医学专题—第2章-细胞分离与破碎3015.ppt
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1、B i o s e p a r a t i o n e n g i n e e r i n g本章节重点本章节重点:n离心沉降公式的推导(tudo)及应用;n离心设备的分类及工作原理;n细胞破碎一般方法及原理。第一页,共四十五页。B i o s e p a r a t i o n e n g i n e e r i n gn通过微生物发酵或动植物细胞培养得到的原料液,应首先将通过微生物发酵或动植物细胞培养得到的原料液,应首先将其中的菌体或细胞与培养液分离。其中的菌体或细胞与培养液分离。n如果目标产物为胞外物,可直接利用培养液进行以后的分离纯化如果目标产物为胞外物,可直接利用培养液进行以后的分离
2、纯化操作;如果目标产物为胞内物,则要对菌体或细胞进行适当的处操作;如果目标产物为胞内物,则要对菌体或细胞进行适当的处理,释放目标产物,然后除去细胞或其碎片,再进行目标产物的理,释放目标产物,然后除去细胞或其碎片,再进行目标产物的分离纯化。分离纯化。n本章介绍细胞分离、目标产物释放以及蛋白质复性的主要方法本章介绍细胞分离、目标产物释放以及蛋白质复性的主要方法(fngf)和原理。和原理。概述概述(i sh)i sh)第二页,共四十五页。B i o s e p a r a t i o n e n g i n e e r i n g1.1重力沉降重力沉降n重力沉降在化工操作过程中常用重力沉降在化工操作
3、过程中常用(chn yn)的气的气-固、液固、液-固和液固和液-液分离手段,在生物分离过程液分离手段,在生物分离过程中亦有较多的应用中亦有较多的应用1 1 细细胞分离胞分离(fnl)(fnl)第三页,共四十五页。B i o s e p a r a t i o n e n g i n e e r i n gn以液固沉降为例,重力沉降过程中固体颗粒以液固沉降为例,重力沉降过程中固体颗粒(kl)受受到重力、浮力和阻力的作用。到重力、浮力和阻力的作用。阻力阻力(z(zl)l)浮力浮力(fl)(fl)重力重力第四页,共四十五页。B i o s e p a r a t i o n e n g i n e
4、e r i n gn1.滞留区:stokes方程(fngchng)10-4Re1 沉降速度n2.过渡区:Allen公式 1Re103 沉降速度n3湍流区:Newton公式 103Re2105 沉降速度第五页,共四十五页。B i o s e p a r a t i o n e n g i n e e r i n gn一般而言单体细胞直径小、沉降速度很低,满足一般而言单体细胞直径小、沉降速度很低,满足10-4Re1,可使用,可使用 公式计算公式计算n当颗粒浓度较大时,颗粒之间相互碰撞相干扰,影响沉降当颗粒浓度较大时,颗粒之间相互碰撞相干扰,影响沉降速度。此时速度。此时(c sh),颗粒的沉降速度比
5、单一颗粒小,需用空,颗粒的沉降速度比单一颗粒小,需用空隙率函数隙率函数f():校正校正n 为悬浮液的空隙率为悬浮液的空隙率第六页,共四十五页。B i o s e p a r a t i o n e n g i n e e r i n gn 菌体和动植物细胞的重力沉降虽然简便易菌体和动植物细胞的重力沉降虽然简便易行,但菌体细胞体积很小,沉降速度很慢。行,但菌体细胞体积很小,沉降速度很慢。n因此,实用上需使菌体细胞凝聚成较大颗粒因此,实用上需使菌体细胞凝聚成较大颗粒后进行沉降操作,提高沉降速度。在中性盐后进行沉降操作,提高沉降速度。在中性盐的作用下,可使菌体表面双电层排斥电位降的作用下,可使菌体表
6、面双电层排斥电位降低低(jingd),有利于菌体之间产生凝聚,有利于菌体之间产生凝聚。第七页,共四十五页。B i o s e p a r a t i o n e n g i n e e r i n gn另外,向含菌体的料液中加入另外,向含菌体的料液中加入聚丙聚丙烯酰胺烯酰胺或或聚乙烯亚胺聚乙烯亚胺等高分子絮凝等高分子絮凝剂,可使菌体之间产生架桥作用而剂,可使菌体之间产生架桥作用而形成较大的凝聚颗粒。形成较大的凝聚颗粒。n凝聚或絮凝不仅有利于重力沉降,凝聚或絮凝不仅有利于重力沉降,而且而且(r qi)还可以在过滤分离中大大还可以在过滤分离中大大提高过滤速度和质量。当培养液中提高过滤速度和质量。当
7、培养液中含有蛋白质时可使部分蛋白质凝含有蛋白质时可使部分蛋白质凝聚而同时过滤除去。聚而同时过滤除去。第八页,共四十五页。B i o s e p a r a t i o n e n g i n e e r i n g1.2 离心离心(lxn)沉降沉降n 离心沉降是科学研究与生产实践中最广泛使离心沉降是科学研究与生产实践中最广泛使用的非均相分离手段,不仅适用于菌体和细用的非均相分离手段,不仅适用于菌体和细胞的回收或除去,而且可用于血球、胞内细胞的回收或除去,而且可用于血球、胞内细胞器、病毒以及蛋白质的分离也广泛应用胞器、病毒以及蛋白质的分离也广泛应用于液于液-液相分离。液相分离。第九页,共四十五页
8、。B i o s e p a r a t i o n e n g i n e e r i n g1.2.1 离心沉降速度离心沉降速度n单位质量的物质(wzh)所受到的离心力为:其中N为转速,r为离心机半径n离心设备的一个重要技术指标是:所能离心设备的一个重要技术指标是:所能达到的达到的离心力离心力与与重力重力的比值,称为分离因的比值,称为分离因数。分离因数是衡量离心程度的参数数。分离因数是衡量离心程度的参数r用用z表示:表示:第十页,共四十五页。B i o s e p a r a t i o n e n g i n e e r i n gn注意:科技文献中常科技文献中常(zhngchng)将离
9、心操作的条件将离心操作的条件用多少用多少g(如如5000g、8000g等等)表示就是将离心力表示就是将离心力用用Zg形式表达的。将形式表达的。将 stokes公式中的公式中的g用用Zg代替,代替,得到离心沉降速度得到离心沉降速度vs公式:公式:或者:或者:第十一页,共四十五页。B i o s e p a r a t i o n e n g i n e e r i n gn需要注意的一个公式:室温(sh wn)下(20)某物质在水中的沉降系数:一些蛋白质的沉降系数表第十二页,共四十五页。B i o s e p a r a t i o n e n g i n e e r i n g1.2.2 离心
10、分离法离心分离法(1)差速离心分级)差速离心分级n差速离心差速离心(Differential centrifugation)是生物化工是生物化工最常用的离心分离方法。最常用的离心分离方法。n以菌体细胞的收集或除去为目的的固液以菌体细胞的收集或除去为目的的固液离心分离是分级离心操作的一种特殊离心分离是分级离心操作的一种特殊(tsh)情况,即为一级分组分离。情况,即为一级分组分离。第十三页,共四十五页。B i o s e p a r a t i o n e n g i n e e r i n g一些菌体细胞的大小一些菌体细胞的大小(dxi(dxio)o)和离心操作条件和离心操作条件第十四页,共四十
11、五页。B i o s e p a r a t i o n e n g i n e e r i n g第十五页,共四十五页。B i o s e p a r a t i o n e n g i n e e r i n g(2)区带离心区带离心n区带离心是生化工程中的重要分离手段,根据区带离心是生化工程中的重要分离手段,根据(gnj)离心操作离心操作条件不同,又分条件不同,又分差速区带离心差速区带离心和和平衡区带离心平衡区带离心。n两种区带离心法均事先在离心管中用某种低分子溶质两种区带离心法均事先在离心管中用某种低分子溶质(如如蔗糖溶液)调配好密度梯废,在密度梯度之上加待处理的蔗糖溶液)调配好密度梯
12、废,在密度梯度之上加待处理的料液进行离心操作。料液进行离心操作。n两者的区别在于溶质的密度梯度中的与待分离物质的密两者的区别在于溶质的密度梯度中的与待分离物质的密度梯度不一样。度梯度不一样。第十六页,共四十五页。B i o s e p a r a t i o n e n g i n e e r i n gn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,一般仅限于实验室水平。n20世纪60年代(nindi)人们开发了区带转子,利用其代替离心管,可增加处理能力。第十七页,共四十五页。B i o s e p a r a t i o n e n g i n e e r i n g1.
13、2.3.离心分离设备离心分离设备(shbi)n实验室一般用转子离心机。n按速度分为低速离心机、高速离心机、超离心机。第十八页,共四十五页。B i o s e p a r a t i o n e n g i n e e r i n g n工业离心分离设备中,较为常用的有管式和碟片式两大类.n管式离心机工作原理:在离心力作用下管内液面旋转轴为中心圆筒,将轻相(清液)和重相分离开来。缺点是沉降缺点是沉降(chnjing)(chnjing)面积小处理能力较低面积小处理能力较低。第十九页,共四十五页。B i o s e p a r a t i o n e n g i n e e r i n g 一般管式
14、离心机的工作一般管式离心机的工作(gngzu)参数:参数:第二十页,共四十五页。B i o s e p a r a t i o n e n g i n e e r i n gn碟片式离心机又称板式(bnsh)离心机,离心转子中有许多等间隔的碟型分离板,以增大沉降面积和提高处理能力。n操作过程,料液从中心进料口输入,通过转子底部的液孔进入分离板外径处,进入分离板的间隙。通过分离板的间隙向转子中心移动过程中,重相受离心力作用而沉降,轻相从转子上部出口排出。连续操作时,重相从喷嘴连续喷出。n碟片式离心机结构复杂,离心转数一般较管式离心机低。第二十一页,共四十五页。B i o s e p a r a
15、t i o n e n g i n e e r i n g碟片式离心机工作碟片式离心机工作(gngzu)示示意图意图第二十二页,共四十五页。B i o s e p a r a t i o n e n g i n e e r i n g第二十三页,共四十五页。B i o s e p a r a t i o n e n g i n e e r i n gn碟式离心机是立式离心机的一种,转鼓装在立轴上端,通过传动装置由电动机驱动而高速旋转。n转鼓内有一组互相套叠在一起的碟形零件-碟片。碟片与碟片之间留有很小的间隙。悬浮液(或乳浊液)由位于转鼓中心的进料管加入转鼓。当悬浮液(或乳浊液)流过碟片之间的间
16、隙时,固体颗粒(或液滴)在离心机作用下沉降到碟片上形成沉渣(或液层)。n沉渣沿碟片表面滑动而脱离碟片并积聚在转鼓内直径最大的部位,分离后的液体从出液口排出转鼓。碟片的作用是缩短固体颗粒(或液滴)的沉降距离、扩大转鼓的沉降面积(min j),转鼓中由于安装了碟片而大大提高了分离机的生产能力。n积聚在转鼓内的固体在分离机停机后拆开转鼓由人工清除,或通过排渣机构在不停机的情况下从转鼓中排出。第二十四页,共四十五页。B i o s e p a r a t i o n e n g i n e e r i n gn主要特点 1)分离能力强,分离因数在5000-9500之间;2)生产能力大,最高达10米3/
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