chapter2细胞分离与破碎课件

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1、第二章第二章 细胞分离与破碎细胞分离与破碎6 6 6 68/5/20248/5/20241 1chapter2chapter2细胞分离与破碎细胞分离与破碎固液分离的类型固液分离的类型1、过滤、过滤(重力过滤器、压滤器、真空过滤器重力过滤器、压滤器、真空过滤器)2、离心、离心3、重力沉降、重力沉降8/5/20248/5/20242 2chapter2chapter2细胞分离与破碎细胞分离与破碎发酵液的组成发酵液的组成悬浮液：指指固固体体颗颗粒粒在在0.10.1 mm以以上上的的固固液液分分散散体体系系。生生物物细细胞胞培培养液基本上也是悬浮液。养液基本上也是悬浮液。培养液的组成：水水70-70-

2、80%80% + + 固体细胞及碎片固体细胞及碎片20-30%(20-30%(对微生物发酵对微生物发酵) )+ + 少量的代谢成物少量的代谢成物 + + 细胞破裂后的内容物细胞破裂后的内容物 + +残存的培养基成分残存的培养基成分8/5/20248/5/20243 3chapter2chapter2细胞分离与破碎细胞分离与破碎培养液的基本特征培养液的基本特征A A A A、细细细细胞胞胞胞成成成成分分分分及及及及碎碎碎碎片片片片大大大大小小小小不不不不一一一一，颗颗颗颗粒粒粒粒大大大大小小小小 ，分分分分离离离离成成成成本本本本 。B B B B、固液密度相近，黏度高：沉降和离心分离困难、固液

3、密度相近，黏度高：沉降和离心分离困难、固液密度相近，黏度高：沉降和离心分离困难、固液密度相近，黏度高：沉降和离心分离困难C C C C、固固固固体体体体成成成成分分分分可可可可压压压压缩缩缩缩可可可可变变变变形形形形 + + + + 高高高高黏黏黏黏度度度度：过过过过滤滤滤滤困困困困难难难难，黏附在滤布，错流过滤形成凝胶层黏附在滤布，错流过滤形成凝胶层黏附在滤布，错流过滤形成凝胶层黏附在滤布，错流过滤形成凝胶层D D D D、动动动动植植植植物物物物细细细细胞胞胞胞抗抗抗抗剪剪剪剪切切切切力力力力差差差差：错错错错流流流流膜膜膜膜过过过过滤滤滤滤和和和和离离离离心心心心等等等等不适不适不适不适

4、E E E E、流流流流变变变变性性性性复复复复杂杂杂杂，非非非非牛牛牛牛顿顿顿顿型型型型流流流流体体体体，青青青青霉霉霉霉素素素素发发发发酵酵酵酵液液液液为为为为卡卡卡卡森森森森型型型型流流流流体体体体，120h120h120h120h链链链链霉霉霉霉素素素素发发发发酵酵酵酵液液液液为为为为拟拟拟拟塑塑塑塑性性性性流流流流体体体体，灰色链丝菌发酵液为塑性流体。灰色链丝菌发酵液为塑性流体。灰色链丝菌发酵液为塑性流体。灰色链丝菌发酵液为塑性流体。 8/5/20248/5/20244 4chapter2chapter2细胞分离与破碎细胞分离与破碎备注在高分子液体范畴内，可以粗略地把非牛顿型流在高分

5、子液体范畴内，可以粗略地把非牛顿型流在高分子液体范畴内，可以粗略地把非牛顿型流在高分子液体范畴内，可以粗略地把非牛顿型流体分为：体分为：体分为：体分为：纯粘性流体，但流动中粘度会发生变化，如某些纯粘性流体，但流动中粘度会发生变化，如某些纯粘性流体，但流动中粘度会发生变化，如某些纯粘性流体，但流动中粘度会发生变化，如某些涂料、油漆、食品等。涂料、油漆、食品等。涂料、油漆、食品等。涂料、油漆、食品等。粘弹性流体，大多数高分子熔体、高分子溶液是粘弹性流体，大多数高分子熔体、高分子溶液是粘弹性流体，大多数高分子熔体、高分子溶液是粘弹性流体，大多数高分子熔体、高分子溶液是典型的粘弹性流体，而且是非线性粘

6、弹性流体。典型的粘弹性流体，而且是非线性粘弹性流体。典型的粘弹性流体，而且是非线性粘弹性流体。典型的粘弹性流体，而且是非线性粘弹性流体。一些生物材料，如细胞液，蛋清等也同属此类。一些生物材料，如细胞液，蛋清等也同属此类。一些生物材料，如细胞液，蛋清等也同属此类。一些生物材料，如细胞液，蛋清等也同属此类。流动性质有时间依赖性的流体。如触变性流体，流动性质有时间依赖性的流体。如触变性流体，流动性质有时间依赖性的流体。如触变性流体，流动性质有时间依赖性的流体。如触变性流体，震凝性流体。震凝性流体。震凝性流体。震凝性流体。8/5/20248/5/20245 5chapter2chapter2细胞分离与

7、破碎细胞分离与破碎对微小而形状多变的微生物细胞，对微小而形状多变的微生物细胞，对微小而形状多变的微生物细胞，对微小而形状多变的微生物细胞，发酵液和其发酵液和其发酵液和其发酵液和其它生物溶液的固液分离就变得复杂了它生物溶液的固液分离就变得复杂了它生物溶液的固液分离就变得复杂了它生物溶液的固液分离就变得复杂了 。 一一一一般般般般，由由由由于于于于料料料料液液液液通通通通常常常常都都都都是是是是高高高高的的的的非非非非牛牛牛牛顿顿顿顿粘粘粘粘度度度度流流流流体体体体或或或或者者者者是是是是高高高高度度度度可可可可压压压压缩缩缩缩滤滤滤滤饼饼饼饼，发发发发酵酵酵酵液液液液和和和和其其其其它它它它生生

8、生生物物物物溶溶溶溶液液液液是是是是极极极极其其其其难难难难以过滤的，因此，必须对这些生物分离程序进行修改。以过滤的，因此，必须对这些生物分离程序进行修改。以过滤的，因此，必须对这些生物分离程序进行修改。以过滤的，因此，必须对这些生物分离程序进行修改。8/5/20248/5/20246 6chapter2chapter2细胞分离与破碎细胞分离与破碎预处理预处理预处理的目的预处理的目的: :改变发酵液的物理性质改变发酵液的物理性质改变发酵液的物理性质改变发酵液的物理性质 ( (黏黏黏黏度度度度、颗颗颗颗粒粒粒粒大大大大小小小小 、颗颗颗颗粒粒粒粒稳稳稳稳定定定定性性性性等等等等) )，固固固固液

9、液液液分分分分离速度离速度离速度离速度 ，分离器分离效率，分离器分离效率，分离器分离效率，分离器分离效率 ；目标产物转移其中一相目标产物转移其中一相目标产物转移其中一相目标产物转移其中一相( (多数为液相多数为液相多数为液相多数为液相) )；8/5/20248/5/20247 7chapter2chapter2细胞分离与破碎细胞分离与破碎1、加热加热 最最最最简简简简单单单单、最最最最经经经经济济济济的的的的预预预预处处处处理理理理方方方方法法法法是是是是加加加加热热热热，加加加加热热热热不不不不仅仅仅仅可可可可以以以以增增增增加加加加料料料料液液液液的的的的操操操操作作作作特特特特性性性性，

10、也也也也可可可可以以以以对对对对其其其其进进进进行行行行灭灭灭灭菌菌菌菌。但但但但加加加加热热热热变变变变性性性性的的的的方方方方法法法法只只只只适适适适合合合合于于于于对对对对热热热热稳稳稳稳定定定定性性性性的的的的产物。产物。产物。产物。 加加加加热热热热可可可可产产产产生生生生： 黏黏黏黏度度度度、促促促促凝凝凝凝聚聚聚聚、 固固固固体体体体成成成成分分分分体体体体积、破坏凝胶结构、增加空隙率、去蛋白积、破坏凝胶结构、增加空隙率、去蛋白积、破坏凝胶结构、增加空隙率、去蛋白积、破坏凝胶结构、增加空隙率、去蛋白8/5/20248/5/20248 8chapter2chapter2细胞分离与破

11、碎细胞分离与破碎2、调、调pH值：方法简单有效、成本低廉值：方法简单有效、成本低廉 pH pH直接影响发酵液中某些物质的电离度和电荷性质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，适当调节pHpH可改善其过滤特性。可改善其过滤特性。 对于氨基酸、蛋白质等两性物质作为杂质存在于液对于氨基酸、蛋白质等两性物质作为杂质存在于液体中时，常采用体中时，常采用调调pHpH至等电点使两性物质沉淀至等电点使两性物质沉淀。 另外，在膜分离中，发酵液中的大分子物质易与膜另外，在膜分离中，发酵液中的大分子物质易与膜发生吸附，常通过调整发生吸附，常通过调整pHpH，改变易吸附分子的电荷性质，改变易吸附分子的

12、电荷性质，以，以减少吸附造成的堵塞和污染减少吸附造成的堵塞和污染。 此外，细胞、细胞碎片及某些胶体物质等在某个此外，细胞、细胞碎片及某些胶体物质等在某个pHpH下也可能趋于下也可能趋于絮凝絮凝而成为较大颗粒，有利于固液分离。而成为较大颗粒，有利于固液分离。8/5/20248/5/20249 9chapter2chapter2细胞分离与破碎细胞分离与破碎3、凝聚和絮凝、凝聚和絮凝通过电解质的加入促进原始溶液的通过电解质的加入促进原始溶液的通过电解质的加入促进原始溶液的通过电解质的加入促进原始溶液的凝聚和絮凝凝聚和絮凝凝聚和絮凝凝聚和絮凝主主主主要要要要作作作作用用用用为为为为增增增增大大大大混混

13、混混合合合合液液液液中中中中悬悬悬悬浮浮浮浮粒粒粒粒子子子子的的的的体体体体积积积积，提提提提高高高高固固固固液分离速度，同时可除去一些杂质。液分离速度，同时可除去一些杂质。液分离速度，同时可除去一些杂质。液分离速度，同时可除去一些杂质。8/5/20248/5/20241010chapter2chapter2细胞分离与破碎细胞分离与破碎凝聚和絮凝是两种方法，两个概念。凝聚和絮凝是两种方法，两个概念。凝聚和絮凝是两种方法，两个概念。凝聚和絮凝是两种方法，两个概念。凝聚：指在投加的化学物凝聚：指在投加的化学物凝聚：指在投加的化学物凝聚：指在投加的化学物质质（铝铝、铁铁的的的的盐类盐类或石灰或石灰或

14、石灰或石灰等）作用下，胶体脱等）作用下，胶体脱等）作用下，胶体脱等）作用下，胶体脱稳稳并使粒子相互聚集成并使粒子相互聚集成并使粒子相互聚集成并使粒子相互聚集成mm mm mm mm 大大大大小小小小块块状状状状凝聚体凝聚体凝聚体凝聚体的的的的过过程。程。程。程。絮凝：指使用絮凝絮凝：指使用絮凝絮凝：指使用絮凝絮凝：指使用絮凝剂剂（天然的和合成的大分子量聚（天然的和合成的大分子量聚（天然的和合成的大分子量聚（天然的和合成的大分子量聚电电解解解解质质）将胶体粒子交）将胶体粒子交）将胶体粒子交）将胶体粒子交联联成网，形成成网，形成成网，形成成网，形成10mm10mm10mm10mm大小絮凝大小絮凝大

15、小絮凝大小絮凝团团的的的的过过程。其中絮凝程。其中絮凝程。其中絮凝程。其中絮凝剂剂主要起主要起主要起主要起架架架架桥桥作用。作用。作用。作用。8/5/20248/5/20241111chapter2chapter2细胞分离与破碎细胞分离与破碎凝聚：胶体粒子凝聚：胶体粒子凝聚：胶体粒子凝聚：胶体粒子(10-100nm)(10-100nm)(10-100nm)(10-100nm)中性中性中性中性盐盐促促促促进进下脱下脱下脱下脱稳稳相互相互相互相互聚集成大粒子（聚集成大粒子（聚集成大粒子（聚集成大粒子（1mm1mm1mm1mm） 机理：机理：机理：机理：a a a a 中和粒子表面中和粒子表面中和粒

16、子表面中和粒子表面电电荷荷荷荷 b b b b 消除双消除双消除双消除双电层结电层结构构构构絮凝：大分子聚絮凝：大分子聚絮凝：大分子聚絮凝：大分子聚电电解解解解质质将胶体粒子交将胶体粒子交将胶体粒子交将胶体粒子交联联成网状，形成网状，形成网状，形成网状，形成絮凝成絮凝成絮凝成絮凝团团的的的的过过程程程程 机理：架机理：架机理：架机理：架桥桥作用作用作用作用8/5/20248/5/20241212chapter2chapter2细胞分离与破碎细胞分离与破碎 凝聚和絮凝技术能有效的改变细胞菌体凝聚和絮凝技术能有效的改变细胞菌体凝聚和絮凝技术能有效的改变细胞菌体凝聚和絮凝技术能有效的改变细胞菌体和蛋

17、白质等胶体粒子的和蛋白质等胶体粒子的和蛋白质等胶体粒子的和蛋白质等胶体粒子的分散状态分散状态分散状态分散状态, , , ,使其聚集起使其聚集起使其聚集起使其聚集起来来来来, , , ,增大体积以便固液分离增大体积以便固液分离增大体积以便固液分离增大体积以便固液分离, , , ,常用于菌体细小常用于菌体细小常用于菌体细小常用于菌体细小而且黏度大的发酵液的预处理中而且黏度大的发酵液的预处理中而且黏度大的发酵液的预处理中而且黏度大的发酵液的预处理中. . . .8/5/20248/5/20241313chapter2chapter2细胞分离与破碎细胞分离与破碎发酵液的带电现象发酵液中的细胞、菌体或蛋

18、白质等胶体粒子的表面，发酵液中的细胞、菌体或蛋白质等胶体粒子的表面，发酵液中的细胞、菌体或蛋白质等胶体粒子的表面，发酵液中的细胞、菌体或蛋白质等胶体粒子的表面，一般都带有电荷，带电的原因很多，主要是一般都带有电荷，带电的原因很多，主要是一般都带有电荷，带电的原因很多，主要是一般都带有电荷，带电的原因很多，主要是吸附溶吸附溶吸附溶吸附溶液中的离子或自身基团的电离液中的离子或自身基团的电离液中的离子或自身基团的电离液中的离子或自身基团的电离。通常发酵液中细胞。通常发酵液中细胞。通常发酵液中细胞。通常发酵液中细胞或菌体带有负电荷，由于静电引力的作用使溶液中或菌体带有负电荷，由于静电引力的作用使溶液中

19、或菌体带有负电荷，由于静电引力的作用使溶液中或菌体带有负电荷，由于静电引力的作用使溶液中带相反电荷的粒于（即正离子）被吸附在其周围，带相反电荷的粒于（即正离子）被吸附在其周围，带相反电荷的粒于（即正离子）被吸附在其周围，带相反电荷的粒于（即正离子）被吸附在其周围，在界面上形成了在界面上形成了在界面上形成了在界面上形成了双电层双电层双电层双电层。8/5/20248/5/20241414chapter2chapter2细胞分离与破碎细胞分离与破碎凝聚剂种类凝聚剂种类凝聚剂种类凝聚剂种类：A A、无无无无机机机机盐盐盐盐类类类类：如如如如硫硫硫硫酸酸酸酸铝铝铝铝、明明明明矾矾矾矾、硫硫硫硫酸酸酸酸铁

20、铁铁铁、硫硫硫硫酸酸酸酸亚亚亚亚铁铁铁铁、FeClFeCl3 3、AlClAlCl3 3、ZnClZnCl2 2、硫酸镁等；、硫酸镁等；、硫酸镁等；、硫酸镁等；B B、无机碱：如、无机碱：如、无机碱：如、无机碱：如Al(OH)Al(OH)3 3、Fe(OH)Fe(OH)3 3、Ca(OH)Ca(OH)2 2、CaOCaO等；等；等；等；C C、聚合无机盐，如聚合铝、聚合铁。、聚合无机盐，如聚合铝、聚合铁。、聚合无机盐，如聚合铝、聚合铁。、聚合无机盐，如聚合铝、聚合铁。 机机机机理理理理：A A、破破破破坏坏坏坏双双双双电电电电层层层层，B B、水水水水解解解解后后后后胶胶胶胶体体体体吸吸吸吸附

21、附附附，C C、氢键结合等。氢键结合等。氢键结合等。氢键结合等。8/5/20248/5/20241515chapter2chapter2细胞分离与破碎细胞分离与破碎絮凝剂种类絮凝剂种类：A、阳离子类，如聚丙烯酰胺、阳离子类，如聚丙烯酰胺(+)、聚苯烯酸二烷基胺乙酯、聚、聚苯烯酸二烷基胺乙酯、聚二烯丙基四胺；二烯丙基四胺；B、阴离子类，如聚丙烯酸纳、聚苯乙烯磺酸、聚丙烯酰胺、阴离子类，如聚丙烯酸纳、聚苯乙烯磺酸、聚丙烯酰胺(-)；C、非离子类，如聚丙烯酰胺、非离子类，如聚丙烯酰胺(0)、环氧化乙烯。、环氧化乙烯。机理机理：絮凝剂主要起中和电荷、桥架和网络作用絮凝剂主要起中和电荷、桥架和网络作用8

22、/5/20248/5/20241616chapter2chapter2细胞分离与破碎细胞分离与破碎一种颗粒均匀、质地坚硬的粒状物质，用于扩大过一种颗粒均匀、质地坚硬的粒状物质，用于扩大过滤表面的适应范围，减轻细小颗粒的快速挤压变形和过滤表面的适应范围，减轻细小颗粒的快速挤压变形和过滤介质的堵塞。滤介质的堵塞。使用方法使用方法：A、预涂层；、预涂层；B、按一定比率混合。、按一定比率混合。助滤剂种类助滤剂种类：硅藻土、膨胀珍珠岩、石棉、纤维素、：硅藻土、膨胀珍珠岩、石棉、纤维素、未活化的炭、炉渣、重质碳酸钙，及它们的混合物等。未活化的炭、炉渣、重质碳酸钙，及它们的混合物等。用量标准用量标准：A、单

23、位质量助滤剂所产生的最大滤液产、单位质量助滤剂所产生的最大滤液产量量(最常用最常用)；B、或最长周期；、或最长周期；C、或最快流速；、或最快流速；D、或、或滤饼的最大空间利用度。滤饼的最大空间利用度。4、惰性助滤剂：、惰性助滤剂：8/5/20248/5/20241717chapter2chapter2细胞分离与破碎细胞分离与破碎0020040060061218pH4.6pH4.2pH3.8pH2.8FiltrateVolume,cm3Time,minutesFig2.1TheeffectonfiltratevolumeofpHandfilteraid图2.1pH值与助滤剂对过滤体积的影响8/5

24、/20248/5/20241818chapter2chapter2细胞分离与破碎细胞分离与破碎(b)Effectoffilteraid1%filteraidinfeed2%3%5%Time,minutes0010040060061218FiltrateVolume,cm3Fig2.1TheeffectonfiltratevolumeofpHandfilteraid图2.1pH值与助滤剂对过滤体积的影响（续）8/5/20248/5/20241919chapter2chapter2细胞分离与破碎细胞分离与破碎 有时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

25、。 加入反应剂和某些可溶性盐类发生反应生成不溶性沉淀，如CaSO4 、磷酸铝 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。5 5 5 5加入反应剂加入反应剂加入反应剂加入反应剂8/5/20248/5/20242020chapter2chapter2细胞分离与破碎细胞分离与破碎例子： 在新生霉素发酵液中加入氯化钙和磷酸钠，生成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它阳离子，以免影响

26、环丝氨酸的离子交换吸附。8/5/20248/5/20242121chapter2chapter2细胞分离与破碎细胞分离与破碎发酵液的相对纯化发酵液的相对纯化1.无机离子的去除无机离子的去除Ca2+、Mg2+、Fe2+等Ca2+离子浓度较高时，可采用可溶性盐，如草酸钠等Mg2+离子的去除一般采用加入三聚磷酸钠磷酸盐处理，也能大大降低Ca2+、Mg2+离子的浓度铁离子，可加入黄血盐，使其形成普鲁士蓝沉淀而除去8/5/20248/5/20242222chapter2chapter2细胞分离与破碎细胞分离与破碎 利用各种沉淀方法，可以去除液相中各种蛋白质。常用的有等电点沉淀法、变性沉淀法、盐析法、有机

27、溶剂沉淀法、反应沉淀法等。这些沉淀方法既可以作为除杂质的方法，也可以作为提取目标产物的技术手段。2 2杂蛋白的去除杂蛋白的去除8/5/20248/5/20242323chapter2chapter2细胞分离与破碎细胞分离与破碎 酶解法可将混合液中的不溶性多糖物质酶解，使其转化为溶解度较大的单糖，从而改变流体的流动特性，提高过滤速率。 例如：万古霉素用淀粉作培养基，发酵完成后，发酵液中多余的淀粉使混合液粘度较大，当加入0.025的淀粉酶后，搅拌30min，再加2.5助滤剂（硅藻土），可使过滤速率提高5倍。 3 3多糖的去除多糖的去除8/5/20248/5/20242424chapter2chap

28、ter2细胞分离与破碎细胞分离与破碎 发酵液中有色物质可能是由于微生物生长代谢过程分泌的，也可能是培养基（如糖蜜、玉米浆等）带来的，色素物质化学性质的多样性增加了脱色的难度。 色素物质的去除，一般以使用离子交换树脂、离子交换纤维、活性炭等材料的吸附法来脱色最为普遍。例如活性炭可用于柠檬酸发酵液的脱色，盐型强碱性阴离子交换树脂可用于解朊酶和果胶酶溶液的脱色，磷酸型阴离子交换树脂被用于谷氨酸发酵液的脱色等。一般发酵液的脱色往往是在过滤除去菌体后进行。4 4有色物质的去除有色物质的去除8/5/20248/5/20242525chapter2chapter2细胞分离与破碎细胞分离与破碎2.1 细胞分离

29、8/5/20248/5/20242626chapter2chapter2细胞分离与破碎细胞分离与破碎TheThefirstfirststepstepininmostmostindustrialindustrialbioseparationsbioseparationsisisthetheremovalremovalofof insolubleinsoluble solidssolids fromfrom thethe fermentationfermentation beer.beer.TheTheconcentrationandsizeoftheseinsolublesvarieswidel

30、y.concentrationandsizeoftheseinsolublesvarieswidely. 大大大大部部部部分分分分工工工工业业业业生生生生物物物物分分分分离离离离的的的的第第第第一一一一步步步步往往往往往往往往是是是是将将将将不不不不溶溶溶溶物物物物质质质质从从从从发发发发酵酵酵酵液液液液中中中中除去。这些不溶性固体的浓度和颗粒大小的变化范围很宽。除去。这些不溶性固体的浓度和颗粒大小的变化范围很宽。除去。这些不溶性固体的浓度和颗粒大小的变化范围很宽。除去。这些不溶性固体的浓度和颗粒大小的变化范围很宽。TheTheconcentrationconcentrationcancanb

31、ebeasashighhighasas60%60%perpervolumevolumeororasaslowas0.1%.lowas0.1%. 浓浓浓浓度度度度可可可可高高高高达达达达每每每每单单单单位位位位体体体体积积积积含含含含60%60%的的的的不不不不溶溶溶溶性性性性固固固固体体体体，又又又又可可可可低低低低至至至至每每每每单单单单位体积仅含位体积仅含位体积仅含位体积仅含0.1%0.1%。8/5/20248/5/20242727chapter2chapter2细胞分离与破碎细胞分离与破碎The size ranges from microorganisms ofperhaps 1 um

32、 diameter up to insolublenutrientscharacteristically1mmindiameter粒粒径径的的变变化化可可以以从从直直径径约约为为1um的的微微生生物物，到直径为到直径为1mm的不溶性物质。的不溶性物质。Whentheseinsolublesaredilute,large&rigid,theycanbeeasilyseparatedbyfiltration.对对于于这这些些浓浓度度较较小小，粒粒径径较较大大，硬硬度度较较强的不溶物，我们可以采用过滤方法分离。强的不溶物，我们可以采用过滤方法分离。8/5/20248/5/20242828chapte

33、r2chapter2细胞分离与破碎细胞分离与破碎WhenWhen thethe beersbeers areare notnot easilyeasily filtered,filtered, theytheysometimescanbeseparatedbycentrifugation.sometimescanbeseparatedbycentrifugation. 当当当当发发发发酵酵酵酵液液液液不不不不易易易易被被被被过过过过滤滤滤滤纯纯纯纯化化化化时时时时，我我我我们们们们可可可可以以以以采采采采用用用用离离离离心心心心的方法来分离。的方法来分离。的方法来分离。的方法来分离。Centr

34、ifugationCentrifugationrequiresrequiresmoremoreexpensiveexpensiveequipmentequipmentthanthan filtration.filtration. However,However, itit isis oftenoften effectiveeffective waywayeveneven whenwhen thethe solidsolid particlesparticles areare smallsmall & hencehencehardtofilter.hardtofilter. 与与与与过过过过滤滤

35、滤滤设设设设备备备备相相相相比比比比，离离离离心心心心设设设设备备备备的的的的价价价价格格格格昂昂昂昂贵贵贵贵。但但但但当当当当固固固固体体体体颗颗颗颗粒粒粒粒细细细细小小小小而而而而难难难难以以以以过过过过滤滤滤滤时时时时，离离离离心心心心操操操操作作作作往往往往显显显显得得得得十十十十分分分分有效。有效。有效。有效。8/5/20248/5/20242929chapter2chapter2细胞分离与破碎细胞分离与破碎CentrifugationCentrifugation utilizesutilizes thethe densitydensity differencedifference

36、betweenbetweenthethesolidssolidsandandthethesurroundingsurrounding fluid.fluid.WhenWhena asuspensionsuspensionisisallowedallowedtotostand,stand,thethedenserdensersolidssolidsslowlyslowlysettlesettletotothethebottombottomofofthethecontainercontainerunderunderthetheinfluenceinfluenceofofgravity,gravit

37、y,a aprocessprocess calledcalled sedimentation.sedimentation. WhenWhen thisthis settlingsettling isisacceleratedacceleratedwithwitha acentrifugalcentrifugalfield,field,thetheprocessprocessisiscalledcalledcentrifugation.centrifugation.BecauseBecausesedimentationsedimentation¢rifugationcentrifugat

38、ionaresimilar,botharediscussedhere.aresimilar,botharediscussedhere. 离离离离心心心心分分分分离离离离是是是是基基基基于于于于固固固固体体体体颗颗颗颗粒粒粒粒和和和和周周周周围围围围液液液液体体体体 密密密密度度度度 存存存存在在在在差差差差异异异异，在在在在离离离离心心心心场场场场中中中中使使使使不不不不同同同同密密密密度度度度的的的的固固固固体体体体颗颗颗颗粒粒粒粒加加加加速速速速沉沉沉沉降降降降的的的的分分分分离离离离过过过过程程程程，当当当当静静静静置置置置悬悬悬悬浮浮浮浮液液液液时时时时，密密密密度度度度较较较较大大大

39、大的的的的固固固固体体体体颗颗颗颗粒粒粒粒在在在在重重重重力力力力作作作作用用用用下下下下逐逐逐逐渐渐渐渐下下下下沉沉沉沉，这这这这一一一一过过过过程程程程称称称称为为为为沉沉沉沉降降降降。由由由由于于于于沉沉沉沉降降降降和和和和离离离离心心心心相相相相似似似似，这这这这儿就放在一块讨论。儿就放在一块讨论。儿就放在一块讨论。儿就放在一块讨论。8/5/20248/5/20243030chapter2chapter2细胞分离与破碎细胞分离与破碎TheThe solidsolid concentrateconcentrate producedproduced byby centrifugationc

40、entrifugation differsdiffersfromthatproducedbyfiltrationfromthatproducedbyfiltration。离心产生的固体浓缩物和过滤产生的浓缩不同。离心产生的固体浓缩物和过滤产生的浓缩不同。离心产生的固体浓缩物和过滤产生的浓缩不同。离心产生的固体浓缩物和过滤产生的浓缩不同。AAbestbestcentrifugationcentrifugationproducesproducesa apaste,paste,oftenoftenitityieldsyieldsonlyonlya amoreconcentratedsuspensio

41、n.moreconcentratedsuspension.通常情况下离心只能得到一种较为浓缩的悬浮液或浆体。通常情况下离心只能得到一种较为浓缩的悬浮液或浆体。通常情况下离心只能得到一种较为浓缩的悬浮液或浆体。通常情况下离心只能得到一种较为浓缩的悬浮液或浆体。FiltrationFiltrationproduces,produces, relativelyrelativelydrydry cake,cake, whichwhich isis a a majormajoradvantage.advantage.而过滤可获得的水分含量较低的滤饼。而过滤可获得的水分含量较低的滤饼。而过滤可获得的水分含

42、量较低的滤饼。而过滤可获得的水分含量较低的滤饼。However,However,manymanybiologicalbiologicalfeeds,feeds,whichwhichcancanbebecentrifugedcentrifugedcancannotnotbebeeffectivelyeffectivelyfiltered,filtered,sosothatthatcentrifugationcentrifugationisisoftenoftenanattractivealternative.anattractivealternative. 但但但但是是是是，对对对对大大大大多多

43、多多数数数数生生生生物物物物发发发发酵酵酵酵液液液液可可可可以以以以离离离离心心心心但但但但不不不不能能能能有有有有效效效效地地地地过过过过滤滤滤滤分分分分离，所以离心往往是很有效的方法。离，所以离心往往是很有效的方法。离，所以离心往往是很有效的方法。离，所以离心往往是很有效的方法。8/5/20248/5/20243131chapter2chapter2细胞分离与破碎细胞分离与破碎SettlingofSolidsSettlingofSolids颗粒的沉降颗粒的沉降颗粒的沉降颗粒的沉降 WhenWhen a a solidsolid particleparticle movesmoves thr

44、oughthrough anan infiniteinfinitecontinuum,itsvelocityisaffectedbytwoforces.continuum,itsvelocityisaffectedbytwoforces. 当当当当一一一一固固固固体体体体微微微微粒粒粒粒通通通通过过过过无无无无限限限限连连连连续续续续介介介介质质质质时时时时，它它它它的的的的运运运运动动动动速速速速度度度度受受受受两两两两种力的影响：种力的影响：种力的影响：种力的影响：FirstFirst isis thethe particleparticle isis acceleratedacceler

45、ated byby thethe buoyantbuoyant forceforceresultingresultingfromfromthethedensitydensitydifferencedifferencebetweenbetweenthetheparticleparticle&thefluid.Thesurroundingbroth.&thefluid.Thesurroundingbroth. 一一一一是是是是微微微微粒粒粒粒受受受受到到到到因因因因微微微微粒粒粒粒和和和和流流流流体体体体介介介介质质质质间间间间密密密密度度度度不不不不同同同同而而而而产产产产生生生生的的的的浮浮浮

46、浮力力力力作用；作用；作用；作用；SecondSecond isis articlearticle isis retardedretarded byby thethe dragdrag forceforce casedcased bybythismotion.thismotion.二是微粒所受到的流体阻力作用。二是微粒所受到的流体阻力作用。二是微粒所受到的流体阻力作用。二是微粒所受到的流体阻力作用。8/5/20248/5/20243232chapter2chapter2细胞分离与破碎细胞分离与破碎Fdd=2R球形颗粒沉降的受力情况球形颗粒沉降的受力情况8/5/20248/5/20243333c

47、hapter2chapter2细胞分离与破碎细胞分离与破碎颗粒沉降颗粒沉降（Sedimentation）根据沉降作用力可分为：重力沉降、离心沉降根据沉降作用力可分为：重力沉降、离心沉降根据沉降粒子间相互影响程度可分为：自由沉降和干扰沉降根据沉降粒子间相互影响程度可分为：自由沉降和干扰沉降4.1重力沉降重力沉降（Gravitationalsedimentation）（1）球形颗粒的自由沉降速度）球形颗粒的自由沉降速度 以重力的方向为正方向以重力的方向为正方向 Fb浮力浮力 Fd阻力阻力Fg重力重力什么情况下颗粒在流体中会发生沉降过程？什么情况下颗粒在流体中会发生沉降过程？8/5/20248/5/

48、20243434chapter2chapter2细胞分离与破碎细胞分离与破碎重力沉降重力沉降重力沉降重力沉降（GravitationalsedimentationGravitationalsedimentation）直径为直径为d、颗粒密度为、颗粒密度为s的球形颗粒在密度为流体中的重的球形颗粒在密度为流体中的重力和浮力分别为：力和浮力分别为：重力：重力：（N）浮力：浮力：（N）tuu0加速段加速段匀速段匀速段 颗颗粒粒做做匀匀速速运运动动，沉沉降降速速度度恒恒定定不不变变，该该速速度度称称为为自自由由沉降速度沉降速度。达到恒定的沉降速度时，合力为：。达到恒定的沉降速度时，合力为： 阻力：阻力：

49、（N）阻力系数阻力系数8/5/20248/5/20243535chapter2chapter2细胞分离与破碎细胞分离与破碎（球形颗粒的自由沉降速度）（球形颗粒的自由沉降速度）（2）阻力（曳力）系数（）阻力（曳力）系数（Dragcoefficient）与流体的流动阻力系数类似，阻力（曳力）系数与颗粒与流体的流动阻力系数类似，阻力（曳力）系数与颗粒沉降雷诺数有关，即沉降雷诺数有关，即注意：注意：其中其中d为颗粒直径，为颗粒直径，u0为颗粒的沉降速度，为颗粒的沉降速度，、分别分别为流体的密度与粘度。为流体的密度与粘度。8/5/20248/5/20243636chapter2chapter2细胞分离与

50、破碎细胞分离与破碎通过实验得到曳力系数与雷诺数的关系绘成算图通过实验得到曳力系数与雷诺数的关系绘成算图,将他们将他们回归成关联式为：回归成关联式为：过渡区（过渡区（Allen区，区，2Re0500）湍流区（牛顿区，湍流区（牛顿区，500Re0200000后，后，骤然下降，在骤然下降，在Re0=(310)105范围内范围内可近似取可近似取=0.1。层流区（层流区（Stokes区，区，Re02或或0.3）（Stokes定律）定律）8/5/20248/5/20243737chapter2chapter2细胞分离与破碎细胞分离与破碎以以上上的的沉沉降降过过程程为为在在重重力力作作用用下下球球形形颗粒的

51、颗粒的自由沉降自由沉降：颗粒为球形；颗粒为球形；颗粒沉降时彼此相距较远，互不干扰；颗粒沉降时彼此相距较远，互不干扰；容器壁对沉降的阻滞作用可以忽略；容器壁对沉降的阻滞作用可以忽略；颗颗粒粒直直径径不不能能小小到到受受流流体体分分子子运运动动的的影影响。响。8/5/20248/5/20243838chapter2chapter2细胞分离与破碎细胞分离与破碎在实际情况中还需考虑以下因素的影响：在实际情况中还需考虑以下因素的影响：干扰沉降；干扰沉降；端效应；端效应；分子运动；分子运动；非球形；非球形；液滴或气泡的运动液滴或气泡的运动。8/5/20248/5/20243939chapter2chapt

52、er2细胞分离与破碎细胞分离与破碎2.1.22.1.2离心沉降离心沉降 离心力：离心力：离心力：离心力： StocksForce(StocksForce(粘滞力粘滞力粘滞力粘滞力) )：离心沉降速度：离心沉降速度：离心沉降速度：离心沉降速度：分离因子定义分离因子定义分离因子定义分离因子定义FrFr：离心力：离心力/ /重力加速度重力加速度(g)(g)的比值的比值意意义义：衡衡量量离离心心设设备备的的离离心心程程度度的的重重要要技技术术参参数数，用用于于离离心心机的分类机的分类8/5/20248/5/20244040chapter2chapter2细胞分离与破碎细胞分离与破碎 注意：注意：离心沉

53、降与重力沉降的类比。离心沉降与重力沉降的类比。颗粒离心沉降的速度方向是由圆心沿径向指向外周，但由于颗粒离心沉降的速度方向是由圆心沿径向指向外周，但由于颗粒和流体同时做圆周运动，颗粒的实际运动轨迹是一个半颗粒和流体同时做圆周运动，颗粒的实际运动轨迹是一个半径逐渐扩大的螺旋线。离心沉降速度并不是颗粒的实际运动径逐渐扩大的螺旋线。离心沉降速度并不是颗粒的实际运动速度，只是其在径向上的分量。速度，只是其在径向上的分量。 r1r2ArCBuruut颗粒在旋转流体中的运动颗粒在旋转流体中的运动8/5/20248/5/20244141chapter2chapter2细胞分离与破碎细胞分离与破碎ForFors

54、ettling,settling,thetheaccelerationaccelerationisisobviouslyobviouslydueduetotogravityg.gravityg.对于沉降，重力沉降加速度为重力加速度）对于沉降，重力沉降加速度为重力加速度）对于沉降，重力沉降加速度为重力加速度）对于沉降，重力沉降加速度为重力加速度） g=dg=d2 2(s s-)g/(18)(2.6)-)g/(18)(2.6)2.1.22.1.2离心沉降离心沉降 8/5/20248/5/20244242chapter2chapter2细胞分离与破碎细胞分离与破碎Second,forcentrifu

55、gation,theaccelerationisdifferentSecond,forcentrifugation,theaccelerationisdifferent离心沉降加速度则不同离心沉降加速度则不同离心沉降加速度则不同离心沉降加速度则不同a=ra=r2 2s s=d=d2 2(s s-)r-)r2 2/(18)(2.16)/(18)(2.16)Whereistheangularrotationinrad/sec,Whereistheangularrotationinrad/sec,-转鼓回转角速度，转鼓回转角速度，转鼓回转角速度，转鼓回转角速度，r/sr/s）r risisradia

56、lradialdistancedistancefromfromthethecentercenterofofthethecentrifugecentrifugetotothesphere.thesphere.rr为转鼓中心轴线与微粒间距离，为转鼓中心轴线与微粒间距离，为转鼓中心轴线与微粒间距离，为转鼓中心轴线与微粒间距离，mm8/5/20248/5/20244343chapter2chapter2细胞分离与破碎细胞分离与破碎代入上式代入上式（2.15） s s=d=d2 2(s s-)r-)r2 2/(18)(2.16)/(18)(2.16)还可以用还可以用还可以用还可以用表达表达表达表达其中其

57、中其中其中S S称为沉降系数，是溶剂物性的常数称为沉降系数，是溶剂物性的常数称为沉降系数，是溶剂物性的常数称为沉降系数，是溶剂物性的常数2.1.22.1.2离心沉降离心沉降 8/5/20248/5/20244444chapter2chapter2细胞分离与破碎细胞分离与破碎沉降系数沉降系数沉降系数沉降系数(sedimentationcoefficient,(sedimentationcoefficient,S S=Svedbergs=10=Svedbergs=10-13-13s)s)：S S计算：计算：计算：计算：颗粒在颗粒在颗粒在颗粒在2020 CC水中的水中的水中的水中的S Sw,20w,

58、20为为为为v v 为为为为溶溶溶溶质质质质( (颗颗颗颗粒粒粒粒) )的的的的单单单单位位位位质质质质量量量量的的的的体体体体积积积积, , w,20w,20和和和和 L,TL,T分分分分别别别别为为为为2020 CC的的的的水水水水和和和和T T CC溶溶溶溶剂剂剂剂的的的的黏黏黏黏度度度度， w,20w,20和和和和 L,TL,T 分别为分别为分别为分别为2020 CC的水和的水和的水和的水和T T CC溶剂的密度。溶剂的密度。溶剂的密度。溶剂的密度。 S Sw,20w,20与溶质（颗粒）浓度有关：与溶质（颗粒）浓度有关：与溶质（颗粒）浓度有关：与溶质（颗粒）浓度有关：为为为为c c0

59、0时的沉降系数时的沉降系数时的沉降系数时的沉降系数( (2020 CC的水的水的水的水),k),k为常数为常数为常数为常数2.1.22.1.2离心沉降离心沉降 8/5/20248/5/20244545chapter2chapter2细胞分离与破碎细胞分离与破碎通过对通过对积分积分可以得到溶质完全沉降所需的时间可以得到溶质完全沉降所需的时间2.1.22.1.2离心沉降离心沉降 8/5/20248/5/20244646chapter2chapter2细胞分离与破碎细胞分离与破碎2.1.2.2 离心分离法1） 差速离心分级2）区带离心 （密度梯度离心） 差速区带离心 平衡区带离心 8/5/20248

60、/5/20244747chapter2chapter2细胞分离与破碎细胞分离与破碎8/5/20248/5/20244848chapter2chapter2细胞分离与破碎细胞分离与破碎2.1.2.3 2.1.2.3 离心分离设备离心分离设备按分离因子按分离因子按分离因子按分离因子FrFr分类分类分类分类 1) 1)、常速离心机、常速离心机Fr 3,000g Fr 8000-15000g8000-15000g 4) 4)、超速离心机，、超速离心机，Fr = 20,000 1,000,000gFr = 20,000 1,000,000g8/5/20248/5/20244949chapter2chap

61、ter2细胞分离与破碎细胞分离与破碎用途分类用途分类用途分类用途分类 1) 1)、分析性：超速离心机、分析性：超速离心机 2) 2)、制备性：、制备性：A A、实验室用；、实验室用；B B、工业用、工业用工业应用分类工业应用分类工业应用分类工业应用分类 1) 1)、管式离心机、管式离心机 2) 2)、多室离心机（管式离心机的变形）、多室离心机（管式离心机的变形） 3)3)、碟碟式式离离心心机机：、人人工工排排渣渣式式, , 、喷喷嘴嘴排排渣渣式式, , 、活塞排渣式活塞排渣式 4) 4)、螺旋卸料沉降离心机、螺旋卸料沉降离心机 5) 5)、离心过滤、离心过滤 6) 6)、三足式离心机、三足式离

62、心机2.1.2.3 2.1.2.3 离心分离设备离心分离设备8/5/20248/5/20245050chapter2chapter2细胞分离与破碎细胞分离与破碎8/5/20248/5/20245151chapter2chapter2细胞分离与破碎细胞分离与破碎管式离心机管式离心机操作：操作：操作：操作：应用：应用：应用：应用：A A、液、液- -液分离液分离( (连续式连续式) )， B B、低固体含量、低固体含量(1%)(1%)的固的固- -液分离液分离( (间歇式间歇式) )。主要技术指标：主要技术指标：主要技术指标：主要技术指标： A A、离心管直径、离心管直径40-150mm40-15

63、0mm，长径比，长径比4-84-8； B B、离心强度、离心强度800015000g800015000g； C C、处理能力、处理能力100-400 L/h100-400 L/h； D D、适适应应的的颗颗粒粒直直径径0.01-1000.01-100 mm，固固液液密密度度差差大于大于0.01g/cm0.01g/cm3 3，固体含量小于，固体含量小于1%1%优点：优点：优点：优点：A A、结构简单，价廉，、结构简单，价廉， B B、分离效果好，分离因子高、分离效果好，分离因子高800015000g800015000g缺点：缺点：缺点：缺点：A A、处理能力有限、处理能力有限; ; B B、低固

64、体含量的悬浮液、低固体含量的悬浮液(1%)( 0.10.1 mm，E E、固固体浓度体浓度 。优优优优点点点点( (与与与与管管管管式式式式比比比比较较较较) )：A A、加加强强功功能能：分分离离液液流流程程 、沉沉降降面面积积 、流流层层减减薄薄、沉沉降降距离减小；距离减小； B B、颗颗粒粒的的筛筛分分作作用用：粗粗颗颗粒粒沉沉降降到到内内层分离室，细颗粒沉降到外层分离室层分离室，细颗粒沉降到外层分离室. .缺点：缺点：缺点：缺点：沉淀清理困难。沉淀清理困难。8/5/20248/5/20245757chapter2chapter2细胞分离与破碎细胞分离与破碎碟式离心机碟式离心机化学、制药

65、和生化工业应用最广泛化学、制药和生化工业应用最广泛化学、制药和生化工业应用最广泛化学、制药和生化工业应用最广泛特点：特点：特点：特点：A A、10-10010-100个锥顶角为个锥顶角为60-10060-100 的锥形碟片；的锥形碟片；B B、碟碟片片距距很很短短0.5-2.5mm0.5-2.5mm，沉沉降降距距离离极极短短，分分离效果高；离效果高；C C、碟片多，沉降面积大，增加分离效果；、碟片多，沉降面积大，增加分离效果；D D、抗对流效果高。、抗对流效果高。分类：分类：分类：分类：、人工排渣式、人工排渣式; ;、喷嘴排渣式、喷嘴排渣式; ; C C、活塞排渣式。、活塞排渣式。 8/5/2

66、0248/5/20245858chapter2chapter2细胞分离与破碎细胞分离与破碎人工排渣碟片离心机操作：操作：操作：操作：应用：应用：应用：应用：A A、液、液- -液分离，并含少量固体，液分离，并含少量固体，B B、固、固- -液分离，固相含量小于液分离，固相含量小于%，C C、澄清操作。、澄清操作。 主主主主要要要要技技技技术术术术指指指指标标标标：A A、分分离离因因子子10000g10000g以以上上；B B、适适应应的的颗颗粒粒直直径径0.02200.0220 mm，固体含量小于固体含量小于%，C C、 100t/h 100t/h。优点：优点：优点：优点：A A、分离因子达

67、、分离因子达10000g10000g以上，以上，B B、特别适合于含少量细颗粒的液液分离。、特别适合于含少量细颗粒的液液分离。 缺缺缺缺点点点点：A A、转转鼓鼓与与碟碟片片之之间间空空隙隙大大，不易发挥离心机的高效分离性能；不易发挥离心机的高效分离性能；B B、停车清洗，生产效率低，劳动强度大。、停车清洗，生产效率低，劳动强度大。8/5/20248/5/20245959chapter2chapter2细胞分离与破碎细胞分离与破碎喷嘴排渣碟片离心机喷嘴排渣碟片离心机操作：操作：操作：操作：应应应应用用用用：多多用用于于cellcell浓浓缩缩，浓浓缩比在缩比在5-205-20。主主主主要要要要

68、技技技技术术术术指指指指标标标标：A A、分分离离因因子子5000g5000g左左右右；B B、适适应应的的颗颗粒粒直直径径0.1-1000.1-100 mm，固固体体含含量量25%25%，C C、喷喷嘴嘴 2-242-24个个 ， D D、 转转 鼓鼓 d d 900mm900mm优优优优点点点点：A A、颗颗粒粒富富积积好好，B B、处理量大，可达处理量大，可达300t/h300t/h。缺缺缺缺点点点点：A A、分分离离因因子子5000g5000g，低低，不不适适合合于于小小颗颗粒粒的的分分离离；B B、富富积积的的颗颗粒粒含含水量大。水量大。8/5/20248/5/20246060cha

69、pter2chapter2细胞分离与破碎细胞分离与破碎活塞排渣碟片离心机活塞排渣碟片离心机操作：操作：操作：操作：应应应应 用用用用 ： 多多 种种 颗颗 粒粒 的的 分分 离离 (0.1-(0.1-500500 mm颗颗 粒粒 ) )， 固固 体体 含含 量量10%, 10%, 应用范围最广应用范围最广主主主主 要要要要 技技技技 术术术术 指指指指 标标标标 ： A A、 分分 离离 因因 子子5000-9000g5000-9000g；B B、适适应应的的颗颗粒粒直直径径0.15000.1500 mm，固固体体含含量量10%10%)(10%)。8/5/20248/5/20246161cha

70、pter2chapter2细胞分离与破碎细胞分离与破碎4.6 碟式离心机碟式离心机最大流量计算最大流量计算8/5/20248/5/20246262chapter2chapter2细胞分离与破碎细胞分离与破碎螺旋卸料沉降离心操作：立式，卧式操作：立式，卧式操作：立式，卧式操作：立式，卧式 应应应应用用用用：A A、高高浓浓度度的的大大颗颗粒粒的的固固液液分分离离( (达达50%, 50%, 2um-5mm)2um-5mm)，如淀粉精制和污水处理。，如淀粉精制和污水处理。主主主主要要要要技技技技术术术术指指指指标标标标：A A、分分离离因因子子小小于于6000g6000g；B B、适适应应的的颗颗

71、粒粒直直径径 2um-5mm2um-5mm， 固固 体体 含含 量量 1-50%1-50%， C C、 固固 液液 密密 度度 差差0.05g/cm0.05g/cm3 3，D D、转鼓直径、转鼓直径-900mm-900mm。优点：优点：优点：优点：A A、操作温度高、操作温度高300300 C C大；大；B B、处理量大，可达、处理量大，可达60t/h60t/h。缺点：缺点：缺点：缺点：分离因子小于分离因子小于6000g6000g，不适合于小颗粒的分离。，不适合于小颗粒的分离。8/5/20248/5/20246363chapter2chapter2细胞分离与破碎细胞分离与破碎螺旋卸料沉降离心机

72、螺旋卸料沉降离心机沉降计算：沉降计算： 8/5/20248/5/20246464chapter2chapter2细胞分离与破碎细胞分离与破碎离心过滤原理原理原理原理: :8/5/20248/5/20246565chapter2chapter2细胞分离与破碎细胞分离与破碎离心过滤计算计算计算计算流量方程：流量方程：流量方程：流量方程：注：注：注：注：流量为非常数，时间增加，流量为非常数，时间增加，滤饼厚度增加，而流量减小。滤饼厚度增加，而流量减小。滤饼形成时间方程：滤饼形成时间方程： 意义：意义：意义：意义：得到滤饼厚度得到滤饼厚度(R(R0 0-R-RC C) )所需时间，用于工艺放大所需时间

73、，用于工艺放大 Q Q8/5/20248/5/20246666chapter2chapter2细胞分离与破碎细胞分离与破碎4.9 离心设备的选择 基本参数基本参数基本参数基本参数选择选择选择选择颗粒颗粒d,d,固液固液 差差, , 基本型号基本型号 固体物浓度固体物浓度 亚型亚型产物热稳定性产物热稳定性 低温离心低温离心流量流量Q, Q, 规模规模 规格、台数规格、台数气溶胶气溶胶, ,活活cell cell 密封灭菌设计密封灭菌设计8/5/20248/5/20246767chapter2chapter2细胞分离与破碎细胞分离与破碎8/5/20248/5/20246868chapter2cha

74、pter2细胞分离与破碎细胞分离与破碎离心机的放大可采用等校正系数法：8/5/20248/5/20246969chapter2chapter2细胞分离与破碎细胞分离与破碎超速离心技术超速离心机：超速离心机：超速离心机：超速离心机：分离因子在分离因子在100,000g100,000g以上的离心设备以上的离心设备 8/5/20248/5/20247070chapter2chapter2细胞分离与破碎细胞分离与破碎超速离心技术1操操操操作作作作模模模模式式式式8/5/20248/5/20247171chapter2chapter2细胞分离与破碎细胞分离与破碎超速离心技术-应用应用A.A.测定分子量测

75、定分子量测定分子量测定分子量: :B.B.大分子的纯度鉴定大分子的纯度鉴定大分子的纯度鉴定大分子的纯度鉴定C.C.大分子的构相变化大分子的构相变化大分子的构相变化大分子的构相变化D.DNAD.DNA半保留复制半保留复制半保留复制半保留复制物质物质分子量分子量S S0 0w,20w,20细胞色素细胞色素c c12400124001.181.18肌红蛋白肌红蛋白16900169002.042.04胰班白酶胰班白酶23000230002.502.50尿激酶尿激酶32000320002.702.70卵白蛋白卵白蛋白45000450003.703.708/5/20248/5/20247272chapte

76、r2chapter2细胞分离与破碎细胞分离与破碎超速离心-DNA半保留复制8/5/20248/5/20247373chapter2chapter2细胞分离与破碎细胞分离与破碎2.1.3过滤过滤（Filtration）概念概念过滤是在外力作用过滤是在外力作用下，利用过滤介质使悬浮液中的液体下，利用过滤介质使悬浮液中的液体通过，而固体颗粒被截留在介质上，从而实现固液分离的一通过，而固体颗粒被截留在介质上，从而实现固液分离的一种单元操作。种单元操作。过滤介质过滤介质具有多孔结构，可以截留固体物质，具有多孔结构，可以截留固体物质，而让液体通过；我们把待过滤的悬浮液成为而让液体通过；我们把待过滤的悬浮液

77、成为滤浆（滤浆（Slurry），而过滤后分离出的固体称为而过滤后分离出的固体称为滤渣滤渣或或滤饼（滤饼（Filtercake），通，通过过滤介质的液体称为过过滤介质的液体称为滤液（滤液（Filtrate）。（1）过滤介质（过滤介质（Filtermedium）：）：过过滤滤介介质质应应具具有有以以下下特特性性：多多孔孔性性，足足够够的的机机械械强强度度，尽可能小的流动阻力，耐腐蚀性，耐热性，易于再生。尽可能小的流动阻力，耐腐蚀性，耐热性，易于再生。工工业业上上常常见见的的过过滤滤介介质质：织织物物介介质质、堆堆积积介介质质、多多孔孔固固体介质、多孔膜。体介质、多孔膜。8/5/20248/5/20

78、247474chapter2chapter2细胞分离与破碎细胞分离与破碎（2）过滤分类：）过滤分类：深层过滤（深层过滤（Deepbedfilteration）滤饼过滤（滤饼过滤（Cakefilteration）过滤介质过滤介质悬浮液悬浮液深层过滤深层过滤悬浮液悬浮液滤饼滤饼过滤介质过滤介质滤液滤液滤饼过滤滤饼过滤8/5/20248/5/20247575chapter2chapter2细胞分离与破碎细胞分离与破碎（3）过滤推动力：）过滤推动力：重重力力（漏漏斗斗过过滤滤）、压压力力（加加压压过过滤滤）或或真真空空（抽抽滤滤）、离心力（离心过滤）。离心力（离心过滤）。（4）滤饼的可压缩性）滤饼的可

79、压缩性（5）助滤剂）助滤剂 助助滤滤剂剂本本身身就就是是一一性性能能良良好好的的过过滤滤介介质质，是是一一种种坚坚硬硬、不不规规则则的的小小颗颗粒粒，它它能能形形成成结结构构疏疏松松、空空隙隙率率大大、不不可可压压缩缩的的滤滤饼饼，很很大大程程度度改改善善过过滤滤难难度度。助助滤滤剂剂使使用用方方法法主主要要有有两两种：混合、预涂。种：混合、预涂。8/5/20248/5/20247676chapter2chapter2细胞分离与破碎细胞分离与破碎滤饼滤饼传统的过滤8/5/20248/5/20247777chapter2chapter2细胞分离与破碎细胞分离与破碎2.1.3.1过滤速度过滤速度过

80、滤过程数学描述过滤过程数学描述过滤过程数学描述过滤过程数学描述 达西达西达西达西方程方程方程方程：1 1、适用于不可压缩和简单的可压缩滤饼适用于不可压缩和简单的可压缩滤饼适用于不可压缩和简单的可压缩滤饼适用于不可压缩和简单的可压缩滤饼22、普遍使用于生物分离过程普遍使用于生物分离过程普遍使用于生物分离过程普遍使用于生物分离过程8/5/20248/5/20247878chapter2chapter2细胞分离与破碎细胞分离与破碎过滤基础理论过滤基础理论DarcyDarcy定理定理定理定理U U = = 流流体体的的速速度度(in: (in: m/s)m/s)， p p = = 压压力力差差(in:

81、 (in: Pa)Pa)，l l = = 床床层层厚厚度度(in: (in: m)m)，K K = = Darcys Darcys 渗渗透透系系数数，与与流流体体和和床床层层的的性性质有关质有关。8/5/20248/5/20247979chapter2chapter2细胞分离与破碎细胞分离与破碎过滤理论基础过滤理论基础KozenysKozenys方程方程方程方程 对于发酵液的过滤对于发酵液的过滤对于发酵液的过滤对于发酵液的过滤, , , ,要用要用要用要用KozenysKozenys方程方程方程方程 K K = = Kozenys Kozenys 常常数数，一一般般K K = = 5 5（在在

82、大大量量均均匀匀的的球球形形颗颗粒粒中中），其其他他颗颗粒粒K K = = 3.5-5.53.5-5.5，颗颗粒粒 ，KK ；S S = = 单单位位体体积积颗颗粒粒中中颗颗粒粒的的表表面面积积； = = 发发酵酵液液黏黏度度(in: (in: Pa Pa s)s)； = = 床床层层的的空空隙隙率率，即空隙体积与总体积的比值。即空隙体积与总体积的比值。方方程程适适应应条条件件：A A、薄薄层层区区域域表表面面的的流流速速，B B、非非常常高高的的孔孔隙隙率率，C C、非非常常广广的的颗颗粒粒尺尺寸寸的的分分布布，D D、纤纤维维状状的的、可可压压缩缩的的和和吸吸湿性的填充物。湿性的填充物。意

83、义：过滤的基础方程，揭示了过滤流速与各因素的关系意义：过滤的基础方程，揭示了过滤流速与各因素的关系8/5/20248/5/20248080chapter2chapter2细胞分离与破碎细胞分离与破碎2.1.3.1过滤速度过滤速度滤饼阻力与滤饼干重之间的关系 为滤饼的平均比阻，不可压缩性滤饼的为常数，可压缩性滤饼的为压差的函数，经验表达式为：8/5/20248/5/20248181chapter2chapter2细胞分离与破碎细胞分离与破碎过滤基础理论过滤基础理论比阻比阻比阻比阻( (平均质量比阻平均质量比阻 m/kg) m/kg)定义式定义式定义式定义式 s s：干滤饼的密度：干滤饼的密度(i

84、n kg/m(in kg/m-3-3) )。意意意意义义义义：A A、反反映映过过滤滤的的难难易易程程度度，越越大大，越越困困难难；B B、与与颗颗粒粒大大小、孔隙率等的关系。小、孔隙率等的关系。n n滤滤饼饼可可压压缩缩度度，当当滤滤饼饼不不可可压压缩缩时时，n n = = 0 0；对对于于高高度度可可压压缩缩滤滤饼饼，则则n n 1 1。 = = 湿湿滤滤饼的质量：干滤饼的质量。饼的质量：干滤饼的质量。意义：意义：意义：意义：S = S = 单位体积颗粒中颗粒的表单位体积颗粒中颗粒的表面积面积8/5/20248/5/20248282chapter2chapter2细胞分离与破碎细胞分离与破

85、碎过滤基础理论过滤基础理论意意意意义义义义：A A、对对于于可可压压缩缩料料液液，高压不一定增加流量高压不一定增加流量。 B、比阻与压力的关系8/5/20248/5/20248383chapter2chapter2细胞分离与破碎细胞分离与破碎随着过滤操作的进行，滤饼量不断增加，与滤液体积Q之间关系如下：=湿滤饼/干滤饼；cs=干滤饼/液料 cs=湿滤饼/液料；1- cs= 滤液/液料；Q滤液体积Q/（ 1- cs）= 液料体积LQ/ （ 1- cs）= 液料质量8/5/20248/5/20248484chapter2chapter2细胞分离与破碎细胞分离与破碎8/5/20248/5/20248

86、585chapter2chapter2细胞分离与破碎细胞分离与破碎过滤基础理论过滤基础理论RuthsRuths方程方程方程方程 在在过过滤滤操操作作中中，被被截截留留的的固固相相颗颗粒粒在在介介质质形形成成滤滤饼饼。过过滤滤的阻力来自过滤介质和滤饼。过滤流量可的阻力来自过滤介质和滤饼。过滤流量可表达为表达为 QQ：滤滤液液体体积积(in (in mm3 3) )，A A：过过滤滤面面积积(in (in mm2 2) )， 湿湿滤滤饼饼: :干干滤滤饼饼，c cs s：料料液液中中干干固固相相成成分分的的浓浓度度(in: (in: kg/kg)kg/kg)， ：滤滤液液密密度度，QQ0 0：相相

87、当当于于过过滤滤介介质质阻阻力力时时的的虚虚拟拟滤滤液液体体积积(in m(in m3 3) )，一定过滤介质的，一定过滤介质的QQ0 0为常数。为常数。 意义：过滤的流量方程意义：过滤的流量方程8/5/20248/5/20248686chapter2chapter2细胞分离与破碎细胞分离与破碎8/5/20248/5/20248787chapter2chapter2细胞分离与破碎细胞分离与破碎过滤基础理论过滤基础理论恒压过滤方程恒压过滤方程恒压过滤方程恒压过滤方程( (最常用模式最常用模式最常用模式最常用模式) )恒压条件下对恒压条件下对RuthsRuths方程积分方程积分 t t0 0：为为

88、透透过过虚虚拟拟体体积积所所要要的的虚虚拟拟时时间间。在在一一般般条条件件下下QQ0 0可可忽忽略略，上式为上式为意义：中试后放大的理论依据意义：中试后放大的理论依据恒速过滤恒速过滤恒速过滤恒速过滤恒速条件下对恒速条件下对RuthsRuths方程积分方程积分8/5/20248/5/20248888chapter2chapter2细胞分离与破碎细胞分离与破碎过滤设备从传统的板框式过滤机到旋转式真空过滤设备，过滤设备从传统的板框式过滤机到旋转式真空过滤设备，过滤设备从传统的板框式过滤机到旋转式真空过滤设备，过滤设备从传统的板框式过滤机到旋转式真空过滤设备，种类很多。种类很多。种类很多。种类很多。2

89、.1.3.2过滤设备8/5/20248/5/20248989chapter2chapter2细胞分离与破碎细胞分离与破碎8/5/20248/5/20249090chapter2chapter2细胞分离与破碎细胞分离与破碎常用新型过滤器常用新型过滤器转鼓真空过滤器转鼓真空过滤器操作：操作：应应用用：大大规规模模生生物物分分离离的的主主要要过过滤滤设设备备，用用于于较较难分离的低黏度发酵液难分离的低黏度发酵液优优点点：、大大规规模模，、自自动动化化、操操作作简简单单，、滤滤布布装装卸卸容容易易、易易保保养养维护。维护。缺缺点点：、占占地地大大，单单位位体体积积利利用用率率低低，、周周期期性性中中断

90、断进进料料、滤滤布布利利用用率率低低，、压压力力低低，仅应用于低黏度发酵。仅应用于低黏度发酵。8/5/20248/5/20249191chapter2chapter2细胞分离与破碎细胞分离与破碎常用新型过滤器常用新型过滤器圆盘真空过滤器圆盘真空过滤器圆盘真空过滤器圆盘真空过滤器操作操作应用：同上。应用：同上。优优点点：、超超大大规规模模(400 (400 m m2 2) )，极极易易实实行行大大型型化化分分离离，、占占地地小小，单单位位体体积积利利用用率率高高，、自自动动化化、操作简单。操作简单。缺缺点点：、压压力力低低，仅仅应应用用于于低低黏黏度度发发酵酵液液，B B、设设备备投资高。投资高

91、。 8/5/20248/5/20249292chapter2chapter2细胞分离与破碎细胞分离与破碎常用新型过滤器常用新型过滤器带式真空过滤器带式真空过滤器8/5/20248/5/20249393chapter2chapter2细胞分离与破碎细胞分离与破碎常用新型过滤器常用新型过滤器应应用用：大大规规模模分分离离的的主主要要过过滤滤设设备备，可可分分离离较较难难分分离的低黏度的发酵液，对滤饼洗涤要求高。离的低黏度的发酵液，对滤饼洗涤要求高。 优优点点：) )、发发酵酵液液处处理理量量大大，滤滤饼饼厚厚达达200mm200mm， ) )、滤饼洗涤容易，效果好，无须搅拌，、滤饼洗涤容易，效果好

92、，无须搅拌， ) )、自动化、操作简单，清洗保养容易。、自动化、操作简单，清洗保养容易。 缺点：缺点：) )、占地大，有效过滤面积低，、占地大，有效过滤面积低， ) )、压力低，仅应用于低黏度发酵液，、压力低，仅应用于低黏度发酵液， ) )、设备投资高。、设备投资高。 8/5/20248/5/20249494chapter2chapter2细胞分离与破碎细胞分离与破碎常用新型过滤器常用新型过滤器压力系列：压力系列：压力系列：压力系列：带式带式带式带式、板框、加压、气压罐式压滤机、板框、加压、气压罐式压滤机、板框、加压、气压罐式压滤机、板框、加压、气压罐式压滤机8/5/20248/5/20249

93、595chapter2chapter2细胞分离与破碎细胞分离与破碎常用新型过滤器常用新型过滤器应用：用于很难处理的、高黏度、高细颗粒含量的发酵液的固液分离。优点：、操作压高.Mpa以上，的 颗粒含量，高含量的细颗粒， 、滤饼含水量低，滤液澄清， 、自动化、操作简单，清洗保养容易。缺点：、占地大，有效过滤面积低， 、设备投资高，能耗高。8/5/20248/5/20249696chapter2chapter2细胞分离与破碎细胞分离与破碎如何选择过滤器？如何选择过滤器？1 1、滤液的澄清度、滤液的澄清度、滤液的澄清度、滤液的澄清度2 2、颗粒大小的分布、颗粒大小的分布、颗粒大小的分布、颗粒大小的分布

94、3 3、发酵液的黏度、发酵液的黏度、发酵液的黏度、发酵液的黏度4 4、固体颗粒的浓度、固体颗粒的浓度、固体颗粒的浓度、固体颗粒的浓度5 5、滤饼的干燥度、滤饼的干燥度、滤饼的干燥度、滤饼的干燥度6 6、滤饼的洗涤、滤饼的洗涤、滤饼的洗涤、滤饼的洗涤7 7、生产能力、生产能力、生产能力、生产能力FiltingmediumTypeofFilterOtherrequirements8/5/20248/5/20249797chapter2chapter2细胞分离与破碎细胞分离与破碎中试实验设计的路线中试实验设计的路线 11、确定生产能力（例：、确定生产能力（例：、确定生产能力（例：、确定生产能力（例：

95、150T/d150T/d） 22、确定中试实验的规模（一般按生产能力缩小、确定中试实验的规模（一般按生产能力缩小、确定中试实验的规模（一般按生产能力缩小、确定中试实验的规模（一般按生产能力缩小100100倍，即倍，即倍，即倍，即150/100=1.5T/d150/100=1.5T/d） 33、 测定重要参数，如测定重要参数，如测定重要参数，如测定重要参数，如 ，QQ0 0等等等等 44、优化实验条件、优化实验条件、优化实验条件、优化实验条件确定不同的实验条件：预处理、助滤剂、压力等确定不同的实验条件：预处理、助滤剂、压力等确定不同的实验条件：预处理、助滤剂、压力等确定不同的实验条件：预处理、助

96、滤剂、压力等滤饼的厚度与时间关系滤饼的厚度与时间关系滤饼的厚度与时间关系滤饼的厚度与时间关系滤饼的孔隙率与压力关系滤饼的孔隙率与压力关系滤饼的孔隙率与压力关系滤饼的孔隙率与压力关系不同压力下滤液的体积与时间的关系不同压力下滤液的体积与时间的关系不同压力下滤液的体积与时间的关系不同压力下滤液的体积与时间的关系滤饼的洗涤、脱水、排脱等滤饼的洗涤、脱水、排脱等滤饼的洗涤、脱水、排脱等滤饼的洗涤、脱水、排脱等滤液的澄清度，以及上述方程要求的数据利用方程等滤液的澄清度，以及上述方程要求的数据利用方程等滤液的澄清度，以及上述方程要求的数据利用方程等滤液的澄清度，以及上述方程要求的数据利用方程等55、计算：

97、、计算：、计算：、计算：A A、过滤面积、过滤面积、过滤面积、过滤面积A A，确定型号，确定型号，确定型号，确定型号( (以恒压为例以恒压为例以恒压为例以恒压为例) )66、放大、放大、放大、放大100100倍倍倍倍 生产能力生产能力生产能力生产能力( ( ( (=100A)=100A)8/5/20248/5/20249898chapter2chapter2细胞分离与破碎细胞分离与破碎ConclusionsConclusions：结论：结论：结论：结论CentrifugationCentrifugation&filtrationfiltrationarearethethekeyskeystot

98、oremovingremovinginsolubles.insolubles.离心和过滤是去除不溶物的主要方法离心和过滤是去除不溶物的主要方法离心和过滤是去除不溶物的主要方法离心和过滤是去除不溶物的主要方法TheThefirstfirststepstepininmostmostindustrialindustrialbioseparationsbioseparationsisisthetheremovalofinsolublesfromthefermentationbear.removalofinsolublesfromthefermentationbear.生物分离工业首先要去除不溶物生物分

99、离工业首先要去除不溶物生物分离工业首先要去除不溶物生物分离工业首先要去除不溶物8/5/20248/5/20249999chapter2chapter2细胞分离与破碎细胞分离与破碎WhenWhen thesethese insolublesinsolubles areare dilatedilate & rigidrigid , , theythey cancan bebe easilyeasilyseparatedbyfiltration.separatedbyfiltration.大的、硬的不溶物可用过滤方法去除大的、硬的不溶物可用过滤方法去除大的、硬的不溶物可用过滤方法去除大的、硬的不溶物

100、可用过滤方法去除ForFor manymany beersbeers , , filterfilter aidsaids oror otherother pretreatmentspretreatments facilitatefacilitatefiltration.filtration.ForForotherothercasescases, ,filterfilteraidsaids&otherotherpretreatmentspretreatmentsareareineffective.ineffective. 对对对对于于于于大大大大部部部部分分分分发发发发酵酵酵酵液液液液，助助助助

101、滤滤滤滤剂剂剂剂或或或或者者者者其其其其它它它它预预预预处处处处理理理理方方方方法法法法有有有有利利利利于于于于过过过过滤滤滤滤，但但但但也有没有效果的。也有没有效果的。也有没有效果的。也有没有效果的。WhenWhenthethesolidsolidparticlesparticlesarearetootoosmallsmall&hencehencehardhardtotofilterfilter, ,theytheysometimescanbeseparatedbycentrifugation.sometimescanbeseparatedbycentrifugation.另外一些小的、难过滤的固体颗粒可用离心分离另外一些小的、难过滤的固体颗粒可用离心分离另外一些小的、难过滤的固体颗粒可用离心分离另外一些小的、难过滤的固体颗粒可用离心分离8/5/20248/5/2024100100chapter2chapter2细胞分离与破碎细胞分离与破碎