第6章-非均相分离

制药分离工程授课教师：邱建华e-mail:qiujianhua@Workroom:room113,HuagongBuilding第6章非均相分离制药工业中应用十分广泛的液固分离技术主要包括：过滤、离心分离和沉降。固液分离过程的常规分类见下图。物料的性质固体颗粒特性

(1)比表面积单位质量多孔颗粒所具有的表面积(m2/m3或m2/g)。

(2)孔隙度颗粒之间的孔隙体积与其表观体积之比。

(3)流动性颗粒体自然堆积时没有团聚效应而具有明显的流动性。（4）颗粒形状固体颗粒常作为球形对待。

(5)粒径及粒度分布粒径表示颗粒的线性尺寸或本身特性；不同粒径的颗粒在颗粒群中所占比例。

(6)颗粒密度固体颗粒在液体内的速度沉降与固液间密度差成正比变化。

(7)黏性和散粒性黏性导致颗粒碰撞后凝聚，颗粒的散粒性受到分子力、毛细管黏附力和静电力等影响。(8)电性粒子在生成和处理过程中产生的荷电会影响到固液分离过程。液体的特性

(1)密度沉降分离中，分离推动力与固液两相的密度差成正比。一般情况下，升高液体温度，使液体密度下降。

(2)黏度黏度是液体分子间在外力作用下相对摩擦的摩擦阻力的大小。温度越高，液体的黏度越小，透过过滤介质的阻力越小。

(3)表面张力液体表面上任一单位长度，并与之相切的表面紧缩力。它说明增加单位表面积所需做的功。表面张力的大小直接影响液体润湿固体表面的程度，并促成颗粒堆聚。

(4)挥发性易挥发的液体在真空下会挥发成气体。悬浮液的特性

(1)密度由于固体颗粒的掺入，悬浮液的密度不再是原来液体的密度。根据悬浮液的固相和液相含量悬浮液的密度如下：

式中，ρ为悬浮液密度；C为悬浮液中固相质量浓度；ρL为悬浮液中液相密度；ρS为悬浮液中固相密度。（2）黏度悬浮液中分散的固体颗粒增大了液体抗剪切变形的能力，悬浮液的黏度随液体中固相浓度的增大而增加。

（3）固含量固含量表示固体颗粒的质量占悬浮液总质量的百分数。固含量除了影响悬浮液黏度外，当它达到一定值后，颗粒间距减小，互相制约，将在沉降分离中出现干涉沉降的现象，进而影响沉降速度。

(4)电动现象及ζ电位带有一定电荷的颗粒在水中形成双电子层，双电子层与悬浮液中分散介质之间的电势差成为ζ电位，颗粒自身带有的剩余电荷还会造成带有相同电荷的颗粒之间相互排斥，当对悬浮液施加外加电场时，荷电颗粒也会产生相应的定向运动，这将影响颗粒间的团聚长大，也影响过滤介质的堵塞性能。过滤过滤的基本概念过滤操作时利用重力或人为造成的压差使悬浮液通过某种多孔性过滤介质，悬浮液中的固体颗粒被截留，滤液则穿过介质流出。两种过滤方式

(1)滤饼过滤过滤时悬浮液中有部分颗粒进入过滤介质网孔中发生架桥现象，也有少量颗粒穿过介质而混于滤液中。随着滤渣的逐步堆积，在介质上形成了一个滤渣层，称为滤饼。不断增厚的滤饼才是真正有效的过滤介质，而穿过滤饼的液体则变为清净的滤液。

(2)深层过滤固体颗粒并不形成滤饼而是沉积于较厚的过滤介质内部。此时，颗粒尺寸小于介质孔隙。在惯性和扩散作用下，进入介质通道的固体颗粒趋向通道壁面并籍静电与表面力附着其上。过滤过程的特点液体通过过滤介质和滤饼空隙的流动是流体通过固定床流动的一种具体情况。在一定压力下，过滤操作中床层厚度不断增加，滤液通过速率随过滤时间的延长而减小，但是由于滤饼厚度的增加比较缓慢，所以过滤操作可作为拟定态处理。假设过滤面积为A，过滤时间为τ时所得滤液量为V，则过滤速度u为

过滤过程的计算

(1)物料衡算对指定的悬浮液，获得一定量的滤液并须形成相对应的滤饼，其间关系取决于悬浮液中的固含量，并可由物料衡算方法求出。物料衡算时，可对总量和固体物量列出两个衡算式，式中，V悬为悬浮液总量；ε为滤饼孔隙率；A为过滤面积；L为滤饼厚度；ρp为固体颗粒的密度；ρ为滤液的密度；

和为悬浮液中固含量的质量分数和体积分数。通过上两式可以推导出滤饼厚度L一般悬浮液中颗粒的体积分数较滤饼孔隙率小得多，分母中

可以略去，则有过滤速度过滤操作所涉及的颗粒尺寸一般都很小，液体在滤饼空隙中的流动多处于康采尼公式适用的低雷诺数范围内。由过滤速率的定义，结合康采尼公式可得将滤饼厚度L带入上式，并令式中，为滤饼两侧压差；μ为滤液的黏度；K’为康采尼常数；a为颗粒的比表面积；q为滤液量。将以上两式的推动力和阻力分别家和可得滤液通过过滤介质同样具有阻力，过滤介质阻力的大小可视为通过对单位过滤面积获得的滤液量qe所形成的虚拟滤饼层的阻力。假设和分别为滤饼两侧和过滤介质两侧的压强差，则可以写出滤液经过过滤饼与经过过滤介质的速率式

影响过滤速率的物性参数很多，包括悬浮液性质及滤饼特性。为计算过滤速率本应先获得这些参数，但是，由于参数在一般恒压过滤操作中保持恒定。若为解决一些具体工程问题，与其测定众多物理参数，不如将其归并成一常数，即令将K带入上式可得过滤速率基本方程。

它表示某一瞬间过滤速率与物系性质、操作压差及该时刻以前的累计滤液量之间的关系，同时亦表明了过滤介质阻力的影响

恒速过滤方程

过滤速率为一常数，恒压过滤方程恒压过滤时，K为常数。若过滤一开始就是恒压条件下操作，则

若在压差达到恒定之前，已在其它条件下过滤了一段时间τ1并获得滤液量q1，则有过滤常数的测定

在恒压条件下测定过滤常数K和qe

此式表明，在恒压过滤时(τ/q)与q之间具有线性关系，直线的斜率为1/K，截距为2qe/K。在不同的过滤时间，记取单位过滤面积所得的滤液量q，可以根据上式求得过滤常数K和qe

洗涤速率与洗涤时间

当滤饼需要洗涤时，单位面积洗涤液的用量qw需由实验决定。然后可以按过滤机中洗涤液流经滤饼的通道不同，决定洗涤速率和洗涤时间。

(1)叶滤机的洗涤速率此类设备中洗涤液流经滤饼的通道与过滤终了时滤液的通道相同。洗涤液通过的滤饼面积亦与过滤面积相同，故洗涤速为当单位面积的洗滤液用量以定，则洗涤时间为

当洗涤与过滤终了时的操作压强相同、洗涤液与滤液的粘度相等，则洗涤速率与最终过滤速率相等，即实际操作中洗涤液的流动途径可能因滤饼的开裂而发生沟流、短路，由上式计算的洗涤速率只是一个近似值。

(2)板框压滤机的洗涤速率板框压滤机在过滤终了时，滤液通过滤饼层的厚度为框厚的一半，过滤面积则为全部滤框面积之和的两倍。但在滤渣洗涤时，洗涤液将通过两倍于过滤终了时滤液的途径，故洗涤速率为叶滤机洗涤速率计算值的1/2，即洗涤时间为注意：此时的洗涤面积仅为过滤面积一半，故用同样体积的洗涤液，此种板框压滤机的洗涤时间为叶滤机的四倍。当洗涤液与滤液粘度相等、操作压强相同时，板框压滤机的洗涤时间为过滤过程的计算过滤计算分为设计计算和现有设备的操作状态的核算。

设计计算时，设计者应首先进行小型过滤实验以测取必要的设计数据，如过滤常数qe、K等，然后由设计任务给定的滤液量V和过滤时间τ，选择操作压强，计算过滤面积A。

操作型计算中，已知设备尺寸和参数，给定操作条件，核算该过程设备可以完成的生产任务；或已知设备尺寸和参数，给定生产任务，求取相应的操作条件。作业

1.过滤操作的操作原理是什么？影响过滤操作的因素有哪些？

2.用10个框的板框过滤机恒压过滤某悬浮液，滤框尺寸为635mm×635mm×25mm。已知操作条件下过滤常数为K=2×10-5m2/s，qe=0.01m3/m2，滤饼与滤液体积之比为v=0.06。试求滤框充满滤饼所需时间及所得滤液体积。3.板框压滤机过滤某种水悬浮液，已知框的长×宽×高为810mm×810mm×42mm，总框数为10，滤饼体积与滤液体积比为v=0.1，过滤10min，得滤液量为1.31m3，再过滤10min，共得滤液量1.905m3，试求(1)滤框充满滤饼所需要的过滤时间；(2)若洗涤与辅助时间共45min，求该装置的生产能力(以得到的滤饼体积计)离心分离利用离心力作为推动力分离液相非均一系的过程称为离心分离。它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一项分离、浓缩或提炼操作。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，但是离心分离得到的是浆状物而不是滤饼。离心分离可分为三种形式：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，分离不同的相对密度液体的操作)离心沉降的原理

离心沉降的基础是固体的沉降。当固体粒子在无限连续流体中沉降时，流体对它的浮力和流体对运动粒子的粘滞力达到平衡时，固体粒子将保持匀速运动。对直径为d的球形粒子，作用在它上面的浮力Fg可以表示为：式中，d为粒子直径；ρs和ρ分别为粒子和流体的密度；V为粒子体积。

根据Stockes定律，悬浮在介质中的球形粒子所受的粘滞力Ff可表示为：式中，μ为连续流体的黏度；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投影面积。其中，CD不为常数，它取决于雷诺数Re的变化。当粒子以匀速运动沉降时，Fg=Ff。故最终匀速沉降速率为：

如果粒子在离心场中沉降，则重力加速度g应换为离心加速度ω2r，即

式中ω为旋转角速度；r为粒子离转轴中心的距离。上式说明可以通过提高旋转角速度获得比重力沉降或过滤时高得多的分离效果。可用离心分离因数α来定量评价：α<3000为常速离心机；α=3000~5000为中速离心机；α≥5000为高速离心机；α=2×104~106为超速离心机。离心沉降设备

(1)旋风分离器旋风分离器是利用颗粒的离心力来分离气体非均一系的设备。主用用于气固分离。

(2)三足式离心机间歇式操作离心机，可作为过滤与沉降用。分离因子为500-1000。

(3)卧式刮刀卸料离心机分离因子最大达1800，最大处理量可达18m3/h悬浮液，一般用于处理固体颗粒尺寸5-40微米，固液密度差大于0.05g/cm2和固相浓度小于10%的悬浮液。

（4）

螺旋沉降离心机连续操作，可以处理液-液-固三相混合物。最大分离因子可达6000，转鼓与螺旋的转速差一般为转鼓转速的0.5%-4%。这类离心机的分离性能较好，适应性较强，对进料浓度的变化不敏感。

(5)管式高速离心机分离因子可达15000-60000，适合分离稀薄的悬浮液、难分离的乳浊液以及抗生素的提纯，广泛应用于生物制药中。

(6)碟式分离机转鼓内装有许多倒锥形碟片，它可以分离乳浊液中轻、重两相，例如油类脱水、牛乳脱脂等。

离心沉降的计算

管式离心机管式离心机的分离原理可利用理想的管式离心机示意图来分析，其关键是得到某些典型粒子的位置与时间的函数关系。粒子在运动的离心机中沿着z和r两个方向运动，其中z方向上的运动，是由离心机底部进入料液的对流作用的引起的：

Q为料液流量，上式中忽略在z方向上重力场的影响。z方向上的运动速度随Q的增加而增大，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：已知粒子在重力场中的沉降速率为：结合上两式，可得到：为了获得粒子在离心机中的运动轨迹，将dr/dt与dz/dt相除得到：从上式可知，如果ug很大，粒子将迅速到达管壁，凡是沉降到管壁的粒子才有可能被除去；而当Q很大时，粒子就很难达到管壁，不易除去。系统内的难以除去粒子是指在r=R1处进入离心机，及在出口旁，即z≈H处，接近筒壁的(r=R0)粒子。对这些难以去除的粒子，按进入和离开的边界条件将上式积分得：在多数管式离心机中，由于液层很薄，所以R0接近于R1，因此上式可以简化为：上式给出了离心机中获得最大流速与粒子性质和离心机特性的函数关系，如果超过这一流量，粒子会在未到达筒壁时便由筒上端溢流，而不能除去离心过滤离心过滤是将料液送入有孔的转鼓并利用离心立场进行过滤的过程，以离心力为推动力完成过滤作用，兼有离心和过滤的双重作用。粒子受离心力而沉积，过滤介质则阻止粒子通过，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。过滤后期，由于施加在滤饼上的部分载荷的作用，相互接触的固体粒子经接触面传递粒子应力，滤饼开始压缩。所以离心过滤一般分滤饼形成、滤饼压紧和滤饼压干三个阶段。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方法。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，所以也属于离心沉降。粒子在离心场中进行沉降的基本公式为：

如果粒子在离心力场中作匀速直线运动，即：

结合上两式并积分，便可求得某种介质中，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：

式中，t为沉降时间；μ为悬浮介质的黏度；d为粒子直径；ρs为粒子密度；ρ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。从上式可知，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。也就是说，当粒子直径d和密度ρs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。

注意：1.不适用与非球形粒子；2.只适用于符合牛顿流体的稀的固体悬浮物。超离心技术的分类

(1)制备性超离心主要目的是最大限度地从样品中分离目标组分，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用四种方法：差速离心法；一般密度梯度离心法；等密度梯度离心法；平衡等密度离心法。

(2)分析性超离心主要用于研究纯的或基本是纯的大分子或粒子(如核蛋白体)。它只需要很少的物质，并配置有光学分析系统，如光吸收、折射、干扰等，来连续的监测物质在离心立场中的行为，从这样的研究中得到的资料可以推断物质的纯度、相对分子质量和结构的变化。作业

1.什么叫做离心分离因数？写出它的计算式。

2.离心沉降与离心过滤有什么不同？

2.已知颗粒尺寸为5×10-6m。密度为ρS=2640kg/m3,试求该颗粒在密度为1000kg/m3，黏度为10-3kg/（m·s）的水中的重力沉降速度Vg（m/s）？若处于分离因子=1000、转鼓直径为1000mm的离心场中，试问该颗粒从自由液面半径R=350mm沉降到转鼓壁共需多少时间（s）？

沉淀学习目的与要求

了解蛋白质表面特性，掌握各种沉淀方法的原理、特点以及应用范围学习指南

（一）蛋白质表面特性

识记：蛋白质表面的构成理解：防止蛋白质凝集沉淀的屏障

应用：采用不同的试剂方法实现蛋白质的沉淀

（二）盐析沉淀

识记：盐析的概念

理解：盐析沉淀的原理，影响盐析的各种因素

应用：掌握盐析操作过程（三）等电点沉淀

理解：等电点沉淀法原理，

应用：了解等电点沉淀法的优缺点和适用范围

（四）有机溶剂沉淀

理解：有机溶剂沉淀法原理

应用：了解有机溶剂沉淀法的优缺点和适用范围

沉淀：物理环境的变化引起溶质的溶解度降低生成固体凝聚物的现象。沉淀是生物技术中用于分离发酵产品的一种常用方法，它能够起到浓缩与分离的双重作用。沉淀法有：盐析沉淀、等电点沉淀、有机溶剂沉淀、加热沉淀法等。优点：操作简单，经济，浓缩倍数高。缺点：分离度不高，选择性不强。

蛋白质的水溶液呈胶体性质。其表面由不均匀分布的荷电基团形成的荷电区、亲水区和疏水区构成。其分子周围存在的与蛋白质分子紧密或疏松结合的水化层和双电层是蛋白质形成稳定的胶体溶液、防止蛋白质凝聚沉淀的屏障之一；另一屏障是蛋白质之间的静电排斥作用。

所以，蛋白质的沉淀可采用加入无机盐的盐析法、加酸碱调节溶液pH等电点沉淀法、加水溶性有机溶剂法等方法来降低蛋白质周围的水化层和双电层厚度，来降低蛋白质溶液的稳定性，实现蛋白质的沉淀。蛋白质表面特性3.2.

盐析沉淀原理

盐析：蛋白质在高离子强度的溶液中溶解度降低发生沉淀的现象。盐析法是分离蛋白质的一种重要手段，它有效、价廉，且不易引起蛋白质变性，故在蛋白质分离中被广泛采用。

根据实验可知，蛋白质的溶解度随溶液中盐浓度的增加而减少，并遵循Cohn经验方程：LogS=β-KsI

（1）其中：S：蛋白质的溶解度，g/dm3；

β：常数；与蛋白质的种类、pH值和温度有关，并在蛋白质等电点时，β达到最低值。

Ks：盐析常数，与盐和被分离的蛋白质种类有关，与pH值和温度无关。溶液的离子强度I

随盐浓度的变化为：

可见，离子强度越高，蛋白质的溶解度越小，蛋白质凝聚、沉淀效果越好。

Ci：离子i的摩尔浓度Zi

：离子i的电荷数以（1）式为基础，将盐析方法分为两类：

①在一定pH、t下，改变离子强度

I，进行盐析，称

Ks

盐析法。

应用：用于生产中提取液的前处理。

缺点：溶解度变化快，易共沉淀，分辨率不高。

②在一定I下，改变pH、t进行盐析，称β盐析法。

应用：用于分离后期。

缺点：由于溶解度变化缓慢且变化幅度小，分辨率比Ks

盐析好。LogS=β-KsI

影响盐析的因素

影响盐析的主要因素有无机盐的种类、浓度、温度和pH值。1.无机盐在相同I下，盐的种类对蛋白质溶解度的影响有一定差异，一般规律为：离子半径小而带电荷较多的阴离子的盐析效果较好，即盐析常数Ks大。常见阴离子的盐析作用顺序为：

PO43->SO42->CHCOO->CL->NO3->CLO4->I->SCN-

常见阳离子的盐析作用顺序为：

Al3+>H+>Ca2+>NH4+>K+>Na+>Mg2+选择盐析的无机盐时，对盐的几点要求：

(1)盐析作用要强；

(2)溶解度大，能配制高离子强度的盐溶液；

(3)溶解度受温度影响较小；

(4)盐析用盐必须是惰性的，来源丰富、经济。常用的盐析用盐：硫酸铵

优点：价格便宜、溶解度大且受温度影响很小、具有稳定蛋白质（酶）的作用。

缺点：为强酸弱碱盐，腐蚀性强，后处理困难；硫酸铵残留在食品中的量，即使很低，也容易被辨别出来；在医疗上，硫酸铵有毒性。所以必须把硫酸铵从蛋白质中除去。

在实际生产中，可供使用的其他盐类还有硫酸钠、氯化钠、醋酸钠、柠檬酸钠等。2．温度和pH值

温度：在低离子强度溶液或纯水中，蛋白质的溶解度在一定温度范围内一般随温度升高而增大。

当离子强度较高时，升高温度有利于某些蛋白质的失水，因而温度升高，蛋白质溶解度下降。

pH值：等电点溶液中，净电荷为零，蛋白质之间静电排斥力最小，溶解度最低（β值最小），所以调节溶液

pH在等电点附近有利于提高盐析效果。所以，蛋白质的盐析沉淀操作须选择合适的pH和温度，使蛋白质的溶解度较小。同时盐析操作条件要温和，不能引起目标蛋白质的变性，所以盐析需在较低温度下进行。盐析操作2种加入方式：①加固体盐，工业常用。②加饱和溶液，实验室和小规模生产。

缺点：分辨率不高，须进行脱盐处理，才能进行后续的纯化操作。

优点：经济、简便、安全。等电点沉淀蛋白质有一重要的电特征，即等电点。由于蛋白质的带点性与溶液的pH有关，当溶液的pH为某一值时，蛋白质不带电，这时的pH值常用pI

表示，称为等电点。不同蛋白质的pI

值不同。在溶液的pH＝pI

时，蛋白质的溶解度最小。等电点沉淀法的依据是，基于不同蛋白质具有不同等电点的这一电特性，如果依次改变溶液的pH值，便可使具有不同pI

值的杂质蛋白质，依次沉淀而被除去。等电点沉淀的操作条件是：低离子强度；pH=PI。

优点：试剂消耗少，操作简便，引入外来物（杂质少。另外，磷酸、盐酸、硫酸等无机酸，对某些食品蛋白质的生产也都是允许使用的。与盐析法相比，无需后继的脱盐操作；缺点：等电点沉淀法通常只用于沉淀去除不需要的杂质蛋白质，而不用于沉淀产品蛋白质，因为沉淀时，容易引起蛋白质的变性失活。

有机溶剂沉淀概念：在含有蛋白质的水溶液中，加入亲水性有机