《色谱技术——细胞分离与破碎.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《色谱技术——细胞分离与破碎.ppt（103页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、第二章第二章 细胞分离与破碎细胞分离与破碎6 6 6 61/21/20231/21/20231 19999固液分离的类型固液分离的类型1、过滤、过滤(重力过滤器、压滤器、真空过滤器重力过滤器、压滤器、真空过滤器)2、离心、离心3、重力沉降、重力沉降1/21/20231/21/20232 29999发酵液的组成发酵液的组成悬浮液：指固体颗粒在0.1m以上的固液分散体系。生物细胞培养液基本上也是悬浮液。培养液的组成：水70-80%+固体细胞及碎片20-30%(对微生物发酵)+少量的代谢成物+细胞破裂后的内容物+残存的培养基成分1/21/20231/21/20233 39999培养液的基本特征培养液
2、的基本特征A A、细胞成分及碎片大小不一，颗粒大小细胞成分及碎片大小不一，颗粒大小，分离成本，分离成本。B B、固液密度相近，黏度高：沉降和离心分离困难固液密度相近，黏度高：沉降和离心分离困难C C、固固体体成成分分可可压压缩缩可可变变形形 +高高黏黏度度：过过滤滤困困难难，黏黏附附在滤布，错流过滤形成凝胶层在滤布，错流过滤形成凝胶层D D、动植物细胞抗剪切力差：错流膜过滤和离心等不适动植物细胞抗剪切力差：错流膜过滤和离心等不适E E、流流变变性性复复杂杂，非非牛牛顿顿型型流流体体。青青霉霉素素发发酵酵液液为为卡卡森森型型流流体体，120h120h链链霉霉素素发发酵酵液液为为拟拟塑塑性性流流体
3、体，灰灰色色链链丝菌发酵液为塑性流体。丝菌发酵液为塑性流体。这些这些 造成造成细胞难于分离细胞难于分离1/21/20231/21/20234 49999备注在高分子液体范畴内，可以粗略地把在高分子液体范畴内，可以粗略地把在高分子液体范畴内，可以粗略地把在高分子液体范畴内，可以粗略地把非牛顿型非牛顿型非牛顿型非牛顿型流流流流体分为：体分为：体分为：体分为：纯粘性流体，但流动中粘度会发生变化，如某些纯粘性流体，但流动中粘度会发生变化，如某些纯粘性流体，但流动中粘度会发生变化，如某些纯粘性流体，但流动中粘度会发生变化，如某些涂料、油漆、食品等。涂料、油漆、食品等。涂料、油漆、食品等。涂料、油漆、食品
4、等。粘弹性流体，大多数高分子熔体、高分子溶液是粘弹性流体，大多数高分子熔体、高分子溶液是粘弹性流体，大多数高分子熔体、高分子溶液是粘弹性流体，大多数高分子熔体、高分子溶液是典型的粘弹性流体，而且是非线性粘弹性流体。典型的粘弹性流体，而且是非线性粘弹性流体。典型的粘弹性流体，而且是非线性粘弹性流体。典型的粘弹性流体，而且是非线性粘弹性流体。一些生物材料，如细胞液，蛋清等也同属此类。一些生物材料，如细胞液，蛋清等也同属此类。一些生物材料，如细胞液，蛋清等也同属此类。一些生物材料，如细胞液，蛋清等也同属此类。流动性质有时间依赖性的流体。如触变性流体，流动性质有时间依赖性的流体。如触变性流体，流动性质
5、有时间依赖性的流体。如触变性流体，流动性质有时间依赖性的流体。如触变性流体，震凝性流体。震凝性流体。震凝性流体。震凝性流体。1/21/20231/21/20235 59999对对对对微小而形状多变微小而形状多变微小而形状多变微小而形状多变的微生物细胞，的微生物细胞，的微生物细胞，的微生物细胞，发酵液和其发酵液和其发酵液和其发酵液和其它生物溶液的固液分离就变得它生物溶液的固液分离就变得它生物溶液的固液分离就变得它生物溶液的固液分离就变得复杂复杂了了了了。一一一一般般般般，由由由由于于于于料料料料液液液液通通通通常常常常都都都都是是是是高高高高的的的的非非非非牛牛牛牛顿顿顿顿粘粘粘粘度度度度流流流
6、流体体体体或或或或者者者者是是是是高高高高度度度度可可可可压压压压缩缩缩缩滤滤滤滤饼饼饼饼，发发发发酵酵酵酵液液液液和和和和其其其其它它它它生生生生物物物物溶溶溶溶液液液液是是是是极极极极其其其其难难难难以过滤的，因此，必须对这些生物分离程序进行修改。以过滤的，因此，必须对这些生物分离程序进行修改。以过滤的，因此，必须对这些生物分离程序进行修改。以过滤的，因此，必须对这些生物分离程序进行修改。1/21/20231/21/20236 69999预处理预处理 预处理的目的预处理的目的:改变发酵液的物理性质改变发酵液的物理性质(黏度、颗粒大小黏度、颗粒大小、颗粒稳定性等、颗粒稳定性等)，固液分离速度
7、固液分离速度，分离器分离效率，分离器分离效率。目标产物转移其中一相目标产物转移其中一相(多数为液相多数为液相)；1/21/20231/21/20237 799991、加热加热 最最最最简简简简单单单单、最最最最经经经经济济济济的的的的预预预预处处处处理理理理方方方方法法法法是是是是加加加加热热热热，加加加加热热热热不不不不仅仅仅仅可可可可以以以以增增增增加加加加料料料料液液液液的的的的操操操操作作作作特特特特性性性性，也也也也可可可可以以以以对对对对其其其其进进进进行行行行灭灭灭灭菌菌菌菌。但但但但加加加加热热热热变变变变性性性性的的的的方方方方法法法法只只只只适适适适合合合合于于于于对对对对
8、热热热热稳稳稳稳定定定定性性性性的的的的产物。产物。产物。产物。加加热热可可产产生生：黏黏度度、促促凝凝聚聚、固固体体成成分分体体积、破坏凝胶结构、增加空隙率、去蛋白积、破坏凝胶结构、增加空隙率、去蛋白1/21/20231/21/20238 899992、调、调pH值：方法简单有效、成本低廉值：方法简单有效、成本低廉 pHpH直接影响发酵液中某些物质的直接影响发酵液中某些物质的电离度电离度和和电荷性电荷性质质，适当调节，适当调节pHpH可改善其过滤特性。可改善其过滤特性。对于氨基酸、蛋白质等两性物质作为杂质存在于液对于氨基酸、蛋白质等两性物质作为杂质存在于液体中时，常采用体中时，常采用调调pH
9、pH至等电点使两性物质沉淀至等电点使两性物质沉淀。另外，在膜分离中，发酵液中的大分子物质易与膜另外，在膜分离中，发酵液中的大分子物质易与膜发生吸附，常通过调整发生吸附，常通过调整pHpH，改变易吸附分子的电荷性质改变易吸附分子的电荷性质，以，以减少吸附造成的堵塞和污染减少吸附造成的堵塞和污染。此外，细胞、细胞碎片及某些胶体物质等在某个此外，细胞、细胞碎片及某些胶体物质等在某个pHpH下也可能趋于下也可能趋于絮凝絮凝而成为较大颗粒，有利于固液分离。而成为较大颗粒，有利于固液分离。1/21/20231/21/20239 999993、凝聚和絮凝、凝聚和絮凝通过通过通过通过电解质电解质 的加入促进原
10、始溶液的的加入促进原始溶液的的加入促进原始溶液的的加入促进原始溶液的凝聚和絮凝凝聚和絮凝凝聚和絮凝凝聚和絮凝主主要要作作用用为为增增大大混混合合液液中中悬悬浮浮粒粒子子的的体体积积，提提高高固液分离速度，同时可除去一些杂质。固液分离速度，同时可除去一些杂质。1/21/20231/21/202310109999凝聚和絮凝是两种方法，两个概念。凝聚和絮凝是两种方法，两个概念。凝聚凝聚：指在投加的化学物：指在投加的化学物质质（铝铝、铁铁的的盐类盐类或石灰等）作用下，胶体脱或石灰等）作用下，胶体脱稳稳并使粒子相互聚集成并使粒子相互聚集成mmmm 大小大小块块状状凝聚体凝聚体的的过过程。程。絮凝絮凝：指
11、使用絮凝：指使用絮凝剂剂（天然的和合成的大分（天然的和合成的大分子量聚子量聚电电解解质质）将胶体粒子交）将胶体粒子交联联成网，形成成网，形成10mm10mm大大小絮凝小絮凝团团的的过过程。其中絮凝程。其中絮凝剂剂主要起主要起架架桥桥作用。作用。1/21/20231/21/202311119999 凝聚：胶体粒子凝聚：胶体粒子(10-100nm)(10-100nm)中性中性盐盐促促进进下脱下脱稳稳相互聚集成大粒子（相互聚集成大粒子（1mm1mm）机理：机理：a a 中和粒子表面中和粒子表面电电荷荷 b b 消除双消除双电层结电层结构构 絮凝：大分子聚絮凝：大分子聚电电解解质质将胶体粒子交将胶体粒
12、子交联联成网状，成网状，形成絮凝形成絮凝团团的的过过程程 机理：架机理：架桥桥作用作用1/21/20231/21/202312129999 凝聚和絮凝技术能有效的改变细胞菌体凝聚和絮凝技术能有效的改变细胞菌体和蛋白质等胶体粒子的和蛋白质等胶体粒子的分散状态分散状态,使其使其聚集起来聚集起来,增大体积增大体积以便固液分离以便固液分离,常用常用于菌体细小而且黏度大的发酵液的预处理中于菌体细小而且黏度大的发酵液的预处理中.1/21/20231/21/202313139999发酵液的带电现象发酵液中的细胞、菌体或蛋白质等胶体粒子的表面，发酵液中的细胞、菌体或蛋白质等胶体粒子的表面，一般都带有电荷，带电
13、的原因很多，主要是一般都带有电荷，带电的原因很多，主要是吸吸附附溶液中的离子或溶液中的离子或自身自身基团的电离基团的电离。通常发酵。通常发酵液中细胞或菌体带有负电荷，由于静电引力的作用液中细胞或菌体带有负电荷，由于静电引力的作用使溶液中带相反电荷的粒于（即正离子）被吸附在使溶液中带相反电荷的粒于（即正离子）被吸附在其周围，在界面上形成了其周围，在界面上形成了双电层双电层。1/21/20231/21/202314149999凝聚剂种类凝聚剂种类：A、无无机机盐盐类类：如如硫硫酸酸铝铝、明明矾矾、硫硫酸酸铁铁、硫硫酸酸亚亚铁铁、FeCl3、AlCl3、ZnCl2、硫酸镁等；、硫酸镁等；B、无机碱：
14、如无机碱：如Al(OH)3、Fe(OH)3、Ca(OH)2、CaO等；等；C、聚合无机盐，如聚合铝、聚合铁。聚合无机盐，如聚合铝、聚合铁。机理机理：A、破坏双电层，破坏双电层，B、水解后胶体吸附，水解后胶体吸附，C、氢键结合等。氢键结合等。1/21/20231/21/202315159999絮凝剂种类絮凝剂种类：A、阳离子类，如聚丙烯酰胺阳离子类，如聚丙烯酰胺(+)、聚苯烯酸二烷基胺乙酯、聚、聚苯烯酸二烷基胺乙酯、聚二烯丙基四胺；二烯丙基四胺；B、阴离子类，如聚丙烯酸纳、聚苯乙烯磺酸、聚丙烯酰胺阴离子类，如聚丙烯酸纳、聚苯乙烯磺酸、聚丙烯酰胺(-)；C、非离子类，如聚丙烯酰胺非离子类，如聚丙烯
15、酰胺(0)、环氧化乙烯。、环氧化乙烯。机机理理：絮絮凝凝剂剂主主要要起起中中和和电电荷荷、桥桥架架和和网网络络作用作用1/21/20231/21/202316169999一种颗粒均匀、质地坚硬的粒状物质，用于扩大过一种颗粒均匀、质地坚硬的粒状物质，用于扩大过滤表面的适应范围，减轻细小颗粒的快速挤压变形和过滤表面的适应范围，减轻细小颗粒的快速挤压变形和过滤介质的堵塞。滤介质的堵塞。使用方法使用方法：A、预涂层；预涂层；B、按一定比率混合。按一定比率混合。助滤剂种类助滤剂种类：硅藻土、膨胀珍珠岩、石棉、纤维素、：硅藻土、膨胀珍珠岩、石棉、纤维素、未活化的炭、炉渣、重质碳酸钙，及它们的混合物等。未活
16、化的炭、炉渣、重质碳酸钙，及它们的混合物等。用量标准用量标准：A、单位质量助滤剂所产生的最大滤液产量单位质量助滤剂所产生的最大滤液产量(最常用最常用)；B、或最长周期；或最长周期；C、或最快流速；或最快流速；D、或滤饼的最大空间利或滤饼的最大空间利用度。用度。4、惰性助滤剂：、惰性助滤剂：1/21/20231/21/2023171799990020040060061218pH4.6pH4.2pH3.8pH2.8FiltrateVolume,cm3Time,minutesFig2.1TheeffectonfiltratevolumeofpHandfilteraid图2.1pH值与助滤剂对过滤体积
17、的影响1/21/20231/21/202318189999(b)Effectoffilteraid1%filteraidinfeed2%3%5%Time,minutes0010040060061218FiltrateVolume,cm3Fig2.1TheeffectonfiltratevolumeofpHandfilteraid图2.1pH值与助滤剂对过滤体积的影响（续）1/21/20231/21/202319199999 有时加入某些不影响目的产物的反应剂，可消除发酵液中某些杂质对过滤的影响，从而提高过滤速率。加入反应剂和某些可溶性盐类发生反应生成不溶性沉不溶性沉淀淀，如CaSO4、磷酸铝
18、等。生成的沉淀能防止菌丝体粘结，使菌丝具有块状结构，沉淀本身可作为助滤剂，并且能使胶状物和悬浮物凝固，从而改善过滤性能。5 5加入反应剂加入反应剂1/21/20231/21/202320209999例子：在新生霉素发酵液中加入氯化钙和磷酸钠，生成磷酸钙沉淀可充当助滤剂，另一方面可使某些蛋白质凝固。环丝氨酸发酵液用氧化钙和磷酸处理，生成磷酸钙沉淀，能使悬浮物凝固，多余的磷酸根离子还能除去钙、镁离子，并且在发酵液中不会引入其它阳离子，以免影响环丝氨酸的离子交换吸附。1/21/20231/21/202321219999发酵液的相对纯化发酵液的相对纯化1.无机离子的去除无机离子的去除Ca2+、Mg2+
19、、Fe2+等（如何去除？）1/21/20231/21/202322229999Ca2+离子浓度较高时，可采用可溶性盐，如草酸钠等Mg2+离子的去除一般采用加入三聚磷酸钠磷酸盐处理，也能大大降低Ca2+、Mg2+离子的浓度铁离子，可加入黄血盐，使其形成普鲁士蓝沉淀而除去1/21/20231/21/202323239999 利用各种沉淀方法，可以去除液相中各种蛋白质。常用的有等电点沉淀法、变性沉淀法、盐析法、有机溶剂沉淀法、反应沉淀法等。这些沉淀方法既可以作为除杂质的方法，也可以作为提取目标产物的技术手段。2 2杂蛋白的去除杂蛋白的去除1/21/20231/21/202324249999 酶解法可
20、将混合液中的不溶性多糖物质酶解，使其转化为溶解度较大的单糖，从而改变流体的流动特性，提高过滤速率。例如：万古霉素用淀粉作培养基，发酵完成后，发酵液中多余的淀粉使混合液粘度较大，当加入0.025的淀粉酶后，搅拌30min，再加2.5助滤剂（硅藻土），可使过滤速率提高5倍。3 3多糖的去除多糖的去除1/21/20231/21/202325259999 发酵液中有色物质可能是由于微生物生长代谢过程分泌的，也可能是培养基（如糖蜜、玉米浆等）带来的，色素物质化学性质的多样性增加了脱色的难度。有色物质有色物质如何去除？4 4有色物质的去除有色物质的去除1/21/20231/21/202326269999色
21、素物质的去除，一般以使用离子交换树脂、离子交换纤维、活性炭等材料的吸附法来脱色最为普遍。例如活性炭可用于柠檬酸发酵液的脱色，盐型强碱性阴离子交换树脂可用于解朊酶和果胶酶溶液的脱色，磷酸型阴离子交换树脂被用于谷氨酸发酵液的脱色等。一般发酵液的脱色往往是在过滤除去菌体后进行。1/21/20231/21/2023272799992.1 细胞分离1/21/20231/21/202328289999TheThefirstfirststepstepininmostmostindustrialindustrialbioseparationsbioseparations isisthetheremovalre
22、movalofof insolubleinsoluble solidssolids fromfrom thethe fermentationfermentation beer.beer.TheTheconcentrationandsizeoftheseconcentrationandsizeoftheseinsolublesinsolublesvarieswidely.varieswidely.大大大大部部部部分分分分工工工工业业业业生生生生物物物物分分分分离离离离的的的的第第第第一一一一步步步步往往往往往往往往是是是是将将将将不不不不溶溶溶溶物物物物质质质质从从从从发发发发酵酵酵酵液液液液中
23、中中中除去。这些不溶性固体的浓度和颗粒大小的变化范围很宽。除去。这些不溶性固体的浓度和颗粒大小的变化范围很宽。除去。这些不溶性固体的浓度和颗粒大小的变化范围很宽。除去。这些不溶性固体的浓度和颗粒大小的变化范围很宽。TheTheconcentrationconcentrationcancanbebeasashighhighasas60%60%perpervolumevolumeororasaslowas0.1%.lowas0.1%.浓浓浓浓度度度度可可可可高高高高达达达达每每每每单单单单位位位位体体体体积积积积含含含含60%60%的的的的不不不不溶溶溶溶性性性性固固固固体体体体，又又又又可可可可
24、低低低低至至至至每每每每单单单单位体积仅含位体积仅含位体积仅含位体积仅含0.1%0.1%。1/21/20231/21/202329299999The size ranges from microorganisms ofperhaps 1 um diameter up to insolublenutrientscharacteristically1mmindiameter粒粒径径的的变变化化可可以以从从直直径径约约为为1um的的微微生生物物，到直径为到直径为1mm的不溶性物质。的不溶性物质。Whentheseinsolublesaredilute,large&rigid,theycanbeeas
25、ilyseparatedbyfiltration.对对于于这这些些浓浓度度较较小小，粒粒径径较较大大，硬硬度度较较强的不溶物，我们可以采用过滤方法分离。强的不溶物，我们可以采用过滤方法分离。1/21/20231/21/202330309999WhenWhen thethe beersbeers areare notnot easilyeasily filtered,filtered,theytheysometimescanbeseparatedbycentrifugation.sometimescanbeseparatedbycentrifugation.当当当当发发发发酵酵酵酵液液液液不不不
26、不易易易易被被被被过过过过滤滤滤滤纯纯纯纯化化化化时时时时，我我我我们们们们可可可可以以以以采采采采用用用用离离离离心心心心的方法来分离。的方法来分离。的方法来分离。的方法来分离。CentrifugationCentrifugationrequiresrequiresmoremoreexpensiveexpensiveequipmentequipmentthanthan filtration.filtration.However,However,itit isis oftenoften effectiveeffective waywayeveneven whenwhen thethe soli
27、dsolid particlesparticles areare smallsmall&hencehencehardtofilter.hardtofilter.与与与与过过过过滤滤滤滤设设设设备备备备相相相相比比比比，离离离离心心心心设设设设备备备备的的的的价价价价格格格格昂昂昂昂贵贵贵贵。但但但但当当当当固固固固体体体体颗颗颗颗粒粒粒粒细细细细小小小小而而而而难难难难以以以以过过过过滤滤滤滤时时时时，离离离离心心心心操操操操作作作作往往往往显显显显得得得得十十十十分分分分有效。有效。有效。有效。1/21/20231/21/202331319999CentrifugationCentrifug
28、ation utilizesutilizes thethe densitydensity differencedifference betweenbetweenthethesolidssolidsandandthethesurroundingsurrounding fluid.fluid.WhenWhena asuspensionsuspensionisisallowedallowedtotostand,stand,thethedenserdensersolidssolidsslowlyslowlysettlesettletotothethebottombottomofofthethecont
29、ainercontainerunderunderthetheinfluenceinfluenceofofgravity,gravity,a aprocessprocess calledcalled sedimentation.sedimentation.WhenWhen thisthis settlingsettling isisacceleratedacceleratedwithwitha acentrifugalcentrifugalfield,field,thetheprocessprocessisiscalledcalledcentrifugation.centrifugation.B
30、ecauseBecausesedimentationsedimentation¢rifugationcentrifugationaresimilar,botharediscussedhere.aresimilar,botharediscussedhere.离离离离心心心心分分分分离离离离是是是是基基基基于于于于固固固固体体体体颗颗颗颗粒粒粒粒和和和和周周周周围围围围液液液液体体体体 密密密密度度度度 存存存存在在在在差差差差异异异异，在在在在离离离离心心心心场场场场中中中中使使使使不不不不同同同同密密密密度度度度的的的的固固固固体体体体颗颗颗颗粒粒粒粒加加加加速速速速沉沉沉沉降降降降的
31、的的的分分分分离离离离过过过过程程程程，当当当当静静静静置置置置悬悬悬悬浮浮浮浮液液液液时时时时，密密密密度度度度较较较较大大大大的的的的固固固固体体体体颗颗颗颗粒粒粒粒在在在在重重重重力力力力作作作作用用用用下下下下逐逐逐逐渐渐渐渐下下下下沉沉沉沉，这这这这一一一一过过过过程程程程称称称称为为为为沉沉沉沉降降降降。由由由由于于于于沉沉沉沉降降降降和和和和离离离离心心心心相相相相似似似似，这这这这儿就放在一块讨论。儿就放在一块讨论。儿就放在一块讨论。儿就放在一块讨论。1/21/20231/21/202332329999TheThesolidsolid concentrateconcentrat
32、eproducedproduced byby centrifugationcentrifugationdiffersfromthatproducedbyfiltrationdiffersfromthatproducedbyfiltration。离心产生的固体浓缩物和过滤产生的浓缩不同。离心产生的固体浓缩物和过滤产生的浓缩不同。离心产生的固体浓缩物和过滤产生的浓缩不同。离心产生的固体浓缩物和过滤产生的浓缩不同。AA bestbest centrifugationcentrifugation producesproduces a a paste,paste,oftenoften itityield
33、sonlyamoreconcentratedsuspension.yieldsonlyamoreconcentratedsuspension.通通通通常常常常情情情情况况况况下下下下离离离离心心心心只只只只能能能能得得得得到到到到一一一一种种种种较较较较为为为为浓浓浓浓缩缩缩缩的的的的悬悬悬悬浮浮浮浮液或浆体。液或浆体。液或浆体。液或浆体。FiltrationFiltrationproduces,produces,relativelyrelativelydrydrycake,cake,whichwhichisisa amajoradvantage.majoradvantage.而过滤可获得的水
34、分含量较低的滤饼。而过滤可获得的水分含量较低的滤饼。而过滤可获得的水分含量较低的滤饼。而过滤可获得的水分含量较低的滤饼。1/21/20231/21/202333339999However,manybiologicalfeeds,whichcanbecentrifugedcannotbeeffectivelyfiltered,sothatcentrifugationisoftenanattractivealternative.但但是是，对对大大多多数数生生物物发发酵酵液液可可以以离离心心但但不不能能有有效效地地过过滤滤分分离离，所所以以离离心心往往往往是是很有效的方法。很有效的方法。1/21/2
35、0231/21/202334349999SettlingofSolidsSettlingofSolids颗粒的沉降颗粒的沉降颗粒的沉降颗粒的沉降 WhenWhen a a solidsolid particleparticle movesmoves throughthrough anan infiniteinfinitecontinuum,itsvelocityisaffectedbytwoforces.continuum,itsvelocityisaffectedbytwoforces.当当当当一一一一固固固固体体体体微微微微粒粒粒粒通通通通过过过过无无无无限限限限连连连连续续续续介介介介质
36、质质质时时时时，它它它它的的的的运运运运动动动动速速速速度度度度受两种力的影响：受两种力的影响：受两种力的影响：受两种力的影响：FirstFirst isis thethe particleparticle isis acceleratedaccelerated byby thethe buoyantbuoyant forceforceresultingresultingfromfromthethedensitydensitydifferencedifferencebetweenbetweenthetheparticleparticle&thefluid.Thesurroundingbroth
37、.&thefluid.Thesurroundingbroth.一一一一是是是是微微微微粒粒粒粒受受受受到到到到因因因因微微微微粒粒粒粒和和和和流流流流体体体体介介介介质质质质间间间间密密密密度度度度不不不不同同同同而而而而产产产产生生生生的的的的浮力作用；浮力作用；浮力作用；浮力作用；SecondSecond isis articlearticle isis retardedretarded byby thethe dragdrag forceforce casedcased bybythismotion.thismotion.二是微粒所受到的流体阻力作用。二是微粒所受到的流体阻力作用。二是微
38、粒所受到的流体阻力作用。二是微粒所受到的流体阻力作用。1/21/20231/21/202335359999Fdd=2R球形颗粒沉降的受力情况球形颗粒沉降的受力情况1/21/20231/21/202336369999颗粒沉降颗粒沉降（Sedimentation）根据沉降作用力可分为：重力沉降、离心沉降根据沉降作用力可分为：重力沉降、离心沉降根据沉降粒子间相互影响程度可分为：自由沉降和干扰沉降根据沉降粒子间相互影响程度可分为：自由沉降和干扰沉降4.1重力沉降重力沉降（Gravitationalsedimentation）（1）球形颗粒的自由沉降速度球形颗粒的自由沉降速度 以重力的方向为正方向以重力
39、的方向为正方向 Fb浮力浮力 Fd阻力阻力Fg重力重力什么情况下颗粒在流体中会发生沉降过程？什么情况下颗粒在流体中会发生沉降过程？1/21/20231/21/202337379999重力沉降重力沉降（Gravitationalsedimentation）直径为直径为d、颗粒密度为颗粒密度为s的球形颗粒在密度为流体中的重的球形颗粒在密度为流体中的重力和浮力分别为：力和浮力分别为：重力：重力：（N）浮力：浮力：（N）tuu0加速段加速段匀速段匀速段 颗颗粒粒做做匀匀速速运运动动，沉沉降降速速度度恒恒定定不不变变，该该速速度度称称为为自自由由沉降速度沉降速度。达到恒定的沉降速度时，合力为：。达到恒定
40、的沉降速度时，合力为：阻力：阻力：（N）阻力系数阻力系数1/21/20231/21/202338389999（球形颗粒的自由沉降速度）（球形颗粒的自由沉降速度）（2）阻力（曳力）系数（）阻力（曳力）系数（Dragcoefficient）与流体的流动阻力系数类似，阻力（曳力）系数与颗粒与流体的流动阻力系数类似，阻力（曳力）系数与颗粒沉降雷诺数有关，即沉降雷诺数有关，即注意：注意：其中其中d为颗粒直径，为颗粒直径，u0为颗粒的沉降速度，为颗粒的沉降速度，、分别分别为流体的密度与粘度。为流体的密度与粘度。1/21/20231/21/202339399999通过实验得到曳力系数与雷诺数的关系绘成算图通
41、过实验得到曳力系数与雷诺数的关系绘成算图,将他们将他们回归成关联式为：回归成关联式为：过渡区（过渡区（Allen区，区，2Re0500）湍流区（牛顿区，湍流区（牛顿区，500Re0200000后，后，骤然下降，在骤然下降，在Re0=(310)105范围内范围内可近似取可近似取=0.1。层流区（层流区（Stokes区，区，Re02或或0.3）（Stokes定律）定律）1/21/20231/21/202340409999以以上上的的沉沉降降过过程程为为在在重重力力作作用用下下球球形形颗粒的颗粒的自由沉降自由沉降：颗粒为球形；颗粒为球形；颗粒沉降时彼此相距较远，互不干扰；颗粒沉降时彼此相距较远，互不
42、干扰；容器壁对沉降的阻滞作用可以忽略；容器壁对沉降的阻滞作用可以忽略；颗颗粒粒直直径径不不能能小小到到受受流流体体分分子子运运动动的的影影响。响。1/21/20231/21/202341419999在实际情况中还需考虑以下因素的影响：在实际情况中还需考虑以下因素的影响：干扰沉降；干扰沉降；端效应；端效应；分子运动；分子运动；非球形；非球形；液滴或气泡的运动液滴或气泡的运动。1/21/20231/21/2023424299992.1.22.1.2离心沉降离心沉降 离心力：离心力：离心力：离心力：StocksForce(StocksForce(粘滞力粘滞力粘滞力粘滞力)：离心沉降速度：离心沉降速度
43、：离心沉降速度：离心沉降速度：分离因子定义分离因子定义分离因子定义分离因子定义FrFr：离心力离心力/重力加速度重力加速度(g)(g)的比值的比值意意义义：衡衡量量离离心心设设备备的的离离心心程程度度的的重重要要技技术术参参数数，用用于于离离心心机的分类机的分类1/21/20231/21/202343439999 注意：注意：离心沉降与重力沉降的类比。离心沉降与重力沉降的类比。颗粒离心沉降的速度方向是由圆心沿径向指向外周，但由于颗粒离心沉降的速度方向是由圆心沿径向指向外周，但由于颗粒和流体同时做圆周运动，颗粒的实际运动轨迹是一个半颗粒和流体同时做圆周运动，颗粒的实际运动轨迹是一个半径逐渐扩大的
44、螺旋线。离心沉降速度并不是颗粒的实际运动径逐渐扩大的螺旋线。离心沉降速度并不是颗粒的实际运动速度，只是其在径向上的分量。速度，只是其在径向上的分量。r1r2ArCBuruut颗粒在旋转流体中的运动颗粒在旋转流体中的运动1/21/20231/21/202344449999ForForsettling,settling,thetheaccelerationaccelerationisisobviouslyobviouslydueduetotogravityg.gravityg.对于沉降，重力沉降加速度为重力加速度对于沉降，重力沉降加速度为重力加速度对于沉降，重力沉降加速度为重力加速度对于沉降，重力
45、沉降加速度为重力加速度 g=dg=d2 2(s s-)g/(18)(2.6)-)g/(18)(2.6)2.1.22.1.2离心沉降离心沉降 1/21/20231/21/202345459999Second,forcentrifugation,theaccelerationisdifferentSecond,forcentrifugation,theaccelerationisdifferent离心沉降加速度则不同离心沉降加速度则不同离心沉降加速度则不同离心沉降加速度则不同a=ra=r2 2s s=d=d2 2(s s-)r-)r2 2/(18)(2.16)/(18)(2.16)Whereist
46、heangularrotationinWhereistheangularrotationinradrad/sec,/sec,-转鼓回转角速度，转鼓回转角速度，转鼓回转角速度，转鼓回转角速度，r/sr/s）r risisradialradialdistancedistancefromfromthethecentercenterofofthethecentrifugecentrifugetotothesphere.thesphere.rr为转鼓中心轴线与微粒间距离，为转鼓中心轴线与微粒间距离，为转鼓中心轴线与微粒间距离，为转鼓中心轴线与微粒间距离，mm1/21/20231/21/202346469
47、999代入上式代入上式（2.15）s s=d=d2 2(s s-)r-)r2 2/(18)(2.16)/(18)(2.16)还可以用还可以用还可以用还可以用表达表达表达表达其中其中其中其中S S称为沉降系数，是溶剂物性的常数称为沉降系数，是溶剂物性的常数称为沉降系数，是溶剂物性的常数称为沉降系数，是溶剂物性的常数2.1.22.1.2离心沉降离心沉降 1/21/20231/21/202347479999沉降系数沉降系数(sedimentationcoefficient,S=Svedbergs=10-13s)：S计算：计算：颗粒在颗粒在20 C水水中的中的Sw,20为为v为为溶溶质质(颗颗粒粒)的
48、的单单位位质质量量的的体体积积,w,20和和 L,T分分别别为为20 C的的水水和和T C溶溶剂剂的的黏黏度度，w,20和和 L,T分别为分别为20 C的水和的水和T C溶剂的密度。溶剂的密度。Sw,20与溶质（颗粒）浓度有关：与溶质（颗粒）浓度有关：为为c0时的沉降系数时的沉降系数(20 C的水的水),k为常数为常数2.1.22.1.2离心沉降离心沉降 1/21/20231/21/202348489999通过对通过对积分积分可以得到溶质完全沉降所需的时间可以得到溶质完全沉降所需的时间2.1.22.1.2离心沉降离心沉降 1/21/20231/21/202349499999离心分离法1）差速离
49、心分级2）区带离心 （密度梯度离心）差速区带离心 平衡区带离心 1/21/20231/21/2023505099991/21/20231/21/2023515199992.1.2.3 2.1.2.3 离心分离设备离心分离设备按分离因子按分离因子Fr分类分类 1)、常速离心机Fr 8000-15000g 4)、超速离心机，Fr=20,000 1,000,000g1/21/20231/21/202352529999用途分类用途分类 1)、分析性：超速离心机 2)、制备性：A、实验室用；B、工业用工业应用分类工业应用分类 1)、管式离心机 2)、多室离心机（管式离心机的变形）3)、碟式离心机：、人工
50、排渣式,、喷嘴排渣式,、活塞排渣式 4)、螺旋卸料沉降离心机 5)、离心过滤 6)、三足式离心机2.1.2.3 2.1.2.3 离心分离设备离心分离设备1/21/20231/21/2023535399991/21/20231/21/202354549999管式离心机管式离心机操作：操作：操作：操作：应用：应用：应用：应用：A A、液液-液分离液分离(连续式连续式)，B B、低固体含量低固体含量(1%)(1%)的固的固-液分离液分离(间歇式间歇式)。主要技术指标：主要技术指标：主要技术指标：主要技术指标：A A、离心管直径离心管直径40-150mm40-150mm，长径比长径比4-84-8；B