第一步往往是将不溶物质从发酵液.ppt
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1、第一步往往是将不溶物质从发酵液现在学习的是第1页,共46页大大部部分分工工业业生生物物分分离离的的第第一一步步往往往往是是将将不不溶溶物物质质从从发发酵酵液液中中除除去去。这这些些不不溶溶性性固固体体的浓度和颗粒大小的变化范围很宽。的浓度和颗粒大小的变化范围很宽。浓浓度度可可高高达达每每单单位位体体积积含含60%的的不不溶溶性性固固体,又可低至每单位体积仅含体,又可低至每单位体积仅含0.1%。现在学习的是第2页,共46页粒粒径径的的变变化化可可以以从从直直径径约约为为1um的的微微生生物,到直径为物,到直径为1mm的不溶性物质。的不溶性物质。对对于于这这些些浓浓度度较较小小,粒粒径径较较大大,
2、硬硬度度较较强强的的不不溶溶物物,我我们们可可以以采采用用过过滤滤方方法法分分离离。在在前前一一章章中中,我我们们讲讲述述了了过过滤滤法法,包包括括助助滤滤剂剂的的应应用用。有有些些发发酵酵液液中中,使使用用助助滤滤剂剂有有利利于于过过滤滤分分离离,而而还还有有一一些些发酵液则不行。发酵液则不行。现在学习的是第3页,共46页当当发发酵酵液液不不易易被被过过滤滤纯纯化化时时,我我们们可可以以采采用用离离心心的的方方法法来来分分离离,这这也也是是这这章章的的主题。主题。与与过过滤滤设设备备相相比比,离离心心设设备备的的价价格格昂昂贵贵。但但当当固固体体颗颗粒粒细细小小而而难难以以过过滤滤时时,离离
3、心心操作往显得十分有效。操作往显得十分有效。现在学习的是第4页,共46页离离心心分分离离是是基基于于固固体体颗颗粒粒和和周周围围液液体体密密度度存存在在差差异异,在在离离心心场场中中使使不不同同密密度度的的固固体体颗颗粒粒加加速速沉沉降降的的分分离离过过程程,当当静静置置悬悬浮浮液液时时,密密度度较较大大的的固固体体颗颗粒粒在在重重力力作作用用下下逐逐渐渐下下沉沉,这这一一过过程程称称为为沉沉降降。由由于于沉沉降降和和离心相似,这儿就放在一块讨论。离心相似,这儿就放在一块讨论。现在学习的是第5页,共46页离离心心产产生生的的固固体体浓浓缩缩物物和和过过滤滤产产生生的的浓浓缩缩不不同同。通通常常
4、情情况况下下离离心心只只能能得得到到一一种种较较为为浓浓缩缩的的悬悬浮浮液液或或浆浆体体。而而过过滤滤可可获获得得的的水水分分含含量量较较低低的的滤滤饼饼。但但是是,对对大大多多数数生生物物发发酵酵液液可可以以离离心心但但不不能能有有效效地地过过滤滤分分离离,所所以以离离心心往往往是很有效的方法。往是很有效的方法。现在学习的是第6页,共46页A.颗粒的沉降颗粒的沉降当当一一固固体体微微粒粒通通过过无无限限连连续续介介质质时时,它它的运动速度受两种力的影响:的运动速度受两种力的影响:一一是是微微粒粒受受到到因因微微粒粒和和流流体体介介质质间间密密度度不不同而产生的浮力作用;同而产生的浮力作用;二
5、是微粒所受到的流体阻力作用。二是微粒所受到的流体阻力作用。现在学习的是第7页,共46页Fdd=2R球形颗粒沉降的受力情况球形颗粒沉降的受力情况现在学习的是第8页,共46页现在学习的是第9页,共46页F FB B=dd3 3(s s-)/6-)/6 a.(3.1)a.(3.1)dd是微粒半径,是微粒半径,是微粒半径,是微粒半径,mms-s-分别为微粒和液体介质密度,分别为微粒和液体介质密度,分别为微粒和液体介质密度,分别为微粒和液体介质密度,kg/mkg/m3 3a a是微粒加速度是微粒加速度是微粒加速度是微粒加速度,m/s,m/s2 2现在学习的是第10页,共46页 在在在在稀稀稀稀溶溶溶溶液
6、液液液中中中中,作作作作用用用用于于于于单单单单个个个个球球球球形形形形微微微微粒粒粒粒上上上上的的的的阻阻阻阻力力力力F FD D,可可可可用用用用StoksStoks(斯托克斯)定律表示。(斯托克斯)定律表示。(斯托克斯)定律表示。(斯托克斯)定律表示。F FD D=3d(3.2)=3d(3.2)连续介质粘度连续介质粘度是微粒运动速度是微粒运动速度是微粒运动速度是微粒运动速度这个等式仅当球形微粒较小时方能成立。这个等式仅当球形微粒较小时方能成立。这个等式仅当球形微粒较小时方能成立。这个等式仅当球形微粒较小时方能成立。现在学习的是第11页,共46页当当Re1时时Re=d/1时,阻力为时,阻力
7、为FD=f(2/2)(d2/4)(3.4)f是摩擦因子是摩擦因子现在学习的是第12页,共46页当当球球形形粒粒子子在在介介质质中中运运动动时时速速度度较较小小,因因此此作作用用其其上上的的阻阻力力也也较较小小,当当阻阻力力与与浮浮力力平平衡衡时时,微微粒粒加加速速度度为为零零。联联立立方方程程3.1和和3.2,得到,得到=d2(s-)a/(18)(3.5)现在学习的是第13页,共46页此式给出了微粒稳定状态和最终速度此式给出了微粒稳定状态和最终速度对对于于沉沉降降,重重力力沉沉降降加加速速度度为为重重力力加加速速度)度)g=d2(s-)g/(18)(3.6)现在学习的是第14页,共46页离心沉
8、降加速度则不同离心沉降加速度则不同a=r2=d2(s-)r2/(18)(3.7)-转鼓回转角速度,转鼓回转角速度,r/s)r为转鼓中心轴线与微粒间距离,为转鼓中心轴线与微粒间距离,m现在学习的是第15页,共46页B.Centrifuges离心机离心机现在学习的是第16页,共46页现在学习的是第17页,共46页我们先来描述这三种最有用的离心机:我们先来描述这三种最有用的离心机:a、管式离心机、管式离心机最简单,可提供较大离心力;最简单,可提供较大离心力;管管状状离离心心机机可可以以冷冷却却,在在蛋蛋白白质质生生产产中中很很有利;有利;悬浮液由管底进,澄清液由管口流出。悬浮液由管底进,澄清液由管口
9、流出。现在学习的是第18页,共46页Tubularbowl现在学习的是第19页,共46页管壁上沉积物为浓浆管壁上沉积物为浓浆可可连连续续加加料料至至流流出出物物固固体体损损失失使使离离心心不不能正常进行能正常进行须须定定时时拆拆卸卸、清清洗洗,这这种种间间断断性性操操作作也也是最大的缺点是最大的缺点取不同位置上的典型离子分析取不同位置上的典型离子分析现在学习的是第20页,共46页R0R1zrLiquidinterfacelIdealizationofthetubularbowlcentrifuge现在学习的是第21页,共46页为为了了便便于于分分析析,假假设设典典型型粒粒子子位位于于以以下下几
10、种情况:几种情况:(1)位于离心机底部位于离心机底部Z向上向上(2)位于旋转轴位于旋转轴r轴向上的微粒轴向上的微粒(3)位位于于液液体体界界面面半半径径r1和和管管心心半半径径r0的的微粒之间微粒之间(4)粒子同时在粒子同时在Z和和r两个方向上移动两个方向上移动现在学习的是第22页,共46页Z方方向向的的动动力力来来源源于于离离心心机机底底部部泵泵入入料料液的对流)液的对流)dz/dt=Q/(R02-R12)(3.8)Q为料液流速为料液流速等式等式3.8表示表示Z方向重力可忽略方向重力可忽略假定离心力很大,假定离心力很大,R1是常数,由是常数,由Z决定决定现在学习的是第23页,共46页方向上运
11、动与半径方向上运动与半径方向上运动与半径方向上运动与半径r r有关有关有关有关dr/dt=ddr/dt=d2 2(s s-)r-)r2 2/(18)(3.9)/(18)(3.9)dr/dt=dr/dt=g g(r(r2 2/g)(3.10)/g)(3.10)结合结合结合结合3.83.8和和和和3.93.9,得出离心机内部微粒的运动轨迹,得出离心机内部微粒的运动轨迹,得出离心机内部微粒的运动轨迹,得出离心机内部微粒的运动轨迹dr/dz=(dr/dt)/(dz/dt)=dr/dz=(dr/dt)/(dz/dt)=g g(r(r2 2/g)(R/g)(R0 02 2-R-R1 12 2)/Q(3.1
12、1)/Q(3.11)如如如如果果果果 g g 很很很很大大大大,微微微微粒粒粒粒将将将将很很很很快快快快到到到到达达达达管管管管壁壁壁壁;如如如如果果果果泵泵泵泵入入入入流流流流速速速速QQ增增增增大大大大,悬浮固体微粒将向上走得更远方能到达管壁。悬浮固体微粒将向上走得更远方能到达管壁。悬浮固体微粒将向上走得更远方能到达管壁。悬浮固体微粒将向上走得更远方能到达管壁。对对对对于于于于那那那那些些些些难难难难以以以以到到到到达达达达管管管管壁壁壁壁的的的的微微微微粒粒粒粒分分分分析析析析,在在在在r=r=R R1 1时时时时进进进进离离离离心心心心机机机机,在在在在r=Rr=R0 0时也不会碰到管
13、壁这时时也不会碰到管壁这时时也不会碰到管壁这时时也不会碰到管壁这时Z=lZ=l,对(,对(,对(,对(3.113.11)积分。)积分。)积分。)积分。现在学习的是第24页,共46页Q=Q=g g 2 2l(Rl(R0 02 2-R-R1 12 2)/g)/g(R(R0 0/R/R1 1)(3.12)(3.12)对对对对于于于于大大大大部部部部分分分分管管管管式式式式离离离离心心心心机机机机,这这这这个个个个等等等等式式式式可可可可以以以以简简简简化化化化,因因因因为为为为R R0 0和和和和R R1 1近近近近似似似似相等相等相等相等(R(R0 02 2-R-R1 12 2)/)/(R(R0
14、0/R/R1 1)=)=(R(R0 0+R+R1 1)(R(R0 0-R-R1 1)/)/1+(R1+(R0 0-R-R1 1)/R/R1 1=2R=2R2 2(3.13)(3.13)R R1 1.ThusEq.(3.12)becomes:R.ThusEq.(3.12)becomes:R是平均粒径是平均粒径是平均粒径是平均粒径Q=Q=g g(2lR(2lR2 2 2 2/g)=/g)=g g(3.14)(3.14)g g为为为为微粒本身的函数微粒本身的函数微粒本身的函数微粒本身的函数,与离心机无关与离心机无关与离心机无关与离心机无关的的的的量量量量纲纲纲纲是是是是长长长长度度度度的的的的平平平
15、平方方方方,表表表表达达达达离离离离心心心心机机机机函函函函数数数数与与与与微微微微粒粒粒粒性性性性质质质质无无无无关关关关,代表离心机的分离特性。代表离心机的分离特性。代表离心机的分离特性。代表离心机的分离特性。现在学习的是第25页,共46页b b、碟片式离心机碟片式离心机碟片式离心机碟片式离心机现在学习的是第26页,共46页这这种种离离心心机机在在生生物物分分离离中中非非常常常常见见,可可连连续续操操作作但但结构复杂,价格较高。结构复杂,价格较高。料液由管顶进,清液从加料口附近环行裂口流出料液由管顶进,清液从加料口附近环行裂口流出料液由管顶进,清液从加料口附近环行裂口流出料液由管顶进,清液
16、从加料口附近环行裂口流出和和和和管管管管式式式式离离离离心心心心机机机机最最最最显显显显著著著著的的的的区区区区别别别别在在在在固固固固体体体体即即即即非非非非间间间间歇歇歇歇式式式式的的的的被被被被移移移移出也不通过离心机管壁上的孔连续的去除出也不通过离心机管壁上的孔连续的去除出也不通过离心机管壁上的孔连续的去除出也不通过离心机管壁上的孔连续的去除填充固体的性质决定离心机类型填充固体的性质决定离心机类型填充固体的性质决定离心机类型填充固体的性质决定离心机类型现在学习的是第27页,共46页假定一固体微粒位于(假定一固体微粒位于(假定一固体微粒位于(假定一固体微粒位于(x x,y y)的位置)的
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