生物分离工程计算
生物分离工程
第一章绪论1.生物分离工程是指从发酵液、酶反应也活动植物培养液中分离、纯化生物产品的过程。
2.生物分离的一般流程：发酵液的预处理；提取；精制；成品加工。
第二章发酵液的预处理1.过滤和离心是最基本的单元操作。
2.凝集是指在投加的化学物质作用下，发酵液中的胶体脱稳并使粒子相互凝集成为1mm大小块状絮凝体的过程。
3.絮凝是指某些高分子絮凝剂能在悬浮粒子之间产生桥梁作用，使胶粒形成粗大絮凝团的过程。
4.调节pH法：在进行pH调节时，一般采用草酸等有机酸或某些无机酸来进行。
Ca+经常选用酸化剂为草酸；Mg+的去除是采用加入磷酸盐，如三磷酸钠；Fe+通常加入黄血盐。
5.影响发酵液过滤的因素：菌种；发酵液粘度。
6.发酵液的过滤设备形式很多，按过滤的推动力分为：重力式过滤器、压力式过滤器、针孔式过滤器和离心式过滤器。
7.目前国内外对过滤液的分离和过滤常采用的设备为：板框式压滤机；板式压滤机；自动板框式压滤机和真空过滤机。
第三章细胞分离技术1.细胞破碎的方法可分为：机械破碎发、物理破碎法、化学渗透法及酶溶法。
2.变性剂的加入，可削弱氢键的作用，使胞内产物相互之间的作用力减弱，从而易于释放。
3.包埋病毒粒子具一定形状和大小的蛋白结晶体，在相差显微镜下呈现强的折光性，由单一多肽构成。
第四章沉淀技术1.盐析：蛋白是在搞离子强度溶液中溶解度降低，以致从溶液里沉淀出来的现象称为盐析。
2. 常用脱盐处理的方法有：透析法、超滤法及凝胶过滤法。
3．有机溶剂沉淀法的原理：①传统观点认为向蛋白质溶液中加入丙醇或乙醇等有机溶剂，水的活度程度降低，水对蛋白子表面的水化程度降低，即破坏了蛋白子表面的某水化蹭；另外，溶液的介电常数下降，蛋白子分之间的静电引力增大，从而聚集和沉淀。
②新观点认为，有机溶剂可能破坏蛋白质的某种键，使其空间结构发生某种程度的变化，致使一些原来包在内部的疏水基团暴露于表面并与有机溶剂的疏水基团结合形成疏水层，从而是蛋白子沉底，而当蛋白子的空间结构发生变形超过一定程度时，使会导致完全的变性。
南工大生物分离工程
Mini Q PC 3.2/3: Glutathione synthetase
SDS-PAGE
Expanded Bed
离子排斥色谱法
待分离组分携带电荷与离子交换树脂骨架相同, 而相互排斥,不同组分排斥力而获得分离 碱性抗生素带正电荷,采用强碱性树脂可进行离 子排斥色谱法分离,如卡那霉素A\B\C的分离.
分子筛凝胶色谱原理
Desalting proteins
proteins
salts
凝胶色谱填料
葡聚糖凝胶 Sephadex G-系列 聚丙烯酰胺凝胶 Sephacryl系列 琼脂糖凝胶 Sepharose系列 Superose系列
纸层析
是一种常用的快速分离、鉴定方法，可用于定 性分析以及确定分离方案，但一般不用于定量 分析 介质：滤纸 操作方法：将试样溶于适当溶剂中，点样于滤 纸的一端；选用适当的展开剂，借助毛细管现 象从点样的一端向另一端流动，展开结束后， 取下滤纸，晾干，染色显迹
Rf
Am Am Kd As
体现某一种溶质与固定相之间的亲和力大小，As:固定相 平均截面积，Am:流动相平均截面积
洗脱体积Ve 色谱柱中，使溶质从柱中流出所需流动相体积， 为洗脱体积
Ve Vm KdVs
不同的溶质，由于和固定相的亲和力的不同，洗 脱体积也有所差异,Vm:色谱柱中流动相体积，Vs 色谱柱中固相体积
30µm
15µm
5µm
反相液相色谱
液-液色谱有正相和反相之分。如果采用极性固定相和相对非极性流动相 ，就称为正相；如果采用相对非极性固定相和极性流动相，则称为反相。 由于极性化合物更容易被极性固定相所保留，所以正相液-液色谱系统一 般可用于分离极性化合物。相反，反相液-液色谱系统一般可用于分离非 极性或弱极性化合物。正相色谱的流出顺序是极性小的先流出，极性大的 后流出；反相色谱的流出顺序正好相反。另外，其他有些色谱如柱色谱也 有正反相之分。 反相液相色谱分离多肽和蛋白质是基于蛋白质的疏水性，因此通常采用非 极性的烷基固定相作为填料，其表面化学性质和流动相的选择应最大限度 地满足疏水的要求。通常在流动相中加入离子对试剂（三氟乙酸）来增大 蛋白质和多肽的疏水性
生物分离工程计算
三、问答题1、什么是生物技术下游加工过程？从发酵液或酶反应液或动植物细胞培养液中提取、分离、纯化、富集生物产品的过程。
2、针对分离对象而言，生物分离过程有何特点（1）发酵液或培养液是产物浓度很低的水溶液：发酵液中生物产品的浓度很低，而杂质含量却很高，如发酵液 (0.1-10g/L) 或培养液(5-50mg/L)，青霉素（4.2%）、庆大霉素（0.2%）、干扰素（<50ug/ml，0.005%）胰岛素0.002%。
这使分离所需能量以及产品价格大大提高。
（2）培养液是多组分的混合物：培养液是一个复杂的多相体系，含有菌体、未消耗尽的固体培养基等固体成分和大量的液相；未消耗完的培养基成分，包括各种无机盐和有机物；除所需产物外，还含有其他副产物以及色素等杂质，有些杂质的性质与产物很接近。
很难通过单一手段将产物分离和纯化。
（3）生化产品的稳定性差：许多发酵产品具有生理活性，很容易变性失活，如原料液中常存在降解目标产物的蛋白酶、菌体也可能自溶、容易被杂菌污染：遇热、极端pH 值、有机溶剂会引起失活或分解，特别是蛋白质的生物活性与一些辅因子、金属离子的存在和分子的空间构型有关。
甚至剪切力也会影响空间构型和使分子降解，对蛋白质的活性有很大影响，因此，分离过程中的pH值、温度和搅拌等条件必须特别注意。
发酵液放罐后，应及时快速操作，要求采用快速的分离纯化方法除去影响目标产物稳定性的杂质。
（4）对最终产品的质量要求高：对产物的要求：保持生物产物的活性、纯度要求高，当生物技术产品是食品或药物时，要求无污染物、无对映体、无病毒、无热原、无致敏原等。
3、生物分离工程的一般步骤是什么？各步骤中的单元操作主要有哪些？一般包含四个步骤，如图所示。
预处理中有加热、调pH、絮凝等单元操作；细胞分离中有沉降、离心、过滤、错流过滤等操作步骤；细胞破碎中有均质化、研磨、溶胞等单元操作；细胞碎片分离中有离心、萃取、过滤、错流过滤等单元操作；初步纯化中有沉淀、吸附、萃取、超滤等单元操作；高度纯化中有层析、离子交换、亲和、疏水、吸附、电泳等单元操作；成品加工中有无菌过滤、超滤、冷冻干燥、喷雾干燥、结晶等单元操作。
生物分离工程实验讲义(生工09)
实验一牛乳中酪蛋白的提取一、实验目的1、掌握等电点法提取蛋白的基本原理及基本操作；2、掌握双缩脲法测定蛋白含量的基本原理及基本操作。
二、实验原理酪蛋白是乳蛋白质中最丰富的一类蛋白质，约占乳蛋白的80~82%，酪蛋白不是单一的蛋白质，是一类含磷的复合蛋白质混合物，以一磷酸酯键与苏氨酸及丝氨酸的羟基相结合。
它还含有胱氨酸和蛋氨酸这两种含硫氨基酸，但不含半胱氨酸。
它在牛乳中的含量约为35g/L，比较稳定，利用这一性质，可以检测牛乳中是否掺假。
酪蛋白在其等电点时由于静电荷为零，同种电荷间的排斥作用消失，溶解度很低，利用这一性质，经牛乳调到pH4.6，酪蛋白就从牛乳中分离出来。
酪蛋白不溶于乙醇，这个性质被利用来从酪蛋白粗制剂中将脂类杂质除去。
在乳制品加工或成品中，酪蛋白含量是一个常需测定的指标。
常用于测定酪蛋白的方法是先将酪蛋白在等电点沉淀，再用凯氏定氮法测定。
本实验采用双缩脲法测定酪蛋白。
其原理为：蛋白质含肽键，肽键在碱性溶液中可与铜离子形成紫红色化合物，在540nm波长处有最大吸收，其颜色深浅与蛋白质浓度成正比，而与蛋白质分子量及氨基酸组成无关。
三、材料与试剂市售牛奶10mg/mL酪蛋白标准溶液（用0.1M NaOH配制）0.1M NaOH溶液、0.2 M pH4.6的HAc－NaAc缓冲液双缩脲试剂：称取硫酸铜（CuSO4·5H2O）1.5 g，加水100 mL，加热助溶；另称取酒石酸钾钠（NaKC4H4O6·4H2O）6.0g、碘化钾5g溶于500 mL水中。
两液混匀后，在搅拌下加入10%NaOH 300 mL，后用水稀释至1000 mL，贮存于塑料瓶中。
此液可长期保存，若瓶底出现黑色沉淀则需重新配制。
四、操作步骤1、牛乳中酪蛋白的等电点沉淀用量筒量取25 mL牛乳两份分别置于50 mL 烧杯中，水浴加热至40℃，在搅拌下慢慢加入到已预热至40℃的等体积的0.2 M pH 4.6的HAc－NaAc缓冲液中，混匀，冷却静置30 min沉淀酪蛋白后，3000 r/min 离心15 min，弃上清液，收集沉淀。
生物分离工程管式离心机最大处理量公式
生物分离工程管式离心机最大处理量公式摘要：1.生物分离工程简介2.管式离心机概述3.最大处理量公式推导与解释4.影响最大处理量的因素5.提高最大处理量的方法6.结论正文：一、生物分离工程简介生物分离工程是一门研究如何从混合物中分离出目标生物物质的科学技术。
在生物分离工程中，管式离心机是一种常用的设备，具有分离效率高、操作简便等优点。
二、管式离心机概述管式离心机是一种利用离心力实现物质分离的设备，其主要结构包括转鼓、螺旋叶片、轴承等。
在生物分离工程中，管式离心机可以用于分离细胞、蛋白质、核酸等生物物质。
三、最大处理量公式推导与解释最大处理量是指管式离心机在单位时间内能够处理的生物物质的质量。
其公式为：最大处理量= （离心机转速× 离心机转速× 离心机容积）/ 单位时间其中，离心机转速单位为转/分钟（rpm），离心机容积单位为升（L），单位时间单位为分钟（min）。
四、影响最大处理量的因素1.离心机转速：离心机转速越高，最大处理量越大。
2.离心机容积：离心机容积越大，最大处理量越大。
3.操作时间：操作时间越长，最大处理量越大。
五、提高最大处理量的方法1.提高离心机转速：在保证设备稳定运行的前提下，适当提高离心机转速可以提高最大处理量。
2.增大离心机容积：合理扩大离心机容积，有助于提高最大处理量。
3.优化操作流程：通过改进操作方法，提高离心机的分离效率，从而提高最大处理量。
六、结论生物分离工程中的管式离心机在生物物质分离中具有重要作用。
了解最大处理量公式及影响因素，有助于优化离心机操作，提高生物分离效率。
《生物分离工程》知识点整理
生物分离工程第一章(绪论)生物分离工程的定义和过程生物分离工程定义（名词解释）：为提取生物产品时所需的原理、方法、技术及相关硬件设备的总称，指从发酵液、动植物细胞培养液、酶反应液和动植物组织细胞与体液等中提取、分离纯化、富集生物产品的过程。
过程：目标产物捕获目标产物初步纯化(萃取、沉淀、吸附等方法)目标产物高度纯化和精制细胞分离三种手段：重力沉降离心沉降过滤第二章离心分离原理和方法：原理：离心沉降是在离心力的作用下发生的。
单位质量的物质所受到的离心力：式中：r为离心半径，即从旋转轴心到沉降颗粒的距离；ω为旋转角速度；N为离心机的转数，s－1方法：（1）差速离心分级（2）区带离心（差速区带离心、平衡区带离心）离心分离设备：离心力（转速)的大小：低速离心机、高速离心机、超离心机按用途：分析性、制备性按工业应用：管式离心机、碟片式离心机实验室用以离心管式转子离心机，离心操作为间歇式悬浮液的预处理方法和目的：方法：1.加热：最简单和最廉价的处理方法。
黏度、促凝聚、固体成分体积、破坏凝胶结构、增加空隙率调pH值：方法简单有效、成本低廉2.凝聚：在凝聚剂(如铝盐、铁盐、石灰和NaCl)作用下，细胞蛋白质等胶体去稳定，并聚集成1mm大小的凝聚块的过程。
（机理：破坏双电层，水解后胶体吸附，氢键结合等）3.絮凝：在絮凝剂高分子聚合电解质的作用下，胶体颗粒和聚合电解质交连成网，形成10mm大小的絮凝团过程。
（机理：絮凝剂主要起中和电荷、桥架和网络作用）4.惰性助滤剂：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介质的堵塞。
（使用方法：预涂层；按一定比率混合。
助滤剂种类：硅藻土、纤维素、未活化的炭、炉渣、重质碳酸钙等。
）目的：提高过滤速度和过滤质量是过滤操作的目标。
各种细胞破碎技术原理和优缺点：原理：许多生物产物在细胞培养过程中保留在细胞内，需破碎细胞，使目标产物选择性地释放到液相。
【重点】生物分离工程
生物分离工程：生物化工产品通过微生物发酵过程、酶反应过程或动植物细胞大量培养获得，从上述发酵液、反应液或培养液中分离、精制有关产品的过程。
研究内容：是研究生化工业中生物制品分离和纯化的工程技术学科，主要讲授传质与生化分离工程的原理应用，以及生化分离该过程中一些主要的分离单元操作和分离工程领域的研究进展及其动态；重点讲授发酵液的预处理、细胞破碎、溶剂萃取法、双水相萃取法、反胶束萃取法、凝胶萃取法、超临界流体萃取法、离子交换法、层析分离法、膜分离法、蒸发、结晶和干燥等单元操作原理及其在生物工程技术领域的应用。
根据分离过程的基本原理．分离操作可分机械分离和传质分离两大类。
机械分离的对象是非均相物系，根据物质的大小、密度的差异进行分离，如过滤、重力沉降和离心沉降等。
传质分离的对象主要是均相物系，又分输送分离和扩散分离两种。
输送分离根据溶质在外力作用下产生的移动速度的差异实现分离，又称速度分离法，其传质推动力主要有压力差、电位梯度和磁场梯度等，如超滤、反渗透、电渗析、电泳和磁泳等。
扩散分离根据溶质在两相中分配平衡状态的差异实现分离，又称平衡分离法，传质推动力为偏离平衡态的浓度差，如蒸馏、蒸发、吸收、萃取、结晶、吸附和离了交换等生物分离工程特点：1必须设计合理的分离过程和操作条件，实现目标产物的快速分离纯化，获得高活性目标产品。
2必须出去原料液中含有的热源及具有免疫原性的异体蛋白质等有害人类健康的物质，并且防止这些物质在分离操作过程中从外界混入3优化设计分离过程和各个分离操作，并努力开发和应用新型高效的分离纯化技术4对原料液进行高度浓缩。
5生物物质的生物活性大多是在生物体内的温和条件下维持并发挥作用的,当遇到高温,PH值的改变以及某些化学药物存在等周围环境的急剧变化时极不稳定，容易发生活性的降低甚至丧失发酵液预处理的目的：1改变发酵液的物理性质，促进从悬浮液中分离固形物的速度，提高固液分离器效率2尽可能使产物转入便于后处理的某一相中（多数为液相）3去除发酵液中部分杂质，以利于后续步骤操作。
生物物质分离工程
第一章1、什么是生物分离工程？生化分离工程：也称生物技术下游加工过程（Downstream Processing），从发酵液或酶反应液或动植物细胞培养液中分离、纯化生物产品的过程。
2、生物产品不同于化工产品的特点（发酵液特点）。
A:①产物浓度低的水溶液②组分复杂③产物稳定性差，大分子，小分子④质量要求高3、生化分离下游加工过程的一般流程及各流程所包含单元操作。
①发酵液的预处理与固液分离（絮凝，离心，过滤，微过滤）②细胞破碎技术（球磨，高压匀浆，冷冻破碎、化学破碎技术）③初步纯化技术（产物提取）（盐析法，有机溶剂沉淀，化学沉淀，大孔吸附树脂，膜分离技术）④高度纯化技术（产物精制）（各类层析，亲和，疏水，聚焦，离子交换，凝胶层析）⑤成品加工（喷雾干燥，气流干燥，沸腾干燥，冷冻干燥，结晶）4、生物下游加工过程的选择准则①步骤少②次序合理：a应选择不同分离纯化机理的方法联合使用：b应首先选择能除去含量最多杂质的方法：c应尽量选择高效的分离方法：；d应将最费时、成本最高的分离纯化方法安排在最后阶段③产品规格：用成品中各类杂质的最低存在量来表示，它是确定纯化要求的程度及由此而产生的下游加工过程方案选择的主要依据（注射，非注射，去除热原质）；④生产规模：琼脂糖凝胶、冷冻干燥⑤物料组成：丝状菌——适合过滤，不适合中空纤维膜⑥产品形式：固体适当结晶；液体适当浓缩⑦产品稳定性：调节操作条件，使由于热、pH值或氧化所造成的产品降解减少到最低程度。
如蛋白质的巯基容易氧化，使用抗氧化剂；⑧物性：溶解度、分子电荷、分子大小、功能团、稳定性、挥发性⑨危害性：溶剂萃取；基因工程菌发酵；干燥过程的防护和粉尘排放；固定化过程溴化氰。
⑩废水处理：BOD、COD第二章1、发酵液为什么要预处理（目的）？有哪些方法？以及各方法的原理。
A、促进从悬浮液中分离固形物的速度，提高固液分离的效率：⑪改变发酵液的物理性质降低液体黏度；⑫相对纯化，去除发酵液中的部分杂质以利于后续各步操作；⑬尽可能使产物转入便于后处理的一相中（1）加热法a）加热降低液体粘度；b）加热使蛋白质变性凝固，去除杂蛋白（2）调节悬浮液的pH值pH值直接影响发酵液中某些物质的电荷性质，适当调节pH值可改善其过滤特性。
生物分离工程：02-细胞分离(2008)
第二章细胞的分离与破碎2.1 细胞分离2.1.1 重力沉降2.1.2 离心分离Centrifugation粒子在离心场中运动时的受力情况离心力F c=mω2r排开流体的向心力F b=-m oω2r摩擦力F f=-fv一些生物分子的沉降系数RNADNA胞内成分酶、激素，可溶性蛋白核糖体病毒线粒体细胞膜离心分离——固定角离心(Fixed-Angle Centrifugation)离心分离——水平离心(Swinging-Arm Centrifugation)2No.1No.2离心分离法差速离心Differential centrifugation密度梯度离心Density gradient centrifugation差速离心Differential centrifugation10,000 ×g for 10 mins离心分离——差速分级离心(Differential Centrifugation)影响因素：离心力（‘×g‘）和离心时间离心管尺寸、形状和摆放角度差速离心存在的问题？•污染（小分子粘附在大分子上）•分离精度有限（相似性质的分子难以分开）•振动和对流的影响密度梯度离心Density Gradient Centrifugation (常用于生化研究, 如蛋白质、核酸分离)最大密度小于待分离对象的密度最大密度大于待分离对象的密度密度梯度离心的一般步骤处理量小！工业离心分离设备管式离心机和碟式离心机碟片式离心机料液重相轻相(3) dr/2.1.3 过滤分离Filtration过滤——死端过滤(Dead-End Filtration)过滤——错流过滤(Cross-Flow Filtration)不同过滤方式的比较。
生物分离工程
生物分离工程（最好能有时间过过ppt）1.定义：生产粗原料的过程及其之后的目标产物的分离纯化过程，即下游加工过程；2.下游加工过程：目标产物的分离纯化。
包括目标产物的提取、浓缩、纯化及成品化等3.特点及其重要性：(1)发酵液或培养液是产物浓度很低的水溶液；(2)培养液是多组分的混合物；(3)生化产物的稳定性差——易引起产物失活；(4)对最终产品的质量要求很高。
4.下游加工过程的一般流程:(1)下游加工过程的一般流程;（2）初步纯化;（3）高度纯化与精制;（4）成品加工5.分离效率的评价:目标产品的浓缩程度/分离纯化程度/回收率6.提高回收率的方法：（1）提高每步回收率，（2）减少操作步骤；（3）开发新型高效的分离方法第二章发酵液预处理和固液分离首先要进行培养液的预处理和固液分离，才能进行后续操作：对于胞外产物，可先将菌体或其他悬浮杂质去除，才能从澄清的滤液中提取代谢产物。
对于胞内产物，首先富集菌体，再进行细胞破碎和碎片分离，然后提取胞内产物。
1.发酵液的基本特性：发酵产物浓度较低，大多为1-10%；悬浮物颗粒小，细胞的相对密度与培养液相似；固体粒子可压缩性大；液相粘度大，大多为非牛顿型流体，不易过滤；悬浮状态稳定：双电层、水化膜、布朗运动成分复杂，杂质较多。
2.预处理的目的：促进从悬浮液中分离固形物的速度，提高固液分离的效率：⑴改变发酵液的物理性质，包括增大悬浮液中固体粒子的尺寸，降低液体黏度；⑵相对纯化，去除发酵液中的部分杂质（高价无机离子和杂蛋白质），以利于后续各步操作；⑶尽可能使产物转入便于后处理的一相中（多数是液相）。
3.预处理手段：絮凝与凝聚处理过程就是将化学药剂预先投加到悬浮液中，改变细胞、菌体和蛋白质等胶体粒子的分散状态，破坏其稳定性，使其聚集起来,增大体积以便固液分离。
常用于菌体细小而且黏度大的发酵液的预处理中。
其余手段：加热，调节pH。
凝聚：胶体粒子在中性盐促进下脱稳相互聚集成大粒子（1mm），机理：1）中和粒子表面电荷;2）消除双电层结构;3）破坏水化膜。
生物分离计算题
(3.6)
上式适用于球形粒子， 上式适用于球形粒子，即Re <1 时成立 • Re=dρν/µ<1 (3.3)
• • • • • • • •
例3：用管式离心机分离发酵液中的大肠杆菌细胞，已知离心管内径 0.127m, 高0.73m。转速为16000r/min。生产能力为Q= 0.2 m3/h。求： （1）细胞沉降速度 （2）若细胞破碎后，微粒直径降低一倍，细胞浆液粘度升高一倍。估 算用上述离心机处理的能力。 解： （1)应用管式离心机生产能力计算公式， Q=νg(2πlR2ω2/g） vg ＝Qg /(2πlR2ω2） ＝ (0.2 /3600) ×9.81/（2π×0.73×0.1272 ×(16000×2π/60)2 ) ＝ 2.62 × 10-9 m/s (2)细胞破碎后，离心机特性参数没有变化，所以：
吸附量的计算
• 例：应用离子交换树脂作为吸附剂分离抗 菌素，饱和吸附量为0.06 Kg（抗菌素）/Kg （干树脂）；当抗菌素浓度为0.02Kg/m3时， 吸附量为0.04Kg/Kg；假定此吸附属于 Langmuir等温吸附，求料液含抗菌素 0.2Kg/m3时的吸附量
• 解答：以Langmuir等温吸附公式计算，q= q0c/(K+c) • 式中， q0 和K 为常数， 两边求倒数 1/q = 1/q0 + K/q0c • 将饱和吸附量为0.06 Kg（抗菌素）/Kg（干 树脂）知道，q0 ＝ 0.06, • 将 抗菌素浓度为0.02Kg/m3时，吸附量为 0.04Kg/Kg带入公式，K = 0.01 • 故， 1/q = 1/0.06 + 1/6c ，将 c= 0.2Kg/m3 带入 得 q= 0.057 Kg/Kg.
萃取级数的计算
生物分离工程管式离心机最大处理量公式
生物分离工程管式离心机最大处理量公式（原创实用版）目录1.生物分离工程与管式离心机的概述2.管式离心机的最大处理量公式3.应用实例与分析正文一、生物分离工程与管式离心机的概述生物分离工程是一门研究如何将生物物质从混合物中分离出来，达到纯化的目的的学科。
在生物分离工程中，离心机是一种常用的设备，用于实现物质的分离。
管式离心机是离心机中的一种，具有结构简单、操作方便、分离效率高等特点，被广泛应用于生物制药、食品工业、环境保护等领域。
二、管式离心机的最大处理量公式管式离心机的最大处理量是指在单位时间内，离心机能够处理的最大物质量。
其计算公式如下：最大处理量（kg/h）= 离心力（N）×离心管容积（L）×密度（kg/L）÷ 1000其中，离心力是指离心机产生的向心力，单位为牛顿（N）；离心管容积是指离心管的有效分离空间，单位为升（L）；密度是指物质的密度，单位为千克每立方米（kg/L）。
三、应用实例与分析以一家生产生物制药的企业为例，其生产过程中需要将细胞从培养液中分离出来。
此时，可以利用管式离心机进行分离。
假设该企业所使用的管式离心机的离心力为 10000N，离心管容积为 1L，细胞密度为 1.2kg/L，则该离心机的最大处理量为：最大处理量（kg/h）= 10000N × 1L × 1.2kg/L ÷ 1000 = 12kg/h 这意味着，该企业在一小时内，最多可以将 12 千克的细胞从培养液中分离出来。
在实际生产过程中，企业需要根据生产需求和管式离心机的最大处理量，合理安排生产计划，以确保生产效率和产品质量。
生物分离工程 有效平均塔板高度 hav 公式
主题：生物分离工程中有效平均塔板高度（Hav）及其公式推导一、生物分离工程概述生物分离工程是一门综合利用生物学、化学、工程学等知识和技术，对生物领域中的各种物质进行分离、提纯和检测的工程技术。
生物分离工程在生物制药、食品加工、环境保护等领域有着广泛的应用。
二、有效平均塔板高度（Hav）的概念在生物分离工程中，塔板是一种常用的分离设备，用于在气液两相之间进行质量传递和传质操作。
而有效平均塔板高度（Hav）是评价塔板塔效的一个重要参数，它反映了在整个填料层中气体和液体之间的质量传递程度。
Hav的确定对于优化分离过程、提高分离效率具有重要意义。
三、Hav的定义Hav是指在填料层中气液两相接触的平均高度。
通过Hav的计算，可以评估在塔板上气液两相接触的情况，指导设计和操作。
四、Hav的表达式Hav一般通过实验测定和理论推导两种方法来确定。
常用的Hav表达式为：Hav = ∑(H*α) /∑α其中，H为填料层的高度，α为单位升华直径下的液体相对汽相的质量传递系数。
这个表达式通过对填料层的分析，考虑了液体和气体的传质作用，能够较为准确地反映填料层中气液两相的质量传递程度。
五、Hav的公式推导1. 根据传质理论，首先我们可以得到单位时间内传递液体相和气体相的物质分别为：N1 = Kya(α*(y* - y))N2 = Kyx(β*(x* - x))其中，Kya为气体相相对液体相的总质量传递系数；Kyx为液体相相对气体相的总质量传递系数；α为单位升华直径下的液体相对汽相的质量传递系数；β为单位升华直径下的气体相对液体的质量传递系数；y*和x*为液体和气体的平衡浓度；y和x为液体和气体的实际浓度。
2. 根据单位时间内传递液体相和气体相的物质和单位高度内的传递物质量之间的关系：N1 = αL*(L*-L)N2 = βG*(G*-G)其中，αL为单位高度内液体相的质量传递系数；βG为单位高度内气体相的质量传递系数；L*、G*、L、G分别表示单位高度内液体和气体的平衡浓度和实际浓度。
5 生物分离工程 离心分离
（1）斜角式离心机
是一类结构最简单的实验室常用离心机， 指离心管腔与转轴成一定倾角的转子； 角度越大，沉降越结实，分离效果越好， 角度越小，颗粒沉降距离短，沉降速度快，但分离效果差。 颗粒在角转子中沉降时，先沿离心 力方向撞向离心管，然后再沿管壁 滑向管底，因此管的一侧会出现颗 粒沉积。
图5.4 喷嘴排渣碟式离心机
活门（活塞）排渣的碟片离心机 这种离心机利用活门启闭排渣孔 进行断续自动排渣。 操作时，由位于转鼓底部的环板 状活门的上下移动来控制排渣。
图5.5 环阀(活塞)排渣碟式 分离机示意因
活门（活塞）排渣的喷嘴碟片离心机 这是近年来开发的机型，它和相同直径的活塞机相 似，其速度可增加23%~30%，故可使分离因素 达15000 左右，可用于酶制剂，疫苗和胰岛素等生 产中分离物的澄清。
（6）螺旋式离心机scroll-type
centrifuge
•连续操作的沉降设备，转鼓内有可旋转的螺旋输 送器，其转数比转鼓的转数稍低。 •螺旋式离心机有立式和卧式两种，其中后者又称 卧螺机，是用的较多的一种。
螺旋式离心机工作原理
转鼓与螺旋以一定差速同向高速旋转，悬浮液通过螺旋输送 器的空心轴进入机内中部，由进料管连续引入螺旋内筒，加 速后进入转鼓。 在离心力场作用下，固相物沉积在转鼓壁上形成沉渣层。输 料螺旋将沉积的固相物连续不断定推至转鼓锥端，经排渣口 排出机外，较轻的液相物则形成内层液环，由转鼓大端溢流 口连续溢出转鼓，经排液口排出机外。
卧式螺旋离心机
卧式螺旋卸料沉降离心机
螺旋式特点
卧螺机是一种全速旋转，连续进料，分离和卸 料的离心机。 最大离心力强度可达6000 操作温度可达300℃ 操作压力一般为常压 常用于胰岛素，细胞色素，胰酶的分离等。
生物分离计算题
(3.6)
上式适用于球形粒子， 上式适用于球形粒子，即Re <1 时成立 • Re=dρν/µ<1 (3.3)
• • • • • • • •
例3：用管式离心机分离发酵液中的大肠杆菌细胞，已知离心管内径 0.127m, 高0.73m。转速为16000r/min。生产能力为Q= 0.2 m3/h。求： （1）细胞沉降速度 （2）若细胞破碎后，微粒直径降低一倍，细胞浆液粘度升高一倍。估 算用上述离心机处理的能力。 解： （1)应用管式离心机生产能力计算公式， Q=νg(2πlR2ω2/g） vg ＝Qg /(2πlR2ω2） ＝ (0.2 /3600) ×9.81/（2π×0.73×0.1272 ×(16000×2π/60)2 ) ＝ 2.62 × 10-9 m/s (2)细胞破碎后，离心机特性参数没有变化，所以：
• tw / tf =2 vw/ vf =2(vw/vr)( vr/ vf) =2nf Vr－滤饼中残液的体积
(3.9)
(3.10)
f－这个体积占总滤液体积的分数 －
• 例： 使用转鼓真空过滤机处理抗菌素发酵 液，处理量为每小时15立方米，过滤面积A ＝40立方米，回转速度为1 r/min，操作真 空度为7*104Pa。加入了硅藻土助滤剂，为 不可压缩过滤饼。如过滤阻力常数µαρo/2 △P＝2.9×105 s/m2,洗涤后滞留于滤饼的可 × 洗涤后滞留于滤饼的可 溶物质量为之前的1％（ ％（r=0.01),洗涤效率 溶物质量为之前的 ％（ 洗涤效率 ％，滤液滞留量为 ％。求 为ε＝70％，滤液滞留量为 ＝1.0％。求： ＝ ％，滤液滞留量为f＝ ％。 ；（2) （1）转鼓回转一周的过滤时间；（ 洗涤 ）转鼓回转一周的过滤时间；（ 时间 tw。 。
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三、问答题1、什么是生物技术下游加工过程？从发酵液或酶反应液或动植物细胞培养液中提取、分离、纯化、富集生物产品的过程。
2、针对分离对象而言，生物分离过程有何特点（1）发酵液或培养液是产物浓度很低的水溶液：发酵液中生物产品的浓度很低，而杂质含量却很高，如发酵液 (0.1-10g/L) 或培养液(5-50mg/L)，青霉素（4.2%）、庆大霉素（0.2%）、干扰素（<50ug/ml，0.005%）胰岛素0.002%。
这使分离所需能量以及产品价格大大提高。
（2）培养液是多组分的混合物：培养液是一个复杂的多相体系，含有菌体、未消耗尽的固体培养基等固体成分和大量的液相；未消耗完的培养基成分，包括各种无机盐和有机物；除所需产物外，还含有其他副产物以及色素等杂质，有些杂质的性质与产物很接近。
很难通过单一手段将产物分离和纯化。
（3）生化产品的稳定性差：许多发酵产品具有生理活性，很容易变性失活，如原料液中常存在降解目标产物的蛋白酶、菌体也可能自溶、容易被杂菌污染：遇热、极端pH 值、有机溶剂会引起失活或分解，特别是蛋白质的生物活性与一些辅因子、金属离子的存在和分子的空间构型有关。
甚至剪切力也会影响空间构型和使分子降解，对蛋白质的活性有很大影响，因此，分离过程中的pH值、温度和搅拌等条件必须特别注意。
发酵液放罐后，应及时快速操作，要求采用快速的分离纯化方法除去影响目标产物稳定性的杂质。
（4）对最终产品的质量要求高：对产物的要求：保持生物产物的活性、纯度要求高，当生物技术产品是食品或药物时，要求无污染物、无对映体、无病毒、无热原、无致敏原等。
3、生物分离工程的一般步骤是什么？各步骤中的单元操作主要有哪些？一般包含四个步骤，如图所示。
预处理中有加热、调pH、絮凝等单元操作；细胞分离中有沉降、离心、过滤、错流过滤等操作步骤；细胞破碎中有均质化、研磨、溶胞等单元操作；细胞碎片分离中有离心、萃取、过滤、错流过滤等单元操作；初步纯化中有沉淀、吸附、萃取、超滤等单元操作；高度纯化中有层析、离子交换、亲和、疏水、吸附、电泳等单元操作；成品加工中有无菌过滤、超滤、冷冻干燥、喷雾干燥、结晶等单元操作。
4、生物分离过程的选择准则是什么？（1）采用步骤数最少；（2）次序要相对合理：避免相同原理的分离技术多次重复出现。
尽量减少新化合物进入待分离的溶液。
合理的分离步骤次序。
原则是：先低选择性，后高选择性；先高通量，后低通量；先粗分，后精分；先低成本，后高成本。
（3）适应产品的技术规格。
（4）生产规模：在分离过程的第一个步骤（发酵液的预处理和固液分离）中，使用的离心和过滤等方法能够适应很宽的规模范围，因此对于不同规模的产物分离影响不大。
但在后续步骤中，技术方法的选择和生产规模关系密切。
从技术的成本和产品的价值方面综合考虑。
（5）进料组成：从目的产物的浓度高低、物料中的与目的产物相近物质组成的物理化学性质、目的产物的定位、菌种的种类和形态、微生物的含量和发酵液的黏度等方面综合考虑。
（6）产品形式：产物的用途（医药、食品或化工品等）、形式（液体、结晶或无定性）以及最低纯度标准确定了纯化过程的最后要求，也是确定分离过程方案的主要依据。
（7）产品的稳定性。
（8）物性：根据产物的溶解度可以考察各种方法中pH、温度等条件对沉淀过程或萃取过程的影响；根据分子带电性质可以采用何种离子交换介质进行分离；根据分子大小的不同可以采用膜过滤或凝胶过滤层析将产物与杂质进行分离。
（9）环保和安全要求：离心产生的气溶胶、发酵产生的废气、干燥产生的粉尘等；目的产物本身的危害性；试剂危害；微生物的危害等。
（10）生产方式。
5、通过本课程的学习，谈谈你对生物技术下游加工过程今后发展动向的理解。
（1）加强基础理论研究研究非理想溶液中溶质与添加物料之间的选择性机制、影响因素；研究界面的结构、动力学和传质机制，以及影响因素；下游加工过程的数学模型的建立和计算机模拟。
（2）传统分离技术的提高和完善蒸馏、蒸发、过滤、离心、结晶和离子交换等传统技术由于应用面广且相对成熟，对它们的提高和完善将会推动大范围的技术进步。
适合于大规模工业化生产的传统技术经过改造提高后，适应面会更宽，效率会更高，仍然显示出强劲的生命力。
（3）新技术的研究与开发随着生物技术的发展，出现了许多新产品，获得了过去无法得到的、分子结构复杂的大分子物质，为了适应于新产品后处理过程的需要，出现了许多新的物化分离方法。
双水相萃取、反胶团萃取、膜分离、色谱、亲和分离、电泳等都是在生物分离过程研究开发中十分活跃的领域。
如：新型分离介质的研究开发子代分离技术：各种分离纯化技术相互结合、交叉、渗透，形成形成了所谓融合技术或子代分离技术。
如膜技术和萃取、蒸馏、蒸发技术相结合形成了膜萃取技术、膜蒸馏及渗透蒸发技术；又如膜分离过程与亲和配基相结合，形成了亲和膜分离过程；离心分离与膜分离过程相结合，形成了膜离心分离过程等等。
新兴下游技术：超临界流体萃取、反胶团萃取、液膜分离、磁性亲和分离、聚焦色谱、高速逆流色谱、径向流色谱、连续环状色谱、拟移动床色谱等。
（4）生物技术下游工程与上游工程相结合这是当今生物技术领域里的热点之一。
利用基因工程对产物进行了改造以使下游分离过程大大简化。
发酵和分离耦合：该研究早在20世纪70年代就已开始进行，人们将这个思路用于厌氧发酵生产乙醇，取得了令人满意的效果，近年来又逐渐发展到用于好氧发酵过程中来，如发酵－吸附分离、发酵－膜分离、发酵－萃取分离等，既可减少产物的反馈抑制效应，提高转化率，同时可简化产物提取过程，缩短生产周期，增加产率。
培养基和发酵条件：直接决定着输送给下游的发酵液质量，如采用液体培养基，不用酵母膏、玉米浆等有色物质和杂蛋白等为原料，控制比生长速率、消沫剂用量，放罐时间等发酵条件，可使分离过程方便、经济。
代谢工程：菌种选育和工程菌构建一般以提高目的产物量为目标，现在应该转变观念，从整体出发，除了达到以上目标外，还应设法增加产物的胞外分泌量，减少非目的产物的分泌（如色素、毒素、降解酶及其他干扰性杂质等）以及赋于菌种或产物以某种有益的性质以改善产物的分离特性，从而简化下游加工过程。
（5）强化物理化学作用的影响物理作用：将微波、超声波、电磁等应用于分离：微波萃取、微波蒸馏、超声波萃取、磁性亲和分离化学作用：选择适当的分离剂，增大分离因子，增加对目的组分的选择性；向分离体系投入附加组分，改变原来体系的化学位，从而增大分离因子。
强化化学作用对相界面传质速率的影响：利用一些相转移促进剂来增大相间的传质速率。
若把这类相转移促进剂结合在固相的界面上，便形成各类“亲和”分离过程，如亲和色谱、亲和萃取、亲和错流过滤、亲和膜分离等，这是强化分离过程的一个前沿研究方向。
（6）生物分离过程的高效集成化生物分离过程的高效集成化的含义在于利用已有的和新近开发的生化分离技术，将下游过程中的有关单元进行有效组合 (集成 )，或者把两种以上的分离技术合成为一种更有效的分离技术，达到提高产品收率、降低过程能耗和增加生产效益的目标。
按此定义，生物分离过程的高效集成化技术包括生化分离技术的集成化和生物分离过程的集成化两方面的内容，这种只需一种技术就达到完成后处理过程中几步或全部操作的方法，充分体现了过程集成化的优势。
（7）清洁生产清洁生产是指将综合防护的环境保护策略持续应用于生产过程和产品中，以期减少对人类和环境的风险。
它包括三方面的内容，即清洁生产工艺技术和过程、清洁产品、清洁能源、。
清洁生产工艺是生产全过程控制工艺，包括节约原材料和能源，淘汰有毒害的原材料，并在全部排放物和废物离开生产过程以前，尽最大可能减少它们的排放量和毒性，对必须排放的污染物实行综合利用，使废物资源化。
目前，生物工业的产品大多数是通过液态发酵获得的。
产物在发酵液中的浓度很低，酒精、谷氨酸和柠檬酸的发酵液浓度较高，也只有10%左右，其他一般只有2~5%，有的甚至更低。
因而，单位产品排放的废液量也非常大，环境污染问题日益突出。
在我国轻工行业，已成为仅次于造纸废水的第二大废水污染工业。
如将微生物制药工业废水计入在内，就更大了。
这不仅给社会造成了危害，也反过来成为生物工业进一步发展的严重制约因素。
清洁生产将是协调生产和环境的最有效方法。
我国在酒精、味精和柠檬酸工业上都相继开展了清洁生产研究，并取得较大进展，已进入或接近工业化阶段。
尽管清洁生产研究尚属起步阶段，在技术和理论上尚未完善，但它的重要性已日显突出。
在生物分离过程中充分考虑到清洁生产已势在必行。
6、在进行产品的分离纯化制备之前，为什么要对发酵液进行预处理？预处理的目的：促进从悬浮液中分离固形物的速度，提高固液分离的效率：（1）改变发酵液的物理性质，包括增大悬浮液中固体粒子的尺寸，降低液体黏度，促进从悬浮液中分离固形物的速度，提高固液分离器的效率；（2）尽可能使产物转入便于后处理的一相中（多数是液相）；（3）相对纯化，去除发酵液中的部分杂质（高价无机离子和杂蛋白质），以利于后续各步操作。
7、什么是封头过滤？什么是错流过滤？封头过滤：一般过滤中，滤液的流动方向与滤饼基本垂直，称为封头过滤。
错流过滤：在压力推动下，悬浮液以高速在管状滤膜的内壁作切向流动，利用流动的剪切作用将过滤介质表面的固体（滤饼）移走，而附着在滤膜上的滤饼很薄，因而能在长时间内保持稳定不变的过滤速度8、发酵液预处理中，凝聚和絮凝的作用机理有何不同？凝聚指在电解质作用下，由于胶粒之间双电层电排斥作用降低，电位下降，而使胶体体系不稳定的现象。
絮凝指在某些高分子絮凝剂存在下，基于桥架作用，使胶粒形成较大絮凝团的过程。
9、中性盐沉淀蛋白质的基本原理是什么？蛋白质和酶均易溶于水，因为该分子的－COOH、－NH2和－OH都是亲水基团，这些基团与极性水分子相互作用形成水化层，包围于蛋白质分子周围形成1nm～100nm颗粒的亲水胶体，削弱了蛋白质分子之间的作用力，蛋白质分子表面极性基团越多，水化层越厚，蛋白质分子与溶剂分子之间的亲和力越大，因而溶解度也越大。
亲水胶体在水中的稳定因素有两个：即电荷和水膜。
因为中性盐的亲水性大于蛋白质和酶分子的亲水性，所以加入大量中性盐后，夺走了水分子，破坏了水膜，暴露出疏水区域，同时又中和了电荷，破坏了亲水胶体，蛋白质分子即形成沉淀。
10、硫酸铵是蛋白质盐析中最常用的盐类，为什么？（1）溶解度大；（2）分离效果好；（3）不易引起变性，有稳定酶与蛋白质结构的作用；（4）价格便宜，废液不污染环境。
三、其他题型1、何为沉降系数？根据1924年Svedberg对沉降系数下的定义：颗粒在单位离心力场中粒子移动的速度。
2、差速离心和密度梯度区带离心法的原理是什么？差速离心是采用不同的离心速度和离心时间，使沉降速度不同的颗粒在不同的离心速度及不同离心时间下分批分离的方法。