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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
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