固液分离技术课件.ppt

1、 第一节第一节 概述概述 第二节第二节 过滤过滤 第三节第三节 离心分离技术离心分离技术 第四节第四节 两种其他的固液分离方法两种其他的固液分离方法1、固液分离的目的、固液分离的目的:(1)收集胞内的细胞或菌体收集胞内的细胞或菌体,分离除去液相分离除去液相 (2)收集含生化物质的液相收集含生化物质的液相,分离除去固体悬浮物分离除去固体悬浮物2、影响固液分离的因素、影响固液分离的因素:通常发酵液和生物溶液是通常发酵液和生物溶液是 非牛顿流体非牛顿流体，很难过滤，很难过滤(1)粒子越小粒子越小,分离难度越大分离难度越大(2)细胞培养液的黏度越大细胞培养液的黏度越大,分离越困难分离越困难(3)发酵液

2、的发酵液的pH值、温度值、温度细胞与发酵液分离的方法（主要种类）细胞与发酵液分离的方法（主要种类）过滤过滤离心分离离心分离泡沫分离法泡沫分离法重力沉降重力沉降膜分离膜分离 概念：过滤是借助过滤介质，在一定压概念：过滤是借助过滤介质，在一定压力差力差p p作用下，作用下，使液体通过，固体颗粒使液体通过，固体颗粒留下，是固液分离的常用方法之一。留下，是固液分离的常用方法之一。（普通过滤，错流过滤（普通过滤，错流过滤是超滤的运行模式）是超滤的运行模式）1、过滤速率：、过滤速率：单位时间内通过一定过滤单位时间内通过一定过滤面积的滤液体积的大小（书面积的滤液体积的大小（书24-26）。）。过滤速率方程：

3、过滤速率方程：dQ =A*P dt L(Rm+Rc)式中式中Q Q为滤液体积；为滤液体积；A A为过滤面积；为过滤面积；P P 为过滤为过滤介质两端的压力差；介质两端的压力差；L L为滤液黏度；为滤液黏度；RmRm和和RcRc分分别为介质和滤饼的阻力。别为介质和滤饼的阻力。除过滤面积和滤液黏度外，压力差和过滤阻力除过滤面积和滤液黏度外，压力差和过滤阻力也是影响过滤速率的重要因素。也是影响过滤速率的重要因素。2、滤饼比阻滤饼比阻：衡量过滤特性的主要指标：衡量过滤特性的主要指标 即：即：单位滤饼厚度的阻力单位滤饼厚度的阻力 rB=r(P)m （1）式中式中r为不可压缩滤为不可压缩滤饼饼的比阻，对一

4、定的比阻，对一定料液，其值为常数；料液，其值为常数；（2）m为压缩性指数，一般为为压缩性指数，一般为0.50.8，对不可压缩性滤饼，对不可压缩性滤饼，m为为0 3、恒压和恒速过滤、恒压和恒速过滤（1）恒压条件下过滤，介质的阻力忽略不计）恒压条件下过滤，介质的阻力忽略不计：Q2=2 P*L r rB B X XB B式中式中Q Q为滤液体积；为滤液体积；P P 为过滤介质两端的压力差；为过滤介质两端的压力差；为过滤时间为过滤时间 ；r rB B为滤饼的质量比阻，为滤饼的质量比阻，X XB B 为通过单为通过单位体积的滤液所形成的滤渣质量；位体积的滤液所形成的滤渣质量；L为滤液黏度；为滤液黏度；（

5、2）恒速过滤，介质的阻力忽略不计，也不形成滤饼：）恒速过滤，介质的阻力忽略不计，也不形成滤饼：dQ =Q dt t 影响过滤速率的因素主要有两个：影响过滤速率的因素主要有两个：（1）促进过滤过程进行的推动力）促进过滤过程进行的推动力（最大最大P 500KPa）（2）阻碍过滤过程进行的阻力，）阻碍过滤过程进行的阻力，具体由滤液黏具体由滤液黏度和过滤介质及滤渣层的性质决定。度和过滤介质及滤渣层的性质决定。针对微生物发酵液的影响因素：针对微生物发酵液的影响因素：菌种：阻力是菌种：阻力是 真菌真菌放线菌放线菌细菌细菌 培养基：培养基：花生、淀粉氮源；后期加消沫油和培花生、淀粉氮源；后期加消沫油和培养基

6、未用完数量等，都使过滤难度养基未用完数量等，都使过滤难度 发酵时间：发酵时间：菌丝自溶前放罐菌丝自溶前放罐,防止产生难过滤的防止产生难过滤的分解产物。分解产物。1、助滤剂：助滤剂：质地坚硬不可压缩性固体质地坚硬不可压缩性固体机理：机理：具表面吸附胶体及不可压缩具表面吸附胶体及不可压缩性性格子结构格子结构它能使滤饼疏松，滤速增大它能使滤饼疏松，滤速增大。1.1、使用方法：、使用方法：a 在过滤介质表面涂一层助滤剂在过滤介质表面涂一层助滤剂 b 助滤剂混入悬浮液中一起过滤助滤剂混入悬浮液中一起过滤 1.2、常用助滤剂：、常用助滤剂：硅藻土，珍珠岩，活性炭硅藻土，珍珠岩，活性炭 2、反应、反应剂：剂

7、：利用加入的反应剂之间或反应剂与发酵液中的利用加入的反应剂之间或反应剂与发酵液中的杂质发生反应，生成不溶性沉淀，从而提高过杂质发生反应，生成不溶性沉淀，从而提高过滤速率。滤速率。2.1、反应反应剂助滤剂助滤机理机理：a 反应剂生成的沉淀能防止菌丝体黏结反应剂生成的沉淀能防止菌丝体黏结。b 沉淀本身作为助滤剂，并能沉淀胶状物和悬沉淀本身作为助滤剂，并能沉淀胶状物和悬浮物浮物。根据推动力的不同可分为四类根据推动力的不同可分为四类（a）重力过滤）重力过滤-自然过滤自然过滤（b）加压过滤）加压过滤-板框过滤板框过滤（c）真空过滤）真空过滤-真空过滤器真空过滤器（d）离心过滤）离心过滤-离心过滤器离心过

8、滤器(1)、无定形颗粒：、无定形颗粒：颗粒活性炭、沙、无颗粒活性炭、沙、无烟煤烟煤(2)、成形颗粒：、成形颗粒：烧结金属、烧结塑料烧结金属、烧结塑料(3)、非金属织物：、非金属织物：尼龙、玻璃纤维尼龙、玻璃纤维(4)、金属织物：、金属织物：不锈钢丝网不锈钢丝网(5)、无纺品：、无纺品：纸、石棉纸、石棉(1)、板框压滤机、板框压滤机(2)、鼓式真空过滤机鼓式真空过滤机(3)、真空过滤器、真空过滤器(4)、离心过滤器、离心过滤器 一、发展史一、发展史:离心技术作为一项专门的技术离心技术作为一项专门的技术,其历史可以追溯其历史可以追溯到到1919世纪世纪7070年代年代,用手摇台式离心机进行食品、用

9、手摇台式离心机进行食品、血液分离分析。血液分离分析。1911-19121911-1912年年 开始使用低速台式离心机开始使用低速台式离心机 1923-19261923-1926年年 SvedbergSvedberg研制了世界第一台超速研制了世界第一台超速离心机（离心机（45000r/min45000r/min）2020世纪世纪5050年代，离心分离技术才普遍应用年代，离心分离技术才普遍应用 二、定义：二、定义：借助离心机旋转所产生的离心力，使不同借助离心机旋转所产生的离心力，使不同大小和不同密度的物质分离的技术大小和不同密度的物质分离的技术 细胞的收集、细胞碎片和沉淀的分离等常细胞的收集、细胞

10、碎片和沉淀的分离等常用离心分离用离心分离 超速离心技术已成为分离、纯化、鉴别各超速离心技术已成为分离、纯化、鉴别各种生物大分子的重要手段之一种生物大分子的重要手段之一 一、离心机的种类与用途一、离心机的种类与用途 1、按使用区域：、按使用区域：工业用离心机和实验用离心机工业用离心机和实验用离心机 2、按机身体积、使用温度、容量可以分：、按机身体积、使用温度、容量可以分：大容大容量或冷冻或落地式、台式离心机量或冷冻或落地式、台式离心机 3、按操作方式的不同、按操作方式的不同可分为间歇式离心机和连可分为间歇式离心机和连续式离心机。续式离心机。4、按转速分：常速（低速）、高速和超速、按转速分：常速（

11、低速）、高速和超速.5、操作原理的不同可分为过滤离心机、沉降离、操作原理的不同可分为过滤离心机、沉降离心机及分离离心机心机及分离离心机.一、离心机的种类与用途一、离心机的种类与用途(一一)按转速分：按转速分：（1）常速）常速or低速低速 8000r/min 主要用于收集细胞菌体、培养基残渣等较大的主要用于收集细胞菌体、培养基残渣等较大的固形颗粒固形颗粒 （2）高速）高速(1万万r/min 转速转速 2.5万万r/min)用于分离细胞碎片用于分离细胞碎片,较大的细胞器较大的细胞器,生物大分子盐析生物大分子盐析沉淀物等小型固形颗粒沉淀物等小型固形颗粒.(3)超速超速(2.5万万r/min 转速转速

12、 15万万r/min)用于生物大分子用于生物大分子,细胞器细胞器,病毒等分子水平和微粒分病毒等分子水平和微粒分离离一、离心机的种类与用途一、离心机的种类与用途（二）（二）按操作原理分：按操作原理分：(1)过滤离心机过滤离心机：转鼓壁上有孔，借离心力实现转鼓壁上有孔，借离心力实现过滤分离，分离强度不大，适用于易过滤的晶体过滤分离，分离强度不大，适用于易过滤的晶体悬浮液和较大颗粒悬浮液的分离以及物料的脱水。悬浮液和较大颗粒悬浮液的分离以及物料的脱水。(2)沉降离心机：沉降离心机：鼓壁上无孔，借离心力实现沉鼓壁上无孔，借离心力实现沉降分离。降分离。(3)分离离心机：分离离心机：鼓壁上无孔，主要用于乳

13、浊液鼓壁上无孔，主要用于乳浊液的分离和悬浮液的增浓或澄清的分离和悬浮液的增浓或澄清。二、各种离心机的基本特点二、各种离心机的基本特点 1、制备型超速离心机、制备型超速离心机 大多数制备型超速离心机的最高转速是大多数制备型超速离心机的最高转速是5万万r/min，目前已经有，目前已经有15万万r/min的落地式的落地式离心机离心机 由驱动系统、真空系统、恒温系统、控制系由驱动系统、真空系统、恒温系统、控制系统和润滑系统等组成统和润滑系统等组成.二、各种离心机的基本特点二、各种离心机的基本特点 2 分析型超速离心机分析型超速离心机 主要是为了研究生物大分子物质的沉降性质和结主要是为了研究生物大分子物

14、质的沉降性质和结构，使用特殊设计的分析转子和检测系统，连续构，使用特殊设计的分析转子和检测系统，连续地监测物质在离心力场中的沉降过程。地监测物质在离心力场中的沉降过程。其内有多个装离心池的小室，其离心池上下可以其内有多个装离心池的小室，其离心池上下可以透光透光 可以认为是一台制备离心机和一套在离心过程中可以认为是一台制备离心机和一套在离心过程中能测定样品浓度的光学系统的结合体能测定样品浓度的光学系统的结合体三、离心机的转子三、离心机的转子 1、转子的种类（、转子的种类（36页）页）角式转子角式转子 水平转子水平转子 垂直转子垂直转子 区带转子区带转子 分析转子分析转子 三、离心机的转子三、离心

15、机的转子（1）角式转子）角式转子 是各类离心机使用的基本是各类离心机使用的基本转子转子 是转速最高的转子是转速最高的转子 管空中心线与旋转轴夹角管空中心线与旋转轴夹角通常是通常是15度度-45度度 强度大、重心低、运转平强度大、重心低、运转平稳、使用方便、寿命长稳、使用方便、寿命长三、离心机的转子三、离心机的转子（2）水平转子）水平转子 在转轴上悬吊在转轴上悬吊3 6个自由活动的个自由活动的离心管套离心管套,装有样品的离心管安放装有样品的离心管安放在其内在其内,在加速过程中在加速过程中,离心管中心离心管中心线从与旋转中心平行变为垂直线从与旋转中心平行变为垂直,即即使被甩到水平位置使被甩到水平位

16、置.水平转子结构复杂、加工困难、水平转子结构复杂、加工困难、强度较低、寿命较短、重心较高、强度较低、寿命较短、重心较高、离心管容量较小、价格也较高离心管容量较小、价格也较高 特别适应于以差速特别适应于以差速-区带离心法和区带离心法和等密度离心法等密度离心法三、离心机的转子三、离心机的转子（3）垂直转子）垂直转子（图见下页）（图见下页）离心管垂直放置离心管垂直放置（与轴平行）（与轴平行）样品在其中受到的离心力大于水平和角式转子样品在其中受到的离心力大于水平和角式转子,离离心心所需时间短所需时间短，为角式的，为角式的1/31/2，为水平式，为水平式的的1/51/3 加工用料多，价格贵、密封要求高加

17、工用料多，价格贵、密封要求高三、离心机的转子三、离心机的转子（4）区带转子）区带转子 操作过程：操作过程：在低速在低速（25003000r/min）旋转旋转下加入密度液由密度梯度泵泵入形成密度梯度液下加入密度液由密度梯度泵泵入形成密度梯度液（即成区带转子）（即成区带转子）加入样品进行离心加入样品进行离心完毕后完毕后继续保持低速旋转继续保持低速旋转加入较高密度的缓冲液加入较高密度的缓冲液逐逐次洗脱次洗脱光度计检测光度计检测 缺点：缺点：样品与介质直接接触转子，耐腐蚀性能要样品与介质直接接触转子，耐腐蚀性能要求高，加密度液、加样、加缓冲液都是在转子旋求高，加密度液、加样、加缓冲液都是在转子旋转时操

18、作，操作要求较高。转时操作，操作要求较高。三、离心机的转子三、离心机的转子（5）分析转子）分析转子 适用于分析型超速离心机或带分析附件的适用于分析型超速离心机或带分析附件的 制备制备型超速离心机型超速离心机 操作原理如分析型离心机所述操作原理如分析型离心机所述三、离心机的转子三、离心机的转子(1)转子最大额定转速转子最大额定转速 使用前一定要检查所转子额定转速使用前一定要检查所转子额定转速,一般使用时一般使用时不得超过最大额定转速的不得超过最大额定转速的0.80.80.9.0.9.(2)形状形状 水平转子水平转子主要用于区带离心主要用于区带离心 角式转子角式转子主要用于分离沉淀特性差异较大颗粒

19、的主要用于分离沉淀特性差异较大颗粒的差速离心差速离心 垂直转子垂直转子主要用于区带离心主要用于区带离心(节省离心时间节省离心时间)(3)容量容量 区带和角式较大区带和角式较大,水平和垂直转子较小水平和垂直转子较小三、离心机的转子三、离心机的转子 是指其在最高额定转速下的使用期限是指其在最高额定转速下的使用期限 到了寿命期后到了寿命期后,可请技术工人按说明书重新可请技术工人按说明书重新估计转子的最大允许速度估计转子的最大允许速度,做降速处理后做降速处理后,离心机仍可使用一段时间离心机仍可使用一段时间.四、离心机的离心管四、离心机的离心管 1 1、离心管分类与使用、离心管分类与使用（1 1）玻璃离

20、心管）玻璃离心管绝对不能在高、超速离心机上绝对不能在高、超速离心机上使用。使用。（2 2）PAPA（聚异质）管：（聚异质）管：化学性能稳定，半透明，化学性能稳定，半透明，能耐高温消毒。能耐高温消毒。（3 3）PPPP（聚丙烯）管：（聚丙烯）管：化学性能稳定，半透明，化学性能稳定，半透明，能耐高温消毒。能耐高温消毒。（4 4）PCPC（聚碳酸酯）管：（聚碳酸酯）管：透明度好，硬度大，透明度好，硬度大，能耐高温消毒。但不耐强酸强碱及某些有机溶剂。能耐高温消毒。但不耐强酸强碱及某些有机溶剂。主要用于主要用于5 5万万(转转/分分)以上离心。以上离心。四、离心机的离心管四、离心机的离心管 2 2、离心

21、管选用、离心管选用 从容量、强度、离心转速、耐热性、耐腐从容量、强度、离心转速、耐热性、耐腐蚀性蚀性 适当时候要测试介质或样品对离心管稳定适当时候要测试介质或样品对离心管稳定性影响。性影响。离心加速度、离心力和相对离心力离心加速度、离心力和相对离心力 1 1、加速度：、加速度：a=VT 2 2（VT-切向速度，切向速度，m/s）r （r旋转半径，即颗粒到转轴中心距离）旋转半径，即颗粒到转轴中心距离）2 2、离心力：、离心力：Fc=ma=m2 2 r（与转速平方和（与转速平方和r成正比）成正比）3 3、相对离心力：、相对离心力：2 2 r RFC=g 一、离心操作方法一、离心操作方法 对于常速和

22、高速离心机，由于所分离的颗对于常速和高速离心机，由于所分离的颗粒大小和密度相差较大，只要选择好离心粒大小和密度相差较大，只要选择好离心速度和时间，就能达到分离效果。速度和时间，就能达到分离效果。超速离心的离心方法：超速离心的离心方法：差速离心、密度梯差速离心、密度梯度离心和等密度梯度离心度离心和等密度梯度离心 1、差速离心法、差速离心法 采用不同的离心速度和离心时间，使沉降采用不同的离心速度和离心时间，使沉降速度不同的颗粒分批分离的方法。速度不同的颗粒分批分离的方法。差速离心的分辨率不高，沉降系数在同一差速离心的分辨率不高，沉降系数在同一个数量级内的各种粒子不容易分开个数量级内的各种粒子不容易

23、分开 主要用于分离大小和密度差异较大的颗粒主要用于分离大小和密度差异较大的颗粒，常用于其他分离手段之前的粗制品提取，常用于其他分离手段之前的粗制品提取。2、差速区带离心法（、差速区带离心法（35页）页）样品在密度梯度介质中进行离心，利用沉降系数样品在密度梯度介质中进行离心，利用沉降系数的差异使物质得以分离。的差异使物质得以分离。密度梯度中的最大密度小于目标产物的密度，料密度梯度中的最大密度小于目标产物的密度，料液中的各组分就会由于沉降系数差异以不同速率液中的各组分就会由于沉降系数差异以不同速率下降下降 常用介质：蔗糖、甘油等。常用介质：蔗糖、甘油等。样品铺在密度梯度溶液表面，离心后形成若干条样

24、品铺在密度梯度溶液表面，离心后形成若干条界面清楚的不连续区带。界面清楚的不连续区带。3、平衡区带平衡区带离心法离心法 当欲分离的不同颗粒的密度范围在离心介质的密当欲分离的不同颗粒的密度范围在离心介质的密度梯度范围内时，度梯度范围内时，不同浮力密度的物质颗粒在离不同浮力密度的物质颗粒在离心力作用下一直移动到与各自浮力密度相等的位心力作用下一直移动到与各自浮力密度相等的位置（等密度点），形成区带。置（等密度点），形成区带。等密度离心常用的介质：铯盐，如等密度离心常用的介质：铯盐，如CsCl，Cs2SO4，CsBr 此法一般应用于物质的大小相近，而密度差异较此法一般应用于物质的大小相近，而密度差异较

25、大时。常用的梯度液是大时。常用的梯度液是CsClCsCl。二、离心注意事项二、离心注意事项 1 1、常规注意事项、常规注意事项（1）打开离心机电源开关，进入待机状态。）打开离心机电源开关，进入待机状态。使用使用前后应注意转头内有无漏出液体残余，应使之保前后应注意转头内有无漏出液体残余，应使之保持干燥。转换转头时应注意使离心机转轴和转头持干燥。转换转头时应注意使离心机转轴和转头的卡口卡牢。的卡口卡牢。（2）选择合适的转头与离心管：（按实际离心量）选择合适的转头与离心管：（按实际离心量来选择离心管容量），离心时离心管所盛液体不来选择离心管容量），离心时离心管所盛液体不能超过总容量的能超过总容量的2

26、/3，否则液体易于溢出；，否则液体易于溢出；（3）离心管平衡误差应在）离心管平衡误差应在0.1克以内。克以内。（4）选择离心参数：）选择离心参数：按速度设置按钮，用数字键设置离心速度，按速度设置按钮，用数字键设置离心速度，转头最大离心速度不能超过转子能使用的最高转头最大离心速度不能超过转子能使用的最高转速。转速。注意：同一机器，针对不同的转子，其注意：同一机器，针对不同的转子，其最高转速也不同最高转速也不同。按时间设置按钮，再用数字键设置离心时间按时间设置按钮，再用数字键设置离心时间和离心温度。和离心温度。（5）将平衡好的离心管对称放入转头内。盖好）将平衡好的离心管对称放入转头内。盖好转头盖子

27、。转头盖子。（6）按下离心机盖门，如盖门未盖牢，离心机）按下离心机盖门，如盖门未盖牢，离心机将不能启动。将不能启动。（7）按运行键，开始离心。离心开始后（特别是）按运行键，开始离心。离心开始后（特别是高速离心时）应等离心速度达到所设的速度时才能高速离心时）应等离心速度达到所设的速度时才能离开，一旦发现离心机有异常（如不平衡而导致机离开，一旦发现离心机有异常（如不平衡而导致机器明显震动，或噪音很大），应立即按停止键，必器明显震动，或噪音很大），应立即按停止键，必要时直接按电源开关切断电源，停止继续离心，并要时直接按电源开关切断电源，停止继续离心，并找出原因。找出原因。（8）离心时，一定要有专人看

28、护。）离心时，一定要有专人看护。（9）使用结束后请清洁转头和离心机腔，要等）使用结束后请清洁转头和离心机腔，要等20分钟左右后关闭离心机盖，利于湿气蒸发。分钟左右后关闭离心机盖，利于湿气蒸发。（10）使用结束后必须登记，注明使用情况。）使用结束后必须登记，注明使用情况。2 2、特殊操作注意事项、特殊操作注意事项(1)(1)若是冷冻离心机若是冷冻离心机,则则离心完毕后一定要把离心离心完毕后一定要把离心机的转子卸下来，擦干离心机里的水滴，然后在机的转子卸下来，擦干离心机里的水滴，然后在关机关机.（2）针对）针对冷冻离心机，冷冻离心机，开机后可以先开机后可以先1000rpm1000rpm空空转，直到

29、达到设定温度为止。转，直到达到设定温度为止。（3 3）温度达到要求后加样时，尽量缩短开盖）温度达到要求后加样时，尽量缩短开盖时间，因为时间太长，一方面使离心机内温度时间，因为时间太长，一方面使离心机内温度升高较大，另一方面也会增加离心机内的水汽升高较大，另一方面也会增加离心机内的水汽凝结，加重了离心机的损耗。凝结，加重了离心机的损耗。（4 4）当进行超速离心时，离心管内应装满样）当进行超速离心时，离心管内应装满样品液，同时一定要把离心管盖子压紧。品液，同时一定要把离心管盖子压紧。（5 5）玻璃离心管只能用于低速离心。）玻璃离心管只能用于低速离心。1、原理、原理 是利用待分离物质本身具有的表面活

30、性或能与表是利用待分离物质本身具有的表面活性或能与表面活性剂通过化学、物理的力结合在一起面活性剂通过化学、物理的力结合在一起（如：（如：金属离子、蛋白质和酶等）金属离子、蛋白质和酶等），在鼓泡塔（或池），在鼓泡塔（或池）中被吸附在气泡表面，得以富集，籍气泡上升带中被吸附在气泡表面，得以富集，籍气泡上升带出溶剂主体而得以分离。出溶剂主体而得以分离。2、分类、分类（1）泡沫分馏）泡沫分馏 若分离对象是溶液，则称为泡沫分馏若分离对象是溶液，则称为泡沫分馏（2）泡沫浮选）泡沫浮选 指分离对象是含有固体离子的悬浮液、胶指分离对象是含有固体离子的悬浮液、胶体溶液的泡沫分离。体溶液的泡沫分离。重力沉降设备体积庞大，分离效率低。重力沉降设备体积庞大，分离效率低。具有设备简单，制造容易，能耗低等优点，具有设备简单，制造容易，能耗低等优点，在食品、发酵，特别是环境工程中得到应用。在食品、发酵，特别是环境工程中得到应用。菌体或动植物细胞的重力沉降虽然简单易行，菌体或动植物细胞的重力沉降虽然简单易行，但因菌体细胞体积小，沉降速度很慢，不适但因菌体细胞体积小，沉降速度很慢，不适于应用。于应用。本章的主要内容是：1、过滤和离心的概念 2、改善过滤的方法 3、几种离心操作方法的异同 4、离心的注意事项