1、1、過濾、過濾(重力過濾器、壓濾器、真空過濾器重力過濾器、壓濾器、真空過濾器) 2、離心、離心 3、重力沉降、重力沉降 指固體顆粒在0.1m以上的固液分散體系。生物細胞培養液基本上也是懸浮液。水70-80% + 固體細胞及碎片20-30%(對微生物發酵)+ 少量的代謝成物 + 細胞破裂后的內容物 +殘存的培養基成分A A、細胞成分及碎片大小不一，顆粒大小、細胞成分及碎片大小不一，顆粒大小 ，分離成，分離成本本 。B B、固液密度相近，黏度高：沉降和離心分離困難、固液密度相近，黏度高：沉降和離心分離困難C C、固體成分可壓縮可變形、固體成分可壓縮可變形 + + 高黏度：過濾困難，高黏度：過濾困難

2、，黏附在濾布，錯流過濾形成凝膠層黏附在濾布，錯流過濾形成凝膠層D D、動植物細胞抗剪切力差：錯流膜過濾和離心等、動植物細胞抗剪切力差：錯流膜過濾和離心等不適不適E E、流變性復雜，非牛頓型流體，青霉素發酵液為、流變性復雜，非牛頓型流體，青霉素發酵液為卡森型流體，卡森型流體，120h120h鏈霉素發酵液為擬塑性流體，鏈霉素發酵液為擬塑性流體，灰色鏈絲菌發酵液為塑性流體。灰色鏈絲菌發酵液為塑性流體。 預處理的目的預處理的目的: :改變發酵液的物理性質改變發酵液的物理性質(黏度、顆粒黏度、顆粒 、顆粒穩定、顆粒穩定性等性等)，固液分離速度，固液分離速度 ，分離器分離效率，分離器分離效率 ；目標產物轉

3、移其中一相目標產物轉移其中一相(多數為液相多數為液相)； 黏度、促凝聚、黏度、促凝聚、 固體成分體積、破壞凝膠結構、固體成分體積、破壞凝膠結構、增加空隙率、去蛋白增加空隙率、去蛋白2、調、調pH值：方法簡單有效、成本低廉值：方法簡單有效、成本低廉pHpH直接影響發酵液中某些物質的電離度和電荷性質，直接影響發酵液中某些物質的電離度和電荷性質，適當調節適當調節pHpH可改善其過濾特性。對于氨基酸、蛋白可改善其過濾特性。對于氨基酸、蛋白質等兩性物質作為雜質存在于液體中時，常采用調質等兩性物質作為雜質存在于液體中時，常采用調pHpH至等電點使兩性物質沉淀。另外，在膜分離中，至等電點使兩性物質沉淀。另外

4、，在膜分離中，發酵液中的大分子物質易與膜發生吸附，常通過調發酵液中的大分子物質易與膜發生吸附，常通過調整整pHpH，改變易吸附分子的電荷性質，以減少吸附造，改變易吸附分子的電荷性質，以減少吸附造成的堵塞和污染。此外，細胞、細胞碎片及某些膠成的堵塞和污染。此外，細胞、細胞碎片及某些膠體物質等在某個體物質等在某個pHpH下也可能趨于絮凝而成為較大顆下也可能趨于絮凝而成為較大顆粒，有利于固液分離。粒，有利于固液分離。主要作用為增大混合液中懸浮粒子的體積，提高固主要作用為增大混合液中懸浮粒子的體積，提高固液分離速度，同時可除去一些雜質。液分離速度，同時可除去一些雜質。凝聚和絮凝是兩種方法，兩個概念。凝

5、聚和絮凝是兩種方法，兩個概念。凝聚：指在投加的化學物質（鋁、鐵的鹽類或石灰凝聚：指在投加的化學物質（鋁、鐵的鹽類或石灰等）作用下，膠體脫穩并使粒子相互聚集成等）作用下，膠體脫穩并使粒子相互聚集成 mm mm 大小塊狀凝聚體的過程。大小塊狀凝聚體的過程。絮凝：指使用絮凝劑（天然的和合成的大分子量聚絮凝：指使用絮凝劑（天然的和合成的大分子量聚電解質）將膠體粒子交聯成網，形成電解質）將膠體粒子交聯成網，形成10mm10mm大小絮凝大小絮凝團的過程。其中絮凝劑主要起架橋作用。團的過程。其中絮凝劑主要起架橋作用。凝聚：膠體粒子凝聚：膠體粒子(10-100nm)(10-100nm)中性鹽促進下脫穩中性鹽促

6、進下脫穩相互聚集成大粒子（相互聚集成大粒子（1mm1mm）機理：機理：a a 中和粒子表面電荷中和粒子表面電荷 b b 消除雙電層結構消除雙電層結構絮凝：大分子聚電解質將膠體粒子交聯成網狀，絮凝：大分子聚電解質將膠體粒子交聯成網狀，形成絮凝團的過程形成絮凝團的過程機理：架橋作用機理：架橋作用 凝聚和絮凝技術能有效的改變細胞菌體凝聚和絮凝技術能有效的改變細胞菌體和蛋白質等膠體粒子的分散狀態和蛋白質等膠體粒子的分散狀態, ,使其聚集起使其聚集起來來, ,增大體積以便固液分離增大體積以便固液分離, ,常用于菌體細小常用于菌體細小而且黏度大的發酵液的預處理中而且黏度大的發酵液的預處理中. .發酵液中的

7、細胞、菌體或蛋白質等膠體粒子的表發酵液中的細胞、菌體或蛋白質等膠體粒子的表面，一般都帶有電荷，帶電的原因很多，主要是面，一般都帶有電荷，帶電的原因很多，主要是吸附溶液中的離子或自身基團的電離。通常發酵吸附溶液中的離子或自身基團的電離。通常發酵液中細胞或菌體帶有負電荷，由于靜電引力的作液中細胞或菌體帶有負電荷，由于靜電引力的作用使溶液中帶相反電荷的粒于（即正離子）被吸用使溶液中帶相反電荷的粒于（即正離子）被吸附在其周圍，在界面上形成了雙電層。附在其周圍，在界面上形成了雙電層。但是這些正離子還受到使它們均勻分布開去的熱運但是這些正離子還受到使它們均勻分布開去的熱運動的影響，具有離開膠粒表面的趨勢，

8、在這兩種相反動的影響，具有離開膠粒表面的趨勢，在這兩種相反作用的影響下，雙電層就分裂成兩部分，在相距膠核作用的影響下，雙電層就分裂成兩部分，在相距膠核表面約一個離子半徑的表面約一個離子半徑的sternstern平面以內，正離子被緊平面以內，正離子被緊密束縛在膠核表面，稱為密束縛在膠核表面，稱為吸附層吸附層或或sternstern層；在層；在sternstern平面以外，剩余的正離子則在溶液中擴散開去，距離平面以外，剩余的正離子則在溶液中擴散開去，距離越遠，濃度越小，最后達到主體溶液的平均濃度，稱越遠，濃度越小，最后達到主體溶液的平均濃度，稱為為擴散層擴散層。這樣就形成了擴散雙電層的結構模型。這

9、樣就形成了擴散雙電層的結構模型。凝聚劑種類凝聚劑種類：A、無機鹽類，如硫酸鋁、明礬、硫酸鐵、硫酸亞鐵、無機鹽類，如硫酸鋁、明礬、硫酸鐵、硫酸亞鐵、FeCl3、AlCl3、ZnCl2、硫酸鎂等；、硫酸鎂等；B、無機堿，如、無機堿，如Al(OH)3、Fe(OH)3、Ca(OH)2、CaO等；等；C、聚合無機鹽，如聚合鋁、聚合鐵。、聚合無機鹽，如聚合鋁、聚合鐵。 機理機理：A、破壞雙電層，、破壞雙電層，B、水解后膠體吸附，、水解后膠體吸附，C、氫鍵結合等。、氫鍵結合等。絮凝劑種類絮凝劑種類：A、陽離子類，如聚丙烯酰胺、陽離子類，如聚丙烯酰胺(+)、聚苯烯酸二烷基胺乙酯、聚二、聚苯烯酸二烷基胺乙酯、聚

10、二烯丙基四胺；烯丙基四胺；B、陰離子類，如聚丙烯酸納、聚苯乙烯磺酸、聚丙烯酰胺、陰離子類，如聚丙烯酸納、聚苯乙烯磺酸、聚丙烯酰胺(-)；C、非離子類，如聚丙烯酰胺、非離子類，如聚丙烯酰胺(0)、環氧化乙烯。、環氧化乙烯。機理機理：絮凝劑主要起中和電荷、橋架和網絡作用絮凝劑主要起中和電荷、橋架和網絡作用一種顆粒均勻、質地堅硬的粒狀物質，用于擴大過濾表一種顆粒均勻、質地堅硬的粒狀物質，用于擴大過濾表面的適應范圍，減輕細小顆粒的快速擠壓變形和過濾介面的適應范圍，減輕細小顆粒的快速擠壓變形和過濾介質的堵塞。質的堵塞。 使用方法使用方法：A、預涂層；、預涂層；B、按一定比率混合。、按一定比率混合。 助濾

11、劑種類助濾劑種類：硅藻土、膨脹珍珠巖、石棉、纖維素、：硅藻土、膨脹珍珠巖、石棉、纖維素、未活化的炭、爐渣、重質碳酸鈣，及它們的混合物等。未活化的炭、爐渣、重質碳酸鈣，及它們的混合物等。 用量標準用量標準：A、單位質量助濾劑所產生的最大濾液產、單位質量助濾劑所產生的最大濾液產量量(最常用最常用)；B、或最長周期；、或最長周期；C、或最快流速；、或最快流速；D、或、或濾餅的最大空間利用度。濾餅的最大空間利用度。4、惰性助濾劑：、惰性助濾劑：0020040060061218pH4.6pH4.2pH3.8pH2.8FiltrateVolume,cm3Time,minutesFig2.1Theeffec

12、tonfiltratevolumeofpHandfilteraid圖2.1pH值與助濾劑對過濾體積的影響(b)Effectoffilteraid1%filteraidinfeed2%3%5%Time,minutes0010040060061218FiltrateVolume,cm3Fig2.1TheeffectonfiltratevolumeofpHandfilteraid圖2.1pH值與助濾劑對過濾體積的影響（續）有時加入某些不影響目的產物的反應劑，可消除發酵液中某些雜質對過濾的影響，從而提高過濾速率。加入反應劑和某些可溶性鹽類發生反應生成不溶性沉淀，如CaSO4 、AlPO4等。生成的沉淀

13、能防止菌絲體粘結，使菌絲具有塊狀結構，沉淀本身可作為助濾劑，并且能使膠狀物和懸浮物凝固，從而改善過濾性能。5 5加入反應劑加入反應劑在新生霉素發酵液中加入氯化鈣和磷酸鈉，生成磷酸鈣沉淀可充當助濾劑，另一方面可使某些蛋白質凝固。環絲氨酸發酵液用氧化鈣和磷酸處理，生成磷酸鈣沉淀，能使懸浮物凝固，多余的磷酸根離子還能除去鈣、鎂離子，并且在發酵液中不會引入其它陽離子，以免影響環絲氨酸的離子交換吸附。發酵液的相對純化發酵液的相對純化 1. 無機離子的去除無機離子的去除 Ca2+、Mg2+、Fe2+等Ca2+離子濃度較高時，可采用可溶性鹽，如草酸鈉等Mg2+離子的去除一般采用加入三聚磷酸鈉磷酸鹽處理，也能

14、大大降低Ca2+、Mg2+離子的濃度鐵離子，可加入黃血鹽，使其形成普魯士藍沉淀而除去利用各種沉淀方法，可以去除液相中各種蛋白質。常用的有等電點沉淀法、變性沉淀法、鹽析法、有機溶劑沉淀法、反應沉淀法等。這些沉淀方法既可以作為除雜質的方法，也可以作為提取目標產物的技術手段。2 2雜蛋白的去除雜蛋白的去除酶解法可將混合液中的不溶性多糖物質酶解，使其轉化為溶解度較大的單糖，從而改變流體的流動特性，提高過濾速率。例如萬古霉素用淀粉作培養基，發酵完成后，發酵液中多余的淀粉使混合液粘度較大，當加入0.025的淀粉酶后，攪拌30min，再加2.5助濾劑（硅藻土），可使過濾速率提高5倍。 3 3多糖的去除多糖的

15、去除發酵液中有色物質可能是由于微生物生長代謝過程分泌的，也可能是培養基（如糖蜜、玉米漿等）帶來的，色素物質化學性質的多樣性增加了脫色的難度。色素物質的去除，一般以使用離子交換樹脂、離子交換纖維、活性炭等材料的吸附法來脫色最為普遍。例如活性炭可用于檸檬酸發酵液的脫色，鹽型強堿性陰離子交換樹脂可用于解朊酶和果膠酶溶液的脫色，磷酸型陰離子交換樹脂被用于谷氨酸發酵液的脫色等。一般發酵液的脫色往往是在過濾除去菌體后進行。 4 4有色物質的去除有色物質的去除Fdd=2R球形顆粒沉降的受力情況球形顆粒沉降的受力情況根據沉降作用力可分為：重力沉降、離心沉降根據沉降作用力可分為：重力沉降、離心沉降根據沉降粒子間

16、相互影響程度可分為：自由沉降和干擾沉降根據沉降粒子間相互影響程度可分為：自由沉降和干擾沉降4.1 重力沉降重力沉降（Gravitational sedimentation） （1）球形顆粒的自由沉降速度）球形顆粒的自由沉降速度 以重力的方向為正方向以重力的方向為正方向 Fb 浮力浮力 Fd 阻力阻力 Fg 重力重力maFFFF bdg阻阻力力浮浮力力）（重重力力什么情況下顆粒在流體中會發生沉降過程？什么情況下顆粒在流體中會發生沉降過程？重力沉降重力沉降（Gravitational sedimentation） 直徑為直徑為d、顆粒密度為、顆粒密度為s的球形顆粒在密度為流體中的重的球形顆粒在密度

17、為流體中的重力和浮力分別為：力和浮力分別為：gdFs3g6 重力：重力：（N）gdF 3b6 浮力：浮力：（N） t uu0加速段加速段勻速段勻速段 顆粒做勻速運動，沉降速度恒定不變，該速度稱為顆粒做勻速運動，沉降速度恒定不變，該速度稱為自由自由沉降速度沉降速度。達到恒定的沉降速度時，合力為：。達到恒定的沉降速度時，合力為： 042662203s3 madugdgdF 42220dduF 阻力：阻力：（N）阻力系數阻力系數042662203s3 madugdgdF 34s0gdu （球形顆粒的自由沉降速度）（球形顆粒的自由沉降速度）（2）阻力（曳力）系數（）阻力（曳力）系數（Drag coef

18、ficient） 與流體的流動阻力系數類似，阻力（曳力）系數與顆粒與流體的流動阻力系數類似，阻力（曳力）系數與顆粒沉降雷諾數有關，即沉降雷諾數有關，即)(Re0f 00Redu 注意：注意：其中其中d為顆粒直徑，為顆粒直徑，u0為顆粒的沉降速度，為顆粒的沉降速度，、分別分別為流體的密度與粘度。為流體的密度與粘度。 通過實驗得到曳力系數與雷諾數的關系繪成算圖通過實驗得到曳力系數與雷諾數的關系繪成算圖,將他們將他們回歸成關聯式為：回歸成關聯式為：過渡區（過渡區（Allen區，區， 2 Re0 500）6 . 00Re5 .18 6 . 000Re269. 0 sgdu湍流區（牛頓區，湍流區（牛頓區

19、， 500 Re0 200000后，后，驟然下降，在驟然下降，在Re0 =(310)105范圍內范圍內可近似取可近似取= 0.1。層流區（層流區（Stokes區，區，Re0 2或或0.3）0Re24 18s20gdu （Stokes定律）定律）以上的沉降過程為在重力作用下以上的沉降過程為在重力作用下球形球形顆粒的顆粒的自由沉自由沉降降： 顆粒為球形；顆粒為球形； 顆粒沉降時彼此相距較遠，互不干擾；顆粒沉降時彼此相距較遠，互不干擾； 容器壁對沉降的阻滯作用可以忽略；容器壁對沉降的阻滯作用可以忽略； 顆粒直徑不能小到受流體分子運動的影響。顆粒直徑不能小到受流體分子運動的影響。 在實際情況中還需考慮

20、以下因素的影響：在實際情況中還需考慮以下因素的影響： 干擾沉降；干擾沉降； 端效應；端效應； 分子運動；分子運動； 非球形；非球形； 液滴或氣泡的運動液滴或氣泡的運動 。 注意：注意：離心沉降與重力沉降的類比。顆粒離心沉降的速離心沉降與重力沉降的類比。顆粒離心沉降的速度方向是由圓心沿徑向指向外周，但由于顆粒和流體同時做度方向是由圓心沿徑向指向外周，但由于顆粒和流體同時做圓周運動，顆粒的實際運動軌跡是一個半徑逐漸擴大的螺旋圓周運動，顆粒的實際運動軌跡是一個半徑逐漸擴大的螺旋線。離心沉降速度并不是顆粒的實際運動速度，只是其在徑線。離心沉降速度并不是顆粒的實際運動速度，只是其在徑向上的分量。向上的分

21、量。 r1r2ArCBuruut顆粒在旋轉流體中的運動顆粒在旋轉流體中的運動代入上式代入上式（2.15）沉降系數沉降系數(sedimentation coefficient, S = Svedbergs = 10-13 s)：S計算：計算：顆粒在顆粒在20 C 水中的水中的Sw,20為為v 為溶質為溶質(顆粒顆粒)的單位質量的體積的單位質量的體積, w,20和和 L,T分別為分別為20 C 的水和的水和T C 溶劑的黏度溶劑的黏度， w,20和和 L,T 分別為分別為20 C 的水和的水和T C 溶劑的密度。溶劑的密度。 Sw,20與溶質（顆粒）濃度有關：與溶質（顆粒）濃度有關： 為為c0時的

22、沉降系數時的沉降系數(20 C 的水的水), k為常數為常數通過對通過對 積分積分可以得到溶質完全沉降所需的時間可以得到溶質完全沉降所需的時間1） 差速離心分級2）區帶離心 （密度梯度離心） 差速區帶離心 平衡區帶離心 2.1.2.3 2.1.2.3 離心分離設備離心分離設備按分離因子按分離因子Fr分類分類 1)、常速離心機Fr 8000-15000g 4)、超速離心機，Fr = 20,000 1,000,000g用途分類用途分類 1)、分析性：超速離心機 2)、制備性：A、實驗室用；B、工業用工業應用分類工業應用分類 1)、管式離心機 2)、多室離心機（管式離心機的變形） 3)、碟式離心機：

23、、人工排渣式, 、噴嘴排渣式, 、活塞排渣式 4)、螺旋卸料沉降離心機 5)、離心過濾 6)、三足式離心機2.1.2.3 2.1.2.3 離心分離設備離心分離設備Tubular bowl（2.21）離心機的放大可采用等校正系數法：概念概念 過濾是在外力作用過濾是在外力作用下下，利用過濾介質使懸浮液中的液體，利用過濾介質使懸浮液中的液體通過，而固體顆粒被截留在介質上，從而實現固液分離的一通過，而固體顆粒被截留在介質上，從而實現固液分離的一種單元操作。種單元操作。過濾介質過濾介質具有多孔結構，可以截留固體物質，具有多孔結構，可以截留固體物質，而讓液體通過；我們把待過濾的懸浮液成為而讓液體通過；我們把待過濾的懸浮液成為濾漿（濾漿（Slurry），而過濾后分離出的固體稱為，而過濾后分離出的固體稱為濾渣濾渣或或濾餅（濾餅（Filter cake），通過過濾介質的液體稱為通過過濾介質的液體稱為濾液（濾液（Filtrate）。 （1）過濾介質（過濾介質（Filter medium）：）： 過濾介質應具有以下特性：多孔性，足夠的機械強度，過濾介質應具有以下特性：多孔性，足夠的機械強