生物分离固液分离课件.ppt
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1、固液分离沉降、离心、过滤,生物工程专业,3. 固液分离,3.1 沉降3.2 离心3.3 过滤,由于固液悬浮液中的分散相和连续相具有不同的物理性质,故工业上一般都采用机械方法将两相进行分离。要实现这种分离,必须使分散相和连续相之间发生相对运动。 根据两相运动方式的不同,机械分离可按两种操作方式进行:一、液体受限制,而固体颗粒在作相对运动的过程,包括浮选、重力沉降(通常称为沉降分离)和离心沉降(离心分离)等操作。重力沉降的推动作用是重力,一般也称为沉降分离;离心沉降的推动力主要是惯性离心力,一般也称为离心分离。二、固体颗粒受限制而液体作相对动的过程称为过滤。实现过滤操作的外力可以是重力、压强差或惯
2、性离心力。因此,过滤又可分为重力过滤、加压过滤、真空过滤和离心过滤。对于这两种机械分离,前者取决于固体颗粒和液体两相之间的密度差,而后者实现的前提是应具有过滤介质。,3.1 沉降,沉降是固液悬浮液失稳的一种现象,因为固体和液体间有密度差存在,若固体和液体间的密度差大于零,固体颗粒在悬浮液中受重力的作用下沉,经过一定时间的沉降,悬浮液分为上部澄清的液体层及下部被液体浸透的固体带。沉降作为一种固液分离的方法,广泛应用在制药、环保、化工、矿业、冶金等许多工业领域。,利用重力沉降性质进行固液分离,由于借助的是地心引力而无须外加能量,理论上讲是最经济的方法。当然若欲达到有效的分离,首先须提供足够的沉降面
3、积,其次为了加快固体颗粒的终端沉降速度,需采用凝聚与絮凝技术。而对于由更小的颗粒及粘度较高的溶液构成的悬浮液,仅靠絮凝技术仍难以达到固液分离的要求时,则需要人为引入离心力以增强固体颗粒沉降的推动力,即为离心沉降。,3.1.1 沉降分离理论 沉降分离只是一个物理过程,属于过程工程中的一个单元操作。 沉降速度是固液分离理论中的一个重要的基本概念。如果实现沉降过程的推动力是重力,则称重力沉降速度;若推动力为离心力则称离心沉降速度。 下面着重介绍重力沉降速度的计算公式。,设想一个表面光滑的球形颗粒置于静止的流体介质中,若颗粒的密度s大于流体的密度,则颗粒将在流体中作下沉运动。显然,作用于颗粒上有三种力
4、(见图1):,图1 下沉颗粒的受力分析,重力,浮力,阻力,式中 d 粒径; 阻力系数,无因次量; A 颗粒在垂直于运动方向的平面上的投影面积,对于球形颗粒A=/4d2; 颗粒与流体间的相对运动速度。,按牛顿定律,应用,或,式中m、a分别为颗粒的质量和加速度。,(1),颗粒的沉降过程应分为两个阶段,起初为加速阶段,而后为等速阶段。等速阶段中颗粒相对于流体的速度t 称为沉降速度(terminal settling velocity),它是加速阶段终了时颗粒相对于流体的速度。 由于工业上沉降操作所处理的颗粒较小,因而颗粒与流体间的接触面积相对甚大,故阻力随速度增长很快,可在极短时间内便与净重力接近平
5、衡,所以在重力沉降过程中,加速阶段常可忽略不计。 于是,在式1中令a0后,即可导出沉降速度的计算公式:,(2),3.1.2 沉降分离设备,图2 悬挂式中心传动沉降槽的结构,3.1.3 沉降分离的应用一、水处理 随着工业生产的发展,水质污染问题日益严重,用生物技术来处理废水,已成为污水处理的一个重要手段。活性污泥法处理污水是普遍采用的一种污水处理方法,其中沉降分离是使用最多的一种固液分离技术。利用沉降法处理污水,其设备简单,费用较低。,高碑店污水处理厂,二、食品工业 在食品工业中,固液分离技术是必不可少的分离手段。沉降技术主要用于各类悬浮液和乳浊液的分离,如:果汁、酒类等的澄清。 对一般食品悬浮
6、液的固液分离,为了降低固液分离过程中的能耗,首先应考虑采用沉降等重力分离方法,因为此类方法主要依靠重力场的作用,分离单位质量的固液混合物消耗的能量较少。,三、发酵工业 在发酵工业中,将发酵液中的细胞进行收集并进行连续多次使用是一种新的发展方向,而沉降操作是其中的一种细胞分离方法。,酒精发酵新方法,例如,在酒精发酵工业中,传统酒精发酵工艺严重污染环境。废液循环使用是减少生产过程污染物排放量的简捷途径,但是,传统的发酵工艺的本质决定了即使采用比较低的循环比,装置也很难实现稳定运行。利用现代生物技术手段使发酵性能优良的菌株具有自絮凝形成颗粒的特性,以此作为固定化细胞方法的无载体固定化细胞技术是近年来
7、提出的新概念。絮凝颗粒酵母酒精连续发酵工艺为清液发酵,而且酵母细胞在生物反应器中实现了固定化,故酒精精馏废液能够以较大的比例甚至“全循环”直接拌料使用。这样既解决了废液污染问题,又节省了工艺过程用水,同时废液中残留的少量可发酵性糖富集后还可以继续利用。人们已通过原生质体融合的方法选育得到了发酵性能优良且具有强自絮凝能力的菌株,在发酵过程中细胞会形成自絮凝细胞颗粒,并以此作为固定化细胞的方法进行酒精发酵,与通常的各种载体固定化细胞技术相比,该方法具有简单、不消耗辅助材料、无附加成本、反应器中菌体浓度高、连续使用寿命长的优点,展示了良好的工业化应用前景。,3.2 离心分离 3.2.1离心分离概述
8、离心分离是利用转鼓高速转动所产生的离心力,来实现悬浮液的固液分离的技术。1924年,瑞典生物化学家Theodor Svedberg设计并制造出可以产生相当于5000倍地球引力离心力的离心机,从那时起,根据离心力进行物料的组分分离的方法便被广泛采用,并设计制造出了各种型号和功能的离心分离设备。Svedberg因其在超速离心机的设计和应用方面作出的杰出贡献而荣获1926年的诺贝尔化学奖。,Theodor Svedberg(18841971),离心,3.2.2离心分离理论与方法1、离心分离的先决条件和常用离心方法 待分离的固体颗粒与液相之间必须存在密度差异才能以沉降的方法进行分离,而离心分离过程就是
9、以离心力加速不同固体颗粒沉降分离的过程。当待分离的固体颗粒之间也存在或经人为处理产生的密度或沉降速率差异,则可以利用离心方法将不同密度和大小的颗粒进行分离。离心分离方法中差速离心法操作最简便,且处理量大,是生化工业中最常用的离心分离方法,但其分离精度低于密度梯度离心法。,(1)差速离心 不同大小的固体颗粒与液体混合后,固体颗粒在地球重力场作用下向下沉淀。大和重的颗粒沉降较快,较先到达底部。小的较轻颗粒沉降较慢,沉淀后集合在大颗粒上方。在无外加离心力和不改变悬浮液性质的情况下,多种微小颗粒由于固液分子间相互影响可以稳定悬浮在液相中。离心设备产生的离心力可为地球重力的几千至几十万倍,微小颗粒与液体
10、分子间的相互影响力被离心力克服,原先稳定悬浮的多种微小颗粒根据各自相对密度大小等条件依次沉淀出来。在离心分离过程中逐次增加离心力或离心时间,每次可从沉降物料中得到不同密度和大小的组分,这种离心分离方法称为差速离心法 (Differential centrifugation)。,(2)速率密度梯度离心 速率密度梯度离心(Rate-zonal density-gradient sedimentation)也称为差速区带离心。在离心管中装入密度梯度溶液(一般可用蔗糖、CsCl、甘油和NaBr等配制),溶液的密度从离心管顶部至底部逐渐增加。将待分离的料液加至密度梯度溶液顶部。由于料液中不同密度或不同大
11、小的粒子在离心力作用下在梯度溶液中移动速度不一样,经过一定时间的离心后会在不同位置形成分开的组分区带。此离心方法的特点是梯度溶液的最大密度小于所有颗粒密度,离心过程必须在密度最大颗粒完全沉降以前停止。本法适于分离颗粒大小不同而密度相近的组分,如DNA与RNA混合物、核蛋白体亚单位及线粒体、溶酶体及过氧化酶体等。,(3)等密度梯度离心 等密度梯度离心(Isopycnic density-gradient sedimentation)也称为平衡区带离心,是根据颗粒密度的差异进行的离心分离方法,也是分离高纯度大分子的一种重要手段。该离心方法需要与速率密度梯度离心法相似的密度梯度环境,但待分离颗粒的密
12、度介于梯度液高低密度范围之间。待分离料液可以铺在梯度液上面,也可加在梯度液下面或均匀分布于密度梯度介质中。离心一段时间后料液中不同密度颗粒分别运动到达它们的密度平衡点(即等密度点),形成组分区带,达到与料液中其它物质组分相分离的目的。到达平衡点的颗粒的相互分离完全由其密度所决定而与颗粒大小无关。密度梯度离心法具有较好的分辨率,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。,2、 离心力公式和分离因数 将装有料液的离心管装入离心机转头,假设离心机转头以匀角速度作旋转运动,悬浮液中球形颗粒直径为d(假定离心沉降对象为理想球形颗粒),体积为V,颗粒密度为,溶剂密度为0,
13、溶液粘度系数为,颗粒中心与离心机转轴中心距离为r。则根据牛顿第二定律及阿基米德原理,质量为m的球形颗粒受到的离心力(F)为:,(1),若角速度用转速N(转/min)表示其线速度,则 由式2可知,质量不同的颗粒在离心力场中所受离心力的大小不同,因此离心机运转时通常用离心力与重力(Wmg)的比值来表示离心机的离心能力,称为相对离心力(Relative Centrifugal Force, 简称RCF),也称为离心分离因素,用符号“g”或“g”表示。,(2),(3),3.2.3 离心机的类型与结构 与其它种类的固液分离法比较,离心分离法的分离速率快,分离效率高,液相澄清度好,操作时卫生条件好,占地面
14、积小,能自动化、连续化和程序控制,适合大规模的分离过程。而且,由于离心操作可以在密闭的环境中进行,具有良好的生物安全性,可以满足行政法规中对基因重组生物工程系统提出的严格要求,是现代生物制药技术中必不可少的重要分离方法。但是离心设备投资较高、能耗大,而且在连续排料时,固体物料的湿度较大。,SS型三足式人工上卸料离心机 该型离心机是一种筐式离心机,过滤器是于多孔圆筒内另加过滤介质,立式转鼓悬挂于三根支柱上,习惯上称为三足式离心机,其结构见图3。,图3 SS型三足式人工上卸料离心机结构示意图,1.电动机 2.三角胶带 3.起步轮 4.闷盖 5.离心块 6.主轴带轮 7.放水管接头 8.无基础三角底
15、盘 9.柱脚 10.制动环 11.摆杆 12.大盘 13.减震弹簧 14.外壳密封圈 15.柱脚罩 16.制动手柄 17.外壳 18.拦液板 19.转鼓筒体 20.主轴罩 21.转鼓底 22.主轴螺母 23.上轴承盖 24.轴承座 25.主轴 26.下轴承盖 27.被动轮 28.轴承 29.减震器,三足式离心机结构紧凑,稳定性好,操作平稳,进出料方便,占地面积小,在工业上应用广泛。待分离物料从离心机顶部加入鼓形转子室内,在离心力作用下,液体经敷于鼓壁上的滤网过滤后落入机身底盘,经出液口排出,固相分离物留存转鼓内,停机后由人工从上部取出。三足式离心机可用于分离悬浮液中直径为0.011.0mm的颗
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