生物分离工程技术固液分离技术离心技术省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

生物分离生物分离(工程工程)技技术术生物分离（工程）技术生物分离（工程）技术主讲：吴元喜E-mail:联络电话：[phone]月 第1页生物分离生物分离(工程工程)技技术术 普通生物工业过程 第2页生物分离生物分离(工程工程)技技术术提取精制优化目标和工艺设提取精制优化目标和工艺设计计总目标：总目标：高产率、品质优、低成本、操作简便、无环境污染。高产率、品质优、低成本、操作简便、无环境污染。惯用单元操作出现频率：惯用单元操作出现频率：离子交换离子交换 75 75；亲和过程；亲和过程 60 60；沉淀分离；沉淀分离 57 57；凝胶过滤层析凝胶过滤层析5050；其它方法；其它方法 3333。单元操作选择要求：单元操作选择要求：工艺前期：不要求分辨能力高，但要求负荷能力大工艺前期：不要求分辨能力高，但要求负荷能力大 工艺后期：分辨能力和回收能力尽可能高，工艺后期：分辨能力和回收能力尽可能高，第3页生物分离生物分离(工程工程)技技术术生物工业下游技术普通工艺过程生物工业下游技术普通工艺过程第4页生物分离生物分离(工程工程)技技术术第三章 固-液分离技术第一讲第一讲 过滤技术过滤技术第二讲第二讲 离心技术离心技术第5页生物分离生物分离(工程工程)技技术术第二讲 离心分离技术一、概述二、离心分离原理 三、离心操作注意事项四、思索题 第6页生物分离生物分离(工程工程)技技术术一、概述1、序言2、离心形式和目标 3、离心机分类第7页生物分离生物分离(工程工程)技技术术1、序言 1924年 Svedberg（瑞典）设计并制造出可产生相当于5000倍地球引力离心机。1926年取得诺贝尔化学奖 离心技术主要用于各种生物样品分离和制备，生物样品悬浮液在高速旋转下，因为巨大离心力作用，使悬浮微小颗粒（细胞器、生物大分子沉淀等）以一定速度沉降，从而与溶液得以分离。沉降速度取决于颗粒质量、大小和密度。第8页生物分离生物分离(工程工程)技技术术颗粒沉降 当一固体微粒经过无限连续当一固体微粒经过无限连续介质时，它运动速度受到两种力介质时，它运动速度受到两种力影响：一是该微粒受到因微粒与影响：一是该微粒受到因微粒与流体介质间密度不一样而产生浮流体介质间密度不一样而产生浮力作用，二是微粒所受到流体阻力作用，二是微粒所受到流体阻力作用。当浮力与阻力到达平衡力作用。当浮力与阻力到达平衡时，该微粒即以恒定速度沉降。时，该微粒即以恒定速度沉降。第9页生物分离生物分离(工程工程)技技术术颗粒沉降（续）在稀溶液中，作用于单个球形微粒上阻力FD，可用Stocks(斯托克斯)定律表示：假设该微救为球形假设该微救为球形,其沉降过程如图所表示，其沉降过程如图所表示，则该微粒所受浮力（则该微粒所受浮力（F FB B）可由下式表示）可由下式表示d-d-沉降颗粒直径，沉降颗粒直径，cmcm；s s，-微粒及液体介质密度，微粒及液体介质密度，g gcmcm3 3 ；-微粒加速度微粒加速度m/sm/s2 2；-物质沉降速率，物质沉降速率，cmcms s；-介质黏度，介质黏度，g g(cms)(cms)。颗粒较小时，第10页生物分离生物分离(工程工程)技技术术颗粒沉降（续）当Re1时，阻力表示为：当球形粒子在介质中开始运动时速度较小，作用其上阻力亦较小。当阻力与浮力平衡时，微粒加速度为零。微粒运动速度方程为：重力沉降时，微粒加速度即重力加速度，即g为重力加速度常数，m/s2离心沉酵时，微粒运动速度方程为：转鼓回转角速度，rs转鼓中心轴线与微粒间距离，m第11页生物分离生物分离(工程工程)技技术术2、离心形式和目标离心形式离心形式 离心过滤：离心过滤：在有孔转鼓离心机小经过过滤介质分离悬浮液；离心沉降：离心沉降：利用固液两相比重差异在离心机无孔转鼓或管子中进行悬浮液沉降分离(如用于净制含少许固体液体时也称离心澄清)；离心分离：离心分离：利用不一样溶质颗粒在液体各部分分布差异，分离不一样比重液体。离心目标离心目标 固-液分离、液-液分离第12页生物分离生物分离(工程工程)技技术术3、离心机分类(1)转速和温度：低、高、超速；冷冻和常温；(2)用途：工业或试验用，分析或制备；(3)形式和操作：过滤、沉降或分离；连续、半连续、间歇；(4)结构特点：转鼓、长管式转筒、角式和外摆式转子、分析型转子和区带转子等。依驱动方式有手摇式、油涡轮式、气动式、磁悬式和电动式等。依旋转轴位置有直立式、水平式、倾斜式等第13页生物分离生物分离(工程工程)技技术术二、离心分离原理 1 1、离心分离、离心分离先决条件先决条件2 2、离心机选择离心机选择3 3、离心、离心方法选择方法选择4 4、离心力和相对离心力离心力和相对离心力5 5、物质、物质沉降系数沉降系数 6 6、离心条件确实定离心条件确实定第14页生物分离生物分离(工程工程)技技术术1 1、离心分离先决条件、离心分离先决条件不一样密度或不一样大小及形状物质在重力作用下沉降速率不一样，在形成密度梯度液相体系中平衡位置不一样。离心分离过程就是以离心力加速不一样物质沉降分离过程。被分离物质之间必须存在或经人为处理产生密度或沉降速率差异才能以离心方法进行分离。第15页生物分离生物分离(工程工程)技技术术2 2、离心机选择、离心机选择常速离心机常速离心机：最大转速在8000rmin以内，相对离心力(RCF)在ll04g以下。主要用于细胞、细胞碎片和培养基残渣等固形物分离，也用于酶结晶等较大颗粒分离。高速离心机：高速离心机：最大转速为(12.5)104rmin，相对离心力到达(104105)g，主要用于各种沉淀物、细胞碎片和细胞器等分离。超速离心机超速离心机:最大转速达(2512)104 rmin，相对离心力能够高达106g。超速离心主要用于DNA、RNA、蛋白质等生物大分子以及细胞器、病毒等分离纯化，样品纯度检测，沉降系数和相对分子质量测定等。第16页生物分离生物分离(工程工程)技技术术三种不一样级别制备离心机三种不一样级别制备离心机 类类 型型普通离心机普通离心机高速离心机高速离心机超速离心机超速离心机最大转速最大转速6 6，0000002525，0000007575，000000以上以上最大相对离心最大相对离心（g g）6 6，0000008989，000000510510，000000以上以上容容 量量 ml-L ml-Lml-1.5Lml-1.5Lml-1.5Lml-1.5L分离形式分离形式固液沉降分离固液沉降分离固液沉降分离固液沉降分离密度梯度区带分离密度梯度区带分离或差速沉降分离。或差速沉降分离。离心管平衡离心管平衡允许误差允许误差0 0。2525克克0 0。1 1克克0 01 1克克第17页生物分离生物分离(工程工程)技技术术3 3、离心方法选择、离心方法选择I.I.沉淀离心沉淀离心II.II.差速离心差速离心：III.III.密度梯度离心密度梯度离心：速率区带离心与等密度区带离心速率区带离心与等密度区带离心第18页生物分离生物分离(工程工程)技技术术I.沉淀离心 沉淀离心技术是当前应用最广一个离心方法。普通是指介质密度约lgml，选取一个离心速度，使悬浮溶液中悬浮颗粒在离心作用下完全沉淀下来，这种离心方式称之为沉降离心。依据颗粒大小来确定沉降所需要离心力。主要适宜于细菌等微生物、细胞和细胞器等生物材料，密度在1.181.31gml左右离心分离。沉降速度与离心力和颗粒大小相关。第19页生物分离生物分离(工程工程)技技术术II.II.差速离心差速离心差速离心差速离心:是指采取不一样离心速度和离心时间，使不一样沉降速度颗粒分批分离方法。微小颗粒与液体分子间相互影响力被离心力克服，原条件下稳定悬浮各种微小粒子又依本身相对密度大小等条件次序沉淀出来。普通用于分离沉降系数相差较大颗粒。第20页生物分离生物分离(工程工程)技技术术差速离心差速离心-物质沉降过程物质沉降过程优点是：操作简易，离心后用倾倒法即可将上清液与沉淀分开，并可使用容量较大角式转子。缺点是：须屡次离心，沉淀中有夹带，分离效果差。可用于组织匀浆液中分离细胞器和病毒分级沉淀第21页生物分离生物分离(工程工程)技技术术第22页生物分离生物分离(工程工程)技技术术沉淀离心和差速离心过程第23页生物分离生物分离(工程工程)技技术术III.III.密度梯度离心法密度梯度离心法密度梯度离心法（区带离心法）：密度梯度离心法（区带离心法）：是将样品加在惰性梯度介质中进行离心沉降或沉降平衡，在一定离心力下把颗粒分配到梯度中一些特定位置上，形成不一样区带分离方法。（1 1）差差速速区区带带离离心心法法：在一定离心力作用下，颗粒各自以一定速度沉降，在密度梯度介质不一样区域上形成区带方法称为差速区带离心法。（2 2）等等密密度度区区带带离离心心法法：离心管中预先放置好梯度介质，样品加在梯度液面上，或样品预先与梯度介质溶液混合后装入离心管，经过离心形成梯度，这就是预形成梯度和离心形成梯度等密度区带离心产生梯度二种方式。第24页生物分离生物分离(工程工程)技技术术密度梯度离心法特点密度梯度离心法特点优点：优点：分离效果好，可一次取得较纯颗粒；适应范围广，能象差速离心法一样分离含有沉降系数差颗粒，又能分离有一定浮力密度差颗粒；颗粒不会挤压变形，能保持颗粒活性，并预防已形成区带因为对流而引发混合。缺点：缺点：离心时间较长；需要制备惰性梯度介质溶液；操作严格，不易掌握。第25页生物分离生物分离(工程工程)技技术术(1)(1)差速区带离心法特点差速区带离心法特点离心管先装好密度梯度介质溶液，样品液加在梯度介质液面上，离心时，因为离心力作用，颗粒按不一样沉降速度向管底沉降，离心一定时间后，沉降颗粒逐步分开，最终形成一系列界面清楚不连续区带，沉降系数越大，往下沉降越快。离心必须在沉降最快大颗粒抵达管底前结束，样品颗粒密度要大于梯度介质密度。梯度介质通惯用蔗糖溶液，其最大密度和浓度可达1.28 kg/cm3和60。第26页生物分离生物分离(工程工程)技技术术(2)等密度离心法特点离心时，样品不一样颗粒向上浮起，一直移动到与它们密度相等等密度点特定梯度位置上，这就是等密度离心法。处于等密度点上样品颗粒区带形状和位置均不再受离心时间所影响。提升转速能够缩短抵达平衡时间，离心所需时间以最小颗粒抵达等密度点（即平衡点）时间为基准，有时长达数日。梯度介质通常为氯化绝CSCl，其密度可达1.7 g/cm3。第27页生物分离生物分离(工程工程)技技术术4、离心力“F”和相对离心力“RCF”离心力“F”相对离心力“RCF”离心机转速与离心力列线计算图第28页生物分离生物分离(工程工程)技技术术离心力“F”当一个粒子（生物当一个粒子（生物大分子或细胞器）在大分子或细胞器）在高速旋转下受到离心高速旋转下受到离心力作用时，此离心力力作用时，此离心力“F”“F”由下式定义，即：由下式定义，即：a-a-a-a-粒子旋转加速度，粒子旋转加速度，粒子旋转加速度，粒子旋转加速度，m-m-m-m-沉降粒子有效质量，沉降粒子有效质量，沉降粒子有效质量，沉降粒子有效质量，-粒子旋转角速度，粒子旋转角速度，粒子旋转角速度，粒子旋转角速度，r-r-r-r-粒子旋转半径粒子旋转半径粒子旋转半径粒子旋转半径(cm)(cm)(cm)(cm)。第29页生物分离生物分离(工程工程)技技术术相对离心力“RCF”相对离心力是指在离心场中，作用于颗粒离心力相当于地球重力倍数，单位是重力加速度“g”（980cm/sec2）,“RCF”相对离心力可用下式计算：RCF=1.119105(rpm)2 r(rpm revolutions per minute每分钟转数，r/min)第30页生物分离生物分离(工程工程)技技术术离心机转速与离心力列线计算图普通情况下，低速离心时常以转速“rpm”来表示，高速离心时则以“g”表示。在汇报超离心条件时，通常总是用地心引力倍数“g”代替每分钟转数“rpm”.转速与离心力换算:先在r标尺上取已知半径和在rpm标尺上取已知离心机转数，然后将这两点间划一条直线，与图中RCF标尺上交叉点即为对应相对离心力数值。第31页生物分离生物分离(工程工程)技技术术5 5、物质沉降系数、物质沉降系数假定液体浓度稀薄其黏度为O，颗粒物质为正圆形，则混溶于液体颗粒性物质在引力场作用下沉降过程仅受重力和液体浮力双重影响。离心时作用于沉降颗粒离心力是：依据Stokes定律，离心时沉降颗粒碰到阻力是：d-沉降颗粒直径，cm；-沉降颗粒密度，gcm3；-溶剂液体密度，gcm;-溶剂液体黏度，g(cms)。第32页生物分离生物分离(工程工程)技技术术物质沉降系数物质沉降系数(续续)在离心力作用下，假如沉降物质沉降速度是不变，离心力就等于阻力，f1f2-物质沉降速率，cms；d-沉降颗粒直径，cm；-沉降颗粒密度，gcm3；-溶剂液体密度，gcm -溶剂液体黏度，g(cms)。S 称为斯维德伯格(Svedberg)单位 第33页生物分离生物分离(工程工程)技技术术物质沉降系数物质沉降系数(续续)物质颗粒沉降物质颗粒沉降S S大小与物质颗粒直径平方成正比，与沉降颗粒大小与物质颗粒直径平方成正比，与沉降颗粒和溶剂液体密度之差成正比，与溶剂液体黏度和溶剂液体密度之差成正比，与溶剂液体黏度1818倍成反比。因倍成反比。因为液体黏度受液体性质和温度影响很大所以为液体黏度受液体性质和温度影响很大所以S S通常定义为通常定义为2020时以水作溶剂物质沉降值。在离心力作用下，因为悬浮颗粒所时以水作溶剂物质沉降值。在离心力作用下，因为悬浮颗粒所处液体环境不一样，处液体环境不一样，(-)0(-)0时时S S为正数，颗粒向离心方向为正数，颗粒向离心方向沉淀，沉淀，(-)(-)0 0 时时S S为为0 0，颗粒物质与液体密度相等，受力，颗粒物质与液体密度相等，受力均衡，颗粒维持原位不动，均衡，颗粒维持原位不动，(-)O(-)O时时S S为负数，液体中物为负数，液体中物质颗粒朝向心方向浮动。质颗粒朝向心方向浮动。S S与物质颗粒大小和密度及溶剂黏度间关系可表示为：与物质颗粒大小和密度及溶剂黏度间关系可表示为：第34页生物分离生物分离(工程工程)技技术术6、离心条件确定 离心力离心时间及计算温度和pH值第35页生物分离生物分离(工程工程)技技术术离心力 离心力大小与转速平方(rpm2)及旋转半径(r)成正比。在转速一定条件下，颗粒距离心轴越远，其所受离心力越大。在离心过程中，伴随颗粒在离心管中移动，其所受到离心力也在改变。普通离心力数据是指其平均值，即是指在离心溶液中点处颗粒所受离心力。RCF=1.119105(rpm)2 r第36页生物分离生物分离(工程工程)技技术术离心时间及其计算离心时间沉降时间计算转子效率因子(K)第37页生物分离生物分离(工程工程)技技术术离心时间对于常速离心、高速离心和差速离心来说，离心时间是指颗粒从离心管中样品液液面完全沉降到离心管底时间，称为沉降时间或澄清时间；对于密度梯度离心而言，离心时间是指形成界限分明区带时间，称为区带形成时间；而等密度梯度离心所需离心时间是指颗粒完全到达等密度点平衡时间，称为平衡时间。沉降时间是指颗粒从样品液面完全沉降到离心管底所需时间。沉降时间决定于颗粒沉降速度和沉降距离。第38页生物分离生物分离(工程工程)技技术术沉降时间计算t沉降时间(s)；S颗粒沉降系数(s)；转子角速度(rads)；1，2 分别为旋转轴中心到样品液面和离心管底距离(cm)。第39页生物分离生物分离(工程工程)技技术术转子效率因子(K)转子效率因子K与转子半径和转速相关。生产厂家已经在转子出厂时标示出了最大转速时K值。依据公式 计算出其它转速时K值。在选定了所使用离心机和转子以后，r1，r2已确定，对于某一详细颗粒来说，沉降系数S为定值，2 t为一常数,所以离心时对颗粒沉降起决定作用是转子转速和沉降时间t。所以K值越小，其沉降时间就越短，转子使用效率就越高。第40页生物分离生物分离(工程工程)技技术术2 t为一常数 离心时对颗粒沉降起决定作用是转子转速和沉降时间t时,操作时能够采取较高转速离心较短时间，或采取较低转速离心较长时间，只要2t不变，就能够得到相同离心效果。比如:比如采取10 000rmin离心10min，2t=（2rpm/60）2t=6.5785108(s-1)假如改用5000rmin离心40min，2t=6.576608(s-1)二者基本相同，离心效果相近。第41页生物分离生物分离(工程工程)技技术术温度和pH值离心温度普通控制在4右，对于一些耐热性很好生化物质，也能够在室温条件下进行离心分离。不过在超速离心和高速离心时，因为转子高速旋转会发烧而引发温度升高，必须采取冷冻系统，使温度维持在一定范围内。温度控制是由离心机本身设置温度调整系统进行，在离心前转子和待离心分离液体都必须置于冷室或者冰箱中预冷。离心介质pH值必须是处于待分离物质稳定pH值范围内，必要时能够采取缓冲溶液。过高或过低pH值可能引发酶等生物活性物质变性失活，还可能引发转子和离心机其它部件腐蚀，应该加以注意。第42页生物分离生物分离(工程工程)技技术术三、离心操作注意事项 1.使用各种离心机时，必须事先在天平上精密地平衡离心管和其内容物，离心管必须对称地放在转头中。2.装载溶液时，要选取适合离心管，无盖离心管内液体不得装过2/3.3.每次使用后，必须仔细检验转头，及时清洗、擦干，转头是离心机中须重点保护部件，搬动时要小心，不能碰撞，防止造成伤痕，禁止使用显著变形、损伤或老化离心管。第43页生物分离生物分离(工程工程)技技术术离心操作注意事项(续)4.离心过程中不得随意离开，应随时观察离心机上仪表是否正常工作，如有异常声音应马上停机检验，及时排除故障。5.每个转头各有其最高允许转速和使用累积限时，使用转头时要查阅说明书，不得过速使用。每一转头都要有一份使用档案，统计累积使用时间，若超出了该转头最高使用限时，则须按要求降速使用。第44页生物分离生物分离(工程工程)技技术术四、工业离心机碟片式离心机结构碟片式离心机结构第45页生物分离生物分离(工程工程)技技术术牛乳特点与分离 牛乳中含有脂肪、脱脂乳以及各种固体杂质，三者之间脂牛乳中含有脂肪、脱脂乳以及各种固体杂质，三者之间脂肪相对密度最小，脱脂乳次之，固体杂质相对密度最大。将肪相对密度最小，脱脂乳次之，固体杂质相对密度最大。将其静止数小时后，将分成三层。如图所表示。其静止数小时后，将分成三层。如图所表示。第46页生物分离生物分离(工程工程)技技术术碟片式离心机与碟片式离心机与牛乳分离 在转鼓中加入一组圆在转鼓中加入一组圆锥形碟片，因为颗粒所锥形碟片，因为颗粒所走距离减小，所以对应走距离减小，所以对应分离能力就增加。分离能力就增加。借离心力作用使混借离心力作用使混合液到达转鼓中心，重合液到达转鼓中心，重颗粒（杂质）向下移动，颗粒（杂质）向下移动，最终沉降在转鼓四面，最终沉降在转鼓四面，重液体（脱脂乳）向下重液体（脱脂乳）向下经过圆盘空间中心，经经过圆盘空间中心，经最高圆盘上面通道从圆最高圆盘上面通道从圆盘排出。盘排出。第47页生物分离生物分离(工程工程)技技术术第48页生物分离生物分离(工程工程)技技术术第49页生物分离生物分离(工程工程)技技术术（2）分离钵主要结构为整个分离钵支持部分，中心管是牛乳进入通道，放在底座上面一、槽沟内，当分离钵旋紧时，可使顶罩与底座之间封闭。用于支承杯盘，其内部有三个沟槽与底座三个孔眼配合中，形成牛乳通道由此进入分离杯盘中在盘内外表面焊有突起物，并有三个孔与中杯盘配合形成牛乳上行通道眼焊接突起物，使杯盘间形成一定距离，不一样类形分离机，杯盘数目不一样，越多离效果越好，能力越大，耗能也在上无孔眼，将杯盘分离出来稀奶油聚集，并将稀奶油从其中伸长出口（有一小孔）甩出钵体。整个杯盘锥形外罩，其作用是当乳中密度较大脱脂乳被压到杯盘边缘后，即顺着顶罩内侧向上流动，最终经过顶罩上脱乳出品乳出钵外。第50页生物分离生物分离(工程工程)技技术术第51页生物分离生物分离(工程工程)技技术术碟片式离心机碟片式离心机 1-1-生物悬浮液生物悬浮液 2-2-离心后清液离心后清液 3-3-固相出口固相出口 4-4-循环液循环液第52页生物分离生物分离(工程工程)技技术术管式高速离心机管式高速离心机 管式高速离心机含有很高分离因管式高速离心机含有很高分离因数（数（1.51.5万万6 6万），转鼓转速可万），转鼓转速可达达800080005 5万。万。为尽可能减小转鼓所受应力，采为尽可能减小转鼓所受应力，采取较小鼓径，因而在一定进料量取较小鼓径，因而在一定进料量下，悬浮液沿转鼓轴向运动速度下，悬浮液沿转鼓轴向运动速度较大。为此，应增大转鼓长度，较大。为此，应增大转鼓长度，以确保物料在鼓内有足够沉降时以确保物料在鼓内有足够沉降时间，于是造成转鼓成为直径小而间，于是造成转鼓成为直径小而高度相对很大管式构形。高度相对很大管式构形。第53页生物分离生物分离(工程工程)技技术术管式离心机 悬浮液在加压情况下由下部送入，悬浮液在加压情况下由下部送入，经挡板作用分散于转鼓底部，受到经挡板作用分散于转鼓底部，受到高速离心力作用而旋转向上，轻液高速离心力作用而旋转向上，轻液(或清液或清液)位于转鼓中央，呈螺旋形位于转鼓中央，呈螺旋形运转向上移动，重液运转向上移动，重液(或固体或固体)靠近靠近鼓壁。分离盘靠近中心处为轻液出鼓壁。分离盘靠近中心处为轻液出口孔，靠近转鼓壁处为重液出口孔。口孔，靠近转鼓壁处为重液出口孔。用于固液分离时，将重液出口孔用用于固液分离时，将重液出口孔用石棉垫堵塞，固体则附于转鼓周壁，石棉垫堵塞，固体则附于转鼓周壁，待停机后取出。待停机后取出。第54页生物分离生物分离(工程工程)技技术术倾析式离心机 第55页生物分离生物分离(工程工程)技技术术过滤离心机 第56页生物分离生物分离(工程工程)技技术术过滤离心机 第57页生物分离生物分离(工程工程)技技术术四、思索题 1、深床过滤和滤饼过滤特点2、何谓凝聚和絮凝？3、惯用工业过滤设备有哪些？沉淀离心和差速离心有何区分？4、何为离心力和相对离心力？记住表示式。5、一台离心机离心转头，最大半径为9cm，转速为18000r/min，求离心转头最大离心力和最大相对离心力？6、工业离心机有哪几个类型，在应用上有什么不一样？第58页