第1章 固液分离技术

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
学习目标
了解发酵液预处理目的及在产品分离纯化过程 中的意义；
了解生化产品生产中常用的絮凝剂； 掌握预处理技术的基本原理、方法及基本工艺，
能够正确从事发酵液的预处理操作； 掌握固液分离的原理、固液分离方法的选择原
理； 掌握传统固液分离技术基本工艺及操作，能够
双水相萃取有关双水相萃取详见第三章萃取和 浸取技术。
吸附法详见第五章
板框过滤分离工艺及操作
真空转鼓过滤工艺及操作
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１、２ 洗布水阀 ３ 洗涤水阀 ４进料阀 ５ 排污阀
脂多糖物质，多来自革兰阴性菌的细胞壁，可用超 滤、吸附、离子交换色谱和亲和色谱的方法去除
细胞培养液中加入的牛血清成分
糖类以及工艺处理溶液中所含有的小分子组分，可 采用透析、色谱和超滤（膜分离）等手段去除
含Ca2＋、Mg2＋、Fe2＋的盐，加酸或碱去除
预处理的原理及方法
1.降低液体黏度
降低液体黏度可提高过滤速率。怎样降低？
草酸钙
草酸钙还能促使蛋白质凝固，改善发酵液过滤性能。
Mg2++草酸 磷酸盐 三聚磷酸钠
沉淀不完全 磷酸镁盐 （注意抗生素稳定性） 可溶性络合物（易污染）
FeHale Waihona Puke Baidu+ +黄血盐
普鲁士蓝沉淀
2．杂蛋白的去除
利用各种沉淀方法，可以去除液相中的大部分杂质。
沉淀（precipitation）：是物理环境的变化引起溶质溶解 度降低，生成固体凝聚物的现象。
等电点沉淀法 加热 变性沉淀法 加入化学试剂
调节pH值 盐析法
沉淀法
有机溶剂沉淀法 非离子型聚合物
反应沉淀法 聚电解质
多价金属离子
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。
4．有色物质的去除 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。
（1）加水稀释法 :可有效降低液体粘度,但增加悬浮
液的体积，使后处理任务加大。
（2）升高温度:①让发酵液通过螺旋板、列管等换热
器，用热介质进行加热；②如果目标物质受温度变化影响较 小，发酵液又需适当稀释时，可在发酵液内直接通入蒸汽或 热水进行加热。
2.调整pH值
调pH至等电点使两性物质沉淀。在膜分离中，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。
6.加入反应剂
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（沉淀）对过滤的影响，从而提高过滤速率。
7．降低温度
降低其温度有利于减少目标产物在后序提取或分离过程 中发生分解或水解。
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+ +草酸or草酸钠
如何选择适当的方法进行预处理？
选择预处理方法需依据：
生物活性物质存在的部位 稳定性 后续提取工艺对料液质量的要求
可溶性杂质 蛋白质/多肽 脂类/脂蛋白质
多酚类 核酸类 内毒素 牛血清 小分子类物质
盐类
可溶性杂质来源
细胞中各种结构功能蛋白、酶类等，多数可以通过 沉淀、吸附、色谱、超滤及超速离心等方法去除
第二节 固液分离
固液分离的目的：除去固体杂质，得到 溶液（沉降)；分离掉溶液获得固体(过滤)。
固液分离方法：过滤、沉降
1.过滤
实现过滤操作的外力是过滤介质两侧的 压力差，一般压力差越大，过滤速度越大。 压力差可以通过重力、离心力、加压、抽真 空来获得。当介质上悬浮液重量越大，离心 机转速越高，外界施加压力越大，真空度越 高，压力差越大。
快悬浮液中固形物沉降的速度 除去大部分可溶性杂质 目标产物转移至便于后处理的一相(多数为液相)；
总之，对发酵液进行预处理利于固液分离及后 提取工序顺利进行。
为何要对发酵液进行预处理？
发酵液的基本特性 液相粘度大，多为非牛顿型流体，不易过滤； 目标产物浓度较低，大多为1-10%， 成分复杂,菌丝体、代谢产物、培养基影响提取
细胞膜磷脂分子、脂蛋白等具有亲水性，当提取液中存在有机溶 剂时，或发酵培养时所添加的油性消泡剂也可溶解于提取液中。 用萃取法去除
多为植物组织或细胞来源的色素类物质，发酵产物 粗制提取液中亦存在，一般用吸附、沉淀或色谱法 去 细除胞裂解过程释放，使黏度增大，可用离子交换色 谱、硫酸鱼精蛋白沉淀或加核酸酶消化等方法除去
排斥电位和产生吸附架桥作用的双重机制是絮凝 的主要原因。
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。
高分子絮凝剂的吸附架桥作用
影响絮凝作用的主要因素：
①高分子絮凝剂的性质和结构；②絮凝剂操作温度
离心过滤是基于固体颗粒和周围液体密度存在差异， 在离心场中使不同密度的固体颗粒所受离心力大小不同， 致使其径向运动速度不同而实现分离的过程。
改善过滤性能的方法
工艺上一般采用如下方法： 降低混合液粘度 增大被分离颗粒的粒度 加入助滤剂 提高离心机的转速或提高操作压力 增大真空度 降低滤饼层厚度 除去滤饼
分类：依据过滤介质所起主要作用不同可 分为：饼层过滤或深床过滤。依据提供外力的 方式不同分为常压过滤、加压过滤、真空抽滤 和离心过滤。
适用：常用于分离固体量较大的悬浮液。
过滤介质：起着使滤液通过，截留固体颗粒 并支撑滤饼的作用。常用的过滤介质有：织物 介质，多孔性固体粒状介质、各种膜等。织物 介质如金属丝网、天然或合成纤维织布、金属 织布、石棉板、玻璃纤维纸等；多孔性固体介 质如陶瓷滤材；粒状介质如硅藻土、澎润土、 活性碳等；各种性能的膜包括微孔膜、超滤、 半透膜等等。
③pH值；④搅拌速率和时间；⑤絮凝剂的加入量 ⑥絮凝剂浓度
絮凝剂种类：
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
①无机絮凝剂 如明矾、氯化铁等小分子絮凝剂；聚合铝 盐、聚合铁盐等高分子絮凝剂。
②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、聚乙烯吡啶类衍生物等 ；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
为何要对发酵液进行预处理？
对于细菌及某些放线菌，菌体细小，液体粘 度大，不能直接过滤，若用高速离心，能耗 很大，设备昂贵。若用膜分离技术（如微滤 ）易产生膜污染，通量降低。
发酵液中由于菌体自溶，核酸、蛋白质及其 它有机粘性物质的存在也会影响固液分离。
因而寻找一种经济有效的方法来提高固液分 离速度显得十分必要。
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。
（2）絮凝作用（flocculation）
絮凝作用是利用带有多种官能团的高分子线 状化合物能在分子上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。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。
正确从事固液分离操作；能够正确分析影响固 液分离的有关因素,并能对分离过程中有关问题 进行正确处理。
第一节 发酵液的预处理技术
❖ 预处理的意义 发酵液是一种混合物，含有的固体颗粒和杂质 对进一步的提取分离或产品质量构成危害。如离 子交换中影响交换的选择性、交换能力等，萃取 过程中易乳化等。
❖ 预处理的目的 改变发酵液的物理性质(黏度、颗粒稳定性等)加
发酵液预处理工艺及操作
发酵液预处理一般是在调节罐内进行。来自 发酵罐的发酵液通过空气压送或泵输送至调节 罐，加入一定体积后，在搅拌的情况下视工艺 需要，通过计量（流量计或称量器）加入一定 量水、酸（碱）、凝聚剂、絮凝剂、助滤剂或 化学反应剂等（为了方便，将上述物质统称为 调节剂），符合工艺要求后通过空气压送或泵 输送至过滤机进行过滤，除去料液中的沉淀物。
2.沉降
沉降是依靠外力的作用，利用分散物质（固相 ）与分散介质（液相）的密度差异，使之发生相对 运动，而实现固液分离的过程。
分类：分为重力沉降和离心沉降。
适用：主要用于固体粒子含量较少、颗粒细小
的悬浮液的分离。
重力沉降
颗粒受到重力加速度的影响而沉降的过程叫重力沉降 。固液混合物料在进行重力沉降之前一般需进行混凝、絮 凝等预处理。
使胶粒之间双电层的排斥作用降低（中和电荷），电
位下降，吸引作用加强，破坏胶体系统的分散状态，
而使胶体粒子聚集的过程。
胶体粒子保持分散状态的原因：
常 用 的 凝 聚 剂 （ 无 机 盐 ） ： AlCl3·6H2O 、
Al2(SO4)3·18H2O 、 K2SO4·Al2(SO4)3·24H2O 、 FeSO4·7H2O 、 FeCl3·6H2O、ZnSO4和MgCO3等。
影响颗粒沉降速度的因素：流体的密度 、颗粒的密度 、颗粒形状 、容器的壁面和底面 、颗粒之间的相互干扰 、 流体的流动状态 等。
沉降设备 ：主要有沉降室和沉降槽。沉降室多用于分 离气体中的固体颗粒，而沉降槽多用于液体悬浮物中固体 颗粒的分离。沉降槽分为间歇式与连续式两种，连续式沉 降设备又可根据结构上的差异分为短形水平流动池、圆形 水平流动池、垂直流动式沉降池及斜板式沉降池。
离心沉降
离心沉降在实现固液分离时，不需要过滤 介质，离心机的转鼓上不开设小孔，在离心力 的作用下，物料按密度的大小不同分层沉降而 得以分离，固体沉降于筒壁或转鼓壁上，余下 的即为澄清的液体，可用于液-固、液-液、液液-固物料的分离。
离心加速度与重力加速度之比叫离心分 离因数。分离因数值愈高，离心沉降效 果愈好。
离心沉降设备 ：工业上常用离心沉降 分离的设备有高速管式离心机、碟片式 离心机、倾析式离心机（又称螺旋卸料 离心机）与旋风分离器。其中旋风分离 器主要用于气体中颗粒的分离。
其它固液分离方法
切向流过滤（Cross-Flow Filtration）又称错流 过滤、交叉过滤或十字流过滤，是一种维持恒压下 高速过滤的技术。其操作特点是使悬浮液在过滤介 质表面作切向流动。
（5）固液分离设备和技术
过滤设备
工业上较为常用的过滤设备有板框过滤机、真空转鼓 过滤机、离心过滤机。
板框过滤机主要用于培养基制备的过滤及霉菌、放线 菌、酵母菌和细菌等多种发酵液的固液分离，比较适合固 体含量1%~10%的悬浮液的分离。
真 空 转 鼓 过 滤 机 适 合 于 固 体 含 量 较 大 （ >10% ） 的 悬 浮液的分离，由于受推动力(真空度)的限制，真空转鼓过 滤机一般不适合于菌体较小和粘度较大的细菌发酵液的过 滤，而且采用真空转鼓过滤机过滤所得固相的干度不如加 压过滤。
饼层过滤
饼层过滤的推动力是压力差，饼层过滤的阻力来自滤饼 层。饼层过滤过程主要包括三个步骤：①滤饼的形成； ②滤饼的洗涤；③滤饼的清除。
深床过滤
在深床过滤中，颗 粒沉积在床层内部 的孔道壁上但并不 形成滤饼，如图 1—2所示。过滤介 质起主要过滤作用。 当悬浮液通过过滤 层时，固体颗粒被 阻拦或吸附在滤层 颗粒上，使滤液得 以澄清。
pH值的调节一般是在发酵液中加入一定浓度的酸 （碱）溶液，如果需要也可加入一定量的酸（碱）缓冲 溶液。
3.酶解法
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 。
4.凝聚与絮凝
（1）凝聚作用（coagulation）
凝聚作用是指在某些电解质（凝聚剂）作用下，
影响过滤性能的因素
（1）混合物中悬浮微粒的性质和大小
悬浮微粒越大，粒子越坚硬，大小越均匀，固液分离越 容易，过滤速度越大。
（2）混合液的黏度
流体的粘度越大，固液分离越困难，过滤速度就会降低
（3）操作条件
温度、pH、操作压力、离心机转速、滤饼厚度等的控制 也会影响固液分离速率。
（4）助滤剂的使用
助滤剂是一种不可压缩的多孔微粒，它能使滤饼疏松， 滤速增大。
③生物絮凝剂 蛋白质、粘多糖、纤维素和核酸等。
5．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。
助滤剂的使用方法：①将助滤剂在支持介质（滤布）的 表面上预涂助滤剂薄层1～2 mm；②将助滤剂分散在待过滤 的悬浮液中。
常用的助滤剂：硅藻土、纤维素、石棉粉、珍珠岩、白 土、炭粒、淀粉等。最常用的是硅藻土。