第一章固液分离技术课件

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1、固液分离技术,第一章,第一章 固液分离技术,第一节 发酵液的预处理技术 第二节 固液分离,第一节 发酵液的预处理技术,一、预处理的原理及方法 1降低液体粘度 由流体力学基本知识可知，滤液通过滤饼的速率与液体的粘度成反比，可见降低液体粘度可有效提高过滤速率。降低液体粘度常用的方法有加水稀释法和加热法。 加水稀释法可有效降低液体粘度，但会增加悬浮液的体积，使后处理任务加大，并且只有当稀释后过滤速率提高的百分比大于加水比时，从经济上才能认为有效。,第一节 发酵液的预处理技术,升高温度可有效降低液体粘度，从而提高过滤速率，常用于粘度随温度变化较大的流体。另外，应用加热法的同时，可控制适当温度和受热时间

2、，使蛋白质凝聚形成较大颗粒，进一步改善发酵液的过滤特性。如链霉素发酵液，调酸至pH3.0后，加热至70，维持半小时，液相粘度下降至1/6，过滤速率可增大10100倍。使用加热法时必须注意：加热的温度必须控制在不影响目的产物活性的范围内；对于发酵液，温度过高或时间过长，可能造成细胞溶解，胞内物质外溢，而增加发酵液的复杂性，影响其后的产物分离与纯化。,第一节 发酵液的预处理技术,2调整pH pH直接影响发酵液中某些物质的电离度和电荷性质，适当调节pH可改善其过滤特性。对于氨基酸、蛋白质等两性物质作为杂质存在于液体中时，常采用调pH至等电点使两性物质沉淀。另外，在膜分离中，发酵液中的大分子物质易与膜

3、发生吸附，常通过调整pH，改变易吸附分子的电荷性质，以减少吸附造成的堵塞和污染。此外，细胞、细胞碎片及某些胶体物质等在某个pH下也可能趋于絮凝而成为较大颗粒，有利于固液分离。,第一节 发酵液的预处理技术,3凝聚和絮凝 凝聚和絮凝的主要作用为增大混合液中悬浮粒子的体积，提高固液分离速度，同时可除去一些杂质。 （1）凝聚作用 凝聚作用是指在某些电解质作用下，使胶体粒子聚集的过程。这些电质称为凝聚剂。胶体粒子能保持分散状态的原因是其带有相同电荷和扩散双电层的结构。当分子热运动使粒子间距离缩小到使它们的扩散层部分重叠时，即产生电排斥作用，使两个粒子分开，从而阻止了粒子的聚集。双电层电位越大，电排斥作用

4、就越强，胶粒的分散程度也越大，发酵液越难过滤。,第一节 发酵液的预处理技术,胶粒能稳定存在的另一个原因是其表面的水化作用，使粒子周围形成水化层，阻碍了胶粒间的直接聚集。凝聚剂的加入可使胶粒之间双电层电位下降或者使胶体表面水化层破坏或变薄，导致胶体颗粒间的排斥作用降低，吸引作用加强，破坏胶体系统的分散状态，导致颗粒凝聚。影响凝聚作用的主要因素是无机盐的种类、化合价及无机盐用量等。,第一节 发酵液的预处理技术,常用的凝聚剂有AlCl36H2O、Al2(SO4)318H2O、K2SO4Al2(SO4)324H2O、FeSO47H2O、FeCl36H2O、ZnSO4和MgCO3等。电解质凝聚能力可用凝

5、聚值来表示，使胶粒发生凝聚作用的最小电解质浓度（mmol/L）称为凝聚值。根据Schuze-Hardy法则，阳离子的价数越高，该值就越小，即凝聚能力越强。阳离子对带负电荷的发酵液胶体粒子凝聚能力的次序为：Al3+Fe3+H+Ca2+Mg2+K+Na+Li+。,第一节 发酵液的预处理技术,（2）絮凝作用 絮凝作用是利用带有许多活性官能团的高分子线状化合物吸附多个微粒的能力，通过架桥作用将许多微粒聚集在一起，形成粗大的松散絮团的过程。所利用的高分子化合物称为絮凝剂。絮凝剂一般具有长链状结构，实现絮凝作用关键在于其链节上的多个活性官能团，包括带电荷的阴离子（如COOH）或阳离子（如NH2）基团以及不

6、带电荷的非离子型基团。它们通过静电引力、范德华力或氢键作用，强烈地吸附在胶粒表面。,第一节 发酵液的预处理技术,根据絮凝剂所带电性的不同，分阴离子型、阳离子型和非离子型三类。对于带有负电性的微粒，加入阳离子型絮凝剂，具有降低离子排斥电位和产生吸附架桥作用的双重机制；而非离子型和阳离子型絮凝剂，主要通过分子间引力和氢键等作用产生吸附架桥。影响絮凝作用的主要因素有： 高分子絮凝剂的性质和结构 线性结构的有机高分子絮凝剂，其絮凝作用大，而成环状或支链结构的有机高分子絮凝剂的效果较差。絮凝剂的分子量越大、线性分子链越长，絮凝效果越好；但分子量增大，絮凝剂在水中的溶解度降低，因此要选择适宜分子量的絮凝剂

7、。,第一节 发酵液的预处理技术,絮凝操作温度 当温度升高时，絮凝速度加快，形成的絮凝颗粒细小。因此絮凝操作温度要合适，一般为2030。 pH 溶液pH的变化会影响离子型絮凝剂功能团的电离度，因此阳离子型絮凝剂适合在酸性或中性的pH环境中使用，阴离子型絮凝剂适合在中性或碱性的环境中使用。 搅拌速度和时间 适当的搅拌速度和时间对絮凝是有利的，一般情况下，搅拌速度为(4080)r/min，不要超过100r/min；搅拌时间以(24)min为宜，不超过5min。,第一节 发酵液的预处理技术,絮凝剂的加入量 絮凝剂的最适添加量往往要通过实验方法确定，虽然较多的絮凝剂有助于增加桥架的数量，但过多的添加反而

8、会引起吸附饱和，絮凝剂争夺胶粒而使絮凝团的粒径变小，絮凝效果下降。 凝聚和絮凝这两种作用是人们在研究作用机理时，为了方便描述而分别提出并进行讨论，但在实际应用中，絮凝剂与无机电解质凝聚剂经常搭配在一起使用，加入无机电解质使悬浮粒子间的排斥能力降低而凝聚成微粒，然后加入絮凝剂，两者相辅相成，二者结合的方法称为混凝。混凝可有效提高凝聚和絮凝效果。,第一节 发酵液的预处理技术,工业上使用的絮凝剂按组成不同又可分为无机絮凝剂、有机絮凝剂和生物絮凝剂。 有机高分子絮凝剂 如人工合成的絮凝剂：二甲基二烯丙基氯化铵与丙烯酰胺的共聚物或均聚物、聚二烯基咪唑啉、聚丙烯酸类衍生物、聚苯乙烯类衍生物、聚丙烯胺类衍生

9、物等。其中聚丙烯酰胺具有一定毒性，不能用于药品、食品生产；而聚丙烯酸类衍生物阴离子型絮凝剂，无毒，可用于食品和医药工业。天然有机高分子絮凝剂：聚糖类胶粘物、海藻酸钠、明胶、骨胶、壳多糖等。 无机高分子聚合物 如聚合铝盐、聚合铁盐等。,第一节 发酵液的预处理技术,生物絮凝剂 生物絮凝剂是一类由微生物产生的具有絮凝能力的生物大分子，主要有蛋白质、粘多糖、纤维素和核酸等。具有高效、无毒、无二次污染等特点，克服了无机絮凝剂和人工合成有机高分子絮凝剂本身固有的缺陷，其发展潜力越来越受到重视。 4加入助滤剂 加入助滤剂可以改变滤饼的结构，降低滤饼的可压缩性，从而降低过滤阻力。常用的助滤剂有硅藻土、纤维素、

10、石棉粉、珍珠岩、白土、炭粒、淀粉等。最常用的是硅藻土。,第一节 发酵液的预处理技术,助滤剂的使用方法有两种：一种是将助滤剂在支持介质（滤布）的表面上预涂助滤剂薄层12 mm，以保护支持介质的毛细孔道在较长时间内不被悬浮液中的固体粒子所堵塞，从而提高或稳定过滤速度。另一种方法是将助滤剂分散在待过滤的悬浮液中，使形成的滤饼具有多孔性，降低滤饼的可压缩性，以提高过滤速度和延长过滤操作周期。前者会使滤速降低，但滤液透明度明显增加；后一种方法主要是助滤剂的加入量，一般助滤剂的用量若等于悬浮液中固体含量时，过滤速度最快，另外在使用时需要一个带搅拌器的混合槽，充分搅拌混合均匀，防止分层沉淀。生产上也可两种方

11、法同时兼用。选择和使用助滤剂时要考虑以下几个方面：,第一节 发酵液的预处理技术,根据目的产物的性质选择助滤剂品种 当目的产物存在于液相时要注意目的产物是否会被助滤剂吸附，是否可通过改变pH来减少吸附；当目的产物存在于固相时，一般使用淀粉、纤维素等不影响产品质量的助滤剂。 根据过滤介质和过滤情况选择助滤剂品种 当使用粗目滤网时易泄漏，采用石棉粉、纤维素、淀粉等作助滤剂可有效地防止泄漏。当使用细目滤布时，宜采用细硅藻土，若采用粗粒硅藻土，则料液中的细微颗粒仍将透过助滤层而到达滤布表面，从而使过滤阻力增大。当使用烧结或粘结材料制成的过滤介质时，宜使用纤维素助滤剂，这样可使滤饼易于剥离，并可防止堵塞毛

12、细孔。,第一节 发酵液的预处理技术,粒度选择 助滤剂的粒度及粒度分布对过滤速率和滤液澄清度影响很大。当粒度一定时，过滤速率与澄清度成反比，过滤速率大，澄清度差；过滤速率小，则澄清度好。助滤剂的粒度必须与悬浮液中固体粒子的尺寸相适应，如颗粒较小的悬浮液应采用较细的助滤剂。商品硅藻土助滤剂有多种规格，粒度分布不同，因此使用前应针对不同料液的特性和过滤要求，通过实验，确定其最佳型号。 用量的确定 助滤剂的用量必须适宜。用量过少，起不到有效的助滤作用；用量过大，不仅浪费，而且会因助滤剂成为主要的滤饼阻力而使过滤速率下降。,第一节 发酵液的预处理技术,当采用预涂助滤剂的方法时，间歇操作助滤剂的最小厚度为

13、2mm；连续操作则要根据所需过滤速率来确定。当助滤剂直接加入发酵液时，一般采用的助滤剂用量等于悬浮液中固形物含量，其过滤速率最快，如用硅藻土作助滤剂时，通常细粒用量为500gm3；中等粒度用量为700gm3；粗粒用量为(7001000)gm3。 5加入反应剂 有时加入某些不影响目的产物的反应剂，可消除发酵液中某些杂质对过滤的影响，从而提高过滤速率。,第一节 发酵液的预处理技术,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，并且能使胶状物和悬浮物凝固，从而改善过滤性能。如在新生霉素发酵液中加入

14、氯化钙和磷酸钠，生成磷酸钙沉淀可充当助滤剂，另一方面可使某些蛋白质凝固。又如环丝氨酸发酵液用氧化钙和磷酸处理，生成磷酸钙沉淀，能使悬浮物凝固，多余的磷酸根离子还能除去钙、镁离子，并且在发酵液中不会引入其它阳离子，以免影响环丝氨酸的离子交换吸附。,第一节 发酵液的预处理技术,二、发酵液的相对纯化 1.无机离子的去除 发酵液中主要的无机离子有Ca2+ 、Mg2+ 、Fe2+等。Ca2+的去除主要采用草酸，但由于草酸的溶解度小，不适合用量较大的场合。当发酵液中Ca2+离子浓度较高时，可采用可溶性盐，如草酸钠等。反应生成草酸钙还能促使蛋白质凝固，改善发酵液过滤性能。Mg2+离子的去除一般采用加入三聚磷

15、酸钠，它和Mg2+形成可溶性络合物后，即可消除对离子交换的影响。 Mg2+ + Na5P3O10=MgNa3P3O10 +2Na+,第一节 发酵液的预处理技术,用磷酸盐处理，也能大大降低Ca2+ 、Mg2+离子的浓度，此法可用于环丝氨酸的生产。对于发酵液中的铁离子，可加入黄血盐，使其形成普鲁士蓝沉淀而除去。反应如下： 3K4Fe(CN)6+4Fe3+=Fe4Fe(CN)63+12K+ 2杂蛋白的去除 利用各种沉淀方法，可以去除液相中各种蛋白质。常用的有等电点沉淀法、变性沉淀法、盐析法、有机溶剂沉淀法、反应沉淀法等。这些沉淀方法既可以作为除杂质的方法，也可以作为提取目标产物的技术手段。有关沉淀法

16、除蛋白质详见第五章沉淀技术。,第一节 发酵液的预处理技术,3多糖的去除 酶解法可将混合液中的不溶性多糖物质酶解，使其转化为溶解度较大的单糖，从而改变流体的流动特性，提高过滤速率。例如万古霉素用淀粉作培养基，发酵完成后，发酵液中多余的淀粉使混合液粘度较大，当加入0.025的淀粉酶后，搅拌30min，再加2.5助滤剂（硅藻土），可使过滤速率提高5倍。,第一节 发酵液的预处理技术,4有色物质的去除 发酵液中有色物质可能是由于微生物生长代谢过程分泌的，也可能是培养基（如糖蜜、玉米浆等）带来的，色素物质化学性质的多样性增加了脱色的难度。色素物质的去除，一般以使用离子交换树脂、离子交换纤维、活性炭等材料的吸附法来脱色最为普遍。例如活性炭可用于柠檬酸发酵液的脱色，盐型强碱性阴离子交换树脂可用于解朊酶和果胶酶溶液的脱色，磷酸型阴离子交换树脂被用于谷氨酸发酵液的脱色等。一般发酵液的脱色往往是在过滤除去菌体后进行。,第二节 固液分离,生化产品的固液分离方法与化工单元操作中的非均相物系分离方法基本相同，但由于发酵液或细胞培养液