《液固分离》PPT课件.ppt

第二章 液固分离,教学目的掌握固液分离的方法，重点是离心沉降的方法与原理。了解离心机、过滤机的选用及在生物工业中的应用，了解固液分离预处理的方法。重点和难点离心沉降原理和计算，发酵液欲处理的方法,思考题1 管式离心机处理能力及影响因素2 过滤操作方程及其应用3 离心沉降的方法及原理课堂教学设计课堂讲授与学生自学相结合参考书目1 孙彦，生物分离工程，化学工业出版社2 严希康，生化分离工程，华东理工大学出版社3 欧阳凯，生物下游技术原理，高等教育出版社教学时数 2学时,主要内容,2.1 发酵液的预处理 2.2 重力沉降 2.3 离心沉降 2.4 过滤 2.5 双水相萃取 2.6 泡沫分离,通过微生物发酵或动植物培养得到的原料液应首先将其中的菌体或细胞与培养液分离。如果目标产物为胞外代谢物则直接对培养液进行分离纯化；如果目标产物为胞内代谢产物，要对细胞进行处理，释放目标产物，然后除去细胞碎片，再进行目标物质的纯化。,（在合适的培养基pH、温度和通气搅拌或经厌氧条件下进行生长并合成生物活性物质）,（包括菌体、胞外代谢产物或胞内酶或核酸等）,固液分离是生物技术工业应用最多的操作。可用于分离细胞、细胞碎片、包含体、沉淀物。应用到产品的初级分离阶段、纯化精制阶段,Eg:膜分离常用于层析前后去除蛋白质沉淀物、病毒颗粒或微生物。,2.1.1 预处理的目的改变发酵液的物理性质，改善流体性能，降低滤饼比阻，提高过滤速率。使目的产物转相便于后处理（多数是液相）去除发酵液中的部分杂质，便于后续操作。,2.1发酵液的预处理目的产品在发酵液中浓度很低与许多杂质（溶解的和悬浮的）夹在一起，发酵液属于非牛顿型流体,需进行预处理,由于,2.1.2 预处理的具体方法取决于可分离物质的性质，主要考虑目的物质的分子大小、热稳定性、pH的适应性。加热：最简单最经济的预处理方法 加热能使液体粘度降低，过滤速度加快。该方法只适合于对热较稳定的生化物质，加热的温度和时间须严加选择。,调pH改变发酵液的胶体状态使产物转入液相，使杂质（蛋白、多糖、Ca2+等）发生沉淀。一般用草酸或无机酸、碱来调节。通常加热和调pH协同作用。链霉素生产发酵液预处理时，采用调pH3.0左右，加热至70，维持半小时以凝固蛋白质，这样可使过滤速度增大10100倍，滤液粘度降低为原先的1/6。,例,添加凝聚剂和絮凝剂,凝聚与絮凝在预处理中常用于细胞、菌体(胞外产物)、细胞碎片(胞内产物)以及蛋白质等胶体粒子的去除。与热处理和加无机电解质相比，作用条件温和，实验剂量小。1）凝聚作用是指在某些电解质作用下，使扩散双电层的排斥电位(即电位)降低，破坏胶体系统的分散状态，而使胶体粒子聚集的过程。,通常发酵液中细胞或菌体带负电荷，由于静电引力的作用将溶液中带相反电性的粒子(即正离子)吸附在周围，在界面上形成了双电层。反离子化合价越高，即凝聚能力越强。阳离子对带负电荷的胶粒凝聚能力的次序为：Al3+Fe3+Ca2+Mg2+K+Na+Li+。常用的凝聚剂有：Al2(S04)3 18H20(明矾)；AlCl36H20；FeCl3；ZnS04；MgC03等,2）絮凝作用是指在某些高分子絮凝剂存在下，在悬浮粒子之间产生架桥作用而使胶粒形成粗大的絮凝团的过程。絮凝剂必须具有长链线状的结构，易溶于水，在长的链节上含有相当多的活性功能团。絮凝剂的功能团强烈地吸附在胶粒的表面上。一个高分子聚合物的许多功能基团分别吸附在不同颗粒的表面上，因而产生架桥联接。,絮凝剂包括各种天然聚合物和人工合成聚合物。,天然絮凝剂：多糖、海藻酸钠、明胶和骨胶等。无毒、使用安全、适于食品或医药。人工合成的絮凝剂：聚丙烯酰胺类、聚苯乙烯类物和聚丙烯酸类聚合物等。某些絮凝剂可能具有一定的毒性，在食品和医药工业的使用中应考虑最终能否从产品中除去。,2.1.3去除杂质的具体方法,无机离子利用沉淀作用 钙离子：加草酸或磷酸盐 镁离子：磷酸盐 铁离子：加黄血盐，生成普鲁士蓝沉淀,有色物质利用吸附作用 常用的是离子交换剂、离子交换纤维、活性碳等材料的吸附法。如：强碱性阴离子交换剂用于酪蛋白酶或果胶酶的脱色。阴离子交换树脂用于谷氨酸发酵液脱色。,可溶性蛋白质(沉淀去除）发酵液的预处理主要是如何使可溶性蛋白质变性沉淀除去。蛋白质的性质和变性机理1）水溶性蛋白质的胶体体系。亲水胶体形成水化层。2）两性电解质。等电点沉淀3）强的缓冲体系。消除缓冲作用，达到不可逆变性4）热敏性,细胞与发酵液分离的方法（5种）重力沉降、离心分离、过滤双水相萃取泡沫分离法,2.2重力沉降【自学】重力沉降设备体积庞大，分离效率低。具有设备简单，制造容易，能耗低等优点，在食品、发酵，特别是环境工程中得到应用。菌体或动植物细胞的重力沉降虽然简单易行，因菌体细胞体积小，沉降速度很慢，不适于应用。,2.3 离心沉降 离心沉降是科研与生产实践最广泛使用的非均相分离手段。适用于菌体或细胞的回收或除去，用于血球、细胞器、病毒及蛋白质分离，应用于液液相分离。,2.3.1离心沉降速度重力g作用下的沉降速度,dP:粒径，S:颗粒密度，L：液体密度，L：液体粘度,离心力 Fc=r 2,r:粒子的离心半径，：旋转角速度，N：离心机转速（s-1),离心沉降速度,旋转角速度=2N,2.3.2 沉降系数（S),沉降系数 S：是溶剂物性的函数，是溶质颗粒浓度的函数（成反比），是溶质相对分子量的函数（成正比）,=,2.3.3 离心沉降溶质完全沉淀所需的时间,R1、R2：旋转轴中心到样品液表面和离心管底部的垂直距离旋转角速度2N N：离心机转数（s-1),2.3.4 分离因数 Z=42N2r/g 是离心力与重力的比值，是衡量离心程度的参数,（r:粒子的离心半径）,（差速区带离心和平衡区带离心）,2.3.5 离心分离方法（差速离心及区带离心）,（1）差速离心分离生化工业中最常用分离方法,实际物系的特点、分离目的、分离程度,（目标产物和其它组分的性质及相互作用等）,选择适当的操作条件（离心转数和时间）,使料液的不同组分得到分级分离,细胞破碎液的差速离心分离,（2）区带离心生化研究的重要分离手段（差速区带离心和平衡区带离心）,在离心管中用某种低分子溶质（如蔗糖）调配好密度梯度（从大到小加入），在密度梯度之上加待处理的料液然后进行离心操作。,区带离心法可用于蛋白质、核酸等生物大分子的分离纯化，但处理量小，一般仅限于实验室水平。,差速区带离心:密度梯度最大的密度待分离的目标产物密度.,得到纯化的各组分,在离心操作中,料液中各个组分在密度梯度中以不同的速度沉降,据沉降系数差别形成各自的区带,经过一定时间,分别汲取不同的区带,平衡区带离心平衡区带离心的密度梯度比差速离心的密度梯度大。,料液中高分子物质在与自身密度相等的溶剂密度处形成稳定的区带。区带中的高分子物质浓度以该密度处浓度为中心，呈高斯分布。,离心的结果,2.3.6 离心分离设备及处理能力离心机是生物相关实验室及生物制品生产企业广泛使用的分离设备。实验室用离心机以离心管式转子离心机为主，为间歇式。一般为冷冻离心机。工业用离心设备一般要求有较大的处理能力并连续操作。常用的有管式和蝶式两大类。,离心机处理能力（一定时间内处理多少料液量）,Q=Vg,：具有面积的单位，称为离心沉降面积，是离心机结构和操作条件的函数。,L:离心管长r2:离心机转筒内径：旋转角速度2NN：离心机转数（s-1),1）管式离心机,2）碟片式离心机,处理能力Q=Vg,r1、r2分别为分离板的外径和内径，n为分离板数，为分离板与旋转轴的夹角.,2.4 过滤-以压力差为透过推动力,2.4.1过滤速度及过滤基本方程（自学）,P:压力差,：滤液粘度RC：滤饼阻力Rm：过滤介质阻力,2.4.2 传统过滤设备（封头过滤）1）板框压滤机传统的过滤设备，至今仍在各个领域广泛应用，发酵工业中以抗菌素生产厂用得最多。结构简单，装配紧凑，过滤面积大；允许采用较大的操作压力，辅助设备及动力消耗少，过滤和洗涤的质量好；能分离某些含固形物较少的、难以过滤的悬浮液或胶体悬浮液，对固形物含量高的悬液也能适用；滤饼的含水率低，可洗涤，维修方便；,板框压滤机的缺点是设备笨重，间歇操作，装拆板框劳动强度大，占地面积多，辅助时间长，生产效率低。,2）真空转鼓过滤机 真空转鼓过滤机在减压条件下工作，它的变型很多，最典型和最常用的是外滤面多室式真空转鼓过滤机。真空转鼓过滤机的过滤面是一个以很低转速旋转的、开有许多小孔的圆筒(转鼓)，面外覆有金属网及滤布，将此转鼓置于液槽中，转鼓内部抽真空，在滤布上即形成滤饼，滤液则经中间的管路和分配阀流出.,3）过滤离心 应用离心力代替压力差作为过滤推动力的分离方法。,2.4.3 切向流过滤（cross-flow filtration)是一种维持恒压下高过滤速度的技术。使悬浮液在过滤介质表面作切向流动，利用流体的剪切作用将过滤介质表面的固体移走。由于生物产品加工要求速度快，过滤滤饼的比阻力大，切向流过滤比封头过滤（Dead-end filtration)优越。,几乎所有的用膜进行的生化固液分离都采用切向流的方式。,2.4.4 脉冲反洗式切向流过滤,在切向流过滤的间隙在膜背面加一反压，通过滤液的反透洗掉膜上的固体沉积和膜孔中的堵塞物，使过滤速度加快。,2.4.5 过滤介质的种类及其选择【了解】(1)无定形颗粒、颗粒活性炭等，可充填于过滤器内作澄清过滤用。(2)成形颗粒：烧结金属、烧结塑料等，做成圆筒形或板状用于澄清过滤。(3)非金属织布：棉，化学纤维(维尼龙、尼龙等)、长纤维滤布与短纤维滤布(4)金属织物：主要用于预涂层的场合(5)无纺布等：纸、毡、石棉板以及合成纤维无纺布等，大多用精密过滤,2.4.6 助滤剂助滤剂是一种具有特殊性能的细粉或纤维，它能使某些难于过滤的物料变得容易过滤。硅藻土和珍珠岩是两种最常用的助滤剂。硅藻土是几百年前的水生植物沉淀下来的遗骸，珍珠岩是处理过的膨胀火山岩。,2.4 双水相萃取,生化固液分离中最困难的操作是从细胞破碎后的浆液中移走细胞碎片，这些碎片分布很广（0.21m)，包括（细胞壁碎片、膜碎片、完整的细胞器和未破碎的细胞）。,双水相萃取是水相中加入高分子化合物形成密度不同的两相，用于萃取蛋白质。,膜分离速度慢，易出现污染和蛋白质滞留。,用离心机分离不易除掉某些絮状小碎片,2.5 泡沫分离基于表面活性的差异进行分离,表面活性强的物质优先吸附于分散相（气相）与连续相的界面处，被气泡带出连续相而达到浓缩。,泡沫分离操作简单、耗能低，适于较低浓度下的分离。,原理,1）细胞收集或去除 用鼓泡法从发酵液或细胞悬浮液分离细菌和酵母的细胞有较多的研究，还有一些从培养液中收集孢子、藻类细胞或从废水中除去微生物细胞的报道。2）蛋白质和多肽、酶的提取分离 处于研究阶段，未见应用报道3）中药有效成分的分离提取 中药含有多种表面活性物质，如蛋白质高分子物质和皂苷类小分子物质。研究表明甘草中的甘草酸可用泡沫分离法加以浓缩。植物细胞培养液中的次生代谢产物可用泡沫分离法进行分离浓缩。,应用：在生物技术领域主要用于细胞收集或去除、蛋白质和酶的提取及天然产物的浓缩和分离。,总结,泡沫分离,双水相萃取,