第二章 发酵液的预处理和菌体的回收
2.1 固液分离的分类
2.2 发酵液的组成
2.3 培养液的基本特征
2.4 悬浮液的预处理预处理的目的 预处理方法
2.5 过滤基础理论
Darcy定理,Kozeny’s 方程,比阻定义,Ruth’s
方程,恒压过滤方程
2.6 常用新型过滤器
2.7 过滤器的选择
2.8 中试设计的路线
2.1 固液分离的类型
1,过滤 (重力过滤器,压滤器,真空过滤器 )
2,离心
3,重力沉降
4,气悬浮
2.2 发酵液的组成
悬浮液：
指固体颗粒在 0.1?m以上的固液分散体系 。 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
2.3 培养液的基本特征
A,细胞成分及碎片大小不一,颗粒大小?,分离成本?。
B,固液密度相近,黏度高：沉降和离心分离困难
C,固体成分可压缩可变形 + 高黏度：过滤困难,
黏附在滤布,错流过滤形成凝胶层
D,动植物细胞抗剪切力差：错流膜过滤和离心等不适
E,流变性复杂,非牛顿型流体,青霉素发酵液为卡森型流体,120h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 。
2.4 悬浮液的预处理预处理的目的,
改变发酵液的物理性质 (黏度,颗粒?,颗粒稳定性等 )，
固液分离速度?,分离器分离效率?；
目标产物转移其中一相 (多数为液相 )；
去杂质预处理方法
加热,最简单和最廉价的处理方法 。黏度,促凝聚,
固体成分体积,破坏凝胶结构,增加空隙率,去蛋白
调 pH值,方法简单有效,成本低廉；
凝聚,在凝聚剂 (如铝盐,铁盐,石灰和 NaCl)作用下,
细胞蛋白质等 (准 )胶体去稳定,并聚集成 1mm大小的凝聚块的过程 。
2.4 悬浮液的预处理凝聚剂种类,A,无机盐类,如硫酸铝,明矾,硫酸铁,
硫酸亚铁,FeCl3,AlCl3,ZnCl,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,氢键结合等 。
絮凝：在 絮凝剂高分子聚合电解质的作用下,胶体颗粒和聚合电解质交连成网,形成 10 mm大小的絮凝团过程 。
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),环氧化乙烯 。
2.4 悬浮液的预处理机理,絮凝剂主要起中和电荷,桥架和网络作用
5,惰性助滤剂,一种颗粒均匀,质地坚硬的粒状物质,
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 。
问题？
1,预处理的理论基础？
2,过滤器有 3大类型,
几百个型号,如何挑选？
2.5 过滤基础理论
Darcy定理
U = 流体的速度 (in,m/s),?p = 压力差 (in,Pa),l = 床层厚度
(in,m),K = Darcy’s 渗透系数,与流体和床层的性质有关 。
2.5 过滤理论基础
Kozeny’s 方程对于发酵液的过滤,要用 Kozeny’s方程
K’’ = Kozeny’s 常数,一般 K’’ = 5（ 在大量均匀的球形颗粒中 ）,
其他颗粒 K’’ = 3.5---5.5,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 。 注意 l
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
2.5 过滤基础理论比阻 (平均质量比阻 m/kg)定义式
s：干滤饼的密度 (in kg/m-3)。
意义,A,反映过滤的难易程度,
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：
2.5 过滤基础理论意义,A,对于可压缩料液,
高压不一定增加流量
。
B,比阻与压力的关系
2.5 过滤基础理论
Ruth’s 方程在上图的过滤操作中,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 (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),?Ｌ,
滤液密度,Q0,相当于过滤介质阻力时的虚拟滤液体积
(in m3),一定过滤介质的 Q0为常数 。
意义：过滤的流量方程
2.5 过滤基础理论恒压过滤方程 (最常用模式 )
恒压条件下对 Ruth’s方程积分
t0,为透过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 Ruth’s方程积分
2.6 常用新型过滤器转鼓真空过滤器操作：
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：Ａ,大规模,Ｂ,
自动化,操作简单,Ｃ,
滤布装卸容易,易保养维护 。
缺点：Ａ,占地大,单位体积利用率低,Ｂ,周期性中断进料,滤布利用率低,Ｃ,压力低,
仅应用于低黏度发酵 。
2.6 常用新型过滤器圆盘真空过滤器操作应用：同上 。
优点：Ａ,超大规模 (400 m2),极易实行大型化分离,Ｂ,占地小,
单位体积利用率高,Ｃ,自动化,
操作简单 。
缺点：Ａ,压力低,
仅应用于低黏度发酵液,B,设备投资高 。
2.6 常用新型过滤器带式真空过滤器
2.6 常用新型过滤器应用：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：Ａ ),发酵液处理量大,滤饼厚达 200mm，
Ｂ ),滤饼洗涤容易,效果好,无须搅拌,Ｃ )、
自动化,操作简单,清洗保养容易 。 。
缺点：Ａ ),占地大,有效过滤面积低,Ｂ ),压力低,仅应用于低黏度发酵液,Ｃ ),设备投资高 。
2.6 常用新型过滤器压力系列,带式,板框,加压,气压罐式压滤机
2.6 常用新型过滤器应用：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：Ａ,操作压高０,１ Mpa以上,>１０ ％ 的颗粒含量,高含量的细颗粒,Ｂ,滤饼含水量低,滤液澄清,Ｃ,自动化,操作简单,清洗保养容易 。
缺点：Ａ,占地大,有效过滤面积低,Ｂ,设备投资高,能耗高 。
2.7 如何选择过滤器？
1,滤液的澄清度
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
Filting medium
Type of Filter
Other requirements
2.8 中试实验设计的路线
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 150/100=1.5T/d）
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的体积与时间的关系滤饼的洗涤,脱水,排脱等滤液的澄清度,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)
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2.1 固液分离的分类
2.2 发酵液的组成
2.3 培养液的基本特征
2.4 悬浮液的预处理预处理的目的 预处理方法
2.5 过滤基础理论
Darcy定理,Kozeny’s 方程,比阻定义,Ruth’s
方程,恒压过滤方程
2.6 常用新型过滤器
2.7 过滤器的选择
2.8 中试设计的路线
2.1 固液分离的类型
1,过滤 (重力过滤器,压滤器,真空过滤器 )
2,离心
3,重力沉降
4,气悬浮
2.2 发酵液的组成
悬浮液：
指固体颗粒在 0.1?m以上的固液分散体系 。 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
2.3 培养液的基本特征
A,细胞成分及碎片大小不一,颗粒大小?,分离成本?。
B,固液密度相近,黏度高：沉降和离心分离困难
C,固体成分可压缩可变形 + 高黏度：过滤困难,
黏附在滤布,错流过滤形成凝胶层
D,动植物细胞抗剪切力差：错流膜过滤和离心等不适
E,流变性复杂,非牛顿型流体,青霉素发酵液为卡森型流体,120h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 。
2.4 悬浮液的预处理预处理的目的,
改变发酵液的物理性质 (黏度,颗粒?,颗粒稳定性等 )，
固液分离速度?,分离器分离效率?；
目标产物转移其中一相 (多数为液相 )；
去杂质预处理方法
加热,最简单和最廉价的处理方法 。黏度,促凝聚,
固体成分体积,破坏凝胶结构,增加空隙率,去蛋白
调 pH值,方法简单有效,成本低廉；
凝聚,在凝聚剂 (如铝盐,铁盐,石灰和 NaCl)作用下,
细胞蛋白质等 (准 )胶体去稳定,并聚集成 1mm大小的凝聚块的过程 。
2.4 悬浮液的预处理凝聚剂种类,A,无机盐类,如硫酸铝,明矾,硫酸铁,
硫酸亚铁,FeCl3,AlCl3,ZnCl,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,氢键结合等 。
絮凝：在 絮凝剂高分子聚合电解质的作用下,胶体颗粒和聚合电解质交连成网,形成 10 mm大小的絮凝团过程 。
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),环氧化乙烯 。
2.4 悬浮液的预处理机理,絮凝剂主要起中和电荷,桥架和网络作用
5,惰性助滤剂,一种颗粒均匀,质地坚硬的粒状物质,
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 。
问题？
1,预处理的理论基础？
2,过滤器有 3大类型,
几百个型号,如何挑选？
2.5 过滤基础理论
Darcy定理
U = 流体的速度 (in,m/s),?p = 压力差 (in,Pa),l = 床层厚度
(in,m),K = Darcy’s 渗透系数,与流体和床层的性质有关 。
2.5 过滤理论基础
Kozeny’s 方程对于发酵液的过滤,要用 Kozeny’s方程
K’’ = Kozeny’s 常数,一般 K’’ = 5（ 在大量均匀的球形颗粒中 ）,
其他颗粒 K’’ = 3.5---5.5,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 。 注意 l
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
2.5 过滤基础理论比阻 (平均质量比阻 m/kg)定义式
s：干滤饼的密度 (in kg/m-3)。
意义,A,反映过滤的难易程度,
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：
2.5 过滤基础理论意义,A,对于可压缩料液,
高压不一定增加流量
。
B,比阻与压力的关系
2.5 过滤基础理论
Ruth’s 方程在上图的过滤操作中,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 (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),?Ｌ,
滤液密度,Q0,相当于过滤介质阻力时的虚拟滤液体积
(in m3),一定过滤介质的 Q0为常数 。
意义：过滤的流量方程
2.5 过滤基础理论恒压过滤方程 (最常用模式 )
恒压条件下对 Ruth’s方程积分
t0,为透过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 Ruth’s方程积分
2.6 常用新型过滤器转鼓真空过滤器操作：
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：Ａ,大规模,Ｂ,
自动化,操作简单,Ｃ,
滤布装卸容易,易保养维护 。
缺点：Ａ,占地大,单位体积利用率低,Ｂ,周期性中断进料,滤布利用率低,Ｃ,压力低,
仅应用于低黏度发酵 。
2.6 常用新型过滤器圆盘真空过滤器操作应用：同上 。
优点：Ａ,超大规模 (400 m2),极易实行大型化分离,Ｂ,占地小,
单位体积利用率高,Ｃ,自动化,
操作简单 。
缺点：Ａ,压力低,
仅应用于低黏度发酵液,B,设备投资高 。
2.6 常用新型过滤器带式真空过滤器
2.6 常用新型过滤器应用：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：Ａ ),发酵液处理量大,滤饼厚达 200mm，
Ｂ ),滤饼洗涤容易,效果好,无须搅拌,Ｃ )、
自动化,操作简单,清洗保养容易 。 。
缺点：Ａ ),占地大,有效过滤面积低,Ｂ ),压力低,仅应用于低黏度发酵液,Ｃ ),设备投资高 。
2.6 常用新型过滤器压力系列,带式,板框,加压,气压罐式压滤机
2.6 常用新型过滤器应用：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：Ａ,操作压高０,１ Mpa以上,>１０ ％ 的颗粒含量,高含量的细颗粒,Ｂ,滤饼含水量低,滤液澄清,Ｃ,自动化,操作简单,清洗保养容易 。
缺点：Ａ,占地大,有效过滤面积低,Ｂ,设备投资高,能耗高 。
2.7 如何选择过滤器？
1,滤液的澄清度
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
Filting medium
Type of Filter
Other requirements
2.8 中试实验设计的路线
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 150/100=1.5T/d）
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的体积与时间的关系滤饼的洗涤,脱水,排脱等滤液的澄清度,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)
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