第二章預處理及固液分離技術(shù)2

1、第二節(jié)第二節(jié)細胞破碎細胞破碎與分離與分離2.12.1 概述概述2.2 2.2 細胞壁的結(jié)構(gòu)及特點細胞壁的結(jié)構(gòu)及特點2.3 2.3 細胞壁的破碎細胞壁的破碎2.1 2.1 概述概述v胞外產(chǎn)物胞外產(chǎn)物 霉菌產(chǎn)生糖化酶等霉菌產(chǎn)生糖化酶等v胞內(nèi)產(chǎn)物胞內(nèi)產(chǎn)物 基因重組產(chǎn)品等基因重組產(chǎn)品等 采用機械和非機械的方法，在一定程采用機械和非機械的方法，在一定程度上破壞細胞壁和細胞膜，設法使胞內(nèi)度上破壞細胞壁和細胞膜，設法使胞內(nèi)產(chǎn)物最大程度地釋放到液相中。產(chǎn)物最大程度地釋放到液相中。2.2 2.2 細胞壁的結(jié)構(gòu)及特點細胞壁的結(jié)構(gòu)及特點微生物：微生物： 細菌細菌肽聚糖的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)肽聚糖的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu) 酵母酵母細胞壁結(jié)構(gòu)交

2、聯(lián)的緊密程度及細胞壁結(jié)構(gòu)交聯(lián)的緊密程度及 厚度厚度 真菌真菌細胞壁的強度和聚合物網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)細胞壁的強度和聚合物網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)植物：主要是網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的共價鍵植物：主要是網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的共價鍵 微生物微生物革蘭式陽性菌革蘭式陽性菌革蘭式陰性菌革蘭式陰性菌酵母酵母壁厚（壁厚（nm）20801025100300層層單層單層多層多層多層多層主要組成主要組成肽聚糖肽聚糖(4090%)肽聚糖肽聚糖(510%)葡聚糖葡聚糖(3040%)多糖多糖脂蛋白脂蛋白甘露聚糖甘露聚糖（30）胞壁酸胞壁酸脂多糖脂多糖蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)磷脂磷脂蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)脂多糖脂多糖蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)脂類脂類破碎難易程度破碎難易程度難難相對易相對易最難最難表表2.1

3、各種微生物細胞壁的結(jié)構(gòu)及組成各種微生物細胞壁的結(jié)構(gòu)及組成2.3 2.3 細胞壁的破碎細胞壁的破碎破碎方法的選擇：破碎方法的選擇： 破碎目的破碎目的 待破碎生物體的類型待破碎生物體的類型v破碎目的：獲取產(chǎn)品，考慮破碎收率和能耗；破碎目的：獲取產(chǎn)品，考慮破碎收率和能耗； v待破碎生物體的類型：不同生物體對破碎有不待破碎生物體的類型：不同生物體對破碎有不 同的敏感度。同的敏感度。2.3.1 2.3.1 破碎率的評價破碎率的評價破碎率的定義：破碎率的定義： N N0 0：原始細胞數(shù)：原始細胞數(shù) N N：經(jīng)：經(jīng)t t時間操作后，保存下來的細胞數(shù)時間操作后，保存下來的細胞數(shù)N N0 0 和和N N的獲?。?/p>

4、的獲?。?直接計數(shù)法（平板計數(shù)，顯微鏡計數(shù)）直接計數(shù)法（平板計數(shù)，顯微鏡計數(shù)） 間接計數(shù)法（測破碎細胞釋放出活性物質(zhì)量）間接計數(shù)法（測破碎細胞釋放出活性物質(zhì)量） 電導率測定法電導率測定法%100(%)00NNNx3.1xR/RmR:破碎后釋放的化合物的量破碎后釋放的化合物的量Rm:理論最大釋放量理論最大釋放量電導率測定法：電導率測定法：細胞破碎后，大量帶電細胞破碎后，大量帶電荷的物質(zhì)被釋放到水相，使電導率上升荷的物質(zhì)被釋放到水相，使電導率上升，電導率隨破碎率的增加呈線性增加。，電導率隨破碎率的增加呈線性增加。 由于電導率與微生物的種類，處理由于電導率與微生物的種類，處理條件，細胞濃度，溫度，懸

5、浮液中電解條件，細胞濃度，溫度，懸浮液中電解質(zhì)含量有關(guān)，因此，正式測定應采用其質(zhì)含量有關(guān)，因此，正式測定應采用其它方法測定標準曲線。它方法測定標準曲線。2.3.2 2.3.2 破碎方法破碎方法破碎方式破碎方式機械法機械法非機械法非機械法液體剪液體剪切作用切作用固體剪固體剪切作用切作用干燥干燥處理處理溶胞溶胞作用作用珠磨法珠磨法壓榨壓榨高壓高壓勻漿勻漿超聲超聲破碎破碎酶溶酶溶法法化學法化學法 物理法物理法圖圖2.2 細胞破碎方法分類細胞破碎方法分類圖圖2.3 細胞破碎機理細胞破碎機理2.3.2 2.3.2 破碎方法破碎方法圖圖2.3 HC23-2.3 HC23-高壓細胞高壓細胞破碎機破碎機高壓勻

6、漿法高壓勻漿法圖圖2.4 2.4 DY89-1 型電動型電動玻璃勻漿機玻璃勻漿機作用機理：作用機理：細胞懸浮液在高壓作用下從閥座與閥細胞懸浮液在高壓作用下從閥座與閥之間的環(huán)隙高速之間的環(huán)隙高速( (可達到可達到450m450ms)s)噴出后撞擊噴出后撞擊到碰撞環(huán)上，細胞在受到高速撞擊作用后，急到碰撞環(huán)上，細胞在受到高速撞擊作用后，急劇釋放到低壓環(huán)境，從而在撞擊力和剪切力等劇釋放到低壓環(huán)境，從而在撞擊力和剪切力等綜合作用下破碎。高壓勻漿器的操作壓力通常綜合作用下破碎。高壓勻漿器的操作壓力通常為為505070MPa70MPa。 一、高壓勻漿法一、高壓勻漿法影響細胞破碎的因素：影響細胞破碎的因素：溫

7、度溫度壓力壓力循環(huán)操作次數(shù)循環(huán)操作次數(shù)細胞濃度細胞濃度閥座形式閥座形式高壓勻漿法高壓勻漿法影響破碎效率的因素影響破碎效率的因素溫度：溫度：破碎率隨溫度的增加而增加破碎率隨溫度的增加而增加例如：操作溫度由例如：操作溫度由55增加到增加到3030，破碎率約提高，破碎率約提高1.51.5倍。倍。高溫對破碎有利，但應考慮熱變性高溫對破碎有利，但應考慮熱變性壓力每增加壓力每增加10MPa10MPa，溫度，溫度22。高壓勻漿法高壓勻漿法影響破碎效率的因素影響破碎效率的因素壓力：壓力：高壓勻漿法高壓勻漿法），能耗（每能耗磨損KW5 . 3MPa100TRP不能單純追求高破碎率，隨意增加操作不能單純追求高破碎

8、率，隨意增加操作壓力。壓力。影響破碎效率的因素影響破碎效率的因素閥座形式：閥座形式：在相同的操作壓力下，刃緣閥座比平在相同的操作壓力下，刃緣閥座比平邊閥座破碎率高，但更易磨損。邊閥座破碎率高，但更易磨損。高壓勻漿法高壓勻漿法圖圖2.4 2.4 珠磨機簡圖珠磨機簡圖二、二、 珠磨法珠磨法生產(chǎn)廠商生產(chǎn)廠商: 瑞士瑞士WAB公司公司 德國西門子德國西門子機械公司機械公司形式：形式：立式立式臥式臥式（效率高）（效率高）原理：原理：在攪拌槳的高速攪拌下微球高速運動，微球在攪拌槳的高速攪拌下微球高速運動，微球和微球之間以及微球和細胞之間發(fā)生沖擊和研磨和微球之間以及微球和細胞之間發(fā)生沖擊和研磨，使懸浮液中的

9、細胞受到研磨剪切和撞擊而破碎，使懸浮液中的細胞受到研磨剪切和撞擊而破碎。產(chǎn)熱由夾套帶走。產(chǎn)熱由夾套帶走。珠磨法珠磨法珠磨機主體：珠磨機主體：立式和臥式圓筒型腔體立式和臥式圓筒型腔體一般，臥式比立式珠磨破碎效率高：一般，臥式比立式珠磨破碎效率高：因為因為立式機中向上流動的液體在某種程度上會立式機中向上流動的液體在某種程度上會使研磨珠流態(tài)化，從而降低其研磨效率。使研磨珠流態(tài)化，從而降低其研磨效率。研磨珠：研磨珠：玻璃玻璃( (密度為密度為2.5g2.5gcmcm3 3) )或氧化或氧化鋯鋯( (密度為密度為6.0 g6.0 gcmcm3 3) )微球微球( (粒徑約粒徑約0.10.110mm)10

10、mm)，填充率為，填充率為80808585。影響破碎效率的因素：影響破碎效率的因素：v轉(zhuǎn)盤外緣速度轉(zhuǎn)盤外緣速度v細胞濃度細胞濃度v珠粒大小及裝載量珠粒大小及裝載量v溫度溫度v流速流速珠磨法珠磨法影響破碎效率的因素影響破碎效率的因素細胞濃度：細胞濃度：影響懸浮液的流變特性，從而影響影響懸浮液的流變特性，從而影響蛋白質(zhì)的釋放，一般由實驗確定蛋白質(zhì)的釋放，一般由實驗確定一般控制在一般控制在4040左右，細胞濕重左右，細胞濕重/ /體積體積珠磨法珠磨法影響破碎效率的因素影響破碎效率的因素珠粒大小及裝載量：珠粒大小及裝載量：過少不易破碎過少不易破碎過多，能耗大，熱擴散性能降低，引起溫度升高過多，能耗大，

11、熱擴散性能降低，引起溫度升高，不利攪拌，一般控制，不利攪拌，一般控制808090%.90%.珠磨法珠磨法圖圖2.7 微珠直徑對破碎率的影響微珠直徑對破碎率的影響對對細菌細菌，磨珠越，磨珠越小，破碎率越高小，破碎率越高；對；對酵母和藻類酵母和藻類，存在最佳范圍，存在最佳范圍實驗室：實驗室：0.2mm工業(yè)：不小于工業(yè)：不小于0.4mm影響破碎效率的因素影響破碎效率的因素溫度：溫度：熱穩(wěn)定性，目的產(chǎn)物不受破壞熱穩(wěn)定性，目的產(chǎn)物不受破壞夾套冷卻夾套冷卻珠磨法珠磨法影響破碎效率的因素影響破碎效率的因素流量：流量：珠磨法珠磨法圖圖2.8 流量對破碎速率常數(shù)的影響流量對破碎速率常數(shù)的影響處理能力但釋放量破碎

12、量QQVtQkQ影響破碎效率的因素影響破碎效率的因素微生物類型：微生物類型： 酵母較細菌在珠磨機中更易破碎酵母較細菌在珠磨機中更易破碎，因為細菌細胞的大小僅為酵母細胞，因為細菌細胞的大小僅為酵母細胞的十分之一，在高速珠磨機中不易破的十分之一，在高速珠磨機中不易破碎。碎。珠磨法珠磨法影響破碎效率的因素影響破碎效率的因素 延長研磨時間，增加珠體裝量，提高基延長研磨時間，增加珠體裝量，提高基本速度等均可提高細胞破碎率，但高破碎率本速度等均可提高細胞破碎率，但高破碎率，使，使能耗能耗加大。同時加大。同時: :1 1、產(chǎn)生較多熱能，增加冷卻控溫的難度；、產(chǎn)生較多熱能，增加冷卻控溫的難度；2 2、大分子目

13、的產(chǎn)物失活增加、大分子目的產(chǎn)物失活增加3 3、細胞碎片較小，碎片不易分離，給后續(xù)、細胞碎片較小，碎片不易分離，給后續(xù)操作帶來困難。操作帶來困難。因此因此, ,破碎率控制在破碎率控制在8080以下。以下。珠磨法珠磨法圖圖2.5 JY92-2.5 JY92-型超聲波細胞粉碎機型超聲波細胞粉碎機三、超聲波法三、超聲波法作用機理：作用機理： 在超聲波作用下，液體發(fā)生空化作用在超聲波作用下，液體發(fā)生空化作用(cavitaton)(cavitaton)，空穴的形成、增大和閉合產(chǎn)，空穴的形成、增大和閉合產(chǎn)生極大的沖擊波和剪切力，使細胞破碎。超生極大的沖擊波和剪切力，使細胞破碎。超聲波的細胞破碎效率與細胞種類

14、、濃度和超聲波的細胞破碎效率與細胞種類、濃度和超聲波的聲頻、聲能有關(guān)。聲波的聲頻、聲能有關(guān)。超聲波法超聲波法動力學方程：一級動力學方程：一級超聲波法超聲波法)exp(1ktxx x：蛋白質(zhì)釋放分率：蛋白質(zhì)釋放分率t t：超聲波發(fā)射時間（：超聲波發(fā)射時間（minmin）k k：蛋白質(zhì)釋放常數(shù)：蛋白質(zhì)釋放常數(shù)(min(min-1-1),),取決于輸取決于輸 入聲能入聲能超聲波的負面影響：超聲波的負面影響：1 1、溫度上升：懸浮液預冷，夾套冷卻、溫度上升：懸浮液預冷，夾套冷卻 短期冷卻與短期破碎交替短期冷卻與短期破碎交替負載因素：聲波破碎負載因素：聲波破碎/ /冷卻的時間比率。冷卻的時間比率。2 2

15、、超聲處理會引起諸如游離基這樣的化學、超聲處理會引起諸如游離基這樣的化學效應，破壞目的產(chǎn)物，可加入游離基清除效應，破壞目的產(chǎn)物，可加入游離基清除劑（組氨酸，谷胱甘肽等）予以消除。劑（組氨酸，谷胱甘肽等）予以消除。超聲波法超聲波法影響破碎細胞的因素：影響破碎細胞的因素：振幅：直接與聲能有關(guān)，影響比速率振幅：直接與聲能有關(guān)，影響比速率k k粘度：影響能耗，并抑制空穴現(xiàn)象粘度：影響能耗，并抑制空穴現(xiàn)象表面張力：表面活性劑顯著影響聲波破碎效表面張力：表面活性劑顯著影響聲波破碎效率，因起泡使蛋白質(zhì)變性，空穴清除率，因起泡使蛋白質(zhì)變性，空穴清除懸浮液體體積：大體積需要高的聲能懸浮液體體積：大體積需要高的聲

16、能超聲波法超聲波法影響破碎細胞的因素：影響破碎細胞的因素： 加入珠粒體積與直徑加入珠粒體積與直徑: :加入細小珠粒，利于空加入細小珠粒，利于空穴形成，并有輔助穴形成，并有輔助“研磨效應研磨效應”，提高破碎率。，提高破碎率。在相同珠粒填充密度下，隨珠粒直徑變化，在相同珠粒填充密度下，隨珠粒直徑變化，k k存存在最大值。在最大值。 探頭的材料和形狀：選擇具有良好聲學和機探頭的材料和形狀：選擇具有良好聲學和機械性能并對生物物質(zhì)無毒的金屬材料，如：鈦，械性能并對生物物質(zhì)無毒的金屬材料，如：鈦，不銹鋼等；探頭的振幅與其面積呈反比，小直徑不銹鋼等；探頭的振幅與其面積呈反比，小直徑探頭，聲能限制在較小范圍內(nèi)

17、，并且效率低。探頭，聲能限制在較小范圍內(nèi)，并且效率低。 細胞懸浮液的流速：流速增加，破碎率低，處理細胞懸浮液的流速：流速增加，破碎率低，處理量大量大 工業(yè)未使用，向大量懸浮液通入足夠能量，工業(yè)未使用，向大量懸浮液通入足夠能量，很困難，產(chǎn)熱問題。很困難，產(chǎn)熱問題。超聲波法超聲波法機械法破碎細胞的優(yōu)缺點：機械法破碎細胞的優(yōu)缺點：優(yōu)點：優(yōu)點：v內(nèi)含物全部釋放內(nèi)含物全部釋放v時間短，效率高，成本低時間短，效率高，成本低v通用性強，適于實驗室和工業(yè)生產(chǎn)通用性強，適于實驗室和工業(yè)生產(chǎn)缺點：缺點：v需要高的能量需要高的能量v產(chǎn)生高溫，高剪切力，引起產(chǎn)品變性失活產(chǎn)生高溫，高剪切力，引起產(chǎn)品變性失活v非專一性，

18、碎片分布寬，給分離造成困難非專一性，碎片分布寬，給分離造成困難滲透壓沖擊法：滲透壓沖擊法： 滲透壓沖擊滲透壓沖擊(Osmotic shock)(Osmotic shock)是在各種是在各種細胞破碎法中最為溫和的一種，適用于易細胞破碎法中最為溫和的一種，適用于易于破碎的細咆，如動物細胞和革蘭氏陰于破碎的細咆，如動物細胞和革蘭氏陰性菌。性菌。四、物理法四、物理法凍融法：凍融法： 將細胞急劇凍結(jié)后在室溫緩慢融化，將細胞急劇凍結(jié)后在室溫緩慢融化，此凍結(jié)融化操作反復進行多次，使細胞受此凍結(jié)融化操作反復進行多次，使細胞受到破壞。凍結(jié)的作用是破壞細胞膜的琉水到破壞。凍結(jié)的作用是破壞細胞膜的琉水鍵結(jié)構(gòu)，增加其

19、親水性和通透性。鍵結(jié)構(gòu)，增加其親水性和通透性。 另一方面，出于胞內(nèi)水結(jié)晶使胞內(nèi)外另一方面，出于胞內(nèi)水結(jié)晶使胞內(nèi)外產(chǎn)生溶液濃度差，在滲透壓作用下引起細產(chǎn)生溶液濃度差，在滲透壓作用下引起細胞膨脹而破裂胞膨脹而破裂物理法物理法2.3.2 2.3.2 破碎方法破碎方法干燥法：干燥法： 將細胞用不同的方法干燥（真空、冷凍將細胞用不同的方法干燥（真空、冷凍、噴霧和氣流等），細胞膜結(jié)合水喪失，滲、噴霧和氣流等），細胞膜結(jié)合水喪失，滲透性發(fā)生變化而破裂透性發(fā)生變化而破裂缺點：條件變化劇烈，易引起生物物質(zhì)變性缺點：條件變化劇烈，易引起生物物質(zhì)變性物理法物理法作用機理：作用機理：酶溶法酶溶法(Enzymaticl

20、ysis)(Enzymaticlysis)利利用酶反應，分解破壞細胞壁上的特殊鍵用酶反應，分解破壞細胞壁上的特殊鍵或某種特殊的物質(zhì)，從而達到破碎細胞或某種特殊的物質(zhì)，從而達到破碎細胞壁的目的。壁的目的。 分外加酶法和自溶法兩種。分外加酶法和自溶法兩種。五、酶溶法五、酶溶法優(yōu)點：優(yōu)點：v產(chǎn)品釋放選擇性高產(chǎn)品釋放選擇性高v抽提速率和收率高抽提速率和收率高v產(chǎn)品破壞少產(chǎn)品破壞少vpHpH、溫度外界條件要求低、溫度外界條件要求低v不殘留細胞碎片不殘留細胞碎片酶溶法酶溶法缺點：缺點：v費用高費用高v通用性差通用性差v存在產(chǎn)品抑制存在產(chǎn)品抑制v不適于工業(yè)生產(chǎn)不適于工業(yè)生產(chǎn)應用：應用：v原生質(zhì)體融合原生質(zhì)體

21、融合v釋放出克隆出的胞內(nèi)蛋白釋放出克隆出的胞內(nèi)蛋白v制取特殊的壁葡萄糖聚合物制取特殊的壁葡萄糖聚合物v與機械法破碎細胞協(xié)同使用與機械法破碎細胞協(xié)同使用v從細胞內(nèi)不同的位置選擇性的釋放蛋白從細胞內(nèi)不同的位置選擇性的釋放蛋白酶溶法酶溶法 作用機理：作用機理：用化學試劑溶解細胞壁或抽提細胞中某用化學試劑溶解細胞壁或抽提細胞中某些組分些組分處理方法：處理方法： 表面活性劑；有機溶劑；表面活性劑；有機溶劑；EDTAEDTA螯合螯合劑；變性劑劑；變性劑取決于化學試劑的類型及細胞壁、細取決于化學試劑的類型及細胞壁、細胞膜的結(jié)構(gòu)與組成。胞膜的結(jié)構(gòu)與組成。六、六、 化學滲透法化學滲透法優(yōu)點：優(yōu)點：v產(chǎn)物釋放有一

22、定的產(chǎn)物釋放有一定的 選擇性選擇性v不需要特殊設備不需要特殊設備v細胞外形保持完整，細胞外形保持完整， 細胞碎片少，漿液粘細胞碎片少，漿液粘 度低，利于后續(xù)分離度低，利于后續(xù)分離化學滲透法化學滲透法缺點：缺點：v通用性差通用性差v時間長，效率低時間長，效率低v某些化學試劑有毒某些化學試劑有毒比較項目比較項目 機械法機械法 非機械法非機械法比較項目比較項目 機械法機械法 非機械法非機械法破碎機理破碎機理 切碎細胞切碎細胞溶解局部溶解局部壁膜壁膜效率效率效率高效率高效率低效率低碎片大小碎片大小 碎片細小碎片細小 碎片較大碎片較大設備設備需專用需專用設備設備不需專不需專用設備用設備內(nèi)含物內(nèi)含物釋放釋

23、放全部全部部分部分通用性通用性強強差差粘度粘度高（核酸高（核酸多）多）低（核酸低（核酸少）少）經(jīng)濟經(jīng)濟成本低成本低成本高成本高時間時間時間短時間短時間長時間長應用范圍應用范圍實驗室、實驗室、工業(yè)范圍工業(yè)范圍實驗室實驗室范圍范圍表表2.3 機械破碎法和非機械破碎法的比較機械破碎法和非機械破碎法的比較破碎技術(shù)的選擇原則：破碎技術(shù)的選擇原則：v目的產(chǎn)物在細胞質(zhì)中，需機械破碎法目的產(chǎn)物在細胞質(zhì)中，需機械破碎法v目的產(chǎn)物在細胞膜附近，可采用非機械破目的產(chǎn)物在細胞膜附近，可采用非機械破碎法碎法v目的產(chǎn)物與細胞膜或細胞壁結(jié)合，可采用目的產(chǎn)物與細胞膜或細胞壁結(jié)合，可采用兩種方法結(jié)合兩種方法結(jié)合 處理量的大小，

24、細胞壁的強度和結(jié)構(gòu)，目處理量的大小，細胞壁的強度和結(jié)構(gòu)，目標產(chǎn)物對破碎條件的敏感性，破碎后固標產(chǎn)物對破碎條件的敏感性，破碎后固- -液液分離的難易程度分離的難易程度破碎技術(shù)的研究發(fā)展方向：破碎技術(shù)的研究發(fā)展方向：v多種破碎方法結(jié)合多種破碎方法結(jié)合v與上游過程結(jié)合與上游過程結(jié)合 1 1、培養(yǎng)過程控制、培養(yǎng)過程控制 2 2、寄主細胞選擇、寄主細胞選擇 3 3、克隆噬菌體溶解基因、克隆噬菌體溶解基因 4 4、耐高溫產(chǎn)品的基因表達、耐高溫產(chǎn)品的基因表達v與下游結(jié)合與下游結(jié)合 從后分離過程考察細胞破碎技術(shù)從后分離過程考察細胞破碎技術(shù)第三節(jié)第三節(jié) 固固-液分離技術(shù)液分離技術(shù) 固固-液分離是指將發(fā)酵液中的懸

25、浮固體液分離是指將發(fā)酵液中的懸浮固體，如細胞、菌體、細胞碎片以及蛋白質(zhì)，如細胞、菌體、細胞碎片以及蛋白質(zhì)等的沉淀物或它們的絮凝體分離除去。等的沉淀物或它們的絮凝體分離除去。方法：方法：F過濾過濾：利用介質(zhì)過濾；：利用介質(zhì)過濾；F重力沉降重力沉降：在沉降槽中利用重力作用沉：在沉降槽中利用重力作用沉降固體顆粒；降固體顆粒；F離心離心：分離心沉降、離心過濾；：分離心沉降、離心過濾；一、過濾技術(shù)一、過濾技術(shù)F最常用、最簡單的固最常用、最簡單的固-液分離方法。（過液分離方法。（過濾速度的強化）濾速度的強化） （一）基本原理（一）基本原理 利用多孔性介質(zhì)利用多孔性介質(zhì) 截留固截留固-液懸浮液中的液懸浮液中

26、的固體粒子，進行固固體粒子，進行固-液分離的方法。液分離的方法。 濾漿、濾餅、濾渣、濾液。濾漿、濾餅、濾渣、濾液。 三種分類方法：按流動方向、按壓力、三種分類方法：按流動方向、按壓力、按方式分。按方式分。（二）（二）過濾介質(zhì)過濾介質(zhì)F過濾介質(zhì)也稱濾材，應由惰性材料制過濾介質(zhì)也稱濾材，應由惰性材料制成，既不與濾液起反應，也不吸附或成，既不與濾液起反應，也不吸附或很少吸附待濾液中的有效成分；耐酸很少吸附待濾液中的有效成分；耐酸、耐堿、耐熱，適用于各種濾液；過、耐堿、耐熱，適用于各種濾液；過濾阻力小、濾速快、反復應用易清洗濾阻力小、濾速快、反復應用易清洗；應具有足夠的機械強度；價廉、易；應具有足夠的

27、機械強度；價廉、易得。得。濾紙。濾紙。脫脂棉。脫脂棉?？椢锝橘|(zhì)?？椢锝橘|(zhì)。燒結(jié)金屬過濾介質(zhì)。燒結(jié)金屬過濾介質(zhì)。 多孔塑料過濾介質(zhì)。多孔塑料過濾介質(zhì)。垂熔玻璃過濾介質(zhì)。垂熔玻璃過濾介質(zhì)。過濾介質(zhì)的種類過濾介質(zhì)的種類常用濾紙的孔徑為常用濾紙的孔徑為17m。適用于口服液體制劑的過濾。適用于口服液體制劑的過濾。包括棉織品紗布、帆布等。包括棉織品紗布、帆布等。多孔陶瓷。多孔陶瓷。微孔濾膜。微孔濾膜。普通漏斗。普通漏斗。垂熔玻璃濾器。垂熔玻璃濾器。砂濾棒。砂濾棒。板框式壓濾機。板框式壓濾機。 微孔濾膜過濾器。微孔濾膜過濾器。（三）過濾裝置（三）過濾裝置常用玻璃漏斗和布氏漏斗，常用濾紙、長常用玻璃漏斗和布氏

28、漏斗，常用濾紙、長纖維和脫脂棉以及絹布等作過濾介質(zhì)。纖維和脫脂棉以及絹布等作過濾介質(zhì)。 其它：其它：超濾裝置、鈦濾器、多孔聚乙烯燒超濾裝置、鈦濾器、多孔聚乙烯燒結(jié)管過濾器等。結(jié)管過濾器等。（四）常用的過濾方法（四）常用的過濾方法F1.常規(guī)過濾常規(guī)過濾F2.錯流過濾（膜分離技術(shù)）錯流過濾（膜分離技術(shù)）常規(guī)過濾常規(guī)過濾F提高過濾速度和過濾質(zhì)量是過濾操作的提高過濾速度和過濾質(zhì)量是過濾操作的目標目標F濾餅阻力是影響過濾的主要因素濾餅阻力是影響過濾的主要因素F操作前可對懸浮液（培養(yǎng)液）優(yōu)化操作前可對懸浮液（培養(yǎng)液）優(yōu)化過濾設備及其結(jié)構(gòu)過濾設備及其結(jié)構(gòu)優(yōu)點優(yōu)點過濾面積大，結(jié)構(gòu)簡單，價格低，動力消耗少，過濾

29、面積大，結(jié)構(gòu)簡單，價格低，動力消耗少，對不同過濾特性的發(fā)酵液適應性強。對不同過濾特性的發(fā)酵液適應性強。缺點缺點不能連續(xù)操作，設備笨重，勞動強度大，不能連續(xù)操作，設備笨重，勞動強度大，衛(wèi)生條件差，非過濾的輔助時間較長。衛(wèi)生條件差，非過濾的輔助時間較長。由多個中空濾框和實心濾板交替排列在支架上組由多個中空濾框和實心濾板交替排列在支架上組成，是一種加壓下間歇操作的過濾設備。廣泛應成，是一種加壓下間歇操作的過濾設備。廣泛應用于培養(yǎng)基制備的過濾及霉菌、放線菌、酵母菌用于培養(yǎng)基制備的過濾及霉菌、放線菌、酵母菌和細菌等多種發(fā)酵液的固液分離。適合于固體含和細菌等多種發(fā)酵液的固液分離。適合于固體含量量1-10%

30、的懸浮液的分離。的懸浮液的分離。 板框式壓濾機板框式壓濾機真空過濾機：真空過濾機：真空度真空度2.7X102.7X102 26.7X106.7X104 4PaPa 連續(xù)操作，輔助設備多，投資大。連續(xù)操作，輔助設備多，投資大。結(jié)構(gòu)：由篩板組成能轉(zhuǎn)動的水平圓筒，其上有結(jié)構(gòu)：由篩板組成能轉(zhuǎn)動的水平圓筒，其上有一層金屬絲網(wǎng)，網(wǎng)上覆蓋濾布。一層金屬絲網(wǎng)，網(wǎng)上覆蓋濾布。圓筒內(nèi)沿徑向被筋板分成若干個空間，每個空圓筒內(nèi)沿徑向被筋板分成若干個空間，每個空間以單獨孔道通到圓筒頸端面的分配頭上，分間以單獨孔道通到圓筒頸端面的分配頭上，分配頭內(nèi)沿徑向隔離成配頭內(nèi)沿徑向隔離成3 3個室，個室，分別與待濾液、真空、壓縮空

31、氣管路相通。分別與待濾液、真空、壓縮空氣管路相通。圓筒轉(zhuǎn)速：圓筒轉(zhuǎn)速：0.52r/min，依次進行過濾依次進行過濾 洗滌洗滌 吸干吸干 吹松吹松 卸餅等操作。卸餅等操作。 過濾面積：過濾面積：1、5、20、40，最大，最大50m2GP型為刮刀卸料，型為刮刀卸料，GPX型為繩索卸料。型為繩索卸料?；旌衔镏袘腋☆w粒的性混合物中懸浮顆粒的性質(zhì)和大小質(zhì)和大小混合液的黏度混合液的黏度操作條件操作條件助濾劑的使用助濾劑的使用過濾分離設備和技術(shù)過濾分離設備和技術(shù)（王）影響過濾的因素（王）影響過濾的因素F一般情況下，懸浮顆粒越大，粒子越堅一般情況下，懸浮顆粒越大，粒子越堅硬，大小越均勻，過濾越容易進行。硬，大

32、小越均勻，過濾越容易進行。F流體黏度越大，過濾越困難。通?；旌弦毫黧w黏度越大，過濾越困難。通?；旌弦旱慕M成越復雜，濃度越高，黏度越大。的組成越復雜，濃度越高，黏度越大。（1）混合物中懸浮顆粒的性質(zhì)和大）混合物中懸浮顆粒的性質(zhì)和大小?。?）混合液的黏度）混合液的黏度（3）操作條件）操作條件F溫度升高，流體黏度降低；調(diào)整溫度升高，流體黏度降低；調(diào)整pH也也可改變流體黏度?？筛淖兞黧w黏度。 助濾劑助濾劑是一種不可壓縮的多孔微粒，是一種不可壓縮的多孔微粒，它能使濾餅疏松，吸附膠體，擴大過濾它能使濾餅疏松，吸附膠體，擴大過濾面積，濾速增大。面積，濾速增大。 常用的助濾劑常用的助濾劑有硅藻土、纖維素、石有

33、硅藻土、纖維素、石棉粉、珍珠巖、白土、炭粒、淀粉等，棉粉、珍珠巖、白土、炭粒、淀粉等，其中最常用的是硅藻土。其中最常用的是硅藻土。 助濾劑的使用方法有兩種助濾劑的使用方法有兩種：一種是在：一種是在過濾介質(zhì)表面預涂助濾劑，另一種是直過濾介質(zhì)表面預涂助濾劑，另一種是直接加入發(fā)酵液，也可兩種方法同時兼用接加入發(fā)酵液，也可兩種方法同時兼用。（4）助濾劑的使用）助濾劑的使用助濾劑使用要點助濾劑使用要點根據(jù)過濾介質(zhì)和過濾情況選擇助濾劑品種根據(jù)過濾介質(zhì)和過濾情況選擇助濾劑品種根據(jù)目的物性質(zhì)選擇助濾劑品種根據(jù)目的物性質(zhì)選擇助濾劑品種粒度選擇：粒度選擇：實驗確定實驗確定用量的確定用量的確定預涂助濾劑時，間隙操作

34、助濾劑的最小厚預涂助濾劑時，間隙操作助濾劑的最小厚度為度為2mm；連續(xù)操作則要根據(jù)所需的過濾；連續(xù)操作則要根據(jù)所需的過濾速率來確定。速率來確定。增大過濾的表面積增大過濾的表面積選擇合適的過濾介質(zhì)選擇合適的過濾介質(zhì)增加助濾劑增加助濾劑增加過濾推動力增加過濾推動力提高溫度。提高溫度。（5）過濾分離設備和技術(shù)）過濾分離設備和技術(shù)為提高過濾速率和效果一般采用如下措施：為提高過濾速率和效果一般采用如下措施：二、沉降二、沉降F重力沉降是由地球引力作用而發(fā)生的顆重力沉降是由地球引力作用而發(fā)生的顆粒沉降過程。粒沉降過程。F根據(jù)沉降力的不同分成重力沉降式和離根據(jù)沉降力的不同分成重力沉降式和離心沉降式兩類。心沉降

35、式兩類。F主要有矩形水平流動池、圓形徑向流動主要有矩形水平流動池、圓形徑向流動池等。池等。F設備體積龐大、分離效率低；設備簡單設備體積龐大、分離效率低；設備簡單、能耗低。、能耗低。 三、離心技術(shù)三、離心技術(shù) 分離較難分離物系分離較難分離物系 在液相非均勻體系中，利用離心力來達到在液相非均勻體系中，利用離心力來達到液液分離、液固分離、液液固分離的方法液液分離、液固分離、液液固分離的方法都稱為離心分離。其中液固分離分離心都稱為離心分離。其中液固分離分離心沉降和離心過濾。沉降和離心過濾。 離心分離方法離心分離方法（1 1）差速離心分離生化工業(yè)中最常用分離方法）差速離心分離生化工業(yè)中最常用分離方法實際

36、物系的特點、分離目的、分離程度實際物系的特點、分離目的、分離程度（目標產(chǎn)物和其它組分的（目標產(chǎn)物和其它組分的性質(zhì)及相互作用等）性質(zhì)及相互作用等）選擇適當?shù)牟僮鳁l件（離心轉(zhuǎn)數(shù)和時間）選擇適當?shù)牟僮鳁l件（離心轉(zhuǎn)數(shù)和時間）使料液的不同組分得到分級分離使料液的不同組分得到分級分離細胞破細胞破碎液碎液 離心離心600g,10min沉降層沉降層/細胞核（細胞核（46m)上清液上清液(細胞膜碎片、線粒體、溶菌細胞膜碎片、線粒體、溶菌體、核糖體、水溶性物質(zhì)體、核糖體、水溶性物質(zhì)離心離心 (10000g,10min) 沉降層沉降層（細胞膜碎片、線（細胞膜碎片、線粒體、溶菌酶）粒體、溶菌酶） 上清液上清液（核糖體、水溶性物質(zhì)（核糖體、水溶性物質(zhì)）離心（離心（100000g，3h)上清液上清液(水溶性物質(zhì)）水溶性物質(zhì)）沉降層（核糖體）沉降層（核糖體）細胞破碎液的差速離心分離細胞破碎液的差速離心分離（2 2）速率區(qū)帶離心生化研究的重要分離手段）速率區(qū)帶離心生化研究的重要分離手段 （差速區(qū)帶離心和平衡區(qū)帶離心）（差速區(qū)帶離心和平衡區(qū)帶離心）l在離心管中用某種低分子溶質(zhì)（如蔗糖）調(diào)配好在離心管中用某種低分子溶質(zhì)（如蔗糖）調(diào)配好密度梯度（從大到小加入）密度梯度（從大到小加入）l在密度梯度之上加待處理的料液在密度梯度之上加待處理的料液l然后進行離心操作然后