生物分离工程.docx

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生物分离工程

第一讲绪论2学时

一、通过本章学习应该掌握的内容

1、何谓生物分离工程

2、生物分离工程的历史及其应用

3、生物分离工程在生物技术中的地位？

4、生物分离工程的特点

5、生物分离工程可分为几大部分，分别包括哪些单元操作？

6、在设计下游分离过程前，必须考虑哪些问题方能确保我们所设计的工艺过程最为经济、可靠？

二、生物分离工程的发展历史

1、概念：

从微生物、动植物细胞及其生物化学产品中提取有用物质的技术

2、生物分离工程的发展历史已经有几百年的历史了——最早的分离技术有蒸馏、过滤等原始方法

三、ThepositionofBioseparationinBiotechnology（生物分离在生物技术中所占位置）

Bybiotechnology,wemeantheuseofcarefullyculturedmicroorganisms,animalcells,andplantcellstoproduceproductsusefultohumans.

（所谓生物技术就是指利用培养微生物、动物细胞、植物细胞来生产对人有用的产品。

）

Bythisdefinition,biotechnologyisasoldashistory,fortheearliestknowndocument（4228BC）includesadescriptionofbrewingBread;cheese,andyogurtareotherearlyexamplesofproductwhichdependonbiotechnology.（按上述定义，早在公元前4228年就有了应用生物技术酿酒、制奶酪等的记载。

）

Today,werestrictbiotechnologylargelytothoseareaswherechemicallydefinedspeciesareproduced.Underthismorerestricteddefinition,biotechnologyisabout100yearold.（狭义生物技术的产物仅为化学产品，约有100年的历史。

）

Effectivewaystogetusefulproducts（获得产品的有效途径）

（1）Rawmaterials（原料）

（2）pretreatments（预处理）

（3）bioreactions（生物反应）

（4）bioseparations（生物分离）

（5）products（产品工程）

四、生物分离的应用

1、医药：

抗生素、激素、维生素

2、食品：

乳酪

3、化工：

氨基酸

4、精细化工：

化妆品、香料

5、农业：

手性农药

6、生物：

酶

五、生物分离过程的特点

1、产品丰富

Achiefcharacteristicofbiotechnologyisthetremendousvarietyofproductswhichareproduced.Thisdiversityofproductsspawnsthebroadspectrumofseparationmethodsused.（产品的多样性导致分离方法的多样性）

2、mostbioseparationmethodscomefromchemicalseparations（绝大多数生物分离方法来源于化学分离）

3、Bioseparationsaremoredifficultthanchemicalseparations.（生物分离一般比化工分离难度大）

（1）Complexcomponents（成分复杂）

（2）Desiredproductsindilutesuspension（悬液中的目标产物浓度低）

青霉素含量为3.6％，庆大霉素为0.2％，胰岛素仅为0.001％

（3）Biologicalactivity（生物活性）

条件相对温和

（4）Biologicalproductsrequirehighquality（生物产品要求高质量）

（5）Gethighlypurifieddryproducts（获得高纯度的干燥产品）

（6）Sanitation（卫生）

因此，生物分离过程往往成本很高，在某些产品的生产过程中，分离成本可能占到总成本的80％以上

Thustherecoveryandthepurificationprocessesmustbewellconceivedandwelldesigned.（因此必须仔细考虑和设计产品的回收和纯化过程）

Wehavefoundthatourowndesignshavebeenimprovedbyansweringthefollowingquestions:

（设计中应考虑下列问题）

（1）Whatisthevalueoftheproduct?

（产品价值）

（2）Whatisanacceptableproductquality?

（产品质量）

（3）Whereistheproductineachprocessstream?

（产物在生产过程中出现的位置）

（4）Wherearetheimpuritiesineachprocessstream?

（杂质在生产过程中出现的位置）

（5）Whataretheunusualphysicochemicalpropertiesoftheproductandtheprincipalimpurities?

（主要杂质独特的物化性质是什么？

）

（6）Whataretheeconomicsofvariousalternativeseparations?

（不同分离方法的技术经济比较）

Carefulconsiderationofthesequestionscanprovidecluesthatwillleadtooptimalprocessesfortherecoveryofproductsofadequatequalitycoupledwithhighrecoveryandminimumeffort.（上述问题的考虑将有助于优质、高效产物分离过程的优化）

六、生物分离的一般步骤

Fromourexperience,wefindthatmostbioseparationshavefoursimilarsteps:

（生物分离一般分四步）

1、不溶物的去除（固液分离）Removalofinsolubles

filtration、centrifugation、celldisruption（necessarywhenthedesiredproductisintracellular.）

Relativelylittleproductconcentrationorimprovementofproductqualityoccurs.（提高产物浓度和质量）

2、杂质粗分（浓缩）

adsorption-ion-exchang（离子交换吸附）

extraction（萃取）

solventextraction（溶剂萃取）

reversedmicelleextraction（反微团萃取）

supercriticalfluidextraction（超临界流体萃取）

aqueousphaseextraction（双水相萃取）

Thesesteps,whicharerelativelynonspecific,removematerialsofwidelydivergentpropertiescomparedtothedesiredproduct.（以上分离过程不具备特异性，只是进行初分）

Appreciableconcentrationandproductqualityincreasesusuallyoccur.（可提高产物浓度和质量）

3、纯化

chromatography（色谱）

electrophoresis（电泳）

precipitation（沉淀）

Theseprocessingtechnologyarehighlyselectivefortheproductandremoveimpuritiesofsimilarchemicalfunctionalityandphysicalproperties.（以上技术具有产物的高选择性和杂质的去除性）

4、精制

crystallization（结晶）

drying（干燥）

七、本章作业

1、生物分离工程在生物技术中的地位？

2、生物分离工程的特点是什么？

3、生物分离工程可分为几大部分，分别包括哪些单元操作？

4、在设计下游分离过程前，必须考虑哪些问题方能确保我们所设计的工艺过程最为经济、可靠？

第二讲过滤2学时

一、通过本章学习应掌握的内容

1、何谓过滤

2、过滤的基本形式

3、凝聚和絮凝的区别

4、常用的絮凝剂有哪些

5、过滤设备分类

6、常用过滤设备及其特点

二、过滤的基本概念

过滤是在某一支撑物上放过滤介质，注入含固体颗粒的溶液，使液体通过，固体颗粒留下，是固液分离的常用方法之一。

Filtrationseparatessolidfromaliquidbyforcingtheliquidthroughasolidsupportorfiltermedium.Thisisastraightforwardprocedureforwelldefinedcrystals.

三、过滤前物料的前处理

Howeverthesmallsizeofmicroorganismsmakefiltrationoffermentationbeersorotherbiologicalsolutionsconsiderablymorecomplicated.Generally,fermentationbeersandotherbiologicalsolutionsarenotoriouslyhardtofilter.Theyareoftenhardtofilterbecauseofhighnon-Newtonianviscosityorhighlycompressiblecakes.Thatistosay,wemustmodifiedtheseproceduresforbio-separations.

通常发酵液和生物溶液是高粘度的和非牛顿流体，是很难过滤的，为了加快过滤速度，通常可采用以下方法：

1、加热（Heating）——降低液体粘度

2、凝聚和絮凝（Coagulationandflocculation）——在电介质作用下，破坏溶质胶体颗粒表面的双电层，破坏胶体系统的分散状态，使胶体粒子聚集的过程

四、影响凝聚作用的主要因素

Simpleelectrolytesactbyscreeningtheelectrostaticrepulsion,whichcommonlyexistsbetweencolloidalparticles.Whenthiselectrostaticrepulsionisreduced,attractiveLondon-vanderwaalsforcespredominate.Thecolloidscanthencoagulateaslarger,denseparticleswhicharemoreeasilyfiltered.（简单电解质降低胶体间的排斥力。

从而范德华引力起主导作用，聚合成较大的胶粒，粒子的密度越大，越易分离。

）

1、无机盐的种类

2、无机盐的化合价

3、无机盐的用量

常用的凝聚剂有：

Al2（SO4）3.18（H2O），AlCl3.6（H2O），FeCl3，ZnSO4，MgCO3

五、絮凝作用（Flocculation）

概念：

指在某些高分子絮凝剂存在下，在悬浮粒子之间发生架桥作用而使胶粒形成粗大的絮凝团的过程

Syntheticpolyelectrolytesaddedaspretreatmentscanbothreduceelectrostaticrepulsionandadsorbonadjacentparticles,formingbridgesbetweenthem.Asaresult,thecolloidalparticlesflocculateaslarge,lessdenseaggregateswhicharemoreeasilyfiltered.Thesepolyelectrolytescanbeanionic,cationicornonionic.（合成助滤剂既降低静电斥力又吸附周围的微粒，形成桥架作用。

胶粒过大，就发生絮凝，低密度聚合的胶粒，容易过滤。

聚合电解质有阳离子型、阴离子型或非离子型。

六、常用的絮凝剂

1、天然聚合物

多糖类物质、海藻酸钠、明胶等

2、人工合成聚合物

聚丙烯酰胺类衍生物、聚苯乙烯类衍生物、聚丙烯酸类等

七、助滤剂

1、目的：

助滤剂是一种具有特殊性能的细粉或纤维，它能使某些难以过滤的物料变得容易过滤

2、常用的助滤剂：

硅藻土（Diatomaceousearths）

珍珠岩（Perlites）

八、GeneralTheoryforFiltration

FluidmechanicsforfiltrationDarcy’slaw（Darcy方程）forincompressiblecake,simplestcase（适用于不可压缩和简单的可压缩滤饼）forcompressiblecake,commonforbio-separations（普遍使用于生物分离过程。

）

1、Darcy’slaw（达西定律）

•V=k△P/μl（2.1）

•where

V－velocityoftheliquid

•k—proportionalityconstant（usuallycalledtheDarcy’slawpermeabilityofthebed）（K比例常数,过滤床渗透性的达西方程参数））

△P－thepressuredropacrossthebedofthickness（压降）

μ－viscosityoftheliquid（流体粘度）

*当Re<5时达西定律才成立

•Forbatchfiltrationthevelocityis（板框式过滤流速方程）

•V=（1/A）*dV/dt（2.2）

A－filtrationarea（过滤面积）

V－thetotalvolumeoffiltration（滤液总体积）

t－thefiltrationtime（过滤时间）

•有

l/k=Rm+Rc（2.3）

Rm——theresistanceofthefiltermediumRM（过滤介质的阻力）

Rc——theresistanceofaccumulatecakebio-mass（滤饼的阻力）

2、IncompressibleCakes（不可压缩滤饼）

Ifthecakeisincompressible（rigid）,thecakethicknessisdirectlyproportionaltothefilterarea.（不可压缩滤饼厚度正比于过滤的体积）

Asaresultthecake’sresistanceRcis

Rc=αρo（V/A）（2.4）

•where

α－representsthespecificcakeresistance（滤饼的阻力特性）

ρo－themassofcakesolidspervolumeoffiltrate（单位体积滤液含固体滤饼量）

3、Compressiblecake（可压缩的滤饼）

Almostallcakesformedofbiologicalmaterialsarecompressible,andsocannotbedescribedwiththesimpleequationjustoutlined.Asthesecakescompress,filtrationratesdrop.（大多数生物滤饼都可压缩，不能仅用作图法描述，滤饼可压缩，则过滤速度降低）

•α=α’（△P）s

•Where

α’－aconstantrelatedlargelytothesize&shapeoftheparticlesformingthecake.（α’与粒子大小和形状相关）

S－thecakecompressibility

（s是压缩系数）

S=0arigid&highlyincompressiblecake（理想的不可压缩s=0）

S=1ahighlycompressiblecake（高度可压缩s=1）

S=0.1-0.8inpractice（变化范围从0到1）

ValuesofS&α’aremosteasilydeterminedbyplottingthelogarithmofαversusthelogarithmof△Passhowninfig.（2.1）（计算s和α’可用logα对log△P作图）

九、ContinuousRotaryFilter连续旋转式过滤机

Weanalyzetheoperationoftheseunits,afiltrationcycleonthisfilterconsistsofthreechief（过滤有三步组成）

1、cakeformation（滤饼的形成）

2、cakewashingtoremoveeitherorunwantedsolutes（滤饼的洗涤）

3、cakedischarge（滤饼的卸下）

weassumethattheresistanceofthefiltermediumRmisnegligible,sothatwecanuseequation（2.5）（假设滤饼阻力不计），thebasicexpressionforfiltration

（1/A）*dV/dt=△P/（μRc）

initialconditionthat（初始条件是）

t=0v=0

Rc=αρo（V/A）

=α’ρo（V/A）（△P）s

tf=（μαρo/（2△P1-s））*（Vf/A）

tf——thecakeformationtime（滤饼形成时间）

Vf——thevolumeoffiltratecollectedduringthatperiod.（滤液流量）

*cakewashing（滤饼的洗涤）

作用：

（1）First,itdisplaysthesolution-richbrothtrappedinporesinthecake.（将滤饼内发酵液洗出）

（2）Second,itallowsdiffusionofsoluteoutofthebiomassinthecake.Suchdiffusionwillenhancerecovery,ifthedesiredproductisinthebiomass.（扩散出生物有机体，这对目标产物在生物有机体很有用）

八、过滤设备及其结构

过滤设备的分类

根据推动力的不同可分为四类

（a）重力过滤自然过滤

（b）加压过滤板框过滤

（c）真空过滤真空过滤器

（d）离心过滤离心过滤器

九、过滤介质

1、无定形颗粒：

颗粒活性炭、沙、无烟煤

2、成形颗粒：

烧结金属、烧结塑料

3、非金属织物：

尼龙、玻璃纤维

4、金属织物：

不锈钢丝网

5、无纺品：

纸、石棉

十、典型的过滤设备

1、板框压滤机

优点：

结构简单、过滤面积大、操作压力高、适用范围广

缺点：

设备笨重、间歇操作、劳动强度大、辅助时间长

2、旋转过滤机

可实现连续操作

十一、本章作业

1、何谓过滤

2、过滤的基本形式

3、凝聚和絮凝的区别

4、常用的絮凝剂有哪些

5、过滤设备分类

6、常用过滤设备及其特点

第三讲离心与沉降2学时

一、通过本章学习应该掌握的内容

1、何谓沉降

2、沉降与离心的异同

3、沉降与离心的速度方程

4、离心设备可分为哪两大类

5、常用的离心沉降设备有哪些

6、常用的离心过滤设备有哪些

二、离心的概念

Thefirststepinmostindustrialbioseparationsistheremovalofinsolublesolidsfromthefermentationbeer.Theconcentrationandsizeoftheseinsolublesvarieswidely.（生物分离首先去除不溶物）

Thesizerangesfrommicroorganismsofperhaps1umdiameteruptoinsolublenutrientscharacteristically1mmindiameter（粒径从1um的到1mm）

Whentheseinsolublesaredilute,large&rigid,theycanbeeasilyseparatedbyfiltration.Inthepreviouschapter,wedescribedfiltration,includingtheuseoffilteraids.Formanybeers,thesefilteraidsfacilitatefiltration.Forotherbeers,filteraidsareineffective.（不溶物浓度小，粒径大，硬度强时用过滤分离。

使助滤剂过滤分离，对一些发酵液很有用）

Whenthebeersarenoteasilyfiltered,theysometimescanbeseparatedbycentrifugation,whichisthe