生物分離固液分離第1頁/共61頁

由于固液懸浮液中的分散相和連續相具有不同的物理性質，故工業上一般都采用機械方法將兩相進行分離。要實現這種分離，必須使分散相和連續相之間發生相對運動。根據兩相運動方式的不同，機械分離可按兩種操作方式進行：一、液體受限制，而固體顆粒在作相對運動的過程，包括浮選、重力沉降（通常稱為沉降分離）和離心沉降（離心分離）等操作。重力沉降的推動作用是重力，一般也稱為沉降分離；離心沉降的推動力主要是慣性離心力，一般也稱為離心分離。二、固體顆粒受限制而液體作相對動的過程稱為過濾。實現過濾操作的外力可以是重力、壓強差或慣性離心力。因此，過濾又可分為重力過濾、加壓過濾、真空過濾和離心過濾。對于這兩種機械分離，前者取決于固體顆粒和液體兩相之間的密度差，而后者實現的前提是應具有過濾介質。第2頁/共61頁3.1沉降

沉降是固液懸浮液失穩的一種現象，因為固體和液體間有密度差存在，若固體和液體間的密度差大于零，固體顆粒在懸浮液中受重力的作用下沉，經過一定時間的沉降，懸浮液分為上部澄清的液體層及下部被液體浸透的固體帶。沉降作為一種固液分離的方法，廣泛應用在制藥、環保、化工、礦業、冶金等許多工業領域。第3頁/共61頁利用重力沉降性質進行固液分離，由于借助的是地心引力而無須外加能量，理論上講是最經濟的方法。當然若欲達到有效的分離，首先須提供足夠的沉降面積，其次為了加快固體顆粒的終端沉降速度，需采用凝聚與絮凝技術。而對于由更小的顆粒及粘度較高的溶液構成的懸浮液，僅靠絮凝技術仍難以達到固液分離的要求時，則需要人為引入離心力以增強固體顆粒沉降的推動力，即為離心沉降。第4頁/共61頁3.1.1沉降分離理論

沉降分離只是一個物理過程，屬于過程工程中的一個單元操作。沉降速度是固液分離理論中的一個重要的基本概念。如果實現沉降過程的推動力是重力，則稱重力沉降速度；若推動力為離心力則稱離心沉降速度。下面著重介紹重力沉降速度的計算公式。第5頁/共61頁設想一個表面光滑的球形顆粒置于靜止的流體介質中，若顆粒的密度ρs大于流體的密度ρ，則顆粒將在流體中作下沉運動。顯然，作用于顆粒上有三種力（見圖1）：

圖1下沉顆粒的受力分析

●FdFbFg第6頁/共61頁

●FdFbFg重力浮力阻力式中

d——粒徑；ζ——阻力系數，無因次量；A—顆粒在垂直于運動方向的平面上的投影面積，對于球形顆粒A=π/4d2；υ——顆粒與流體間的相對運動速度。第7頁/共61頁按牛頓定律，應用或式中m、a分別為顆粒的質量和加速度。（1）第8頁/共61頁顆粒的沉降過程應分為兩個階段，起初為加速階段，而后為等速階段。等速階段中顆粒相對于流體的速度υt稱為沉降速度（terminalsettlingvelocity），它是加速階段終了時顆粒相對于流體的速度。由于工業上沉降操作所處理的顆粒較小，因而顆粒與流體間的接觸面積相對甚大，故阻力隨速度增長很快，可在極短時間內便與凈重力接近平衡，所以在重力沉降過程中，加速階段常可忽略不計。于是，在式1中令a＝0后，即可導出沉降速度的計算公式：（2）第9頁/共61頁3.1.2沉降分離設備

圖2懸掛式中心傳動沉降槽的結構第10頁/共61頁3.1.3沉降分離的應用一、水處理隨著工業生產的發展，水質污染問題日益嚴重，用生物技術來處理廢水，已成為污水處理的一個重要手段。活性污泥法處理污水是普遍采用的一種污水處理方法，其中沉降分離是使用最多的一種固液分離技術。利用沉降法處理污水，其設備簡單，費用較低。高碑店污水處理廠第11頁/共61頁二、食品工業在食品工業中，固液分離技術是必不可少的分離手段。沉降技術主要用于各類懸浮液和乳濁液的分離，如：果汁、酒類等的澄清。對一般食品懸浮液的固液分離，為了降低固液分離過程中的能耗，首先應考慮采用沉降等重力分離方法，因為此類方法主要依靠重力場的作用，分離單位質量的固液混合物消耗的能量較少。第12頁/共61頁三、發酵工業在發酵工業中，將發酵液中的細胞進行收集并進行連續多次使用是一種新的發展方向，而沉降操作是其中的一種細胞分離方法。

酒精發酵新方法第13頁/共61頁例如，在酒精發酵工業中，傳統酒精發酵工藝嚴重污染環境。廢液循環使用是減少生產過程污染物排放量的簡捷途徑，但是，傳統的發酵工藝的本質決定了即使采用比較低的循環比，裝置也很難實現穩定運行。利用現代生物技術手段使發酵性能優良的菌株具有自絮凝形成顆粒的特性，以此作為固定化細胞方法的無載體固定化細胞技術是近年來提出的新概念。絮凝顆粒酵母酒精連續發酵工藝為清液發酵，而且酵母細胞在生物反應器中實現了固定化，故酒精精餾廢液能夠以較大的比例甚至“全循環”直接拌料使用。這樣既解決了廢液污染問題，又節省了工藝過程用水，同時廢液中殘留的少量可發酵性糖富集后還可以繼續利用。人們已通過原生質體融合的方法選育得到了發酵性能優良且具有強自絮凝能力的菌株，在發酵過程中細胞會形成自絮凝細胞顆粒，并以此作為固定化細胞的方法進行酒精發酵，與通常的各種載體固定化細胞技術相比，該方法具有簡單、不消耗輔助材料、無附加成本、反應器中菌體濃度高、連續使用壽命長的優點，展示了良好的工業化應用前景。第14頁/共61頁3.2離心分離3.2.1離心分離概述

離心分離是利用轉鼓高速轉動所產生的離心力，來實現懸浮液的固液分離的技術。1924年，瑞典生物化學家TheodorSvedberg設計并制造出可以產生相當于5000倍地球引力離心力的離心機，從那時起，根據離心力進行物料的組分分離的方法便被廣泛采用，并設計制造出了各種型號和功能的離心分離設備。Svedberg因其在超速離心機的設計和應用方面作出的杰出貢獻而榮獲1926年的諾貝爾化學獎。/topic/theodor-svedberg

TheodorSvedberg（1884－1971）第15頁/共61頁離心第16頁/共61頁3.2.2離心分離理論與方法1、離心分離的先決條件和常用離心方法待分離的固體顆粒與液相之間必須存在密度差異才能以沉降的方法進行分離，而離心分離過程就是以離心力加速不同固體顆粒沉降分離的過程。當待分離的固體顆粒之間也存在或經人為處理產生的密度或沉降速率差異，則可以利用離心方法將不同密度和大小的顆粒進行分離。離心分離方法中差速離心法操作最簡便，且處理量大，是生化工業中最常用的離心分離方法，但其分離精度低于密度梯度離心法。第17頁/共61頁（1）差速離心不同大小的固體顆粒與液體混合后，固體顆粒在地球重力場作用下向下沉淀。大和重的顆粒沉降較快，較先到達底部。小的較輕顆粒沉降較慢，沉淀后集合在大顆粒上方。在無外加離心力和不改變懸浮液性質的情況下，多種微小顆粒由于固－液分子間相互影響可以穩定懸浮在液相中。離心設備產生的離心力可為地球重力的幾千至幾十萬倍，微小顆粒與液體分子間的相互影響力被離心力克服，原先穩定懸浮的多種微小顆粒根據各自相對密度大小等條件依次沉淀出來。在離心分離過程中逐次增加離心力或離心時間，每次可從沉降物料中得到不同密度和大小的組分，這種離心分離方法稱為差速離心法(Differentialcentrifugation)。第18頁/共61頁（2）速率密度梯度離心速率密度梯度離心（Rate-zonaldensity-gradientsedimentation）也稱為差速區帶離心。在離心管中裝入密度梯度溶液（一般可用蔗糖、CsCl、甘油和NaBr等配制），溶液的密度從離心管頂部至底部逐漸增加。將待分離的料液加至密度梯度溶液頂部。由于料液中不同密度或不同大小的粒子在離心力作用下在梯度溶液中移動速度不一樣，經過一定時間的離心后會在不同位置形成分開的組分區帶。此離心方法的特點是梯度溶液的最大密度小于所有顆粒密度，離心過程必須在密度最大顆粒完全沉降以前停止。本法適于分離顆粒大小不同而密度相近的組分，如DNA與RNA混合物、核蛋白體亞單位及線粒體、溶酶體及過氧化酶體等。第19頁/共61頁（3）等密度梯度離心等密度梯度離心（Isopycnicdensity-gradientsedimentation）也稱為平衡區帶離心，是根據顆粒密度的差異進行的離心分離方法，也是分離高純度大分子的一種重要手段。該離心方法需要與速率密度梯度離心法相似的密度梯度環境，但待分離顆粒的密度介于梯度液高低密度范圍之間。待分離料液可以鋪在梯度液上面，也可加在梯度液下面或均勻分布于密度梯度介質中。離心一段時間后料液中不同密度顆粒分別運動到達它們的密度平衡點（即等密度點），形成組分區帶，達到與料液中其它物質組分相分離的目的。到達平衡點的顆粒的相互分離完全由其密度所決定而與顆粒大小無關。密度梯度離心法具有較好的分辨率，可用于蛋白質、核酸等生物大分子的分離純化，但處理量小，一般僅限于實驗室水平。第20頁/共61頁②③①第21頁/共61頁2、離心力公式和分離因數將裝有料液的離心管裝入離心機轉頭，假設離心機轉頭以勻角速度ω作旋轉運動，懸浮液中球形顆粒直徑為d（假定離心沉降對象為理想球形顆粒），體積為V，顆粒密度為ρ，溶劑密度為ρ0，溶液粘度系數為η，顆粒中心與離心機轉軸中心距離為r。則根據牛頓第二定律及阿基米德原理，質量為m的球形顆粒受到的離心力（F）為：（1）第22頁/共61頁若角速度ω用轉速N（轉/min）表示其線速度，則由式2可知，質量不同的顆粒在離心力場中所受離心力的大小不同，因此離心機運轉時通常用離心力與重力（W＝mg）的比值來表示離心機的離心能力，稱為相對離心力（RelativeCentrifugalForce,簡稱RCF），也稱為離心分離因素，用符號“×g”或“g”表示。（2）（3）第23頁/共61頁3.2.3離心機的類型與結構與其它種類的固液分離法比較，離心分離法的分離速率快，分離效率高，液相澄清度好，操作時衛生條件好，占地面積小，能自動化、連續化和程序控制，適合大規模的分離過程。而且，由于離心操作可以在密閉的環境中進行，具有良好的生物安全性，可以滿足行政法規中對基因重組生物工程系統提出的嚴格要求，是現代生物制藥技術中必不可少的重要分離方法。但是離心設備投資較高、能耗大，而且在連續排料時，固體物料的濕度較大。第24頁/共61頁SS型三足式人工上卸料離心機該型離心機是一種筐式離心機，過濾器是于多孔圓筒內另加過濾介質，立式轉鼓懸掛于三根支柱上，習慣上稱為三足式離心機，其結構見圖3。圖3SS型三足式人工上卸料離心機結構示意圖1.電動機2.三角膠帶3.起步輪4.悶蓋5.離心塊6.主軸帶輪7.放水管接頭8.無基礎三角底盤9.柱腳10.制動環11.擺桿12.大盤13.減震彈簧14.外殼密封圈15.柱腳罩16.制動手柄17.外殼18.攔液板19.轉鼓筒體20.主軸罩21.轉鼓底22.主軸螺母23.上軸承蓋24.軸承座25.主軸26.下軸承蓋27.被動輪28.軸承29.減震器第25頁/共61頁三足式離心機結構緊湊，穩定性好，操作平穩，進出料方便，占地面積小，在工業上應用廣泛。待分離物料從離心機頂部加入鼓形轉子室內，在離心力作用下，液體經敷于鼓壁上的濾網過濾后落入機身底盤，經出液口排出，固相分離物留存轉鼓內，停機后由人工從上部取出。三足式離心機可用于分離懸浮液中直徑為0.01~1.0mm的顆粒和結晶狀物質，如工業生產中用于收集L-天門冬氨酸、L-谷氨酸、L-蘋果酸結晶及蛋白質和酶類沉淀物。這種離心機可以獲得含水量較低的產物，并可對產物進行洗滌而不破壞顆粒或晶體結構，適應于過濾周期長的溶液，且具有操作簡單、適應性強的優點。其缺點是處理量有限，需人工卸料，勞動強度大。SS型三足式上部人工卸料離心機第26頁/共61頁2）臥式螺旋卸料沉降離心機

螺旋卸料離心機是一種連續操作式固液分離設備，其轉動部分由轉動部分由轉鼓與螺旋兩部分組成。結構如圖4所示。圖4臥式螺旋卸料沉降離心機工作原理圖第27頁/共61頁螺旋卸料沉降離心機具有操作連續、適應性強、應用范圍廣、勞動強度低、結構緊湊和維護費用低等優點，特別適合于含固形物較多的懸浮液的分離，而且可用于易燃、易爆及需要密閉的含有毒物的操作場合。這種離心機的分離因數一般較低，大多為1500—3000，液相的澄清度也相對較差，因而不適于細菌、酵母菌等微小微生物懸浮液的分離。在發酵工業中，螺旋卸料沉降離心機常用于淀粉精制和廢液處理。

第28頁/共61頁3）管式離心機管式離心機是一種分離效率很高的離心分離設備，由于它的轉鼓細而長(長度為直徑的6—7倍)，可以在很高的轉速(轉速可達15000—50000r/min)下工作，因此管式離心機分離因數高，除可用于微生物細胞的分離外，還可用于細胞碎片、細胞器、病毒、蛋白質、核酸等生物大分子的分離。但由于管式離心機的轉鼓直徑較小，容量有限，因而生產能力較小，一般適用于固體含量較低的懸浮液。第29頁/共61頁

第30頁/共61頁管式離心機設備簡單，操作穩定，分離效率高。可用于分離各種難于分離的懸浮液，特別適合于濃度小粘度大，固相顆料細，固液重度差較小的固液分離。例如，各種藥液，口服液的澄清；各種蛋白、果膠的提取；糖蜜的精制；血液分離等。

第31頁/共61頁4）碟片式離心機

碟片式離心機是1879年由瑞典的拉瓦爾發明，它是在管式離心機的基礎上發展起來的一種沉降式離心機，也是目前工業生產中應用最廣泛的離心機之一。第32頁/共61頁其主要特點是在轉鼓中設有數十個至上百個錐角為60°～120°的錐形碟片，一般碟片的間隙約0.5~2.5mm。當碟片間的懸浮液隨著碟片高速旋轉時，固體顆粒的沉降運行距離和時間被大大縮短，形成薄層分離，從而使分離效果得到大大提高。圖4碟片式離心機的結構示意圖1－生物懸浮液；2－離心后清液；3－排放的固體；4－循環液第33頁/共61頁懸浮液由軸中心加入，其中的固體顆粒(或重相)在離心力的作用下沿最下層的通道滑移到碟片邊緣處，自轉鼓壁排泄口引出；清液(或輕相)則沿著碟片向軸心方向移動，自環形清液口排出，從而達到固液分離的目的。其中傾斜的碟片對固液起著進一步分離的作用，當固體顆粒被帶進碟片中時，在離心力的作用下會接觸到上面的碟片，形成固相流動層沿碟片流下，從而防止了出口液體中夾帶固體顆粒。這種離心機可用于固－液和液－液兩相分離，也可用于液－液－固三相分離。用于兩相分離的碟片無孔；用于三相分離的碟片有孔，液體由各碟片孔道最后移動到轉鼓上方出口，并根據兩部分液體比重不同各自從輕、重液出口排出。圖5碟片式離心機的離心示意圖左側固液分離右側液液固分離料液第34頁/共61頁碟片式離心機的轉速為4500－7500rpm，分離因數為1000—20000，適用于細菌、酵母菌、放線菌等多種微生物細胞懸浮液及細胞碎片懸浮液的分離。碟片式離心機得到的固相含量可達15％－20％。若需更大分離因數或更高的固含量，則要使用管式離心機。這種離心機的生產能力較大，且結構簡單、沉降距離短、沉降面積大，能連續生產、分離效率高，一般用于大規模的固液分離過程。已廣泛用于發酵工業，也用于化工、醫藥、食品等部門。第35頁/共61頁3.2.4離心分離方法與設備的新進展自離心分離技術自誕生之日起就備受人們矚目。隨著離心分離技術在工業上的廣泛應用，材料科學的發展和設備制造水平的提高，離心機的制造水平也不斷提高。目前用于制造離心機轉子室的材料除傳統的鋼鐵和鋁合金材料外，已大量使用鈦合金材料和碳纖維材料。材料強度的加大使離心機轉子室容量和最高允許轉速有了大幅度提高。

離心機的發展還體現在現代信息技術和自控技術的應用上。離心機的運行操作已經完全自動化、程序化，離心機分離純化的設計方案也有了軟件的支持。有的離心機型甚至借助于計算機自動記錄生產運行條件和質量控制參數，使用操作也可遠程控制。第36頁/共61頁隨著離心機自動化程度和制造水平的不斷提高，針對不同對象進行離心分離的設備也不斷被設計制造出來。運用現代離心技術，針對離心分離的個別問題，專門設計制作，可以解決原來無法用已有機型離心分離解決的問題。如美國Sovall公司開發的Centritech系統，基于死細胞和活細胞有形態及密度的差異，專門設計了連續流輕柔式離心裝置。該離心技術可以在細胞培養過程中，連續或間斷地收集培養上清液。

第37頁/共61頁此外，生化領域的離心分離技術還有一些新的發展動向。例如，在發酵工業中，人們選育了高沉降系數的菌株，使得發酵液中的菌體具有較好的沉降性，通過重力沉降或低分離因素的離心機就可很好的將菌體進行分離。分離過程變得簡單，可以節省設備投資，同時也節約了能耗。第38頁/共61頁3.3過濾

過濾（Filtration）是通過過濾介質將懸浮液中固態顆粒與液相分離的技術，是傳統的化工單元操作，也是生物加工過程中應用最廣泛、最頻繁的固液分離技術之一。在生物加工過程中，過濾技術常被用來對發酵液的菌體分離或濃縮，對組織、細胞勻漿液的澄清，以及對發酵培養基乃至生物制品等液體的除菌或除雜。第39頁/共61頁3.3.1過濾操作的理論計算

根據料液流動方向的不同，過濾可以分為常規過濾（Conventionalfiltration）和錯流過濾（Cross-flowfiltration）。常規過濾時，料液流動方向與過濾介質垂直，而錯流過濾時，料液流向平行于過濾介質。（a）常規過濾（b）錯流過濾第40頁/共61頁一、常規過濾常規過濾通常適用于過濾直徑為10～100μm的懸浮顆粒，固體顆粒在過濾時被填塞在過濾介質上，形成濾餅，料液必須穿過濾餅和過濾介質的微孔。因此，濾液的阻力來自兩個方面，即過濾介質和介質表面不斷堆積的濾餅。在恒定壓力驅動下，隨著濾餅厚度的增加，料液的過濾速度不斷減慢，濾速與濾餅厚度之間的關系如式1所示。(1)式中：t－時間，SV－濾液的體積，m3；μ－濾液的粘度，Pa?s；A－過濾面積，m2；?P－壓力差，Pa；α－濾餅的重量比阻，m/kg；C－料液中懸浮顆粒的濃度，kg/m3；Rm－過濾介質的阻力，m－1。第41頁/共61頁式1中重量比阻α是衡量各種物質過濾特性的主要指標，它表示單位濾餅厚度的阻力系數，與濾餅的結構特性有關。對于不可壓縮性濾餅，其比阻值為常數；對于可壓縮性濾餅，比阻值α是操作壓力的函數，隨著壓力差的升高而增大，微生物的發酵液大多屬于后者。恒壓下，可壓縮性濾餅的比阻值應為常數，式1成為如下形式。式中K和B都是常數：(2)第42頁/共61頁式2中，～V為線性方程，由此可通過實驗，用圖解法求得直線的斜率K和截距B，則重量比阻α就能按式3求得。

(3)對不同種類的微生物，重量比阻值相差很大。真菌的菌絲比較粗大，如青霉素的菌絲直徑可達10μm，其發酵液的比阻僅為（0.15~0.2）×1012m/kg，發酵液不需特殊處理即可過濾。放線菌菌絲細而分枝，交織成網絡狀，如鏈霉素發酵液菌絲僅0.5~1.0μm，還含有許多多糖物質，因此其比阻達到2000×1012m/kg左右，過濾較困難，一般需預處理。發酵液經預處理后，其比阻一般大大降低。第43頁/共61頁二、錯流過濾由于錯流過濾中料液流動的方向與過濾介質平行，因此能清除過濾介質表面的滯留物，使濾餅不易形成，保持較高的濾速。用于固液分離的錯流過濾的過濾介質通常為微孔膜或超濾膜。

微濾和超濾是簡單的篩分過程，根據溶質或懸浮顆粒尺寸的大小不同進行分離，比膜孔小的物質和溶劑（水）一起透過膜，而較大的物質則被截留。第44頁/共61頁

由式4可見，水通量與膜兩側的壓力差成正比，與粘度成反比。(4)式中：J－水通量

ε－膜的孔隙度L－膜的有效厚度μ－水的粘度?P－膜兩側的壓力差k’－與孔結構有關的無因次常數S0－單位膜體積的孔道表面積。適用于填充床的Carman-Kozeny公式比較符合膜過濾的實際情況，即：第45頁/共61頁影響膜截留率的因素很多，它不僅與固體顆粒大小有關，還取決于顆粒的形狀。一般來說，線性顆粒的截留率低于球形顆粒。另外，錯流速度、pH和粒子強度都會對膜的截留率產生影響。

錯流過濾主要適用于懸浮的固體顆粒十分細小（如細菌），采用常規過濾速度很慢、濾液渾濁的發酵液。對于細菌懸浮液，錯流過濾的濾速可達67～118L/(m2h)。第46頁/共61頁但是采用這種方式過濾時，固液兩相的分離不太完全，固相中有約70％～80％的滯留液體，而用常規過濾或離心分離，往往只有30％～40％。第47頁/共61頁3.3.2過濾操作的設備

用于生化過程（尤其是發酵液）的常規過濾設備主要有板框壓濾機，轉鼓真空過濾機等，錯流過濾設備主要有各種微濾、超濾膜設備。第48頁/共61頁一、板框壓濾機板框式壓濾機是目前工業上常用的一種過濾設備，由許多塊濾板和濾框交替排列組合而成。濾板和濾框共同支承在兩側的架上并可在架上滑動，用一端的壓緊裝置將它們壓緊。其結構見下頁圖（a）所示。濾板和濾框多做成正方形，在濾板和濾框之間還有起著過濾作用的濾布，見圖（b）。常用的濾布材料有法蘭絨、帆布、斜紋布、白細布及一些合成纖維。

第49頁/共61頁工業規模板框過濾機濾板/images/products/filter...

實驗室規模板框過濾機第50頁/共61頁圖（a）

板框過濾機的結構示意圖1止推板2濾框3濾板4橫梁5壓緊板6千斤頂圖（b）

板框過濾機的結構示意圖第51頁/共61頁優缺點：

板框壓濾機的過濾面積大，過濾推動力（壓力差）能較大幅度地進行調整，能耐受較高壓力差，故對不同過濾特性的發酵液適應性較強，濾餅含水率低(最低達50%)，同時還具有結構簡單，造價較低，動力消耗少等優點。因此，目前被國內工業上廣泛采用。但是這種設備不能連續操作，拆裝頻繁，濾布易壞，設備笨重，勞動強度大，衛生條件差，非生產的輔助時間長（包括解框、卸餅、洗濾餅、洗濾布、重新壓緊板框等），生產能力低，一般過濾速度為22～50L/(m2h)，阻礙了過濾效率的提高。(自動板框過濾機…)第52頁/共61頁二、轉鼓真空過濾機

轉鼓真空過濾機是工業上應用最廣的一種連續操作的過濾設備，適應性強、操作平穩、能連續操作，并能實現自動化控制。轉鼓真空過濾機依靠真空系統造成的轉筒內外壓差進行過濾（即真空吸濾）。它的主體是能轉動的圓筒，轉筒沿圓周分隔成若干個互不相