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固液分离(fnl)(fnl)的类型1、过滤(gul)(重力过滤(gul)器、压滤器、真空过滤(gul)器) 2、离心 3、重力沉降 第1页/共100页第一页，共101页。发酵液的组成(z chn)(z chn) 悬浮液：指固体颗粒在m以上的固液分散体系(tx)。生物细胞培养液基本上也是悬浮液。 培养液的组成：水70-80% + 固体细胞及碎片20-30%(对微生物发酵)+ 少量的代谢成物 + 细胞破裂后的内容物 +残存的培养基成分第2页/共100页第二页，共101页。培养液的基本特征A A、细胞成分及碎片大小不一，颗粒大小、细胞成分及碎片大小不一，颗粒大小，分离成本，分离成本。B B、固液密度相近，黏度高：沉降和离心分离困难、固液密度相近，黏度高：沉降和离心分离困难C C、固体成分可压缩可变形、固体成分可压缩可变形 + + 高黏度：过滤高黏度：过滤(gul)(gul)困困难，黏附在滤布，错流过滤难，黏附在滤布，错流过滤(gul)(gul)形成凝胶层形成凝胶层D D、动植物细胞抗剪切力差：错流膜过滤、动植物细胞抗剪切力差：错流膜过滤(gul)(gul)和离心和离心等不适等不适E E、流变性复杂，非牛顿型流体，青霉素发酵液为卡森、流变性复杂，非牛顿型流体，青霉素发酵液为卡森型流体，型流体，120h120h链霉素发酵液为拟塑性流体，灰色链链霉素发酵液为拟塑性流体，灰色链丝菌发酵液为塑性流体。丝菌发酵液为塑性流体。 第3页/共100页第三页，共101页。备注(bizh) 在高分子液体范畴内，可以粗略地把非牛顿型流体分为： 纯粘性流体，但流动中粘度会发生变化，如某些(mu xi)涂料、油漆、食品等。 粘弹性流体，大多数高分子熔体、高分子溶液是典型的粘弹性流体，而且是非线性粘弹性流体。一些生物材料，如细胞液，蛋清等也同属此类。 流动性质有时间依赖性的流体。如触变性流体，震凝性流体。第4页/共100页第四页，共101页。 对微小而形状多变的微生物细胞(xbo)，发酵液和其它生物溶液的固液分离就变得复杂了 。 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，因此，必须对这些生物分离程序进行修改。第5页/共100页第五页，共101页。 预处理预处理的目的: :改变发酵液的物理性质 ( (黏度、颗粒大小、颗粒稳定性等) )，固液分离速度，分离器分离效率；目标产物(chnw)(chnw)转移其中一相( (多数为液相) )；第6页/共100页第六页，共101页。1、 加热(ji r) 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。 加 热 可 产 生 ： 黏 度 、 促 凝 聚(nngj)(nngj)、固体成分体积、破坏凝胶结构、增加空隙率、去蛋白第7页/共100页第七页，共101页。2、调pH值：方法简单有效、成本低廉 pH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可改善其过滤特性。 对于氨基酸、蛋白质等两性物质作为(zuwi)杂质存在于液体中时，常采用调pH至等电点使两性物质沉淀。 另外，在膜分离中，发酵液中的大分子物质易与膜发生吸附，常通过调整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。 此外，细胞、细胞碎片及某些胶体物质等在某个pH下也可能趋于絮凝而成为较大颗粒，有利于固液分离。第8页/共100页第八页，共101页。3、凝聚(nngj)和絮凝 通过电解质的加入促进(cjn)原始溶液的凝聚和絮凝 主要作用为增大混合液中悬浮粒子的体积，提高固液分离速度，同时可除去一些杂质。第9页/共100页第九页，共101页。第10页/共100页第十页，共101页。第11页/共100页第十一页，共101页。第12页/共100页第十二页，共101页。发酵液的带电(di din)(di din)现象第13页/共100页第十三页，共101页。凝聚剂种类：A、无机盐类：如硫酸铝、明矾、硫酸铁、硫酸亚铁、FeCl3、AlCl3、ZnCl2、硫酸镁等；B、无机碱：如Al(OH)3、Fe(OH)3、Ca(OH)2、CaO等；C、聚合无机盐，如聚合铝、聚合铁。 机理：A、破坏双电层，B、水解后胶体吸附，C、氢键(qn jin)结合等。第14页/共100页第十四页，共101页。絮凝剂种类：A、阳离子类，如聚丙烯酰胺(+)、聚苯烯酸二烷基胺乙酯、聚二烯丙基四胺；B、阴离子类，如聚丙烯酸纳、聚苯乙烯磺酸、聚丙烯酰胺(-)；C、非离子类，如聚丙烯酰胺(0)、环氧化(ynghu)乙烯。 机理：絮凝剂主要起中和电荷、桥架和网络作用第15页/共100页第十五页，共101页。 一种颗粒均匀、质地(zhd)坚硬的粒状物质，用于扩大过滤表面的适应范围，减轻细小颗粒的快速挤压变形和过滤介质的堵塞。 使用方法：A、预涂层；B、按一定比率混合。 助滤剂种类：硅藻土、膨胀珍珠岩、石棉、纤维素、未活化的炭、炉渣、重质碳酸钙，及它们的混合物等。 用量标准：A、单位质量助滤剂所产生的最大滤液产量(最常用)；B、或最长周期；C、或最快流速；D、或滤饼的最大空间利用度。4、惰性(duxng)助滤剂：第16页/共100页第十六页，共101页。0020040060061218FiltrateVolume,cm3Time,minutesFig2.1TheeffectonfiltratevolumeofpHandfilteraid图2.1pH值与助滤剂对过滤(gul)体积的影响第17页/共100页第十七页，共101页。(b)Effectoffilteraid1%filteraidinfeed2%3%5%Time,minutes0010040060061218FiltrateVolume,cm3Fig2.1TheeffectonfiltratevolumeofpHandfilteraid图2.1pH值与助滤剂对过滤体积(tj)的影响（续）第18页/共100页第十八页，共101页。 有时(yush)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对过滤的影响，从而提高过滤速率。 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CaSO4 、磷酸铝 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，并且能使胶状物和悬浮物凝固，从而改善过滤性能。5 5加入(jir)(jir)反应剂第19页/共100页第十九页，共101页。例子： 在新生霉素发酵液中加入氯化钙和磷酸钠，生成(shn chn)磷酸钙沉淀可充当助滤剂，另一方面可使某些蛋白质凝固。 环丝氨酸发酵液用氧化钙和磷酸处理，生成(shn chn)磷酸钙沉淀，能使悬浮物凝固，多余的磷酸根离子还能除去钙、镁离子，并且在发酵液中不会引入其它阳离子，以免影响环丝氨酸的离子交换吸附。第20页/共100页第二十页，共101页。发酵液的相对(xingdu)纯化 1. 无机离子的去除 Ca2+ 、Mg2+ 、Fe2+等Ca2+离子浓度较高时，可采用(ciyng)可溶性盐，如草酸钠等Mg2+离子的去除一般采用(ciyng)加入三聚磷酸钠磷酸盐处理，也能大大降低Ca2+ 、Mg2+离子的浓度铁离子，可加入黄血盐，使其形成普鲁士蓝沉淀而除去第21页/共100页第二十一页，共101页。 利用各种沉淀方法，可以去除液相中各种蛋白质。常用(chn yn)的有等电点沉淀法、变性沉淀法、盐析法、有机溶剂沉淀法、反应沉淀法等。这些沉淀方法既可以作为除杂质的方法，也可以作为提取目标产物的技术手段。2 2杂蛋白(dnbi)(dnbi)的去除第22页/共100页第二十二页，共101页。 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。 例如：万古霉素用淀粉作培养基，发酵完成(wn chng)后，发酵液中多余的淀粉使混合液粘度较大，当加入的淀粉酶后，搅拌30min，再加助滤剂（硅藻土），可使过滤速率提高5倍。 3多糖(du tn)的去除第23页/共100页第二十三页，共101页。 发酵液中有色物质可能是由于微生物生长代谢过程分泌的，也可能是培养基（如糖蜜、玉米浆等）带来的，色素物质化学性质的多样性增加了脱色的难度。 色素物质的去除，一般以使用(shyng)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。例如活性炭可用于柠檬酸发酵液的脱色，盐型强碱性阴离子交换树脂可用于解朊酶和果胶酶溶液的脱色，磷酸型阴离子交换树脂被用于谷氨酸发酵液的脱色等。一般发酵液的脱色往往是在过滤除去菌体后进行。 4有色(yu s)物质的去除第24页/共100页第二十四页，共101页。2.1 细胞(xbo)分离第25页/共100页第二十五页，共101页。 The first step in most industrial bioseparations is the removal of insoluble solids from the fermentation beer. The concentration and size of these insolubles varies widely. 大部分工业生物分离的第一步往往是将不溶物质从发酵液中除去。这些不溶性固体的浓度和颗粒大小的变化(binhu)范围很宽。 The concentration can be as high as 60% per volume or as low as 0.1%. 浓度可高达每单位体积含60%的不溶性固体，又可低至每单位体积仅含0.1%。第26页/共100页第二十六页，共101页。 The size ranges from microorganisms of perhaps 1 um diameter up to insoluble nutrients characteristically 1mm in diameter 粒径的变化可以从直径约为1um的微生物，到直径为1mm的不溶性物质。 When these insolubles are dilute, large & rigid, they can be easily separated by filtration. 对于(duy)这些浓度较小，粒径较大，硬度较强的不溶物，我们可以采用过滤方法分离。第27页/共100页第二十七页，共101页。 When the beers are not easily filtered, they sometimes can be separated by centrifugation. 当发酵液不易被过滤纯化时，我们可以采用离心的方法来分离。 Centrifugation requires more expensive equipment than filtration. However, it is often effective way even when the solid particles are small & hence hard to filter. 与过滤设备相比，离心设备的价格昂贵。但当固体(gt)颗粒细小而难以过滤时，离心操作往显得十分有效。第28页/共100页第二十八页，共101页。 Centrifugation utilizes the density difference between the solids and the surrounding fluid. When a suspension is allowed to stand, the denser solids slowly settle to the bottom of the container under the influence of gravity, a process called sedimentation. When this settling is accelerated with a centrifugal field, the process is called centrifugation. Because sedimentation & centrifugation are similar, both are discussed here. 离心分离是基于固体颗粒和周围液体 密度 存在(cnzi)差异，在离心场中使不同密度的固体颗粒加速沉降的分离过程，当静置悬浮液时，密度较大的固体颗粒在重力作用下逐渐下沉，这一过程称为沉降。由于沉降和离心相似，这儿就放在一块讨论。第29页/共100页第二十九页，共101页。 The solid concentrate produced by centrifugation differs from that produced by filtration。 离心产生的固体浓缩物和过滤产生的浓缩不同。 A best centrifugation produces a paste, often it yields only a more concentrated suspension. 通常情况下离心只能得到一种较为浓缩的悬浮液或浆体。 Filtration produces, relatively dry cake, which is a major advantage. 而过滤可获得的水分含量较低的滤饼。 However, many biological feeds, which can be centrifuged can not be effectively filtered, so that centrifugation is often an attractive alternative. 但是，对大多数生物发酵液可以离心但不能有效地过滤分离，所以离心往往(wngwng)是很有效的方法。第30页/共100页第三十页，共101页。Settling of Solids 颗粒(kl)的沉降 When a solid particle moves through an infinite continuum, its velocity is affected by two forces. 当一固体微粒(wil)通过无限连续介质时，它的运动速度受两种力的影响：First is the particle is accelerated by the buoyant force resulting from the density difference between the particle & the fluid. The surrounding broth. 一是微粒(wil)受到因微粒(wil)和流体介质间密度不同而产生的浮力作用；Second is article is retarded by the drag force cased by this motion. 二是微粒(wil)所受到的流体阻力作用。第31页/共100页第三十一页，共101页。Fdd=2R球形颗粒沉降(chnjing)的受力情况第32页/共100页第三十二页，共101页。颗粒颗粒(kl)沉降（沉降（Sedimentation） 根据沉降作用力可分为：重力沉降、离心沉降根据沉降作用力可分为：重力沉降、离心沉降根据沉降粒子根据沉降粒子(lz)间相互影响程度可分为：自由沉降和干扰沉降间相互影响程度可分为：自由沉降和干扰沉降4.1 重力沉降（重力沉降（Gravitational sedimentation） （1）球形颗粒的自由沉降速度）球形颗粒的自由沉降速度 以重力的方向为正方向以重力的方向为正方向 Fb 浮力 Fd 阻力 Fg 重力maFFFF bdg阻力阻力浮力）浮力）（重力（重力什么什么(shn me)情况下颗粒在流体中会发生沉降过程？情况下颗粒在流体中会发生沉降过程？ 第33页/共100页第三十三页，共101页。重力重力(zhngl)沉降（沉降（Gravitational sedimentation） 直径直径(zhjng)为为d、颗粒密度为、颗粒密度为s的球形颗粒在密度为流体中的的球形颗粒在密度为流体中的重力和浮力分别为：重力和浮力分别为： gdFs3g6 重力：重力：（N）gdF 3b6 浮力：浮力：（N） t uu0加速段匀速段 颗粒做匀速运动颗粒做匀速运动(yns yndng)(yns yndng)，沉降速度恒定不变，沉降速度恒定不变，该速度称为自由沉降速度。达到恒定的沉降速度时，合力为：该速度称为自由沉降速度。达到恒定的沉降速度时，合力为： 042662203s3 madugdgdF 42220dduF 阻力：阻力：（N）阻力系数阻力系数第34页/共100页第三十四页，共101页。042662203s3 madugdgdF 34s0gdu （球形颗粒的自由沉降速度）（球形颗粒的自由沉降速度）（2）阻力（曳力）系数（）阻力（曳力）系数（Drag coefficient） 与流体与流体(lit)的流动阻力系数类似，阻力（曳力）系数与的流动阻力系数类似，阻力（曳力）系数与颗粒沉降雷诺数有关，即颗粒沉降雷诺数有关，即)(Re0f 00Redu 注意：其中注意：其中d为颗粒直径，为颗粒直径，u0为颗粒的沉降速度，为颗粒的沉降速度，、分别分别(fnbi)为流体的密度与粘度。为流体的密度与粘度。 第35页/共100页第三十五页，共101页。 通过实验得到通过实验得到(d do)曳力系数与雷诺数的关系绘成算图曳力系数与雷诺数的关系绘成算图,将将他们回归成关联式为：他们回归成关联式为： 过渡区（过渡区（Allen区，区， 2 Re0 500）6 . 00Re5 .18 6 . 000Re269. 0 sgdu湍流区（牛顿区，湍流区（牛顿区， 500 Re0 200000后，后，骤然下降，在骤然下降，在Re0 =(310)105范围范围(fnwi)内可近似取内可近似取。 层流区（层流区（Stokes区，区，Re0 2或或0.3）0Re24 18s20gdu （Stokes定律）定律）第36页/共100页第三十六页，共101页。 以上的沉降过程为在重力作用下球形以上的沉降过程为在重力作用下球形颗粒的自由沉降：颗粒的自由沉降： 颗粒为球形；颗粒为球形； 颗粒沉降时彼此相距较远，互不干扰；颗粒沉降时彼此相距较远，互不干扰； 容器壁对沉降的阻滞作用可以容器壁对沉降的阻滞作用可以(ky)忽忽略；略； 颗粒直径不能小到受流体分子运动的影颗粒直径不能小到受流体分子运动的影响。响。 第37页/共100页第三十七页，共101页。在实际情况在实际情况(qngkung)中还需考虑以下因素的影中还需考虑以下因素的影响：响： 干扰沉降；干扰沉降； 端效应；端效应； 分子运动；分子运动； 非球形；非球形； 液滴或气泡的运动液滴或气泡的运动 。第38页/共100页第三十八页，共101页。2.1.22.1.2离心(lxn)(lxn)沉降 离心力： Stocks Force(粘滞力)：离心沉降速度：分离因子定义(dngy)Fr：离心力/重力加速度(g)的比值意义：衡量离心设备的离心程度的重要技术参数，用于离心机的分类第39页/共100页第三十九页，共101页。 注意：离心沉降与重力沉降的类比。颗粒离心沉降的速度方向是由圆心沿径向指向外周，但由于颗粒和流体同时(tngsh)做圆周运动，颗粒的实际运动轨迹是一个半径逐渐扩大的螺旋线。离心沉降速度并不是颗粒的实际运动速度，只是其在径向上的分量。 r1r2ArCBuruut颗粒在旋转流体中的运动第40页/共100页第四十页，共101页。 For settling, the acceleration is obviously due to gravity g. 对于沉降(chnjing)，重力沉降(chnjing)加速度为重力加速度） g= d2(s-)g/(18) (2.6)2.1.22.1.2离心(lxn)(lxn)沉降 第41页/共100页第四十一页，共101页。 Second, for centrifugation, the acceleration is different 离心沉降加速度则不同 a=r2 s= d2(s-)r2/(18) (2.16) Where is the angular rotation in rad/sec, -转鼓回转角速度，r/s） r is radial distance from the center of the centrifuge to the sphere. r为转鼓中心轴线与微粒(wil)间距离，m第42页/共100页第四十二页，共101页。代入上式（）第43页/共100页第四十三页，共101页。沉降系数(sedimentation coefficient, S = Svedbergs = 10-13 s)：S计算：颗粒在20C 水中的Sw,20为v 为溶质(rngzh)(颗粒)的单位质量的体积, w,20和 L,T分别为20 C 的水和T C 溶剂的黏度，w,20和L,T 分别为20 C 的水和T C 溶剂的密度。 Sw,20与溶质(rngzh)（颗粒）浓度有关： 为c0时的沉降系数(20 C 的水), k为常数2.1.22.1.2离心(lxn)(lxn)沉降 第44页/共100页第四十四页，共101页。通过对 积分可以得到(d do)溶质完全沉降所需的时间第45页/共100页第四十五页，共101页。2.1.2.2 离心分离法1） 差速离心分级(fn j)2）区带离心 （密度梯度离心） 差速区带离心 平衡区带离心 第46页/共100页第四十六页，共101页。第47页/共100页第四十七页，共101页。2.1.2.3 2.1.2.3 离心分离设备(shbi)(shbi)按分离因子Fr分类(fn li) 1)、常速离心机Fr 8000-15000g 4)、超速离心机，Fr = 20,000 1,000,000g第48页/共100页第四十八页，共101页。用途分类 1)、分析(fnx)性：超速离心机 2)、制备性：A、实验室用；B、工业用工业应用分类 1)、管式离心机 2)、多室离心机（管式离心机的变形） 3)、碟式离心机：、人工排渣式, 、喷嘴排渣式, 、活塞排渣式 4)、螺旋卸料沉降离心机 5)、离心过滤 6)、三足式离心机2.1.2.3 2.1.2.3 离心分离设备(shbi)(shbi)第49页/共100页第四十九页，共101页。第50页/共100页第五十页，共101页。管式离心机操作：应用：A、液-液分离(连续式)， B、低固体含量(1%)的固-液分离(间歇式)。主要技术指标： A、离心管直径40-150mm，长径比4-8； B、离心强度800015000g； C、处理能力100-400 L/h； D、适应的颗粒直径m，固液密度差大于3，固体含量小于1%优点(yudin)：A、结构简单，价廉， B、分离效果好，分离因子高800015000g缺点：A、处理能力有限; B、低固体含量的悬浮液(m，E、固体浓度。优点(与管式比较)：A、加强功能：分离液流程、沉降面积(min j)、流层减薄、沉降距离减小； B、颗粒的筛分作用：粗颗粒沉降到内层分离室，细颗粒沉降到外层分离室.缺点：沉淀清理困难。第56页/共100页第五十六页，共101页。碟式离心机 化学、制药和生化工业应用最广泛特点：A、10-100个锥顶角为60-100的锥形碟片；B、碟片距很短，沉降距离极短，分离效果高；C、碟片多，沉降面积大，增加(zngji)分离效果；D、抗对流效果高。分类：、人工排渣式;、喷嘴排渣式; C、活塞排渣式。 第57页/共100页第五十七页，共101页。人工(rngng)排渣碟片离心机操作： 应用：A、液-液分离，并含少量固体，B、固-液分离，固相含量(hnling)小于%，C、澄清操作。 主 要 技 术 指 标 ： A 、 分 离 因 子10000g以上；B、适应的颗粒直径0.0220m，固体含量(hnling)小于%，C、 100t/h。 优点：A、分离因子达10000g以上，B、特别适合于含少量细颗粒的液液分离。 缺点：A、转鼓与碟片之间空隙大，不易发挥离心机的高效分离性能；B、停车清洗，生产效率低，劳动强度大。第58页/共100页第五十八页，共101页。喷嘴(pnzu)排渣碟片离心机操作：应用(yngyng)：多用于cell浓缩，浓缩比在5-20。主要技术指标：A、分离因子5000g左右；B、适应的颗粒 直 径m ， 固 体 含 量25%，C、喷嘴2-24个，D、转鼓d 900mm优点：A、颗粒富积好，B、处理量大，可达300t/h。缺点：A、分离因子5000g，低，不适合于小颗粒的分离；B、富积的颗粒含水量大。第59页/共100页第五十九页，共101页。活塞(husi)排渣碟片离心机操作：应用(yngyng)：多种颗粒的分离m颗粒)，固体含量10%, 应用(yngyng)范围最广主 要 技 术 指 标 ： A 、 分 离 因 子5000-9000g；B、适应的颗粒直径0.1500m，固体含量10%)。第60页/共100页第六十页，共101页。4.6碟式离心机 最大流量(liling)计算第61页/共100页第六十一页，共101页。螺旋(luxun)(luxun)卸料沉降离心操作：立式，卧式 应用：A、高浓度的大颗粒的固液分离(达50%, 2um-5mm)，如淀粉精制和污水处理。主要(zhyo)技术指标：A、分离因子小于6000g；B、适应的颗粒直径2um-5mm，固体含量1-50%，C、固液密度差3，D、转鼓直径-900mm。优点：A、操作温度高300C大；B、处理量大，可达60t/h。缺点：分离因子小于6000g，不适合于小颗粒的分离。第62页/共100页第六十二页，共101页。螺旋(luxun)卸料沉降离心机沉降(chnjing)计算： 第63页/共100页第六十三页，共101页。离心(lxn)(lxn)过滤原理(yunl):第64页/共100页第六十四页，共101页。离心(lxn)(lxn)过滤 计算流量方程：注：流量为非常数，时间增加，滤饼厚度增加，而流量减小。滤饼形成时间方程： 意义：得到滤饼厚度(R0-RC)所需时间，用于工艺(gngy)放大 Q第65页/共100页第六十五页，共101页。4.94.9 离心(lxn)(lxn)设备的选择 基本参数 选择颗粒(kl)d,固液差, 基本型号 固体物浓度 亚型产物热稳定性 低温离心流量Q, 规模 规格、台数气溶胶,活cell 密封灭菌设计第66页/共100页第六十六页，共101页。第67页/共100页第六十七页，共101页。离心机的放大可采用等校正(jiozhng)系数法：第68页/共100页第六十八页，共101页。超速离心技术(jsh)第69页/共100页第六十九页，共101页。超速离心技术(jsh)1操作模式第70页/共100页第七十页，共101页。超速离心技术(jsh)-应用A. 测定分子量:B. 大分子的纯度鉴定(jindng)C. 大分子的构相变化D. DNA半保留复制第71页/共100页第七十一页，共101页。超速离心-DNA半保留(boli)复制第72页/共100页第七十二页，共101页。2.1.3 过滤过滤(gul)（Filtration） 概念概念 过滤是在外力作用下，利用过滤介质使悬浮液中的过滤是在外力作用下，利用过滤介质使悬浮液中的液体通过，而固体颗粒被截留在介质上，从而实现固液液体通过，而固体颗粒被截留在介质上，从而实现固液分离的一种单元操作。过滤介质具有多孔结构，可以截分离的一种单元操作。过滤介质具有多孔结构，可以截留固体物质，而让液体通过；我们把待过滤的悬浮液成留固体物质，而让液体通过；我们把待过滤的悬浮液成为滤浆（为滤浆（Slurry），而过滤后分离出的固体称为滤渣或滤），而过滤后分离出的固体称为滤渣或滤饼（饼（Filter cake），通过过滤介质的液体称为滤液（），通过过滤介质的液体称为滤液（Filtrate）。）。 （1）过滤介质（）过滤介质（Filter medium）：）： 过滤介质应具有以下特性：多孔性，足够的机械过滤介质应具有以下特性：多孔性，足够的机械(jxi)强度，尽可能小的流动阻力，耐腐蚀性，耐热性，强度，尽可能小的流动阻力，耐腐蚀性，耐热性，易于再生。易于再生。 工业上常见的过滤介质：织物介质、堆积介质、多工业上常见的过滤介质：织物介质、堆积介质、多孔固体介质、多孔膜。孔固体介质、多孔膜。 第73页/共100页第七十三页，共101页。 （2）过滤(gul)分类： 深层过滤(gul)（Deep bed filteration） 滤饼过滤(gul)（Cake filteration） 过滤介质过滤介质悬浮液悬浮液深层过滤深层过滤悬浮液悬浮液滤饼滤饼过滤介质过滤介质滤液滤液滤饼过滤滤饼过滤第74页/共100页第七十四页，共101页。 （3）过滤推动力： 重力（漏斗(ludu)过滤）、压力（加压过滤）或真空（抽滤）、离心力（离心过滤）。 （4）滤饼的可压缩性 （5）助滤剂 助滤剂本身就是一性能良好的过滤介质，是一种坚硬、不规则的小颗粒，它能形成结构疏松、空隙率大、不可压缩的滤饼，很大程度改善过滤难度。助滤剂使用方法主要有两种：混合、预涂。第75页/共100页第七十五页，共101页。滤饼(l bn)传统(chuntng)的过滤第76页/共100页第七十六页，共101页。2.1.3.1 过滤(gul)速度过滤过程数学(shxu)(shxu)描述 达西方程： 1 1、适用于不可压缩和简单的可压缩滤饼 2 2、普遍使用于生物分离过程第77页/共100页第七十七页，共101页。过滤(gul)(gul)基础理论Darcy定理U = 流体的速度(in: m/s)，p = 压力(yl)差(in: Pa)，l = 床层厚度(in: m)，K = Darcys 渗透系数，与流体和床层的性质有关。第78页/共100页第七十八页，共101页。过滤(gul)(gul)理论基础Kozenys 方程 对于发酵液的过滤,要用Kozenys方程 K = Kozenys 常数，一般K = 5（在大量均匀的球形颗粒中），其他颗粒，颗粒，K；S = 单位体积颗粒中颗粒的表面积； = 发酵液黏度(in: Pa s)； = 床层的空隙率，即空隙体积与总体积的比值(bzh)。方程适应条件：A、薄层区域表面的流速，B、非常高的孔隙率，C、非常广的颗粒尺寸的分布，D、纤维状的、可压缩的和吸湿性的填充物。意义：过滤的基础方程，揭示了过滤流速与各因素的关系第79页/共100页第七十九页，共101页。2.1.3.1 过滤(gul)速度滤饼阻力与滤饼干重(n zhn)之间的关系 为滤饼的平均(pngjn)比阻，不可压缩性滤饼的为常数，可压缩性滤饼的为压差的函数，经验表达式为：第80页/共100页第八十页，共101页。过滤(gul)(gul)基础理论比阻(平均质量比阻 m/kg)定义式s ： 干 滤 饼 的 密 度 ( i n kg/m-3)。意义：A、反映过滤(gul)的难易程度，越大，越困难；B、与颗粒大小、孔隙率等的关系。n滤饼可压缩度，当滤饼不可压缩时，n = 0；对于高度可压缩滤饼，则n 1。 = 湿滤饼的质量：干滤饼的质量。意义：第81页/共100页第八十一页，共101页。过滤(gul)(gul)基础理论意义：A、对于可压缩料液 ， 高 压 不 一 定 增 加(zngji)流量。 B、比阻与压力(yl)的关系第82页/共100页第八十二页，共101页。随着过滤操作的进行，滤饼量不断(bdun)增加，与滤液体积Q之间关系如下：=湿滤饼(l bn)/干滤饼(l bn)；cs=干滤饼(l bn)/液料 cs=湿滤饼(l bn)/液料；1- cs= 滤液/液料；Q滤液体积Q/（ 1- cs）= 液料体积LQ/ （ 1- cs）= 液料质量第83页/共100页第八十三页，共101页。第84页/共100页第八十四页，共101页。过滤(gul)(gul)基础理论Ruths 方程 在过滤操作中，被截留的固相颗粒在介质形成滤饼。过滤的阻力来自过滤介质和滤饼。过滤流量可表达为 Q：滤液体积(tj)(in m3)，A：过滤面积(in m2)， 湿滤饼:干滤饼，cs：料液中干固相成分的浓度(in: kg/kg)，：滤液密度，Q0：相当于过滤介质阻力时的虚拟滤液体积(tj)(in m3)，一定过滤介质的Q0为常数。 意义：过滤的流量方程第85页/共100页第八十五页，共101页。第86页/共100页第八十六页，共101页。过滤(gul)(gul)基础理论恒压过滤方程(最常用模式)恒压条件下对Ruths方程积分 t0：为透过(tu u)虚拟体积所要的虚拟时间。在一般条件下Q0可忽略，上式为意义：中试后放大的理论依据恒速过滤恒速条件下对Ruths方程积分第87页/共100页第八十七页，共101页。 过滤设备从传统的板框式过滤机到旋转式真空(zhnkng)过滤设备，种类很多。2.1.3.2过滤(gul)设备第88页/共100页第八十八页，共101页。第89页/共100页第八十九页，共101页。常用(chn yn)(chn yn)新型过滤器转鼓真空过滤器操作(cozu)：应用：大规模生物分离的主要过滤设备，用于较难分离的低黏度发酵液优点：、大规模，、自动化、操作(cozu)简单，、滤布装卸容易、易保养维护。缺点：、占地大，单位体积利用率低，、周期性中断进料、滤布利用率低，、压力低，仅应用于低黏度发酵。第90页/共100页第九十页，共101页。常用(chn yn)(chn yn)新型过滤器圆盘真空过滤器操作应用：同上。优点：、超大规模(400 m2)，极 易 实 行 大 型化 分 离 ， 、占 地 小 ， 单 位体积(tj)利用率 高 ， 、 自动 化 、 操 作 简单。缺点：、压力低 ， 仅 应 用 于低黏度发酵液，B、设备投资高。 第91页/共100页第九十一页，共101页。常用(chn yn)(chn yn)新型过滤器带式真空(zhnkng)过滤器第92页/共100页第九十二页，共101页。常用(chn yn)(chn yn)新型过滤器应用：大规模分离的主要过滤设备，可分离较难分离的低黏度的发酵液，对滤饼洗涤要求高。 优点：)、发酵液处理量大，滤饼厚达200mm， )、滤饼洗涤容易，效果好，无须搅拌， )、自动化、操作简单，清洗保养容易。 缺点：)、占地(zhn d)大，有效过滤面积低， )、压力低，仅应用于低黏度发酵液， )、设备投资高。 第93页/共100页第九十三页，共101页。常用(chn yn)(chn yn)新型过滤器压力系列(xli)：带式、板框、加压、气压罐式压滤机第94页/共100页第九十四页，共101页。常用(chn yn)(chn yn)新型过滤器应用：用于很难处理的、高黏度、高细颗粒含量的发酵液的固液分离。优点：、操作压高.Mpa以上，的 颗粒含量，高含量的细颗粒， 、滤饼含水量低，滤液澄清， 、 自 动 化 、 操 作 简 单 ， 清 洗 保 养 容 易(rngy)。缺点：、占地大，有效过滤面积低， 、设备投资高，能耗高。第95页/共100页第九十五页，共101页。如何(rh)(rh)选择过滤器？1、滤液(ly)的澄清度2、颗粒大小的分布3、发酵液的黏度4、固体颗粒的浓度5、滤饼的干燥度6、滤饼的洗涤7、生产能力FiltingmediumTypeofFilterOtherrequirements第96页/共100页第九十六页，共101页。中试(zhn sh)(zhn sh)实验设计的路线 1、确定生产能力（例：150T/d） 2、确定中试实验的规模（一般按生产能力缩小100倍，即） 3、 测定重要参数，如 ，Q0等 4、优化实验条件确定不同的实验条件：预处理、助滤剂、压力等滤饼的厚度与时间关系滤饼的孔隙率与压力关系不同压力下滤液(ly)的体积与时间的关系滤饼的洗涤、脱水、排脱等滤液(ly)的澄清度，以及上述方程要求的数据利用方程等 5、计算：A、过滤面积A，确定型号(以恒压为例) 6、放大100倍 生产能力(= 100A)第97页/共100页第九十七页，共101页。 Conclusions ：结论Centrifugation & filtration are the keys to removing insolubles. 离心和过滤是去除(q ch)不溶物的主要方法The first step in most industrial bioseparations is the removal of insolubles from the fermentation bear. 生物分离工业首先要去除(q ch)不溶物第98页/共100页第九十八页，共101页。 When these insolubles are dilate & rigid , they can be easily separated by filtration . 大的、硬的不溶物可用过滤方法去除 For many beers , filter aids or other pretreatments facilitate filtration. For other cases , filter aids & other pretreatments are ineffective. 对于大部分发酵液，助滤剂或者其它预处理方法有利于过滤，但也有没有效果的。 When the solid particles are too small & hence hard to filter , they sometimes can be separated by centrifugation. 另外一些小的、难过滤的固体(gt)颗粒可用离心分离第99页/共100页第九十九页，共101页。感谢您的观看(gunkn)！第100页/共100页第一百页，共101页。NoImage内容(nirng)总结固液分离的类型。pH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可改善其过滤特性。一是微粒受到因微粒和流体介质间密度不同(b tn)而产生的浮力作用。以重力的方向为正方向。层流区（Stokes区，Re0 2或0.3）。应用：多用于cell浓缩，浓缩比在5-20。比阻(平均质量比阻 m/kg)定义式。t0：为透过虚拟体积所要的虚拟时间。感谢您的观看第一百零一页，共101页。
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