chapter2細(xì)胞分離與破碎1

1、1、過濾、過濾(重力過濾器、壓濾器、真空過濾器重力過濾器、壓濾器、真空過濾器) 2、離心、離心 3、重力沉降、重力沉降 指固體顆粒在0.1m以上的固液分散體系。生物細(xì)胞培養(yǎng)液基本上也是懸浮液。水70-80% + 固體細(xì)胞及碎片20-30%(對微生物發(fā)酵)+ 少量的代謝成物 + 細(xì)胞破裂后的內(nèi)容物 +殘存的培養(yǎng)基成分a a、細(xì)胞成分及碎片大小不一，顆粒大小、細(xì)胞成分及碎片大小不一，顆粒大小 ，分離成，分離成本本 。b b、固液密度相近，黏度高：沉降和離心分離困難、固液密度相近，黏度高：沉降和離心分離困難c c、固體成分可壓縮可變形、固體成分可壓縮可變形 + + 高黏度：過濾困難，高黏度：過濾困難

2、，黏附在濾布，錯(cuò)流過濾形成凝膠層黏附在濾布，錯(cuò)流過濾形成凝膠層d d、動(dòng)植物細(xì)胞抗剪切力差：錯(cuò)流膜過濾和離心等、動(dòng)植物細(xì)胞抗剪切力差：錯(cuò)流膜過濾和離心等不適不適e e、流變性復(fù)雜，非牛頓型流體，青霉素發(fā)酵液為、流變性復(fù)雜，非牛頓型流體，青霉素發(fā)酵液為卡森型流體，卡森型流體，120h120h鏈霉素發(fā)酵液為擬塑性流體，鏈霉素發(fā)酵液為擬塑性流體，灰色鏈絲菌發(fā)酵液為塑性流體。灰色鏈絲菌發(fā)酵液為塑性流體。 預(yù)處理的目的預(yù)處理的目的: :改變發(fā)酵液的物理性質(zhì)改變發(fā)酵液的物理性質(zhì) (黏度、顆粒大小黏度、顆粒大小 、顆粒穩(wěn)定性等、顆粒穩(wěn)定性等)，固液分，固液分離速度離速度 ，分離器分離效率，分離器分離效率 ；

3、目標(biāo)產(chǎn)物轉(zhuǎn)移其中一相目標(biāo)產(chǎn)物轉(zhuǎn)移其中一相(多數(shù)為液相多數(shù)為液相)； 加熱可產(chǎn)生：加熱可產(chǎn)生： 黏度、促凝聚、黏度、促凝聚、 固體成分固體成分體積、破壞凝膠結(jié)構(gòu)、增加空隙率、去蛋白體積、破壞凝膠結(jié)構(gòu)、增加空隙率、去蛋白2、調(diào)、調(diào)ph值：方法簡單有效、成本低廉值：方法簡單有效、成本低廉 phph直接影響發(fā)酵液中某些物質(zhì)的電離度和電荷性直接影響發(fā)酵液中某些物質(zhì)的電離度和電荷性質(zhì)，適當(dāng)調(diào)節(jié)質(zhì)，適當(dāng)調(diào)節(jié)phph可改善其過濾特性?？筛纳破溥^濾特性。 對于氨基酸、蛋白質(zhì)等兩性物質(zhì)作為雜質(zhì)存在于對于氨基酸、蛋白質(zhì)等兩性物質(zhì)作為雜質(zhì)存在于液體中時(shí)，常采用液體中時(shí)，常采用調(diào)調(diào)phph至等電點(diǎn)使兩性物質(zhì)沉淀至等電點(diǎn)

4、使兩性物質(zhì)沉淀。 另外，在膜分離中，發(fā)酵液中的大分子物質(zhì)易與另外，在膜分離中，發(fā)酵液中的大分子物質(zhì)易與膜發(fā)生吸附，常通過調(diào)整膜發(fā)生吸附，常通過調(diào)整phph，改變易吸附分子的電荷，改變易吸附分子的電荷性質(zhì)，以性質(zhì)，以減少吸附造成的堵塞和污染減少吸附造成的堵塞和污染。 此外，細(xì)胞、細(xì)胞碎片及某些膠體物質(zhì)等在某個(gè)此外，細(xì)胞、細(xì)胞碎片及某些膠體物質(zhì)等在某個(gè)phph下也可能趨于下也可能趨于絮凝絮凝而成為較大顆粒，有利于固液分離。而成為較大顆粒，有利于固液分離。主要作用為增大混合液中懸浮粒子的主要作用為增大混合液中懸浮粒子的體積體積，提高固，提高固液分離速度，同時(shí)可除去一些雜質(zhì)。液分離速度，同時(shí)可除去一些

5、雜質(zhì)。凝聚和絮凝是兩種方法，兩個(gè)概念。凝聚和絮凝是兩種方法，兩個(gè)概念。凝聚：指在投加的化學(xué)物質(zhì)（鋁、鐵的鹽類或石灰凝聚：指在投加的化學(xué)物質(zhì)（鋁、鐵的鹽類或石灰等）作用下，膠體脫穩(wěn)并使粒子相互聚集成等）作用下，膠體脫穩(wěn)并使粒子相互聚集成mm mm 大小塊狀大小塊狀凝聚體凝聚體的過程。的過程。絮凝：指使用絮凝劑（天然的和合成的大分子量聚絮凝：指使用絮凝劑（天然的和合成的大分子量聚電解質(zhì)）將膠體粒子交聯(lián)成網(wǎng)，形成電解質(zhì)）將膠體粒子交聯(lián)成網(wǎng)，形成10mm10mm大小絮凝大小絮凝團(tuán)的過程。其中絮凝劑主要起團(tuán)的過程。其中絮凝劑主要起架橋架橋作用。作用。凝聚：膠體粒子凝聚：膠體粒子(10-100nm)(10

6、-100nm)中性鹽促進(jìn)下脫穩(wěn)相互中性鹽促進(jìn)下脫穩(wěn)相互聚集成大粒子（聚集成大粒子（1mm1mm） 機(jī)理：機(jī)理：a a 中和粒子表面電荷中和粒子表面電荷 b b 消除雙電層結(jié)構(gòu)消除雙電層結(jié)構(gòu)絮凝：大分子聚電解質(zhì)將膠體粒子交聯(lián)成網(wǎng)狀，形絮凝：大分子聚電解質(zhì)將膠體粒子交聯(lián)成網(wǎng)狀，形成絮凝團(tuán)的過程成絮凝團(tuán)的過程 機(jī)理：架橋作用機(jī)理：架橋作用 凝聚和絮凝技術(shù)能有效的改變細(xì)胞菌體凝聚和絮凝技術(shù)能有效的改變細(xì)胞菌體和蛋白質(zhì)等膠體粒子的和蛋白質(zhì)等膠體粒子的分散狀態(tài)分散狀態(tài), ,使其聚集起使其聚集起來來, ,增大體積以便固液分離增大體積以便固液分離, ,常用于菌體細(xì)小常用于菌體細(xì)小而且黏度大的發(fā)酵液的預(yù)處理中而

7、且黏度大的發(fā)酵液的預(yù)處理中. .發(fā)酵液中的細(xì)胞、菌體或蛋白質(zhì)等膠體粒子的表發(fā)酵液中的細(xì)胞、菌體或蛋白質(zhì)等膠體粒子的表面，一般都帶有電荷，帶電的原因很多，主要是面，一般都帶有電荷，帶電的原因很多，主要是吸附溶液中的離子或自身基團(tuán)的電離吸附溶液中的離子或自身基團(tuán)的電離。通常發(fā)酵。通常發(fā)酵液中細(xì)胞或菌體帶有負(fù)電荷，由于靜電引力的作液中細(xì)胞或菌體帶有負(fù)電荷，由于靜電引力的作用使溶液中帶相反電荷的粒于（即正離子）被吸用使溶液中帶相反電荷的粒于（即正離子）被吸附在其周圍，在界面上形成了附在其周圍，在界面上形成了雙電層雙電層。凝聚劑種類凝聚劑種類：a、無機(jī)鹽類：如硫酸鋁、明礬、硫酸鐵、硫酸亞鐵、無機(jī)鹽類：如

8、硫酸鋁、明礬、硫酸鐵、硫酸亞鐵、fecl3、alcl3、zncl2、硫酸鎂等；、硫酸鎂等；b、無機(jī)堿：如、無機(jī)堿：如al(oh)3、fe(oh)3、ca(oh)2、cao等；等；c、聚合無機(jī)鹽，如聚合鋁、聚合鐵。、聚合無機(jī)鹽，如聚合鋁、聚合鐵。 機(jī)理機(jī)理：a、破壞雙電層，、破壞雙電層，b、水解后膠體吸附，、水解后膠體吸附，c、氫鍵結(jié)合等。氫鍵結(jié)合等。絮凝劑種類絮凝劑種類：a、陽離子類，如聚丙烯酰胺、陽離子類，如聚丙烯酰胺(+)、聚苯烯酸二烷基胺乙酯、聚二、聚苯烯酸二烷基胺乙酯、聚二烯丙基四胺；烯丙基四胺；b、陰離子類，如聚丙烯酸納、聚苯乙烯磺酸、聚丙烯酰胺、陰離子類，如聚丙烯酸納、聚苯乙烯磺酸

9、、聚丙烯酰胺(-)；c、非離子類，如聚丙烯酰胺、非離子類，如聚丙烯酰胺(0)、環(huán)氧化乙烯。、環(huán)氧化乙烯。 機(jī)理機(jī)理：絮凝劑主要起中和電荷、橋架和網(wǎng)絡(luò)作用絮凝劑主要起中和電荷、橋架和網(wǎng)絡(luò)作用 一種顆粒均勻、質(zhì)地堅(jiān)硬的粒狀物質(zhì)，用于擴(kuò)大過一種顆粒均勻、質(zhì)地堅(jiān)硬的粒狀物質(zhì)，用于擴(kuò)大過濾表面的適應(yīng)范圍，減輕細(xì)小顆粒的快速擠壓變形和過濾表面的適應(yīng)范圍，減輕細(xì)小顆粒的快速擠壓變形和過濾介質(zhì)的堵塞。濾介質(zhì)的堵塞。 使用方法使用方法：a、預(yù)涂層；、預(yù)涂層；b、按一定比率混合。、按一定比率混合。 助濾劑種類助濾劑種類：硅藻土、膨脹珍珠巖、石棉、纖維素、：硅藻土、膨脹珍珠巖、石棉、纖維素、未活化的炭、爐渣、重質(zhì)碳

10、酸鈣，及它們的混合物等。未活化的炭、爐渣、重質(zhì)碳酸鈣，及它們的混合物等。 用量標(biāo)準(zhǔn)用量標(biāo)準(zhǔn)：a、單位質(zhì)量助濾劑所產(chǎn)生的最大濾液產(chǎn)、單位質(zhì)量助濾劑所產(chǎn)生的最大濾液產(chǎn)量量(最常用最常用)；b、或最長周期；、或最長周期；c、或最快流速；、或最快流速；d、或、或?yàn)V餅的最大空間利用度。濾餅的最大空間利用度。4、惰性助濾劑：、惰性助濾劑：0020040060061218ph4.6ph4.2ph3.8ph2.8filtratevolume,cm3time,minutesfig2.1theeffectonfiltratevolumeofphandfilteraid圖2.1ph值與助濾劑對過濾體積的影響(b)e

11、ffectoffilteraid1%filteraidinfeed2%3%5%time,minutes0010040060061218filtratevolume,cm3fig2.1theeffectonfiltratevolumeofphandfilteraid圖2.1ph值與助濾劑對過濾體積的影響（續(xù)） 有時(shí)加入某些不影響目的產(chǎn)物的反應(yīng)劑，可消除發(fā)酵液中某些雜質(zhì)對過濾的影響，從而提高過濾速率。 加入反應(yīng)劑和某些可溶性鹽類發(fā)生反應(yīng)生成不溶性沉淀，如caso4 、磷酸鋁 等。生成的沉淀能防止菌絲體粘結(jié)，使菌絲具有塊狀結(jié)構(gòu)，沉淀本身可作為助濾劑，并且能使膠狀物和懸浮物凝固，從而改善過濾性能。5

12、5加入反應(yīng)劑加入反應(yīng)劑例子： 在新生霉素發(fā)酵液中加入氯化鈣和磷酸鈉，生成磷酸鈣沉淀可充當(dāng)助濾劑，另一方面可使某些蛋白質(zhì)凝固。 環(huán)絲氨酸發(fā)酵液用氧化鈣和磷酸處理，生成磷酸鈣沉淀，能使懸浮物凝固，多余的磷酸根離子還能除去鈣、鎂離子，并且在發(fā)酵液中不會引入其它陽離子，以免影響環(huán)絲氨酸的離子交換吸附。發(fā)酵液的相對純化發(fā)酵液的相對純化 1. 無機(jī)離子的去除無機(jī)離子的去除 ca2+、mg2+、fe2+等ca2+離子濃度較高時(shí)，可采用可溶性鹽，如草酸鈉等mg2+離子的去除一般采用加入三聚磷酸鈉磷酸鹽處理，也能大大降低ca2+、mg2+離子的濃度鐵離子，可加入黃血鹽，使其形成普魯士藍(lán)沉淀而除去 利用各種沉淀方

13、法，可以去除液相中各種蛋白質(zhì)。常用的有等電點(diǎn)沉淀法、變性沉淀法、鹽析法、有機(jī)溶劑沉淀法、反應(yīng)沉淀法等。這些沉淀方法既可以作為除雜質(zhì)的方法，也可以作為提取目標(biāo)產(chǎn)物的技術(shù)手段。2 2雜蛋白的去除雜蛋白的去除 酶解法可將混合液中的不溶性多糖物質(zhì)酶解，使其轉(zhuǎn)化為溶解度較大的單糖，從而改變流體的流動(dòng)特性，提高過濾速率。 例如：萬古霉素用淀粉作培養(yǎng)基，發(fā)酵完成后，發(fā)酵液中多余的淀粉使混合液粘度較大，當(dāng)加入0.025的淀粉酶后，攪拌30min，再加2.5助濾劑（硅藻土），可使過濾速率提高5倍。 3 3多糖的去除多糖的去除 發(fā)酵液中有色物質(zhì)可能是由于微生物生長代謝過程分泌的，也可能是培養(yǎng)基（如糖蜜、玉米漿等）

14、帶來的，色素物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)的多樣性增加了脫色的難度。 色素物質(zhì)的去除，一般以使用離子交換樹脂、離子交換纖維、活性炭等材料的吸附法來脫色最為普遍。例如活性炭可用于檸檬酸發(fā)酵液的脫色，鹽型強(qiáng)堿性陰離子交換樹脂可用于解朊酶和果膠酶溶液的脫色，磷酸型陰離子交換樹脂被用于谷氨酸發(fā)酵液的脫色等。一般發(fā)酵液的脫色往往是在過濾除去菌體后進(jìn)行。 4 4有色物質(zhì)的去除有色物質(zhì)的去除fdd=2r球形顆粒沉降的受力情況球形顆粒沉降的受力情況根據(jù)沉降作用力可分為：重力沉降、離心沉降根據(jù)沉降作用力可分為：重力沉降、離心沉降根據(jù)沉降粒子間相互影響程度可分為：自由沉降和干擾沉降根據(jù)沉降粒子間相互影響程度可分為：自由沉降和干擾沉

15、降4.1 重力沉降重力沉降（gravitational sedimentation） （1）球形顆粒的自由沉降速度）球形顆粒的自由沉降速度 以重力的方向?yàn)檎较蛞灾亓Φ姆较驗(yàn)檎较?fb 浮力浮力 fd 阻力阻力 fg 重力重力maffff bdg阻阻力力浮浮力力）（重重力力什么情況下顆粒在流體中會發(fā)生沉降過程？什么情況下顆粒在流體中會發(fā)生沉降過程？重力沉降重力沉降（gravitational sedimentation） 直徑為直徑為d、顆粒密度為、顆粒密度為s的球形顆粒在密度為流體中的重的球形顆粒在密度為流體中的重力和浮力分別為：力和浮力分別為：gdfs3g6 重力：重力：（n）gdf 3

16、b6 浮力：浮力：（n） t uu0加速段加速段勻速段勻速段 顆粒做勻速運(yùn)動(dòng)，沉降速度恒定不變，該速度稱為顆粒做勻速運(yùn)動(dòng)，沉降速度恒定不變，該速度稱為自由自由沉降速度沉降速度。達(dá)到恒定的沉降速度時(shí)，合力為：。達(dá)到恒定的沉降速度時(shí)，合力為： 042662203s3 madugdgdf 42220dduf 阻力：阻力：（n）阻力系數(shù)阻力系數(shù)042662203s3 madugdgdf 34s0gdu （球形顆粒的自由沉降速度）（球形顆粒的自由沉降速度）（2）阻力（曳力）系數(shù)（）阻力（曳力）系數(shù)（drag coefficient） 與流體的流動(dòng)阻力系數(shù)類似，阻力（曳力）系數(shù)與顆粒與流體的流動(dòng)阻力系數(shù)類

17、似，阻力（曳力）系數(shù)與顆粒沉降雷諾數(shù)有關(guān)，即沉降雷諾數(shù)有關(guān)，即)(re0f 00redu 注意：注意：其中其中d為顆粒直徑，為顆粒直徑，u0為顆粒的沉降速度，為顆粒的沉降速度，、分別分別為流體的密度與粘度。為流體的密度與粘度。 通過實(shí)驗(yàn)得到曳力系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系繪成算圖通過實(shí)驗(yàn)得到曳力系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系繪成算圖,將他們將他們回歸成關(guān)聯(lián)式為：回歸成關(guān)聯(lián)式為：過渡區(qū)（過渡區(qū)（allen區(qū)，區(qū)， 2 re0 500）6 . 00re5 .18 6 . 000re269. 0 sgdu湍流區(qū)（牛頓區(qū)，湍流區(qū)（牛頓區(qū)， 500 re0 200000后，后，驟然下降，在驟然下降，在re0 =(310)10

18、5范圍內(nèi)范圍內(nèi)可近似取可近似取= 0.1。層流區(qū)（層流區(qū)（stokes區(qū)，區(qū)，re0 2或或0.3）0re24 18s20gdu （stokes定律）定律） 以上的沉降過程為在重力作用下以上的沉降過程為在重力作用下球形球形顆粒的顆粒的自由沉降自由沉降： 顆粒為球形；顆粒為球形； 顆粒沉降時(shí)彼此相距較遠(yuǎn)，互不干擾；顆粒沉降時(shí)彼此相距較遠(yuǎn)，互不干擾； 容器壁對沉降的阻滯作用可以忽略；容器壁對沉降的阻滯作用可以忽略； 顆粒直徑不能小到受流體分子運(yùn)動(dòng)的影顆粒直徑不能小到受流體分子運(yùn)動(dòng)的影響。響。 在實(shí)際情況中還需考慮以下因素的影響：在實(shí)際情況中還需考慮以下因素的影響： 干擾沉降；干擾沉降； 端效應(yīng)；端

19、效應(yīng)； 分子運(yùn)動(dòng)；分子運(yùn)動(dòng)； 非球形；非球形； 液滴或氣泡的運(yùn)動(dòng)液滴或氣泡的運(yùn)動(dòng) 。 注意：注意：離心沉降與重力沉降的類比。離心沉降與重力沉降的類比。顆粒離心沉降的速度方向是由圓心沿徑向指向外周，但由于顆粒離心沉降的速度方向是由圓心沿徑向指向外周，但由于顆粒和流體同時(shí)做圓周運(yùn)動(dòng)，顆粒的實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡是一個(gè)半顆粒和流體同時(shí)做圓周運(yùn)動(dòng)，顆粒的實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡是一個(gè)半徑逐漸擴(kuò)大的螺旋線。離心沉降速度并不是顆粒的實(shí)際運(yùn)動(dòng)徑逐漸擴(kuò)大的螺旋線。離心沉降速度并不是顆粒的實(shí)際運(yùn)動(dòng)速度，只是其在徑向上的分量。速度，只是其在徑向上的分量。 r1r2arcburuut顆粒在旋轉(zhuǎn)流體中的運(yùn)動(dòng)顆粒在旋轉(zhuǎn)流體中的運(yùn)動(dòng)代入上式代

20、入上式（2.15）沉降系數(shù)沉降系數(shù)(sedimentation coefficient, s = svedbergs = 10-13 s)：s計(jì)算：計(jì)算：顆粒在顆粒在20 c 水中的水中的sw,20為為v 為溶質(zhì)為溶質(zhì)(顆粒顆粒)的單位質(zhì)量的體積的單位質(zhì)量的體積, w,20和和 l,t分別分別為為20 c 的水和的水和t c 溶劑的黏度溶劑的黏度， w,20和和 l,t 分分別為別為20 c 的水和的水和t c 溶劑的密度。溶劑的密度。 sw,20與溶質(zhì)（顆粒）濃度有關(guān)：與溶質(zhì)（顆粒）濃度有關(guān)： 為為c0時(shí)的沉降系數(shù)時(shí)的沉降系數(shù)(20 c 的水的水), k為常數(shù)為常數(shù)通過對通過對 積分積分可以

21、得到溶質(zhì)完全沉降所需的時(shí)間可以得到溶質(zhì)完全沉降所需的時(shí)間1） 差速離心分級2）區(qū)帶離心 （密度梯度離心） 差速區(qū)帶離心 平衡區(qū)帶離心 2.1.2.3 2.1.2.3 離心分離設(shè)備離心分離設(shè)備按分離因子按分離因子fr分類分類 1)、常速離心機(jī)fr 8000-15000g 4)、超速離心機(jī)，fr = 20,000 1,000,000g用途分類用途分類 1)、分析性：超速離心機(jī) 2)、制備性：a、實(shí)驗(yàn)室用；b、工業(yè)用工業(yè)應(yīng)用分類工業(yè)應(yīng)用分類 1)、管式離心機(jī) 2)、多室離心機(jī)（管式離心機(jī)的變形） 3)、碟式離心機(jī)：、人工排渣式, 、噴嘴排渣式, 、活塞排渣式 4)、螺旋卸料沉降離心機(jī) 5)、離心過濾

22、 6)、三足式離心機(jī)2.1.2.3 2.1.2.3 離心分離設(shè)備離心分離設(shè)備tubular bowl（2.21）離心機(jī)的放大可采用等校正系數(shù)法：概念概念 過濾是在外力作用過濾是在外力作用下下，利用過濾介質(zhì)使懸浮液中的液體，利用過濾介質(zhì)使懸浮液中的液體通過，而固體顆粒被截留在介質(zhì)上，從而實(shí)現(xiàn)固液分離的一通過，而固體顆粒被截留在介質(zhì)上，從而實(shí)現(xiàn)固液分離的一種單元操作。種單元操作。過濾介質(zhì)過濾介質(zhì)具有多孔結(jié)構(gòu)，可以截留固體物質(zhì)，具有多孔結(jié)構(gòu)，可以截留固體物質(zhì)，而讓液體通過；我們把待過濾的懸浮液成為而讓液體通過；我們把待過濾的懸浮液成為濾漿（濾漿（slurry），而過濾后分離出的固體稱為，而過濾后分離出的固體稱為濾渣濾渣或或?yàn)V餅（濾餅（filter cake），通過過濾介質(zhì)的液體稱為通過過濾介質(zhì)的液體稱為濾液（濾液（filtrate）。 （1）過濾介質(zhì)（過濾介質(zhì)（filter medium）：）： 過濾介質(zhì)應(yīng)具有以下特性：多孔性，足夠的機(jī)械強(qiáng)度，過濾介質(zhì)應(yīng)具有以下特性：多孔性，足夠的機(jī)械強(qiáng)度，盡可能小的流動(dòng)阻力，耐腐蝕性，耐熱性，易于再生。盡可能小的流動(dòng)阻