第二章_发酵液的预处理和固液分离方法.ppt

第二章发酵液的预处理和固液分离 改变发酵液的物理性质 提高固液分离效率 尽可能使产物转入便于后处理的某一相中 多为液相 去除发酵液中部分杂质 以利于提取和精制后续各工序的顺利进行 发酵液预处理的目的 2 1发酵液的预处理和固液分离 预处理和固液分离内容 生物产品的分类 根据分离特点 培养液产品 如饮料酒类 没有提取与精制 只需考虑除去固相杂志即可 细胞产品 如活性干酵母 只需固液分离和洗涤可溶性杂志的过程 粗制产品 如工业用酶制剂 只需考虑产品提取 精制产品 有纯度要求 大多数生物产品属此类 其分离回收过程一般包括预处理和固液分离 提取 精制和成品加工四步 精制产品分离纯化一般流程 胞外产品 胞内产品 2 1发酵液预处理 2 1 1引言发酵液预处理的目的 改变滤液的性质除去部分可溶性杂质尽可能使产物转入便于后处理的一相中 多数是液相 以利于后续各工序的顺利进行 预处理的方法 加水稀释法Dilutionwithwater加热法Heating调节悬浮液的pH值RegulationofpH凝聚和絮凝Coagulationandflocculation助滤剂Filteraids和反应剂Reactant高价无机离子的去除Removalofinorganicion杂蛋白的去除RemovalofUSELESSPROTEIN 2 1 2发酵液过滤性能的改变 生物悬浮液的特性 悬浮物颗粒小 比重与液相相差不大 固体粒子可压缩性大 粘度大 含有蛋白质 多糖等胶体物质 大多为非牛顿型流体 改性的目的 降低滤饼比阻 提高过滤与分离的速率 发酵产物浓度较低 而且悬浮液中大部分是水 悬浮物颗粒小 相对密度与液相相差不大 固体粒子可压缩性大 液相粘度大 大多为非牛顿型流体 性质不稳定 随时间变化 微生物发酵液的特性 一 降低液体粘度 根据流体力学原理 滤液通过滤饼的速率与液体的粘度成反比 降低液体粘度就可有效提高过滤速率 降低液体粘度的常用方法加水稀释法加热法 加水稀释法 优点 降低液体粘度 提高过滤速率缺点 增加悬浮液的体积 加大后继过程的处理任务 加热法 优点 1 升高温度可有效降低液体粘度 提高过滤速率 2 在适当温度和受热时间下可使蛋白质凝聚 形成较大颗粒的凝聚物 进一步改善了发酵液的过滤特性 实例 链霉素发酵液 调酸至pH3 0后 加热至70 维持半小时 液相粘度下降至原来的1 6 过滤速率可增大10 100倍 加热法注意事项 使用加热法时必须严格控制加热温度与时间 加热的温度必须控制在不影响目的产物活性变质的范围内 温度过高或时间过长 会使细胞溶解 胞内物质外溢 增加发酵液的复杂性 影响其后的产物分离与纯化 二 调整pH pH值直接影响发酵液中某些物质的电离度和电荷性质 适当调节pH值可改善其过滤特性 是发酵工业中发酵液预处理中常用的方法之一 氨基酸 蛋白质等两性物质 在其等电点处的溶解度最小 此即为等电点沉淀法 应用实例 味精生产中 利用等电点 pH3 22 沉淀法提取谷氨酸 对于蛋白质 由于羧基的电离度比氨基大 故蛋白质的酸性性质通常强于碱性 因而大多数蛋白质的等电点都在酸性范围内 pH4 0 5 5 利用酸性来调节发酵液pH值使之达到等电点 可除去蛋白质等酸性两性物质 在膜过滤中 发酵液中的大分子物质易与膜发生吸附 通过调整pH值改变易吸附分子的电荷性质 即可减少堵塞和污染 细胞 细胞碎片及某些胶体物质等在某个pH值下也可能趋于絮凝而成为较大颗粒 有利于过滤的进行 应用实例 三 凝聚与絮凝 1 凝聚 凝聚是指在电解质作用下 由于胶粒之间双电层电排斥作用降低 电位下降 而使胶体体系不稳定的现象 在生理pH值下 发酵液中的菌体或蛋白质常常带有负电荷 由于静电引力的作用 使溶液中带相反电荷的阳离子被吸附在其周围 在界面上形成双电层 但是 这些正离子还具有因热运动而离开胶粒表面的趋势 在相距胶核表面约一个离子半径Stern平面以内 正离子被紧密束缚在胶核表面 称为吸附层 在Stern平面以外 剩余的正离子在溶液中扩散开去 距离越远 浓度越小 最后达到主体溶液的平均浓度 称为扩散层 双电层的组成 当胶粒在溶液中作相对运动时 总有一薄层液体 随着它一起滑移 这一薄层的厚度比吸附层稍大 滑移面在图中用波纹线表示 滑移面上的电位称为 电位 或电动电位 它是控制胶粒间电排斥作用的电位 用来表征双电层的特征 是研究凝聚机理的重要参数 带有相同电荷和扩散双电层的结构 电位越大 电排斥作用就越强 胶粒的分散程度也越大 发酵液过滤就越困难 胶粒保持分散状态的原因 胶粒表面的水化作用 形成了包围于粒子周围的水化层 也能阻碍胶粒间的直接聚集 如果在发酵液中加入具有相反电性的电解质 就可以中和胶粒的电性 使 电位降低 胶体体系变得不稳定 当双电层的排斥力不足以抗衡胶粒间的范德华引力时 由于热运动的结果就导致胶粒的互相碰撞而聚集 另外 由于电解质离子在水中的水化作用会破坏胶粒周围的水化层 使胶粒可以直接碰撞而聚集 影响凝聚作用的主要因素是无机盐的种类 化合价以及无机盐的用量 根据静电学基本定理 可推导 电位的基本公式为 2 1 q 胶体的电动电荷密度 即滑移面上的电荷密度 库仑 m2 D 水的介电常数 F m 1 扩散层的有效厚度 m 即吸附层和扩散层界面处电位 d降低到其值为1 e处的距离 不能直接测定 2 2 N 阿伏伽德罗常数 mol 1 e 电子电荷 库仑 k 波尔兹曼常数 J K 1 T 热力学温度 K ci i离子摩尔浓度 mol L Zi i离子的化合价 从上两式可知 电位与溶液中带相反电荷的离子强度有关 因此 提高离子的化合价和浓度可以压缩扩散双电层 使其厚度减小 从而使 电位降低 电解质的凝聚能力可用凝聚值来表示 使胶粒发生凝聚作用的最小电解质浓度 mol L 称为凝聚值 根据Schuze Hardy法则 反离子的价数越高 该值就越小 即凝聚能力越强 阳离子对带负电荷的发酵液胶体粒子凝聚能力的次序为 Al3 Fe3 H Ca2 Mg2 K Na Li 常用的凝聚电解质有 硫酸铝A12 SO4 3 18H2O 明矾 氯化铝AICl3 6H2O三氯化铁FeCl3 6H2O硫酸亚铁FeSO4 7H2O石灰 ZnSO4 MgCO3等 2 絮凝 采用凝聚方法得到的凝聚体 其颗粒常常是比较细小的 有时还不能有效地进行分离 采用絮凝法则常可形成粗大的絮凝体 使发酵液较易分离 絮凝是指在某些高分子絮凝剂存在下 基于架桥作用 使胶粒形成较大絮凝团的过程 絮凝剂是一种能溶于水的高分子聚合物 其相对分子质量可高达数万至一千万以上 它们具有长链状结构 其链节上含有许多活性功能团 包括带电荷的阴离子 如 COOH 或阳离子 如 NH2 基团以及不带电荷的非离子型基团 它们通过静电引力 范德华力或氢键的作用 强烈地吸附在胶粒的表面 当一个高分子聚合物的许多链节分别吸附在不同的胶粒表面上 产生桥架联接时 就形成了较大的絮团 这就是絮凝作用 对絮凝剂的化学结构一般有下列要求 分子必须含有相当多的活性官能团 使之能和胶粒表面相结合 必须具有长链的线性结构 以便同时与多个胶粒吸附形成较大的絮团 但絮凝剂的相对分子量不能超过一定限度 以使其具有良好的溶解性 根据其活性基团在水中解离情况的不同 絮凝剂可分为 非离子型阴离子型阳离子型 根据其来源的不同又可分为如下三类 1 有机高分子聚合物 如聚丙烯酰胺类衍生物 聚苯乙烯类衍生物 2 无机高分子聚合物 如聚合铝盐 聚合铁盐等 3 天然有机高分子絮凝剂 如聚糖类胶粘物 海藻酸钠 明胶 骨胶 壳多糖 脱乙酰壳多糖等 应用现状 目前最常用的絮凝剂是有机合成的聚丙烯酰胺类衍生物 其絮凝体粗大 分离效果好 絮凝速度快 用量少 适用范围广 它们的主要缺点是存在一定的毒性 特别是阳离子型聚丙烯酰胺 一般不宜用于食品及医药工业 近年来发展的聚丙烯酸类阴离子絮凝剂 无毒 可用于食品和医药工业 影响因素 3 混凝 对于带负电荷的菌体或蛋白质来说 采用阳离子型高分子絮凝剂同时具有降低胶粒双电层电位和产生吸附桥架的双重机理 这种包括凝聚和絮凝机理的过程 称为混凝 对于非离子型和阴离子型高分子絮凝剂 则可以与无机电解质凝聚剂搭配使用 首先加入电解质 使悬浮粒子间的双电层电位降低 脱稳 凝聚成微粒 然后再加入絮凝剂絮凝成较大的颗粒 无机电解质的凝聚作用为高分子絮凝剂的架桥创造了良好的条件 从而大大提高了絮凝的效果 四 加入惰性助滤剂 助滤剂是一种不可压缩的多孔微粒 它能使滤饼疏松 滤速增大 使用助滤剂后 悬浮液中大量的细微胶体粒子被吸附到助滤剂的表面上 从而改变了滤饼结构 它的可压缩性下降 过滤阻力降低 硅藻土 纤维素 石棉粉 珍珠岩 白土 炭粒 淀粉 常用的助滤剂 五 加入反应剂 加入某些不影响目的产物的反应剂 可消除发酵液中某些杂质对过滤的影响 从而提高过滤速率 加入反应剂 可以和某些可溶性盐类发生反应生成不溶性沉淀 如CaSO4 AlPO4等 生成的沉淀能防止菌丝体粘结 使菌丝具有块状结构 沉淀本身可作为助滤剂 并且能使胶状物和悬浮物凝固 从而改善过滤性能 正确选择反应剂和反应条件 能使过滤速率提高3 10倍 应用实例 在新生霉素发酵液中加入氯化钙和磷酸钠 生成的磷酸钙沉淀可充当助滤剂 另一方面可使某些蛋白质凝固 环丝氨酸发酵液用氧化钙和磷酸处理 生成磷酸钙沉淀 能使悬浮物凝固 多余的磷酸根离子还能除去钙 镁离子 并且在发酵液中不会引入其他阳离子 以免影响环丝氨酸的离子交换吸附 如果发酵液中含有不溶性多糖物质 则最好用酶将它转化为单糖 以提高过滤速率 例如万古霉素用淀粉作培养基 发酵液过滤前加入0 025 的淀粉酶 搅拌30min后 再加2 5 硅藻土助滤剂 从而可使过滤速率提高5倍 2 2发酵液中部分杂质的去除 在预处理时 必须采用适当的方法使这些杂质沉淀 在固液分离时除去 以利于后提取与精制过程的顺利进行 一 高价无机离子的除去 发酵液中常见的无机离子主要有Ca2 Mg2 和Fe2 等 通常使用草酸 当发酵液中钙离子浓度较高时 可用草酸的可溶性盐 如草酸钠 反应生成的草酸钙还能促使蛋白质凝固 改善发酵液的过滤性能 由于草酸价格较贵 应注意采用适当方法回收 钙离子的去除 Ca2 加草酸钠沉淀C2O4Na2 Ca2 C2O4Ca 2Na 应用实例 四环类抗生素发酵液常采用草酸钙沉淀法除去钙离子 在其废液中加入硫酸铅 在60 下反应生成草酸铅 后者在90 95 下用硫酸分解 再经过滤 冷却 结晶后即可回收草酸 镁离子的去除 可加入三聚磷酸钠 它和镁离子形成可溶性络合物后 即可消除对离子交换的影响 加入黄血盐 三水合六氰合铁 酸钾 可与铁离子形成普鲁士蓝沉淀而除去 发酵液中铁离子的去除 4Fe3 3K4Fe CN 6 Fe4 Fe CN 6 3 12K 二 杂蛋白质的除去 在改善发酵液过滤特性的众多方法中 有许多可在改善过滤特性的同时 除去杂蛋白质 1 沉淀法 蛋白质是两性物质 在酸性溶液中 能与一些阴离子如三氯乙酸盐 水杨酸盐 钨酸盐 苦味酸盐 鞣酸盐 过氯酸盐等形成沉淀 在碱性溶液中 能与一些阳离子如Ag Cu2 Zn2 Fe3 和Pb2 等形成沉淀 2 变性法 使蛋白质变性的方法很多 其中最常用的是加热法 加热不仅使蛋白质变性 同时降低液体粘度 提高过滤速率 将柠檬酸发酵液加热至80 以上 使蛋白质变性凝固和降低发酵液粘度 即可大大提高过滤速率 使蛋白质变性的其他方法有 大幅度调节pH 加酒精 丙酮等有机溶剂或表面活性剂等 变性法存在一定的局限性 加热法只适合于对热较稳定的目的产物 极端pH也会导致某些目的产物失活 并且要消耗大量酸碱 有机溶剂法通常只适用于所处理的液体数量较少的场合 3 吸附法 加入某些吸附剂或沉淀剂吸附杂蛋白质而除去 在四环类抗生素中 采用黄血盐和硫酸锌的协同作用生成亚铁氰化锌钾的胶状沉淀来吸附蛋白质 在生产实际中已取得很好的效果 在枯草芽孢杆菌发酵液中 加入氯化钙和磷酸氢二钠 两者生成庞大的凝胶 把蛋白质 菌体及其它不溶性粒子吸附并包裹在其中而除去 从而可加快过滤速率 应用实例 2 3固 液分离过程和分类 固液分离是生物产品工厂中经常遇到的重要单元操作 培养基 发酵液 某些中间产物和半成品等都需进行固液分离 其中发酵液由于种类多 粘度大和成分复杂 其固液分离最为困难 固液分离的方法很多 根据颗粒收集的方式不同 可分为两大类型 第一类 沉降和浮选第二类 过滤 在沉降和浮选所组成的第一类中 液体受限于一个固定的或旋转的容器而颗粒在液体里自由移动 分离是由于内 外力场的加速作用产生的质量力施加在颗粒上造成的 这种力场可能是重力场 离心力场或磁场 如果作用的是重力或离心力 除浮选外 为了进行分离 在固体和悬浮液体之间必须要有密度差 第二类被不严格地统称为过滤 颗粒受到过滤介质的限制 而液体可自由通过介质 在发酵液或生物培养液的分离过程中 当前用得较多的还是过滤 包括错流膜过滤 和离心两大方法 2 4过滤法 Filtration 过滤是传统的化工单元操作 而且是目前工业生产中用于分离细胞和不溶性物质的主要方法 其操作是迫使液体通过固体支承物或过滤介质 把固体截留 从而达到固 液分离的目的 过滤 过滤介质 过滤采用的多孔物质 滤浆 所处理的悬浮液 滤液 通过多孔通道的液体 滤饼或滤渣 被截留的固体物质 一 发酵液的过滤特性和滤饼的重量比阻 微生物的发酵液大多数属于非牛顿型液体 滤渣为可压缩性的 衡量过滤特性的主要指标是滤饼的重量比阻rB 它表示单位滤饼厚度的阻力系数 与滤饼的结构特性有关 对于不可压缩性滤饼 比阻值为常数 但对于可压缩性滤饼 比阻rB是操作压力差的函数 一般可用下式表示 rB r p m 2 3 r为不可压缩滤渣的比阻 对于一定的料液 其值为常数 m为压缩性指数 一般取0 5 0 8 对不可压缩性滤饼 m 0 由 2 3 式可知 滤饼的比阻值是随操作压力差的提高而增大的 开始过滤时应注意不能很快提高压差 通常靠液柱的自然压差进料 并应缓慢地 逐步地升高压力 一般在相当长的时间内 压力差不要超过0 05MPa 最后的压差也不超过0 3 0 4MPa 恒压下 可压缩性滤饼的比阻值应为常数 如过滤介质的阻力相对较小可以忽略不计 则恒压下的过滤方程式如下 q2 2 4 式中q 到瞬间 通过单位过滤面积的滤液量 m p 压力差 Pa 滤液粘度 Pa s rB 滤饼的重量比阻 m kg XB 通过单位体积滤液 所形成的滤渣重量 干重 kg m3 过滤时间 s 重量比阻可根据式 2 4 利用图解法求得 以 q为纵轴 以q为横轴所得的直线斜率为M 则rB可按下式计算 rB 2 5 根据滤饼的重量比阻值 可衡量各种不同发酵液过滤的难易程度 练习题 在从庆大霉素发酵液过滤分离链霉菌的过滤实验中 使用硅藻土作助滤剂 小型过滤机的过滤面积A 0 01m3 滤液粘度 1 1 10 3Pa s 过滤压差 p 6 772 104Pa 且发酵液固体悬浮物浓度为15kg m3 过滤时间所对应的滤液量如下 求 滤饼比阻rB 二 影响过滤速度的因素 过滤速度和菌种 发酵条件 培养基的组成 未用完培养基的数量 消泡剂 发酵周期 等有关 1 菌种对过滤速度影响 真菌的菌丝比较粗大 发酵液容易过滤 常不需特殊处理 放线菌发酵液菌丝细而分枝 交织成网络状 还含有很多多糖类物质 粘性强 过滤较困难 一般需经预处理 以凝固蛋白质等胶体 细菌发酵液的菌体更细小 过滤十分困难 如不用絮凝等方法预处理发酵液 往往难以采用常规过滤的设备来完成过滤操作 用黄豆粉 花生粉作氮源 淀粉作碳源会使过滤困难 发酵后期加消泡剂或剩余大量未用完的培养基 都会使过滤困难 2 培养基的组成对过滤速度的影响 在菌丝自溶前必须放罐 因为细胞自溶后的分解产物一般很难过滤 延长发酵周期虽能使发酵单位有所提高 但严重影响发酵液质量 使色素和胶状杂质增多 过滤困难 最终造成成品质量降低 3 发酵终了时间对过滤的影响 三 过滤设备 生化工业常用的过滤设备主要有加压叶滤机 板框过滤机和回转真空过滤机等 四 错流过滤 Cross FlowFiltration 错流过滤又称切向流过滤 是一种维持恒压下高速过滤的技术 发酵液在过滤介质表面作切向流动 利用流动的剪切作用将过滤介质表面的固体 滤饼 移走 错流过滤在膜分离过程中被广泛使用 随着过滤介质的不断改进 采用精密微滤膜的错流过滤法已逐渐成为过滤操作的主流 与传统的真空过滤或板框过滤相比 错流膜过滤用于抗生素生产的过滤工序具有如下优点 过滤收率高 滤液质量好 减少处理步骤 对染菌罐批易于处理 也容易进行扩大生产 错流过滤的缺点 错流过滤产生的剪切作用容易使蛋白质产物失活 能耗比一般过滤高 大部分用来使流体产生快速流动 固相的含水量较高 主要是起浓缩作用 不能避免过滤介质的污染和堵塞 解决的办法是采用脉冲反洗式错流过滤 五澄清过滤 当悬浮液通过滤层时 固体颗粒被阻拦或吸附在滤层的颗粒上 使滤液得以澄清 这种方法叫做澄清过滤 适合于固体含量少于0 1 V 颗粒直径较小的悬浮液的过滤分离 多用于需要除菌的场合 2 5离心分离法 Centrifugation 离心分离 是利用惯性离心力和物质的沉降系数或浮力密度的不同而进行的分离操作 离心分离对那些固体颗粒很小或液体黏度很大 过滤速度很慢 甚至难以过滤的悬浮液十分有效 对那些忌用助滤剂或助滤剂使用无效的悬浮液的分离 也能得到满意的结果 分离速率快 分离效率高 液相澄清度好等 优点 离心分离结果得到的是浆状物而不是干的滤饼 离心设备复杂 价格昂贵 缺点 离心分离的形式 离心沉降 利用固液两相的相对密度差 在离心机无孔转鼓或管子中进行悬浮液的分离操作 离心过滤 利用离心力并通过过滤介质 在有孔转鼓离心机中分离悬浮液的操作 离心分离和超离心 利用不同溶质颗粒在液体中各部分分布的差异 分离不同相对密度液体的操作 2 5 1离心沉降 一 离心沉降的原理 离心沉降的基础是固体的沉降 Ff 球形颗粒沉降的受力情况 当一个固体微粒通过无限连续流体时 其运动速度受到两种力影响 一是连续流体对它的浮力FB 二是流体对运动粒子的粘滞力Ff 当这两种力达到平衡时 该微粒即以恒定的速度沉降 假设该微粒为球形 则该微粒所受的浮力可表示为 FB s gV 2 6 式中d为粒子直径 s和 分别为粒子和流体的密度 g为重力加速度 V为粒子体积 在稀溶液中 作用于单个球形微粒上的粘滞力Ff 可用Stockes定律表示 Ff 2 7 式中 连续流体的黏度 u为粒子的运动速度 CD为阻滞系数 A为粒子在运动方向上的投影面积 其中CD不是常数 它取决于雷诺数Re的变化 对于球形粒子 根据实验得知 Re 1CD 24 Re 2 8 1 Re 104CD 24 Re 3 0 34 2 9 对于生化溶质来说 可以满足Re 1的要求 所以 当粒子以匀速运动沉降时 FB Ff 故最终匀速沉降速率为 u 2 11 沉降速率与粒子直径的平方成正比 与粒子和流体的密度差成正比 而与流体的黏度成反比 也就是说粒子的沉降速度仅仅是液体性质及粒子本身特性的函数 如果粒子在离心力场中沉降 则重力加速度g应换成离心加速度 2r 即 u 2 12 为旋转角速度 r为粒子离转轴中心的距离 离心分离因数Fr 又称离心力强度 Fr 2 13 Fr表示了粒子在离心机中产生的离心加速度与自由下降的加速度之比 Fr越大 越有利于分离 在实践中 常按分离因数Fr的大小 对离心机分类 Fr 3000 为常速离心机 Fr 3000 50000 为中速离心机 Fr 50000 为高速离心机 Fr 2 104 106 为超速离心机 二 离心式沉降分离设备及其原理 利用离心沉降力将悬浮液中固液相分离 其设备可分为两大类 离心沉降设备离心过滤设备 离心沉降设备从操作方式上看 有分批操作和连续操作之分 从形式上看有管式 套筒式 碟片式等形式 从出渣方式上看 有人工间歇出渣和自动出渣等方式 1 管式离心机 管式离心机结构简单 仅是一根直管形的转筒 其直径较小 长度较大 转速很高 可达到50000rpm 从而产生强大的离心力 除此之外它还可以冷却 这有利于蛋白质的分离 操作时 悬浮液或乳浊液从管底加入 被转筒的纵向肋板带动与转筒同速旋转 上清液在顶部排出 固体粒子沉降到筒壁上形成沉渣和粘稠的浆状物 缺点是运转一段时间后 需停机清除沉渣后才能重新使用 因此操作是间歇式的 假设某典型粒子位于距离心机底部z及离转轴r处的位置上 这一位置是在液体表面半径R1和离心管半径R0之间 粒子在运转的离心机中沿着z和r两个方向运动 其中在z方向上的运动 是由离心机底部进入料液的对流作用引起的 2 14 式中Q为料液流量 z方向上的运动速度随Q的增加而加大 而与粒子所处位置无关 因此它是常数 粒子在r方向上的运动 可用下式表示 2 15 又知粒子在重力场中的沉降速率为 ug 2 16 由式 2 15 和 2 16 可得 2 17 结合式 2 14 2 17 可得到微粒在离心机中的运动轨迹 即 2 18 当ug较高 微粒直径或其密度较大 时 微粒将很快到达管壁 而当泵入流速Q增大时 悬浮固体微粒将向上走得更远才能到达管壁 考虑到最难除去的粒子 即在r R1处进入离心机 并且在出口处 z H 接近筒壁 r R0 的粒子 对这些难以去除的粒子 按进入和离开的边界条件将式 2 18 进行积分得 Q 2 19 对于管式离心机 正常分离操作所允许的最大物料流速 即生产能力Q 是反映微粒和料液特性的沉降速度ug以及离心机特性参数H R0 R1及 的函数 在大多数管式离心机中 由于液层很薄 所以R0接近于R1 因此式 2 19 可以简化为 式中R R0 R1 2 为平均半径 这样式 2 19 可以写成 该式同样表明最大流量Q取决于系统的性质ug和离心机的特性 这给离心机的设计 放大以及操作带来了方便 用管式离心机从发酵液中分离大肠杆菌细胞 已知离心机转鼓内径为0 127m 高0 73m 转速为16000rpm 生产能力Q 0 2m3 h 求 1 细胞的离心沉降速度ug 2 若大肠杆菌细胞破碎后 微粒直径平均降低一倍 细胞浆液浓度升高3倍 试估算用上述离心机对破碎细胞液的处理能力 2 碟片式离心机 碟片式离心机有一密封的转鼓 内装十至上百个锥顶角为60 100 锥形碟片 悬浮液由中心进料管进入转鼓 从碟片外缘进入碟片间隙向碟片内缘流动 颗粒沉降到碟片内表面上后向碟片外缘滑动 最后沉积到鼓壁上 已澄清的液体经溢流口或由向心泵排出 在碟片式离心机中 料液从中心管进入离心机底部后 以 角沿着锥形碟片向上 向内运动 现设典型粒子位于直角坐标的某点 x y 上 这里的x是指沿着碟片的粒子离开碟片外缘的距离 而y是指离开碟片的垂直距离 碟片外缘与内缘半径分别为R0和R1 转速为 粒子的运动过程可分析如下 1 粒子在x方向的运动由对流和沉降引起 可用下式表示 2 20 式中u0是因对流造成的液速 u sin 是粒子在离心力作用下产生的x方向上的沉降分速度 是碟片与垂线间的倾角 式中Q为总流量 n为碟片数 r为粒子离转鼓轴线的距离 h为碟片间的垂直距离 f y 为流速随碟片间的距离变化的函数 大多数情况下 u0比沉降速度u sin 大得多 并且u0是半径和y的函数 在碟片表面上 其值为零 在碟片间隙的中央其值最大 因此 可以得到下式 2 21 根据质量守恒定律 可知在y方向上u0的平均值必然与该平均速度相等 2 22 根据定义 函数f y 在碟片间隙h上的积分应为 1 2 23 将式 2 20 2 21 结合 就得到粒子在x方向上运动情况 u0 2 24 2 粒子沿y方向上的运动速度 2 25 或写成 将上式与式 2 24 结合 可得下式 2 26 从示意图可发现r R0 xsin 将它代入式 2 24 可得到粒子在离心机碟片间的运动轨迹 2 27 从示意图中不难看出 处于碟片外缘半径即x 0处且在相邻两碟片中的下碟片上 即y 0处的粒子是最难分离的 如果在其离开隙道前刚好抵达上碟片底部 及其坐标为x y h 则在离心立场的作用下 该粒子将沿着碟片的底部运动到碟片的外缘 汇集到滤渣中去 按照上述分析的边界条件 对式 2 27 进行积分并整理后可得 Q 2 28 与管式离心机一致 碟片式离心机的生产能力Q取决于参数ug和 其中 ug是由悬浮固体微粒的特性决定的 而 反映了离心机的几何特性 2 5 2离心过滤 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 兼有离心和过滤的双重作用 一 离心过滤的原理 料液首先进入装有过滤介质的转鼓中 然后被加速到转鼓旋转速度 形成附着在鼓壁上的液环 与沉降式离心机一样 粒子受离心力而沉积 过滤介质则阻止粒子的通过 形成滤饼 当悬浮液的固体粒子沉积时 滤饼表面生成了澄清液 该澄清液透过滤饼层和过滤介质向外排出 间歇离心过滤 二 离心过滤的设备 离心过滤机设有一个开孔转鼓 可以分离固体密度大于或小于液体密度的悬浮液 三 离心过滤分离过程分析 以工业上常用的篮式 或筐式 过滤离心机为例 过滤器是半径为R0的多孔圆筒 转鼓的内表面铺有一层流动阻力较小的滤布 加料液连续地加入圆筒 被迅速旋转的圆筒甩向内壁 一方面形成恒定料液表面 离轴半径为R1 另一方面粒子积累于内壁上形成滤饼 离轴的半径为RC 已知平板型过滤器操作时 通过滤饼的压力降与流速成正比 2 29 式中l为滤饼厚度 为料液黏度 为滤饼比阻 0为单位体积料液中固体的质量 对于篮式离心机 滤饼不是平板而呈圆柱形 压力降随半径而变化 可用下式表示 2 30 流体通过滤饼的流速也随半径而异 越接近鼓壁流速越小 可用下式表示 u 2 31 式中Q为滤液的体积流量 与位置无关 是常数 H为离心机的高度 结合式 2 30 和式 2 31 可得到 2 32 将上式从Rc R0积分 可以得到滤饼层的压力降 2 33 在离心过滤中 造成压力降的推动力应该是施加在流体上的离心力 2 34 结合式 2 33 和式 2 34 便可求得通过滤饼的流体流量 Q 2 35 体积流量Q并非常数 而是随着滤饼厚度的变化而变化 滤饼厚度增加则RC减小 Q也减小 并且Q和RC都是时间的函数 在离心过滤的计算中 所需求的是给定体积料液的过滤时间 因此要将上述公式进行转换 可利用Q的定义以及固体的质量守恒公式来完成 Q 2 36 2 37 式中 C为单位体积滤饼中固体的质量 0为单位体积料液中所含固体的质量 将式 2 36 和式 2 37 代入式 2 35 后积分可得过滤时间 t 2 38 该式是得到厚度为 R0 RC 的滤饼所需的过滤时间 常用于过滤操作的放大 2 5 3超离心法 根据物质的沉降系数 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 应用超离心技术中的差速离心 等密度梯度离心等方法 已经成功的分离制取各种亚细胞物质 如线粒体 微粒体 溶酶体 肿瘤病毒等 超离心法是现代生物技术领域研究中不可缺少的实验室分析和制备手段 用5 105g以上的强大离心力 长时间的离心 如17h以上 可获得具有生物活性的DNA 各种与蛋白质合成有关的酶系 各种mRNA和tRNA等 这为遗传工程 酶工程的发展提供了必需基础 一 超离心技术的原理 超离心技术中 由于使用的离心机类型是无孔转鼓 所以也属离心沉降 根据前面的讨论 粒子在离心力场中进行沉降的基本公式为 2 39 如果粒子在离心力场中作匀速直线运动 即 2 40 结合上两式并积分 便可求得在某种介质中 使一种球形粒子从液体的弯月面沉降到离心管某部 如底部 所需的时间 t 2 41 t 2 41 式中t为沉降时间 为悬浮介质的黏度 d为粒子直径 s为粒子密度 为介质密度 r1为从旋转轴中心到液体弯月面的距离 r2为从旋转轴中心到离心管底部的距离 在某一转速时 沉降一组均匀的球形颗粒所需要的时间与它们直径的平方以及它们的密度和悬浮介质的密度之差成反比 而与介质的黏度成正比 当粒子直径d和密度 0不同时 移动同样距离所需的时间不同 在同样的沉降时间 其沉降的位置也不同 这是 微分离心 的基础 二 超离心技术的分类 按照处理要求和规模 超离心技术分为 制备性超离心分析性超离心 1 制备性超离心 制备性超离心的主要目的是最大限度地从样品中分离高纯度目标组分 进行深入的生物化学研究 制备性超离心分离和纯化生物样品一般使用以下方法 差速离心法一般密度梯度离心法等密度离心法 粒子差速离心 DifferentialPelleting 简称差速离心法 是采用逐渐增加离心速度或低速和高速交替进行离心 使沉降粒子