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1、B i o s e p a r a t i o n e n g i n e e r i n g本章节重点本章节重点：n离心沉降公式的推导(tudo)及应用；n离心设备的分类及工作原理；n细胞破碎一般方法及原理。第一页，共四十五页。B i o s e p a r a t i o n e n g i n e e r i n gn通过微生物发酵或动植物细胞培养得到的原料液，应首先将通过微生物发酵或动植物细胞培养得到的原料液，应首先将其中的菌体或细胞与培养液分离。其中的菌体或细胞与培养液分离。n如果目标产物为胞外物，可直接利用培养液进行以后的分离纯化如果目标产物为胞外物，可直接利用培养液进行以后的分离
2、纯化操作；如果目标产物为胞内物，则要对菌体或细胞进行适当的处操作；如果目标产物为胞内物，则要对菌体或细胞进行适当的处理，释放目标产物，然后除去细胞或其碎片，再进行目标产物的理，释放目标产物，然后除去细胞或其碎片，再进行目标产物的分离纯化。分离纯化。n本章介绍细胞分离、目标产物释放以及蛋白质复性的主要方法本章介绍细胞分离、目标产物释放以及蛋白质复性的主要方法(fngf)和原理。和原理。概述概述(i sh)i sh)第二页，共四十五页。B i o s e p a r a t i o n e n g i n e e r i n g1.1重力沉降重力沉降n重力沉降在化工操作过程中常用重力沉降在化工操作
3、过程中常用(chn yn)的气的气-固、液固、液-固和液固和液-液分离手段，在生物分离过程液分离手段，在生物分离过程中亦有较多的应用中亦有较多的应用1 1 细细胞分离胞分离(fnl)(fnl)第三页，共四十五页。B i o s e p a r a t i o n e n g i n e e r i n gn以液固沉降为例，重力沉降过程中固体颗粒以液固沉降为例，重力沉降过程中固体颗粒(kl)受受到重力、浮力和阻力的作用。到重力、浮力和阻力的作用。阻力阻力(z(zl)l)浮力浮力(fl)(fl)重力重力第四页，共四十五页。B i o s e p a r a t i o n e n g i n e
4、e r i n gn1.滞留区：stokes方程(fngchng)10-4Re1 沉降速度n2.过渡区：Allen公式 1Re103 沉降速度n3湍流区：Newton公式 103Re2105 沉降速度第五页，共四十五页。B i o s e p a r a t i o n e n g i n e e r i n gn一般而言单体细胞直径小、沉降速度很低，满足一般而言单体细胞直径小、沉降速度很低，满足10-4Re1，可使用，可使用 公式计算公式计算n当颗粒浓度较大时，颗粒之间相互碰撞相干扰，影响沉降当颗粒浓度较大时，颗粒之间相互碰撞相干扰，影响沉降速度。此时速度。此时(c sh)，颗粒的沉降速度比
5、单一颗粒小，需用空，颗粒的沉降速度比单一颗粒小，需用空隙率函数隙率函数f():校正校正n 为悬浮液的空隙率为悬浮液的空隙率第六页，共四十五页。B i o s e p a r a t i o n e n g i n e e r i n gn 菌体和动植物细胞的重力沉降虽然简便易菌体和动植物细胞的重力沉降虽然简便易行，但菌体细胞体积很小，沉降速度很慢。行，但菌体细胞体积很小，沉降速度很慢。n因此，实用上需使菌体细胞凝聚成较大颗粒因此，实用上需使菌体细胞凝聚成较大颗粒后进行沉降操作，提高沉降速度。在中性盐后进行沉降操作，提高沉降速度。在中性盐的作用下，可使菌体表面双电层排斥电位降的作用下，可使菌体表
6、面双电层排斥电位降低低(jingd)，有利于菌体之间产生凝聚，有利于菌体之间产生凝聚。第七页，共四十五页。B i o s e p a r a t i o n e n g i n e e r i n gn另外，向含菌体的料液中加入另外，向含菌体的料液中加入聚丙聚丙烯酰胺烯酰胺或或聚乙烯亚胺聚乙烯亚胺等高分子絮凝等高分子絮凝剂，可使菌体之间产生架桥作用而剂，可使菌体之间产生架桥作用而形成较大的凝聚颗粒。形成较大的凝聚颗粒。n凝聚或絮凝不仅有利于重力沉降，凝聚或絮凝不仅有利于重力沉降，而且而且(r qi)还可以在过滤分离中大大还可以在过滤分离中大大提高过滤速度和质量。当培养液中提高过滤速度和质量。当
7、培养液中含有蛋白质时可使部分蛋白质凝含有蛋白质时可使部分蛋白质凝聚而同时过滤除去。聚而同时过滤除去。第八页，共四十五页。B i o s e p a r a t i o n e n g i n e e r i n g1.2 离心离心(lxn)沉降沉降n 离心沉降是科学研究与生产实践中最广泛使离心沉降是科学研究与生产实践中最广泛使用的非均相分离手段，不仅适用于菌体和细用的非均相分离手段，不仅适用于菌体和细胞的回收或除去，而且可用于血球、胞内细胞的回收或除去，而且可用于血球、胞内细胞器、病毒以及蛋白质的分离也广泛应用胞器、病毒以及蛋白质的分离也广泛应用于液于液-液相分离。液相分离。第九页，共四十五页
8、。B i o s e p a r a t i o n e n g i n e e r i n g1.2.1 离心沉降速度离心沉降速度n单位质量的物质(wzh)所受到的离心力为：其中N为转速，r为离心机半径n离心设备的一个重要技术指标是：所能离心设备的一个重要技术指标是：所能达到的达到的离心力离心力与与重力重力的比值，称为分离因的比值，称为分离因数。分离因数是衡量离心程度的参数数。分离因数是衡量离心程度的参数r用用z表示：表示：第十页，共四十五页。B i o s e p a r a t i o n e n g i n e e r i n gn注意：科技文献中常科技文献中常(zhngchng)将离
9、心操作的条件将离心操作的条件用多少用多少g(如如5000g、8000g等等)表示就是将离心力表示就是将离心力用用Zg形式表达的。将形式表达的。将 stokes公式中的公式中的g用用Zg代替，代替，得到离心沉降速度得到离心沉降速度vs公式：公式：或者：或者：第十一页，共四十五页。B i o s e p a r a t i o n e n g i n e e r i n gn需要注意的一个公式：室温(sh wn)下（20）某物质在水中的沉降系数：一些蛋白质的沉降系数表第十二页，共四十五页。B i o s e p a r a t i o n e n g i n e e r i n g1.2.2 离心
10、分离法离心分离法（1）差速离心分级）差速离心分级n差速离心差速离心(Differential centrifugation)是生物化工是生物化工最常用的离心分离方法。最常用的离心分离方法。n以菌体细胞的收集或除去为目的的固液以菌体细胞的收集或除去为目的的固液离心分离是分级离心操作的一种特殊离心分离是分级离心操作的一种特殊(tsh)情况，即为一级分组分离。情况，即为一级分组分离。第十三页，共四十五页。B i o s e p a r a t i o n e n g i n e e r i n g一些菌体细胞的大小一些菌体细胞的大小(dxi(dxio)o)和离心操作条件和离心操作条件第十四页，共四十
11、五页。B i o s e p a r a t i o n e n g i n e e r i n g第十五页，共四十五页。B i o s e p a r a t i o n e n g i n e e r i n g(2)区带离心区带离心n区带离心是生化工程中的重要分离手段，根据区带离心是生化工程中的重要分离手段，根据(gnj)离心操作离心操作条件不同，又分条件不同，又分差速区带离心差速区带离心和和平衡区带离心平衡区带离心。n两种区带离心法均事先在离心管中用某种低分子溶质两种区带离心法均事先在离心管中用某种低分子溶质(如如蔗糖溶液）调配好密度梯废，在密度梯度之上加待处理的蔗糖溶液）调配好密度梯
12、废，在密度梯度之上加待处理的料液进行离心操作。料液进行离心操作。n两者的区别在于溶质的密度梯度中的与待分离物质的密两者的区别在于溶质的密度梯度中的与待分离物质的密度梯度不一样。度梯度不一样。第十六页，共四十五页。B i o s e p a r a t i o n e n g i n e e r i n gn区带离心法可用于蛋白质、核酸等生物大分子的分离纯化，但处理量小，一般仅限于实验室水平。n20世纪60年代(nindi)人们开发了区带转子，利用其代替离心管，可增加处理能力。第十七页，共四十五页。B i o s e p a r a t i o n e n g i n e e r i n g1.
13、2.3.离心分离设备离心分离设备(shbi)n实验室一般用转子离心机。n按速度分为低速离心机、高速离心机、超离心机。第十八页，共四十五页。B i o s e p a r a t i o n e n g i n e e r i n g n工业离心分离设备中，较为常用的有管式和碟片式两大类.n管式离心机工作原理：在离心力作用下管内液面旋转轴为中心圆筒，将轻相（清液）和重相分离开来。缺点是沉降缺点是沉降(chnjing)(chnjing)面积小处理能力较低面积小处理能力较低。第十九页，共四十五页。B i o s e p a r a t i o n e n g i n e e r i n g 一般管式
14、离心机的工作一般管式离心机的工作(gngzu)参数：参数：第二十页，共四十五页。B i o s e p a r a t i o n e n g i n e e r i n gn碟片式离心机又称板式(bnsh)离心机，离心转子中有许多等间隔的碟型分离板，以增大沉降面积和提高处理能力。n操作过程，料液从中心进料口输入，通过转子底部的液孔进入分离板外径处，进入分离板的间隙。通过分离板的间隙向转子中心移动过程中，重相受离心力作用而沉降，轻相从转子上部出口排出。连续操作时，重相从喷嘴连续喷出。n碟片式离心机结构复杂，离心转数一般较管式离心机低。第二十一页，共四十五页。B i o s e p a r a
15、t i o n e n g i n e e r i n g碟片式离心机工作碟片式离心机工作(gngzu)示示意图意图第二十二页，共四十五页。B i o s e p a r a t i o n e n g i n e e r i n g第二十三页，共四十五页。B i o s e p a r a t i o n e n g i n e e r i n gn碟式离心机是立式离心机的一种，转鼓装在立轴上端，通过传动装置由电动机驱动而高速旋转。n转鼓内有一组互相套叠在一起的碟形零件-碟片。碟片与碟片之间留有很小的间隙。悬浮液（或乳浊液）由位于转鼓中心的进料管加入转鼓。当悬浮液（或乳浊液）流过碟片之间的间
16、隙时，固体颗粒（或液滴）在离心机作用下沉降到碟片上形成沉渣（或液层）。n沉渣沿碟片表面滑动而脱离碟片并积聚在转鼓内直径最大的部位，分离后的液体从出液口排出转鼓。碟片的作用是缩短固体颗粒（或液滴）的沉降距离、扩大转鼓的沉降面积(min j)，转鼓中由于安装了碟片而大大提高了分离机的生产能力。n积聚在转鼓内的固体在分离机停机后拆开转鼓由人工清除，或通过排渣机构在不停机的情况下从转鼓中排出。第二十四页，共四十五页。B i o s e p a r a t i o n e n g i n e e r i n gn主要特点 1）分离能力强，分离因数在5000-9500之间；2）生产能力大，最高达10米3/
17、小时；3）机动性强，根据需要可以自动或手动操作，也可以实现(shxin)远距离自动操作；4）维修方便n主要用途 主要适用于固形物在1-15%之间，固相颗粒直径大于0.5微米的液-液-固分离。例如油类：植物油、动物油、鱼油、乳油、原油、各种原料油、生物柴油、煤焦油、润滑油的分离、澄清：乳品的澄清；第二十五页，共四十五页。B i o s e p a r a t i o n e n g i n e e r i n gn利用薄片形多孔性介质(如滤布)截留固液悬浮液中的固体粒子(lz)，进行固液分离的方法n过滤是一种膜分离法1.3 过滤过滤(gul)第二十六页，共四十五页。B i o s e p a r
18、 a t i o n e n g i n e e r i n gn滤液的透过阻力主要来自于：过滤介质和介质表面堆积的滤饼n滤饼阻力是影响过滤速度的主要因素n提高过滤速度方法：1）对滤液进行絮凝或凝聚预处理，改变(gibin)料液性质 2）在料液中加入助滤剂（如硅藻土）第二十七页，共四十五页。B i o s e p a r a t i o n e n g i n e e r i n g2 2 细胞细胞(xbo)(xbo)破碎破碎概述：概述：n许多许多(xdu)生物产物在细胞培养过程中不能分泌到胞外生物产物在细胞培养过程中不能分泌到胞外的培养液中，而保留在细胞内。的培养液中，而保留在细胞内。n这类
19、生物产物需用上节所述方法收集菌体或细胞这类生物产物需用上节所述方法收集菌体或细胞后，进行细胞破碎后，进行细胞破碎(cell disruption)，使目标产物选使目标产物选择性地释放到液相中。择性地释放到液相中。n破碎的细胞或其碎片利用上节所述的固液分离方法破碎的细胞或其碎片利用上节所述的固液分离方法(主要是离心法主要是离心法)除去后，上清液用于进一步的分离纯化。除去后，上清液用于进一步的分离纯化。第二十八页，共四十五页。B i o s e p a r a t i o n e n g i n e e r i n g1）细胞壁n动物、植物和微生物细胞(xbo)结构差异n革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌
20、之间差异n细菌与真菌间差异2.1 细胞细胞(xbo)结构结构第二十九页，共四十五页。B i o s e p a r a t i o n e n g i n e e r i n g细胞膜结构细胞膜结构(jigu)2）细胞膜第三十页，共四十五页。B i o s e p a r a t i o n e n g i n e e r i n gn磷脂分子由疏水和亲水基团组成磷脂分子由疏水和亲水基团组成(z chn)(z chn)。疏水基团尾部有两烷基基团，亲水基团头疏水基团尾部有两烷基基团，亲水基团头部有两性基团，或者说是醇基，在内膜层部有两性基团，或者说是醇基，在内膜层中，磷脂的尾部聚集在一起，头部暴
21、露在中，磷脂的尾部聚集在一起，头部暴露在水中，形成水中，形成磷脂双分子层磷脂双分子层。第三十一页，共四十五页。B i o s e p a r a t i o n e n g i n e e r i n gn原核细胞：原核细胞：细胞质、核糖体细胞质、核糖体n真核细胞：真核细胞：细胞核、细胞质、细胞器细胞核、细胞质、细胞器3）细胞质第三十二页，共四十五页。B i o s e p a r a t i o n e n g i n e e r i n gn生物产物存在地：细胞壁、细胞膜、细胞质、细胞器n破碎目的：破坏或破碎细胞壁和细胞膜，释放(shfng)其中目标产物2.2 细胞破碎和产物释放细胞破碎和
22、产物释放(shfng)原理原理第三十三页，共四十五页。B i o s e p a r a t i o n e n g i n e e r i n g机理n机械破碎(p su)法：压缩力和剪切力破坏细胞壁和细胞膜结构n化学破碎法：1)改变细胞壁或膜结构，增大胞内物质溶解速率 2)完全溶解细胞壁，形成原生质体，在渗透压作用下使细 胞膜破裂而释放胞内物质第三十四页，共四十五页。B i o s e p a r a t i o n e n g i n e e r i n g2.3 细胞破碎细胞破碎(p su)技术技术2.3.1 2.3.1 机械机械(jxi)(jxi)破碎破碎（1 1）高压匀浆）高压匀浆
23、(yn jin)(yn jin)（高压剪切破碎高压剪切破碎）n影响因素：压力、循环操作次数和温度影响因素：压力、循环操作次数和温度n适用于酵母和大多数细菌细胞适用于酵母和大多数细菌细胞n团状和系状菌易造成高压匀浆器堵塞团状和系状菌易造成高压匀浆器堵塞n需要安装冷却装置需要安装冷却装置第三十五页，共四十五页。B i o s e p a r a t i o n e n g i n e e r i n g（2 2）珠磨）珠磨n填充物为玻璃和氧化锆（粒径填充物为玻璃和氧化锆（粒径0.11.0mm）n破碎破碎(p su)(p su)效率岁搅拌速度和悬浮液停留时间增大而增效率岁搅拌速度和悬浮液停留时间增大
24、而增大大n微珠粒径于目标细胞的直径比为微珠粒径于目标细胞的直径比为30100n适用于大多数微生物细胞，优化设计过程复杂适用于大多数微生物细胞，优化设计过程复杂WSK卧式高效全能(qunnng)珠磨机ZM系列系列(xli)卧式密卧式密闭珠珠(砂砂)磨机磨机第三十六页，共四十五页。B i o s e p a r a t i o n e n g i n e e r i n g（3 3）喷雾撞击）喷雾撞击(zhungj)(zhungj)破碎破碎n细胞破碎仅发生在与撞击板撞击一瞬间，细胞破碎程度均匀，细胞破碎仅发生在与撞击板撞击一瞬间，细胞破碎程度均匀，n破碎程度可以通过无极调节载气压力控制，避免破碎程
25、度可以通过无极调节载气压力控制，避免(bmi(bmin)n)细胞内部结构破坏细胞内部结构破坏n适用于大多数微生物细胞和植物细胞适用于大多数微生物细胞和植物细胞第三十七页，共四十五页。B i o s e p a r a t i o n e n g i n e e r i n g（4 4）超声波破碎）超声波破碎(p su)(p su)n超声波作用下液体发生空化作用超声波作用下液体发生空化作用n破碎程度于细胞种类、浓度、超声波声频、声能有关破碎程度于细胞种类、浓度、超声波声频、声能有关n强烈的破碎作用，适用于大多数微生物细胞强烈的破碎作用，适用于大多数微生物细胞n能量能量(nngling)利用率低，
26、过程产生大量热利用率低，过程产生大量热声波的传递依照正弦曲线纵向传播，即一层强一层弱，依次传递，当弱的声波信号作用于液体中时，会对液体产生一定的负压，即液体体积增加，液体中分子空隙加大，形成许许多多微小的气泡，而当强的声波信号作用于液体时，则会对液体产生一定的正压，即液体体积被压缩减小，液体中形成的微小气泡被压碎。经研究证明：超声波作用于液体中时，液体中每个气泡的破裂会产生能量(nngling)极大的冲击波，相当于瞬间产生几百度的高温和高达上千个大气压，这种现象被称之为-”空化作用”，第三十八页，共四十五页。B i o s e p a r a t i o n e n g i n e e r i
27、 n g方方法法技术技术原理原理效果效果成本成本举例举例机机械械法法高压匀高压匀浆浆细胞被搅拌器劈碎细胞被搅拌器劈碎适中适中适中适中酵母和大多酵母和大多数细菌数细菌珠磨破珠磨破碎碎细胞被玻璃珠或铁珠捣细胞被玻璃珠或铁珠捣碎碎剧烈剧烈便宜便宜细胞悬浮液细胞悬浮液和植物细胞和植物细胞的大规模处的大规模处理理喷雾撞喷雾撞击击细胞高速冻结，撞击撞细胞高速冻结，撞击撞击板，发生破碎击板，发生破碎剧烈剧烈适中适中细胞悬浮液细胞悬浮液大规模处理大规模处理超声波超声波用超声波的空穴作用使用超声波的空穴作用使细胞破碎细胞破碎适中适中昂贵昂贵细胞悬浮液细胞悬浮液小规模处理小规模处理第三十九页，共四十五页。B i
28、o s e p a r a t i o n e n g i n e e r i n g方法方法技术技术原理原理效果效果成本成本举例举例化化学学法法酸碱处理酸碱处理调节调节pH改变贺电性质，改变贺电性质，使蛋白质间作用力降使蛋白质间作用力降低低剧烈剧烈便宜便宜化学试剂处化学试剂处理理表面活性剂、螯合剂、表面活性剂、螯合剂、盐、有机溶剂处理，盐、有机溶剂处理，增大细胞壁通透性；增大细胞壁通透性；变性剂破坏氢键作用变性剂破坏氢键作用剧烈剧烈适中适中脲、盐酸胍脲、盐酸胍用于细菌细用于细菌细胞胞酶溶酶溶细胞壁被消化，使细细胞壁被消化，使细胞破碎胞破碎温和温和昂贵昂贵甘露糖酶处甘露糖酶处理酵母细胞理酵母细
29、胞2.3.2 2.3.2 化学和生物化学化学和生物化学(shn w hu xu)(shn w hu xu)渗透渗透第四十页，共四十五页。B i o s e p a r a t i o n e n g i n e e r i n gn碱处理法和酶消化法相反，反应激烈，不具选择性，碱处理法和酶消化法相反，反应激烈，不具选择性，而且较便宜。碱加入细胞悬浮液中后和细胞壁进行而且较便宜。碱加入细胞悬浮液中后和细胞壁进行了多种反应，包括使磷脂皂化。该操作是细胞增溶了多种反应，包括使磷脂皂化。该操作是细胞增溶的很好的例子，因为它使细胞壁的成分溶于表面的很好的例子，因为它使细胞壁的成分溶于表面(biomin)
30、活性剂，也使蛋白质变性。该法不仅破坏了活性剂，也使蛋白质变性。该法不仅破坏了细胞壁也破坏了产物，因此即便很便宜，碱处理是细胞壁也破坏了产物，因此即便很便宜，碱处理是一种很不常用的方法。一种很不常用的方法。第四十一页，共四十五页。B i o s e p a r a t i o n e n g i n e e r i n gn渗透压冲击(chngj)法 高低渗透压环境中转化n冻结融化法 1）破坏细胞膜的疏水键结构，增加亲水性和通透性；2）胞内水结晶使胞内外产生溶液浓度差，在渗透压作用 下引起细胞膨胀破裂 2.3.3 2.3.3 物理物理(wl)(wl)渗透法渗透法第四十二页，共四十五页。B i o
31、 s e p a r a t i o n e n g i n e e r i n g优点优点缺点缺点机械法速度快，效率高杂质多，损耗大，能耗高化学渗透法条件温和、选择性高、胞内产物总是放率低、料液黏度小、有利于后处理过程速度低、效率差化学试剂形成新污染、处理时间长、不适于大规模处理物理渗透法条件温和、选择性高、胞内产物总是放率低、料液黏度小、有利于后处理过程效率低、产物释放速度低、处理时间长、不适于大规模处理方方 法法 比比 较较第四十三页，共四十五页。B i o s e p a r a t i o n e n g i n e e r i n gn紧破坏或破碎存在目标产物的位置周围紧破坏或破碎
32、存在目标产物的位置周围 1 1）目标产物存在于细胞膜附近时，采用温和）目标产物存在于细胞膜附近时，采用温和(wnh)(wnh)的方法的方法 2 2）目标产物存在于细胞质中时，采用强烈的机械破碎法）目标产物存在于细胞质中时，采用强烈的机械破碎法n选择性溶解目标产物选择性溶解目标产物 1 1）使目标产物容易溶解释放）使目标产物容易溶解释放 2 2）其他杂质不易溶出）其他杂质不易溶出 3 3）多种方法混合使用）多种方法混合使用2.4 目标产物目标产物(chnw)选择性释放选择性释放第四十四页，共四十五页。内容(nirng)总结本章节重点：。当培养液中含有蛋白质时可使部分(b fen)蛋白质凝聚而同时过滤除去。其中N为转速，r为离心机半径。将 stokes公式中的g用Zg代替，得到离心沉降速度vs公式：。1.2.3.离心分离设备。破碎效率岁搅拌速度和悬浮液停留时间增大而增大。高低渗透压环境中转化。冻结融化法。2.4 目标产物选择性释放第四十五页，共四十五页。