá)到幾個(gè)目的： 降低發(fā)酵液粘度，改善固液分離條件；降低發(fā)酵液粘度，改善固液分離條件； 除去部分熱敏性的雜質(zhì)，如雜蛋白；除去部分熱敏性的雜質(zhì)，如雜蛋白； 同時(shí)，在適當(dāng)溫度和受熱時(shí)間下可使發(fā)酵液中的蛋白同時(shí)，在適當(dāng)溫度和受熱時(shí)間下可使發(fā)酵液中的蛋白 質(zhì)由于

8、變性而凝聚，形成較大顆粒的凝聚物，發(fā)酵液質(zhì)由于變性而凝聚，形成較大顆粒的凝聚物，發(fā)酵液 的粘度就會(huì)隨之降低，進(jìn)一步改善了發(fā)酵液的過濾特的粘度就會(huì)隨之降低，進(jìn)一步改善了發(fā)酵液的過濾特 性。性。 使發(fā)酵液獲得巴氏滅菌的作用。使發(fā)酵液獲得巴氏滅菌的作用。 前提前提是目的產(chǎn)物必須為非熱敏性的是目的產(chǎn)物必須為非熱敏性的。注意加熱溫度與時(shí)間，注意加熱溫度與時(shí)間， 不影響產(chǎn)物活性和細(xì)胞的完整性。不影響產(chǎn)物活性和細(xì)胞的完整性。 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 熱處理常常會(huì)對(duì)發(fā)酵液質(zhì)量有些影響，特別是會(huì)熱處理常常會(huì)對(duì)發(fā)酵液質(zhì)量有些影響，特別是會(huì)使使 色素增多色素增多。而且，溫度升高常使。而且，溫度升高常使發(fā)酵液中的一些水解酶活發(fā)

9、酵液中的一些水解酶活 力升高力升高，被分離產(chǎn)物有受酶水解的危險(xiǎn)。，被分離產(chǎn)物有受酶水解的危險(xiǎn)。 因此，熱變性最好在硫酸銨溶液中進(jìn)行，另外，選擇因此，熱變性最好在硫酸銨溶液中進(jìn)行，另外，選擇 合適的緩沖液、合適的緩沖液、pH、加熱方式和加熱過程也很重要。、加熱方式和加熱過程也很重要。 新進(jìn)展：新進(jìn)展： 為了提高產(chǎn)物在下游分離過程中的活力穩(wěn)定性，人們對(duì)為了提高產(chǎn)物在下游分離過程中的活力穩(wěn)定性，人們對(duì)耐耐 高溫型的基因工程產(chǎn)品（如蛋白酶等）的關(guān)注日益加強(qiáng)高溫型的基因工程產(chǎn)品（如蛋白酶等）的關(guān)注日益加強(qiáng)，不，不 斷有耐高溫的產(chǎn)品出現(xiàn)，這也斷有耐高溫的產(chǎn)品出現(xiàn)，這也使得采用升高溫度的處理方法使得采用升高

10、溫度的處理方法 可行性和可操作性更強(qiáng)可行性和可操作性更強(qiáng)。而且，原來為了防止產(chǎn)品失活而。而且，原來為了防止產(chǎn)品失活而消消 耗的制冷能耗也可以節(jié)省，并簡(jiǎn)化了分離步驟耗的制冷能耗也可以節(jié)省，并簡(jiǎn)化了分離步驟。 極端微生物極端微生物 嗜熱微生物產(chǎn)生的耐高溫酶嗜熱微生物產(chǎn)生的耐高溫酶 pH值直接影響發(fā)酵液中某些物質(zhì)的電離度和電荷值直接影響發(fā)酵液中某些物質(zhì)的電離度和電荷 性質(zhì)，適當(dāng)調(diào)節(jié)性質(zhì)，適當(dāng)調(diào)節(jié)pH值可改善其過濾特性。值可改善其過濾特性。 氨基酸、蛋白質(zhì)等電點(diǎn)的調(diào)節(jié)；氨基酸、蛋白質(zhì)等電點(diǎn)的調(diào)節(jié)；在膜過濾中，發(fā)在膜過濾中，發(fā) 酵液中的大分子物質(zhì)易與膜發(fā)生吸附，通過調(diào)整酵液中的大分子物質(zhì)易與膜發(fā)生吸附，

11、通過調(diào)整pH值值 改變易吸附分子的電荷性質(zhì)，即可減少堵塞和污染；改變易吸附分子的電荷性質(zhì)，即可減少堵塞和污染； 細(xì)胞、細(xì)胞碎片及某些膠體物質(zhì)細(xì)胞、細(xì)胞碎片及某些膠體物質(zhì)等在某個(gè)等在某個(gè)pH值下值下 也可能趨于絮凝而成為較大顆粒，有利于過濾的進(jìn)行。也可能趨于絮凝而成為較大顆粒，有利于過濾的進(jìn)行。 主要有主要有等電點(diǎn)沉淀法等電點(diǎn)沉淀法 2. 調(diào)整調(diào)整pH 采用凝聚和絮凝技術(shù)能有效采用凝聚和絮凝技術(shù)能有效改變細(xì)胞、細(xì)胞碎片及改變細(xì)胞、細(xì)胞碎片及 溶解大分子物質(zhì)的分散狀態(tài)溶解大分子物質(zhì)的分散狀態(tài)，使其聚結(jié)成較大的顆粒，使其聚結(jié)成較大的顆粒， 便于提高過濾速率。另外，還能有效地便于提高過濾速率。另外，還

12、能有效地除去雜蛋白和固除去雜蛋白和固 體雜質(zhì)體雜質(zhì)，提高濾液質(zhì)量。提高濾液質(zhì)量。 3. 凝聚與絮凝凝聚與絮凝 常用于菌體細(xì)小而且粘度大的發(fā)酵液的預(yù)處理中常用于菌體細(xì)小而且粘度大的發(fā)酵液的預(yù)處理中 這兩種方法的這兩種方法的特點(diǎn)特點(diǎn)是不僅能使顆粒尺寸有效增加，是不僅能使顆粒尺寸有效增加， 并且會(huì)增大顆粒的沉降或浮選速率，提高濾餅的滲透性并且會(huì)增大顆粒的沉降或浮選速率，提高濾餅的滲透性 或者在深床過濾時(shí)產(chǎn)生較好的顆粒保留作用。或者在深床過濾時(shí)產(chǎn)生較好的顆粒保留作用。 擴(kuò)散雙電層的結(jié)構(gòu)模型圖擴(kuò)散雙電層的結(jié)構(gòu)模型圖 但是這些正離子還受到但是這些正離子還受到 使它們使它們均勻分布開去的熱運(yùn)均勻分布開去的熱

13、運(yùn) 動(dòng)動(dòng)的影響，具有離開膠粒表的影響，具有離開膠粒表 面的趨勢(shì)，在這兩種相反作面的趨勢(shì)，在這兩種相反作 用的影響下，用的影響下，雙電層就分裂雙電層就分裂 成兩部分成兩部分。 通常發(fā)酵液中細(xì)胞或菌體帶有負(fù)電荷通常發(fā)酵液中細(xì)胞或菌體帶有負(fù)電荷，由于靜電引力的，由于靜電引力的 作用使溶液中帶相反電荷的粒子（即正離子）被吸附在其作用使溶液中帶相反電荷的粒子（即正離子）被吸附在其 周圍，在界面上形成了周圍，在界面上形成了雙電層雙電層。 擴(kuò)散雙電層的結(jié)構(gòu)模型圖擴(kuò)散雙電層的結(jié)構(gòu)模型圖 在相距膠核表面約一個(gè)在相距膠核表面約一個(gè) 離子半徑的離子半徑的Stern平面平面 以內(nèi)，正離子被緊密束以內(nèi)，正離子被緊密束

14、縛在膠核表面，稱為縛在膠核表面，稱為吸吸 附層或緊密層附層或緊密層； 在在stern平面以外，剩余的正離子平面以外，剩余的正離子 則在溶液中擴(kuò)散開去，距離越遠(yuǎn)，則在溶液中擴(kuò)散開去，距離越遠(yuǎn)， 濃度越小，最后達(dá)到主體溶液的平濃度越小，最后達(dá)到主體溶液的平 均濃度，稱為均濃度，稱為擴(kuò)散層擴(kuò)散層。 當(dāng)膠粒在溶液中作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，總有一薄層液體隨著當(dāng)膠粒在溶液中作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，總有一薄層液體隨著 它一起滑移，這一薄層，厚度比吸附層稍大，滑移面它一起滑移，這一薄層，厚度比吸附層稍大，滑移面 （剪切面）在圖中用波紋線表示。（剪切面）在圖中用波紋線表示。 膠體雙電層的構(gòu)造膠體雙電層的構(gòu)造 這三種電位中只有這三種

15、電位中只有電位能實(shí)際測(cè)得，所以可以認(rèn)為是電位能實(shí)際測(cè)得，所以可以認(rèn)為是 控制膠粒間電排斥作用的電位，用來表征雙電層的特征。控制膠粒間電排斥作用的電位，用來表征雙電層的特征。 4q/D D水的介電常數(shù)；水的介電常數(shù)； q膠體的電動(dòng)電荷密度，即滑移面上的電荷密度；膠體的電動(dòng)電荷密度，即滑移面上的電荷密度； 擴(kuò)散層的有效厚度，即為吸附層和擴(kuò)散層界面處擴(kuò)散層的有效厚度，即為吸附層和擴(kuò)散層界面處 電位電位d降低到其值為降低到其值為1/e處的距離，處的距離， 電位電位與擴(kuò)散層厚度與擴(kuò)散層厚度和電動(dòng)電荷密度和電動(dòng)電荷密度q成正比成正比，而，而 擴(kuò)散層厚度又與溶液中離子強(qiáng)度有關(guān)，擴(kuò)散層厚度又與溶液中離子強(qiáng)度有

16、關(guān)，當(dāng)雙電層的排當(dāng)雙電層的排 斥力不足以抗衡膠粒間的范德華引力時(shí)，由于熱運(yùn)動(dòng)斥力不足以抗衡膠粒間的范德華引力時(shí)，由于熱運(yùn)動(dòng) 的結(jié)果導(dǎo)致膠粒的互相碰撞而聚集起來的結(jié)果導(dǎo)致膠粒的互相碰撞而聚集起來。 在發(fā)酵液中加入具有高價(jià)陽離子的電解質(zhì)，在發(fā)酵液中加入具有高價(jià)陽離子的電解質(zhì)，能降能降 低低電位和脫除膠粒表面的水化膜電位和脫除膠粒表面的水化膜，就能導(dǎo)致膠粒，就能導(dǎo)致膠粒 間的凝聚作用。間的凝聚作用。 凝聚：凝聚：指在電解質(zhì)作用下，由于膠粒之間雙電層指在電解質(zhì)作用下，由于膠粒之間雙電層電排斥作用電排斥作用降降 低，電位下降，而使低，電位下降，而使膠體體系不穩(wěn)定膠體體系不穩(wěn)定的現(xiàn)象。的現(xiàn)象。 凝聚值：凝

17、聚值：使膠粒發(fā)生凝聚作用的使膠粒發(fā)生凝聚作用的最小電解質(zhì)濃度最小電解質(zhì)濃度。 反離子的反離子的 價(jià)數(shù)越高，該值就越小，即凝聚能力越強(qiáng)。價(jià)數(shù)越高，該值就越小，即凝聚能力越強(qiáng)。 凝凝 聚聚 硫酸鋁硫酸鋁 Al2(SO4)318H2O（明礬）；（明礬）； 氯化鋁氯化鋁 AlCl36H2O; 三氯化鐵三氯化鐵 FeCl3; 硫酸亞鐵硫酸亞鐵 FeSO47H2O ； 石灰；石灰；ZnSO4；MgCO3 陽離子對(duì)帶負(fù)電荷的膠粒凝聚能力的次序陽離子對(duì)帶負(fù)電荷的膠粒凝聚能力的次序 Al3+ Fe3+ H+ Ca2+ Mg2+ K+ Na+ Li+ 常用的凝聚劑電解質(zhì)有：常用的凝聚劑電解質(zhì)有： 絮絮 凝凝 絮凝

18、：絮凝：指在某些高分子絮凝劑存在下，基于指在某些高分子絮凝劑存在下，基于橋架作用橋架作用，使膠粒，使膠粒 形成較大絮凝團(tuán)的過程。形成較大絮凝團(tuán)的過程。 絮凝劑：絮凝劑：是一種能是一種能溶于水的高分子聚合物溶于水的高分子聚合物，其相對(duì)分子質(zhì)量可，其相對(duì)分子質(zhì)量可 高達(dá)數(shù)萬至一千萬以上，它們具有長(zhǎng)鏈狀結(jié)構(gòu)，高達(dá)數(shù)萬至一千萬以上，它們具有長(zhǎng)鏈狀結(jié)構(gòu)， 其鏈節(jié)上含其鏈節(jié)上含 有許多活性官能團(tuán)，有許多活性官能團(tuán)， 包括帶電荷的陰離子或陽離子基團(tuán)以及包括帶電荷的陰離子或陽離子基團(tuán)以及 不帶電荷的非離子型基團(tuán)。不帶電荷的非離子型基團(tuán)。 它們通過它們通過靜電引力靜電引力、范德華引力范德華引力或或氫鍵氫鍵的作用

19、，強(qiáng)烈的作用，強(qiáng)烈 地吸附在膠粒的表面。地吸附在膠粒的表面。 當(dāng)一個(gè)高分子聚合物的許多鏈節(jié)分別吸附在不同的膠當(dāng)一個(gè)高分子聚合物的許多鏈節(jié)分別吸附在不同的膠 粒表面上，產(chǎn)生橋架聯(lián)結(jié)時(shí)，就形成了較大的絮團(tuán)，這就粒表面上，產(chǎn)生橋架聯(lián)結(jié)時(shí)，就形成了較大的絮團(tuán)，這就 是是絮凝作用絮凝作用。 高分子絮凝劑的吸附和絮凝作用示意圖高分子絮凝劑的吸附和絮凝作用示意圖 1）有機(jī)高分子聚合物，）有機(jī)高分子聚合物，如聚丙烯酰胺類衍生物、如聚丙烯酰胺類衍生物、 聚苯聚苯 乙烯類衍生物；乙烯類衍生物； 2）無機(jī)高分子聚合物，）無機(jī)高分子聚合物，如聚合鋁鹽、聚合鐵鹽等；如聚合鋁鹽、聚合鐵鹽等； 3）天然有機(jī)高分子絮凝劑，）

20、天然有機(jī)高分子絮凝劑，如聚糖類膠粘物、海藻酸鈉、如聚糖類膠粘物、海藻酸鈉、 明膠、骨膠、殼多糖、脫乙酰殼多糖等。明膠、骨膠、殼多糖、脫乙酰殼多糖等。 工業(yè)上使用的絮凝劑工業(yè)上使用的絮凝劑 P30 有機(jī)合成的有機(jī)合成的聚丙烯酰胺（聚丙烯酰胺（polyacrylamide）類衍生物）類衍生物 根據(jù)活性基團(tuán)在水中解離情況不同，可分為三類：根據(jù)活性基團(tuán)在水中解離情況不同，可分為三類： 目前最常見的高分子聚合物絮凝劑目前最常見的高分子聚合物絮凝劑 非離子型非離子型 陰離子型（含有羧基）陰離子型（含有羧基） 陽離子型（含有胺基）陽離子型（含有胺基） 用量少，一般以用量少，一般以mg/L計(jì)量；計(jì)量； 絮凝體

21、粗大，分離效果好；絮凝體粗大，分離效果好； 絮凝速度快；絮凝速度快； 種類多，適用范圍廣。種類多，適用范圍廣。 聚丙烯酰胺類絮凝劑的優(yōu)點(diǎn)聚丙烯酰胺類絮凝劑的優(yōu)點(diǎn) 存在一定的毒性，特別是陽離子型聚丙烯酰胺，存在一定的毒性，特別是陽離子型聚丙烯酰胺， 用于食品和醫(yī)藥工業(yè)時(shí)應(yīng)謹(jǐn)慎。用于食品和醫(yī)藥工業(yè)時(shí)應(yīng)謹(jǐn)慎。 聚丙烯酰胺類絮凝劑的缺點(diǎn)聚丙烯酰胺類絮凝劑的缺點(diǎn) 醫(yī)藥和食品工業(yè)：醫(yī)藥和食品工業(yè)：聚丙烯酸類陰離子絮凝劑（無毒），聚丙烯酸類陰離子絮凝劑（無毒）， 聚苯乙烯類衍生物，無機(jī)高分子聚合物絮凝劑（聚合鋁鹽、聚苯乙烯類衍生物，無機(jī)高分子聚合物絮凝劑（聚合鋁鹽、 聚合鐵鹽等），天然有機(jī)高分子絮凝劑（多聚

22、糖類膠粘聚合鐵鹽等），天然有機(jī)高分子絮凝劑（多聚糖類膠粘 物、海藻酸鈉、明膠、骨膠、殼多糖、脫乙酰殼多糖等）。物、海藻酸鈉、明膠、骨膠、殼多糖、脫乙酰殼多糖等）。 聚丙烯酰胺類絮凝劑的應(yīng)用聚丙烯酰胺類絮凝劑的應(yīng)用 p pH對(duì)絮凝作用的影響對(duì)絮凝作用的影響 絮凝的效果影響因素絮凝的效果影響因素 pH值的變化常會(huì)影響離子型絮凝劑中功能值的變化常會(huì)影響離子型絮凝劑中功能 團(tuán)的電離度，從而影響分子鏈的伸展形態(tài)。團(tuán)的電離度，從而影響分子鏈的伸展形態(tài)。 電離度增大，由于鏈節(jié)上相鄰離子基團(tuán)間的電離度增大，由于鏈節(jié)上相鄰離子基團(tuán)間的 靜電排斥作用，而使分子鏈從卷曲狀態(tài)變?yōu)樯煺轨o電排斥作用，而使分子鏈從卷曲狀態(tài)

23、變?yōu)樯煺?狀態(tài)，所以架橋能力提高。狀態(tài)，所以架橋能力提高。 一般情況下，陽離子型的絮凝劑適合在酸性和中性的一般情況下，陽離子型的絮凝劑適合在酸性和中性的pH值值 環(huán)境中使用；而陰離子型絮凝劑適合在中性和堿性的環(huán)境中使用。環(huán)境中使用；而陰離子型絮凝劑適合在中性和堿性的環(huán)境中使用。 p 溫度對(duì)絮凝作用的影響溫度對(duì)絮凝作用的影響 絮凝的效果影響因素絮凝的效果影響因素 u水溫過高時(shí)，化學(xué)反應(yīng)速度過快，形成的絮凝體細(xì)小，水溫過高時(shí)，化學(xué)反應(yīng)速度過快，形成的絮凝體細(xì)小， 并使絮凝體的水合作用增加，同時(shí)能量的消耗也增大。并使絮凝體的水合作用增加，同時(shí)能量的消耗也增大。 u水溫過低，有些絮凝劑的水解反應(yīng)變慢，

24、水解時(shí)間過長(zhǎng)，水溫過低，有些絮凝劑的水解反應(yīng)變慢，水解時(shí)間過長(zhǎng)， 效率降低；同時(shí)溫度低，水的粘度變大，也會(huì)增加水對(duì)絮效率降低；同時(shí)溫度低，水的粘度變大，也會(huì)增加水對(duì)絮 凝體的撕裂作用，使絮凝體變得細(xì)小，不易分離。凝體的撕裂作用，使絮凝體變得細(xì)小，不易分離。 溫度過高或過低都對(duì)絮凝不利，一般在溫度過高或過低都對(duì)絮凝不利，一般在2030之間。之間。 p 攪拌速度和時(shí)間對(duì)絮凝作用的影響攪拌速度和時(shí)間對(duì)絮凝作用的影響 絮凝的效果影響因素絮凝的效果影響因素 攪拌速度過快，時(shí)間過長(zhǎng)，會(huì)將大顆粒的固體攪碎變成攪拌速度過快，時(shí)間過長(zhǎng)，會(huì)將大顆粒的固體攪碎變成 小顆粒而不能沉淀；小顆粒而不能沉淀； 攪拌速度過慢

25、，時(shí)間過短，絮凝劑和膠體顆粒不能充分?jǐn)嚢杷俣冗^慢，時(shí)間過短，絮凝劑和膠體顆粒不能充分 接觸，不利于絮凝劑捕集膠體顆粒，從而難以發(fā)揮絮凝作接觸，不利于絮凝劑捕集膠體顆粒，從而難以發(fā)揮絮凝作 用。用。 （1）絮凝初期，顆粒聚并快，此時(shí)攪拌應(yīng)強(qiáng)一些，絮凝后期，）絮凝初期，顆粒聚并快，此時(shí)攪拌應(yīng)強(qiáng)一些，絮凝后期， 顆粒聚并速度變慢，攪拌應(yīng)降低。顆粒聚并速度變慢，攪拌應(yīng)降低。 （2）加大攪拌，增加速度梯度有利于顆粒聚并，但太大時(shí)，）加大攪拌，增加速度梯度有利于顆粒聚并，但太大時(shí)， 剪切力會(huì)導(dǎo)致絮凝體破裂。剪切力會(huì)導(dǎo)致絮凝體破裂。 攪拌轉(zhuǎn)速以攪拌轉(zhuǎn)速以4080r/min為宜，不要超過為宜，不要超過100r

26、/min 攪拌時(shí)間以攪拌時(shí)間以24min為宜，不超過為宜，不超過5min p 高分子絮凝劑的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)對(duì)絮凝作用的影響高分子絮凝劑的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)對(duì)絮凝作用的影響 絮凝的效果影響因素絮凝的效果影響因素 u線型結(jié)構(gòu)的有機(jī)高分子絮凝劑線型結(jié)構(gòu)的有機(jī)高分子絮凝劑，絮凝作用較好。而環(huán)狀或支，絮凝作用較好。而環(huán)狀或支 鏈結(jié)構(gòu)的有機(jī)高分子絮凝劑的絮凝效果較差。鏈結(jié)構(gòu)的有機(jī)高分子絮凝劑的絮凝效果較差。 u有機(jī)高分子絮凝劑的一些官能團(tuán)如有機(jī)高分子絮凝劑的一些官能團(tuán)如COONa、R3NRCl、 CONH2、SO3Na等過多時(shí)，等過多時(shí)，電荷密度過高，絮凝作用差；電荷密度過高，絮凝作用差； 官能團(tuán)較少時(shí)，有利于絮凝作

27、用官能團(tuán)較少時(shí)，有利于絮凝作用，但過少對(duì)電荷的中和作用不，但過少對(duì)電荷的中和作用不 利而影響到絮凝作用。利而影響到絮凝作用。 u高分子絮凝劑高分子絮凝劑分子量增大，鏈增長(zhǎng)，可使架橋效果更明顯分子量增大，鏈增長(zhǎng)，可使架橋效果更明顯，所以，所以 通常情況下，絮凝劑的相對(duì)分子量越大，絮凝作用越好。通常情況下，絮凝劑的相對(duì)分子量越大，絮凝作用越好。 u絮凝劑的相對(duì)分子量不要小于絮凝劑的相對(duì)分子量不要小于30000，最好在，最好在250000以上。但是，以上。但是， 分子量也不能超過一定的限度，因?yàn)榉肿恿恳膊荒艹^一定的限度，因?yàn)殡S分子量提高，高分子絮凝劑隨分子量提高，高分子絮凝劑 的水溶性降低的水溶性

28、降低，因此分子量的選擇也應(yīng)適當(dāng)。，因此分子量的選擇也應(yīng)適當(dāng)。 p 絮凝劑的用量對(duì)絮凝作用的影響絮凝劑的用量對(duì)絮凝作用的影響 絮凝的效果影響因素絮凝的效果影響因素 一般情況下，料液中的絮凝劑濃度增加有助于架橋充分，一般情況下，料液中的絮凝劑濃度增加有助于架橋充分， 絮凝作用的效果隨著絮凝劑用量的增加而增大。絮凝作用的效果隨著絮凝劑用量的增加而增大。 絮凝劑的用量達(dá)到一定值時(shí)，絮凝作用達(dá)到最佳效果。絮凝劑的用量達(dá)到一定值時(shí)，絮凝作用達(dá)到最佳效果。 但再增加用量時(shí)，絮凝效果反而下降，因?yàn)樾跄齽┻^量但再增加用量時(shí)，絮凝效果反而下降，因?yàn)樾跄齽┻^量 時(shí)會(huì)使形成的絮凝體重新變成穩(wěn)定的膠體。時(shí)會(huì)使形成的絮凝

29、體重新變成穩(wěn)定的膠體。 絮凝劑的用量與溶液中懸浮物的含量有關(guān)，所以最佳的絮凝劑的用量與溶液中懸浮物的含量有關(guān)，所以最佳的 絮凝劑用量應(yīng)通過實(shí)驗(yàn)來確定。絮凝劑用量應(yīng)通過實(shí)驗(yàn)來確定。 絮凝劑添加量對(duì)絮凝液濾速的影響絮凝劑添加量對(duì)絮凝液濾速的影響 利用利用絮凝劑和細(xì)胞膜表面某種成分專一性交聯(lián)絮凝劑和細(xì)胞膜表面某種成分專一性交聯(lián)而達(dá)而達(dá) 到絮凝目的，這就使絮凝技術(shù)可以用于特定產(chǎn)物的分離。到絮凝目的，這就使絮凝技術(shù)可以用于特定產(chǎn)物的分離。 親和絮凝是一種很有前途的生物產(chǎn)品分離方法。親和絮凝是一種很有前途的生物產(chǎn)品分離方法。 J. Bonnerjea 利用利用硼酸鹽和酵母表面的多羥基硼酸鹽和酵母表面的多羥

30、基之間之間 的專一性交聯(lián)作用，除去含有多羥基的酵母細(xì)胞碎片，分的專一性交聯(lián)作用，除去含有多羥基的酵母細(xì)胞碎片，分 離回收乙醇脫氫酶，酶收率在離回收乙醇脫氫酶，酶收率在90。 C. Senstad 利用利用殼聚糖和小麥胚凝集素（殼聚糖和小麥胚凝集素（WGA）之）之 間的親和性間的親和性及殼聚糖在高及殼聚糖在高pH（6.5）時(shí)絮凝沉淀的特性，）時(shí)絮凝沉淀的特性， 達(dá)到分離純化達(dá)到分離純化WGA的目的。的目的。 絮凝技術(shù)的新方向絮凝技術(shù)的新方向親和絮凝親和絮凝 凝聚和絮凝的差別凝聚和絮凝的差別 項(xiàng)目名稱項(xiàng)目名稱凝凝 聚聚絮絮 凝凝 作用機(jī)理作用機(jī)理電性中和作用為主電性中和作用為主吸附和架橋作用為主吸

31、附和架橋作用為主 試劑類型試劑類型無機(jī)化合物為主無機(jī)化合物為主有機(jī)高分子聚合物為主有機(jī)高分子聚合物為主 分子量分子量小和中等分子量小和中等分子量數(shù)萬至數(shù)千萬數(shù)萬至數(shù)千萬 絮團(tuán)強(qiáng)度絮團(tuán)強(qiáng)度較緊密較緊密較松散較松散 濾餅水分濾餅水分較低較低較高較高 聚集速度聚集速度較慢較慢較快較快 對(duì)對(duì)pH的反應(yīng)的反應(yīng)敏感敏感不敏感不敏感 試劑用量試劑用量較多，較多，10.1較少，較少，0.10.01 操作成本操作成本較低廉較低廉較高較高 對(duì)產(chǎn)品的影響對(duì)產(chǎn)品的影響試劑可能進(jìn)入產(chǎn)品試劑可能進(jìn)入產(chǎn)品基本無影響基本無影響 助濾劑助濾劑是一種不可壓縮的多孔微粒，它能使濾餅疏是一種不可壓縮的多孔微粒，它能使濾餅疏 松，濾速

32、增大。懸浮液中大量的細(xì)微膠體粒子被吸附到松，濾速增大。懸浮液中大量的細(xì)微膠體粒子被吸附到 助濾劑的表面上，改變了濾餅結(jié)構(gòu)，降低了過濾阻力。助濾劑的表面上，改變了濾餅結(jié)構(gòu)，降低了過濾阻力。 4. 加入惰性助濾劑加入惰性助濾劑 一種是在過濾介質(zhì)表面預(yù)涂助濾劑一種是在過濾介質(zhì)表面預(yù)涂助濾劑 另一種是將其直接加入發(fā)酵液另一種是將其直接加入發(fā)酵液 也可兩種方法同時(shí)使用也可兩種方法同時(shí)使用 常用的助濾劑常用的助濾劑 硅藻土、纖維素、石棉粉、白土、炭粒、淀粉等。硅藻土、纖維素、石棉粉、白土、炭粒、淀粉等。 最常用的是硅藻土最常用的是硅藻土，使用時(shí)，通常細(xì)粒用量為，使用時(shí)，通常細(xì)粒用量為500 g/m3； 中

33、等粒度用量為中等粒度用量為700 g/m3；粗粒用量為；粗粒用量為700-1000 g/m3。 助濾劑的使用方法有三種：助濾劑的使用方法有三種： （1）根據(jù)目的產(chǎn)物選擇助濾劑品種）根據(jù)目的產(chǎn)物選擇助濾劑品種 （2）根據(jù)過濾介質(zhì)和過濾情況選擇助濾劑的種類）根據(jù)過濾介質(zhì)和過濾情況選擇助濾劑的種類 （3）粒度選擇）粒度選擇 （4）使用量的選擇）使用量的選擇 選擇和使用助濾劑需要注意幾點(diǎn)：選擇和使用助濾劑需要注意幾點(diǎn)： 加入反應(yīng)劑和某些可溶性鹽類發(fā)生反應(yīng)生成不溶性沉淀加入反應(yīng)劑和某些可溶性鹽類發(fā)生反應(yīng)生成不溶性沉淀，如，如 CaSO4，AlPO4等。生成的沉淀能防止菌絲體粘結(jié)，使菌絲具有塊等。生成的沉

34、淀能防止菌絲體粘結(jié)，使菌絲具有塊 狀結(jié)構(gòu)，沉淀本身可作為助濾劑，且能使膠狀物和懸浮物凝固，狀結(jié)構(gòu)，沉淀本身可作為助濾劑，且能使膠狀物和懸浮物凝固， 改善過濾性能改善過濾性能。 5. 加入反應(yīng)劑加入反應(yīng)劑 如發(fā)酵液中含有不溶性多糖物質(zhì)，用酶將其轉(zhuǎn)化為單糖，以如發(fā)酵液中含有不溶性多糖物質(zhì)，用酶將其轉(zhuǎn)化為單糖，以提提 高過濾速率高過濾速率。 如萬古霉素用淀粉作培養(yǎng)基，發(fā)酵液過濾前加入如萬古霉素用淀粉作培養(yǎng)基，發(fā)酵液過濾前加入0.025%的淀粉的淀粉 酶，攪拌酶，攪拌30min后，再加后，再加2.5%硅藻土助濾劑，可提高過濾效率硅藻土助濾劑，可提高過濾效率5倍。倍。 不影響目的產(chǎn)物，可消除發(fā)酵液中某些

35、雜質(zhì)不影響目的產(chǎn)物，可消除發(fā)酵液中某些雜質(zhì) 對(duì)過濾的影響，提高過濾速率。對(duì)過濾的影響，提高過濾速率。 “在某產(chǎn)品發(fā)酵生產(chǎn)中，發(fā)酵液的糖消耗迅速，代謝在某產(chǎn)品發(fā)酵生產(chǎn)中，發(fā)酵液的糖消耗迅速，代謝 過程未發(fā)現(xiàn)特別的異常狀況。但是，放罐后的發(fā)酵液用過程未發(fā)現(xiàn)特別的異常狀況。但是，放罐后的發(fā)酵液用 離心機(jī)、板框壓濾都很難獲得干渣。調(diào)節(jié)離心機(jī)、板框壓濾都很難獲得干渣。調(diào)節(jié)pH、熱處理后、熱處理后 處理也不行。懷疑是黏度過大，濾餅致密不能夠透水。處理也不行。懷疑是黏度過大，濾餅致密不能夠透水。 發(fā)酵配方中以糊精作碳源（發(fā)酵中期補(bǔ)加），考慮可能發(fā)酵配方中以糊精作碳源（發(fā)酵中期補(bǔ)加），考慮可能 生成了未能檢測(cè)

36、出的糖類或蛋白質(zhì)，導(dǎo)致黏度過高。請(qǐng)生成了未能檢測(cè)出的糖類或蛋白質(zhì)，導(dǎo)致黏度過高。請(qǐng) 問有什么好的方法降低黏度，以便進(jìn)行板框或離心處理問有什么好的方法降低黏度，以便進(jìn)行板框或離心處理 發(fā)酵液？發(fā)酵液？” 實(shí)例討論實(shí)例討論 1、粘度大，補(bǔ)水、粘度大，補(bǔ)水 2、加助濾劑硅藻土、加助濾劑硅藻土 3、產(chǎn)生過多大分子物質(zhì)如蛋白質(zhì)：、產(chǎn)生過多大分子物質(zhì)如蛋白質(zhì)： 陰離子共聚物進(jìn)行絮凝陰離子共聚物進(jìn)行絮凝 4、發(fā)酵過程：、發(fā)酵過程： （1）是否染菌）是否染菌 （2）培養(yǎng)基組成）培養(yǎng)基組成 （3）發(fā)酵工藝）發(fā)酵工藝 考慮的角度：考慮的角度： 三、發(fā)酵液的相對(duì)純化三、發(fā)酵液的相對(duì)純化 發(fā)酵液中雜質(zhì)很多，其中有些雜

37、質(zhì)不僅直接影響產(chǎn)發(fā)酵液中雜質(zhì)很多，其中有些雜質(zhì)不僅直接影響產(chǎn) 品質(zhì)量利收得率，同時(shí)對(duì)后繼提取和精制有很大影響。品質(zhì)量利收得率，同時(shí)對(duì)后繼提取和精制有很大影響。 發(fā)酵液中的雜質(zhì)發(fā)酵液中的雜質(zhì) （1）高價(jià)無機(jī)離子（）高價(jià)無機(jī)離子（Ca2+、Mg2+、Fe2+） 在采用離子交換提煉時(shí)，會(huì)影響樹脂對(duì)生化物質(zhì)在采用離子交換提煉時(shí)，會(huì)影響樹脂對(duì)生化物質(zhì) 的交換容量。的交換容量。 u在采用離子交換和吸附法提取時(shí)會(huì)在采用離子交換和吸附法提取時(shí)會(huì)降低其交換容量和降低其交換容量和 吸附能力吸附能力， u在有機(jī)溶劑法或雙水相萃取時(shí)，易產(chǎn)生在有機(jī)溶劑法或雙水相萃取時(shí)，易產(chǎn)生乳化現(xiàn)象乳化現(xiàn)象，使，使 兩相分離不清。兩相

38、分離不清。 u在常規(guī)過濾或膜過濾時(shí)，易在常規(guī)過濾或膜過濾時(shí)，易使過濾介質(zhì)堵塞或受污染使過濾介質(zhì)堵塞或受污染， 影響過濾效率。影響過濾效率。 因此，在預(yù)處理時(shí)，應(yīng)盡量除去這些物質(zhì)。因此，在預(yù)處理時(shí)，應(yīng)盡量除去這些物質(zhì)。 （2）雜蛋白）雜蛋白 1. Ca2+ ：草酸、草酸鈉草酸、草酸鈉形成草酸鈣沉淀形成草酸鈣沉淀 但草酸價(jià)格較貴，加入硫酸鉛，在但草酸價(jià)格較貴，加入硫酸鉛，在60下反應(yīng)生成草酸鉛。后者在下反應(yīng)生成草酸鉛。后者在 9095下用硫酸分解，經(jīng)過濾、冷卻、結(jié)晶后可以回收草酸。下用硫酸分解，經(jīng)過濾、冷卻、結(jié)晶后可以回收草酸。 草酸鎂的溶解度較大。故加入草酸不能除盡鎂離子。要除去鎂離子，草酸鎂的

39、溶解度較大。故加入草酸不能除盡鎂離子。要除去鎂離子， 可以加入三聚磷酸鈉，它和鎂離子形成可溶性絡(luò)合物可以加入三聚磷酸鈉，它和鎂離子形成可溶性絡(luò)合物 Na5P3O10Mg Mg Na3P3O102Na十 十 2.Mg2+：三聚磷酸鈉三聚磷酸鈉形成三聚磷酸鈉鎂形成三聚磷酸鈉鎂 （可溶性絡(luò)合物可溶性絡(luò)合物） 3.Fe2+ 黃血鹽，黃血鹽，普魯士蘭沉淀普魯士蘭沉淀 （一）高價(jià)無機(jī)離子的去除方法（一）高價(jià)無機(jī)離子的去除方法 蛋白質(zhì)一般以蛋白質(zhì)一般以膠體狀態(tài)膠體狀態(tài)存在于發(fā)酵液中。存在于發(fā)酵液中。 l在酸性溶液中帶正電荷；在酸性溶液中帶正電荷； l在堿性溶液中帶負(fù)電荷。在堿性溶液中帶負(fù)電荷。 在某一在某一

40、pH下，凈電荷為零，溶解度最小，下，凈電荷為零，溶解度最小， 稱為稱為等電點(diǎn)等電點(diǎn)。 （二）雜蛋白的去除方法（二）雜蛋白的去除方法 l在酸性溶液中在酸性溶液中，蛋白質(zhì)與一些陰離子蛋白質(zhì)與一些陰離子，如三氯乙酸鹽、，如三氯乙酸鹽、 水楊酸鹽、鎢酸鹽、苦味酸鹽、鞣酸鹽、過氯酸鹽等水楊酸鹽、鎢酸鹽、苦味酸鹽、鞣酸鹽、過氯酸鹽等 形成沉淀形成沉淀； l在堿性溶液中在堿性溶液中，蛋白質(zhì)與一些陽離子蛋白質(zhì)與一些陽離子，如，如Ag+、Cu+、 Zn+、Fe+和和Pb+等等形成沉淀形成沉淀。 l由于羧基的電離度比氨基大，故蛋白質(zhì)的酸性性質(zhì)通由于羧基的電離度比氨基大，故蛋白質(zhì)的酸性性質(zhì)通 常強(qiáng)于堿性，因而很多蛋

41、白質(zhì)的等電點(diǎn)都在酸性范圍常強(qiáng)于堿性，因而很多蛋白質(zhì)的等電點(diǎn)都在酸性范圍 內(nèi)（內(nèi)（pH 4.05.5）。）。單靠調(diào)節(jié)單靠調(diào)節(jié)pHpH至等電點(diǎn)至等電點(diǎn)的辦法的辦法不能不能 將大部分蛋白質(zhì)除去將大部分蛋白質(zhì)除去。 1. 酸堿調(diào)節(jié)，使蛋白質(zhì)與鹽或離子形成沉淀酸堿調(diào)節(jié)，使蛋白質(zhì)與鹽或離子形成沉淀 加熱，加熱， 大幅度調(diào)節(jié)大幅度調(diào)節(jié)pH值，值， 加酒精、丙酮等有機(jī)溶劑或表面活性劑等。加酒精、丙酮等有機(jī)溶劑或表面活性劑等。 不足之處不足之處: a.加熱法只適合于加熱法只適合于對(duì)熱較穩(wěn)定對(duì)熱較穩(wěn)定的目的產(chǎn)物；的目的產(chǎn)物； b.極端極端pH值也會(huì)導(dǎo)致某些目的產(chǎn)物失活，且要消耗大量酸堿；值也會(huì)導(dǎo)致某些目的產(chǎn)物失活

42、，且要消耗大量酸堿； c.有機(jī)溶劑法通常只適用于所處理的液體數(shù)量較少的場(chǎng)合有機(jī)溶劑法通常只適用于所處理的液體數(shù)量較少的場(chǎng)合 2. 變性法變性法 在在四環(huán)素類抗生素四環(huán)素類抗生素中，采用中，采用黃血鹽和硫酸鋅的協(xié)同作用黃血鹽和硫酸鋅的協(xié)同作用生成生成 亞鐵氰化鋅鉀的膠狀沉淀來吸附蛋白質(zhì)；亞鐵氰化鋅鉀的膠狀沉淀來吸附蛋白質(zhì)； 在在枯草桿菌枯草桿菌發(fā)酵液中，加入發(fā)酵液中，加入氯化鈣和磷酸氫二鈉氯化鈣和磷酸氫二鈉，兩者生成，兩者生成 龐大的凝膠，把蛋白質(zhì)、菌體及其他不溶性粒子吸附并包裹龐大的凝膠，把蛋白質(zhì)、菌體及其他不溶性粒子吸附并包裹 在其中除去。在其中除去。 3. 吸附法吸附法 2.3 2.3 懸

43、浮液的分離方法和分類懸浮液的分離方法和分類 P32圖圖3.2 A.重力沉降重力沉降 B.浮選浮選 C.旋液分離旋液分離 D.過濾過濾 E.離心離心 通氣，產(chǎn)生氣泡，使固體附著在氣泡表面除去。通氣，產(chǎn)生氣泡，使固體附著在氣泡表面除去。 用于固液比重差小、直徑用于固液比重差小、直徑530m m顆粒的分離，污水處理顆粒的分離，污水處理 懸浮液以較高速度沿切線方向進(jìn)入懸浮液以較高速度沿切線方向進(jìn)入旋液分離器旋液分離器， 輕相由分離器中央排出，輕相由分離器中央排出， 重相由分離器下部排出，重相由分離器下部排出， 但不適合直徑但不適合直徑1010）的懸浮液的分離，在）的懸浮液的分離，在 發(fā)酵工業(yè)中廣泛用于

44、霉菌、放線菌和酵母發(fā)酵液或細(xì)胞懸浮發(fā)酵工業(yè)中廣泛用于霉菌、放線菌和酵母發(fā)酵液或細(xì)胞懸浮 液的過濾分離。液的過濾分離。 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 由于受真空度的限制，不適于菌體較小和粘度較大的由于受真空度的限制，不適于菌體較小和粘度較大的 細(xì)菌發(fā)酵液的過濾，且過濾所得固相的干度不如加壓過濾。細(xì)菌發(fā)酵液的過濾，且過濾所得固相的干度不如加壓過濾。 （3）水平帶式真空過濾器）水平帶式真空過濾器 主要特征：隨著過濾過程的進(jìn)行，流體中的固體顆粒被截 留在過濾介質(zhì)表面并逐漸積累成濾餅層。 濾餅層厚度：隨過濾時(shí)間的增長(zhǎng)而增厚，其增加速率與過 濾所得的濾液量成正比。 過濾速度：由于濾餅層厚度的增加，因此在過濾過程中是 變化

45、的。 過濾速度是描述過濾過程的關(guān)鍵！過濾速度是描述過濾過程的關(guān)鍵！ 推動(dòng)力推動(dòng)力 其他因素其他因素 三 表面過濾的基本理論 處理量：處理的流體流量或 分離得到的純流體量V，單位為 m3 過濾推動(dòng)力：由流體位差、壓差或離心力場(chǎng) 造成的過濾壓差p 過濾面積：表示過濾設(shè)備過濾面積的大小A，單位為m2 過濾速度：?jiǎn)挝粫r(shí)間通過單位面積的濾液量u 過濾過程的主要參數(shù) 某一過濾時(shí)間t時(shí)的過濾狀態(tài) p 過濾 壓差 相應(yīng)的濾液量為V 過濾速度u定義為： d d V u A t dt微分過濾時(shí)間, s dVdt時(shí)間內(nèi)通過過濾面的濾液量, m3 A過濾面積, m2 Lm （表觀） （2.1） 1、過濾基本方程 過濾

46、速度與推動(dòng)力之間的關(guān)系可用Darcy 定律表示： mc () p u RR Rm：過濾介質(zhì)過濾阻力, 1/m Rc：濾餅層過濾阻力, 1/m 假設(shè)rm，r分別為過濾介質(zhì)和濾餅層的過濾比阻, 1/m2 Rm= rmLm；Rc= rL (2.2) mm () p u r LrL (2.3) Ruth 過濾方程 r：與過濾介質(zhì)上形成的濾餅層的孔隙結(jié)構(gòu)特性有關(guān)。 L：與濾液量有關(guān)，在過濾過程中是變化的。 假設(shè)每過濾1m3濾液得到的濾餅量為f fVLA fV L A V：濾液體積，m3 (2.4) (7.2.8) 另外，可把過濾介質(zhì)的阻力轉(zhuǎn)化成厚度為L(zhǎng)e的濾餅層阻力 mme r LrL(2.6) e e

47、 fV L A (2.7) 2 e d d() VAp trf VV e d d() VA p u A trf VV 聯(lián)合上述 公式， 或： (2.8) 且 濾餅層的比阻r有兩種情況： 不可壓縮濾餅：濾餅層的顆粒結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，在壓力的作用 下不變形，r與p無關(guān) 可壓縮濾餅：在壓力的作用下容易發(fā)生變形 r0：?jiǎn)挝粔翰钕聻V餅的比阻，m-2 Pa-1； s：濾餅的壓縮指數(shù)， 對(duì)于可壓縮濾餅，s=0.20.8， 對(duì)于不可壓縮濾餅，s=0 。 s prr 0 經(jīng)驗(yàn)式： (2.9) 將比阻計(jì)算式代入式（2.8），得： 1 0e d () s VA p Adtrf VV 假設(shè)假設(shè) 1 0 2 s p K r f

48、 則： e d d2() VKA A tVV 又令q=V/A，qe=Ve/A（q為單位過濾面積的濾液量，qe為過 濾介質(zhì)比當(dāng)量濾液體積），則 e d d2() qK tqq (2.12)（濾餅過濾基本方程） (2.10) (2.11) 令 其中，K：過濾常數(shù)，如何測(cè)定?與下列因素有關(guān)： 濾餅的顆粒性質(zhì) 懸浮液濃度 濾液黏度 濾餅的可壓縮性 qe：過濾介質(zhì)特性參數(shù) 1 0 2 s p K r f e d d2() qK tqq 對(duì)于濾餅過濾基本方程 2、過濾過程的計(jì)算 確定濾液量與過濾時(shí)間和過濾壓差等之間的關(guān)系。 （一）恒壓過濾 在過濾過程中，過濾壓差自始自終保持恒定。 對(duì)于指定的懸浮液，K為常

49、數(shù)。 對(duì)式(2.11)或式(2.12)進(jìn)行積分： 2 e 00 2()dd Vt VVVKAt 22 e 2VVVKA t (2.13a) e 00 2()dd qt qqqK t 2 e 2qqqKt (2.13b) 若過濾介質(zhì)阻力可忽略不計(jì)，則簡(jiǎn)化為： tKAV 22 Ktq 2 如果恒壓過濾是在濾液量已達(dá)到V1，即濾餅層厚度已 累計(jì)到L1的條件下開始時(shí)，應(yīng)如何計(jì)算？ K可通過實(shí)驗(yàn)測(cè)定。 L1 V1 積分時(shí)：時(shí)間0 t， 濾液量V1V (2.14a)(2.14b) 222 1e1 ()2()VVV VVKA t(2.15) 如何應(yīng)用恒壓過濾方程？ 設(shè)計(jì)型： 已知要處理的懸浮液量和推動(dòng)力，求

50、所需的過濾面積。 操作型： 已知過濾面積和推動(dòng)力，求懸浮液的處理量； 已知過濾面積和懸浮液的處理量，求推動(dòng)力。 （二）恒速過濾 恒速過濾是指在過濾過程中過濾速度保持不變，即濾 液量與過濾時(shí)間呈正比。 utq AutV 或 d d VV u A tAt 常數(shù)代入式（2.11） e 2() VKA AtVV (2.16b)(2.16a) 22 e 2 K VVVA t 或 2 e 2 K qqqt (2.17b)(2.17a) 無積分步驟 在恒速過濾方程中，過濾壓差隨時(shí)間是變化的， 因此過濾常數(shù)K隨時(shí)間t變化 。 若忽略過濾介質(zhì)阻力，則簡(jiǎn)化為: tA K V 22 2 或t K q 2 2 (2.

51、18a)(2.18a) 實(shí)際上過濾模式常常采用： 先恒速過濾后恒壓過濾 在開始過濾時(shí)，以較低的恒速操作，避免顆粒穿透過濾 介質(zhì)。 當(dāng)壓差上升到給定數(shù)值后，再采用恒壓過濾，直到過濾 終止。 計(jì)算時(shí)應(yīng)注意： 恒壓過濾中的起始濾液量為恒速過濾末段的濾液量 3、過濾常數(shù)的測(cè)定 （一）過濾常數(shù)K，qe的計(jì)算 對(duì)于恒壓過濾，過濾積分方程改寫為： e 12t qq qKK t/q q 2qe/K 斜率 1/K (2.19) （二）壓縮指數(shù)s的計(jì)算 1 0 2 s p K r f BpsKlg)1 (lg 首先，恒壓狀態(tài)下，實(shí)驗(yàn)獲得t與q的數(shù)據(jù)，并擬合出K； 然后，在不同的過濾壓差下進(jìn)行過濾實(shí)驗(yàn)，獲得相應(yīng)的

52、K，由上式擬合可得s。 (2.20) 4、濾餅洗滌 在某些過濾操作中，為了去除或回收濾餅中殘 留的濾液或可溶性雜質(zhì)，需要在過濾結(jié)束時(shí)， 對(duì)濾餅進(jìn)行洗滌。 洗滌過程需要確定的主要內(nèi)容是計(jì)算洗滌速度 和洗滌時(shí)間。 洗滌速度是單位時(shí)間通過單位洗滌面積的洗滌液量： w d d V A t 洗滌液在濾餅層中的流動(dòng)過程與過濾過程類似。洗滌速度與 過濾終了時(shí)的濾餅層狀態(tài)有關(guān)。 若洗滌壓力與過濾終了時(shí)的操作壓力相同，則洗滌速度與過 濾終了時(shí)速度之間有如下近似關(guān)系： w ww F, d d d d V LA t VL A t 終 、w濾液、洗滌液的黏度，Pas； L、Lw過濾終了時(shí)濾餅層厚度、洗滌時(shí)穿過的濾餅層厚度，m (2.21) 如果洗滌液走的路徑和過濾終了時(shí)的路徑完全相同， 洗滌液黏度和濾液黏度亦相同，則： wF, dd