g7u生物分离工程课件

g7u生物分离工程课件内容摘要：

为 滤液 （ Filtrate）。 （ 1）过滤介质（ Filter medium）： 过滤介质应具有以下特性：多孔性，足够的机械强度，尽可能小的流动阻力，耐腐蚀性，耐热性，易于再生。 工业上常见的过滤介质：织物介质、堆积介质、多孔固体介质、多孔膜。 （ 2）过滤分类： 深层过滤、滤饼过滤 （ 3）过滤推动力：重力（漏斗过滤）、压力（加压过滤）或真空（抽滤）、离心力（离心过滤）。 （ 4）滤饼的可压缩性 （ 5）助滤剂：助滤剂本身就是一性能良好的过滤介质，是一种坚硬、不规则的小颗粒，它能形成结构疏松、 空隙率大、不可压缩的滤饼，很大程度改善过滤难度。 助滤剂使用方法主要有两种：混合、预涂。 过滤速度 过滤过程数学描述 达西方程： 适用于不可压缩和简单的可压缩滤饼 普遍使用于生物分离过程 过滤基础理论。 Darcy 定理 U = 流体的速度 (in: m/s)， p = 压力差 (in: Pa)， l = 床层厚度 (in: m)， K = Darcy’s 渗透系数，与流体和床层的性质有关。 Kozeny’ s 方程 对于发酵液的过滤 ,要用 Kozeny’ s 方程 K’’ = Kozeny’s 常数，一般 K’’ = 5（在大量均匀的球形颗粒中），其他颗粒 K’’ = ，颗粒 ， K’’ ； S = 单位体积颗粒中颗粒的表面积；  = 发酵液黏度 (in: Pa s)；  = 床层的空隙率，即空隙体积与总体积的比值。 方程适应条件： A、薄层区域表面的流速， B、非常高的孔隙率， C、非常广的颗粒尺寸的分布， D、纤维状的、可压缩的和吸湿性的填充物。 意义：过滤的基础方程，揭示了过滤流速与各因素的关系 过滤速度： 滤饼阻力与滤饼干重之间的关系 : α 为滤饼的平均比阻，不可压缩性滤饼的α为常数，可压缩性滤饼的α为压差的函数，经验表达式为： 比阻 (平均质量比阻 m/kg)定义式 S = 单位体积颗粒中颗粒的表面积 s：干滤饼的密度 (in kg/m3)。 意义： A、反映过滤的难易程度，越大，越困难； B、与颗粒大小、孔隙率等的关系。 n 滤饼可压缩度，当滤饼不可压缩时， n = 0；对于高度可压缩滤饼，则 n  1。  = 湿滤饼的质量：干滤饼的质量。 意义： A、对于可压缩料液，高压不一定增加流量 B、比阻与压力的关系 随着过滤操作的进行，滤饼量不断增加，与滤液体积 Q 之间关系如下： β =湿滤饼 /干滤饼； cs=干滤饼 /液料 β cs=湿滤饼 /液料； 1 β cs= 滤液 /液料； Q 滤液体积 Q/（ 1 β cs） = 液料体积 ρ LQ/ （ 1 β cs） = 液料质量 所以 Ruth’s 方程 在过滤操作中，被截留的固相颗粒在介质形成滤饼。 过滤的阻力来自过滤介质和滤饼。 过滤流量可表达为 Q：滤液体积 (in m3)， A：过滤面积 (in m2)，  ＝ 湿滤饼 :干滤饼， cs：料液中干固相成分的浓度 (in: kg/kg)， Ｌ：滤液密度， Q0：相当于过滤介质阻力时的虚拟滤液体积 (in m3)，一定过滤介质的 Q0 为常数。 意义：过滤的流量方程 恒压过滤方程 (最常用模式 ) 恒压条件下对 Ruth’s 方程积分： t0：为透过虚拟体积所要的虚拟时间。 在一般条件下 Q0 可忽略，上式为： 意义：中试后放大的理论依据 恒速过滤 恒速条件下对 Ruth’s 方程积分 ： 过滤设备 过滤设备从传统的板框式过滤机到旋转式真空过滤设备，种类很多。 常用新型过滤器： 转鼓真空过滤器 应用：大规模生物分离的主要过滤设备，用于较难分离的低黏度发酵液 优点：Ａ、大规模，Ｂ、自动化、操作简单，Ｃ、滤布装卸容易、易保养维护。 缺点：Ａ、占地大，单位体积利用率低，Ｂ、周期性中断进料、滤布利用率 低，Ｃ、压力低，仅应用于低黏度发酵。 圆盘真空过滤器 应用：同上。 优点：Ａ、超大规模 (400 m2)，极易实行大型化分离，Ｂ、占地小，单位体积利用率高，Ｃ、自动化、操作简单。 缺点：Ａ、压力低，仅应用于低黏度发酵液， B、设备投资高。 带式真空过滤器 应用：大规模分离的主要过滤设备，可分离较难分离的低黏度的发酵液，对滤饼洗涤要求高。 优点：Ａ )、发酵液处理量大，滤饼厚达 200mm， Ｂ )、滤饼洗涤容易，效果好，无须搅拌， Ｃ )、自动化、操作简单，清洗保养容易。 缺点：Ａ )、占地大，有效过 滤面积低， Ｂ )、压力低，仅应用于低黏度发酵液， Ｃ )、设备投资高。 压力系列： 带式 、板框、加压、气压罐式压滤机 应用：用于很难处理的、高黏度、高细颗粒含量的发酵液的固液分离。 优点：Ａ、操作压高０ .１ Mpa 以上， １０％的 颗粒含量，高含量的细颗粒， Ｂ、滤饼含水量低，滤液澄清， Ｃ、自动化、操作简单，清洗保养容易。 缺点：Ａ、占地大，有效过滤面积低，Ｂ、设备投资高，能耗高。 如何选择过滤器。 滤液的澄清度 颗粒大小的分布 发酵液的黏度 固体颗 粒的浓度 滤饼的干燥度 滤饼的洗涤 生产能力 中试实验设计的路线 ： 确定生产能力（例： 150T/d） 确定中试实验的规模（一般按生产能力缩小 100 倍，即 150/100 = ） 测定重要参数，如 ， Q0 等 优化实验条件 确定不同的实验条件：预处理、助滤剂、压力等 滤饼的厚度与时间关系 滤饼的孔隙率与压力关系 不同压力下滤液的体积与时间的关系 滤饼的洗涤、脱水、排脱等 滤液的澄清度，以及上述方程要求的数据利用方程等 计算： A、过滤面积 A，确定型号 (以恒压为例 ) 放大 100 倍 生产能力 (= 100A) 结论： 离心和过滤是去除不溶物的主要方法，生物分离工业首先要去除不溶物，大的、硬的不溶物可用过滤方法去除， 对于大部分发酵液，助滤剂或者其它预处理方法有利于过滤，但也有没有效果的。 另外一些小的、难过滤的固体颗粒可用离心分离。 细胞破碎 胞外产品：各种胞外酶、胞外多糖、细胞代谢物 细胞本身： 单细胞蛋白（ SCP） 胞内产品 :碱性磷酸酯酶，基因工程产物，植物细胞产物等 2 . 细胞的结构 细胞壁的组 成和破碎阻力 细菌 ：肽聚糖，多糖，磷壁酸，主要阻力来自于肽聚糖的网状结构。 酵母菌： 葡聚糖，甘露聚糖，蛋白质，主要阻力来自于壁结构交换的紧密程度和厚度。 真菌： 多糖，蛋白质，脂类，葡聚糖，几丁质，主要阻力来自于壁强度和聚合物网状结构。 细胞破碎和产物释放原理 物理法 化学法 固体剪切法 (珠磨法 ) 酶溶法 液体剪切法 化学降解法（酸碱法） 撞击法 表面活性剂法 超声法 有机溶剂膨胀法 渗透法 萃取法 细胞破碎理论 1)、细胞破碎 A 压撞 B 剪切 Ca 渗透 Cb 冻胀 D 破壁破膜 2)、产物释放 细胞破碎技术 机械破碎 ： 主要有高压匀浆、珠磨、撞击破碎和超声波破碎等方法 1)、固体剪切法 (珠磨法 , c 最有效的物理破碎法 ) 影响因素： a) 转盘外缘速度 b) 珠粒添量和大小 c) 温度：温度在 540C 范围内对破碎影响较小。 但研磨产热，功率  ，温度 。 如产物热不稳定，必须控温。 d) 细胞浓度 x：最佳 x 由实验确定。 一般产热量随细胞浓度的降低而下降，但单位细胞重量的能耗 。 通常悬液中细菌细胞质 量浓度在 60120g/L、酵母细胞质量浓度在 14010g/L 时破碎效果较理想 e) 破碎效率： f) 流量 Q：破碎为一级反应。 Q, E， R； Q， E， R。 2)、液体剪切法 (最常用的方法之一 ) 影响因素： 操作压力 p： p, R。 相反 , R。 温度  2C /10MPa。 破碎次数 N： N， R 。 温度：比速度 k 与温度有关，温度 25C， k 倍。 细胞抗破碎系数 a： a 酵母 =， a 大肠杆菌 =。 细胞种类：影响 k 值。 细胞浓度： 优点： A、在大规模 cell 破碎中 ，高压匀浆机和珠磨机用得最多。 B、高压匀浆机最适合于酵母和细菌。 C、珠磨机可用于酵母和细菌，但对真菌菌丝和藻类更合适 . 3) 撞击破碎法 优点： A、细胞破碎仅发生在撞击的一瞬间，破碎程度均匀，避免反复和过度破碎； B、破碎的程度可无级调节，避免细胞内部结构的破坏，特别适合于细胞器的回收； C、实验室和工业规模均可应用。 4) 超声破碎法 (15—25kHz)  超声波破碎法利用超声波振荡器发射的 1525kHz 的超声波探头处理细胞悬浮液。  超声波振荡器有不同的类型，常用的为电声型，它是由发生器和换能器组成 ，发生器能产生高频电流，换能器的作用是把电磁振荡转换成机械振动。 超声波振荡器以可分为 槽式 和 探头直接插入介质 两种型式，一般破碎效果后者比前者好。 机理：在超声作用下产生的空穴化作用 (cavitation)，空穴的形成和闭合产生极大的冲击波和剪切力。 优点：适合于多种细胞的破碎 缺点： A、影响因素多，如振幅、黏度、表面张力、液体体积和流速、探头材料和形状； B、超声产生超氧离子毒害作用； C、有效能量的利用率低； D、产热大，需控温； E、不易放大，仅应用于实验室规模的细胞破碎。 化学破碎法 酶溶法、酸 碱法、有机溶剂胞溶法、表面活性剂法 酶溶法：利用酶分解细胞壁上特出的化学键，使细胞壁破碎。 优点： A、产品释放的选择性； B、提取速度和收效高； C、产品的破坏小； D、对外界环境，如 pH 和温度等要求低； E、不残留细胞碎片。 酶解（酶溶法 Enymatic lysis)  利用溶解细胞壁的酶处理菌体细胞，使细胞壁受到部分或完全破坏后，再利用渗透压冲击等方法破坏细胞膜，进一步增大胞内产物的通透性。 溶菌酶（ lysozyme)适用于革兰氏阳性菌细胞的分解，应用于革兰氏阴性菌时，需辅以 EDTA 使之更有效地作用于细胞壁。  真核细胞的细胞壁不同于原核细胞，需采用不同的酶。  自溶作用是酶解的另一种方法，利用生物体自身产生的酶来溶胞，而不需外加其他的酶。 在微生物代谢过程中，大多数都能产生一种能水解细胞壁上聚合物的酶，以便生长过程继续下去。 可是，改变其生长环境，可以诱发产生过剩的这种酶或激发产生其它的自溶酶，以达到自溶目的。  酸处理可以使蛋白质水解成氨基酸，通常采用 6mol/L HCl。 碱和表面活性剂能溶解细胞壁上脂类物质或使某些组分从细胞内渗漏出来。 天然的表面活性剂有胆酸盐和磷脂等  合成的表面活性剂可分离子型和非离子型，离子型 如十二烷基硫酸钠（ SDS，阴离子型）；十六烷基三甲基溴化铵（阳离子型）。 非离子型如 Triton X100 和吐温（ Tween）等  有机溶剂可采用丁酯、丁醇、丙酮、氯仿和甲苯等 物理渗透法 渗透压冲击法  渗透压冲击是较温和的一种破碎方法，将细胞放在高渗透压的溶液中（如一定浓度的甘油或蔗糖溶液），由于渗透压的作用，细胞内水分便向外渗出，细胞发生收缩，当达到平衡后，将介质快速稀释，或将细胞转入水或缓冲液中，由于渗透压的突然变化，胞外的水迅速渗入胞内，引起细胞快速膨胀而破裂。 冻结 融化法  将 细胞放在低温下冷冻（约 15℃），然后在室温中融化，反复多次而达到破壁作用。 由于冷冻，一方面能使细胞膜的疏水键结构破裂，从而增加细胞的亲水性能，另一方面胞内水结晶，形成冰晶粒，引起细胞膨胀而破裂。 对于细胞壁较脆弱的菌体，可采用此法。 机械法和化学法的比较 机械破碎法缺点： A、高能、高温、高噪音、高剪切力 (四高 )，易使产品变性失活； B、非专一性，胞内产物均释放，分离纯化困难； C、细胞碎片大小不一，难分离。 化学破碎法缺点： A、费用高； B、引起新的污染，尤其是其他化学方法； C、一般只有有限的破碎， 常需与其他物理法连用。 破碎方法的选择 选择的一般原则： A、提取产物在细胞质内，用机械法破碎 B、提取产物在细胞膜附近，用化学法 C、提取产物与细胞膜和细胞壁结合，可采用化学法和机械法结合的方法 破碎技术杂交研究应注意的问题： A、杂交技术可产生很大优势。 B、破碎技术对下游分离技术的影响。 破碎颗粒清除，产物的分离纯化 C、在发酵阶段，考虑到发酵过程和环境对破碎难易程度的影响 D、菌种的培育，胞内产物  胞外产物 细胞破碎的评价 直接计数法 方法：样本稀释 染色 上样 计数。 计算：同上。 优点：方法简单。 缺点： A、计数时间长， B、只有活细胞才被计。