生物分离原理及技术

第二章 过滤

预处理的目的：

1、改变发酵液的物理性质，促进从悬浮液中分离固形物的速度，提高固液分离器的效率。

2、尽可能使产物转入便于后处理的某一项中，（多数为液相）

3、去除发酵液中部分杂质，以利于后续各步操作

预处理的方法： 1、加热 2、凝聚和絮凝 3、助滤剂上的吸附

凝聚指在投加的化学物质（如铝、铁的盐类或石灰等）作用下，胶体脱稳并使离子相互聚集成1mm大小块状凝聚体的过程。凝聚剂的作用有：中和电荷、消除双电荷层、通过氢键或其他形式与离子结合而产生凝聚。

絮凝指使用絮凝剂（常为天然或合成的大分子量聚电解质）将胶体离子交联成网，形成 10mm大小絮凝团的过程。絮凝剂的主要作用起架桥作用。

凝聚：胶体粒子(10-100nm)中性盐促进下脱稳相互聚集成大粒子（1mm）

机理：a 中和粒子表面电荷 b 消除双电层结构

絮凝：大分子聚电解质将胶体粒子交联成网状，形成絮凝团的过程（10mm）

机理：架桥作用

发酵液的带电现象：

通常发酵液中细胞或菌体带有负电荷，由于静电引力的作用使溶液中带相反电荷的粒于（即正离子）被吸附在其周围，在界面上形成了双电层。

但是这些正离子还受到使它们均匀分布开去的热运动的影响，具有离开胶粒表面的趋势，在这两种相反作用的影响下，双电层就分裂成两部分，在相距胶核表面约一个离子半径的stern平面以内，正离子被紧密束缚在胶核表面，称为吸附层或stern层；在stern平面以外，剩余的正离子则在溶液中扩散开去，距离越远，浓度越小，最后达到主体溶液的平均浓度，称为扩散层。这样就形成了扩散双电层的结构模型。

在不同的界面上就会形成不同的电位，胶核表面的电位φs是整个双电层的电位，Stern平面上的电位为φd，在滑移面上的电位为ζ,称ζ电位（或称电动电位）。这三种电位中只有ζ电位能实际测得，所以可以认为它是控制胶粒间电排斥作用的电位，用来表征双电层的特征，并作为研究凝聚机理的重要参数。

凝聚价或凝聚值：

在发酵液中加入具有高价阳离子的电解质，由于能降低ζ电位和脱除胶粒表面的水化膜，就能导致胶粒间的凝聚作用。电解质的凝聚能力可用凝聚价或凝聚值来表示，使胶粒发生凝聚作用的最小电解质浓度（毫摩尔／升），称为凝聚价或凝聚值。

叔米-哈第法则：

反离子的价数越高，凝聚价就越小，即凝聚能力越强，阳离子对带负电荷的胶粒凝聚能力的次序为A13＋＞Fe3+ ＞H＋＞Ca2十＞Mg2+＞K+＞Na+＞Li+，常用的凝聚剂电解质有： Al2(SO4)3·18H20（明矾）；AlC13·6H2O；FeC13；ZnSO4；MgCO3等。

凝聚预处理方法： 高价无机离子的去除 蛋白质去除

硅藻土的用途：

1、作为深层过滤介质过滤悬浮液,多孔性及吸附性,加入到溶液中.

2、在扰性或刚性支持介质表面上预先形成硅藻土薄层(预涂层),形成毛细孔道并保护介质. 3、分散在悬浮液中的硅藻土形成的滤饼具有可压缩性,提高过滤速度并延长过滤操作周期.

过滤是将料液通过固体支持或者过滤介质时，使得固体物质从溶液中分离，对于好的定形的晶体，这是一种最直接的步骤。

悬浮液过滤：有滤渣层过滤、深层过滤和筛滤 3种方式。

①滤渣层过滤：过滤初期过滤介质只能截留大的固体颗粒，小颗粒随滤液穿过过滤介质。在形成初始滤渣层后，滤渣层对过滤起主要作用，这时大、小颗粒均被截留，例如板框压滤机的过滤。

②深层过滤：过滤介质较厚，悬浮液中含固体颗粒较少，且颗粒小于过滤介质的孔道。过滤时，颗粒进入后被吸附在孔道内，例如多孔砂滤器的过滤。

③筛滤：过滤截留的固体颗粒都大于过滤介质的孔隙，过滤介质内部不吸附固体颗粒，例如转筒式过滤筛滤去污水中的粗粒杂质。在实际的过滤过程中，三种方式常常是同时或相继出现。

However the small size of microorganisms make filtration of fermentation beers or

other biological solutions considerably more complicated. If we attempt to filter these

beers using purely conventional technology, the filtration is often too slow to be

practical.

根据推动力的不同可分为四类

（a）重力过滤 自然过滤

（b）加压过滤 板框过滤

（c）真空过滤 真空过滤器

（d）离心过滤 离心过滤器

过滤介质

1、无定形颗粒：颗粒活性炭、沙、无烟煤

2、成形颗粒：烧结金属、烧结塑料 3、非金属织物：尼龙、玻璃纤维

4、金属织物：不锈钢丝网

5、无纺品：纸、石棉

采用连续旋转真空过滤机进行过滤，整个过程包括哪几步？

1、滤饼的形成 2、洗涤滤饼 3、滤饼的清除

常用的过滤设备有哪几种？

1、板框压滤机 2、垂直叶片式硅藻土过滤机 3、真空转鼓过滤机

第三章 离心与沉降

一、传统的沉降设备：

（a）矩形水平流动池

（b）圆形（水平）径向流动池

（c）垂直流动式沉降池

（d）斜板式沉降池

1、特点：设备简单、运行成本低、能耗低,体积庞大、分离效率低

二、离心分离因素（离心力强度）Fr

表示粒子在离心机中产生的离心加速度与自由下降的加速度之比。

按Fr的大小对离心机分类：

Fr<3000 常速离心机

Fr在3000-50000中速离心机

Fr>50000 高速离心机

Fr在20000-1000000 超速离心机

三、平抛式也称瓶式离心机这是一类结构最简单的实验室常用的低，中速离心机，转速一般在 3000-6000rpm。

四、利用实验室小试数据对现有型号的离心机的生产能力进行估算预测,有两种估算方法:

1、利用等效时间te的近似方法；

2、应用离心机的几何特征参数∑进行定量分析。

te=ω2R0t/g

R0-特征半径，转鼓半径，m

t-分离时间，s

若选用新型号离心机，最好先测te，再估算∑

五、以离心力作为推动力，在具有过滤介质(如滤网、滤布)的有孔转鼓中加入悬浮液，固体粒子截留在过滤介质上，液体穿过滤饼层而流出，最后完成滤液和滤饼分离的过滤操作。

六、常用于生物分离的离心装备有哪几种？

一类是离心沉降设备：管式离心机 碟片式离心机

一类是离心过滤设备：三足式离心机 卧式刮刀卸料离心机 螺旋卸料离心机

第四章 细胞破碎

一、细胞破碎常用的方法有哪些，并分别叙述其特点

化学法：渗透冲击法 增溶法 脂溶法 grFr2机械破碎法：匀浆法 研磨法 超声波法 珠磨破碎法

其中匀浆法、珠磨破碎法适用于大规模生产。

除此之外，还有冻结--融化法、干燥法、自溶法等

冻结--融化法：一是：在冷冻过程中会促使细胞膜的疏水键结构破坏，从而增加细胞的亲水性能。二是：冷冻使细胞内水结晶，形成冰晶粒，引起细胞膨胀而破。

干燥法可采用空气干燥、真空干燥、喷雾干燥和冷冻干燥。

空气干燥主要适用于酵母菌。空气干燥时，部分酵母可能产生自溶，所以较冷冻干燥、喷雾干燥容易抽提。

冷冻干燥适用于较稳定的生化物质。将冷冻干燥后的菌体在冷冻条件下磨成粉，然后用缓冲液抽提。

真空干燥适用于细菌的干燥。

自溶法是利用微生物自身产生的酶来溶菌，而不需要外加其他酶， 影响自溶过程的因素有温度、时间、pH、缓冲液浓度、细胞代谢途径。

微生物细胞的自溶常采用加热或干燥法。

七、微团：在极性溶液中，表面活性剂的极性头朝外，疏水的尾部朝内，中间形成非极性的“核”。

八、选择破碎方法时，需要考虑下列因素：

一、细胞的数量和细胞壁的强度；

二、产物对破碎条件（温度、化学试剂、酶等)的敏感性；

三、要达到的破碎程度及破碎所必要的速度等。

四、具有大规模应用潜力的生化产品应选择适合于放大的破碎术，

五、还应把破碎条件和后面的提取步骤结合起来考虑

最佳的细胞破碎条件应该从高的产物释放率、低的能耗和便于后步提取这三方面进行权衡。

第五章 萃取

萃取：利用在两个互不相溶的液相中各种组分（包括目的产物）溶解度的不同，从而达到分离的目的。

按反应机理分为：物理萃取和化学萃取。

物理萃取的理论基础是分配定律，而化学萃取服从相律及一般化学反应的平衡定律。

物理萃取----利用溶剂对需分离组分有较高的溶解能力，分离过程纯属物理过程

化学萃取------溶剂有选择性地与溶质化合或络合，从而在两相中重新分配而达到分离目的。

萃取体系的构成

溶质：被萃取的物质

原溶剂：原先溶解溶质的溶剂

萃取剂：加入的第三组分

萃取剂选择原则：使溶质在萃取相中有最大的溶解度

分配系数--衡量萃取体系是否合理的重要参数：

y-----平衡时溶质在轻相中的浓度 X-----平衡时溶质在重相中的浓度

应用前提条件 xyk/（1） 稀溶液

（2） 溶质对溶剂互溶没有影响

（3） 必须是同一分子类型，不发生缔合或离解

萃取操作达到平衡时，溶质在轻相（l）和重相(h)中的化学势相等。

分配系数为

要提高溶质的分配系数可以采取的方法：

改变溶剂—分配系数（有些萃取剂价高、易挥发、易燃或有生物毒性，故难于使用）

改变溶质的特性

生成有用离子对－－可溶于萃取剂的离子对。

使用醋酸盐、丁酸盐、正丁胺盐、亚油酸盐、胆酸盐、十二酸盐和十六烷基三丁胺盐等

可改进萃取操作------通过改变原溶剂中的pH值。

有机溶剂的选择：

①根据相似相溶的原理，选择与目标产物极性相近的有机溶剂为萃取剂，可以得到较大的分配系数。有机溶剂应当价廉易得，与水不互溶，与水有较大的密度差，黏度小，表面张力适中，相分散和相分离容易，容易回收，毒性低，腐蚀性小，不与目标产物反应。

②常用于萃取的有机溶剂有环己烷,石油醚,苯,氯仿,乙醚,乙酸乙酯,正丁醇,丙酮,乙醇,甲醇等。

比水重的有机溶剂：氯仿 极性最大的有机溶剂：甲醇

极性最小的有机溶剂：环己烷 溶解范围最广的有机溶剂：乙醇

环己烷,石油醚,苯,氯仿,乙醚,乙酸乙酯,正丁醇,丙酮,乙醇,甲醇

推荐的化学萃取剂：

①利用脂溶性萃取剂与溶质间的化学反应生成脂溶性复合分子，使溶质向有机相转移。

②氨基酸萃取剂：氯化三辛基甲铵。

③抗生素萃取剂：月桂酸、其它有机酸或胺类。

④稀释剂：溶解萃取剂，改善萃取相的物理性质的有机溶剂，如煤油、己烷、辛烷、十二烷、四氯化碳、苯。

根据料液和溶剂接触和流动情况，可以将萃取操作过程分成：

单级萃取过程 多级萃取过程 ])()(exp[RTlhxyk)()(hl