细胞破碎与料液分离过程设备.ppt

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第八章细胞破碎与料液分离过程设备,第一节细胞破碎设备,细胞破碎的方法分为机械法和非机械法两类非机械法有酶溶法、化学法、物理法和干燥法等,下面介绍一下机械法中常用的细胞破碎设备。

高速珠磨机珠磨机的工作原理是将进入珠磨机的细胞悬浮液与极细的玻璃珠一起搅拌，由于研磨作用，使细胞破碎，释放出内含物。

高压匀浆器它是由可产生高压的正向排代泵和排出阀组成。

细胞浆液通过止逆阀进入泵内，利用高压使其在排出阀的小孔冲击，并且高速撞击在撞击环上。

细胞在这一系列的高速运动中经历了剪切、碰撞以及高压到常压的变化，从而造成细胞破裂。

超声波振荡器超声波具有频率高、波长短、定向传播等特点，通常在1525KHz的频率下操作。

常用的为电声型，它是由发声器和换能器组成，发生器能产生高频电流，换能器的作用是把电磁振荡转换成机械振动。

超声波振荡器又可分为槽式和探头直接插入介质两种型式，一般破碎效果后者比前者好。

超声波对细胞的破碎作用与液体中空穴的形成有关。

当超声波在液体中传播时，液体中的某一小区域交替重复地产生巨大的压力和拉力。

由于拉力的作用，使液体拉伸而破裂，从而出现细小的空穴。

这种空穴泡受到超声波的迅速冲击而迅速闭合，从而产生一个极为强烈的冲击波压力，由它引起的粘滞性旋涡在悬浮细胞上造成了剪切应力，促使细胞内部液体发生流动，而使细胞破碎。

第二节固液分离设备,生物工业中运用的方法有分离筛、重力沉降、浮选分离、离心分离和过滤等。

最常用的主要是过滤和离心分离。

过滤是迫使液体通过固体支撑物或过滤介质，把固体截留，从而达到固液分离的目的。

离心分离是利用惯性离心力和物质的沉降系数或浮力密度的不同而进行的分离、浓缩等操作。

离心分离对那些固体颗粒很小且黏度很大、过滤速度很慢、甚至难以过滤的悬浮液分离有效，对那些忌用助滤剂的悬浮液的分离，也能得到满意的结果。

一、过滤设备根据过滤机理不同，过滤又可分为澄清过滤和滤饼过滤两种。

（1）澄清过滤当悬浮液通过过滤介质时，固体颗粒被阻拦或吸附在滤层颗粒上，使滤液得以澄清。

所用的过滤介质为硅藻土、砂、颗粒活性碳、玻璃珠、塑料颗粒等，填充于过滤器内即构成过滤层；也有用烧结陶瓷、烧结金属、粘合塑料及用金属丝绕成的管子等组成的成型颗粒滤层。

在澄清过滤中，过滤介质起着主要的过滤作用。

（2）滤饼过滤当悬浮液通过滤介质时，固体颗粒被介质阻拦而形成滤饼，当滤饼积至一定厚度时就起到过滤作用，此时即可获得澄清的滤液。

在滤饼过滤中，过滤介质为滤布，包括天然或合成纤维织布、金属织布，及毡、石棉板、玻璃纤维纸、合成纤维等无纺布。

在滤饼过滤中，悬浮液本身形成的滤饼起着主要的过滤作用。

按照过滤推动力的差别，习惯上把过滤机分为常压过滤机、加压过滤机和真空过滤机三种。

（一）常压过滤机此类过滤机由于推动力太小，在工业中很少用。

但在啤酒厂麦芽糖化的过滤仍采用这种压力差很小的平底筛过滤机。

啤酒麦芽汁中有大量的细小悬浮液以及破碎的大麦皮壳。

后者沉降形成的麦槽层便成了过滤介质层。

麦槽层中形成无数的曲折毛细孔道，只要这些细小的悬浮颗粒在毛细孔道中流速适当，它们就被毛细管壁所捕捉。

（二）加压过滤机1自动板框压滤机旧板框过滤机的缺点是需人工排除滤饼和洗换滤布。

设备笨重，间歇操作，卫生条件差。

然而具有过滤结构简单，单位体积的过滤面积大，装置紧凑等优点。

自动板框过滤机是一种较新型的压滤设备，它使板框的拆装、滤饼的脱落卸出和滤布的清洗等操作都自动进行，大大缩短了间歇时间，并减轻劳动强度,该板框过滤机的板框在构造上与传统的无多大差别，唯一不同是板与框的两边侧上下有四只开孔角耳，构成液体或气体的通路。

滤布不需要开孔，是首尾封闭的。

悬浮液从板框上部的两条通道流入滤框。

然后，滤液在压力的作用下，穿过在滤框前后两侧的滤布，沿滤板表面流入下部通道，最后流出机外。

清洗滤饼也按照此路线进行。

洗饼完毕后，油压机按照既定距离拉开板框，再把滤框升降架带着全部滤框同时下降一个框的距离。

然后推动滤饼推板，将框内的滤饼向水平方向推出落下。

滤布由牵动装置循环行进，并由防止滤布歪行的装置自动修位，同时洗刷滤布。

最后，使滤布复位，重新夹紧，进入下一操作周期。

它存在过滤质量不稳定，消耗大，环境和物料被污染等等的问题。

2硅藻土过滤机硅藻土过滤的特点是，可以不断地添加助滤剂，使过滤性能得到更新、补充，所以过滤能力强。

硅藻土过滤机被广泛用于啤酒生产中的冷凝固物地分离和成熟啤酒地过滤。

它还多用于葡萄酒、清酒及其他含有低浓度细微蛋白质胶体粒子悬浮液地过滤。

其设计的特点是体积小，过滤能力强，操作自动化。

硅藻土过滤机一般分为三种类型：

板框过滤机、叶片式过滤机和柱式过滤机。

（三）真空过滤机1真空转鼓过滤机具有自动化程度高，操作连续，处理量大的特点。

非常适合于固体含量较大（%）的悬浮液的分离。

在发酵工业中，它对霉菌、放线菌和酵母菌发酵液的过滤较有成效。

过滤机把过滤、洗饼、吹干、卸饼等各项操作在转鼓的一周期内依次完成。

这种过滤机的主要元件是转鼓。

其内维持一定的真空度，与外界大气压的压差即为过滤推动力。

在过滤操作时，转鼓下部浸没于待处理的料液中。

当转鼓以低速旋转时（一般为12.6r/min），滤液就穿过过滤介质而被吸入转鼓内腔，而滤渣则被过滤介质阻截，形成滤饼。

当转鼓继续转动，生成的滤饼依次被洗涤、吸干、刮刀卸饼。

2无格式转鼓真空过滤机,其特点是：

没有空格室、整个转鼓内腔都是真空状态、结构简单、单位面积过滤能力大、反吹管与滤液管隔开、洗涤能力强、效率高。

3滤布循环行进式（RCF）转鼓真空过滤机RCF转鼓真空过滤机在普通转鼓式真空过滤机的基础上在其转鼓的表面再安装了一条由转鼓驱动的首尾闭合的滤布带。

在真空过滤区形成的滤饼，依次经过洗涤、吸干、空气反吹等操作程序后，行进的滤布载着吹松的滤饼通过滤饼剥离滚筒，因行进方向的转折，使滤饼脱离滤布。

滤布在行进过程中从正反两方面受到洗刷而再生。

4其它过滤设备生物陶瓷膜过滤器是一种新型的过滤设备。

据WUWeizhong等人报道，该设备在处理富营养水的处理方面作用显著。

它可以有效处理藻类物质，氮化合物，有效降低CODMn值。

二、过滤设备选择与使用,过滤机选用的基本原则1根据物料的过滤性能，初步确定选择哪种推动力的设备2根据处理物料的化学性质，检查所选择的过滤机类型是否正确3根据工艺过程的特点和生产规模可对选择的过滤设备进行筛选4根据对滤饼的纯度或母液回收率等要求来确定过滤机类型5根据对滤饼含湿率的要求，决定是否选用带有机械挤压过程的设备6根据所选择的设备，物料的基本特性数据进行设备生产能力和最佳操作条件的计算，以确定设备的大小，投资费用，操作费用,三、离心分离设备,离心分离可分为三种形式离心沉降、离心过滤和超离心。

（1）离心沉降利用固液两相的相对密度差，在离心机无孔转鼓或管子中进行悬浮液的分离操作；

（2）离心过滤利用离心力并通过过滤介质，在有孔转鼓离心机中分离悬浮液的操作；（3）超离心利用不同溶质颗粒在液体中各种部分分布的差异，分离不同相对密度液体的操作。

前两类设备从其形式来看，主要区别在于前者的转鼓是无孔的，而后者的转鼓是有孔的，并且采用过滤介质，通常采用滤布作为过滤介质。

离心分离是常用的分离发酵液的方法，与压滤相比较，它具有分离速度快，效率高，操作时卫生条件好等优点。

适合于大规模的分离过程。

但是，离心分离的设备投资费用高，能耗较大。

（一）离心沉降1离心沉降原理离心沉降的基础是固体的沉降。

当固体粒子在无限连续流体中沉降时，受到两种力的作用，一种是连续流体对它的浮力，另一种是流体对运动粒子的粘滞力。

当这两种力达到平衡时，固体粒子将保持匀速运动。

沉降速率与粒子直径的平方成正比，与粒子和流体的密度差成正比，而与流体黏度成反比。

就是说，粒子的沉降速度仅仅是液体性质及粒子本身特性的函数。

如果以旋转角速度（弧度/秒）表示，并取旋转加速度与重力加速度之比称为“离心分离因数”，以f表示。

n转数，r/min；，R旋转半径为（m）,离心分离因数是代表离心机特点的重要参数，它表示离心力场的大小。

值越大，离心力越大，即愈有利于分离。

增加转鼓的半径及转数均可以增大分离因数。

2离心沉降设备

（1）瓶式离心机这是一类结构最简单的实验室常用的低、中速离心机，转速一般在3000-6000，其转子常为外摆式。

操作一般在室温下进行，也有配冷却装置的冷冻离心机。

（2）多室式离心机多室式离心机的转鼓内又若干同心圆组成若干同心环状分离室，这样可以加长分离液体的流程，使液层减薄，以增加沉降的面积，减少沉降的距离，同时还具有粒度筛分的作用，悬浮液中的粗颗粒沉降在靠近内部的分离室壁上，细颗粒则沉降到靠近外部的室壁上，澄清的分离液经溢流口或由向心泵排出。

多室式离心机的出渣比较困难，一般在运转一端时间后，待分离液澄清度不符合要求时，停机清理。

这种离心机由37个分离室，离心力强度为2000-8000，处理能力为2.510m3/h。

适合处理直径大于0.1m的颗粒，固相浓度小于5%的悬浮液。

（3）管式离心机为提高分离效果，必须增加颗粒所受的离心力，但是，离心机转速的增加，转鼓直径必须更小，否则，转鼓面所受到的应力对强度极为不利。

转速可达15000-50000r/min，转筒直径为45-150mm。

显然，由于其转筒容量有限，处理量比较小。

管式高速离心机是由转鼓、分离盘、机壳、机架、传动装置等组成。

操作时，将待处理的料液在一定的压力下由进料管经底部中心轴进入鼓底，靠圆形挡板分散与四周，受到高速离心力作用而旋转向上，轻液则位于转筒的中央，呈螺旋形运转，向上移动。

重液相则靠近筒壁，至分离盘时，轻液相则沿轻液孔道进入集液槽后排出收集。

固体则在离心力场的作用下沉积于鼓壁上，达到一定数量后，停机人工除渣。

管式高速离心机设备简单，操作稳定，分离纯度高，可用于液-液分离和微粒较小的悬浮液分离，分离效果也较好，常用于微生物菌体和蛋白质的分离，但生产能力较低。

碟式离心机一般具有坚固的外壳，底部凸出，与外壳铸在一起，壳上有圆锥形盖，由螺帽紧固在外壳上。

壳由高速旋转的倒锥形转鼓带动，其内设有数十片乃至上百片，锥角为到的锥形碟片。

碟片一般用0.8mm的不锈钢或铝制成形。

一般碟片之间的间隙为0.52.5mm。

（4）碟片式离心机,发酵醪由转鼓中心进入高速旋转的转鼓内，因固-液比重不同，在碟片空隙内受到离心力的作用下，将发酵醪分成固液两相。

比重轻的清液有规律地沿碟片的上表面的碟片轴心方向移动，在轻液出口处排出。

而比重大的浓缩物或菌体，则有规律的沿着上一碟片的底表面下滑到碟片外边缘，经转鼓壁上的喷嘴喷出。

从而达到离心分离的目的。

（5）沉降式螺旋卸料离心机这是一种效率高、适应性强，应用广的离心机。

由转鼓和螺旋两个部件组成的。

料液由中心管加入，进料位置约在螺旋的中部，其前面部分为沉降区，后面部分为甩干区。

在离心力作用下，固形物被沉降在转鼓壁上，液体由左侧溢流孔排出，固体则由螺旋从大端推向小端，同时被甩干，落入外壳的排渣口排出。

固体在甩干区可以洗涤。

调节溢流挡板上溢流口的位置、转鼓转速和进料速度可以改变固形物的湿含量和液体的澄清度，生产能力也随着进料速度而改变。

卧式螺旋卸料沉降机式一种全速旋转、连续进料、分离和卸料的离心机，其最大离心力强度可达6000，操作温度可达300，操作压力一般为常压，处理能力范围0.460m3/h，适合处理颗粒粒度为2m5mm、固相浓度为1%50%、固液密度差大于0.05g/cm3的悬浮液。

（二）离心过滤1离心过滤原理离心过滤是将料液送入有孔的转鼓并利用离心力场进行过滤的过程，以离心力为推动力完成过滤作业，兼有离心和过滤的双重作用。

其工作原理见图8-15所示。

以间歇离心过滤为例，料液首先进入装有过滤介质的装鼓中，然后被加速到转鼓旋转速度，形成附着在转鼓壁上的液环，与沉降式离心机一样，粒子受到离心力而沉降，过滤介质阻碍粒子通过，形成滤饼。

接着，悬浮液的固体颗粒截留而沉积下来，滤饼表面生成了澄清液，该滤液透过滤饼层和过滤介质向外排出。

离心过滤一般分成三个阶段。

（1）滤饼