【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 環(huán)境也不受環(huán)境污染，能量消耗也比離心法少。 路線③是用 化學(xué)法破菌 ，所采用的試劑既可以破菌又可以溶解包含體，將兩道工序合為一道，節(jié)省了設(shè)備和時(shí)間，比前兩者更 適合于實(shí)驗(yàn)室操作 。 缺點(diǎn) 是所有的可溶性雜質(zhì)都沒有被除去，混雜在產(chǎn)物中間，給后分離帶來困難。 9． 固 液分離的方法 ？ 離心沉降、微孔膜過濾、雙水相萃取、泡沫分離法、避開固液分離的探索 ——擴(kuò)張床吸附 10． 離心機(jī)的種類 ？過濾的種類？ 8 離心機(jī)的種類很多，按其作用原理不同，可分為 過濾式離心機(jī) 和 沉降式離心機(jī) 兩大類。 前者 轉(zhuǎn)鼓上開有小孔，有過濾介質(zhì)，在離心力作用下，液體穿過過濾介質(zhì)經(jīng)小孔流出而得以分離，主要用于處理懸浮液固體顆粒較大、固體含量較高的場(chǎng)合。 后者 轉(zhuǎn)鼓上無孔，不需過濾介質(zhì)，在離心力的作用下，物料按密度的大小不同分層沉降而得以分離，可用于液 固、液－液、和液－液－固物料的分離。下面簡(jiǎn)要介紹生物工業(yè)中幾種常見的 離心分離設(shè)備。 碟片式離心機(jī) 碟片式離心機(jī)是沉降式離心機(jī)的一種， 1877 年由瑞典的 DeLaval 發(fā)明，是目前工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的離心機(jī)。如圖 32所示為碟片式離心機(jī)簡(jiǎn)圖，機(jī)內(nèi)裝有多層碟片，碟片間距離為 左右。 懸浮液由軸中心加入，其中的固體顆粒 (或重相 )在離心力的作用下沿最下層的通道滑移到碟片邊緣處，自轉(zhuǎn)鼓壁排泄口引出；清液 (或輕相 )則沿著碟片向軸心方向移動(dòng)，自環(huán)形清液口排出，從而達(dá)到固液分離的目的。其中傾斜的碟片對(duì)固液起著進(jìn)一步分離的作用，當(dāng)固體顆粒被帶進(jìn)碟片中時(shí)，在離心力的作用下會(huì)接觸到上 面的碟片，形成固相流動(dòng)層沿碟片流下，從而防止了出口液體中夾帶固體顆粒。 按卸料方式的不同，碟片式離心機(jī)分為人工卸料、自動(dòng)間歇排料和噴嘴連續(xù)排料三種型式。其中第一種為間歇操作，每次操作完成后需停機(jī)人工卸料；第二種離心機(jī)工作一段時(shí)間后，在不停機(jī)狀態(tài)下自動(dòng)打開轉(zhuǎn)鼓外緣處的固體排泄口，借離心力甩出固相；第三種轉(zhuǎn)鼓外緣裝有若干噴嘴，在操作過程中連續(xù)排出固相 (或重相 )。前兩種適合于懸浮液固形顆粒含量較少的場(chǎng)合。此外，間歇式操作，固相干度較好；而連續(xù)操作固相含液量較大，其固相仍具有流動(dòng)性。 碟片式離心機(jī)的分離因數(shù)為 1000～ 20200，適應(yīng)于細(xì)菌、酵母菌、放線菌等多種微生物細(xì)胞懸浮液及細(xì)胞碎片懸浮液的分離。它的生產(chǎn)能力較大，最大允許處理量達(dá) 300m3／ h，一般用于大規(guī)模的分離過程。 對(duì)于不同的碟片式離心機(jī)，可根據(jù)要分離的懸浮液物性和離心機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)及轉(zhuǎn)速，計(jì)算其最大允許的處理量。 ? Q＝νω 2Ζ ? 其中：ν＝ d2（ρ sρ L） g/18μ ? Ζ＝ 2π n/3g（ r23r13） ctgθ ? 式中 Q——離心機(jī)的最大允許進(jìn)料量 (m3/s) ω ——離心機(jī)的角轉(zhuǎn)速度 (rad/s) ? ν ——固體顆粒的自然沉降速率 (m/s) ? Ζ ——與離心機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù) ? d——顆粒直徑 (m) ρ s——固體密度 (kg/m3) ρ L——液體密度 (kg/m3) μ ——液體粘度 (Pa s) n——碟片數(shù) r r1——碟片的外徑和內(nèi)徑 (m)θ ——碟片的傾斜角度 (186。) g——重力加速度 (m/s2) 管式離心機(jī) 管式離心機(jī)是一種分離效率很高的離心分離設(shè)備，由于它的轉(zhuǎn)鼓細(xì)而長 (長度為直徑的 6～ 7倍 )，所以可以在很高的轉(zhuǎn)速 (轉(zhuǎn)速可達(dá) 15000～ 50000r／ min)下工作，而不至于使轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁產(chǎn)生過高的應(yīng)力。 管式離心機(jī)分離因數(shù)高達(dá) 104～ (6x105)，除可用于微生物細(xì)胞的分離外，還可用于細(xì)胞碎片、細(xì)胞器、病毒、蛋白質(zhì)、核酸等生物大分子的分離。但由于管式離心機(jī)的轉(zhuǎn)鼓直徑較小，容量有限，因而生產(chǎn)能力較小。轉(zhuǎn)速相對(duì)較低的管式離心機(jī)最大處理量可達(dá) 10m3/h。 管式離心機(jī)也是一種沉降式離心機(jī)，可用于液液分離和固液分離。當(dāng)用于液液分離時(shí)為連續(xù)操作，而用于固液分離時(shí)則為間歇操作，操作一段時(shí)間后需將沉積于轉(zhuǎn)鼓壁上的固體定期人工卸除。 管式離心機(jī)由轉(zhuǎn)鼓、分離盤、 機(jī)殼、機(jī)架、傳動(dòng)裝置等組成，如圖 33 及圖 34 所示。懸浮液在加壓情況下由下部送入，經(jīng)擋板作用分散于轉(zhuǎn)鼓底部，受到高速離心力作用而旋轉(zhuǎn)向上，輕液 (或清液 )位于轉(zhuǎn)鼓中央，呈螺旋形運(yùn)轉(zhuǎn)向上移動(dòng)，重液 (或固體 )靠近鼓壁。至分離盤靠近中心處為輕液 (或清液 )出口孔，靠近轉(zhuǎn)鼓壁處為重液出口孔。用于固液分離時(shí)，將重液出口孔用石棉墊堵塞，固體則附于轉(zhuǎn)鼓周壁，待停機(jī)后取出。 管式離心機(jī)設(shè)備簡(jiǎn)單，操作穩(wěn)定，分離效率高。在生物工業(yè)中，特別適合于一般離心機(jī)難以分離而固形物含量 1％的發(fā)酵液的分離。對(duì)于固形物含量較高的發(fā)酵液，由于 不能進(jìn)行連續(xù)分離，需頻繁拆機(jī)卸料，影響生產(chǎn)能力，且易損壞機(jī)件。 傾析式離心機(jī) 9 傾析式離心機(jī)靠離心力和螺旋的推進(jìn)作用自動(dòng)連續(xù)排渣，因而也稱為螺旋卸料沉降離心機(jī)。具有操作連續(xù)、適應(yīng)性強(qiáng)、應(yīng)用范圍廣、結(jié)構(gòu)緊湊和維修方便等優(yōu)點(diǎn)，特別適合于含固形物較多的懸浮液的分離。這種離心機(jī)的分離因數(shù)一般較低，大多為 1500～ 3000，因而不適合于細(xì)菌、酵母菌等微小微生物懸浮液的分離。此外，液相的澄清度也相對(duì)較差。 傾析式離心機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)部分由轉(zhuǎn)鼓及裝在轉(zhuǎn)鼓中的螺旋輸送器組成，兩者以稍有差別的轉(zhuǎn)速同向旋轉(zhuǎn)。如圖 3－ 5所示為并流 型傾析式離心機(jī)工作原理圖，懸浮液從進(jìn)料管徑進(jìn)料口進(jìn)入高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)鼓內(nèi)，在離心力作用下，固體顆粒發(fā)生沉降分離，沉積在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁上。堆積在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁上的固相靠螺旋推向轉(zhuǎn)鼓的錐形部分，從排渣口排出。與固相分離后的液相，經(jīng)液相回流管從轉(zhuǎn)鼓大端的溢流孔溢出。 在發(fā)酵工業(yè)中，傾析式離心機(jī)常用于淀粉精制和廢液處理。用于酒精廢糟處理時(shí)，離心分離后固形物中干固物濃度為 20％～ 30％，液相中懸浮物含量為 ％左右。 過濾 是傳統(tǒng)的化工單元操作，其原理是懸浮液通過過濾介質(zhì)時(shí)，固態(tài)顆粒與溶液分離。根據(jù)過濾機(jī)理的不同，過濾操作可分為 澄清過濾 和 濾餅過濾 兩種。 在澄清過濾中，所用的過濾介質(zhì)為硅藻土、砂、顆?；钚蕴?，、玻璃珠、塑料顆粒等，填充于過濾器內(nèi)即構(gòu)成過濾層；也有用燒結(jié)陶瓷、燒結(jié)金屬、粘合塑料及用金屬絲繞成的管子等組成的成型顆粒濾層。 當(dāng)懸浮液通過濾層時(shí)，固體顆粒被阻攔或吸附在濾層的顆粒上，使濾液得以澄清，這種方法叫做澄清過濾。 顯然，在澄清過濾中， 過濾介質(zhì)起著主要的過濾作用 。此種方法適合于固體含量少于 ／ 100ml、顆粒直徑在 5～ 100μ m的懸浮液的過濾分離，如 河水、麥芽汁、酒類和飲料等的澄清 。 在濾餅過濾中，過濾介質(zhì)為濾布，包 括天然或合成纖維織布、金屬織布，及氈、石棉板、玻璃纖維紙、合成纖維等無紡布。 當(dāng)懸浮液通過濾布時(shí)，固體顆粒被濾布所阻攔而逐漸形成濾餅 (或稱濾渣 )。當(dāng)濾餅至一定厚度時(shí)即起過濾作用，此時(shí)即可獲得澄清的濾液，這種方法叫做濾餅過濾或?yàn)V渣過濾。 在濾餅過濾中，懸浮液本身形成的濾餅起著主要的過濾作用。此種方法適合于固體含量 。 濾餅過濾按推動(dòng)力的不同可以分為四種，即 重力過濾、加壓過濾、真空過濾和離心過濾 。其中重力過濾設(shè)備簡(jiǎn)單，應(yīng)用不多，在發(fā)酵工業(yè)中僅用于啤酒糖化醪的過濾，對(duì)發(fā)酵醪過濾未 見采用。下面簡(jiǎn)要介紹生物工業(yè)中幾種常用的過濾方法與設(shè)備。 板框過濾機(jī) 板框過濾機(jī)是一種傳統(tǒng)的過濾設(shè)備，在發(fā)酵工業(yè)中 廣泛應(yīng)用 于培養(yǎng)基制備的過濾及霉菌、放線菌、酵母菌和細(xì)菌等多種發(fā)酵液的固液分離。與其他設(shè)備比較，板框過濾機(jī)的 優(yōu)點(diǎn) 是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，裝配緊湊，過濾面積大；過濾的推動(dòng)力 (壓力差 )能大幅度調(diào)整，并能耐受較高的壓力差，因而固相含水分低，并能適應(yīng)不同過濾特性的發(fā)酵液的過濾；輔助設(shè)備少、維修方便、價(jià)格低和動(dòng)力消耗少等。 板框過濾機(jī)的 主要缺點(diǎn) 是設(shè)備笨重、間歇操作、勞動(dòng)強(qiáng)度大、衛(wèi)生條件差、輔助時(shí)間多和生產(chǎn)效率低 。自動(dòng)板框過濾機(jī)是一種較新型的壓濾設(shè)備，它使板框的拆裝、濾餅的脫落卸出和濾布的清洗等操作都自動(dòng)進(jìn)行，大大縮短了非生產(chǎn)的輔助時(shí)間并減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度。板框過濾機(jī)比較適合于固體含量 1％～ 10％的懸浮液的分離。 真空轉(zhuǎn)鼓過濾機(jī) 對(duì)于 大規(guī)模生物工業(yè)生產(chǎn) ，真空轉(zhuǎn)鼓過濾機(jī)是常用的過濾設(shè)備之一。它具有 自動(dòng)化程度高、操作連續(xù)和處理量大的優(yōu)點(diǎn) ，特別適合于固體含量較大 (10％ )的懸浮液的分離，在發(fā)酵工業(yè)中廣泛用于霉菌、放線菌和酵母菌發(fā)酵液或細(xì)胞懸浮液的過濾分離。由于受推動(dòng)力 (真空度 )的限制，真空轉(zhuǎn)鼓過濾機(jī)一般不適合于菌體 較小和粘度較大的細(xì)菌發(fā)酵液的過濾。此外，采用真空轉(zhuǎn)鼓過濾機(jī)過濾所得固相的干度不如加壓過濾。 如圖 3－ 6 所示為真空轉(zhuǎn)鼓過濾機(jī)的工作原理圖。這種過濾機(jī)的主要部件是一轉(zhuǎn)鼓，在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)維持一定的真空度，施加于轉(zhuǎn)鼓外邊的大氣壓力即為過濾的推動(dòng)力。過濾操作時(shí)，轉(zhuǎn)鼓下部浸沒于待過濾的懸浮液中 (過濾區(qū) )。當(dāng)轉(zhuǎn)鼓以低速旋轉(zhuǎn)時(shí) (一般為 ～ )，濾液就透過濾布被吸人轉(zhuǎn)鼓內(nèi)腔，濾渣則滯留于轉(zhuǎn)鼓表面的過濾介質(zhì)上形成濾餅。 當(dāng)轉(zhuǎn)鼓繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，生成的濾餅依次被洗滌、吸干 (洗滌吸干區(qū) )和刮下卸除 (卸渣區(qū) )。最后， 10 為了除去堵 塞在濾布孔隙中的細(xì)微顆粒，壓縮空氣通過分配閥的Ⅳ室進(jìn)入再生區(qū)，吹落這些微粒使濾布再生。轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)動(dòng)一周，則完成一個(gè)過濾循環(huán)。對(duì)于預(yù)涂助濾劑或在用刮刀卸渣時(shí)保留濾餅預(yù)留層的場(chǎng)合，則不用再生區(qū)。前者可提高過濾速率，后者可提高濾液的澄清度。 硅藻土過濾機(jī) 硅藻土是生物工業(yè)中應(yīng)用較為廣泛的散粒過濾介質(zhì)，是一種較純的二氧化硅礦石。硅藻土密度為 100～ 250kg/m3，比表面積 10～ 20m2/g，粒度 2～ 100μ m。此種顆粒具有極大的吸附和滲透能力，能濾降 ～ m 的粒子，而且化學(xué)性能穩(wěn)定，它既是優(yōu)良的過濾介質(zhì) ，同時(shí)也是優(yōu)良的助濾劑，其用法有如下三種： (1) 作為深層過濾介質(zhì)，以過濾含少量 (％ )懸浮固形物的液體。硅藻土不規(guī)則粒子間形成許多曲折的毛細(xì)孔道，藉篩分和吸附作用除去懸浮液中的固體粒子。 (2) 在支持介質(zhì) (濾布 )的表面上預(yù)涂硅藻土薄層 (預(yù)涂層 )，以保護(hù)支持介質(zhì)的毛細(xì)孔道在較長時(shí)間內(nèi)不被懸浮液中的固體粒子所堵塞，從而提高和穩(wěn)定過濾速率。 (3) 將適當(dāng)?shù)墓柙逋练稚⒃诖^濾的懸浮液中，使形成的濾餅具有多孔隙性，降低濾餅的可壓縮性，以提高過濾速率和延長過濾操作的周期。硅藻土過濾機(jī)被廣泛用于啤酒生產(chǎn)中 的冷凝固物的分離和成熟啤酒的過濾，它還多用于葡萄酒、清酒及其他含有低濃度細(xì)微蛋白質(zhì)膠體粒子懸浮液的過濾。 按支撐單元的不同，硅藻土過濾機(jī)可分為 板框式過濾機(jī)、葉片式過濾機(jī)和柱式過濾機(jī) 三種。 第 四 章 膜分離技術(shù)在生物工程中的應(yīng)用 1． 什么是 膜分離技術(shù) ？ 膜分離技術(shù)是用半透膜作為選擇障礙層，允許某些組分透過而保留混合物中其他組分，從而達(dá)到分離目的的技術(shù)。 2． 膜的分類 ？ 對(duì)稱膜 對(duì)稱膜是結(jié)構(gòu)與方向無關(guān)的膜 非對(duì)稱膜 非對(duì)稱膜有一個(gè)很薄的，但比較致密的分離層和多孔支撐層，如圖 91所示 復(fù) 合膜 這種膜的選擇性膜層 (活性膜層 )沉積于具有微孔的底膜 (支撐層 )表面上 荷電膜 即離子交換膜，是一種對(duì)稱膜，含有高度的溶脹膠載著固定的正電荷或負(fù)電荷，帶有正電荷的膜稱為陰離子交換膜，從周圍流體中吸引陰離子。帶有負(fù)電荷的膜稱為陽離子交換膜。相對(duì)應(yīng)的有中性膜。另外還有根據(jù)膜材料親疏水性可分為親水膜和疏水膜。 液膜 即液體膜，是從生物膜奇妙的選擇性輸送功能上得到啟發(fā)而模仿的一種人工膜 微孔膜 孔徑為 ~20μ m的膜 動(dòng)態(tài)膜 在多孔介質(zhì) (如陶瓷管 )上沉積一層顆粒物 (如氧化鋯 )作為有選擇作用的膜，此沉積層與溶液處于動(dòng)態(tài)平衡 3．滲透、透析 、 反滲透 、超濾、和電滲析？ 滲透 是一個(gè)擴(kuò)散過程，在膜的兩旁，滲透壓差的作用下溶劑產(chǎn)生流動(dòng)。 透析 是利用膜兩側(cè)的濃度差從溶液中分離出小分子物質(zhì)的過程。 在滲透實(shí)驗(yàn)裝置的膜兩側(cè)制造一個(gè)壓力差，并使其大于滲透壓，就會(huì)發(fā)生溶劑倒流，使得濃度較高的溶液進(jìn)一步濃縮，這一現(xiàn)象叫做 反滲透。 超濾和反滲透及微過濾都是以 壓力差 為推動(dòng)力。以多孔細(xì)小薄膜為過濾介質(zhì)，使不溶物濃縮過濾的操作為 微過濾 ；按粒徑選擇分離溶液中所含的微粒和大分子的膜分離操作為 超濾； 從溶液中分離 出溶劑的膜分離操作為 反滲透。 在電場(chǎng)中交替裝配的 陰離子和陽離子交換膜 ，在電場(chǎng)中形成一個(gè)個(gè)隔室，使溶液中的離子有選擇地分離或富集，這就是 電滲析。 4．膜的濃差極化 與膜污染 ？ 如何控制膜污染？ 濃差極化是指在分離過程中，料液中的溶劑在壓力驅(qū)動(dòng)下透過膜， 溶質(zhì)被截留 ，于是在膜表面與臨近膜面區(qū)域濃度越來越高。在濃度梯度作用下，溶質(zhì)由膜面向本體溶液擴(kuò)散，形成 邊界層 ，使流體阻力與局部滲透壓增加，從而導(dǎo)致溶劑透過流量下降。溶劑向膜面流動(dòng)（對(duì)流）引起溶質(zhì)向膜面流動(dòng)，當(dāng)溶質(zhì)向膜面的流動(dòng)速度與濃度梯度使溶質(zhì) 11 向本體溶液擴(kuò)散速度達(dá)到 平 衡 時(shí)，在膜面附近存在一個(gè)穩(wěn)定的濃度梯度區(qū)，這一區(qū)域稱為濃度極化邊界層，這一現(xiàn)象稱為 濃差極化 。它只有在運(yùn)行膜分離過程中才發(fā)生。 膜的濃差極化容易造成 3 種情況： (1)提高滲透壓，降低水通量。 (2)降低膜的截留率。 (3)產(chǎn)生結(jié)垢現(xiàn)象，造成物理阻塞，使膜逐漸失去透水能力。 對(duì)于濃差極化現(xiàn)象雖不能完全消除，但操作得當(dāng)，濃差極化是可以減弱的。 膜污染是指處理物料中的微粒、膠體粒子或溶