第一步往往是將不溶物質(zhì)從發(fā)酵液

1、第一步往往是將不溶物質(zhì)從發(fā)酵液第1頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)15分，星期六大部分工業(yè)生物分離的第一步往往是將不溶物質(zhì)從發(fā)酵液中除去。這些不溶性固體的濃度和顆粒大小的變化范圍很寬。 濃度可高達(dá)每單位體積含60%的不溶性固體，又可低至每單位體積僅含0.1%。第2頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)15分，星期六粒徑的變化可以從直徑約為1um的微生物，到直徑為1mm的不溶性物質(zhì)。對(duì)于這些濃度較小，粒徑較大，硬度較強(qiáng)的不溶物，我們可以采用過(guò)濾方法分離。在前一章中，我們講述了過(guò)濾法，包括助濾劑的應(yīng)用。有些發(fā)酵液中，使用助濾劑有利于過(guò)濾分離，而還有一些發(fā)酵液則不行。第3頁(yè)，共46

2、頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)15分，星期六當(dāng)發(fā)酵液不易被過(guò)濾純化時(shí)，我們可以采用離心的方法來(lái)分離，這也是這章的主題。與過(guò)濾設(shè)備相比，離心設(shè)備的價(jià)格昂貴。但當(dāng)固體顆粒細(xì)小而難以過(guò)濾時(shí)，離心操作往顯得十分有效。第4頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)15分，星期六離心分離是基于固體顆粒和周?chē)后w密度存在差異，在離心場(chǎng)中使不同密度的固體顆粒加速沉降的分離過(guò)程，當(dāng)靜置懸浮液時(shí)，密度較大的固體顆粒在重力作用下逐漸下沉，這一過(guò)程稱為沉降。由于沉降和離心相似，這兒就放在一塊討論。第5頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)15分，星期六 離心產(chǎn)生的固體濃縮物和過(guò)濾產(chǎn)生的濃縮不同。通常情況下

3、離心只能得到一種較為濃縮的懸浮液或漿體。而過(guò)濾可獲得的水分含量較低的濾餅。但是，對(duì)大多數(shù)生物發(fā)酵液可以離心但不能有效地過(guò)濾分離，所以離心往往是很有效的方法。第6頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)15分，星期六A. 顆粒的沉降 當(dāng)一固體微粒通過(guò)無(wú)限連續(xù)介質(zhì)時(shí)，它的運(yùn)動(dòng)速度受兩種力的影響：一是微粒受到因微粒和流體介質(zhì)間密度不同而產(chǎn)生的浮力作用；二是微粒所受到的流體阻力作用。第7頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)15分，星期六Fdd=2R球形顆粒沉降的受力情況第8頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)15分，星期六第9頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)15分，星期

4、六FB=d3(s-)/6a. (3.1) d 是微粒半徑，ms-分別為微粒和液體介質(zhì)密度，kg/m3a 是微粒加速度, m/s2第10頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)15分，星期六 在稀溶液中，作用于單個(gè)球形微粒上的阻力FD，可用Stoks（斯托克斯）定律表示。 FD=3d (3.2)連續(xù)介質(zhì)粘度是微粒運(yùn)動(dòng)速度這個(gè)等式僅當(dāng)球形微粒較小時(shí)方能成立。第11頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)15分，星期六當(dāng)Re 1 時(shí) Re=d/1時(shí)，阻力為 FD=f(2/2)(d2/4) (3.4)f是摩擦因子第12頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)15分，星期六 當(dāng)球形粒子在介質(zhì)

5、中運(yùn)動(dòng)時(shí)速度較小，因此作用其上的阻力也較小，當(dāng)阻力與浮力平衡時(shí)，微粒加速度為零。聯(lián)立方程3.1和3.2，得到 =d2(s-)a/(18) (3.5)第13頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)15分，星期六此式給出了微粒穩(wěn)定狀態(tài)和最終速度 對(duì)于沉降，重力沉降加速度為重力加速度） g=d2(s-)g/(18) (3.6)第14頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)15分，星期六離心沉降加速度則不同 a=r2 =d2(s-)r2/(18) (3.7) -轉(zhuǎn)鼓回轉(zhuǎn)角速度，r/s） r為轉(zhuǎn)鼓中心軸線與微粒間距離，m第15頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)15分，星期六B. Cen

6、trifuges 離心機(jī)第16頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)15分，星期六第17頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)15分，星期六我們先來(lái)描述這三種最有用的離心機(jī)： a、管式離心機(jī)最簡(jiǎn)單，可提供較大離心力；管狀離心機(jī)可以冷卻，在蛋白質(zhì)生產(chǎn)中很有利；懸浮液由管底進(jìn)，澄清液由管口流出。第18頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)15分，星期六Tubular bowl第19頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)15分，星期六管壁上沉積物為濃漿可連續(xù)加料至流出物固體損失使離心不能正常進(jìn)行須定時(shí)拆卸、清洗，這種間斷性操作也是最大的缺點(diǎn)取不同位置上的典型離子分析第20頁(yè)，

7、共46頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)15分，星期六R0R1zrLiquid interfacelIdealization of the tubular bowl centrifuge第21頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)15分，星期六為了便于分析，假設(shè)典型粒子位于以下幾種情況：(1) 位于離心機(jī)底部Z向上(2) 位于旋轉(zhuǎn)軸r軸向上的微粒(3)位于液體界面半徑r1和管心半徑r0的微粒之間(4) 粒子同時(shí)在Z 和 r兩個(gè)方向上移動(dòng) 第22頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)15分，星期六 Z方向的動(dòng)力來(lái)源于離心機(jī)底部泵入料液的對(duì)流） dz/dt=Q/(R02-R12) (3

8、.8) Q 為料液流速 等式3.8 表示 Z方向重力可忽略 假定離心力很大，R1是常數(shù)，由Z決定第23頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)15分，星期六方向上運(yùn)動(dòng)與半徑r有關(guān)dr/dt= d2(s-)r2/(18) (3.9)dr/dt=g(r2/g) (3.10)結(jié)合3.8和3.9，得出離心機(jī)內(nèi)部微粒的運(yùn)動(dòng)軌跡dr/dz=(dr/dt)/(dz/dt)=g(r2/g)(R02-R12)/Q (3.11)如果g 很大，微粒將很快到達(dá)管壁；如果泵入流速Q(mào)增大，懸浮固體微粒將向上走得更遠(yuǎn)方能到達(dá)管壁。對(duì)于那些難以到達(dá)管壁的微粒分析，在r= R1時(shí)進(jìn)離心機(jī)，在r= R0時(shí)也不會(huì)碰到管壁這時(shí)Z

9、=l，對(duì)（3.11）積分。第24頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)15分，星期六 Q=g2l(R02-R12)/g(R0/R1) (3.12)對(duì)于大部分管式離心機(jī)，這個(gè)等式可以簡(jiǎn)化，因?yàn)镽0和R1近似相等(R02-R12)/ (R0/R1)= (R0+R1) (R0-R1)/ 1+(R0-R1) /R1=2R2 (3.13)R1. Thus Eq.(3.12) becomes : R是平均粒徑 Q=g(2lR22/g)= g (3.14)g為微粒本身的函數(shù)，與離心機(jī)無(wú)關(guān)的量綱是長(zhǎng)度的平方，表達(dá)離心機(jī)函數(shù)與微粒性質(zhì)無(wú)關(guān) ，代表離心機(jī)的分離特性。第25頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日

10、，15點(diǎn)15分，星期六b、 碟片式離心機(jī)第26頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)15分，星期六 這種離心機(jī)在生物分離中非常常見(jiàn)，可連續(xù)操作但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格較高。料液由管頂進(jìn)，清液從加料口附近環(huán)行裂口流出和管式離心機(jī)最顯著的區(qū)別在固體即非間歇式的被移出也不通過(guò)離心機(jī)管壁上的孔連續(xù)的去除填充固體的性質(zhì)決定離心機(jī)類型第27頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)15分，星期六假定一固體微粒位于（x，y）的位置x沿碟片間隙方向與碟片外沿距離 y為微粒與最下面碟片外緣的距離R1內(nèi)緣半徑料液延碟片間隙向上運(yùn)動(dòng)，進(jìn)入時(shí)在R0處，流出時(shí)R1處微粒、y向運(yùn)動(dòng)，在對(duì)流作用和離心沉降作用下dx/dt=

11、0-sin (3.15)0 為泵送作用下的流體速度第28頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)15分，星期六 為微粒在離心力作用下的運(yùn)動(dòng)速度 為 碟片與垂直方向上的夾角如果=0微粒只在對(duì)流作用下運(yùn)動(dòng)，等式就與3.8相等 速度 v0 有三個(gè)重要特征： (1) 比沉降速度Vw大很多(2)v0是半徑的函數(shù)，流體流向軸心時(shí)v0變大，因?yàn)榱髁縌是常數(shù)，半徑變小，流動(dòng)空間也變小(3) V0是y的函數(shù)，即在碟片表面V0=0第29頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)15分，星期六0=Q/(2nrl)f(y) （3.16） Q-液體的流量 n- 碟片數(shù) r-微粒與轉(zhuǎn)鼓軸線間距離 l- 相鄰碟片間隙

12、寬度f(wàn)(y)- 碟片間流速變化的函數(shù)第30頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)15分，星期六 液體在y方向上v0的平均速度與其對(duì)流速度相等1/l0l0dy=Q/(n2rl) (3.17)1/l0lf(y)dy=1 (3.18)結(jié)合方程 Eq .(3.15) &(3.16) 得到dx/dt=0-sin0=Q/(n2rl)f(y) (3.19)因?yàn)閷?duì)流速度要遠(yuǎn)大于沉降速度第31頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)15分，星期六 上式給出了碟片式離心機(jī)中的微粒的運(yùn)動(dòng)軌跡方程 對(duì)難分離的微粒進(jìn)行研究 這些微粒在碟片外緣進(jìn)入，此時(shí)x=0，y=0 如果在其離開(kāi)隙道前剛好抵達(dá)上碟片底部,其坐

13、標(biāo)為x=(r0-r)/sin，y=l 第32頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)15分，星期六微粒在離心力場(chǎng)作用下,將沿碟片底部運(yùn)動(dòng)到碟片外邊緣,匯集到濾渣中 ，再清除掉。根據(jù)上述臨界條件分析，由微分方程（3.3-18）可寫(xiě)出其定積分方程 第33頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)15分，星期六 Q=g2n2(R03-R13)cos/(3g)=g (3.24) Vg- Vg反映微粒特性 - 為離心機(jī)特性 第34頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)15分，星期六p/l=(0) (3.25)-dp/dr=(0) (3.26)2rl=Q (3.27)-dp/dr=0Q/(2r

14、l) (3.28)p=2 (R02-R12)/2 (3.29)Q=(2l/0)(R02-R12)/(R0/Rc) (3.30) C. centrifugal filtration 離心過(guò)濾第35頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)15分，星期六Q=d/dt (3.31)c(R02-Rc2)l=0 (3.32)t=cRc2/2(R02-R12)(R0/Rc)2-1- (R0/Rc) (3.33)t=(0/p)(V/A)2 (3.34)V/A=(c/0)(0V/cA)=(c/0)(R0-Rc) (3.35)t=(c2/0p) (R0-Rc)2 (3.36) 第三種籃式過(guò)濾機(jī)是離心和過(guò)濾方法

15、的結(jié)合。它具有一個(gè)多孔可高速旋轉(zhuǎn)的圓筒 。第36頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)15分，星期六SRBA2 直通籃式過(guò)濾器第37頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)15分，星期六 懸浮液延著圓筒的旋轉(zhuǎn)軸連續(xù)加入，通過(guò)筒壁上的小孔流出 中空柱狀料液的內(nèi)徑基本為一個(gè)常數(shù)，不隨料液的加入而改變 濾餅在筒壁上沉積，濾餅的內(nèi)徑為Rc 為了簡(jiǎn)便起見(jiàn)，假定濾餅為不可壓縮濾餅 分析離心過(guò)濾應(yīng)考慮到固體是通過(guò)液體流過(guò)濾餅進(jìn)行分離 正因如此，該過(guò)程相對(duì)來(lái)說(shuō),更象是2.3章提到的過(guò)濾，而不象離心過(guò)程 我們首先根據(jù)過(guò)濾壓差p和流體通過(guò)濾餅的速度成正比進(jìn)行分析 第38頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20

16、日，15點(diǎn)15分，星期六p/l=(0) (3.25)l-濾餅的厚度 u-料液的粘度a-濾餅的比阻力 p0-單位體積料液所含的濾渣量 第39頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)15分，星期六由于轉(zhuǎn)鼓壁上的濾餅并非平面狀的，壓差沿著半徑方向而改變，故將式改寫(xiě)成為微分方程式 -dp/dr=(0) (3.26)另外，通過(guò)濾餅的流速不是常數(shù)，軸心處流速較高。與過(guò)濾生產(chǎn)能力Q有關(guān) 第40頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)15分，星期六 2rl=Q (3.27) l-離心機(jī)的高度 結(jié)合（3.27）、（3.26）兩式可得 -dp/dr=0Q/(2rl) (3.28)對(duì)壓降進(jìn)行積分為 p=2

17、(R02-R12)/2 (3.29)而在離心力場(chǎng)作用下轉(zhuǎn)鼓壁上的料液層延徑向的壓力為：結(jié)合式（3.28）和（3.29）重新整理后得 Q=(2l/0) (R02-R12) /(R0/Rc) (3.30)為懸浮液的密度 第41頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)15分，星期六 流速不是常數(shù)隨著濾餅厚度的增加而降低，因此Rc也是減小的。這樣Q和Rc都是時(shí)間的函數(shù)。 對(duì)于產(chǎn)生一定體積的濾液所需的時(shí)間有下式成立 Q=d/dt (3.31)第42頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)15分，星期六c(R02-Rc2)l=0 (3.32) Pc單位體積濾餅中固體的質(zhì)量把這些方程和式（3.30）結(jié)合，積分可得濾餅半徑Rc是時(shí)間的函數(shù) t=cRc2/2(R02-R12)(R0/Rc)2-1-(R0/Rc) (3.33) 式（3.33）給出了得到厚度為(R0-Rc)的濾餅所需要的時(shí)間 第43頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)15分，星期六我們可將這個(gè)結(jié)果和平面濾餅進(jìn)行比較。t=(0/p)(V/A)2 (3.