苏州大学生物工程下游技术复习

苏州大学生物工程下游技术复习内容摘要：

环境也不受环境污染，能量消耗也比离心法少。 路线③是用 化学法破菌 ，所采用的试剂既可以破菌又可以溶解包含体，将两道工序合为一道，节省了设备和时间，比前两者更 适合于实验室操作。 缺点 是所有的可溶性杂质都没有被除去，混杂在产物中间，给后分离带来困难。 9． 固 液分离的方法。 离心沉降、微孔膜过滤、双水相萃取、泡沫分离法、避开固液分离的探索 ——扩张床吸附 10． 离心机的种类。 过滤的种类。 8 离心机的种类很多，按其作用原理不同，可分为 过滤式离心机 和 沉降式离心机 两大类。 前者 转鼓上开有小孔，有过滤介质，在离心力作用下，液体穿过过滤介质经小孔流出而得以分离，主要用于处理悬浮液固体颗粒较大、固体含量较高的场合。 后者 转鼓上无孔，不需过滤介质，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，可用于液 固、液－液、和液－液－固物料的分离。 下面简要介绍生物工业中几种常见的 离心分离设备。 碟片式离心机 碟片式离心机是沉降式离心机的一种， 1877 年由瑞典的 DeLaval 发明，是目前工业生产中应用最广泛的离心机。 如图 32所示为碟片式离心机简图，机内装有多层碟片，碟片间距离为 左右。 悬浮液由轴中心加入，其中的固体颗粒 (或重相 )在离心力的作用下沿最下层的通道滑移到碟片边缘处，自转鼓壁排泄口引出；清液 (或轻相 )则沿着碟片向轴心方向移动，自环形清液口排出，从而达到固液分离的目的。 其中倾斜的碟片对固液起着进一步分离的作用，当固体颗粒被带进碟片中时，在离心力的作用下会接触到上 面的碟片，形成固相流动层沿碟片流下，从而防止了出口液体中夹带固体颗粒。 按卸料方式的不同，碟片式离心机分为人工卸料、自动间歇排料和喷嘴连续排料三种型式。 其中第一种为间歇操作，每次操作完成后需停机人工卸料；第二种离心机工作一段时间后，在不停机状态下自动打开转鼓外缘处的固体排泄口，借离心力甩出固相；第三种转鼓外缘装有若干喷嘴，在操作过程中连续排出固相 (或重相 )。 前两种适合于悬浮液固形颗粒含量较少的场合。 此外，间歇式操作，固相干度较好；而连续操作固相含液量较大，其固相仍具有流动性。 碟片式离心机的分离因数为 1000～ 20200，适应于细菌、酵母菌、放线菌等多种微生物细胞悬浮液及细胞碎片悬浮液的分离。 它的生产能力较大，最大允许处理量达 300m3／ h，一般用于大规模的分离过程。 对于不同的碟片式离心机，可根据要分离的悬浮液物性和离心机的结构参数及转速，计算其最大允许的处理量。  Q＝νω 2Ζ  其中：ν＝ d2（ρ sρ L） g/18μ  Ζ＝ 2π n/3g（ r23r13） ctgθ  式中 Q——离心机的最大允许进料量 (m3/s) ω ——离心机的角转速度 (rad/s)  ν ——固体颗粒的自然沉降速率 (m/s)  Ζ ——与离心机结构有关的常数  d——颗粒直径 (m) ρ s——固体密度 (kg/m3) ρ L——液体密度 (kg/m3) μ ——液体粘度 (Pa s) n——碟片数 r r1——碟片的外径和内径 (m)θ ——碟片的倾斜角度 (186。 ) g——重力加速度 (m/s2) 管式离心机 管式离心机是一种分离效率很高的离心分离设备，由于它的转鼓细而长 (长度为直径的 6～ 7倍 )，所以可以在很高的转速 (转速可达 15000～ 50000r／ min)下工作，而不至于使转鼓内壁产生过高的应力。 管式离心机分离因数高达 104～ (6x105)，除可用于微生物细胞的分离外，还可用于细胞碎片、细胞器、病毒、蛋白质、核酸等生物大分子的分离。 但由于管式离心机的转鼓直径较小，容量有限，因而生产能力较小。 转速相对较低的管式离心机最大处理量可达 10m3/h。 管式离心机也是一种沉降式离心机，可用于液液分离和固液分离。 当用于液液分离时为连续操作，而用于固液分离时则为间歇操作，操作一段时间后需将沉积于转鼓壁上的固体定期人工卸除。 管式离心机由转鼓、分离盘、 机壳、机架、传动装置等组成，如图 33 及图 34 所示。 悬浮液在加压情况下由下部送入，经挡板作用分散于转鼓底部，受到高速离心力作用而旋转向上，轻液 (或清液 )位于转鼓中央，呈螺旋形运转向上移动，重液 (或固体 )靠近鼓壁。 至分离盘靠近中心处为轻液 (或清液 )出口孔，靠近转鼓壁处为重液出口孔。 用于固液分离时，将重液出口孔用石棉垫堵塞，固体则附于转鼓周壁，待停机后取出。 管式离心机设备简单，操作稳定，分离效率高。 在生物工业中，特别适合于一般离心机难以分离而固形物含量 1％的发酵液的分离。 对于固形物含量较高的发酵液，由于 不能进行连续分离，需频繁拆机卸料，影响生产能力，且易损坏机件。 倾析式离心机 9 倾析式离心机靠离心力和螺旋的推进作用自动连续排渣，因而也称为螺旋卸料沉降离心机。 具有操作连续、适应性强、应用范围广、结构紧凑和维修方便等优点，特别适合于含固形物较多的悬浮液的分离。 这种离心机的分离因数一般较低，大多为 1500～ 3000，因而不适合于细菌、酵母菌等微小微生物悬浮液的分离。 此外，液相的澄清度也相对较差。 倾析式离心机的转动部分由转鼓及装在转鼓中的螺旋输送器组成，两者以稍有差别的转速同向旋转。 如图 3－ 5所示为并流 型倾析式离心机工作原理图，悬浮液从进料管径进料口进入高速旋转的转鼓内，在离心力作用下，固体颗粒发生沉降分离，沉积在转鼓内壁上。 堆积在转鼓内壁上的固相靠螺旋推向转鼓的锥形部分，从排渣口排出。 与固相分离后的液相，经液相回流管从转鼓大端的溢流孔溢出。 在发酵工业中，倾析式离心机常用于淀粉精制和废液处理。 用于酒精废糟处理时，离心分离后固形物中干固物浓度为 20％～ 30％，液相中悬浮物含量为 ％左右。 过滤 是传统的化工单元操作，其原理是悬浮液通过过滤介质时，固态颗粒与溶液分离。 根据过滤机理的不同，过滤操作可分为 澄清过滤 和 滤饼过滤 两种。 在澄清过滤中，所用的过滤介质为硅藻土、砂、颗粒活性炭，、玻璃珠、塑料颗粒等，填充于过滤器内即构成过滤层；也有用烧结陶瓷、烧结金属、粘合塑料及用金属丝绕成的管子等组成的成型颗粒滤层。 当悬浮液通过滤层时，固体颗粒被阻拦或吸附在滤层的颗粒上，使滤液得以澄清，这种方法叫做澄清过滤。 显然，在澄清过滤中， 过滤介质起着主要的过滤作用。 此种方法适合于固体含量少于 ／ 100ml、颗粒直径在 5～ 100μ m的悬浮液的过滤分离，如 河水、麦芽汁、酒类和饮料等的澄清。 在滤饼过滤中，过滤介质为滤布，包 括天然或合成纤维织布、金属织布，及毡、石棉板、玻璃纤维纸、合成纤维等无纺布。 当悬浮液通过滤布时，固体颗粒被滤布所阻拦而逐渐形成滤饼 (或称滤渣 )。 当滤饼至一定厚度时即起过滤作用，此时即可获得澄清的滤液，这种方法叫做滤饼过滤或滤渣过滤。 在滤饼过滤中，悬浮液本身形成的滤饼起着主要的过滤作用。 此种方法适合于固体含量。 滤饼过滤按推动力的不同可以分为四种，即 重力过滤、加压过滤、真空过滤和离心过滤。 其中重力过滤设备简单，应用不多，在发酵工业中仅用于啤酒糖化醪的过滤，对发酵醪过滤未 见采用。 下面简要介绍生物工业中几种常用的过滤方法与设备。 板框过滤机 板框过滤机是一种传统的过滤设备，在发酵工业中 广泛应用 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。 与其他设备比较，板框过滤机的 优点 是：结构简单，装配紧凑，过滤面积大；过滤的推动力 (压力差 )能大幅度调整，并能耐受较高的压力差，因而固相含水分低，并能适应不同过滤特性的发酵液的过滤；辅助设备少、维修方便、价格低和动力消耗少等。 板框过滤机的 主要缺点 是设备笨重、间歇操作、劳动强度大、卫生条件差、辅助时间多和生产效率低。 自动板框过滤机是一种较新型的压滤设备，它使板框的拆装、滤饼的脱落卸出和滤布的清洗等操作都自动进行，大大缩短了非生产的辅助时间并减轻了劳动强度。 板框过滤机比较适合于固体含量 1％～ 10％的悬浮液的分离。 真空转鼓过滤机 对于 大规模生物工业生产 ，真空转鼓过滤机是常用的过滤设备之一。 它具有 自动化程度高、操作连续和处理量大的优点 ，特别适合于固体含量较大 (10％ )的悬浮液的分离，在发酵工业中广泛用于霉菌、放线菌和酵母菌发酵液或细胞悬浮液的过滤分离。 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。 此外，采用真空转鼓过滤机过滤所得固相的干度不如加压过滤。 如图 3－ 6 所示为真空转鼓过滤机的工作原理图。 这种过滤机的主要部件是一转鼓，在转鼓内维持一定的真空度，施加于转鼓外边的大气压力即为过滤的推动力。 过滤操作时，转鼓下部浸没于待过滤的悬浮液中 (过滤区 )。 当转鼓以低速旋转时 (一般为 ～ )，滤液就透过滤布被吸人转鼓内腔，滤渣则滞留于转鼓表面的过滤介质上形成滤饼。 当转鼓继续转动，生成的滤饼依次被洗涤、吸干 (洗涤吸干区 )和刮下卸除 (卸渣区 )。 最后， 10 为了除去堵 塞在滤布孔隙中的细微颗粒，压缩空气通过分配阀的Ⅳ室进入再生区，吹落这些微粒使滤布再生。 转鼓转动一周，则完成一个过滤循环。 对于预涂助滤剂或在用刮刀卸渣时保留滤饼预留层的场合，则不用再生区。 前者可提高过滤速率，后者可提高滤液的澄清度。 硅藻土过滤机 硅藻土是生物工业中应用较为广泛的散粒过滤介质，是一种较纯的二氧化硅矿石。 硅藻土密度为 100～ 250kg/m3，比表面积 10～ 20m2/g，粒度 2～ 100μ m。 此种颗粒具有极大的吸附和渗透能力，能滤降 ～ m 的粒子，而且化学性能稳定，它既是优良的过滤介质 ，同时也是优良的助滤剂，其用法有如下三种： (1) 作为深层过滤介质，以过滤含少量 (％ )悬浮固形物的液体。 硅藻土不规则粒子间形成许多曲折的毛细孔道，藉筛分和吸附作用除去悬浮液中的固体粒子。 (2) 在支持介质 (滤布 )的表面上预涂硅藻土薄层 (预涂层 )，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，从而提高和稳定过滤速率。 (3) 将适当的硅藻土分散在待过滤的悬浮液中，使形成的滤饼具有多孔隙性，降低滤饼的可压缩性，以提高过滤速率和延长过滤操作的周期。 硅藻土过滤机被广泛用于啤酒生产中 的冷凝固物的分离和成熟啤酒的过滤，它还多用于葡萄酒、清酒及其他含有低浓度细微蛋白质胶体粒子悬浮液的过滤。 按支撑单元的不同，硅藻土过滤机可分为 板框式过滤机、叶片式过滤机和柱式过滤机 三种。 第 四 章 膜分离技术在生物工程中的应用 1． 什么是 膜分离技术。 膜分离技术是用半透膜作为选择障碍层，允许某些组分透过而保留混合物中其他组分，从而达到分离目的的技术。 2． 膜的分类。 对称膜 对称膜是结构与方向无关的膜 非对称膜 非对称膜有一个很薄的，但比较致密的分离层和多孔支撑层，如图 91所示 复 合膜 这种膜的选择性膜层 (活性膜层 )沉积于具有微孔的底膜 (支撑层 )表面上 荷电膜 即离子交换膜，是一种对称膜，含有高度的溶胀胶载着固定的正电荷或负电荷，带有正电荷的膜称为阴离子交换膜，从周围流体中吸引阴离子。 带有负电荷的膜称为阳离子交换膜。 相对应的有中性膜。 另外还有根据膜材料亲疏水性可分为亲水膜和疏水膜。 液膜 即液体膜，是从生物膜奇妙的选择性输送功能上得到启发而模仿的一种人工膜 微孔膜 孔径为 ~20μ m的膜 动态膜 在多孔介质 (如陶瓷管 )上沉积一层颗粒物 (如氧化锆 )作为有选择作用的膜，此沉积层与溶液处于动态平衡 3．渗透、透析 、 反渗透 、超滤、和电渗析。 渗透 是一个扩散过程，在膜的两旁，渗透压差的作用下溶剂产生流动。 透析 是利用膜两侧的浓度差从溶液中分离出小分子物质的过程。 在渗透实验装置的膜两侧制造一个压力差，并使其大于渗透压，就会发生溶剂倒流，使得浓度较高的溶液进一步浓缩，这一现象叫做 反渗透。 超滤和反渗透及微过滤都是以 压力差 为推动力。 以多孔细小薄膜为过滤介质，使不溶物浓缩过滤的操作为 微过滤 ；按粒径选择分离溶液中所含的微粒和大分子的膜分离操作为 超滤； 从溶液中分离 出溶剂的膜分离操作为 反渗透。 在电场中交替装配的 阴离子和阳离子交换膜 ，在电场中形成一个个隔室，使溶液中的离子有选择地分离或富集，这就是 电渗析。 4．膜的浓差极化 与膜污染。 如何控制膜污染。 浓差极化是指在分离过程中，料液中的溶剂在压力驱动下透过膜， 溶质被截留 ，于是在膜表面与临近膜面区域浓度越来越高。 在浓度梯度作用下，溶质由膜面向本体溶液扩散，形成 边界层 ，使流体阻力与局部渗透压增加，从而导致溶剂透过流量下降。 溶剂向膜面流动（对流）引起溶质向膜面流动，当溶质向膜面的流动速度与浓度梯度使溶质 11 向本体溶液扩散速度达到 平 衡 时，在膜面附近存在一个稳定的浓度梯度区，这一区域称为浓度极化边界层，这一现象称为 浓差极化。 它只有在运行膜分离过程中才发生。 膜的浓差极化容易造成 3 种情况： (1)提高渗透压，降低水通量。 (2)降低膜的截留率。 (3)产生结垢现象，造成物理阻塞，使膜逐渐失去透水能力。 对于浓差极化现象虽不能完全消除，但操作得当，浓差极化是可以减弱的。 膜污染是指处理物料中的微粒、胶体粒子或溶。