发酵液的预处理和菌体的回收课件

*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,发酵液的预处理和菌体的回收,第二章,Pretreatment of Fermentation Broth and Separation of Biomass,1,标题添加,点击此处输入相,关文本内容,点击此处输入,相关文本内容,前言,点击此处输入,相关文本内容,标题添加,点击此处输入相,关文本内容,2,发酵液成分很复杂，包含菌（细胞）体，胞内外代谢产物，及剩余的培养基残分等。不管人们所需要的产物是胞内还是胞外，都,首先要进行培养液的预处理和固液分离开，才能进行后续操作,：,对于胞外产物，可先将菌体或其他悬浮杂质去处，才能从澄清的滤液中提取代谢产物。,对于胞内产物，首先富集菌体，再进行细胞破碎和碎片分离，然后提取胞内产物。,3,2.1,悬浮液的基本特性,一、悬浮液,通常是指固体颗粒度在10,-5,cm以上的固液分散体系，生物细胞培养液基本上也是悬浮液。,其中大部分是,水,，其次是,微生物,或,动植物细胞,或,碎片,及少量,未用完的培养基,，除此之外还有一定量的,代谢产物,。,4,工业生物技术中典型的固体粒子,5,二、悬浮液的基本特性,微生物发酵液的特性为：,发酵产物浓度较低，大多为,1-10%,，悬浮液中大部分是水；,悬浮物颗粒小，相对密度与液相相差不大；,液相粘度大，大多为非牛顿型流体；,性质不稳定，随时间变化，如易受空气氧化、微生物污染、蛋白酶水解等作用的影响。,6,2.2,悬浮液的预处理,为什么要对发酵液进行预处理？,预处理的目的是什么？,预处理有哪些方法？,7,固液分离方法主要是过滤和离心。,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。,一、预处理的目的,为什么要对发酵液进行预处理？,因而寻找一种经济有效的方法(发酵液预处理)来提高固液分离速度显得十分必要。,8,一、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一相中（多数是液相）；,（3）去除发酵液中的部分杂质，以利于后续各步操作。,对发酵液进行预处理的目的？,促进从悬浮液中分离固形物的速度，提高固液分离的效率,9,通过对发酵液进行适当的预处理，即可改善其流体,性能，降低滤饼比阻，提高过滤与分离的速率。,1.降低液体粘度,根据流体力学原理，滤液通过滤饼的速率与液体的,粘度成反比，降低液体粘度可有效提高过滤速率。有,加水稀释法和加热法,二、预处理的方法,10,一般加热的温度采用6580。不同的蛋白质其开始变性沉淀的温度不同。,最简单也是最廉价的发酵液预处理方法,。通过对发酵液进行加热处理可以达到几个目的：,降低发酵液粘度，改善固液分离条件；,除去部分热敏性的杂质，如杂蛋白；,同时，在适当温度和受热时间下可使发酵液中的蛋白质由于变性而凝聚，形成较大颗粒的凝聚物，发酵液的粘度就会随之降低，进一步改善了发酵液的过滤特性。,使发酵液获得巴氏灭菌的作用。,前提,是目的产物必须为非热敏性的,。,注意加热温度与时间，不影响产物活性和细胞的完整性。,11,缺点：,热处理常常会对发酵液质量有些影响，特别是会,使,色素增多,。而且，温度升高常使,发酵液中的一些水解酶活力升高,，被分离产物有受酶水解的危险。,因此，热变性最好在硫酸铵溶液中进行，另外，选择合适的缓冲液、pH、加热方式和加热过程也很重要。,12,新进展：,为了提高产物在下游分离过程中的活力稳定性，人们对,耐高温型的基因工程产品（如蛋白酶等）的关注日益加强,，不断有耐高温的产品出现，这也,使得采用升高温度的处理方法可行性和可操作性更强,。而且，原来为了防止产品失活而,消耗的制冷能耗也可以节省，并简化了分离步骤,。,极端微生物,嗜热微生物产生的耐高温酶,13,pH值直接影响发酵液中某些物质的电离度和电荷,性质，适当调节pH值可改善其过滤特性。,氨基酸、蛋白质等电点的调节；,在膜过滤中，发,酵液中的大分子物质易与膜发生吸附，通过调整pH值,改变易吸附分子的电荷性质，即可减少堵塞和污染；,细胞、细胞碎片及某些胶体物质,等在某个pH值下,也可能趋于絮凝而成为较大颗粒，有利于过滤的进行。,主要有,等电点沉淀法,2.调整pH,14,采用凝聚和絮凝技术能有效,改变细胞、细胞碎片及溶解大分子物质的分散状态,，,使其聚结成较大的颗粒，便于提高过滤速率。另外，还能有效地,除去杂蛋白和固体杂质,，,提高滤液质量。,3.凝聚与絮凝,常用于菌体细小而且粘度大的发酵液的预处理中,这两种方法的,特点,是不仅能使颗粒尺寸有效增加，并且会增大颗粒的沉降或浮选速率，提高滤饼的渗透性或者在深床过滤时产生较好的颗粒保留作用。,15,扩散双电层的结构模型图,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,。,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子（即正离子）被吸附在其周围，在界面上形成了,双电层,。,16,扩散双电层的结构模型图,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,吸附层或紧密层,；,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,。,17,当胶粒在溶液中作相对运动时，总有一薄层液体随着它一起滑移，这一薄层，厚度比吸附层稍大，滑移面（剪切面）在图中用波纹线表示。,胶体双电层的构造,18,这三种电位中只有电位能实际测得，所以可以认为是,控制胶粒间电排斥作用的电位，用来表征双电层的特征。,4q/D,D水的介电常数；,q胶体的电动电荷密度，即滑移面上的电荷密度；,扩散层的有效厚度，即为吸附层和扩散层界面处,电位,d,降低到其值为1/e处的距离，,19,电位,与扩散层厚度和电动电荷密度q成正比,，而扩散层厚度又与溶液中离子强度有关，,当双电层的排斥力不足以抗衡胶粒间的范德华引力时，由于热运动的结果导致胶粒的互相碰撞而聚集起来,。,在发酵液中加入具有高价阳离子的电解质，,能降低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。,20,凝聚：,指在电解质作用下，由于胶粒之间双电层,电排斥作用,降低，电位下降，而使,胶体体系不稳定,的现象。,凝聚值：,使胶粒发生凝聚作用的,最小电解质浓度,。反离子的价数越高，该值就越小，即凝聚能力越强。,（1）,凝 聚,21,硫酸铝,Al,2,(SO,4,),3,18H,2,O（明矾）；,氯化铝,AlCl,3,6H,2,O;,三氯化铁,FeCl,3,;,硫酸亚铁,FeSO,4,7H,2,O；,石灰；,ZnSO,4,；MgCO,3,阳离子对带负电荷的胶粒凝聚能力的次序,Al,3+,Fe,3+,H,+,Ca,2+,Mg,2+,K,+,Na,+,Li,+,常用的凝聚剂电解质有：,22,（2）,絮 凝,絮凝：,指在某些高分子絮凝剂存在下，基于,桥架作用,，使胶粒形成较大絮凝团的过程。,絮凝剂：,是一种能,溶于水的高分子聚合物,，其相对分子质量可高达数万至一千万以上，它们具有长链状结构，其链节上含有许多活性官能团，包括带电荷的阴离子或阳离子基团以及,不带电荷的非离子型基团。,23,它们通过,静电引力,、,范德华引力,或,氢键,的作用，强烈地吸附在胶粒的表面。,当一个高分子聚合物的许多链节分别吸附在不同的胶粒表面上，产生桥架联结时，就形成了较大的絮团，这就是,絮凝作用,。,24,高分子絮凝剂的吸附和絮凝作用示意图,25,1）有机高分子聚合物，,如聚丙烯酰胺类衍生物、聚苯乙烯类衍生物；,2）无机高分子聚合物，,如聚合铝盐、聚合铁盐等；,3）天然有机高分子絮凝剂，,如聚糖类胶粘物、海藻酸钠、明胶、骨胶、壳多糖、脱乙酰壳多糖等。,工业上使用的絮凝剂,P30,26,有机合成的,聚丙烯酰胺（polyacrylamide）类衍生物,根据活性基团在水中解离情况不同，可分为三类：,目前最常见的高分子聚合物絮凝剂,非离子型,阴离子型（含有羧基）,阳离子型（含有胺基）,27,用量少，一般以,mg/L,计量；,絮凝体粗大，分离效果好；,絮凝速度快；,种类多，适用范围广。,聚丙烯酰胺类絮凝剂的优点,存在一定的毒性，特别是阳离子型聚丙烯酰胺，用于食品和医药工业时应谨慎。,聚丙烯酰胺类絮凝剂的缺点,28,医药和食品工业：,聚丙烯酸类阴离子絮凝剂（无毒），,聚苯乙烯类衍生物，无机高分子聚合物絮凝剂（聚合铝盐、,聚合铁盐等），天然有机高分子絮凝剂（多聚糖类胶粘,物、海藻酸钠、明胶、骨胶、壳多糖、脱乙酰壳多糖等）。,聚丙烯酰胺类絮凝剂的应用,29,pH,对絮凝作用的影响,絮凝的效果影响因素,pH值的变化常会影响离子型絮凝剂中功能团的电离度，从而影响分子链的伸展形态。,电离度增大，由于链节上相邻离子基团间的静电排斥作用，而使分子链从卷曲状态变为伸展状态，所以架桥能力提高。,一般情况下，阳离子型的絮凝剂适合在酸性和中性的pH值环境中使用；而阴离子型絮凝剂适合在中性和碱性的环境中使用。,30,温度对絮凝作用的影响,絮凝的效果影响因素,水温过高时，化学反应速度过快，形成的絮凝体细小，并使絮凝体的水合作用增加，同时能量的消耗也增大。,水温过低，有些絮凝剂的水解反应变慢，水解时间过长，效率降低；同时温度低，水的粘度变大，也会增加水对絮凝体的撕裂作用，使絮凝体变得细小，不易分离。,温度过高或过低都对絮凝不利，一般在2030之间。,31,搅拌速度和时间对絮凝作用的影响,絮凝的效果影响因素,搅拌速度过快，时间过长，会将大颗粒的固体搅碎变成小颗粒而不能沉淀；,搅拌速度过慢，时间过短，絮凝剂和胶体颗粒不能充分接触，不利于絮凝剂捕集胶体颗粒，从而难以发挥絮凝作用。,（1）絮凝初期，颗粒聚并快，此时搅拌应强一些，絮凝后期，颗粒聚并速度变慢，搅拌应降低。,（2）加大搅拌，增加速度梯度有利于颗粒聚并，但太大时，剪切力会导致絮凝体破裂。,搅拌转速以4080r/min为宜，不要超过100r/min,搅拌时间以24min为宜，不超过5min,32,高分子絮凝剂的性质和结构对絮凝作用的影响,絮凝的效果影响因素,线型结构的有机高分子絮凝剂,，絮凝作用较好。而环状或支链结构的有机高分子絮凝剂的絮凝效果较差。,有机高分子絮凝剂的一些官能团如,COONa,、,R3NRCl,、,CONH2,、,SO3Na,等过多时，,电荷密度过高，絮凝作用差；官能团较少时，有利于絮凝作用,，但过少对电荷的中和作用不利而影响到絮凝作用。,高分子絮凝剂,分子量增大，链增长，可使架桥效果更明显,，所以通常情况下，絮凝剂的相对分子量越大，絮凝作用越好。,絮凝剂的相对分子量不要小于,30000,，最好在,250000,以上。但是，分子量也不能超过一定的限度，因为,随分子量提高，高分子絮凝剂的水溶性降低,，因此分子量的选择也应适当。,33,絮凝剂的用量对絮凝作用的影响,絮凝的效果影响因素,一般情况下，料液中的絮凝剂浓度增加有助于架桥充分，絮凝作用的效果随着絮凝剂用量的增加而增大。,絮凝剂的用量达到一定值时，絮凝作用达到最佳效果。,但再增加用量时，絮凝效果反而下降，因为絮凝剂过量时会使形成的絮凝体重新变成稳定的胶体。,絮凝剂的用量与溶液中悬浮物的含量有关，所以最佳的絮凝剂用量应通过实验来确定。,34,絮凝剂添加量对絮凝液滤速的影响,35,利用,絮凝剂和细胞膜表面某种成分专一性交联,而达到絮凝目的，这就使絮凝技术可以用于特定产物的分离。亲和絮凝是一种很有前途的生物产品分离方法。,J.Bonnerjea 利用,硼酸盐和酵母表面的多羟基,之间的专一性交联作用，除去含有多羟基的酵母细胞碎片，分离回收乙醇脱氢酶，酶收率在90。,C.Senstad 利用,壳聚糖和小麦胚凝集素（WGA）之间的亲和性,及壳聚糖在高pH（6.5）时絮凝沉淀的特性，达到分离纯化WGA的目的。,絮凝技术的新方向,亲和絮凝,36,凝聚和絮凝的差别,项目名称,凝 聚,絮 凝,作用机理,电性中和作用为主,吸附和架桥作用为主,试剂类型,无机化合物为主,有机高分子聚合物为主,分子量,小和中等分子量,数万至数千万,絮团强度,较紧密,较松散,滤饼水分,较低,较高,聚集速度,较慢,较快,对pH的反应,敏感,不敏感,试剂用量,较多，10.1,较少，0.10.01,操作成本,较低廉,较高,对产品的影响,试剂可能进入产品,基本无影响,37,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。悬浮液中大量的细微胶体粒子被吸附到,助滤剂的表面上，改变了滤饼结构，降低了过滤阻力。,4.加入惰性助滤剂,38,一种是在过滤介质表面预涂助滤剂,另一种是将其直接加入发酵液,也可两种方法同时使用,常用的助滤剂,硅藻土、纤维素、石棉粉、白土、炭粒、淀粉等。,最常用的是硅藻土,，使用时，通常细粒用量为500 g/m,3,；中等粒度用量为700 g/m,3,；粗粒用量为700-1000 g/m,3,。,助滤剂的使用方法有三种：,39,（1）根据目的产物选择助滤剂品种,（2）根据过滤介质和过滤情况选择助滤剂的种类,（3）粒度选择,（4）使用量的选择,选择和使用助滤剂需要注意几点：,40,加入反应剂和某些可溶性盐类发生反应生成不溶性沉淀,，如,CaSO,4,，AlPO,4,等。生成的沉淀能防止菌丝体粘结，使菌丝具有块,状结构，沉淀本身可作为助滤剂，且能使胶状物和悬浮物凝固，,改善过滤性能,。,5.加入反应剂,如发酵液中含有不溶性多糖物质，用酶将其转化为单糖，以,提高过滤速率,。,如万古霉素用淀粉作培养基，发酵液过滤前加入0.025%的淀粉酶，搅拌30min后，再加2.5%硅藻土助滤剂，可提高过滤效率5倍。,不影响目的产物，可消除发酵液中某些杂质对过滤的影响，提高过滤速率。,41,“在某产品发酵生产中，发酵液的糖消耗迅速，代谢过程未发现特别的异常状况。但是，放罐后的发酵液用离心机、板框压滤都很难获得干渣。调节pH、热处理后处理也不行。怀疑是黏度过大，滤饼致密不能够透水。发酵配方中以糊精作碳源（发酵中期补加），考虑可能生成了未能检测出的糖类或蛋白质，导致黏度过高。请问有什么好的方法降低黏度，以便进行板框或离心处理发酵液？”,实例讨论,42,1、粘度大，补水,2、加助滤剂硅藻土,3、产生过多大分子物质如蛋白质：,阴离子共聚物进行絮凝,4、发酵过程：,（1）是否染菌,（2）培养基组成,（3）发酵工艺,考虑的角度：,43,三、发酵液的相对纯化,发酵液中杂质很多，其中有些杂质不仅直接影响产,品质量利收得率，同时对后继提取和精制有很大影响。,发酵液中的杂质,（1）高价无机离子（Ca,2+,、Mg,2+,、Fe,2+,）,在采用离子交换提炼时，会影响树脂对生化物质,的交换容量。,44,在采用离子交换和吸附法提取时会,降低其交换容量和吸附能力,，,在有机溶剂法或双水相萃取时，易产生,乳化现象,，使两相分离不清。,在常规过滤或膜过滤时，易,使过滤介质堵塞或受污染,，影响过滤效率。,因此，在预处理时，应尽量除去这些物质。,（,2,）杂蛋白,45,1.Ca,2+,：,草酸、草酸钠,形成草酸钙沉淀,但草酸价格较贵，加入硫酸铅，在60下反应生成草酸铅。后者在,9095下用硫酸分解，经过滤、冷却、结晶后可以回收草酸。,草酸镁的溶解度较大。故加入草酸不能除尽镁离子。要除去镁离子，,可以加入三聚磷酸钠，它和镁离子形成可溶性络合物,Na,5,P,3,O,10,Mg,Mg Na,3,P,3,O,10,2Na,十,2.Mg,2+,：,三聚磷酸钠,形成三聚磷酸钠镁（,可溶性络合物,）,3.Fe,2+,黄血盐，,普鲁士兰沉淀,（一）高价无机离子的去除方法,46,蛋白质一般以,胶体状态,存在于发酵液中。,在酸性溶液中带正电荷；,在碱性溶液中带负电荷。,在某一,pH,下，净电荷为零，溶解度最小，,称为,等电点,。,（二）杂蛋白的去除方法,47,在酸性溶液中,，,蛋白质与一些阴离子,，如三氯乙酸盐、水杨酸盐、钨酸盐、苦味酸盐、鞣酸盐、过氯酸盐等,形成沉淀,；,在碱性溶液中,，,蛋白质与一些阳离子,，如,Ag,+,、,Cu,+,、,Zn,+,、,Fe,+,和,Pb,+,等,形成沉淀,。,由于羧基的电离度比氨基大，故蛋白质的酸性性质通常强于碱性，因而很多蛋白质的等电点都在酸性范围内（,pH 4.0,5.5,）。,单靠调节,pH,至等电点,的办法,不能将大部分蛋白质除去,。,1.酸碱调节，使蛋白质与盐或离子形成沉淀,48,加热，,大幅度调节,pH,值，,加酒精、丙酮等有机溶剂或表面活性剂等。,不足之处,:,加热法只适合于,对热较稳定,的目的产物；,极端,pH,值也会导致某些目的产物失活，且要消耗大量酸碱；,有机溶剂法通常只适用于所处理的液体数量较少的场合,2.变性法,49,加入某些,吸附剂,或,沉淀剂,吸附杂蛋白质而除去。,在,四环素类抗生素,中，采用,黄血盐和硫酸锌的协同作用,生成亚铁氰化锌钾的胶状沉淀来吸附蛋白质；,在,枯草杆菌,发酵液中，加入,氯化钙和磷酸氢二钠,，两者生成庞大的凝胶，把蛋白质、菌体及其他不溶性粒子吸附并包裹在其中除去。,3.吸附法,50,2.3 悬浮液的分离方法和分类,P32图3.2,51,重力沉降,浮选,旋液分离,过滤,离心,通气，产生气泡，使固体附着在气泡表面除去。,用于固液比重差小、直径530,m颗粒的分离，污水处理,悬浮液以较高速度沿切线方向进入,旋液分离器,，,轻相由分离器中央排出，,重相由分离器下部排出，,但不适合直径10）的悬浮液的分离，在发酵工业中广泛用于霉菌、放线菌和酵母发酵液或细胞悬浮液的过滤分离。,缺点：,由于受真空度的限制，不适于菌体较小和粘度较大的细菌发酵液的过滤，且过滤所得固相的干度不如加压过滤。,68,（3）水平带式真空过滤器,69,70,主要特征：,随着过滤过程的进行，流体中的固体颗粒被截留在过滤介质表面并逐渐积累成滤饼层。,滤饼层厚度：,随过滤时间的增长而增厚，其增加速率与过滤所得的滤液量成正比。,过滤速度：,由于滤饼层厚度的增加，因此在过滤过程中是变化的。,过滤速度是描述过滤过程的关键！,推动力,其他因素,三 表面过滤的基本理论,71,处理量：,处理的流体流量或,分离得到的纯流体量,V,，单位为,m,3,过滤推动力：,由流体位差、压差或离心力场,造成的过滤压差,p,过滤面积：,表示过滤设备过滤面积的大小,A,，单位为m,2,过滤速度：,单位时间通过单位面积的滤液量,u,过滤过程的主要参数,72,某一过滤时间,t,时的过滤状态,p,过滤压差,相应的滤液量为,V,过滤速度,u,定义为：,d,t,微分过滤时间,s,d,V,d,t,时间内通过过滤面的滤液量,m,3,A,过滤面积,m,2,L,m,（表观）,（2.1）,1、过滤基本方程,73,过滤速度与推动力之间的关系可用,Darcy,定律表示：,R,m,：过滤介质过滤阻力,1/,m,R,c,：滤饼层过滤阻力,1/,m,假设,r,m,，,r,分别为过滤介质和滤饼层的,过滤比阻,1/,m,2,R,m,=,r,m,L,m,；,R,c,=,rL,(2.2),(2.3),Ruth,过滤方程,r,：与过滤介质上形成的滤饼层的,孔隙结构特性,有关。,L,：与滤液量有关，在过滤过程中是变化的。,74,假设每过滤1m,3,滤液得到的滤饼量为,f,V,：滤液体积，,m,3,(2.4),(7.2.8),另外，可把过滤介质的阻力转化成厚度为,L,e,的,滤饼层,阻力,(2.6),(2.7),联合上述公式，,或：,(2.8),且,75,滤饼层的比阻,r,有两种情况：,不可压缩滤饼：,滤饼层的颗粒结构稳定，在压力的作用下不变形，,r,与,p,无关,可压缩滤饼：,在压力的作用下容易发生变形,r,0,：单位压差下滤饼的比阻，,m,-2,Pa,-1,；,s,：滤饼的压缩指数,，,对于可压缩滤饼，,s,=0.20.8，,对于不可压缩滤饼，,s,=0。,经验式：,(2.9),76,将比阻计算式代入式（2.8），得：,假设,则：,又令,q,=,V,/,A,，,q,e,=,V,e,/,A,（q为单位过滤面积的滤液量，,q,e,为过滤介质比当量滤液体积），则,(2.12)（滤饼过滤基本方程）,(2.10),(2.11),令,77,其中，,K,：,过滤常数，如何测定?与下列因素有关：,滤饼的颗粒性质,悬浮液浓度,滤液黏度,滤饼的可压缩性,q,e,：过滤介质特性参数,对于滤饼过滤基本方程,78,2、过滤过程的计算,确定滤液量与过滤时间和过滤压差等之间的关系。,（一）恒压过滤,在过滤过程中，过滤压差自始自终保持恒定。,对于指定的悬浮液，,K,为常数,。,对式(2.11)或式(2.12)进行积分：,(2.13,a,),(2.13,b,),79,若过滤介质阻力可忽略不计，则简化为：,如果恒压过滤是在滤液量已达到,V,1,，即滤饼层厚度已累计到,L,1,的条件下开始时，应如何计算？,K,可通过实验测定。,L,1,V,1,积分时：时间0,t,，,滤液量,V,1,V,(2.14,a,),(2.14,b,),(2.15),80,如何应用恒压过滤方程？,设计型：,已知要处理的悬浮液量和推动力，求所需的过滤面积。,操作型：,已知过滤面积和推动力，求悬浮液的处理量；,已知过滤面积和悬浮液的处理量，求推动力。,81,82,83,84,（二）恒速过滤,恒速过滤是指在过滤过程中过滤速度保持不变，即滤液量与过滤时间呈正比。,或,代入式（2.11）,(2.16,b,),(2.16,a,),或,(2.17,b,),(2.17,a,),无积分步骤,85,在恒速过滤方程中，过滤压差随时间是变化的，因此过滤常数,K,随时间,t,变化。,若忽略过滤介质阻力，则简化为:,或,(2.18a),(2.18a),86,实际上过滤模式常常采用：,先恒速过滤后恒压过滤,在开始过滤时，以较低的恒速操作，避免颗粒穿透过滤介质。,当压差上升到给定数值后，再采用恒压过滤，直到过滤终止。,计算时应注意：,恒压过滤中的起始滤液量为恒速过滤末段的滤液量,87,88,89,90,3、过滤常数的测定,（一）过滤常数,K,，,q,e,的计算,对于恒压过滤，过滤积分方程改写为：,t,/,q,q,2,q,e,/,K,斜率,1/,K,(2.19),91,（二）压缩指数,s,的计算,首先，恒压状态下，实验获得t与q的数据，并拟合出K；然后，在不同的过滤压差下进行过滤实验，获得相应的,K,，由上式拟合可得,s,。,(2.20),92,4、滤饼洗涤,在某些过滤操作中，为了去除或回收滤饼中残留的滤液或可溶性杂质，需要在过滤结束时，对滤饼进行洗涤。,洗涤过程需要确定的主要内容是计算,洗涤速度,和,洗涤时间,。,93,洗涤速度是单位时间通过单位洗涤面积的洗涤液量：,洗涤液在滤饼层中的流动过程与过滤过程类似。洗涤速度与过滤终了时的滤饼层状态有关。,若洗涤压力与过滤终了时的操作压力相同，则洗涤速度与过滤终了时速度之间有如下近似关系：,、,w,滤液、洗涤液的黏度，,Pas,；,L,、,L,w,过滤终了时滤饼层厚度、洗涤时穿过的滤饼层厚度，,m,(2.21),94,如果洗涤液走的路径和过滤终了时的路径完全相同，洗涤液黏度和滤液黏度亦相同，则：,设洗涤液用量为,V,w,，则洗涤时间为,(2.23),(2.24),95,5、过滤机生产能力的计算,过滤机的生产能力一般以单位时间得到的滤液量,q,V,表示。,（一）间歇式过滤机,间歇式过滤机的每一个操作循环包括：,过滤,t,F,洗涤,t,W,卸料,t,D,假设在每个操作循环中过滤机的滤液量为,V,，则间歇式过滤机的生产能力为：,t,T,(2.26),96,（二）连续式过滤机,其定义与间歇式过滤机相同。,但连续式过滤机在生产周期的任一时刻，过滤机不同部位同时进行着过滤、洗涤、卸饼和清洗等操作。,97,转筒真空过滤机的转数为,n,（,r/s,）,即旋转一周的时间为,1/,n,(s),。,起过滤作用的是浸没在液体中的转筒表面，所对应的圆心角,与,2,之比称为浸没度,。,浸没度等价于过滤时间在旋转周期中所占的比例，因此每个周期中有效的过滤时间为：,由式（,2.13a,）可求得每一周期可得的滤液量为：,转筒真空过滤机的生产能力为：,，单位为,m,3,/s,(2.29),(2.30),(2.31),98,滤饼,传统的过滤,cake,Conventional filtration,四、错流过滤,99,封头过滤：,一般过滤中，滤液的流动方向与滤饼基本垂直，称为封头过滤(dead-end filtration)。,缺点：,分离细菌、细胞碎片、蛋白质等悬浮液时，由于其固体颗粒细微，可压缩性大，所形成的滤饼阻力很大，随着过滤的进行，过滤速度迅速下降。,100,封头过滤的问题,增加压力能否提高过滤速度？,自动反冲洗过滤机,过滤过程,反冲过程,101,如果料液给过滤介质表面一个平等的大流量冲刷，则过滤介质表面积累的滤饼就会减少到可以忽略的程度，而通过过滤介质的流速却比较小。这种过滤方式称为,错流过滤,或切向流过滤。,102,又称切向流过滤（Cross-Flow Filtration）,传统过滤时过滤液体垂直于过滤介质，过滤阻力主要来之滤饼。错流过滤打破了传统过滤的机制，即液体的流向和滤膜相切。,在压力推动下，,悬浮液,以高速在管状滤膜的内壁,作切向流动，利用流动的剪切作用将过滤介质表面的固体（滤饼）移走,，,而附着在滤膜上的滤饼很薄，因而能在长时间内保持稳定不变的过滤速度,错流过滤,103,Q&A,问答环节,敏而好学，不耻下问。学问学问，边学边问。,Heisquickandeagertolearn.Learningislearningandasking.,104,结束语,感谢参与本课程，也感激大家对我们工作的支持与积极的参与。课程后会发放课程满意度评估表，如果对我们课程或者工作有什么建议和意见，也请写在上边,点击进入,105,感谢您的观看与聆听,本课件下载后可根据实际情况进行调整,106,