当前位置: 首页 > >

固液分离技术-(3)

发布时间:

生物工程下游技术
生命科学与生物制药学院 生物技术系

固液分离技术
?

?
?

3.1概述 3.2过滤 3.3离心

生物分离过程的一般流程
原料液 原料液
预处理

细胞分离 离心,过滤 ) ( 细胞分离 离心,过滤 ( ) 细胞-胞内产物 细胞-胞内产物 路线一B 包含体 溶解(加盐酸胍、脲) 溶解( 加盐酸胍、脲 ) 复性 细胞破碎 碎片分离 碎片分离 粗分离(盐析、萃取、超过滤等) 粗分离( 盐析、萃取、超过滤等 ) 纯化( 层析、电泳) 层析、电泳 ) 脱盐(凝胶过滤、超过滤) 脱盐( 凝胶过滤、超过滤 ) 浓缩(超过滤) 浓缩( 超过滤) 精制( 结晶、干燥) 结晶、干燥 ) 路线一 路线二 清液-胞外产物

路线一A

3.1固液分离技术概述
固液分离是生物产品分离纯化过程中重要 的单元操作。 ? 固液分离的方法有分离筛、悬浮分离、重 力沉降以及离心和过滤等。 ? 用于发酵液固液分离的主要是离心和过滤。
?

发酵液中悬浮粒子的大小

表3-1 主要的固液分离技术及其特点
方法 原理 设备
高速冷冻离心机
碟片式离心机 在离心产 生的力场 作用下, 加速颗粒 的沉降 管式离心机

特点
适用于粒径小、热稳定差 物质回收,常用于实验室 适用于大规模工业应用, 连续式或批式操作,稳定 性较好,易广大、推广 批式操作、转速高、固液 分离效果较好、含水低, 易放大推广 连续操作,易放大,易工 业应用,操作稳定

缺点
产量小,难连续操作, 大规模工业应用差 半连续或批式操作时出 渣、清洗复杂,连续操 作固形物含水量高,总 的分离效率低

离心

容量有限,拆装频繁、 处理量小、噪声大
很小颗粒的固形物回收 困难,设备投资高

倾析式离心机 框式离心机

实质为离心力作用下的过 批式操作或半连续操作, 滤。适用于大颗粒固形物 转速低,分离效果较差, 的回收,放大容易 投资高,成本高

过滤

依据过滤 介质的孔 隙大小
依据被分 离分子和 膜孔大小

板框过滤机、*板过 滤机、真空旋转过滤 机、管式过滤器
板框式、管式、中空 纤维式和螺旋卷式等

设备简单,操作容易,可 分离速度慢,分离效果 大规模工业应用,适用于 受物料性质变化的影响, 大颗粒固体过滤 劳动强度大
主要用于分离细胞。操作 简单,效果好,可无菌操 作,适用性好,易放大 易污染,分离效果与操 作技巧和物料性质关系 密切,精心保养、清洗

膜分 离

3.2

过滤

3.2.1 传统的过滤方法 ? 过滤就是利用多孔 性介质(如滤布)截 留固液悬浮物中的固 体颗粒,从而实现固 液分离的方法。 ? 传统的过滤以板框 过滤或真空过滤为主。

板 框 过 滤 机

?

?

?

?

传统的过滤单元操作,根据过滤机理的不同, 可分为深层过滤和滤饼过滤两种。 深层过滤所用的过滤介质为硅藻土、砂、颗粒 活性炭和塑料颗粒等,过滤介质填充于过滤器内 形成过滤层。过滤介质起主要作用。适用于固体 含量少于1g/L、颗粒直径在5-100μm的悬浮液。 滤饼过滤的过滤介质是滤布。悬浮液通过滤布 时,固体颗粒被阻拦形成滤饼,滤饼起主要过滤 作用。适用于固体含量大于1g/L的悬浮液。 按过滤推动力的不同,滤饼过滤又分为常压过 滤、加压过滤和真空过滤三类。

3.2.1.1 过滤理论 (1)过滤速率:单位时间内通过过滤面积的 滤液体积,又称滤液的透过速率。 dQ/dt=A△p/[μL(Rm+Rc)] Q: 滤液体积, m3; A: 过滤面积, m2; △p: 过滤介质两侧的压力差,Pa; μL: 滤液的黏度, Pa· s Rm、Rc: 分别为介质和滤饼的阻力, m-1

过滤操作以压力差作为透过推动力; ? 滤液透过的阻力包括过滤介质阻力和滤饼阻力, 以滤饼阻力为主。 (2)滤饼阻力 ? Rc=α· w/A ? α:滤饼*均比阻,指单位干重滤饼的过滤阻力。 ? 滤饼*均比阻是衡量过滤特性的主要指标,与 滤饼的结构特性有关。 ? 发酵液过滤的滤饼比阻与一般的可压缩滤饼不 同。当滤饼中所含固形物浓度达到一定的界限时, 比阻会突然升高,过滤速率会迅速下降,甚至不 能过滤。
?

对于不可压缩性滤饼,比阻值为常数,但对于可压缩性

滤饼,

α是操作压力差的函数、一般可用下式表示:
α=k?pm

K: ?p=1pa时的*均比阻;m:压缩指数,0.3-1.2间

由此可见滤饼的比阻值是随操作压力差的提高而增大的。 因此开始过滤时应注意不能很快提高压差,通常靠液柱的自 然压差进料,并应缓慢地逐步地升高压力,一般在相当长的 时间内,压力差不要超过0.05MPa,最后的压差(不包括榨滤) 也不超过0.3一0.4MPa。

(3)恒压过滤和恒速过滤 ? 在恒压条件下,过滤介质的阻力可忽略;
? ?

恒速过滤可通过往复式恒流泵进行。 过滤属于不稳定的流动过程。工业上的过 滤不宜使整个过程全部在恒压或恒速下进行。

3.2.1.2 过滤速率的影响因素 影响过滤速率的因素主要有两个: (1)过程的推动力 ? 真空过滤最大真空度一般在85kPa以下;
?

加压过滤的压力差一般在500kPa以下。 (2)过滤阻力
与悬浮液的性质有关,黏度越大越不利于过滤, 可稀释。 与过滤介质和滤饼的性质有关,滤饼阻力是由 菌种和发酵条件决定。

?

?

A.菌种
菌种对过滤速度影响很大。 真菌:菌丝粗大,容易过滤,不需特殊处理。滤渣呈紧密 饼状物,易从滤布上刮下,可采用鼓式真空过滤机过滤。 放线菌:菌丝细而分枝,交织成网络状,还含有很多多糖 类物质,粘性强,比阻α值高,过滤困难,一般需经预处理, 以凝固蛋白质等胶体。 细菌:菌体更细小,过滤十分困难,如不用絮凝等方法预 处理发酵液,往往难以采用常规过滤的设备来完成过滤操作。

B.培养基
培养基的组成对过滤速度影响也很大。 黄豆粉、花生饼作氮源、淀粉作碳源会使过滤困 难。 举例:a 、在链霉素发酵液的培养基中,加以黄 豆粉代替玉米浆,则比阻值增大0.6—1.0倍。 b、 在青霉素发酵的培养基中,加入酵母 蛋白,rB值也提高很多。 此外,发酵后期加消沫油或剩余大量末用完的培 养基都会使过滤困难。

C.发酵时间
正确选择发酵终了时间对过滤影响很大。 在菌丝自溶前必须放罐,因为细胞自溶后的分 解产物很难过滤。

有时延长发酵周期虽能使发酵单位有所提高, 但严重影响发酵液质量,使色素和胶状杂质增多、 过滤困难,最终造成成品质量降低。

3.2.1.3 改善过滤性能的方法 (1)絮凝 (2)加助滤剂 ? 助滤剂是一种不可压缩的多孔微粒。 ? 工业上常用的助滤剂有硅藻土、纤维素、白土、 炭粒、淀粉等。 ? 助滤剂可预先涂在过滤介质表面;厚2mm; ? 也可直接加入发酵液中,用量约等于悬浮液中 固体含量,滤速最快。 ? 助滤剂的种类应根据目标产物、过滤介质来确 定,粒度必须与悬浮液中固体粒子的尺寸相适应。

(2)加入反应剂 ? 加入不影响目标产物的反应剂;
?

?

反应剂之间能互相或能和发酵液中的杂 质反应,生成CaSO4、AlPO4等不溶性沉淀, 从而提高过滤速率。 如果发酵液中含有不溶性多糖,过滤前 最好用酶将其转化为单糖。

3.2.1.4 过滤设备及选择 ? 在生物工业中,常用的过滤发酵液的设 备主要有板框过滤机、加压过滤机和真空 过滤机三类。

不锈钢板框过滤机

3.2.2 膜过滤和微滤 ? 膜分离是利用具有一定选择透过特性的 过滤介质进行物质的分离纯化,过程的实 质是物质通过膜传递速率不同而得以分离, 过程*似于筛分。 ? 经预处理的发酵液为悬浮液,可使用微 滤进行固液分离。

3.3
?

离心

对于浓度较小,粒径较大, 硬度较强的不溶物,可以 采用过滤分离。

?

?

?

但当固体颗粒细小而难以 过滤时,发酵液不易被过 滤纯化,离心操作往显得 十分有效。 优点:分离速度快,效率 高,适合于大规模的分离 过程。 缺点:设备投资经费高, 能耗大。

3.3.1 离心原理
?

依靠惯性离心力的作用而实现的沉降过程。 适用于两相密度差较小,颗粒粒度较细, 在重力场中的沉降效率很低的非均相体系。

离心分离颗粒沉降速度
up ? d 2 ( ? p ? ?m ) 18 ?

?2 r

(14 ? 6)

d - 颗粒直径; ρp - 颗粒密度; ρm -液体介质密度; η - 液体介质粘度; ω -旋转角速度;r -转轴中心到颗粒中心距离。 ?增大离心力(ω2r)可提高沉降速度,对沉降 速度小的颗粒,提高转速是有效的方法。 ?与颗粒直径有关,大颗粒容易沉降。 ?与颗粒密度和介质密度之差(ρp-ρm)成正比。 ?随介质粘度增大而减小。

细胞破碎液

3.3.2 离心方法 (1)差速离心 ? 生化分离中最为常 用的离心分离方法。 ? 菌体细胞一般在 500g-5000g的离心力 下就可完全沉降。

600g离心10min

细 [沉降层] 胞 细胞核(4-6μm) 破 碎 液 的 差 速 离 10000g离心10min 心 分 [沉降层] 级 细胞碎片 分 线粒体 离
溶酶体 [沉降层] 核糖体

[上清液] 细胞膜碎片 线粒体(1μm) 溶酶体(0.25-0.5μm) 核糖体(18nm) 水溶性物质

[上清液] 核糖体 水溶性物质 10000g离心3h [上清液] 水溶性物质

离 心 力 与 转 速

(2)区带离心 ? 可分为差速区带离心和*衡区带离心。
?

两种区带离心的共同之处是:离心之前 要先用某种低分子量溶液(如蔗糖溶液) 调配好密度梯度,然后将待处理的料液加 在已形成密度梯度的溶液之上,进行离心。

? ?

?

差速区带离心的原理是沉降系数不同的 组分在密度梯度中会形成各自不同的区带。 *衡区带离心与差速区带离心的不同之 处在于其密度梯度比差速区带离心的密度 梯度大。离心操作后,料液中的高分子溶 质在与其自身密度相等的溶剂密度处形成 稳定的区带,区带中的溶质浓度以该处密 度为中心,呈高斯分布。 区带离心法一般适用于蛋白质、核酸等 生物大分子的分离纯化。

3.3.3 离心分离设备及其放大 ? 根据离心力(转数)的大小,可分为普通离 心机、高速离心机、超速离心机。
离心机的各类和使用范围 种类 离心机参数 转速(r/min) 离心力/g 细胞 适用范围 普通离心机 高速离心机 超速离心机 2000-6000 2000-7000 适用 10000-26000 30000-120000 8000-80000 适用
100000-600000

适用

细胞核
细胞器 蛋白质

适用
– –

适用
适用 –

适用
适用 适用

?

?

按作用原理不同,可分为过滤式离心机 和沉降式离心机两类。 工业生产中主要采用沉降式离心机,包 括碟片式离心机、管式离心机和倾析式离 心机。

管式离心机

碟片式离心机

思考题 1. 固液分离的方法有哪些?其原理分别是什 么? 2. 生物产业过滤和离心分离常用的设备是什 么? 3. 改善过滤过程的方法有哪些?




友情链接: