第四章-第三讲-膜分离、离心

离心管
rmean rmax
式中： Fc—离心力； m—为物质质量(g)； ac—为离心加速度(m/s2)； r—离心管中受力粒子到离心机轴心的垂直距离
4 2 n 2 m. r 3600
轴心
P62
相对离心力（relative centrifugation force ，RCF）：
ma c 4π 2 n 2 r RCF mg 3600 980
离心操作程序及注意事项
装样 平衡 离心管放入离心机 关上离心机缸盖，锁牢 设置离心参数 离心
装液量不超过2/3 各离心管重量差不超过0.1g 对应放入，维持平衡
离心时间及离心力
离心后要清洁离心机
小结：第五节 离心技术
目
一 二 三 四 五
主要内容
基本原理 离心机分类 离心方法 离心沉降速度 和沉降系数 离心时间
2、有机高分子材料 目前，实用的有机高分子膜材料有：纤维素酯类、聚砜 类、聚酰胺类及其他材料。 可用作反渗透膜、微滤膜和超滤膜。
将一定大小的颗粒进行压缩，然后在高温下烧结。
加热
孔
烧结过程示意图
（三）膜的使用性能
（1）透水率（透水通量、流率）： 是指在一定温度和压力条件下单位膜面积在单位时间内透 过的水量。 处理蛋白质（酶）溶液时，透水率常为纯水的10%。
渗出液
膜分离技术的地位和影响
美国官方文件曾说“18世纪电器改变了整个工业进程 ，而20世纪膜技术将改变整个面貌”，“目前没有一 种技术，能像膜技术这么广泛地被应用”
日本和欧洲则把膜技术作为21世纪的基盘技术进行研 究和开发。 “谁掌握了膜技术，谁就掌握了化学工业的未来”Norman N. Li，美国科学院院士，著名华裔科学家。 膜分离已得到广泛应用。21世纪是工业生物技术的世 纪，膜技术将扮演重要角色。
第四节 膜过滤技术在酶分离纯 化中的应用
Membrane Filtration
第四节 膜过滤技术在酶分离纯化中的应用
借助于一定孔径的高分子薄膜，将不同大小、不同 形状和不同特性的物质颗粒或分子进行分离的技术。
膜分离技术已被国际上公认为20世 纪末至21世纪中期最有发展前途，甚 至会导致一次工业革命的重大生产技 术，所以可以称为前沿技术，是世界 各国研究的热点。 广泛应用于生物工程、化学、制药、 饮料、电力、冶金、海水淡化、资源 再生等领域。
超 滤 （UF）
纳滤 （NF） 反渗透 （RO）
10nm~200nm
生物大分子及以上
超滤膜
2nm~10nm
生物小分子及以上
纳滤膜
<2nm
盐类及以上
盐、氨基酸、 反渗透膜 糖的浓缩、 淡水制造
二、酶分离纯化中几种常见的膜分离技术 （一） 微 滤(MF)
又称微孔过滤，是以微滤膜作为过滤介质的膜分离技术。 （1）截留颗粒直径：0.2~2 um。 （2）操作压力：低于0.1 MPa。 （3）应用： 实验室和生产中通常利用微滤技术除去或收集酶发酵 液中的细胞。 无菌水、矿泉水、纯生啤酒的生产。热敏性药物和营 养物质的过滤除菌等
= 1.12×10-5n2r（g）
（r取厘米，g为980厘米/秒2）
工业上: 相对离心力 → 离心分离因素
RCF =
r取米，则：
1 900
n2 r（g）
二、离心机分类
冷冻系统、离 心管帽 转 速
8000 25 000
冷冻系统、 离心管帽、 真空系统
分离细胞、细胞 碎片、培养基残 渣及粗结晶等较 大颗粒。

离心的形式

角式及外摆式：外摆式一般为低速

角式由低速到超速均有。
角式离心机和离心头（转子）

角式离心头要配套，低温使用要预冷，操作 注意稳、盖、旋紧。
离心机的大小：落地式及台式
小台式离心机
离心管
材质：玻璃 ，塑料 强度：和离 心速度相配 大小：和转 子配套 高速超速管 要加盖
五、离心时间
差速离心
密度梯度离心
等密度梯度离心
离心时间表示方法：①沉降时间 ②区带形成时间
③平衡时间
离心时间表示方法：①沉降时间、②区带形成时间、③平衡时间 dt =
1
ω2S
·
dr
r
积分得：
t2 –t1 = 1 ω 2S （lnr2-lnr1）
根据所用的离心机，确定了沉降开始的离心半径r1和预定 终止的r2，又确定了离心时的转速，对某一具体的颗粒，其沉 降系数S也是定值，就可计算出离心所需时间（t2-t1）。
膜上游
透膜
膜下游
膜分离过程原理： 以选择性透膜为分离介质，通过在膜两边施加一个推 动力（如浓度差、压力差或电压差等）时，使原料侧组分选 择性地透过膜，以达到分离提纯的目的。通常膜原料侧称为 膜上游，透过侧称为膜下游。
过滤与膜分离的区别
膜分离
截留物
过滤
渗透物
膜分离
浓缩液
进料管 滤过液
一、膜分离的类型
病毒
生物大分子 生物小分子 盐类
细菌
膜
病毒
生物大分子
生物小分子 盐类 水
水
微滤（MF）
（0.2-2um）
超滤（UF）
（10-200nm）
纳滤（MF） 反渗透滤（RO）
（2-10nm） （＜2nm）
各种膜分离法的原理和应用范围
膜分离法 微 滤（MF） 截留的颗粒大小 0.2~2um 截留的主要物质 灰尘、细菌 过滤介质 微孔滤膜 应用举例 除菌，回收 菌 蛋白质、多 肽和多糖的 回收和浓缩 脱盐、浓缩
2、按膜孔径或截留物质的大小
粗滤—微滤 — 超滤 —纳滤 、电渗析 、透析 — 反渗透
过 滤 介 质 孔 径
大 小 膜分离
请将下列物质按从大到小的顺序排列： 生物小分子 病毒 生物大分子 细菌 盐类
水
灰尘
灰尘
灰尘 灰尘 细菌 细菌 病毒 生物大分子 生物小分子 盐类 水
细菌
灰尘 病毒 生物大分子 生物小分子 盐类 水
知识点
离心力（Fc）、相对离心力（RCF） 常速离心机、高速离心机、超速离心机， 各自的应用范围 差速离心、密度梯度离心、等密度梯度离 心
沉降时间、区带形成时间、平衡时间
练习题：
实验室台式离心机转速为4000r/min，离心半径 为5cm，RCF为多少？工业离心分离机同样转速， 离心半径为0.3m，离心分离因素是多少？
大
中
小
例：用差速离心法分离已破碎的细胞各组份
已破碎的细胞
500g，10min
沉淀 (细胞核）
上清液
10 000g，10min
沉淀
上清液
100 000g，3h
(细胞膜碎片、 线粒体、溶酶体)
沉淀 上清液 (核糖核蛋白体） (可溶性成份)
2、密度梯度离心
在离心管中用5~60%的蔗糖溶液，形成由管底到液面逐渐 降低的梯度，将样品放在密度梯度溶液的表面，经过离心，沉 降系数比较接近的颗粒在密度梯度溶液中形成若干条不连续的 区带。
梯度介质：蔗糖密度梯度系统
样品
蔗糖密度梯度 沉淀慢的组分 沉淀快的组分
介质的最大密度 ＜ 样品组分的最小密度
3、等密度梯度离心
当欲分离的不同颗粒的密度范围处于离心介质的 密度范围时，在离心力的作用下，不同浮力密度的颗 粒一直移动到与它们各自的浮力密度恰好相等的位置， 形成区带。 常用的离心介质：铯盐，如CsCl，Cs2SO4，CsBr
操作及应用 使用性能应 考虑的3个参 数： 透水率、截留率、截留相对分子质量
第五节 离心技术
1 2 3 4 5
基本原理 离心机分类
离心方法 离心沉降速度和沉降系数
离心时间
离心是借助于离心机旋转所产生的离心力，使不同 大小和不同密度的物质分开的技术。
一、基本原理
rmin
离心力：Fc = mac
=mω 2r
(r/min)
低速离心机
高速离心机
超速离心机
分离各种沉淀物、 细胞碎片及较大的 细胞器等。
制备用：分离纯化 生物大分子、细胞 器和病毒等。 分析用：测定样品 纯度、沉降系数、 相对分子量。
实验室离心机


温度类型：常温及冷冻
超速离心机均为冷冻型。 使用冷冻离心机时提前降 温，预冷离心头。 使用超速离心机时先抽真 空。
三、膜分离技术的基本流程
浓缩液（回流液）
料液罐
渗出液
泵
膜组件
四、生产中常用的膜分离装置
中空纤维超滤器 中空纤维膜分 离装臵是将成束的中空纤维装入 一筒内，两端封闭。当轴流通过 管腔时，造成高剪切力，在截留 溶质分子的同时，将浓度降至最 低限度。每根中空纤维内腔直径 为0.2mm,中空纤维由惰性的非离 子聚合物制成．具有各向异性、 抗堵塞性，运用成束纤维表面积 大，流量大、阻留溶质的浓度范 围(4％一20％左右) 。
+
膜 膜
酶液
-
+
应用：电渗析主要用于酶液或其他溶液的脱盐、海水淡化、 纯水制备等
（六） 透析
应用：在生物分离方面，主 要用于生物大分子溶液的脱盐。 由于透析过程以浓差为传质推 动力，膜的透过通量很小，不 适于大规模生物分离过程，而 在实验室中应用较多。
膜 膜
盐类 水
水
渗透
透析
练习： 1、若除去酶溶液中的盐分，可采用下面哪种分离方式？（ ） A、板框过滤 B、微滤 C、超滤 D、反渗透 2、若除去酶溶液中的生物小分子，可采用下面哪种分离方式？ （ ） A、板框过滤 B、微滤 C、超滤 D、反渗透 3、在采用微生物发酵生产壳聚糖酶时，若采用膜过滤的方法除 去发酵液中的菌体细胞，可采用哪种膜分离方式？ 用生产所得的壳聚糖酶来降解壳聚糖生产壳寡糖时，反应 完成后，可采用哪种膜分离方法除去反应液中的壳聚糖酶？
样品 密度梯度
低密度组分 高密度组分
密度梯度的制备：密度梯度混合器
四、离心沉降速度和沉降系数
P62
沉降速度（v）：离心管中的粒子在离心力场作 用下，向垂直于转轴方向移动的速度。
dr = S· ω2r dt dr/ dt S = ω 2r
v=
S为沉降系数，单位：秒 许多大分子和超分子复合物（如核糖体等）的沉降系数， 都在10-13秒这个数量级，将定为1S。
（1）截留颗粒直径：小于2 nm。 （2）操作压力：0.7~13 MPa。
（3）应用：主要用于分离各种离子和小分子物质。 在酶液的浓缩、无离子水的制备、海水淡化等方面广泛应 用。
溶质 水 水
膜
膜
溶质 水 水
渗透
反渗透
盐
小分子
大分子
水
反渗透（RO）
（五） 电渗析
在电场作用下，带电离子透过膜向两极移动，而达到分离 的目的。
1、按推动力不同可分为：
（1）扩散膜分离
渗透（ Osmosis） 透析（Dialysis ） （2）压力差膜分离 微滤（Microfiltration）
超滤（Ultrafiltration）
纳滤（Nanofiltration ） 反渗透（Reverse Osmosis） （3）电位差膜分离：电渗析（ElHale Waihona Puke Baiductrodialysis）
中空纤维超滤膜组件
清洗液出口 （c）
渗出液
渗出液
清洗液
五、膜及膜的使用性能
（一）膜的结构 表层：孔径各异，厚度为0.1~5um 膜 基层：起支持作用，厚度为50~250um
（二）制膜材料
1、 无机材料 主要有：陶瓷、微孔玻璃、不锈钢和碳素等。 适用：微滤膜。 特点：机械强度高，耐高温、耐化学试剂和耐有机溶剂， 但缺点是不易加工，造价较高。
水
盐
小 分 子
超滤（UF）
（三）纳 滤(NF)
纳滤膜主要用于截留粒径在2～10nm，分子量 为1000左右的物质，可以使盐和小分子物质透过， 操作压（0.5～1MPa）。 其被分离物质的尺寸介于反渗透膜和超滤膜之间， 但与上述两种膜有所交叉。
小分子
大分子
水
盐
纳滤（NF）
（四） 反渗透(RO)
在压力作用下，溶剂（通常是水）透过膜，而溶质被阻挡 于膜壁外。
（2）截留率：
是指溶液中某一溶质被膜截留量的百分数。 酶超滤浓缩通常选用90%以上截留率的膜。 （3）截留物相对分子质量： 是指某种大分子如酶，在截留率达到某一指标情况下的被 截留物的分子量。
小结：膜分离技术
扩散膜分离、加压膜分离、电位差膜分离
透析 电渗析
膜分离 ：
微滤、超滤、纳滤、反渗透
细胞
水
盐
小 分 子
大 分 子
微滤（MF）
（二） 超 滤(UF)
可截留溶液中溶解的大分子物质，而透过小分子物质。 （1）截留颗粒直径：10~200 nm。 （2）操作压力：0.1~0.7MPa。 （3）应用：一是分离纯化，从高分子物质与低分子物质的溶 液中，使低分子物质透过膜；二是溶液的浓缩。
大分子

三足离心机
料液 轻相
工 业 用 碟 片 式 离 心 机
沉淀物 重 相
管式离心机
三、离心方法
差速离心
密度梯度离心
沉降速度法
密度相近， 大小不同
沉降系数较接近
沉降平衡法
密度差别大
等密度梯度离心
1、差速离心
采用不同的离心速度和离心时间，使不同沉降速 度的颗粒先后分离的方法。
应用范围：大小有较大差别的颗粒。