1、1第二章第二章 過過 濾濾2過濾操作是借助于過濾介質，在一定的壓力差過濾操作是借助于過濾介質，在一定的壓力差PP作用下，使懸浮液中的液體通過介質的孔道，作用下，使懸浮液中的液體通過介質的孔道，而固體顆粒被截留在介質上，從而實現固液分離而固體顆粒被截留在介質上，從而實現固液分離的單元操作。的單元操作。n過濾介質過濾介質filter medium : : 過濾采用的多孔物質；過濾采用的多孔物質； n濾漿濾漿filter pulp : : 所處理的懸浮液；所處理的懸浮液； n濾液濾液filtrate : : 通過多孔通道的液體；通過多孔通道的液體； n濾餅或濾渣濾餅或濾渣 filter cakefi

2、lter cake: :被截留的固體物質。被截留的固體物質。3當懸浮液通過濾布時，固體顆粒被濾布阻攔而逐當懸浮液通過濾布時，固體顆粒被濾布阻攔而逐漸形成濾餅（濾渣）。漸形成濾餅（濾渣）。在濾餅過濾中，當濾餅至一定厚度時即起主要的在濾餅過濾中，當濾餅至一定厚度時即起主要的過濾作用過濾作用適合于固體含量大于適合于固體含量大于0.1%0.1%的懸浮液的過濾分離。的懸浮液的過濾分離。4u過濾推動力：過濾推動力：n懸浮液自身壓強差、重力懸浮液自身壓強差、重力n懸浮液的懸浮液的外加壓力外加壓力n過濾介質的過濾介質的抽真空抽真空n離心力離心力u過濾阻力：過濾阻力：n介質阻力介質阻力：可視為平變，且一般過濾初

3、較明顯：可視為平變，且一般過濾初較明顯n濾餅阻力濾餅阻力: :n濾餅厚度：隨過濾進行而增加濾餅厚度：隨過濾進行而增加n濾餅特性：顆粒形狀、大小。濾餅特性：顆粒形狀、大小。n大多情況下，過濾阻力主要取決于濾餅阻力。大多情況下，過濾阻力主要取決于濾餅阻力。5預處理和固液分離預處理和固液分離固液分離固液分離發酵液發酵液胞外胞外上清液上清液/濾液濾液預處理預處理提取生化物質的第一步，分兩部分：提取生化物質的第一步，分兩部分：胞內胞內富集細胞富集細胞6n發酵液成分很復雜，包含菌（細胞）體，胞內發酵液成分很復雜，包含菌（細胞）體，胞內外代謝產物，及剩余的培養基殘分等。外代謝產物，及剩余的培養基殘分等。n不

4、管人們所需要的產物是胞內還是胞外，都首不管人們所需要的產物是胞內還是胞外，都首先要進行培養液的預處理和固液分離開，才能先要進行培養液的預處理和固液分離開，才能進行后續操作：進行后續操作：n對于胞外產物，可先將菌體或其他懸浮雜質去對于胞外產物，可先將菌體或其他懸浮雜質去處，才能從澄清的濾液中提取代謝產物。處，才能從澄清的濾液中提取代謝產物。n對于胞外產物，首先富集菌體，再進行細胞破對于胞外產物，首先富集菌體，再進行細胞破碎和碎片分離，然后提取胞內產物。碎和碎片分離，然后提取胞內產物。71 1 預處理預處理（Pretreatment ）8為何要對發酵液進行預處理？為何要對發酵液進行預處理？發酵液的

5、基本特性發酵液的基本特性n發酵產物濃度較低，大多為發酵產物濃度較低，大多為1-10%1-10%，n懸浮物顆粒小，懸浮物顆粒小，細胞的相對密度與培養液相似。細胞的相對密度與培養液相似。n可壓縮性可壓縮性n液相粘度大，大多為非牛頓型流體；液相粘度大，大多為非牛頓型流體；n懸浮狀態穩定：雙電層、水化膜、布朗運動懸浮狀態穩定：雙電層、水化膜、布朗運動9為何要進行預處理？為何要進行預處理？n固液分離方法主要是過濾和離心。固液分離方法主要是過濾和離心。n對于細菌及某些放線菌，菌體細小，液體粘度對于細菌及某些放線菌，菌體細小，液體粘度大，不能直接過濾，若用高速離心，能耗很大，大，不能直接過濾，若用高速離心，

6、能耗很大，設備昂貴。若用膜分離技術（如微濾）易產生設備昂貴。若用膜分離技術（如微濾）易產生膜污染，通量降低。膜污染，通量降低。n發酵液中由于菌體自溶，核酸、蛋白質及其它發酵液中由于菌體自溶，核酸、蛋白質及其它有機粘性物質的存在也會影響固液分離。有機粘性物質的存在也會影響固液分離。n因而尋找一種經濟有效的方法來提高固液分離因而尋找一種經濟有效的方法來提高固液分離速度顯得十分必要。速度顯得十分必要。10預處理的目的預處理的目的預處理的目的：預處理的目的：促進從懸浮液中分離固形物的速度，促進從懸浮液中分離固形物的速度，提高固液分離的效率提高固液分離的效率：n改變發酵液的物理性質，包括增大懸浮液中固體

7、粒改變發酵液的物理性質，包括增大懸浮液中固體粒子的尺寸，降低液體黏度。子的尺寸，降低液體黏度。n 相對純化，去除發酵液中的部分雜質（高價無機離相對純化，去除發酵液中的部分雜質（高價無機離子和雜蛋白質），以利于后續各步操作。子和雜蛋白質），以利于后續各步操作。n盡可能使產物轉入便于后處理的一相中（多數是液盡可能使產物轉入便于后處理的一相中（多數是液相）；相）； 11預處理的方法預處理的方法n加熱法加熱法 Heatingn凝聚和絮凝凝聚和絮凝 Coagulation and flocculation n助濾劑助濾劑Filter aids和反應劑和反應劑 Reactant 12一.加熱液體黏度是溫度

8、的指數函數，液體黏度是溫度的指數函數，升溫是降低黏度的有效措施。升溫是降低黏度的有效措施。流體力學原理過速率與液體的流體力學原理過速率與液體的粘度成反比，降低液體粘度粘度成反比，降低液體粘度（加水稀釋法和加熱法等）可（加水稀釋法和加熱法等）可有效提高過濾速率。有效提高過濾速率。加熱是發酵液預處理最簡單最常用的方法。加加熱是發酵液預處理最簡單最常用的方法。加熱能改善發酵液的操作特性。熱能改善發酵液的操作特性。麥芽汁的黏度麥芽汁的黏度-溫度曲線。溫度曲線。13n2 2）加熱使蛋白質變性凝固）加熱使蛋白質變性凝固 變性蛋白質的溶解度小。如檸檬酸發酵液加熱至變性蛋白質的溶解度小。如檸檬酸發酵液加熱至8

9、080以上，可使蛋白質變性凝固，過濾速度加快。以上，可使蛋白質變性凝固，過濾速度加快。n加熱處理只適用于對熱較穩定的液體。注意加熱溫加熱處理只適用于對熱較穩定的液體。注意加熱溫度與時間，不影響產物活性和細胞的完整性。度與時間，不影響產物活性和細胞的完整性。n 14二凝聚和絮凝二凝聚和絮凝n凝聚與絮凝處理過程就是將化學藥劑預先投凝聚與絮凝處理過程就是將化學藥劑預先投加到懸浮液中，改變細胞、菌體和蛋白質等加到懸浮液中，改變細胞、菌體和蛋白質等膠體粒子的分散狀態，破壞其穩定性，膠體粒子的分散狀態，破壞其穩定性，使其使其聚集起來聚集起來, ,增大體積以便固液分離。增大體積以便固液分離。n凝聚和絮凝技術

10、常用于菌體細小而且黏度大凝聚和絮凝技術常用于菌體細小而且黏度大的發酵液的預處理中。的發酵液的預處理中。15凝聚和絮凝是兩種方法，兩個概念。凝聚和絮凝是兩種方法，兩個概念。n凝聚：凝聚：指在投加的化學物質（鋁、鐵的鹽類）指在投加的化學物質（鋁、鐵的鹽類）作用下，膠體脫穩并使粒子相互聚集成作用下，膠體脫穩并使粒子相互聚集成 mm mm 大小塊狀凝聚體的過程。大小塊狀凝聚體的過程。n絮凝：絮凝：指使用絮凝劑（天然的和合成的大分子指使用絮凝劑（天然的和合成的大分子量聚電解質）將膠體粒子交聯成網，形成量聚電解質）將膠體粒子交聯成網，形成10mm10mm大小絮凝團的過程。其中絮凝劑主要起大小絮凝團的過程。

11、其中絮凝劑主要起架橋作用。架橋作用。凝聚和絮凝凝聚和絮凝16凝聚：膠體粒子在中性鹽促進下脫穩相互聚集成凝聚：膠體粒子在中性鹽促進下脫穩相互聚集成大粒子（大粒子（1mm1mm）機理：機理：1）中和粒子表面電荷中和粒子表面電荷 2 2）消除雙電層結構）消除雙電層結構3 3）破壞水化膜）破壞水化膜（一）（一） 凝凝 聚聚 Coagulation17 發酵液中菌體表面帶有負發酵液中菌體表面帶有負電荷，由于靜電引力使溶電荷，由于靜電引力使溶液中反離子被吸附在其周液中反離子被吸附在其周圍，在界面上形成了雙電圍，在界面上形成了雙電層。層。 正離子同時受到使它們均正離子同時受到使它們均勻分布的熱運動影響，具勻

12、分布的熱運動影響，具有離開膠粒表面的趨勢。有離開膠粒表面的趨勢。膠體雙電層結構膠體雙電層結構18兩種相反作用力下，雙電層分裂成兩部：兩種相反作用力下，雙電層分裂成兩部：1 1）吸附層或）吸附層或sternstern層；層；2 2）擴散層。）擴散層。形成了擴散雙電層的結構模型形成了擴散雙電層的結構模型( (Gouy-Chapman-Stern model) )。膠體雙電層結構膠體雙電層結構19膠體雙電層結構膠體雙電層結構不同界面上形成不同不同界面上形成不同的電位的電位:l膠核表面的電位膠核表面的電位s是整個雙電層的電位是整個雙電層的電位;lStern平面上的電位平面上的電位為為d;l滑移面上的電

13、位為滑移面上的電位為,稱稱電位（電動電電位（電動電位）。位）。20電位的計算：電位的計算： D 水的介電常數； q 膠體的電動電荷密度，即滑移面上的電荷密度； 擴散層的有效厚度，即為吸附層和擴散層界面處電位d降低到其值為1/e處的距離，不能直接測定. 電位電位是控制膠粒間電排斥作用的電位，用來表是控制膠粒間電排斥作用的電位，用來表征雙電層的特征，并作為研究凝聚機理的重要參征雙電層的特征，并作為研究凝聚機理的重要參數。數。21 擴散層的有效厚度擴散層的有效厚度 式中式中 NN一一 阿伏伽德羅常數；阿伏伽德羅常數； T T一一 熱力學溫度：熱力學溫度： k k 波爾茲曼常數；波爾茲曼常數； e e

14、 電子電荷；電子電荷； Zi iZi i種反離子的化合價；種反離子的化合價； Ci iCi i種離子的摩爾濃度。種離子的摩爾濃度。22雙電層與凝聚n由式（由式（14141 1）和式（）和式（1414一一2 2）可知，）可知，電電位與擴散層厚度位與擴散層厚度和電動電荷密度和電動電荷密度q q成正比，成正比，而擴散層厚度又與溶液中反離子強度和電而擴散層厚度又與溶液中反離子強度和電荷成反比。荷成反比。n對帶負電性菌體的發酵液，高價陽離子的對帶負電性菌體的發酵液，高價陽離子的存在，可壓縮擴散層的厚度，促使存在，可壓縮擴散層的厚度，促使電位電位迅速降低，而且化合價越高，這種影響越迅速降低，而且化合價越高

15、，這種影響越顯著。顯著。23凝聚價或凝聚值 n在發酵液中加入具有高價陽離子的電解質，能在發酵液中加入具有高價陽離子的電解質，能脫除膠粒表面的水化膜，降低脫除膠粒表面的水化膜，降低電位，使電位，使雙電雙電層的排斥力減少，當不足以抗衡膠粒間的范德層的排斥力減少，當不足以抗衡膠粒間的范德華引力時，由于熱運動的結果導致膠粒的互相華引力時，由于熱運動的結果導致膠粒的互相碰撞而聚集起來。碰撞而聚集起來。n電解質的凝聚能力可用凝聚價或凝聚值來表示，電解質的凝聚能力可用凝聚價或凝聚值來表示，使膠粒發生凝聚作用的最小電解質濃度（毫摩使膠粒發生凝聚作用的最小電解質濃度（毫摩爾升），稱為凝聚價或凝聚值。爾升），稱為

16、凝聚價或凝聚值。24nSchulzeHardy法則：反離子的價數越高，法則：反離子的價數越高，凝凝聚價聚價越小，即凝聚能力越強。越小，即凝聚能力越強。n陽離子對帶負電荷的膠粒凝聚能力受化合價、陽離子對帶負電荷的膠粒凝聚能力受化合價、水化半徑、離子運動能力的影響，次序為水化半徑、離子運動能力的影響，次序為Al3+ Fe3+ H+ Ca2+ Mg2+ K+ Na+ Li+25n常用的凝聚劑電解質有：常用的凝聚劑電解質有：硫酸鋁硫酸鋁 Al2(SO4)318H2O（明礬）；（明礬）；氯化鋁氯化鋁 AlCl36H2O;三氯化鐵三氯化鐵 FeCl3;硫酸亞鐵硫酸亞鐵 FeSO47H2O ；石灰；石灰；Z

17、nSO4；MgCO326n絮凝絮凝：大分子聚電解質將膠體粒子交聯大分子聚電解質將膠體粒子交聯成網狀，形成絮凝團的過程成網狀，形成絮凝團的過程機理機理：架橋作用：架橋作用n采用絮凝法可形成粗大的絮凝體，使發采用絮凝法可形成粗大的絮凝體，使發酵液較易分離。酵液較易分離。（二）絮（二）絮 凝凝 flocculation27l絮凝劑是一種能溶于水的高分子聚合物，其相對分絮凝劑是一種能溶于水的高分子聚合物，其相對分子質量可高達數萬至一千萬以上，長鏈狀結構，其子質量可高達數萬至一千萬以上，長鏈狀結構，其鏈節上含有許多活性官能團，包括離子基團以及非鏈節上含有許多活性官能團，包括離子基團以及非離子型基團。離子

18、型基團。l它們通過靜電引力、范德華引力或氫鍵的作用，強它們通過靜電引力、范德華引力或氫鍵的作用，強烈地吸附在膠粒的表面。烈地吸附在膠粒的表面。l當一個高分子聚合物的許多鏈節分別吸附在不同的當一個高分子聚合物的許多鏈節分別吸附在不同的膠粒表面上，產生架橋聯結時，就形成較大絮團，膠粒表面上，產生架橋聯結時，就形成較大絮團，產生絮凝作用。產生絮凝作用。 絮絮 凝凝28高分子絮凝劑的吸附架橋作用高分子絮凝劑的吸附架橋作用 29可分為三類：人工合成有機高分子聚合物、天然有可分為三類：人工合成有機高分子聚合物、天然有機高分子聚合物、無機高分子聚合物機高分子聚合物、無機高分子聚合物1 1）目前常用的是人工合

19、成有機高分子聚合物，如聚）目前常用的是人工合成有機高分子聚合物，如聚丙烯酰胺類衍生物、聚乙烯亞胺衍生物；聚丙烯酸丙烯酰胺類衍生物、聚乙烯亞胺衍生物；聚丙烯酸類和聚苯乙烯類衍生物。類和聚苯乙烯類衍生物。工業上使用的絮凝劑工業上使用的絮凝劑30 高分子聚合物絮凝劑高分子聚合物絮凝劑根據活性基團在水中解離情況根據活性基團在水中解離情況不同，可分為三類：陰離子型（含有羧基不同，可分為三類：陰離子型（含有羧基)、陽離子、陽離子型（含有胺基）型（含有胺基） 、非離子型、非離子型31聚丙烯酰胺類絮凝劑的優點聚丙烯酰胺類絮凝劑的優點l 用量少，一般以用量少，一般以mg/L計量；計量；l 絮凝體粗大，分離效果好

20、；絮凝體粗大，分離效果好；l 絮凝速度快；絮凝速度快；l 種類多，適用范圍廣種類多，適用范圍廣。聚丙烯酰胺類絮凝劑的缺點：聚丙烯酰胺類絮凝劑的缺點：存在一定的毒性，特別是陽離子型聚丙烯酰胺，用存在一定的毒性，特別是陽離子型聚丙烯酰胺，用于食品和醫藥工業時應謹慎。于食品和醫藥工業時應謹慎。目前最常見：目前最常見：聚丙烯酰胺類聚丙烯酰胺類絮凝劑絮凝劑322 2）天然有機高分子絮凝劑）天然有機高分子絮凝劑人工合成有機高分子絮凝劑雖然發展很快，但還存在人工合成有機高分子絮凝劑雖然發展很快，但還存在著殘留單體有毒，生物降解難等問題，所以其應用受著殘留單體有毒，生物降解難等問題，所以其應用受到了限制。天然

21、有機高分子絮凝劑具有無毒，易生物到了限制。天然有機高分子絮凝劑具有無毒，易生物降解，原料來源廣等優點。降解，原料來源廣等優點。n天然有機高分子改性絮凝劑根據其原料來源不同可天然有機高分子改性絮凝劑根據其原料來源不同可分為淀粉類、纖維素類、植物膠類和聚多糖類。分為淀粉類、纖維素類、植物膠類和聚多糖類。n其中淀粉改性絮凝劑的研究開發最引人注目。其中淀粉改性絮凝劑的研究開發最引人注目。333 3）無機高分子聚合物）無機高分子聚合物有聚合鐵系和鋁系兩大類有聚合鐵系和鋁系兩大類u鐵系絮凝劑具有操作簡單、費用低，受溫度影鐵系絮凝劑具有操作簡單、費用低，受溫度影響小，親和力強，能有效地去除懸浮物、表面響小，

22、親和力強，能有效地去除懸浮物、表面活性劑、破壞油水乳狀液的能力很強等優點，活性劑、破壞油水乳狀液的能力很強等優點，缺點腐蝕性強、穩定性差。缺點腐蝕性強、穩定性差。u鋁系是目前應用廣、工藝較成熟的一類無機金鋁系是目前應用廣、工藝較成熟的一類無機金屬鹽絮凝劑，絮凝效果好，缺點具毒性等。屬鹽絮凝劑，絮凝效果好，缺點具毒性等。34微生物微生物絮凝劑絮凝劑n微生物絮凝劑是近年來研究和開發的新型絮凝劑，微生物絮凝劑是近年來研究和開發的新型絮凝劑，n一類由微生物或其分泌物產生的具有絮凝細胞功能一類由微生物或其分泌物產生的具有絮凝細胞功能的代謝產物。的代謝產物。n包括直接利用微生物細胞的絮凝劑、利用微生物細包

23、括直接利用微生物細胞的絮凝劑、利用微生物細胞壁代謝產物的絮凝劑和克隆技術所獲得的絮凝劑胞壁代謝產物的絮凝劑和克隆技術所獲得的絮凝劑 n主要成分是糖蛋白、粘多糖、纖維素及核酸等高分主要成分是糖蛋白、粘多糖、纖維素及核酸等高分子物質。子物質。n微生物絮凝劑和天然絮凝劑與化學合成的絮凝劑相微生物絮凝劑和天然絮凝劑與化學合成的絮凝劑相比，最大的優點是安全，無毒和不污染環境比，最大的優點是安全，無毒和不污染環境。35微生物絮凝劑微生物絮凝劑1、微生物絮凝劑的商業化生產始于、微生物絮凝劑的商業化生產始于20世紀世紀90年代，年代，如紅平紅球菌及由此制成的如紅平紅球菌及由此制成的NOC-1NOC-1是目前發

24、現的最佳微生物是目前發現的最佳微生物絮凝劑絮凝劑 2、微生物絮凝劑或將大部分替代普通絮凝劑、微生物絮凝劑或將大部分替代普通絮凝劑3、浮游藻類、草分枝桿茵、硅酸鹽芽孢桿菌。、浮游藻類、草分枝桿茵、硅酸鹽芽孢桿菌。36絮凝的影響因素絮凝的影響因素n發酵液的性質（細胞濃度，表面電荷）；發酵液的性質（細胞濃度，表面電荷）；n絮凝劑的濃度，最佳用量為粒子表面積約有一絮凝劑的濃度，最佳用量為粒子表面積約有一 半被聚合物覆蓋；半被聚合物覆蓋；n絮凝劑的分子量；絮凝劑的分子量；npH pH 控制；控制；n攪拌速度。攪拌速度。37n對于帶負電荷的菌體或蛋白質來說，采用陽離子對于帶負電荷的菌體或蛋白質來說，采用陽離子型高分子絮凝劑同時具有降低膠粒雙電層電位和型高分子絮凝劑同時具有降低膠粒雙電層電位和產生吸附橋架的雙重機理，單獨使用可達到較好產生吸附橋架的雙重機理，單獨使用可達到較好絮凝效果；絮凝效果；n對于非離子型和陰離子型高分子絮凝劑，要采用對于非離子型和陰離子型高分子絮凝劑，要采用凝聚和絮凝雙重機理才能提高過濾效果。凝聚和絮凝雙重機理才能提高過濾效果。n這種包括凝聚和絮凝機理的過程，稱為混凝。這種包括凝聚和絮凝機理的過程，稱為混凝。混混 凝凝38三 filter aids） n一種不可壓縮