泡沫分离过程中泡沫层总高度对持液率的影响

第２３卷第３期２００９年６月高校化学工程擘报Ｊｏｕｍ￥ｏｆＣｈｅｍｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｏｆＣｈｉｎｅｓｅＵｎｉｖｅｒｓｉｔｉｅｓＮｏ．３、，ｏＩ．２３Ｊｕｎｅ２００９

文章编号：１００３－９０１５（２００９）０３－０５４３－０４

泡沫分离过程中泡沫层总高度对持液率的影响

钱少瑜，李雪良，吴兆亮，刘萌（河北工业大学生物工程系，天津３００１３０）

摘要：以乳链菌肽发酵液为模拟体系，研究了泡沫分离过程中泡沫层总高度对泡沫塔出口持液率最。以及泡沫层轴向持液率分布特性的影响。实验发现：在泡沫层形成过程中，５。从一个较低值逐渐升高到一个较高的稳定值；泡沫在塔内泡沫相中的停留时问不是５。的决定性因素，气速对Ｅ。的影响很大。同时还发现：随着泡沫层总高度的增加，点。缓慢下降而泡沫层与液层界面处的持液率急剧上升，可以推测出整个轴向持液率特性分布会上移。实验数据表明仅仅用静态泡沫的排液时间代替上升动态泡沫的停留时间的方法来预测占。的一般方法可能得出错误的结果。关键词：泡沫分离：鼓泡塔；持液率；泡沫排液中图分类号：ＴＱ０２８．９文献标识码：Ａ

ＥｆｆｅｃｔｓｏｆＴｏｔａｌＦｏａｍＨｅｉｇｈｔｏｎｔｈｅＬｉｑｕｉｄＨｏｌｄｕｐ

ｉｎｔｈｅＦｏａｍＦｒａｃｔｉｏｎａｔｉｏｎＰｒｏｃｅｓｓ

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（ＤｅｐａｒｌｍｅｎｔｏｆＢｉｏｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＨｅｂｅｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ３００１３０，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｕｓｉｎｇｎｉｓｉｎｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎｂｒｏｔｈａｓｔｈｅｍｏｄｅｌｓｏｌｕｔｉｏｎ，ｔｈｅｆｏａｍｆｒａｅｔｉｏｎａｔｉｏｎＷａＳｃｏｎｄｕｃｔｅｄ，ａｎｄ

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ｆｏａｍｉｎｓｔｅａｄｏｆｔｈｅｃｏｌｕｍｎｒｅｓｉｄｅｎｔｔｉｍｅｏｆｔｈｅｒｉｓｉｎｇｄｙｎａｍｉｃｆｏａｍｍａｙｐｒｏｄｕｃｅｗｒｏｎｇｒｅｓｕｌｔｓ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｆｏａｍｆｒａｅｔｉｏｎａｔｉｏｎ；ｂｕｂｂｌｅｃｏｌｕｍｎ；ｌｉｑｕｉｄｈｏｌｄｕｐ；ｆｏａｍｄｒａｉｎａｇｅ

１前言蛋白质的泡沫分离要受到发生在液层的表面吸附和发生在泡沫层的泡沫排液的共同影响。前者主要受目标物质本身的理化性质以及体系性质（如ｐＨ，离子强度Ⅲ）的影响，而后者受操作条件（尤其是气速和泡沫层高度）的影响较大。在实际的工业化生产中，体系性质往往已经以最大程度地保持目标物质的活性做了优化，不宜调节。因此通过优化操作条件来提高泡沫分离效果具有很明显的现实意义。衡量泡沫分离效果的两个最重要的参数是富集比Ｅ和回收率尺。其中富集比的高低决定了泡沫分离的效率，是一个关键参数，而泡沫持液率则是影响富集比的直接因素。文献中早就有大量关于泡沫持液率的报道【２０】，有的作者认为泡沫排液在最初的几厘米内就达到平衡，而有些实验则发现泡沫持液率在几

收藕日期：２００８－０４－１８；修订日期ｔ２００８－０７－２１．

基金项目：天津市应用基础及前沿技术研究计划重点资助项ｇｔ（０８ＪＣＺＤＪＣ＇２５２００）：河北省教育厅自然科学研究计划（２２００８３１０）．作者简介ｌ钱少瑜（１９８¨。女．河北保定人，河北工业大学顼士生．通讯联系人；吴兆亮－ｇ－ｍｉｌｓｚｈａｏｌｉｍａｓｗｕ＠１６３．ｃｏｒｎ

万方数据高校化学工程学报２００９年６月十厘米的范围内随高度的增加而下降【６‘＂ｆｌ，因此有必要进一步研究泡沫分离过程中泡沫层总高度对持液率的影响。在本文中，使用直接从工业化生产中得到的乳链菌肽发酵液研究泡沫层高度对泡沫层持液率的影响，从而为提高泡沫分离乳链菌肽发酵液发酵乳链茵肽富集比和回收率提供依据。

２实验材料和方法２．１材料实验中所使用的乳链茵肽发酵液来自于天津康益生物工程有限

公司①Ｈ＝２．５，标称蛋白含量２．４ｇ．Ｌ－１）。新鲜发酵液在４＂Ｃ下沉淀过夜取上清液使用。２．２泡沫分离装置图ｌ是实验所用的泡沫分离塔。全塔高１６０ｃｍ，内径５．０ｃｍ，

外径６．０ｃｍ（包括三段塔节），由有机玻璃制成。设备上部三段各高２０ｃｍ的塔节可以单独装卸，且各节均留有样液出口，在不需取样时出口以橡皮帽密封。塔底部安装有一不锈钢筛板气体分布器。压缩空气（Ｏ．２Ⅷａ）经过缓冲瓶后，由鼓泡口引入，通过气体分布器分散

成气泡（直径＝（３．２５＋０．０２）ｍｍ）。泡沫塔出口处连有一塑料弯头，用于将泡沫导入电子天平上的泡沫收集罐中以即时测量泡沫液质量。２．３出口持液率的测量

圈１实验设备示意图Ｆｉｇ．１Ｓｃｈ廿ｎａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆａｘｐｃ，ｉｍｃｎｔａｌａｐｐａｒａｔｕｓ

由泡沫塔塔顶溢出的泡沫所含液体的体积分数称为出１２持液率，记为？－ｏｕｔ。出Ｅｌ持液率可由下式计算：６０咖…

‰２丽百【１）

其中ｐ＝１．０３７ｇ．ｍＬ～，为发酵液的密度，可近似作为泡沫液的密度使用。Ｇ为气体体积流量（ｍＬ・ｍｉｎ－１），

ｍ是泡沫收集罐中收集到的泡沫液的质量（ｇ），，为鼓泡持续时间（ｓ）。２．４塔节内平均持液率的测量通过监测出１２持液率可以判断系统是否达到稳定状态。系统达到稳态后，记某一时刻每个２０ｃｍ塔节内含有的泡沫中液体体积为巧（ｍＬ），则该塔节内泡沫的平均持液率可由下式计算：毛：尝（２）铲赢Ｇ’

其中Ａｃ表示塔的截面积（ｃｍ２）。实验时，三个２０ｃｍ塔节只靠自身重力叠合在塔身主体上。通过检测出１２持液率判断系统达到稳定状态后，迅速将各个塔节分离，分别收集其中的泡沫，破沫后测量其体积。这与Ｍａｌｙｓａ［２】所采用的方法类似。

３实验结果与讨论３．Ｉ出口持液率随鼓泡时间的变化图２反映的是鼓泡开始阶段出口持液率随鼓泡时间的变化规律，其中鼓泡气速Ｇ＝２００ｍＬ－ｍｉｎ－１，所＝２０ｃｍ，计时是从电子天

平有读数开始的。从图中可以看出，在系统运行达到稳定之前，‰经历了一个由零开始的增长过程。这一现象为鼓气所产生的泡

沫所特有。如果采用震荡法来产生泡沫，这一现象则不存在。因为在震荡产生的泡沫形成的时刻整个泡沫层的持液率呈均匀分布【射。

即便是通过鼓泡产生的泡沫，如果取样间隔时间过长这个过程也

暮、

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图２出口持液率随鼓泡时间的变化Ｆｉｇ．２鼬私ａｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆｂｕｂｂｌｉｎｇｔｉｍｅ

很容易被忽视。上述出口持液率随鼓泡时间增加的过程处于系统的不稳定阶段，因而对泡沫分离操作本身没有太多实用价值。但是它所反映出来的规律却为研究泡沫排液提供了依据：显然，实验中从泡沫塔

万方数据第２３卷第３期钱少瑜等：泡沫分离过程中泡沫层总高度对持液率的影响出口处收集到的所有泡沫都经过了相同的排液时间，但是最终的持液率却不同，这就说明泡沫在塔内泡沫相中的停留时间可能不是出口持液率的决定性因素。而在泡沫层的形成过程中，其总高度是不断升高的，出口持液率的升高可能与泡沫层总高度的增加有一定的关系。３．２泡沫层总高度对轴向持液率分布的影响图３是使用不同数量的２０ｃｍ塔节时，稳态下各塔节内泡沫的平均持液率。可以看到，塔节数量从１个增加到３个时，处于最上方的一个塔节内泡沫持液率并没有太大的变化，仅从１．１％下降到Ｏ．８％；而处于最下方的塔节内泡沫的平均持液率却从１．１％急剧上升到２．９％。虽然限于实验条件目前所得到轴向持液率分布特性曲线分辨率只有２０ｃｍ，但是从图３的结果可以推断：随着泡沫层总高度的增加，其平均持液率是增加的；泡沫层的轴向持液率特性曲线会向上移动并且越是处于较低位置的泡沫，持液率增加的越多。这是因为：随着泡沫层高度的增加，较高位置的泡沫向下排放的间隙液混合到下方的泡沫中去，抵消了下方泡沫自身排液造成的持液率的降低。位于底部的泡沫由于接受到太多的间隙液，其持液率便升高了，进而整个泡沫层的平均持液率也就升高了。相对于出口持液率随泡沫层高度的轻微下降来说，泡沫层总高度的增加，主要是提高了泡沫层的平均持液率和初始持液率。

图３泡沫层总高度对轴向持液率的影响Ｆｉｇ．３Ｅｆｆｅｃｔｏｆｆｏａｍｈｅｉｇｈｔｏｎｔｈｅａｘｉａｌｌｉｑｕｉｄｈｏｌｄｕｐｐｒｏｆｉｌｅ（Ｌｉｑｕｉｄｈｅｉｇｈｔ

ｉｓ１００ｃｍ，Ｇｉｓ２００ｒａＬ・ｍｉｎ一１）Ｔｏｔａｌｆｏａｍｈｅｉｇｈｔ／ｃｍ图４不同气速下‰．随泡沫层总高度的变化Ｆｉｇ．４岛ｕａｓａｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆｔｏｔａｌｆｏａｍｈｅｉｇｈｔａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｇａｓｆｌｏｗｒａｔｅｓ（Ｌｉｑｕｉｄｈｅｉｇｈｔｉｓ８０ｃｍ）

３．３出口持液率随泡沫层总高度的变化图４是实验测得的不同气速下出口持液率随泡沫层总高度的变化。与图‘３中轴向持液率的变化幅度相比可以看到，虽然随着泡沫层总高度的增加，出口持液率的确是降低的，但是降低的幅度非常有限。尤其是当鼓泡气速较低时，出口持液率随泡沫层高度的增加变化不很明显。一般文献中对这一现象的解释是：随着泡沫层高度的增加，泡沫在塔内泡沫相的停留时间延长，排液可以充分进行，出口持液率因此而降低；当泡沫层达到一定高度后，在没有到达出口之前泡沫排液就已经接近平衡，故出口持液率随泡沫层高度的增加而降低的程度不再明显【４１。很明显这种说法是将静态泡沫持液率随排液时间的变化规律套用到动态泡沫持液率随在塔内泡沫相中停留时间的变化上。这种说法忽略了很多细节，比如上面提到的全塔平均持液率随泡沫层高度增加而升高的现象。图５中所联系的三组数据是表观气速五（气体体积流量与泡沫塔横截面积之比）和泡沫层高度＾咕都不同而在塔内泡沫相中停留时间相同时的ｓ＇ｏｕｔ值。从中可以更清楚地看出，尽管停留时间是相同的，‰还是随着气速的增大而大