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生物科学

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生物工程学

生物分离技术

作者：刘冬

出版社：高等教育出版社出版时间：2007-12-01

所属丛书：全国高职高专教育十一五规划教材

开本： 16开 页数： 211

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版权信息
节选

生物分离技术版权信息

ISBN：9787040227147
条形码：9787040227147 ; 978-7-04-022714-7
装帧：暂无
册数：暂无
重量：暂无
所属分类：
自然科学
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生物工程学

生物分离技术节选

nbsp;   言
    生物分离技术也常称为生物技术下游加工过程，是由一系列的生物分离纯化单元操作技术
组成，各个单元操作技术具有各自的分离理论，．适用于不同的分离纯化阶段。生物分离技术是
生物技术的重要组成部分，其技术水平对于保持和提高各国在生物技术领域的竞争力具有至关
重要的作用。生物分离技术也是高职高专生物技术类专业的必修主干课。本教材是根据2006
年3月在深圳召开的全国高等职业教育生物技术类专业教材审纲会通过的《生物分离技术》编
写大纲编写的。教材编写中，突出高职教育的特点，根据生物技术行业特点介绍职业岗位
(群)技术操作人员所需的知识和对能力的要求，对理论则以能满足实践需要为度，突显技术
的实践性和实用性。
    本教材系统讲述了生物分离过程各种单元操作技术的基本原理、操作技术和重要设备，同
时也介绍了现代生物工程下游技术一些*新应用成果。为便于学习，每一章都列出知识目标、
能力目标和思考题。书后还精选了十一个涵盖生物分离过程各重要操作环节、重要设备和操作
技术的实训项目，供各个学校根据自身条件选用。
    全书共分十三章，刘冬编写**章、第二章、第六章、第十章、第十二章和实训三、实训
七、实训八，王妍编写第三章、第十一章和实训一、实训九、实训十、实训十一，刘柱明编写
第四章、第七章和实训二、实训四，汤文浩编写第五章，徐清华编写第八章、第九章和实训
五、实训六。全书由刘冬统稿，梁世中主审。
    本书在编写过程中，得到了高等教育出版社梁琦、张庆波，深圳职业技术学院应用化学与
生物技术学院李世敏教授的大力支持和帮助，在此表示衷心地感谢。
    由于生物分离技术发展迅速，编者水平有限，内容难免有错漏之处，敬请批评指正。
    编    者
    2007年8月

干燥技术
知识目标
·了解物料干燥基本机理和生物产品干燥的特点。
·理解各种常见加热干燥方法、设备工作原理及特点。
·理解冷冻干燥原理及设备组成和特点。
    >能力目标
    ·能针对待干燥生物物料的性质和产品质量要求选择合适的干燥方法。
    干燥往往是生物产品分离的*后一步。干燥的主要目的是除去某些原料、半成品及成品中
的水分或溶剂，以便于加工、使用、运输、贮藏等。由于许多生物产品，如柠檬酸、酶制剂、
单细胞蛋白、抗生素等均为固体产品，因此干燥操作在生物化工中十分重要。
**节干燥基本原理
一、物料干燥机理
干燥是指通过汽化而除去湿物料中水分的方法。干燥程度与物料中所含水分的存在状态有
关。根据物料中水分除去的难易程度，将其分为游离水分和结合水分。
    游离水分多存在于生物产品的细胞外及多孔物料的毛细管中，它与物料的结合力极弱，
游离水能够在原料中流动，与普通水有相同的蒸气压，在干燥过程中，游离水易于除去。
结合水主要有渗透水分、结构水分等，它与物料的结合力较强，结合水不能随意流动，它有
更高的汽化潜热，比游离水的饱和蒸气压低，这就降低了水气向空气扩散的传质推动力，所
以，结合水比游离水更难以除去。在干燥过程中，首先排除的是结合力较弱的游离水，其次是
结合水。
    固体物料的干燥包括两个过程：一是热量由气体传递给湿物料，使其温度升高；二是物料
内部的水分向表面扩散，并在表面汽化被气流带走。因此，干燥操作属传热传质同时进行的过
程。干燥操作中，常用干燥速度来描述干燥过程，其定义是单位时间内单位干燥面积上所能汽
化的水分量。一般情况下，干燥速度曲线随湿物料与水合结合情况的不同而不同，但干燥速度
曲线的基本形状是相同的。恒定干燥条件下典型的干燥速度曲线如图9—1所示。从图中明显
地看出干燥过程分为两个阶段，图中ABC段为**阶段，若不考虑短暂的预热阶段(即AB
段)，则此阶段的干燥速度基本是恒定的，称为恒速干
燥阶段。cD段表示第二阶段，在这一阶段中，随着物
料湿含量的减少，干燥速度则不断降低，称为降速干
燥阶段。两干燥阶段交点处所对应的湿含量，称为物
料的临界湿含量。
1．恒速干燥阶段
在这一干燥阶段中，由于干燥条件恒定，空气的
温度和湿度不变，则空气的湿球温度不变，又由于物
料表面全部为游离水分所润湿，则湿物料的表面温度
便等于空气的湿球温度，所以，空气温度与湿物料表
面温度的差值维持不变，传热速率恒定，干燥过程在
恒温下进行。另外，恒定干燥条件下，湿物料表面处的水蒸气压等于空气湿球温度下水的饱和
蒸汽压，并且它与空气中的水蒸气分压之差维持恒定，则传质速率恒定，湿物料中的水分能以
恒定速率向空气中传递。可见，恒速阶段的干燥速度取决于物料外部的干燥条件(空气温度、
湿度及流速等)。与物料湿含量无关，与物料类别无关，物料的干燥速度大约等于纯水的汽化
速度这一阶段，主要排除游离水分。
2．降速干燥阶段
物料湿含量降至临界点以后，开始进入降速干燥阶段。在这一阶段中，湿物料表面水分逐
渐减少，表明水分由物料内部向物料表面传递的速率小于湿物料表面水分的汽化速率。物料的
湿含量愈小，水分由物料内部向表面传递的速率就愈慢，干燥速度就愈小。另外，在这一阶段
中，空气传递给湿物料的热量，一部分用于水分的汽化，而剩余的热量，则使物料的温度升
高，因此，干燥的升温下进行。降速干燥阶段的干燥速度主要取决于物料本身的结构、形状及
大小等特性，而与外部的干燥条件关系不大，这一阶段主要排除结合水分。
二、生物产品干燥的特点
生物产品的干燥机理与一般化学工业产品的干燥基本相同，但生物制品特殊的干燥条件往
往不被普通物料的干燥所应用。
    生物制品一般为热敏性物质。物料在干燥过程中温度高或受热时间长，都将影响产品的稳
定性或使产品受到不同程度的破坏，因此，用于生物工业产品干燥的设备必须是快速高效的，
加热温度不宜过高，产品与干燥介质的接触时间不能太长，且干燥产品应保持一定的纯度，在
干燥过程中不得有杂质混入。如酶制剂等细胞蛋白产品的干燥，如果干燥条件不当，会使酶活
力下降，产品质量受到损失。
    一般蛋白酶在45～50℃即开始失活，55℃时失活已非常严重，从物理上讲，当温度升高
时，酶分子上的质点将具有更高的能量，*终将脱离保持蛋白质结构的化学键而失活。有些活
性酶对温度更敏感，在30℃范围内即完全失活。
    干燥过程所引起产物的失活或变质与干燥温度、维持时间、活化能有关。干燥的时间愈
长、温度愈高，产物失活的活化能愈低，则产物变质的可能性愈大。
    这种情况下，采用喷雾干燥、气流干燥、沸腾干燥或冷冻干燥是比较合适的。另外，有些
产品如味精、柠檬酸等结晶状物质，要求干燥过程中，应尽量避免结晶体受到磨损，此时采用
固定床干燥是适宜的。
第二节加热干燥与设备
一、气流干燥与设备
气流干燥是一种连续式高效固体流态化干燥方法。它是利用热的空气与粉状或粒状的湿物
料接触，使水分迅速汽化而获得干燥物料的方法。由于干燥时间很短，气流干燥时间一般为
l～5 s，故又称为瞬间干燥或急骤干燥。气流干燥适用于潮湿分散状态颗粒物料的干燥，如生
物工业中味精、柠檬酸、四环类抗生素等的干燥。
    1．气流干燥的特点
    (1)干燥强度大由于气体在干燥管内流速大，一般为10～20 m／s，气一固间存在一
定的相对速度差，因而固体物料与空气之间产生剧烈的相对运动，使物料表面的气膜不断
更新，大大降低了传热和传质的气膜阻力。一般干燥器全管平均体积传热系数为4 200～
13 000 kJ／(h·℃)。
    (2)干燥时间短物料在干燥管内仅停留1～5 s即可达到干燥要求。因此对于热敏性物
料仍可采用较高的介质温度。如制药厂用140 oC的热空气干燥青霉素，130 ℃热空气干燥四环
素。酶制剂厂利用130℃的热空气干燥淀粉酶，对产品质量均无影响。
    (3)适用性广可使用于各种粉粒状、碎块状物料的干燥，粒径范围约为0．1～10 mm，
湿含量可大至30％～40％。
    (4)设备结构简单，占地面积小，生产能力大例如：味精厂的旋风干燥器，560×
1 370 mm，生粉产量是630 kg／h
    (5)气流干燥对物料有一定的磨损，因此不适合于对晶形有一定要求的物料，且热能利
用程度较低，一般热利用率仅为30％左右。
2．气流干燥器
气流干燥器的类型很多，目前我国常用的可分为长管式气流干燥器，其长度在10～20 m；
短管式气流干燥器，其长度为4 m左右；旋风气流干燥器和短管旋风气流干燥器等。
    典型的气流干燥器是一根几米至十几米的垂直管，物料及热空气从管的下端进入，干燥后
的物料则从顶端排出，进入分离器与空气分离。操作过程中，热空气的流速应大于物料颗粒的
自由沉降速度，此时物料颗粒即以空气流速与颗粒自由沉降速度的差速上升。用于输送空气的
鼓风机可以安装在整个流程的头部，也可装在尾部或中部，这样就可使干燥过程分别在正压、
负压情况下进行。图9—2是长管气流干燥味精的流程。
    二、喷雾干燥与设备
    在工业发酵中对于某些悬浮液和黏滞液体，需要干燥而又不允许较高温度时，例如酶制剂
粉、链霉素粉及其他药品或各种热敏性物料，多采用喷雾干燥方法。