《液固分离》PPT课件.ppt
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1、第二章第二章 液固分离液固分离教学目的教学目的掌握固液分离的方法，重点是离心沉降掌握固液分离的方法，重点是离心沉降的方法与原理。了解离心机、过滤机的方法与原理。了解离心机、过滤机的选用及在生物工业中的应用，了解的选用及在生物工业中的应用，了解固液分离预处理的方法。固液分离预处理的方法。重点和难点重点和难点离心沉降原理和计算，发酵液欲处理的离心沉降原理和计算，发酵液欲处理的方法方法思考题思考题1管式离心机处理能力及影响因素管式离心机处理能力及影响因素2过滤操作方程及其应用过滤操作方程及其应用3离心沉降的方法及原理离心沉降的方法及原理课堂教学设计课堂教学设计课堂讲授与学生自学相结合课堂讲授与学生自
2、学相结合参考书目参考书目1孙彦，生物分离工程，化学工业出版社孙彦，生物分离工程，化学工业出版社2严希康，生化分离工程，华东理工大学出版社严希康，生化分离工程，华东理工大学出版社3欧阳凯，生物下游技术原理，高等教育出版社欧阳凯，生物下游技术原理，高等教育出版社教学时数教学时数2学时学时主要内容2.1发酵液的预处理发酵液的预处理2.2重力沉降重力沉降2.3离心沉降离心沉降2.4过滤过滤2.5双水相萃取双水相萃取2.6泡沫分离泡沫分离通过微生物发酵或动植物培养得到的原料液应通过微生物发酵或动植物培养得到的原料液应首先将其中的菌体或细胞与培养液分离。首先将其中的菌体或细胞与培养液分离。如果目标产物为胞
3、外代谢物则直接对培养如果目标产物为胞外代谢物则直接对培养液进行分离纯化；液进行分离纯化；如果目标产物为胞内代谢产物，要对细胞如果目标产物为胞内代谢产物，要对细胞进行处理，释放目标产物，然后除去细胞进行处理，释放目标产物，然后除去细胞碎片，再进行目标物质的纯化。碎片，再进行目标物质的纯化。（在合适的培养基（在合适的培养基pH、温度和通气搅拌、温度和通气搅拌或经厌氧条件下进行生长并合成生物活或经厌氧条件下进行生长并合成生物活性物质）性物质）（包括菌体、胞（包括菌体、胞外代谢产物或胞外代谢产物或胞内酶或核酸等）内酶或核酸等）固液分离是生物技术工业应用最多的操作。固液分离是生物技术工业应用最多的操作。
4、l可用于分离细胞、细胞碎片、包含体、沉淀物。可用于分离细胞、细胞碎片、包含体、沉淀物。l应用到产品的初级分离阶段、纯化精制阶段应用到产品的初级分离阶段、纯化精制阶段Eg:膜分离常用于层析前后去除膜分离常用于层析前后去除蛋白质沉淀物、病毒颗粒蛋白质沉淀物、病毒颗粒或微生物。或微生物。2.1.1预处理的目的预处理的目的改变发酵液的物理性质，改善流体性能，降改变发酵液的物理性质，改善流体性能，降低滤饼比阻，提高过滤速率。低滤饼比阻，提高过滤速率。使目的产物转相便于后处理（多数是液相）使目的产物转相便于后处理（多数是液相）去除发酵液中的部分杂质，便于后续操作。去除发酵液中的部分杂质，便于后续操作。2.
5、1发酵液的预处理发酵液的预处理l目的产品在发酵液中浓度很低目的产品在发酵液中浓度很低l与许多杂质（溶解的和悬浮的）夹在一起，与许多杂质（溶解的和悬浮的）夹在一起，l发酵液属于非牛顿型流体发酵液属于非牛顿型流体需进行预处理需进行预处理由于由于2.1.2预处理的具体方法预处理的具体方法取决于可分离物质的性质，主要考虑目的物取决于可分离物质的性质，主要考虑目的物质的分子大小、热稳定性、质的分子大小、热稳定性、pH的适应性。的适应性。加热：最简单最经济的预处理方法加热：最简单最经济的预处理方法加热能使液体粘度降低，过滤速度加快。加热能使液体粘度降低，过滤速度加快。该方法只适合于对热较稳定的生化物质，该
6、方法只适合于对热较稳定的生化物质，加热的温度和时间须严加选择。加热的温度和时间须严加选择。调调pHl改变发酵液的胶体状态改变发酵液的胶体状态l使产物转入液相，使产物转入液相，l使杂质（蛋白、多糖、使杂质（蛋白、多糖、Ca2+等）发生沉淀。等）发生沉淀。一般用草酸或无机酸、碱来调节。一般用草酸或无机酸、碱来调节。通常加热和调通常加热和调pH协同作用。协同作用。链霉素生产发酵液预处理时，采用调链霉素生产发酵液预处理时，采用调pH3.0左右，加热至左右，加热至70，维持半小时以凝固蛋，维持半小时以凝固蛋白质，这样可使过滤速度增大白质，这样可使过滤速度增大10100倍，倍，滤液粘度降低为原先的滤液粘度
7、降低为原先的1/6。例例 添加凝聚剂和絮凝剂添加凝聚剂和絮凝剂凝聚与絮凝在预处理中常用于细胞、菌体凝聚与絮凝在预处理中常用于细胞、菌体(胞外产胞外产物物)、细胞碎片、细胞碎片(胞内产物胞内产物)以及蛋白质等胶体粒以及蛋白质等胶体粒子的去除。子的去除。与热处理和加无机电解质相比，作用条件温和，实与热处理和加无机电解质相比，作用条件温和，实验剂量小。验剂量小。1）凝聚作用是指在某些电解质作用下，使扩散双）凝聚作用是指在某些电解质作用下，使扩散双电层的排斥电位电层的排斥电位(即即电位电位)降低，破坏胶体系统降低，破坏胶体系统的分散状态，而使胶体粒子聚集的过程。的分散状态，而使胶体粒子聚集的过程。通常
8、发酵液中细胞或菌体带负电荷，由于静电引通常发酵液中细胞或菌体带负电荷，由于静电引力的作用将溶液中带相反电性的粒子力的作用将溶液中带相反电性的粒子(即正离即正离子子)吸附在周围，在界面上形成了双电层。吸附在周围，在界面上形成了双电层。反离子化合价越高，即凝聚能力越强。反离子化合价越高，即凝聚能力越强。阳离子对带负电荷的胶粒凝聚能力的次序为：阳离子对带负电荷的胶粒凝聚能力的次序为：Al3+Fe3+Ca2+Mg2+K+Na+Li+。常用的凝聚剂有：常用的凝聚剂有：Al2(S04)318H20(明矾明矾)；AlCl36H20；FeCl3；ZnS04；MgC03等等2）絮凝作用是指在某些高分子絮凝剂存在
9、下，）絮凝作用是指在某些高分子絮凝剂存在下，在悬浮粒子之间产生架桥作用而使胶粒形成在悬浮粒子之间产生架桥作用而使胶粒形成粗大的絮凝团的过程。粗大的絮凝团的过程。絮凝剂必须具有长链线状的结构，易溶于水，絮凝剂必须具有长链线状的结构，易溶于水，在长的链节上含有相当多的活性功能团。在长的链节上含有相当多的活性功能团。絮凝剂的功能团强烈地吸附在胶粒的表面上。絮凝剂的功能团强烈地吸附在胶粒的表面上。一个高分子聚合物的许多功能基团分别吸附一个高分子聚合物的许多功能基团分别吸附在不同颗粒的表面上，因而产生架桥联接。在不同颗粒的表面上，因而产生架桥联接。絮凝剂包括各种天然聚合物和人工合成聚合物。絮凝剂包括各种
10、天然聚合物和人工合成聚合物。天然絮凝剂：多糖、海藻酸钠、明胶和骨胶等。天然絮凝剂：多糖、海藻酸钠、明胶和骨胶等。无毒、无毒、使用安全、适于食品或医药。使用安全、适于食品或医药。人工合成的絮凝剂：聚丙烯酰胺类、聚苯乙烯类人工合成的絮凝剂：聚丙烯酰胺类、聚苯乙烯类物和聚丙烯酸类聚合物等。物和聚丙烯酸类聚合物等。某些絮凝剂可能具有一定的毒性，在食品和医某些絮凝剂可能具有一定的毒性，在食品和医药工业的使用中应考虑最终能否从产品中除去。药工业的使用中应考虑最终能否从产品中除去。2.1.3去除杂质的具体方法去除杂质的具体方法无机离子利用沉淀作用无机离子利用沉淀作用钙离子：加草酸或磷酸盐钙离子：加草酸或磷酸
11、盐镁离子：磷酸盐镁离子：磷酸盐铁离子：加黄血盐，生成普鲁士蓝沉淀铁离子：加黄血盐，生成普鲁士蓝沉淀有色物质利用吸附作用有色物质利用吸附作用常用的是离子交换剂、离子交换纤维、常用的是离子交换剂、离子交换纤维、活性碳等材料的吸附法。活性碳等材料的吸附法。如：强碱性阴离子交换剂用于酪蛋白酶或果如：强碱性阴离子交换剂用于酪蛋白酶或果胶酶的脱色。胶酶的脱色。阴离子交换树脂用于谷氨酸发酵液脱色。阴离子交换树脂用于谷氨酸发酵液脱色。可溶性蛋白质可溶性蛋白质(沉淀去除）沉淀去除）发酵液的预处理主要是如何使可溶性蛋白质变性发酵液的预处理主要是如何使可溶性蛋白质变性沉淀除去。沉淀除去。蛋白质的性质和变性机理蛋白质
12、的性质和变性机理1）水溶性蛋白质的胶体体系。亲水胶体形成水化）水溶性蛋白质的胶体体系。亲水胶体形成水化层。层。2）两性电解质。等电点沉淀）两性电解质。等电点沉淀3）强的缓冲体系。消除缓冲作用，达到不可逆变）强的缓冲体系。消除缓冲作用，达到不可逆变性性4）热敏性）热敏性细胞与发酵液分离的方法（细胞与发酵液分离的方法（5种）种）重力沉降、重力沉降、离心分离、离心分离、过滤过滤双水相萃取双水相萃取泡沫分离法泡沫分离法2.2重力沉降重力沉降【自学】【自学】重力沉降设备体积庞大，分离效率低。重力沉降设备体积庞大，分离效率低。具有设备简单，制造容易，能耗低等优点，在具有设备简单，制造容易，能耗低等优点，在
13、食品、发酵，特别是环境工程中得到应用。食品、发酵，特别是环境工程中得到应用。菌体或动植物细胞的重力沉降虽然简单易行，菌体或动植物细胞的重力沉降虽然简单易行，因菌体细胞体积小，沉降速度很慢，不适于应用。因菌体细胞体积小，沉降速度很慢，不适于应用。2.3离心沉降离心沉降离离心心沉沉降降是是科科研研与与生生产产实实践践最最广广泛泛使使用用的的非非均均相相分分离离手段。手段。适用于菌体或细胞的回收或除去，适用于菌体或细胞的回收或除去，用于血球、细胞器、病毒及蛋白质分离，用于血球、细胞器、病毒及蛋白质分离，应用于液液相分离。应用于液液相分离。2.3.1离心沉降速度离心沉降速度重力重力g作用下的沉降作用下
14、的沉降速度速度dP:粒径，粒径，S:颗粒密度，颗粒密度，L：液体密度，：液体密度，L：液体粘度：液体粘度离心力离心力Fc=r2r:粒子的离心半径粒子的离心半径，：旋转角速：旋转角速度，度，N：离心机转速（：离心机转速（s-1)离心沉降速度离心沉降速度旋转角速度旋转角速度=2N2.3.2 沉降系数沉降系数（S)沉降系数沉降系数 S S：是溶剂物性的函数，是溶剂物性的函数，是溶质颗粒浓度的函数（成反比），是溶质颗粒浓度的函数（成反比），是溶质相对分子量的函数（成正比）是溶质相对分子量的函数（成正比）=S2.3.3离心沉降溶质完全沉淀所需的时间离心沉降溶质完全沉淀所需的时间t=ln(R2/R1)S2
15、R1、R2：旋转轴中心到样品液表面：旋转轴中心到样品液表面和离心管底部的垂直距离和离心管底部的垂直距离旋转角速度旋转角速度2NN：离心机：离心机转转数（数（s-1)2.3.4分离因数分离因数Z=42N2r/g是离心力与重力的比值，是离心力与重力的比值，是衡量离心程度的参数是衡量离心程度的参数（r:粒子的离心半径）粒子的离心半径）（差速区带离心和平衡区带离心）（差速区带离心和平衡区带离心）2.3.5离心分离方法（差速离心及区带离心）离心分离方法（差速离心及区带离心）（1）差速离心分离生化工业中最常用分离方法）差速离心分离生化工业中最常用分离方法实际物系的特点、分离目的、分离程度实际物系的特点、分
16、离目的、分离程度（目标产物和其它组分的（目标产物和其它组分的性质及相互作用等）性质及相互作用等）选择适当的操作条件（离心转数和时间）选择适当的操作条件（离心转数和时间）使料液的不同组分得到分级分离使料液的不同组分得到分级分离细胞破细胞破碎液碎液离心离心600g,10min沉降层沉降层/细胞核（细胞核（46m)上清液上清液(细胞膜碎片、线粒体、溶菌细胞膜碎片、线粒体、溶菌体、核糖体、水溶性物质体、核糖体、水溶性物质离心离心(10000g,10min)沉降层沉降层（细胞膜碎片、线（细胞膜碎片、线粒体、溶菌酶）粒体、溶菌酶）上清液上清液（核糖体、水溶性物质（核糖体、水溶性物质）离心（离心（10000
17、0g，3h)上清液上清液(水溶性物质）水溶性物质）沉降层（核糖体）沉降层（核糖体）细胞破碎液的差速离心分离细胞破碎液的差速离心分离（2）区带离心生化研究的重要分离手段）区带离心生化研究的重要分离手段（差速区带离心和平衡区带离心）（差速区带离心和平衡区带离心）l在离心管中用某种低分子溶质（如蔗糖）在离心管中用某种低分子溶质（如蔗糖）调配好密度梯度（从大到小加入），调配好密度梯度（从大到小加入），l在密度梯度之上加待处理的料液在密度梯度之上加待处理的料液l然后进行离心操作。然后进行离心操作。区带离心法可用于蛋白质、核酸等生物大分子区带离心法可用于蛋白质、核酸等生物大分子的分离纯化，但处理量小，一般
18、仅限于实验室的分离纯化，但处理量小，一般仅限于实验室水平。水平。差速区带离心差速区带离心:密度梯度最大的密度密度梯度最大的密度待分离的目标产物密度待分离的目标产物密度.得到纯化的各组分得到纯化的各组分在离心操作中在离心操作中料液中各个组分在密度梯度中以不同的速度沉降料液中各个组分在密度梯度中以不同的速度沉降据沉降系数差别形成各自的区带据沉降系数差别形成各自的区带经过一定时间经过一定时间分别汲取不同的区带分别汲取不同的区带平衡区带离心平衡区带离心平衡区带离心的密度梯度比差速离心的密平衡区带离心的密度梯度比差速离心的密度梯度大。度梯度大。l料液中高分子物质在与自身密度相等的溶剂密度料液中高分子物质
19、在与自身密度相等的溶剂密度处形成稳定的区带。处形成稳定的区带。l区带中的高分子物质浓度以该密度处浓度为中心，区带中的高分子物质浓度以该密度处浓度为中心，呈高斯分布。呈高斯分布。离心的结果离心的结果2.3.6离心分离设备及处理能力离心分离设备及处理能力离心机是生物相关实验室及生物制品生产企业广离心机是生物相关实验室及生物制品生产企业广泛使用的分离设备。泛使用的分离设备。l实验室用离心机以离心管式转子离心机为主，实验室用离心机以离心管式转子离心机为主，为间歇式。为间歇式。一般为冷冻离心机。一般为冷冻离心机。l工业用离心设备一般要求有较大的处理能力并工业用离心设备一般要求有较大的处理能力并连续操作。
20、连续操作。常用的有管式和蝶式两大类。常用的有管式和蝶式两大类。离心机处理能力（一定时间内处理多少料液量）离心机处理能力（一定时间内处理多少料液量）Q=Vg：具具有有面面积积的的单单位位，称称为为离离心心沉沉降降面面积积，是是离离心心机机结结构构和和操操作作条件的函数。条件的函数。L:离心管长离心管长r2:离心机转筒内径离心机转筒内径：旋转角速度：旋转角速度2NN：离心机转数（：离心机转数（s-1)gL r2222=1）管式离心机管式离心机2 2）碟片式离心机）碟片式离心机处理能力处理能力Q=Vg2n(r13-r23)23gtanr1、r2分别为分离板的分别为分离板的外径和内径，外径和内径，n为
21、分离为分离板数，板数，为分离板与旋为分离板与旋转轴的夹角转轴的夹角.2.4 过滤过滤-以压力差为透过推动力以压力差为透过推动力2.4.1过滤速度及过滤基本方程（自学）过滤速度及过滤基本方程（自学）V=P(RC+Rm)P:压力差：滤液粘度RC：滤饼阻力Rm：过滤介质阻力2.4.2传统过滤设备（封头过滤）传统过滤设备（封头过滤）1）板框压滤机）板框压滤机传传统统的的过过滤滤设设备备，至至今今仍仍在在各各个个领领域域广广泛泛应应用，发酵工业中以抗菌素生产厂用得最多。用，发酵工业中以抗菌素生产厂用得最多。结构简单，装配紧凑，过滤面积大；结构简单，装配紧凑，过滤面积大；允允许许采采用用较较大大的的操操作
22、作压压力力，辅辅助助设设备备及及动动力力消消耗耗少少，过滤和洗涤的质量好；过滤和洗涤的质量好；能能分分离离某某些些含含固固形形物物较较少少的的、难难以以过过滤滤的的悬悬浮浮液液或或胶胶体悬浮液，对固形物含量高的悬液也能适用；体悬浮液，对固形物含量高的悬液也能适用；滤饼的含水率低，可洗涤，维修方便；滤饼的含水率低，可洗涤，维修方便；板框压滤机的缺点是设备笨重，间歇操作，装拆板板框压滤机的缺点是设备笨重，间歇操作，装拆板框劳动强度大，占地面积多，辅助时间长，生产效框劳动强度大，占地面积多，辅助时间长，生产效率低率低。2）真空转鼓过滤机真空转鼓过滤机真真空空转转鼓鼓过过滤滤机机在在减减压压条条件件下
23、下工工作作，它它的的变变型型很很多多，最最典典型型和和最最常常用用的的是是外外滤滤面面多多室室式式真空转鼓过滤机。真空转鼓过滤机。真真空空转转鼓鼓过过滤滤机机的的过过滤滤面面是是一一个个以以很很低低转转速速旋旋转转的的、开开有有许许多多小小孔孔的的圆圆筒筒(转转鼓鼓)，面面外外覆覆有有金金属属网网及及滤滤布布，将将此此转转鼓鼓置置于于液液槽槽中中，转转鼓鼓内内部部抽抽真真空空，在在滤滤布布上上即即形形成成滤滤饼饼，滤滤液则经中间的管路和分配阀流出液则经中间的管路和分配阀流出.3）过滤离心过滤离心应用离心力代替压力差作为过滤推动力应用离心力代替压力差作为过滤推动力的分离方法。的分离方法。2.4.
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