分离工程第二章ppt课件
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• 生化工业中最常用的离心分离法，细 胞的分离为一级分级分离。实际应用 中据实际物系的特点、分离目的和所 需分离程度，选择适当的离心机转数 和时间，可使料液中不同组分得到分 级分离。
差速离心
细胞匀浆 低速离心
中速离心
细胞 核仁 细胞骨架
大细胞器 高速离心
小细胞器 超高速离心
核糖体 大分子
（2）密度梯度（区带）离心
vs
d2ρs ρL
18μL
Zg
4 N r 22
vs22d29 s LLN 2rS r2
其中：r为离心半径；为旋转角速度；N为离心机转数； S为沉降系数，是溶剂物性的函数。
• 2、离心分离法
（1）差速离心分级（Differential centrifugation)
cake 滤饼
传统的过滤
Conventional filtration
filter filter filter
Conceptual representation of plate and frame filter filtrate
solids recovery upon backflush Figure2.1 Schematic respresentation od s filter press
• 过滤操作中，滤饼阻力是影响过滤速度 的主要因素，因此一般在过滤前需对料 液进行絮凝或凝聚等预处理，此外可添 加助滤剂(如硅藻土）提高过滤速度。
• 3、过滤设备
– 生化工业常用的过滤制备主要有：
加压叶滤机
板框过滤机
回转真空过滤机
Knife
Dry Wash Immersion
Cake Feed
• 除去细胞碎片后，再进行后续分离纯化 操作。
一、细胞的结构
• 不同种类的细胞结构差别很大，破碎的 难易程度不同： 植物细胞＞真菌（如酵母菌）＞革兰氏 阳性细菌＞革兰氏阴性细菌＞动物细胞。
• 破碎细胞的目的就是使细胞壁和细胞膜 受到不同程度的破坏或破碎，释放其中 的目标产物。
: fs 24 10 4 Re
d 3 sg
d 3 Lg
L
v
2 g
d
24
Re 1
2
Re
dv g L L
vg
d2ρs ρLg
18μL
其中：Re为雷诺准数；为阻力系数；d为颗粒粒径； L为液体粘度；Vg:重力沉降速度;s和 L分别表示
• 差速区带离心：调配的密度梯度中的最 大密度小于待分离的目标产物的密度。
• 离心操作中，料液中的各个组分在密度 梯度中以不同的速度沉降，根据各个组 分沉降系数不同的差别，形成各自的区 带。
• 平衡区wenku.baidu.com离心：调配的介质密度梯度比 差速区带离心的密度梯度大。
• 离心操作结果使料液中的高分子溶质在 与其自身密度相等的溶剂密度处形成稳 定的区带，区带中的溶质以该密度为中 心，呈高斯分布。
F lo w s h e e t fo r c o n tin u o u s ro ta ry v a c u u m filtra tio n
w a sh sp ra ys
A ir c o n n e c tio n C o n tin u o s ro ta ry filte r
M o is tu re tra p
cake
W ash w a te r pum p
30'
W ash
V acuum re c e iv e rs
F iltra te
D ry vacuum pum p
A ir out
pum p
B a ro m e tric seal
F ig u re 2 .2 F lo w s h e e t fo r c o n tin u o u s ro ta ry v a c u u m filtra tio n
g
vg
其中：称为离心沉降面积，是离心机结构和操作条件的函数； L为管长；r2为转筒内径。
Tubular bowl
三、过滤
• 定义：利用多孔介质（如滤布）截留固 体粒子，进行固液分离的方法。
• 过滤速度
ddQ tLRAm pRc
Rc
W
A
其中：A为过滤面积；p为操作压力；Q为滤液体积；L为滤液粘度； Rm和Rc分别为介质和滤饼的阻力；为滤饼的平均比阻； W为滤饼干重。
Rotary vacuum filter 真空旋转过滤机
第二节 细胞破碎
• 许多生物产物在细胞培养过程中不能分 泌到胞外，而保留在细胞内。
• 如一些胞内酶、部分外源基因表达产物 和植物细胞产物等。这类生物产物在固 液分离后，需对收集到的菌体或细胞进 行细胞破碎（Cell disruption)，使目标产 物释放到液相中。
样品 蔗糖的稳定梯度
离心
样品
蔗糖的不 连续梯度
蔗糖 密度 梯度 离心
慢速沉降成分 快速沉降成分
分离
低浮力密 度成分
高浮力密 度成分
• （3）离心分离设备 – 实验室主要使用离心管式转子离心机； 生化上需用冷冻离心机；工业上较常 用的有管式和碟片式两大类。
－管式离心机的处理能力为：
Qvg
2L2r22
颗粒密度和液体密度。
• 2.对于非球形粒子，可用当量直径代入计 算沉降速度。再根据颗粒的形状系数对计 算值进行校正。
• 颗粒形状系数定义为
A 与非球形颗粒体积相等圆球表面积A
φs =
= Ap
非球形颗粒的表面积Ap
二、离心沉降
• 离心沉降速度
离心 (单 力 位 分 )质 :F 离 c量 r: 因 Z2 4 4数 2 2 gN N2 2rr vs
– 可用于调配密度梯度的物质除蔗糖、聚蔗 糖，还有CsCl （核酸的分离）和NaBr （脂蛋白的分离） 。
• 聚蔗糖的商品名称为Ficoll，是蔗糖和 1-氯-2、3-环氧丙烷的高聚物， Mr=400000，需要高密度和低渗透压 梯度时，可用Ficol代替蔗糖。
CsCl 密度 梯度 离心
密度梯度离心
第二章 固液分离与细胞破碎
第一节 细胞分离
一、重力沉降
• 重力沉降是化工过程中常用的气固、液固 和液液分离手段，在生物分离过程亦有一 定程度应用。
• 以液固沉降为例
d=2R
Fd 球形颗粒沉降的受力情况
• 1、球形粒子的Stokes沉降速度
重力
浮力 阻力
:
fg
1 6
:
fb
1 6
差速离心
细胞匀浆 低速离心
中速离心
细胞 核仁 细胞骨架
大细胞器 高速离心
小细胞器 超高速离心
核糖体 大分子
（2）密度梯度（区带）离心
vs
d2ρs ρL
18μL
Zg
4 N r 22
vs22d29 s LLN 2rS r2
其中：r为离心半径；为旋转角速度；N为离心机转数； S为沉降系数，是溶剂物性的函数。
• 2、离心分离法
（1）差速离心分级（Differential centrifugation)
cake 滤饼
传统的过滤
Conventional filtration
filter filter filter
Conceptual representation of plate and frame filter filtrate
solids recovery upon backflush Figure2.1 Schematic respresentation od s filter press
• 过滤操作中，滤饼阻力是影响过滤速度 的主要因素，因此一般在过滤前需对料 液进行絮凝或凝聚等预处理，此外可添 加助滤剂(如硅藻土）提高过滤速度。
• 3、过滤设备
– 生化工业常用的过滤制备主要有：
加压叶滤机
板框过滤机
回转真空过滤机
Knife
Dry Wash Immersion
Cake Feed
• 除去细胞碎片后，再进行后续分离纯化 操作。
一、细胞的结构
• 不同种类的细胞结构差别很大，破碎的 难易程度不同： 植物细胞＞真菌（如酵母菌）＞革兰氏 阳性细菌＞革兰氏阴性细菌＞动物细胞。
• 破碎细胞的目的就是使细胞壁和细胞膜 受到不同程度的破坏或破碎，释放其中 的目标产物。
: fs 24 10 4 Re
d 3 sg
d 3 Lg
L
v
2 g
d
24
Re 1
2
Re
dv g L L
vg
d2ρs ρLg
18μL
其中：Re为雷诺准数；为阻力系数；d为颗粒粒径； L为液体粘度；Vg:重力沉降速度;s和 L分别表示
• 差速区带离心：调配的密度梯度中的最 大密度小于待分离的目标产物的密度。
• 离心操作中，料液中的各个组分在密度 梯度中以不同的速度沉降，根据各个组 分沉降系数不同的差别，形成各自的区 带。
• 平衡区wenku.baidu.com离心：调配的介质密度梯度比 差速区带离心的密度梯度大。
• 离心操作结果使料液中的高分子溶质在 与其自身密度相等的溶剂密度处形成稳 定的区带，区带中的溶质以该密度为中 心，呈高斯分布。
F lo w s h e e t fo r c o n tin u o u s ro ta ry v a c u u m filtra tio n
w a sh sp ra ys
A ir c o n n e c tio n C o n tin u o s ro ta ry filte r
M o is tu re tra p
cake
W ash w a te r pum p
30'
W ash
V acuum re c e iv e rs
F iltra te
D ry vacuum pum p
A ir out
pum p
B a ro m e tric seal
F ig u re 2 .2 F lo w s h e e t fo r c o n tin u o u s ro ta ry v a c u u m filtra tio n
g
vg
其中：称为离心沉降面积，是离心机结构和操作条件的函数； L为管长；r2为转筒内径。
Tubular bowl
三、过滤
• 定义：利用多孔介质（如滤布）截留固 体粒子，进行固液分离的方法。
• 过滤速度
ddQ tLRAm pRc
Rc
W
A
其中：A为过滤面积；p为操作压力；Q为滤液体积；L为滤液粘度； Rm和Rc分别为介质和滤饼的阻力；为滤饼的平均比阻； W为滤饼干重。
Rotary vacuum filter 真空旋转过滤机
第二节 细胞破碎
• 许多生物产物在细胞培养过程中不能分 泌到胞外，而保留在细胞内。
• 如一些胞内酶、部分外源基因表达产物 和植物细胞产物等。这类生物产物在固 液分离后，需对收集到的菌体或细胞进 行细胞破碎（Cell disruption)，使目标产 物释放到液相中。
样品 蔗糖的稳定梯度
离心
样品
蔗糖的不 连续梯度
蔗糖 密度 梯度 离心
慢速沉降成分 快速沉降成分
分离
低浮力密 度成分
高浮力密 度成分
• （3）离心分离设备 – 实验室主要使用离心管式转子离心机； 生化上需用冷冻离心机；工业上较常 用的有管式和碟片式两大类。
－管式离心机的处理能力为：
Qvg
2L2r22
颗粒密度和液体密度。
• 2.对于非球形粒子，可用当量直径代入计 算沉降速度。再根据颗粒的形状系数对计 算值进行校正。
• 颗粒形状系数定义为
A 与非球形颗粒体积相等圆球表面积A
φs =
= Ap
非球形颗粒的表面积Ap
二、离心沉降
• 离心沉降速度
离心 (单 力 位 分 )质 :F 离 c量 r: 因 Z2 4 4数 2 2 gN N2 2rr vs
– 可用于调配密度梯度的物质除蔗糖、聚蔗 糖，还有CsCl （核酸的分离）和NaBr （脂蛋白的分离） 。
• 聚蔗糖的商品名称为Ficoll，是蔗糖和 1-氯-2、3-环氧丙烷的高聚物， Mr=400000，需要高密度和低渗透压 梯度时，可用Ficol代替蔗糖。
CsCl 密度 梯度 离心
密度梯度离心
第二章 固液分离与细胞破碎
第一节 细胞分离
一、重力沉降
• 重力沉降是化工过程中常用的气固、液固 和液液分离手段，在生物分离过程亦有一 定程度应用。
• 以液固沉降为例
d=2R
Fd 球形颗粒沉降的受力情况
• 1、球形粒子的Stokes沉降速度
重力
浮力 阻力
:
fg
1 6
:
fb
1 6