第三节
固液分离工程及设备
发酵液的固液分离：过滤和离心分离。 不同性状的发酵液应选择不同的固液分 离方法和设备。 霉菌和放线菌：过滤； 细菌和酵母菌：高速离心机分离；发酵 液采用絮凝和添加助滤剂预处理后，也可 过滤。
一、离心分离 离心机是利用转鼓高速转动所产生的 离心力，来实现悬浮液、乳浊液分离或 浓缩的一类机械。 离心力比重力高几千到几十万倍。
（3）倾析式离心机 倾析式离心机依靠离心力和螺旋的推进 作用自动连续排渣，也称螺旋卸料沉降离 心机。
倾析式离心机结构紧凑、操作连续、 适应性强、应用范围广、维修方便。特别 适用于含固形物较多的液体分离。 但分离因数低，为1500~3000。 不适合于酵母、细菌等微生物悬浮液的 分离。 常用于淀粉精制和废液处理。
2、改善发酵液过滤特性的方法有： 调酸（等电点）、热处理、电解质处理、 添加絮凝剂、添加表面活性剂、添加反应 剂、冷冻-解冻、添加助滤剂等。
一、降低液体粘度 根据流体力学原理，滤液通过滤饼的速率 与液体的粘度成反比，因此，降低液体的粘度 可有效提高过滤速度。 常用的方法：加水稀释和加热。 加水一倍，粘度下降50%以上才有效。 升高温度可有效降低液体粘度，提高过滤 速率；同时，使蛋白质凝聚，形成较大的凝聚 体，进一步改善发酵液的过滤特性。 需控制加热温度和时间。
絮凝效果与以下因素有关： （1）絮凝剂的用量； （2）絮凝剂的相对分子量和类型； （3）溶液的pH值； （4）搅拌速度和时间。 在絮凝过程中，常需要加入一定的 助滤剂以增加絮凝效果。
3、混凝 无机电解质和絮凝剂交叉使用，可以 大大提高絮凝的效果，这种包括凝聚和 絮凝机理的过程，称为混凝。
四、加入助滤剂 助滤剂是一种不可压缩的多孔微粒， 它能使滤饼疏松，滤速增大。 悬浮液中大量的细微胶体粒子被吸附 到助滤剂表面上，改变了滤饼的结构， 使它的可压缩性下降，过滤阻力降低。 硅藻土、纤维素、石棉粉、珍珠岩、 淀粉、活性炭等。
三、其他固液分离方式 1、切向流过滤： 又称错流过滤，悬浮液在过滤介质表面 作切向流动，利用流动的剪切作用将过滤 介质表面的固体（滤饼）移走，当移走固 体的速率等于固体的沉降速率时, 就实现 恒速过滤。 用于膜过滤。
实验室
切向流过滤的缺点： （1）切向流产生的剪切力可使蛋白质类 产物失活。 （2）由于液体大量循环，能耗比其他过 滤高。 （3）固相的含水量高，一般作浓缩用。 （4）不能避免过滤介质的污染和堵塞。 解决的方法是采用脉冲反洗。
二、过滤 过滤的原理是悬浮液通过过滤介质时， 固态颗粒与溶液分离。 按过滤机理，过滤操作可分为澄清过滤 和滤饼过滤两种。
澄清过滤：用硅藻土、活性碳以及金 属、非金属烧结材料等过滤介质，形成过 滤层，当悬浮液通过过滤层时，固体颗粒 被阻拦或吸附在介质上，使滤液澄清。 过滤介质起主要的过滤作用。 适于固体含量低于0.1g/100mL、颗粒直 径在5~100µ m的悬浮液。 麦芽汁、酒类、饮料、饮用水。
过滤式离心机 （1）三足式离心机 （2）刮刀式离心机（手动、自动） （3）锥篮式离心机（立锥、卧锥） （4）卧螺-活塞式离心机 分离原理:过滤型； 进料、卸料为间隙式。
离心机在高速运转(装料转速)时，开始装料， 介质经进料管、布料管至布料盘，在布料盘上获 得足够的离心力而甩至转鼓壁，在离心力作用下 通过滤网将液体滤出，液体(母液)经底盘集液槽 至出液管排出，当滤饼重量(或体积)达到机器额 定装料重量(或容量)时，关闭进料阀，离心机加 速至额定转速，对介质更进一步分离，当达到分 离要求后，离心机低速运转，刮刀装置按规定程 序进行刮料，滤饼从底盘卸料斗落至接料盘或输 送带上，完成一次工作循环。
絮凝剂的分类： （1）有机高分子聚合物：聚丙烯酰胺类衍生 物、聚苯乙烯类衍生物。 （2）无机高分子聚合物：聚合铝盐、聚合铁 盐等。 （3）天然高分子有机物：海藻酸钠、明胶、 骨胶、壳多糖等。
常用的絮凝剂：有机合成的聚丙烯酰胺 类衍生物。 优点：絮凝速度快，絮凝体粗大，用量 小，分离效果好，适用范围广。 缺点：有一定的毒性，特别是阳离子型 聚丙烯酰胺，不宜用于食品及医药工业。 聚丙烯酸类阴离子絮凝剂，无毒，可用 于食品及医药工业。
第二章
第一节 第二节 第三相对纯化 固液分离工程及设备
基本要求： 了解发酵液的特性和固液分离工程及设 备，掌握发酵液相对纯化的方法。 重点： 降低液体粘度的方法；凝聚与絮凝；发 酵液中高价无机离子的除去；杂蛋白的除 去。
预处理的目的：分离除去菌体和其他悬 浮颗粒，同时除去一部分可溶性杂质，改 变滤液的性质，为提取和精制等后道工序 创造有利条件。 胞外产物，预处理时应尽可能使产物转 移到液相，然后用固液分离除去固相。 胞内产物，则应先收集菌体或细胞，经 细胞破碎后，使产物转移到液相，再用固 液分离除去细胞碎片。
离心分离的特点： （1）分离速度快，分离效率高，液相澄 清度好； （2）投资高，能耗大，连续排料时，固 相干度不如过滤设备。 按其工作原理，可分为过滤式离心机和 沉降式离心机。
1、过滤式离心机 在转鼓上开有小孔，有过滤介质，在 离心力作用下，液体穿过过滤介质，经小 孔流出而得以分离。 用于处理固体颗粒较大、固体含量较 高的悬浮液。
2、镁离子的去除 用三聚磷酸钠，形成可溶性络合物。 3、铁离子的去除 用黄血盐，形成普鲁士蓝沉淀。
二、杂蛋白质的去除 常用方法如下： （1）沉淀法 蛋白质在酸性溶液中，与阴离子（三氯 乙酸盐等）形成沉淀； 在碱性溶液中，与阳离子（Ag+、Cu2+、 Zn2+、Fe3+、Pb2+）形成沉淀。
（2）变性法 蛋白质从有规则的排列变成不规则结构 的过程，称为变性。 加热、调pH、有机溶剂或表面活性剂都 能使蛋白质变性。 柠檬酸生产，发酵液加热80℃，蛋白质 变性凝固和降低发酵液粘度。 （3）吸附法 用吸附剂或沉淀剂
（2）管式离心机 也是沉降式离心 机的一种。
分离效率很高，分离因数为1万~60万。 可用于细胞分离，以及细胞碎片、细胞 器、病毒、蛋白质、核酸等生物大分子的 分离。 用于固-液和液-液分离。液-液分离为连 续操作，固-液分离为间歇操作。
管式离心机结构简单、操作稳定，分离 效率高，特别适用于固形物浓度低（低于 1%）的发酵液的分离； 由于转鼓容积小，不能连续工作，生产 能力较小。
滤饼过滤：以滤布为过滤介质，当悬浮 液通过滤布时，固体颗粒被滤布阻拦而逐 渐形成滤饼，当滤饼达到一定厚度时，即 可起过滤作用，可获得澄清的滤液。 悬浮液本身形成的滤饼起主要的过滤作 用。 滤布：天然或合成纤维织布、金属织布、 石棉板、玻璃纤维板、合成纤维等。 适于固体含量大于0.1g/100mL的悬浮液。
滤饼过滤按推动力的不同可分为四种： 重力过滤、加压过滤、真空过滤和离心过 滤。
1、 板框 过滤 机 (p54)
板框过滤机应用于培养基制备以及霉菌、 放线菌、酵母菌和细菌等发酵液的固液分 离。 适于固体含量1%~10%的悬浮液。 优点：结构简单，过滤面积大，过滤的 推动力大，适应不同过滤特性的发酵液过 滤，价低，能耗低。 缺点：间歇操作，劳动强度大，生产效 率低。
二、调整pH（常用方法） pH直接影响发酵液中某些物质的电解 质和电荷性质，适当调节pH值可改善其过 滤特性。 大多数蛋白质的等电点在酸性范围内 （pH4.0-5.5），利用酸性来调节发酵液pH 使之达到等电点，可除去蛋白质等酸性两 性物质。
三、凝聚与絮凝 采用凝聚和絮凝技术能有效改变细胞、 细胞碎片及溶解大分子物质的分散状态， 使其聚结成较大的颗粒，以提高过滤速率； 同时，还能有效地除去杂蛋白质和固体杂 质，提高滤液质量。 工业最常用方法之一。
第二节
发酵液的相对纯化
高价无机离子和杂蛋白质的除去 杂质对产品分离过程的危害： （1）直接影响产品质量和收得率； （2）高价无机离子影响离子交换树脂的生 物交换容量和吸附容量； （3）杂蛋白质产生乳化现象，使两相分离 不清； （4）杂蛋白质使过滤介质堵塞或受污染， 影响过滤速率。
一、高价无机离子的去除 发酵液中主要的无机离子有：Ca2+、 Mg2+和Fe2+等。 主要影响离子交换树脂的交换容量。 1、钙的去除 通常使用草酸以及草酸钠，形成草酸 钙沉淀。 草酸钙还能使蛋白质凝固，改善发酵 液的过滤性能。
2、沉降式离心机 转鼓上无小孔，不需过滤介质，在离心 力作用下，物料按密度的大小不同分层沉 降而得以分离。 用于固-液、液-液和液-液-固分离。
分离依据： （1）相对的密度差 （2）液体的粘度和固体颗粒的形状 （3）离心力大小 （4）液体表面积
（1）碟片式离心机 是沉降式离心机的一种，最广泛使用。 适用于细菌、酵母菌、放线菌等细胞悬 浮液及细胞碎片悬浮液； 分离因数1000~20000； 生产能力较大，最大处理量300m3/h， 一般用于大规模分离过程。
2、絮凝 絮凝：絮凝是指在某些高分子絮凝剂 存在下，基于桥架作用，使胶体粒子形 成较大絮凝团的过程。 絮凝作用是一个高分子聚合物（絮凝 剂）的许多链节分别吸附在不同的胶粒 表面上，产生桥架联接时，形成了较大 的絮团。
絮凝剂是一种能溶于水的高分子聚合物， 其相对分子量可达数万至一千万，具有长 链状结构，其链节上含有许多活性官能团。 通过静电引力、范德华力或氢键的作用， 强烈地吸附在胶粒的表面。 絮凝剂的结构要求： 一方面要求其分子必须含有较多的活性 官能团，使之能和胶体粒子结合； 另一方面要求有长链的线性结构，以便 同时和多个胶体粒子结合。
反离子的价数越高，凝聚值就越小，即 凝聚能力越强。 阳离子对带负电荷的发酵液胶体粒子凝 聚力的次序：
Al3+＞Fe3+＞H+＞Ca2+＞Mg2+＞K+＞Na+＞Li+
常用的凝聚电解质有： 硫酸铝（明矾）Al2(SO2)3.18H20; 氯化铝AlCl3.6H20 ； 三氯化铁FeCl3.6H20 ； 硫酸亚铁FeSO4.7H20； 石灰； ZnSO4; MgCO3等。