在生物反应领域ppt课件

,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,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,*,第二章,过 滤,在生物反应领域，几乎所有的发酵浓均存在或多或少的悬浮固体，如生物细胞、固态培养基或代谢产物中的不溶性物质；在原料处理过程也常采用过滤操作,过滤是将料液通过固体支持或者过滤介质时，使得固体物质从溶液中分离，对于好的定形的晶体，这是一种最直接的步骤。,滤饼,传统的过滤,cake,Conventional filtration,过滤是传统的化工单元操作，其原理是使料液通过固态过滤介质时，固态悬浮物与溶液分离。对谷氨酸钠、柠檬酸晶体等轮廓分明的晶体，过滤无疑是简单的操作，但对微小的而形状多变的微生物细胞，发酵浓的过滤就变得复杂了。,传统的过滤操作是在某一支撑物上放过滤介质，注入含固体颗粒的溶液，使液体通过，固体颗粒,(,如结晶体,),留下。但将发酵液采用传统的方式过滤，其速度极其缓慢，生产难以进行。,因此，既要参考传统的过滤原理，又要考虑生物物质过滤的特点，如生物物质过滤前一般都需要进行预处理，过滤时还需注意滤饼形成的过程，以及滤饼的性质等。,一般，由于料液通常都是高的非牛顿粘度流体或者是高度可压缩滤饼，发酵液和其它生物溶液是极其难以过滤的，也就是说，我们必须对这些生物分离程序进行修改。,A,预处理,1,、,加热,2,、,凝聚和絮凝,3,、,助滤剂上的吸附,这些方法也适用于对于离心和沉淀过程。,1,、,加热,最简单、最经济的预处理方法是加热，加热不仅可以增加料液的操作特性，也可以对其进行灭菌。但加热变性的方法只适合于对热稳定性的产物。,2,、,凝聚和絮凝,第二种预处理方法是通过电解质的加入促进原始溶液的凝聚和絮凝，试剂有简单的电解质、酸、碱、合成的聚合电解质。,凝聚与絮凝在预处理中常用于细胞，茵体,(,胞外产物,),，细胞碎片,(,胞内产物,),以及蛋白质等胶体粒子的去除,凝聚作用是指在某些电解质作用下，使扩散双电层的排斥电位降低，破坏胶体系统的分散状态，而使胶体被子聚集的过程。胶体粒子在溶液中都存在着扩散双电层的结构模型。,发酵液中的细胞、菌体或蛋白质等胶体粒子的表面都带有电荷，带电的原因很多，,主要是吸附溶液中的离子或自身基团的电离。,0,0,200,400,600,6,12,18,pH 4.6,pH 4.2,pH 3.8,pH 2.8,Filtrate Volume,cm,3,Time,minutes,Fig2.1 The effect on filtrate volume of pH and filter aid,图,2.1 pH,值与助滤剂对过滤体积的影响,(b)Effect of filter aid,1%filter aid in feed,2%,3%,5%,Time,minutes,0,0,100,400,600,6,12,18,Filtrate Volume,cm,3,Fig2.1 The effect on filtrate volume of pH and filter aid,图,2.1 pH,值与助滤剂对过滤体积的影响（续）,简单的酸或碱,明矾,三氯化铁,絮凝作用是指在某些高分子絮凝剂存在下，在悬浮粒子之间产生架桥作用而使胶粒形成组大的絮凝团的过程。,预处理时加入合成聚合电解质既能降低排斥电位，又吸附了周围的微粒，形成桥架作用，促使胶粒形成粗大，密度低的絮凝团。这些絮凝团很容易被过滤得到。,聚丙烯酰胺,聚苯乙烯,多聚胺衍生物,第三种预处理方法就是在过滤之前加入团体的助滤剂。,（,1,）、,硅藻土,硅藻土是百年前水生植物沉淀下来的遗骸。,（,2,）、,珍珠岩,珍珠岩是处理过的膨胀火山岩。,3,、助滤剂上的吸附,Grade,Density,(kg/m,3,),pH,Water,Adsorption,(%),Relative Flow Rate,Dry,Wet,Diatomaceous Earths,Standard Super,Cel,130,280,7.0,260,200,512,Hyflo,Super,Cel,140,280,10.0,250,500,535,190,280,10.0,250,1400,560,310,320,10.0,220,7500,Perlites,Terracel,300,110,2602,7.5,-,300,Terracel,500,130,240,7.5,-,900,Table 2.1.Typical properties of Filter Aids,B.,过滤基本理论,现在我们,对过滤过程进行数学描述,。,Darcy,方程,：,1,、,适用于不可压缩和简单的可压缩滤饼,2,、,适用于可压缩滤饼，普遍使用于生物分离过程,Darcys law,（,达西定律）,Darcy,定律把流速与通过固体多孔床产生的压降,系起来,得到下式。,式,2.1,表明，流速,V,正比于,压降,P,，反比于阻力,l/k,(2.1),V,流体流速,K,比例常数,通常叫达西方程参数,P,通过厚度为,l,的床产生的压降,液体粘度,严格地说,Darcy,定律只在当,Re5,时达西定律才成立,Re=dv/(1-),5 (2.2),d-,滤饼粒子的大小或孔的直径,-,滤饼空隙率,-,液体的密度,Re,雷诺准数,对于板框式过滤,速率方程为：,V=(1/A)*,dV/dt,(2.3),A,过滤面积,V,过滤液体积,t,过滤时间,滤饼和过滤介质所产生的阻力：,l/k=,Rm,+,Rc,(2.4,）,过滤介质的阻力,滤饼的阻力,结合,E.q,.(2.1)(2.3)(2.4),我们发现板筐式过滤压降是一个常数,(1/A)*,dV/dt,=P/(,(Rm,+,Rc,)(2.5),R,m,是常数，与滤饼无关；,Rc,与滤液总体积有关；,Rc,的变化取决于滤饼是不可压缩还是可压缩。,如果滤饼是不可压缩的，则滤饼的厚度正比于过滤液的体积，反比于过滤面积。,1,、,不可压缩滤饼,显而易见，滤饼的阻力,Rc,可以用（,2.6,）来描述,Rc,=o(V/A)(2.6),-,滤饼的阻力特性,o,-,单位体积滤液含固体滤饼量,把方程（,2.6,）代入（,2.5,）得到：,(1/A)*,dV/dt,=P/(,(o(V/A)+Rm,)(2.7),初始条件为：,T=0,V=0 (2.8),开始时没有滤液被过滤,（,2.7,）,积分后整理得,(At/V)=K(V/A)+B (2.9),K=o/(2P)(2.10),B=,Rm,/P (2.11),用,At/V,对,V/A,作图应该是线性的。,斜率,K,是压,降,P,及滤饼特性,、,o,的函数,截距,B,与滤饼特性无关，但它正比于介质阻力,Rm,。,通常,Rm,可忽略不计,方程（,2.9,）可简化为：,t,(,o/(2P)*(V/A)(2.12),（该式仅适合不可压缩的滤饼）,2,、,可压缩的滤饼,绝大多数生物滤饼都可压缩，因此，不能仅仅用作图法的简单方法来描述，滤饼可压缩，则过滤速度降低，能耗增大。,为了估计可压缩性的影响，我们假设滤饼阻力,是压降的函数。,=,(P),s,是一个与滤饼组成、粒子大小和形状相关的常数,s,滤饼的压缩系数,s,=,0,理想的不可压缩滤饼,s=1,高度可压缩滤饼,s=0.1-0.8,（实践中，,s,的变化范围是,0.1-0.8,）,当,s,的数值很高时，须加入助滤剂对原液进行预处理。,为计算出,s,和,，,可用,log,对,log,P,作图，如图,2.2,：,Slope=s,log,P,log,Fig2.2 Cake resistance versus pressure drop,C,、,连续旋转式过滤机,一个完整的过滤过程主要为三个步骤,:,a.,滤饼的形成,b.,洗涤滤饼以除去无价值或不需要的溶质,c.,滤饼的清除,Dry,Wash,Immersion,Rotation,Knife,Cake,Feed,Rotary vacuum filter,真空旋转过滤机,滤饼形成是从转鼓一开始接触培养基开始的,假设过滤介质的阻力,Rm,可忽略不计，式（,2.5,）可以用下式表示：,(1/A)*,dV/dt,=P/(,Rc,)(3.1),初始条件是,t=0 v=0 (3.2),结合方程（,2.6,）和（,2.13,）可以改写滤饼阻力,Rc,为：,Rc,=o(V/A),=,o(V/A)(P),s,(3.3),tf,=(o/(2P,1-s,)*(,Vf,/A)(3.4),tf,-,滤饼形成时间,Vf,-,滤饼形成期间被集中的滤液体积（滤液流量）,这个关系有时也可用旋转周期,tc,来表示：,tf,=,tc,（,3.5,）,过滤器被浸渍的时间分数，即旋转周期形成滤饼所用的时间分数,tc,-,旋转周期,用旋转周期表示为：,Vf/(Atc,)=(2,(,P,1-s,),/(o tc),0.5,（,3.6,）,1,、（,滤饼的洗涤,）,滤饼形成以后，滤饼中还含有许多杂质需要进一步洗涤。,洗涤有两个作用：,将孔中含有的发酵液洗出；,滤饼中，溶质可以从生物机体中扩散出，如果目标产物存在于生物机体中，这种扩散可以提高回收。,滤饼洗涤的两个因素,:,一是洗涤之后残留的可溶物质的分数，这个分数决定着所需洗液的体积,洗液通过过滤饼速率，这个速率控制着时间,残留可溶物的分数常与洗液体积有关,r=(1-),n,(3.7),r,为洗涤之后的溶质含量与洗涤之前滤饼中最初溶质含量比。,n-,洗液的体积与滤饼中残液的体积之比,-,滤饼的洗涤效率,the fraction r varies from 0,1.,r,值越低，洗涤效果越好,如果,=0 r=1,，,此时不论使用多少洗液均没有效果,r=0 =1,洗涤效果很好,式,3.7,是大量实践得到的经验方程式,我们会思考该方程对于生物分离的准确性,滤饼中包含抗生素的发酵液的过滤，图,由,logr,对应,n,组成，对于不同效率，有不同的斜率,log,（,1-,）,log r=nlog(1-)log r,n,sbpe,=log(1-),pH 5.0,pH 9.3,0,0.02,0.04,0.10,0.20,0.40,0.60,1.00,1.0,2.0,3.0,0.90,0.80,0.60,0.40,0.20,WASH LIQUID/RETAINED LIQUID n,RETAINED SOLUTES/ORIGINAL SOLUTES r,Efficiency of washing,洗涤效率,两个不同,pH,值下的测量数据说明效率随着,pH,变化而变化,这些数据的离散度是典型的，很好的表示了经验式,3.7,的准确性。,我们可以估计洗涤滤饼所需要洗涤液的用量。,这是第一个主要的因素。现在我们开始讨论另一个因素流过滤饼的流速。,洗液不包含所加的固体物，因此，洗液的流量是一个常量，且等于滤饼形成的最后瞬间过滤液的速率，这个速率是：,v,w,/A=(,p),rs,/2t,f,1/2,t,w,(3.8,）,v,w,-,所需的洗液体积,t,w,-,洗涤时间,通常情况下，通过式,3.9,得到的结果是十分有用的,t,w,/,t,f,=2,v,w,/,v,f,(3.9),=2(v,w,/v,r,)(,v,r,/,v,f,),=2nf (3.10),V,r,滤饼中残液的体积,f,这个体积占总滤液体积的分数,过滤设备从传统的板框式过滤机到旋转式真空过滤设备，种类很多。,D,、传统的过滤设备,最普遍的是板框式过滤机，有可填充的、金属隔片的和凹显空间滤饼的。,其它类型还有平的金属板，可用滤纸或滤布过滤介质在开放式框架上分离形成滤饼。这种过滤机适合于相对的干性滤饼，能被清除，不适合有毒气和生物危害物的滤饼。,其它三种过滤机是封闭型的，可过滤挥发性和有生物危害物质，一般用于小规模生产。,