第一步往往是將不溶物質從發(fā)酵液

1、第一步往往是將不溶物質從發(fā)酵液第1頁，共46頁，2022年，5月20日，15點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，共46頁，2022年，5月20日，15點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。對于這些濃度較小，粒徑較大，硬度較強的不溶物，我們可以采用過濾方法分離。在前一章中，我們講述了過濾法，包括助濾劑的應用。有些發(fā)酵液中，使用助濾劑有利于過濾分離，而還有一些發(fā)酵液則不行。第3頁，共46

2、頁，2022年，5月20日，15點15分，星期六當發(fā)酵液不易被過濾純化時，我們可以采用離心的方法來分離，這也是這章的主題。與過濾設備相比，離心設備的價格昂貴。但當固體顆粒細小而難以過濾時，離心操作往顯得十分有效。第4頁，共46頁，2022年，5月20日，15點15分，星期六離心分離是基于固體顆粒和周圍液體密度存在差異，在離心場中使不同密度的固體顆粒加速沉降的分離過程，當靜置懸浮液時，密度較大的固體顆粒在重力作用下逐漸下沉，這一過程稱為沉降。由于沉降和離心相似，這兒就放在一塊討論。第5頁，共46頁，2022年，5月20日，15點15分，星期六 離心產(chǎn)生的固體濃縮物和過濾產(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。而過濾可獲得的水分含量較低的濾餅。但是，對大多數(shù)生物發(fā)酵液可以離心但不能有效地過濾分離，所以離心往往是很有效的方法。第6頁，共46頁，2022年，5月20日，15點15分，星期六A. 顆粒的沉降 當一固體微粒通過無限連續(xù)介質時，它的運動速度受兩種力的影響：一是微粒受到因微粒和流體介質間密度不同而產(chǎn)生的浮力作用；二是微粒所受到的流體阻力作用。第7頁，共46頁，2022年，5月20日，15點15分，星期六Fdd=2R球形顆粒沉降的受力情況第8頁，共46頁，2022年，5月20日，15點15分，星期六第9頁，共46頁，2022年，5月20日，15點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密度，kg/m3a 是微粒加速度, m/s2第10頁，共46頁，2022年，5月20日，15點15分，星期六 在稀溶液中，作用于單個球形微粒上的阻力FD，可用Stoks（斯托克斯）定律表示。 FD=3d (3.2)連續(xù)介質粘度是微粒運動速度這個等式僅當球形微粒較小時方能成立。第11頁，共46頁，2022年，5月20日，15點15分，星期六當Re 1 時 Re=d/1時，阻力為 FD=f(2/2)(d2/4) (3.4)f是摩擦因子第12頁，共46頁，2022年，5月20日，15點15分，星期六 當球形粒子在介質

5、中運動時速度較小，因此作用其上的阻力也較小，當阻力與浮力平衡時，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，共46頁，2022年，5月20日，15點15分，星期六此式給出了微粒穩(wěn)定狀態(tài)和最終速度 對于沉降，重力沉降加速度為重力加速度） g=d2(s-)g/(18) (3.6)第14頁，共46頁，2022年，5月20日，15點15分，星期六離心沉降加速度則不同 a=r2 =d2(s-)r2/(18) (3.7) -轉鼓回轉角速度，r/s） r為轉鼓中心軸線與微粒間距離，m第15頁，共46頁，2022年，5月20日，15點15分，星期六B. Cen

6、trifuges 離心機第16頁，共46頁，2022年，5月20日，15點15分，星期六第17頁，共46頁，2022年，5月20日，15點15分，星期六我們先來描述這三種最有用的離心機： a、管式離心機最簡單，可提供較大離心力；管狀離心機可以冷卻，在蛋白質生產(chǎn)中很有利；懸浮液由管底進，澄清液由管口流出。第18頁，共46頁，2022年，5月20日，15點15分，星期六Tubular bowl第19頁，共46頁，2022年，5月20日，15點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行須定時拆卸、清洗，這種間斷性操作也是最大的缺點取不同位置上的典型離子分析第20頁，

7、共46頁，2022年，5月20日，15點15分，星期六R0R1zrLiquid interfacelIdealization of the tubular bowl centrifuge第21頁，共46頁，2022年，5月20日，15點15分，星期六為了便于分析，假設典型粒子位于以下幾種情況：(1) 位于離心機底部Z向上(2) 位于旋轉軸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) 粒子同時在Z 和 r兩個方向上移動 第22頁，共46頁，2022年，5月20日，15點15分，星期六 Z方向的動力來源于離心機底部泵入料液的對流） 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，共46頁，2022年，5月20日，15點15分，星期六方向上運動與半徑r有關dr/dt= d2(s-)r2/(18) (3.9)dr/dt=g(r2/g) (3.10)結合3.8和3.9，得出離心機內部微粒的運動軌跡dr/dz=(dr/dt)/(dz/dt)=g(r2/g)(R02-R12)/Q (3.11)如果g 很大，微粒將很快到達管壁；如果泵入流速Q增大，懸浮固體微粒將向上走得更遠方能到達管壁。對于那些難以到達管壁的微粒分析，在r= R1時進離心機，在r= R0時也不會碰到管壁這時Z

9、=l，對（3.11）積分。第24頁，共46頁，2022年，5月20日，15點15分，星期六 Q=g2l(R02-R12)/g(R0/R1) (3.12)對于大部分管式離心機，這個等式可以簡化，因為R0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)，與離心機無關的量綱是長度的平方，表達離心機函數(shù)與微粒性質無關 ，代表離心機的分離特性。第25頁，共46頁，2022年，5月20日

10、，15點15分，星期六b、 碟片式離心機第26頁，共46頁，2022年，5月20日，15點15分，星期六 這種離心機在生物分離中非常常見，可連續(xù)操作但結構復雜，價格較高。料液由管頂進，清液從加料口附近環(huán)行裂口流出和管式離心機最顯著的區(qū)別在固體即非間歇式的被移出也不通過離心機管壁上的孔連續(xù)的去除填充固體的性質決定離心機類型第27頁，共46頁，2022年，5月20日，15點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內緣半徑料液延碟片間隙向上運動，進入時在R0處，流出時R1處微粒、y向運動，在對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，共46頁，2022年，5月20日，15點15分，星期六 為微粒在離心力作用下的運動速度 為 碟片與垂直方向上的夾角如果=0微粒只在對流作用下運動，等式就與3.8相等 速度 v0 有三個重要特征： (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v0變大，因為流量Q是常數(shù)，半徑變小，流動空間也變小(3) V0是y的函數(shù)，即在碟片表面V0=0第29頁，共46頁，2022年，5月20日，15點15分，星期六0=Q/(2nrl)f(y) （3.16） Q-液體的流量 n- 碟片數(shù) r-微粒與轉鼓軸線間距離 l- 相鄰碟片間隙

12、寬度f(y)- 碟片間流速變化的函數(shù)第30頁，共46頁，2022年，5月20日，15點15分，星期六 液體在y方向上v0的平均速度與其對流速度相等1/l0l0dy=Q/(n2rl) (3.17)1/l0lf(y)dy=1 (3.18)結合方程 Eq .(3.15) &(3.16) 得到dx/dt=0-sin0=Q/(n2rl)f(y) (3.19)因為對流速度要遠大于沉降速度第31頁，共46頁，2022年，5月20日，15點15分，星期六 上式給出了碟片式離心機中的微粒的運動軌跡方程 對難分離的微粒進行研究 這些微粒在碟片外緣進入，此時x=0，y=0 如果在其離開隙道前剛好抵達上碟片底部,其坐

13、標為x=(r0-r)/sin，y=l 第32頁，共46頁，2022年，5月20日，15點15分，星期六微粒在離心力場作用下,將沿碟片底部運動到碟片外邊緣,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）可寫出其定積分方程 第33頁，共46頁，2022年，5月20日，15點15分，星期六 Q=g2n2(R03-R13)cos/(3g)=g (3.24) Vg- Vg反映微粒特性 - 為離心機特性 第34頁，共46頁，2022年，5月20日，15點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 離心過濾第35頁，共46頁，2022年，5月20日，15點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) 第三種籃式過濾機是離心和過濾方法

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

16、日，15點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，共46頁，2022年，5月20日，15點15分，星期六由于轉鼓壁上的濾餅并非平面狀的，壓差沿著半徑方向而改變，故將式改寫成為微分方程式 -dp/dr=(0) (3.26)另外，通過濾餅的流速不是常數(shù)，軸心處流速較高。與過濾生產(chǎn)能力Q有關 第40頁，共46頁，2022年，5月20日，15點15分，星期六 2rl=Q (3.27) l-離心機的高度 結合（3.27）、（3.26）兩式可得 -dp/dr=0Q/(2rl) (3.28)對壓降進行積分為 p=2

17、(R02-R12)/2 (3.29)而在離心力場作用下轉鼓壁上的料液層延徑向的壓力為：結合式（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，共46頁，2022年，5月20日，15點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都是時間的函數(shù)。 對于產(chǎn)生一定體積的濾液所需的時間有下式成立 Q=d/dt (3.31)第42頁，共46頁，2022年，5月20日，15點15分，星期六c(R02-Rc2)l=0 (3.32) Pc單位體積濾餅中固體的質量把這些方程和式（3.30）結合，積分可得濾餅半徑Rc是時間的函數(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)的濾餅所需要的時間 第43頁，共46頁，2022年，5月20日，15點15分，星期六我們可將這個結果和平面濾餅進行比較。t=(0/p)(V/A)2 (3.