生物分离课程2009

1、生物分离工程生物分离工程王振宇王振宇 第一章第一章 概述概述 现代生物技术主要包括发酵技术、细胞培养技术、酶工程、基因工程、蛋白质工程以及分离纯化工程，其中分离纯化技术(separation and purification)是现代生物技术的核心，是决定产品的安全、效力、收率和成本的技术基础。一一.分离纯化技术的重要性分离纯化技术的重要性 分离纯化技术是现代生物技术的核心，这主要与生物产品的特点有关：v 。v v 1.目的产物是浓度低的水溶液，受物理条件或生产条件的限制目的产物是浓度低的水溶液，受物理条件或生产条件的限制培养液是多组分的混合物v生化产物的稳定性差生化产物的稳定性差最终产品的质量

2、要求极高 分分子子大大小小/形形状状 离离心心、 超超滤滤、 分分子子筛筛、 透透析析 溶溶解解度度 盐盐析析、沉沉淀淀、萃萃取取 带带电电性性 沉沉淀淀、吸吸附附、离离子子交交换换 生生物物功功能能特特性性 亲亲和和层层析析、疏疏水水层层析析 二二.分离纯化原理分离纯化原理 加热、加热、pH值、絮凝值、絮凝沉降、离心分离、过滤沉降、离心分离、过滤、冷冻干燥、冷冻干燥、喷雾干燥、结晶喷雾干燥、结晶培养液培养液预处理预处理细胞分离细胞分离细胞破碎细胞破碎细胞碎片分离细胞碎片分离初步纯化初步纯化高度纯化高度纯化成品加工成品加工胞胞外外产产物物三三.分离纯化的基本步骤分离纯化的基本步骤0纯化工艺设计

3、时要注意以下原则:v 。 四四.分离纯化的原则分离纯化的原则v1.技术路线、工艺流程要尽量简单化，减少步骤技术路线、工艺流程要尽量简单化，减少步骤2.采用低成本的材料与设备；采用低成本的材料与设备；v3.采用步骤的次序要合理采用步骤的次序要合理v4.注意时效性注意时效性5.采用成熟技术和可靠设备，尽量不用非标准设备采用成熟技术和可靠设备，尽量不用非标准设备生物分离工程的发展趋势生物分离工程的发展趋势1 1分离纯化理论的研究分离纯化理论的研究v 溶液中目标产物与添加物的反应机理，研制高选择性的分离剂；v 生化分离过程中动力学基础理论的研究v 分离过程数学模型的建立。2 2开发新型高效分离纯化技术

4、开发新型高效分离纯化技术v 采用多种分离纯化技术结合，特别是多种技术联用的方法v 生物技术的下游工程与上游工程结合。 改进上游因素，简化下游加工过程。v 控制培养基及发酵条件。v 生物催化剂的研制。生物分离工程的发展趋势生物分离工程的发展趋势v 溶液中目标产物与添加物的反应机理，研制高选择性的分离剂；v 生化分离过程中动力学基础理论的研究v 分离过程数学模型的建立。v 采用多种分离纯化技术结合，特别是多种技术联用的方法v 生物技术的下游工程与上游工程结合。 改进上游因素，简化下游加工过程。v 控制培养基及发酵条件。v 生物催化剂的研制。1分离纯化理论的研究分离纯化理论的研究2开发新型高效分离纯

5、化技术开发新型高效分离纯化技术第二章第二章 细胞的破碎与分离细胞的破碎与分离第一节 概述 细胞破碎（cell rupture）技术是利用外力破坏细胞膜和细胞壁，使细胞内含物释放出来的技术。 由动、植物及微生物生产的天然产物，有胞外型和胞内型二种，为收回胞内产物，必须先将它们从胞内释放到周围环境中去，然后再进行分离纯化。 特别是DNA重组产品，结构复杂，必须在细胞内组装，获得生物活性，如果被分泌到细胞外，其生物活性就有改变。所以细胞破碎技术就显得非常重要，方法得当，能使活性物质有效的释放出来，方法不得当，使活性物质失活。选择什么样的细胞破碎工艺，主要考虑以下因素： 1)承受剪切力的能力 2)耐酸

6、碱能力 3)耐温度的能力 v细胞壁的坚韧程度细胞壁的坚韧程度;产物的性质产物的性质:机械破碎法：机械破碎法： 1)高压匀浆破碎法 2)高搅拌珠研磨法 3)超声波破碎法非机械破碎法：非机械破碎法： 1)渗透压冲击破碎法 2)冻融破碎法 3)酶解破碎法 4)化学破碎法细胞破碎的方法分：机械破碎法和非机械破碎法。第二节第二节 细胞破碎的方法细胞破碎的方法 利用高压迫使细胞悬液高速通过针型，经过突然减压利用高压迫使细胞悬液高速通过针型，经过突然减压和高速冲击撞击迫使细胞破碎。和高速冲击撞击迫使细胞破碎。 高压匀浆器是由高压匀浆器是由高压泵、针型阀高压泵、针型阀组成。组成。 细胞悬液通过单向阀进入泵体后

7、，高压压迫下细胞悬液通过单向阀进入泵体后，高压压迫下进入针型阀小孔中，通过猛烈撞击阀杆，以高速冲击进入针型阀小孔中，通过猛烈撞击阀杆，以高速冲击在撞击壁上，使细胞破碎，然后流向低压区，通过阀在撞击壁上，使细胞破碎，然后流向低压区，通过阀门时会产生高剪切力。门时会产生高剪切力。高压匀浆破碎法：高压匀浆破碎法：APV APV 高压匀浆器针型阀结构简图高压匀浆器针型阀结构简图阀座阀座撞击杆撞击杆阀杆阀杆压力控制手轮压力控制手轮阀杆阀杆标准阀标准阀细胞破碎阀细胞破碎阀锯齿阀锯齿阀刀型阀刀型阀锥型阀锥型阀球型细胞破碎阀球型细胞破碎阀 1. 1.操作压力操作压力 2. 2.破碎次数破碎次数 3. 3.阀型

8、设计阀型设计 4. 4.温度温度 5. 5.细胞浓度细胞浓度 影响高压破碎的主要因素：影响高压破碎的主要因素：细胞破碎程度一般用蛋白质释放量来确定。细胞破碎率与温度、压力和破碎次数遵循一般动力学定律（Doulach）Ln(1-R)= KNPa R破碎率，蛋白质释放量Rn与最大释放量之比 a与微生物有关的常数 K机械速度常数 N破碎次数 P操作压力第三节第三节 高速搅拌珠研磨破碎法高速搅拌珠研磨破碎法v高速搅拌珠研磨破碎法高速搅拌珠研磨破碎法: : 把玻璃球与细胞一起高速搅拌，带动玻璃球撞击把玻璃球与细胞一起高速搅拌，带动玻璃球撞击细胞，作用于细胞壁的碰撞作用和剪切力使细胞破碎。细胞，作用于细胞

9、壁的碰撞作用和剪切力使细胞破碎。高速搅拌珠研磨机结构示意图高速搅拌珠研磨机结构示意图 电动机电动机驱动皮带驱动皮带轴封轴封珠隔离盘珠隔离盘冷却夹层冷却夹层搅拌盘搅拌盘高速搅拌珠研磨机搅拌盘设计图高速搅拌珠研磨机搅拌盘设计图小切口盘小切口盘大切口盘大切口盘偏口盘偏口盘多孔盘多孔盘杆型搅拌杆型搅拌 1、 分批破碎 2、 连续破碎ln(1-R)=KTln(1-R)=KT R破碎率 T破碎时间 K速率常数v高速搅拌珠研磨破碎法有两个破碎方法：高速搅拌珠研磨破碎法有两个破碎方法：两种工艺细胞破碎动力学都可以用以下公式描述：两种工艺细胞破碎动力学都可以用以下公式描述：: 仓体设计 搅拌盘设计 搅拌速度 研

10、磨珠大小 研磨珠装置 细胞浓度 进料速度 温度 待破碎细胞的种类影响高速搅拌珠研磨机破碎细胞效果的主要因素影响高速搅拌珠研磨机破碎细胞效果的主要因素 垂直仓的研磨介质载量为50%-60%，可以减少珠的磨损，但效率低； 水平仓的研磨介质装载量为80%-85%，研磨效率高，但磨损大。主要是给研磨珠的推动力，搅拌盘与驱动轴有同心的，也有偏心的，有垂直的，也有倾斜的。1.研磨仓为一个密封系统，有垂直和水平两种设计研磨仓为一个密封系统，有垂直和水平两种设计2.搅拌设计：搅拌设计：有无铅玻璃、钢珠和陶瓷珠 研磨珠直径在 0.11.5mm范围。使用研磨珠的大小主要由细胞的大小来决定： 细菌菌体用小的研磨珠，

11、直径0.1mm 酵母菌菌体用大的研磨珠，直径0.5mm另外目标产物在细胞内的位置也影响研磨珠的选择： 用大直径可以有效释放游离在细胞质中的目标产物。在细胞质中的产物，不必把细胞完全破碎；在细胞核中的目标产物须完全破碎，用小直径的珠。3.研磨珠：研磨珠：一般在80%90%之间。 装量太低，提供的碰撞率和剪切力不够，增加装载量提高细胞破碎率，但装载量过大，研磨珠之间产生相互干扰，研磨珠会过度磨损，同时产生的温度会很高，能量消耗大，对目标产物也有影响。 细胞破碎率与流速成细胞破碎率与流速成反比反比关系：关系：Ln(1-R)=K/Q 即流速越高细胞破碎率越低即流速越高细胞破碎率越低。 4.研磨珠的装载

12、量研磨珠的装载量：第四节第四节 超声波破碎法超声波破碎法一、超声波的破碎机理：一、超声波的破碎机理： 目标产物释放动力学遵循一级反应定律：目标产物释放动力学遵循一级反应定律： 1xexp(Kt) x目标产物的释放率目标产物的释放率 K目标产物的释放常数目标产物的释放常数 t超声波处理时间超声波处理时间 K K(P(PP P0 0)/)/ K目标产物的释放常数 P0超声波产生空穴的临界功率 P输入功率 不同细胞种类的常数 理论值为0.8950.9 1、振幅振幅：振幅直接声能有关，影响目标产物的释放量。2、细胞悬浮液的细胞悬浮液的黏度黏度：黏度过大会抑制空穴现象。3、被处理悬浮液的被处理悬浮液的体

13、积体积：体积越大需要的能量也越大。4、珠粒的珠粒的体积和直径体积和直径： 添加细小的珠粒有助于添加细小的珠粒有助于形成空穴形成空穴，同时可以辅助研磨效应。随着珠粒，同时可以辅助研磨效应。随着珠粒直径的变化，目标直径的变化，目标K-K-有最大值出现。有最大值出现。5、探头的材质探头的材质（超声波发射器）（超声波发射器） 一般用钛制造探头，钛具有良好的声学和机械特征，同时对生物活性物质的毒性较低。6、超声波的超声波的破碎时间、温度、细胞种类、破碎时间、温度、细胞种类、pHpH值值 超声波在破碎时，会产生游离基的化学效应，有时可能对目标蛋白带来破坏作用。为解决这个问题可以添加游离基清除剂，如胱氨酸、

14、或吹氢气起还原作用。二、二、影响超声波破碎的主要因素影响超声波破碎的主要因素超声波破碎器的结构超声波破碎器的结构第五节第五节 渗透压冲击破碎法渗透压冲击破碎法一、机理： 1)将细胞放在高渗透压溶中，由于渗透压的作用，细胞内水分向外渗出，细胞收缩。 2)然后快速将细胞转移至低渗透溶液中，由于渗透压的突然变化，胞外的水分迅速渗入胞内，使细胞快速膨胀而破裂。细胞渗透压冲击破碎过程细胞渗透压冲击破碎过程高密度溶液高密度溶液 （蔗糖）（蔗糖）收缩细胞收缩细胞低渗透溶液低渗透溶液（水）（水）细胞破碎细胞破碎细胞渗透压冲击破碎过程细胞渗透压冲击破碎过程 细胞内外渗透压可以用化学平衡的概念来估算，用范荷夫 （

15、Vanthoff）定律来描述:Pout，Pin分别为细胞内外压强，Pa R气体常数（8.314J/molK） T细胞液温度，K C细胞内溶质浓度,一般情况下细胞内溶质浓度为0.3mol/L. PoutPinRTc 化学方法破碎法：化学方法破碎法： 用化学试剂处理细胞可以溶解细胞或部分细胞壁成分，使细胞释放内含物，常用酸或碱，有机溶剂。去垢剂破碎法去垢剂破碎法： 去垢剂主要作用于细胞壁上的脂蛋白成分，去垢剂在低离子强度和适合的pH下与脂蛋白发生作用，结合脂蛋白形成分子团。由于膜结构上脂蛋白被溶解，细胞产生渗透性，使细胞蛋白质流出。 去垢剂分子具有一个亲水基和一个疏水基，既能和水产生结合作用，又能

16、和脂产生结合作用。可以置换亲脂链，可以用来提取膜连接蛋白，首先溶解细胞膜，然后与蛋白质的疏水部位结合。二、应用范围：二、应用范围： 主要用于不具有细胞结构或细胞比较薄的细胞，对细菌、真菌、植物细胞不适用，可用于动物细胞。 第六节第六节 酶溶破壁法酶溶破壁法v酶溶破壁法指的是利用酶解反应，分解细胞壁的特殊酶溶破壁法指的是利用酶解反应，分解细胞壁的特殊连接健，从而破坏细胞壁结构，使细胞内含物释放的连接健，从而破坏细胞壁结构，使细胞内含物释放的方法。方法。v破碎细胞常用的酶主要是从鸡蛋中提取出来的溶菌酶，破碎细胞常用的酶主要是从鸡蛋中提取出来的溶菌酶，也可使用蛋白酶、脂肪酶、纤维素酶。如大花葵色素也

17、可使用蛋白酶、脂肪酶、纤维素酶。如大花葵色素的提取。的提取。第七节第七节 发展趋势发展趋势 在细胞中存在的许多物质中选择性释放目标产物，而使其它物质尽量少的释放出来，并且尽量降低破碎程度。如:在破碎基因重组乙肝表面抗原的酿酒酵母时利用乙肝表面抗原与酵母膜蛋白连接的特性,提取抗原：v用高速搅拌珠研磨器破碎细胞，使其释放可溶性蛋白酶。v将连接有乙肝表面抗原的细胞碎片用离心方法分离出来。v加入非离子去垢剂Trition100提取乙肝抗原。 选择性释放目标产物可遵循以下原则选择性释放目标产物可遵循以下原则：v 当目标产物存在于细胞膜附近时，可采用较温和的办法，如酶溶液破碎法、渗透压冲压法、冻融破碎法。

18、v 当目标产物存在于细胞质内深层部位时，可采取强力的机械破碎法。v 当目标产物处于与细胞膜或细胞壁结合的状态时，调节溶液pH、离子强度或添加与目标产物的亲和性试剂。 选择破碎方法时要考虑以下因素：选择破碎方法时要考虑以下因素： v被破碎细胞的数量和细胞壁的强度v产物对破碎条件的敏感性v要达到破碎所必需的速度 第三章第三章 离心分离技术离心分离技术第一节第一节 概述概述 1924年瑞典生物化学家Theoder设计并制造出相当于地球引力5000倍的离心机。 1926年他以离心沉降分析法测定了马血红蛋白的分子量，并证明了蛋白质具有高分子化合物的形状。同年获得诺贝尔化学奖。 离心分离技术应用领域：离心

19、分离技术应用领域：离心分离离心分离对对固体颗粒小固体颗粒小，黏度大黏度大、过滤速度慢过滤速度慢的液体很有效。的液体很有效。1.核工业中应用离心分离技术分离同位素。核工业中应用离心分离技术分离同位素。2.酿造工业中应用离心分离技术分离葡萄酒或啤酒中的酵母。酿造工业中应用离心分离技术分离葡萄酒或啤酒中的酵母。3.制糖工业中分离蔗糖晶体。制糖工业中分离蔗糖晶体。4.乳品工业中分离牛奶中的奶油乳品工业中分离牛奶中的奶油5.生物制药工业中用离心分离技术分离、提纯蛋白质、抗生素生物制药工业中用离心分离技术分离、提纯蛋白质、抗生素。 离心分离有三种形式离心分离有三种形式：1、离心沉降：利用固液两相的相对密度

20、差、离心沉降：利用固液两相的相对密度差2、离心过滤：利用离心力并通过过滤介质、离心过滤：利用离心力并通过过滤介质3、离心分离和超离心：利用不同溶质颗粒及分子量、离心分离和超离心：利用不同溶质颗粒及分子量 一、原理 1、原理：不同密度或不同大小及形状的物质在重力作用下的沉降速不同，在形成密度梯度液相体系中的平衡位置不同。 当固体粒子在连续液体中沉降时，受二种力的作用：v流体对它的悬浮力v流体对运动粒子的粘滞力第二节第二节 离心沉降离心沉降当这二种力达到平衡时，固体粒子将保持匀速运动，可用如下公式表示（Stockes定律）(把分离物质看成球形)：Fg作用在颗粒上的浮力， s粒子的密度， l流体的密

21、度， g重力加速度， V粒子体积， d粒子直径。 Fg（sl）gVgd3(s1)/6 Ff粘滞力， v粒子的运动速度， 流体粘度。当粒子以匀速运动沉降时，FgFf，浮力粘滞力。如果粒子在离心场中沉降：重力加速度离心加速度。 角速度。由此看出，沉降速度与2成正比，与d2成正比，与粘度成反比。 Ff3dvgd3(s)/63dvg2rv=d2(s)2r/182对离心机的离心强度进行总量评价Fr离心强度，同时还叫离心因数。 Fr越大，越有利于分离。3对离心机进行分离主要按离心强度离心强度进行。 F Fr r30005000050000，高速离心机；，高速离心机； F Fr r2 210104 4101

22、06 6，超速离心机。，超速离心机。Fr2r/g 离心沉降设备包括：离心沉降设备包括： 实验室用瓶式离心机实验室用瓶式离心机 工业用管式工业用管式 多多 室室 式式 碟碟 式式 卧卧 螺螺 式式二、二、离心沉降设备离心沉降设备1 1瓶式离心机瓶式离心机实验室常用的低、中速实验室常用的低、中速离心机，离心机，3000300060006000r/minr/min2 2管式离心机管式离心机 工作原理 分离机由机身、传动装置、转鼓、集液盘、进液轴承座组成。转鼓上部是挠性主轴，下部是阻尼浮动轴承，主轴由联接座缓冲器与被动轮联接，电动机通过传送带，张紧轮将动力传递给被动轮，从而使转鼓绕自身轴线高速旋转，形

23、成强大的离心力场。物料由底部进液口射入，离心力迫使料液沿转鼓内壁向上流动，且因料液不同组分的密度差而分层。2 2管式离心机管式离心机 1）液液分离的连续式管式离心机 2）固液分离的间歇式管式离心机 在多室离心机的转鼓内，有很多同心圆筒，组成同心状的分隔室。 应用范围： 抗菌素的液液分离、抗菌素的液液分离、 果汁果汁 酒类饮料的澄清。酒类饮料的澄清。 多室离心机结构简图多室离心机结构简图3、多室离心机多室离心机 4 4碟片式离心机，碟片式离心机， 结构是由转鼓和锥形碟片组成。锥形碟片的顶角一般在60100度，内装10100个锥形碟片。碟片间距离一般为0.52.5mm。 碟式离心机碟式离心机根据卸

24、渣方式，碟片离心机可分为以下几种。根据卸渣方式，碟片离心机可分为以下几种。是一种间歇式的离心机，当分离澄清度不符合要求时，则需要停机、卸渣。 碟式分离机转鼓及物料流动示意图碟式分离机转鼓及物料流动示意图1）人工排渣的碟片离心机。）人工排渣的碟片离心机。 这种离心式连续式离心机，转鼓双锥形，转周围有很多喷嘴。 应用：多用于浓缩，浓缩比可达5-20倍；用于体积浓度小于25%的液体；用于分离抗生素、酶、氨基酸、微生物、单细胞蛋白、酵母、淀粉、糖蜜等。喷嘴排渣碟式离心机喷嘴排渣碟式离心机2）喷嘴排渣碟片式离心机）喷嘴排渣碟片式离心机 这种离心机利用活门启闭排渣孔进行断续自行排渣。活门在操作时可以上下移

25、动，位置在上时关闭排渣口，位置在下时打开排渣口，排渣时可以不停机。活门排渣碟片式离心机3）活门排渣碟片式离心机）活门排渣碟片式离心机 两种形式：两种形式：立式和卧式立式和卧式 液体从加料孔进入螺旋内筒的进料孔，进入转鼓，沉降到鼓壁液体从加料孔进入螺旋内筒的进料孔，进入转鼓，沉降到鼓壁沉渣由螺旋输出至转鼓小端排出，螺旋与转鼓再一定转速下，同向沉渣由螺旋输出至转鼓小端排出，螺旋与转鼓再一定转速下，同向回转，分离液经转鼓大端排出。回转，分离液经转鼓大端排出。 应用：颗粒度应用：颗粒度2m-5mm 分离：分离：胰岛素、细胞色素、淀粉精致、胰岛素、细胞色素、淀粉精致、 废水处理。废水处理。4）螺旋卸料沉

26、降离心机）螺旋卸料沉降离心机 三、离心沉降的计算三、离心沉降的计算1 1管式离心机管式离心机已知粒子在重力场中的沉降速率沉降速率为：最大流量Q取决于系统的性质g和离心机的特性。系统性质包括： 粘粘度度 s s溶溶质质的的密密度度 液液体体的的密密度度d d颗颗粒粒的的大大小小离离心心机机的的特特性性： 。H H离离心心机机的的高高度度， 转转速速，R R半半径径。gd2g(s)/18Q=g2HR22/g= g 2 2碟片式离心机碟片式离心机Q流量， g沉降速率， n碟片数， 转速。 流量与系统性质及离心机性能有直接关系。sincosR1yxQg2n2 (R2 - R1)cos/3g= g Q=

27、 Q= g g =l =l2 2(R(R0 02 2 +3 R +3 R0 0R R1 1+ 4 R+ 4 R1 12 2)/4g)/4g Q流量， g沉降速率。 当量沉降面积 l料液的轴向长度 3卧螺式离心机卧螺式离心机利用实验室小试数据估算大规模离心设备所需的分离利用实验室小试数据估算大规模离心设备所需的分离能力，放大时首先要注意两点：能力，放大时首先要注意两点：v 转鼓大小及转速限制，转速度设备强度；转鼓大小及转速限制，转速度设备强度；v 实验室大型设备实验与工业规模离心程存在很大差异。实验室大型设备实验与工业规模离心程存在很大差异。四、离心机设备的放大四、离心机设备的放大放大方法有两种

28、：放大方法有两种：1 1等价时间等价时间G Gt t法法 定义等价时间为分离因素和时间的乘积G Gt t=2 2 R R0 0t/gt/g Gt等价时间 R0特征半径 t分离时间 在Gt值测定后，可根据这个值选择具有类似大小的Gt值的大型离心机，这个方法比较简单，粗糙，但在选用新型离心机时比较常用。Gt=2 R0t/g用这种方法选择已有离心机管式离心机：2HR2HR2 2 2 2/g/g碟片式离心机：2n2n2 2 (R (R0 02 2 -R -R1 12 2)cos/3g)cos/3g卧螺式离心机： =l =l2 2(R(R0 02 2 +3 R +3 R0 0R R1 1+ 4R+ 4R

29、1 12 2)/4g)/4g此外，对选择到的离心机，应该具有所需的值，并且符合工程对g和Q的要求。2因子法因子法(当量沉降面积法当量沉降面积法)第三节第三节 离心过滤离心过滤一、离心过滤原理一、离心过滤原理 离心过滤是将料液送入有孔的转鼓并利用离心力场进行过离心过滤是将料液送入有孔的转鼓并利用离心力场进行过滤的过程，以离心力为推动力完成过滤作业，兼有离心和过滤的过程，以离心力为推动力完成过滤作业，兼有离心和过滤的双重作用。滤的双重作用。 R R1 1液体离轴半径液体离轴半径 R Rc c滤饼离轴半径滤饼离轴半径 R R0 0离心机半径离心机半径 R1RcR0离心离心工作工作原理原理图图 离心过

30、滤器是半径为R0的多空圆筒，转鼓内表面铺有一层流动阻力较小的滤布，料液连续进入圆筒，被旋转圆筒甩向内壁，一方面形成料液表面，离心半径为R1,另一方面粒子形成滤饼，离心半径为Rc. 由此得出：Q=Q=2 2 c cH(RH(R0 02 2- R- R1 12 2)/)/0 0ln(Rln(R1 1/R/Rc c) ) Q流量, 粘度, c单位体积滤饼中固体的质量， 0单位体积料液中固体的质量， 滤饼的阻力。 由此看出，随着Rc的减小，滤饼厚度增大，Q减小。离心过滤的计算离心过滤的计算 Q与Rc都是时间函数，滤饼厚度可表示为R0-Rc,则时间为 T= T=c cR Rc c2 2(R(R0 0/R

31、/Rc c) )2 2-1-2ln(R-1-2ln(R0 0/R/Rc c)/2)/22 2(R(R0 02 2- R- R1 12 2) ) 随着粘度的增加，滤饼阻力增大，滤饼固体质量的增加，滤饼厚度的增加，压力的减少及速度的减少，时间增长。 离心过滤的计算离心过滤的计算三、应用：三、应用： 分离乙醇、单细胞蛋白、抗生素、 酶、疫苗、激素、废水处理等等。培养液培养液离心离心细胞细胞离心离心匀浆细胞破碎匀浆细胞破碎匀浆液匀浆液离心离心加入溶解剂加入溶解剂离心离心离心离心超滤超滤透析透析除去絮凝物质除去絮凝物质细胞碎片细胞碎片除去破碎细胞除去破碎细胞除去絮凝物质除去絮凝物质细胞碎片细胞碎片牛生长

32、激素的分离牛生长激素的分离 超离心法根超离心法根据物质的沉降系数、质量和形状沉降系数、质量和形状不同，应用强大的离心力，将混合物中各组分分离，浓缩，提纯的方法称为超离心法。第四节第四节 超离心法超离心法一、超离心技术原理。一、超离心技术原理。 超离心技术中，由于使用离心机类型是无孔转鼓，也属离心沉降，粒子在离心场中进行沉降的基本公式： wd2(s)2r/18 w沉降速率， d粒子直径， s和粒子和流体的密度， 角速度， r粒子至转轴的中心距离。由此看出很久速度与离心力、粒子密度、直径以及介质密度有关。如果粒子在离心场中做匀速直线运动，wdr/dt 结合和式积分，就可以求出粒子从液体表面沉降到离

33、心管某一部位所需要的时间。dr/dtdr/dtd d2 2( (s s)2 2r/18r/18 t t18ln(r18ln(r2 2/r/r1 1)/)/2 2d d2 2( (s s) ) t沉降时间， 悬浮介质的粘度， r1 d粒子直径， s粒子密度， 介质密度， r1从旋转轴心到液体表面的距离， r2从旋转轴心到离心管底部的距离。由此看出，沉降颗粒从液体表面到管的底部所需的时间与介质粘度成正比，而与颗粒直径、角速度、颗粒密度与悬浮介质之差成反比。r1r2二、超离心技术的分类二、超离心技术的分类超离心技术分为两类，制备性超离心和分析性超离心 制备性离心分三种方法： 1）粒子差速离心法 2）

34、一般密度梯度离心法 3）等密度离心法 1.粒子差速离心 粒子差速离心粒子差速离心 （Differential pelleting）方）方法：法：1.逐渐增加离心速度逐渐增加离心速度2.高速与低速交替进行，高速与低速交替进行，使沉降粒子在不同离心速度及使沉降粒子在不同离心速度及不同离心时间内分批分离出不同离心时间内分批分离出来。来。粒子差速离心粒子差速离心悬浮液悬浮液低速离心低速离心上清液上清液高速离心高速离心上清液上清液超速离心超速离心上清液上清液大粒子大粒子小粒子小粒子中粒子中粒子如此如此循环循环2. 2.一般密度梯度离心法一般密度梯度离心法 一般密度梯度离心法一般密度梯度离心法（Densi

35、ty gradient centrifugation）是把要分）是把要分样的样品，铺放在一个连续样的样品，铺放在一个连续的液体密度梯度上，然后进的液体密度梯度上，然后进行离心，是粒子在完全沉降行离心，是粒子在完全沉降之前，液体梯度中形成之前，液体梯度中形成不连不连续的分离区带续的分离区带，前提是要控，前提是要控制号离子分离的时间制号离子分离的时间一般密度梯度离心一般密度梯度离心应用：1.用于具有一部沉降系数差的离子。用于具有一部沉降系数差的离子。2.用于用于DNA-RNA混合物混合物3.蛋白胨和其他细胞成分的分离蛋白胨和其他细胞成分的分离 当不同离子存在密度差时，在离子力场作用下，粒子当不同离

36、子存在密度差时，在离子力场作用下，粒子向上浮起，或向下沉降，一直移动到与它们密度正好向上浮起，或向下沉降，一直移动到与它们密度正好相等的位置上，并形成区带。相等的位置上，并形成区带。 等密度离心法分二种：等密度离心法分二种： 预形成梯度等密度离心预形成梯度等密度离心 自形成梯度等密度离心自形成梯度等密度离心3.等密度离心法等密度离心法预形成梯度等密度离心预形成梯度等密度离心 这种方法需要先制备密这种方法需要先制备密度梯度。度梯度。 常用的梯度介质主要是常用的梯度介质主要是非离子型化合物（如甘非离子型化合物（如甘油等）油等）预形成梯度等密度离心预形成梯度等密度离心自形成梯度等密度离心自形成梯度等

37、密度离心 离心时把离心时把密度均一密度均一的介的介质溶液和样品混合在梯质溶液和样品混合在梯度中进行在分配。离心度中进行在分配。离心达到平衡后，不同密度达到平衡后，不同密度的离子在梯度中各自分的离子在梯度中各自分配到其等密度点的特定配到其等密度点的特定位置上，形成不同的区位置上，形成不同的区带。带。自形成梯度等密度离心自形成梯度等密度离心（二）分析型离心。（二）分析型离心。 主要用于研究纯的大分子或粒子（如核蛋白体）。 分析性离心机配有光学分析系统，来连续的监测物质在离心力场的行为，可以检测物质的纯度、相对分子量和构象变化。相对分子质量的测定大分子纯度的估计检测大分子中构象的变化 1. 1.相对

38、分子质量的测定相对分子质量的测定 借助光学系统，用沉淀速度法可测定沉降系数借助光学系统，用沉淀速度法可测定沉降系数S，在，在再利用沉降系数测定相对分子量。再利用沉降系数测定相对分子量。 S=1/rw2dr/dt w-角速度角速度 r-离子瞬间旋转半径离子瞬间旋转半径 t-时间时间 M=RTS/D(1-V) M-分子量分子量 R-气体常数气体常数 T-热力学温度热力学温度 S-沉降系数沉降系数 D-分子扩散系数分子扩散系数 U-分子的部分容积（分子的部分容积（1克溶质在溶剂所占的体积）克溶质在溶剂所占的体积） -溶剂密度溶剂密度2.大分子纯度的估计 如果纯度很高，会出现单个清晰的沉降界面，如果有

39、如果纯度很高，会出现单个清晰的沉降界面，如果有杂质，在主峰两侧有一些小峰出现。杂质，在主峰两侧有一些小峰出现。3.检测大分子中构象的变化 分子构象上的变化，可以通过检查样品的沉降速度上分子构象上的变化，可以通过检查样品的沉降速度上的差异来证实，分子越是紧密，在溶剂中的摩擦阻力的差异来证实，分子越是紧密，在溶剂中的摩擦阻力越小。分子越不规则，摩擦阻力越大。越小。分子越不规则，摩擦阻力越大。第四章第四章 过滤和超滤过滤和超滤 膜分离技术已被国际上认为是21世纪最有发展前途的技术，甚至会导致工业革命的重大生产技术，是世界各国研究的热点。第一节第一节 概述概述v1748年Abble发现酒精可以从猪膀胱

40、中穿过。v1856年Graha发现了渗透现象，他应用天然膜成了世界上第一个膜渗透器 v20世纪30年代出现了硝酸纤维素超滤膜v60年代出现反渗透膜v70-80年代出现纳米膜v80-90年代出现亲和膜v2000液膜、气膜1.膜分离技术的发展史膜分离技术的发展史目前已用于开发和应用的膜目前已用于开发和应用的膜高分子分离膜高分子分离膜离子交换膜离子交换膜膜吸收膜膜吸收膜无机分离膜无机分离膜气体分离膜气体分离膜液膜液膜新分离膜新分离膜渗透蒸发膜渗透蒸发膜膜蒸馏膜膜蒸馏膜膜膜萃取膜萃取膜 优点： 缺点：操作过程化中膜面容易操作过程化中膜面容易发生污染，膜性能下降；发生污染，膜性能下降；膜的耐药性、耐热性

41、和膜的耐药性、耐热性和耐溶剂能力有限；耐溶剂能力有限； 单独采用膜分离技术时，单独采用膜分离技术时，分离效果一般，往往需分离效果一般，往往需要将膜分离工艺与其它要将膜分离工艺与其它工艺配合使用。工艺配合使用。2.膜分离技术在分离工程中的作用及存在问题膜分离技术在分离工程中的作用及存在问题能耗低；能耗低； 分离条件比较温和，分离条件比较温和，适用于热敏物质的分离；适用于热敏物质的分离； 操作方便结构紧凑，操作方便结构紧凑，自动化程度高。自动化程度高。 膜分离过程是一种物质被透过或截留的过程，依据孔径的大小而达到分离目的 目前人们比较公认的膜分离方法主要有三种：目前人们比较公认的膜分离方法主要有三

42、种： 膜内平均孔径膜内平均孔径 推动力推动力 传递机制传递机制 一、按孔径分类一、按孔径分类0.020.021010m m 微滤微滤0.0010.0010.020.02mm超滤超滤1 13 3nmnm 渗析渗析第二节第二节 膜分离过程膜分离过程 的类型的类型以净压力差为推动力的膜以净压力差为推动力的膜以蒸汽分压差为推动力的膜以蒸汽分压差为推动力的膜以浓度差为推动力的膜以浓度差为推动力的膜以电位差为推动力的膜以电位差为推动力的膜二、按推动力分类：二、按推动力分类： 以静压力差为推动力的膜分离有三种： 微滤（微滤（MF） 超滤（超滤（UF） 反渗透（反渗透（RO）1.以静压力差为推动力的膜分离过程

43、以静压力差为推动力的膜分离过程 以上二种分离过程膜都是微孔状，压力范围在：以上二种分离过程膜都是微孔状，压力范围在： 微滤微滤 0.1105Pa 超滤超滤 0.1106Pa微滤微滤(MF) ：适合于分离微生物、细胞碎片、沉淀物等粒：适合于分离微生物、细胞碎片、沉淀物等粒子范围在微米级的物质，主要用于子范围在微米级的物质，主要用于DNA或病毒的截留和浓缩。或病毒的截留和浓缩。超滤超滤(UF) ：适于分离、纯化和浓缩大分子物质。：适于分离、纯化和浓缩大分子物质。如蛋白质、多糖、抗生素等。如蛋白质、多糖、抗生素等。 一般情况下，溶剂透过膜，进入盐类或糖类溶液，因此渗透压较高，只有提高操作压力，打破溶

44、剂的化学平衡，使反渗透发生，反渗透压力差约为0.21106Pa，主要应用于海水脱盐、超净水设备海水脱盐、超净水设备等，可用于分离乙醇、丁醇、丙酮及浓缩抗生素、氨基酸等。 反渗透反渗透(RO)膜蒸馏：在不同温度下分离两种水溶液的过程。膜蒸馏：在不同温度下分离两种水溶液的过程。 膜蒸馏使用的膜是疏水性的微孔膜，气相透过膜，膜蒸馏使用的膜是疏水性的微孔膜，气相透过膜，液相由于膜的疏水性而不能通过。两个温度在溶液与膜液相由于膜的疏水性而不能通过。两个温度在溶液与膜界面上形成两个不同的蒸气分压界面上形成两个不同的蒸气分压(可应用于溶液脱水浓可应用于溶液脱水浓缩和挥发性有机溶剂的分离，如丙酮、乙醇缩和挥发

45、性有机溶剂的分离，如丙酮、乙醇)，水和有，水和有机溶剂从高温一侧穿过膜并在低温一侧冷凝成一个馏分。机溶剂从高温一侧穿过膜并在低温一侧冷凝成一个馏分。渗透蒸发：也是以蒸气压差为推动力的过程，但是使用渗透蒸发：也是以蒸气压差为推动力的过程，但是使用的是无孔聚合膜。液体能否透过膜取决于它们在膜材料的是无孔聚合膜。液体能否透过膜取决于它们在膜材料中的扩散能力。中的扩散能力。 2.蒸气分压差为推动力的膜分离过程蒸气分压差为推动力的膜分离过程 渗析是一种重要的以浓度差为推动力的膜分离过程，主渗析是一种重要的以浓度差为推动力的膜分离过程，主要应用是血液的脱毒要应用是血液的脱毒(人工肾人工肾)、酶的纯化。、酶

46、的纯化。用透析袋，从样品用透析袋，从样品当中除去无用的低相对分子质量溶质，如果样品中盐和有机当中除去无用的低相对分子质量溶质，如果样品中盐和有机溶剂浓度高，渗透压得结果导致水向渗透袋内迁移，体积增溶剂浓度高，渗透压得结果导致水向渗透袋内迁移，体积增加。加。 电渗析以电位差为推动力，离子在电势的驱动下，通过电渗析以电位差为推动力，离子在电势的驱动下，通过选择性渗透膜，从一种溶液向另一种溶液迁移。选择性渗透膜，从一种溶液向另一种溶液迁移。 浓盐水浓盐水 NaCl Cl NaNaCl Cl Na Cl Cl NaCl Na 脱盐水脱盐水 以浓度差为推动力的膜分离过程以浓度差为推动力的膜分离过程电位差

47、为推动力的膜分离过程电位差为推动力的膜分离过程 一、膜的定义和类型一、膜的定义和类型 1.膜的定义。膜的定义。 在一定流体相中，有一薄层凝聚相物质，把流体相在一定流体相中，有一薄层凝聚相物质，把流体相分割成二部分，这一薄层物质为膜。膜的厚度在分割成二部分，这一薄层物质为膜。膜的厚度在0.5mm以下，膜可以是完全可透性的，也可以是半透性的，但以下，膜可以是完全可透性的，也可以是半透性的，但不能是完全不透的。不能是完全不透的。第三节第三节 膜及其组件膜及其组件2. .膜的类型膜的类型: 有孔膜和无孔膜。 微滤膜。孔径在0.05m10m之间。 膜对称性，微滤膜的厚度是对称的，孔的大小是一样的，超滤膜

48、和反渗透膜是不对称的。 3. .膜材料膜材料膜是由多种聚合物制成的如：聚偏氟乙烯（PVDF）、聚丙烯、硝酸纤维、醋酸纤维。 反渗透膜：主要用纤维材料，也有使用聚酰、聚酰氨。第三节第三节 膜及其组件膜及其组件 主要有平板式、螺旋卷式、管式、毛细管式、中空纤维式，见图。螺旋卷式螺旋卷式管式管式中空纤维式中空纤维式二、膜的组件。二、膜的组件。 当料液沿着膜的切线方向流过时，在料液的进出口两端会产当料液沿着膜的切线方向流过时，在料液的进出口两端会产生压力差生压力差P， Pi进口压力，进口压力， Po出口压力。出口压力。 C常数，常数， 粘度，粘度， L管道长度，管道长度， d直径。直径。 进口进口.

49、. . . . . . . . 出口出口 . . . . . . . . . 第四节第四节 压力特性压力特性PPiPoPC1LVs/d2=C2lQ/d4 浓差极化：由于水透过膜，使得膜表面的溶质浓度增高，浓差极化：由于水透过膜，使得膜表面的溶质浓度增高，形成梯度，膜表面形成溶质浓度分布层，存在对水的透形成梯度，膜表面形成溶质浓度分布层，存在对水的透过有阻碍。过有阻碍。浓差极化示意图浓差极化示意图进口进口出口出口超滤液超滤液 边界分布层边界分布层 极化边界的产生极化边界的产生 第五节第五节 浓差极化浓差极化 膜分离过程中最大的问题就是膜组件的效能下降，即膜分离过程中最大的问题就是膜组件的效能下降

50、，即时效变化。时效变化。 膜污染：随着操作时间的增加，膜透过流速的迅速下膜污染：随着操作时间的增加，膜透过流速的迅速下降，溶质的截留率也明显下降，这被成为膜污染降，溶质的截留率也明显下降，这被成为膜污染第六节第六节 膜的污染膜的污染 1.膜的劣化。膜的劣化。 2.水生物污垢水生物污垢 膜污染包括如下几个方面：膜污染包括如下几个方面：主要由膜本身的质量变化引起的，这种质量变化是不可逆的。主要由膜本身的质量变化引起的，这种质量变化是不可逆的。化学性劣化，由水解、氧化造成；化学性劣化，由水解、氧化造成；物理性劣化，挤压造成透过阻力增大；物理性劣化，挤压造成透过阻力增大；生物性劣化，处理液中微生物引起

51、的，生物性劣化，处理液中微生物引起的，或者是代谢产物引起的化学性劣化。或者是代谢产物引起的化学性劣化。 悬浊物、溶解性高分子物质、悬浊物、溶解性高分子物质、水水 锈锈或难溶性物质，或难溶性物质，形成吸附层和堵塞。形成吸附层和堵塞。防止膜污染的方法：防止膜污染的方法：1.预处理法预处理法调整供给液的调整供给液的pH值、添加抗氧化剂、清除值、添加抗氧化剂、清除 处理液中的微生物。处理液中的微生物。2.开发抗污染膜开发抗污染膜开发耐老化、不引起污垢的膜组件。开发耐老化、不引起污垢的膜组件。3.加大处理液的流速，防止形成凝结层加大处理液的流速，防止形成凝结层 一，过滤原理：一，过滤原理： 液体中的杂质

52、主要通过液体中的杂质主要通过3种过滤除去：种过滤除去： 1.直接拦截直接拦截 2.惯性冲撞惯性冲撞 3.扩散拦截扩散拦截第七节第七节 膜过滤理论膜过滤理论1. 1.直接拦截直接拦截 当物料通过膜时，大于或等于膜孔径的颗粒不能穿过，当物料通过膜时，大于或等于膜孔径的颗粒不能穿过，受到膜的拦截。（直接拦截的本质是一种筛分效应，受到膜的拦截。（直接拦截的本质是一种筛分效应，属于机械拦截作用）属于机械拦截作用）2. 2.惯性冲击惯性冲击 物料中小于膜孔径的材料，由于自身理化性质和线速度，撞物料中小于膜孔径的材料，由于自身理化性质和线速度，撞击并吸附在膜上面。击并吸附在膜上面。 其机理是：其机理是：膜表

53、面的电荷与物料中的小粒子所带的电荷不同膜表面的电荷与物料中的小粒子所带的电荷不同。 大多数颗粒都带负电，如细菌，支原体，病毒，酵母蛋白质。大多数颗粒都带负电，如细菌，支原体，病毒，酵母蛋白质。而膜在水溶液当中都产生正电，是带负电的粒子接触到带正而膜在水溶液当中都产生正电，是带负电的粒子接触到带正电的膜时，由于吸附而被截留。电的膜时，由于吸附而被截留。3. 3.扩散截留扩散截留物料中微小的颗粒通过滤膜的弯曲通道时，微小的颗物料中微小的颗粒通过滤膜的弯曲通道时，微小的颗粒的布朗运动，使小颗粒从流体中游离出来。粒的布朗运动，使小颗粒从流体中游离出来。许多学者想通过膜通量，找出系统操作参数，许多学者想

54、通过膜通量，找出系统操作参数，建立物理特征函数，建立一个模型，建立物理特征函数，建立一个模型，但大部分都不理想。但大部分都不理想。只有只有Hagan-poiseuille的膜通量定律得到公认的膜通量定律得到公认。J膜渗透通量，膜渗透通量，m膜表面孔隙度，膜表面孔隙度，d孔径，孔径，粘度，粘度，l孔长度（膜厚度），孔长度（膜厚度），P膜两侧压差。膜两侧压差。为了表征一张膜的渗透性，引入水力阻力为了表征一张膜的渗透性，引入水力阻力W,J=P/W Hagan-poiseuille的膜通量定律的膜通量定律J=md2P/32L其他模型其他模型 质量传递模型质量传递模型 管状收缩模型管状收缩模型 冲刷模型

55、冲刷模型 综合模型综合模型 质量传递模型是解释超质量传递模型是解释超-微滤中极化效应的模型。该微滤中极化效应的模型。该模型建立的基本假设：模型建立的基本假设： 当外加压力超过一定值时，膜的渗透率受到限制，当外加压力超过一定值时，膜的渗透率受到限制，主要是受沉积在膜上凝胶层限制，积沉厚度增加，水主要是受沉积在膜上凝胶层限制，积沉厚度增加，水的渗透减少。的渗透减少。渗透层渗透层膜膜沉积层沉积层一、质量传递模型：一、质量传递模型：一、质量传递模型：一、质量传递模型： 质量模型质量模型（Michalis提出）：提出）： J=ln(Cm-Cf)/(Cb-Cf) D/ J透过膜通量，透过膜通量， 边界层厚

56、度，边界层厚度， Cm膜表面溶质浓度，膜表面溶质浓度， Cb主体溶质浓度，主体溶质浓度， Cf过滤液（透过液）中溶质浓度。过滤液（透过液）中溶质浓度。 质量传递系数质量传递系数K= D/，则膜通量可表示为：，则膜通量可表示为： J=Kln(Cs-Cf)/(Cb-Cf) 如果溶质分子在膜上完全被截留，这个模型可以被简化为：如果溶质分子在膜上完全被截留，这个模型可以被简化为： J=Kln(Cm/(Cb) 这叫做极化模型。这叫做极化模型。 但是这个模型没有考虑压力的问题！ 由此看出质量的传递模型具有一定局限性！ Blatt提出反扩散定律，认为这是反扩散造成的，在胶体溶液中所观察到改变通量现象，一是由

57、于原理膜表面的粒子的反扩散造成的，反扩散是由于管状收缩造成，当液体沿管壁流动时，远离管壁的粒子发生迁移，向远离管壁的方向迁移。胶体溶质不能用传质模型来解释，用这个模型解释胶体溶质不能用传质模型来解释，用这个模型解释“胶体胶体”溶液，溶液，实际实际“通量通量”要以这个模型的预测好几倍。要以这个模型的预测好几倍。收缩模型：收缩模型： Qd22/180(1-)2 Q渗透率，渗透率， d粒子直径，粒子直径， 孔隙率。孔隙率。 认为胶体溶液中大分子溶质和细胞之认为胶体溶液中大分子溶质和细胞之间大小不同，造成凝胶层水力阻力不能控制渗透率：间大小不同，造成凝胶层水力阻力不能控制渗透率：冲刷模型冲刷模型（由F

58、ane提出）JKeCbnvsm 。对于是中的大颗粒对于是中的大颗粒（0.5m）存在另一种机理）存在另一种机理基本假设：进料是溶液对对形成的凝胶层基本假设：进料是溶液对对形成的凝胶层（沉积层进行冲刷或清洗为基础的）得到冲刷模型：（沉积层进行冲刷或清洗为基础的）得到冲刷模型：J 通量，通量， K剥落系数，剥落系数， Cb主体浓度，主体浓度， vs进料速度，进料速度， n，m为常数为常数二、阻力模型。 Hagen-poiseuille方程：Jmd2p/32 （仅适用于纯溶剂）。在溶液的膜过滤期间，由于浓差极化现象，水力学阻在溶液的膜过滤期间，由于浓差极化现象，水力学阻力会显著地增加，有人提出阻力模型

59、有人提出阻力模型，力会显著地增加，有人提出阻力模型有人提出阻力模型，在阻力模型中，通量与各种阻力成反比。在阻力模型中，通量与各种阻力成反比。Jp/(Wm+Wd+Wb) Wm膜阻力，膜阻力，Wd沉降溶质阻力，沉降溶质阻力，Wb边界层阻力。边界层阻力。 三、渗透压模型。三、渗透压模型。 为解决阻力与膜通量的关系，由Carmankozeny提出一个通量关系式： J180(1-)/ d22 密度， 孔隙度， d固体粒子直径。 当溶质浓度达到一定量时，就要考虑渗透压对膜通量的影响，当溶质浓度达到一定量时，就要考虑渗透压对膜通量的影响，据此提出渗透压模型假设：据此提出渗透压模型假设： J(p-m)/Wm

60、p膜两侧压力差，膜两侧压力差， m渗透压，渗透压， Wm膜阻力。膜阻力。 第八节 膜的截留能力膜截留溶质的能力，用表观截留率来膜截留溶质的能力，用表观截留率来表示。表示。表表(Cb-Cf)/Cb表表表观截留率，表观截留率，Cb主体溶质的浓度，主体溶质的浓度，Cf透过溶质的浓度。透过溶质的浓度。膜能完全截留溶质，截留率膜能完全截留溶质，截留率1，透过率，透过率0。膜能完全透过溶质，截留率膜能完全透过溶质，截留率=0=0，透过率，透过率=1=1。截留率与相对分子量之间的关系称截断曲线。判断一个膜的好坏，主要根据截断曲线的图形变化。 截留率截留率相对分子量相对分子量斜坦，（分离效果不好）斜坦，（分离