第二章_原料的预处理.ppt

第二章原料预处理，第一，学习目的和要求通过本章了解学习、细胞分离、目标产品释放的各种基本方法，了解各种方法的优缺点和适用范围。其次，了解学习指南(a)细胞分离：重力沉淀、离心沉淀和过滤概念。理解：离心过滤原理和提高分离效率的方法。应用：用不同的离心力分离，过滤装置分离不同的细胞。(b)了解细胞分裂：各种细胞粉碎方法的原理、优缺点和适用范围。应用：使用不同的细胞分裂方法，多种粉碎不同的细胞。微生物发酵或动植物细胞培养后培养液和细胞的分离，晶体和母液的分离，萃取物和药源固体的分离都需要固体-液体分离，医药工程中菌丝体或细胞和培养液的分离是生物分离过程的第一步。1.1悬浮液的基本特性生物细胞培养液基本属于悬浮液，其中大部分是水，培养液中水的特性与固液分离密切相关。1节细胞分离，1 .极性：水分子是极性分子，因为正负电荷的中心不一致。水分子之间的氢键导致与固体物质表面的氢键等强耦合作用，从而加强水分子附着在材料表面的状态，不利于固体-液体分离的进行。2.粘度：反映了流体分子之间的相互作用，是温度的函数，改变温度会对分离效率产生显着影响。3.表面张力：表面张力随温度的增加而减少。液体介质的表面张力越大，固液分离越困难，因此减少水的表面张力是提高固液分离的有效方法之一。1.2悬浮液的预处理：1 .预处理的目的：(1)改变发酵液的物理特性，加快从悬浮物中分离固体物的速度，提高固液分离效率。(2)尽可能将产品转换为易于后期处理的特定奖项。(3)从发酵液中去除部分杂质，便于后续操作。2.预处理方法：(1)加热方法：降低悬浮液的粘度，加速絮凝作用去除杂蛋白，破坏凝胶状结构，增加滤饼孔隙率，提高分离效率。(2)悬浮液的pH值调节：促进絮凝。(3)絮凝及絮凝：将化学药品提前投入悬浮液，改变细胞、细菌、蛋白质等胶体粒子的分散状态，破坏其稳定性，将其分离为可分离的絮凝体。特征：增加颗粒大小，提高颗粒的沉淀或浮选速度，提高滤饼的渗透性，或在深床过滤时保持颗粒效果好。冷凝：在添加的化学物质(如铝、铁的盐、石灰等)中，胶体稳定，使粒子以1毫米大小的块状团聚体相互聚集的过程。絮凝：使用絮凝剂(天然或合成大分子质量聚电解质)交联胶体粒子，形成10mm大小聚集团的过程。1.3重力沉降(适用于较大颗粒的分离)重力沉降的前提是固相和液相之间的密度差异。在重力沉降过程中，固体粒子由重力、浮力和摩擦阻力作用。根据斯托克定律，浮力、摩擦阻力、重力平衡时，球形固体粒子直径小，沉淀速度慢，因此通常在细菌液体中添加絮凝剂，使体细胞聚集成大颗粒，然后过滤去除。1.4离心沉淀(适合分离小颗粒)广泛应用于固液和液液液分离。1.离心力结算速度，S=，由此样式可见：S S L时，s 0，粒子在离心力方向沉淀。如果 s=s=L，则s=0，粒子到达一定位置时达到平衡。s s L时s 0，粒子沿离心相反的方向悬浮。离心沉降时，粒子的相对分子质量越大，沉降系数越大，离心力沉降速度越大。，命令：s为沉降系数，2 .离心法(1)差速器离心：原理：在离心力领域使用不同粒子沉降的差异(大、重粒子沉降最快、最先到达底部)，在相同离心条件下持续增加不同沉降速度、相对离心力，产生非均匀混合液内大小、形状不同的粒子等级沉降。操作过程：一般情况下，离心后使用投机分离上清液和沉淀物，然后高速离心上清液，再分离第二部分沉淀物，这样，提高一定的转速，逐步分离必要的物质。优点：最容易、使用最广泛。缺点：差异离心力的分辨率不高，沉淀系数在相同数目阶段内的各种粒子不易分离，经常用于在其他分离手段之前进行粗糙的产品提取。(2)区域离心力可根据离心工作条件分为微分区域离心力和平衡区域离心力。微分带离心法：离心前先装载密度梯度介质(如蔗糖、甘油、KBr、CsCl等)，溶液的密度会从离心管的顶部逐渐增加到底部，要分离的样品放在拔模液的顶部，与拔模液一起离心。离心力后，在旋转轴附近(R1)的介质密度最小，离旋转轴最远(R2)的介质密度最大，但最大介质密度必须小于采样中粒子的最小密度，即 s sL。该方法实现了在梯度液体中沉淀速度不同的目的，从而使具有不同沉淀速度的粒子在不同密度梯度层内分割成一系列带。梯度液体在离心过程和离心力完成后取样时起到支持介质和稳定剂的作用，防止因机械振动而分层的粒子再聚合。用于微分区域离心分离的物质密度必须大于拔模溶液中的最大密度，并且离心过程必须在分离区域到达管底之前停止。 s sL知道s 0，因此离心力的离心力时间必须在每个粒子在介质渐变中形成带，并在到达任何粒子沉淀之前充分控制。离心力太长的话，所有样品都可以到达离心管的底部。离心时间不足，样品还没有分离。这种方法是一种不完全的沉降，因此沉淀受物质本身大小的影响很大，一般适用于物质大小不同、密度相同的情况。常用的拔模液体有Ficoll、Percoll和蔗糖。平衡区离心法：在离心力逐渐形成离心力之前预先准备介质的密度梯度。此密度梯度液体包含要分离的样品中所有粒子的密度，要分离的样品首先与梯度液体顶部或梯度液体混合。随着离心力的作用，渐变液体逐渐与地面加厚，管子顶部的密度梯度与原来分布的粒子一起重新分布。当粒子的密度大于粒子的密度( l Ls)时，粒子上升。在顶部弯曲“s”“l”将沉淀粒子，最后粒子进入自身的密度位置“ s= l”。此时，粒子不再移动，粒子形成纯组件的条带，条带与采样粒子的密度相关，无论粒子大小和其他参数如何，因此，即使延长离心力时间，也不能更改这些粒子的条带位置，除非旋转速度、温度发生变化。此方法通常适用于材料大小相似，但密度差异较大的情况。常用渐变液体是CsCl。3 .离心设备实验室离心机以离心管转子离心机为主。生化离心机一般为冷却型，可在低温下运行，称为制冷离心机。工业离心装置主要使用两类：管和盘。管离心机：应用：a，液-液分离(连续)，b，低固体含量(1%)的固-液分离(间歇)。主要技术指标：a，离心管直径40-150mm，大径比4-8；b，离心强度8000-15000g；c，处理能力100-400 l/h；d，合适的颗粒直径为0.01-100毫米，固体密度差异大于0.01g/cm3，固体含量低于1%的优点：a，结构简单，成本低，b，良好的分离效果，高分离系数8000-15000g缺点：ab、低固体悬浮(1%)、圆盘离心机：化学、制药和生化行业最广泛使用的特性：a，10-100锥度角为60-100的圆盘；b，圆盘距离很短，0.5-2.5mm，沉降距离很短，分离效果高；c、光盘更多，沉降面积大，分离效果增加；d，高对流效应。a，人工排渣；b、喷嘴排渣类型；c、活塞排渣。1.5过滤器定义：固体-液体分离方法，使用多孔介质捕获固体颗粒。制药工程中过滤的物体大部分是生物，因此发酵液中的微生物细胞等是容易变形的柔软的体，压缩后会变形。发酵液的粘度也很大，发酵液过滤工作可能很困难。过滤器，过滤蛋糕过滤器：深层过滤器：固体颗粒堆积在过滤介质表面，发生极短时间的桥接现象，沉积过滤蛋糕也起到过滤介质的作用，固体颗粒在过滤介质的空隙中被阻挡，固体-液体分离发生在整个过滤介质内，过滤蛋糕过滤器：过滤基本方程式：可压缩过滤器可压缩滤饼的电阻率随着压差的增加而增加，因此在滤饼工作中，压差是重要的工作参数，对于可压缩滤饼，必须慢慢增加工作压力。过滤时，加上压力和流速的变化，过滤工作可以分为：静压过滤-以压缩空气或真空为动力，一定速度过滤-以一定容量泵输送液体。可变速度-变压过滤-以离心泵的形式实现。滤饼是影响滤饼速度的主要因素，因此在滤饼运行前，必须进行滤液的絮凝等预处理，以减少滤饼的阻力。也可以将硅藻土等过滤助剂添加到液体中，提高过滤速度。深度过滤：过滤过程中粒子的运动：移动动作：粒子在过滤介质内孔表面的运动，如扩散作用、重力、惯性力。粒子的粒子大小与阻挡效率密切相关。粒子大小为1微米时，阻塞效率最低。附着行为：粒子移动到过滤介质的过滤表面时，两者之间相互作用力的特性决定了附着是否会产生。固相成分、液体离子成分和离子浓度、pH值等可以影响粒子和介质表面的电性和电荷，从而影响附着效果。剥离行为：如果粒子或粒子团与过滤介质表面的结合力弱，则远离介质空位的表面。下落的原因包括流体对附着粒子的剪切作用，对运动粒子和附着粒子的碰撞等。过滤介质：按过滤原理，按材料，按结构，按表面过滤介质，深层过滤介质，天然纤维合成纤维金属玻璃塑料陶瓷，柔性刚性松散，过滤介质的特性：基本性能：过滤性能：1。阻挡百分比：参与过滤的粒子总数的阻挡粒子数量。2 .渗透率：反映了对流体流动的旧式阻力，渗透率越大，阻力系数越小。3 .剥离性能：使用刮板、绳索或剥离辊等排出装置，从过滤介质中分离过滤蛋糕是多么容易。4 .再生性能：过滤介质表面或内部被固相粒子阻止后，通过其他方法清洁，恢复过滤介质性能的程度。5 .物理特性：过滤介质的断裂强度、断裂延展性和耐磨性。6 .化学性质：耐腐蚀性。新过滤器介质：1。石棉过滤板：是通过精确混合极细的纤维、微硅藻土和合成聚合物(带正电荷的树脂)制造的。空隙率高，能吸附小颗粒。属于深层过滤。可以用来过滤制药工程的发酵液，可以去除药品的热源物质。，2 .金属过滤介质：楔形端丝网：楔形丝网的孔不容易被粒子堵塞。材料是不锈钢、碳钢、镀锌碳钢、黄铜、铜、磷青铜、铝合金和镍、钛等特殊合金。b .烧结金属过滤介质：将金属(网状、粉末、纤维)置于真空中加热，使温度达到熔点温度的90%，施加一定压力，使金属各接触点的原子相互扩散。高温、高压、过滤精度高、寿命长。3 .多孔陶瓷：通常结合为熔融玻璃基和硅酸盐粒子。具有高温、耐腐蚀性等特点。4 .纤维素长条缠绕过滤器：纤维素长条以螺旋缠绕，条通过浸渍和热处理对酚醛树脂硬化。是表面过滤，可以进行流体反冲洗再生。便宜，强度好，耐热性好，耐腐蚀性好，清洁和再生容易。5 .纤维素非缠绕过滤器：用专有毡浸渍工艺制成的管过滤器。纤维密度沿径向变化，内部更密，空隙更小。所以大粒子被外部，小粒子被内部切割。属于深层过滤。过滤介质的选择和评价：1 .介质材料的孔径和阻止粒子的能力2。过滤介质的渗透性3。过滤介质的抗堵塞性能和再生能力，过滤设备：生化行业常用的过滤设备主要有加压叶过滤器、板框过滤器、旋转真空过滤器等。制药生产药固液分离应用：中药过滤分离：特性：包括动物和植物蛋白、多糖等胶体和粘合剂材料；大部分形成可压缩滤饼，滤饼大于电阻。很容易聚合成大分子，产生絮状物。对过滤介质的高要求；固液密度小，分离产率低。措施：使用预处理(加热，添加添加剂)和各种分离技术(粗滤后微滤)的组合工艺。发酵液过滤分离：特点：典型的非牛顿流体，包括菌丝体、多糖残留培养基及其代谢产物等，粘度大，压缩性大。分离方法：板框过滤器、滚筒真空过滤器、螺旋离心机和圆盘离心机等。活性炭及脱色后药液过滤：特性：活性炭颗粒精细，过滤布介质难以一次获得过滤效果。方法：使用多重复合过滤器、纤维结合过滤管或微孔膜过滤器的过滤介质。液体杀菌过滤：用常带正电荷的非石棉过滤板代替石棉过滤器和微孔膜过滤器。晶体过滤：粗晶，一般使用三足离心过滤器。制药生产中分离技术的开发：生物化学、制药、精细化学、新材料等高新技术领域的开发对固液分离技术提出了更高的要求。其发展主要集中在以下方面：1.用于大量处理的高效分离装置的研发。2.高纯度产品和高纯度水的高精度过滤装置的研制。3.高可压缩、高粘度、高酸性难分离物质的分离技术研究。传统产业固液分离技术和设备的改进。5.高要求产业的集成工艺研究与开发。制药生产中固液分离的问题：由于对要分离物质的物理特性认识不足，工艺决策、分离设备选择和运行条件的确定不科学合理。2.保留旧习惯，不恰当地选择分离方法。3.由于缺乏材料性能知识，操作条件(压力、温度、分离系数等)不合理。对预处理技术的理解和应用不足。5.粒子的粒度分布不明确，过滤介质选择不合理。6.新的分离技术与各种分离工艺的集成还不够。得到明确的发酵液，就可以从这个明确的发酵液中提取所需的产品。但在某些情况下，感兴趣的产品不在发酵液内，而是在细胞内，因此要提取细胞内的物质，必须先打碎细胞，释放细胞内的物质，然后提取产品。细胞分裂是指用物理、化学、酶或机械方法破坏细胞壁或细胞膜的方法。细胞破碎的方法，主要分为机械法和非机械法两类。第二节细胞破碎，2.1细胞的结构细胞壁破碎是最重要的。动物细胞没有细胞壁，容易破碎。植物和微生物细胞的细胞壁很坚固，很难破碎。1 .细菌：革兰阳性细菌的细胞壁主要由肽聚糖层组成，细胞壁厚，约15-50n m；革兰阴性杆菌的细胞壁在胃蛋白酶体外有由脂蛋白、脂多糖和磷脂组成的双层外壁层，革兰阴性杆菌的肽聚糖格利格利格利格利格利格利格利格利格利格里格里格里格里格里格里格里格里格里格里格里格里格里格里格里格里格里格里格里格里格里格里格里格里格里格里格里格外格里格里格里格里格里格里格里格外格里格里格里格里格外格里格里格里格里格里格里格里格外格里格里格里格里格里格里格里格里格里格里格里格外格里格里格里格，2 .真菌和酵母的细胞壁比菲尔德兰阳性细菌的细胞壁厚，约60纳米，更难破碎。真菌：细胞壁厚，约100-250 nm。哺乳动物细胞和嗜热细菌缺乏硬细胞壁，支原体没有细胞壁，容易破碎。5.藻类的细胞壁比较复杂，其主要成分是纤维多糖物质。粉碎细胞的目的是多种程度地破坏细胞壁和细胞膜(增加通透性)，或粉碎，释放其中包含的目标