生物分离工程第二章.ppt

第二章 细胞分离与破碎;总体学习目的和要求;收集含生化物质的液相，分离除去固体悬浮物（细胞、菌体、细胞碎片、蛋白质的沉淀物和它们的絮凝体等）。 收集胞内产物的细胞或菌体，分离除去液相。 ;2.1 细胞分离 ;重力沉降;以液固沉降为例，重力沉降过程中固体颗粒受到重力、浮力和摩擦阻力的作用。考虑球形的固体颗粒，则当浮力、摩擦阻力和重力达到平衡时，固体颗粒匀速沉降，沉降速度为 上式为球形粒子的Stokes沉降速度， 、 、和 分别表示粒径、固体颗粒密度、液体密度和重力加速度， 为重力沉降速度， 为液体粘度。 ; 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。因此，实用上需使菌体细胞聚并成较大凝聚体颗粒后进行沉降操作，提高沉降速度。 ;提高重力沉降的途径 加入中性盐：双电层排斥电位降低 加入高分子絮凝剂：架桥作用形成大絮凝团 引入外力 ; 离心沉降是利用沉降设备使流体和颗粒旋转，在离心力的作用下，由于颗粒和流体间存在密度差，所以颗粒沿径向与流体产生相对运动，从而使颗粒和流体分离。 ;应用;离心沉降速度 离心设备的一个重要技术指标是其所能达到的离心力与重力的比值，称为分离因数。分离因数是衡量离心程度的参数，用Z表示 式中，r为离心半径，即从旋转轴心到沉降颗粒的距离，N为离心机的转数(s-1) 。;离心沉降和重力沉降只是对沉降的作用力不同，因此，将式(1)中的g用Zg代替，可得离心沉降速度Vs为 或;即：;提高离心沉降速度的主要措施;离心分离法;;;;主要菌体和细胞的离心分离;区带离心 ; 梯度 离心;;两种区带离心法均事先在离心管中用某种低分子溶质(如蔗糖、甘油等溶液)调配好密度梯度，在密度梯度之上加待处理的料液后进行离心操作。 区带离心的密度梯度一般可用蔗糖配制。事先调配不同浓度(密度)的蔗糖溶液，然后在离心管中依浓度从大到小层层加入即可。将一定浓度的蔗糖溶液经一定时间的高速离心后可制成连续的蔗糖密度梯度。 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??? ;密度梯度离心（density gradient）;密度梯度沉降平衡法在核酸研究中的应用;*差速和平衡区带离心异同;离心分离设备 离心机是生化实验室及生化工业广泛使用的分离设备。实验室用离心机以离心管式转子离心机为主，离心操作为间歇式。 工业离心分离设备中，较为常用的有管式和碟片式两大类。 ;管式离心机;管式离心机;离心机的选用原则;过滤 ;过 滤;（1）过滤推动力： 悬浮液自身压强差、重力 悬浮液的—外加压力 过滤介质的—抽真空 离心力 （2）过滤阻力： 介质阻力 滤饼阻力 大多情况下，过滤阻力主要取决于滤饼阻力。;（3）过滤速率;（4）过滤速度的强化;过滤设备 ;;生化分离中，工业规模过滤设备主要有加压叶滤机、板框过滤机、旋转真空过滤机。;板框压滤机 plate and frame filter ;2.2 细胞破碎;一、概述;**细胞破碎（cell rupture）技术是指利用外力破坏细胞膜和细胞壁，使细胞内物质包括目的产物成分释放出来的技术。 细胞破碎技术是分离纯化细胞内合成的非分泌型生化物质（产品）的基础。 为了研究细胞破碎，提高其破碎率，有必要了解各种生物细胞壁的组成和结构。;二、常见细胞壁的结构;三、细胞破碎技术;机械破碎;（一）机械法;1 高压匀浆法 高压匀浆又称高压剪切破碎。高压匀浆器的破碎原理是：细胞悬浮液在高压作用下从阀座与阀杆之间的环隙高速(可达到450m/s)喷出后撞击到碰撞环上，细胞在受到高速撞击作用后，急剧释放到低压环境，从而在撞击力和剪切力等综合作用下破碎。高压匀浆器的操作压力通常为50-70MPa。 ;;;高压匀浆法中影响细胞破碎的因素主要有压力、循环操作次数和温度。细胞破碎率S与操作压力P和循环操作次数N之间的关系可表达为 细胞破碎率用胞内产物释放率表示,是单位质量细胞的产物释放量，mg/cell ;式中：S — 破碎率，为N次循环后，蛋白质的释放量R与最大释放量Rmax之比； k － 与温度有关的速度常数； P － 操作压力，MPa； ɑ、b－ 与微生物种类和培养条件有关的常数。 ;高压匀浆法适用于酵母和大多数细菌细胞的破碎，料液细胞浓度可达到20％左右。团状和系状菌易造成高压匀浆器堵塞，一般不宜使用高压匀浆法。高压匀浆操作的温度上升约2～ 3℃／10MPa，为保护目标产物的生物活性，需对料液作冷却处理，多级破碎操作中需在级间设置冷却装置。因为料液通过匀浆器的时间很短，通过匀浆器后迅速冷却，可有效防止温度上升，保护产物活性。 ;2 珠磨法 bead mill;（1）高速珠磨机工作原理;