第五章固液分离20120302

1、复复 习习复复 习习复复 习习 复习复习复复 习习第五章第五章 细胞破碎、蛋白质复性和固液分离细胞破碎、蛋白质复性和固液分离第四节第四节 固液分离固液分离 固液分离的方法固液分离的方法 一、过滤（举例说明膜过滤）一、过滤（举例说明膜过滤） 二、离心沉降二、离心沉降 三、泡沫分离三、泡沫分离 四、双水相萃取四、双水相萃取发酵液的固液分离 过滤 定义： 在一定的压力差下，利用 多孔性介质截留固液悬浮液 中的固体粒子，进行固液分 离的方法称为过滤。第五章第五章 细胞破碎、蛋白质复性和固液分离细胞破碎、蛋白质复性和固液分离第四节第四节 固液分离固液分离发酵液的过滤发酵液的过滤 微生物发酵液中含有大量菌

2、体、细胞或细微生物发酵液中含有大量菌体、细胞或细胞碎片以及残余的固体培养基成分。过滤胞碎片以及残余的固体培养基成分。过滤就是将悬浮在发酵液中的固体颗粒与液体就是将悬浮在发酵液中的固体颗粒与液体进行分离的过程。进行分离的过程。 在过滤操作中，要求滤速快，滤液澄清并在过滤操作中，要求滤速快，滤液澄清并且有高的收率。且有高的收率。第五章第五章 细胞破碎、蛋白质复性和固液分离细胞破碎、蛋白质复性和固液分离第四节第四节 固液分离固液分离影响过滤速度的因素影响过滤速度的因素: 1.菌种。菌种。 2.发酵条件。发酵条件。2.1培养基的组成培养基的组成2.2未用完的培养基未用完的培养基2.3消沫油消沫油2.4

3、发酵周期发酵周期第五章第五章 细胞破碎、蛋白质复性和固液分离细胞破碎、蛋白质复性和固液分离第四节第四节 固液分离固液分离1.菌种对过滤速度影响菌种对过滤速度影响 真菌的菌丝比较粗大真菌的菌丝比较粗大，如青霉菌的菌丝直径可达，如青霉菌的菌丝直径可达10m，发酵液容易过滤，不需特殊处理。其滤，发酵液容易过滤，不需特殊处理。其滤渣呈紧密饼状物，很容易从滤布上刮下来，故可渣呈紧密饼状物，很容易从滤布上刮下来，故可采用鼓式真空过滤机过滤。采用鼓式真空过滤机过滤。 放线菌发酵液菌丝细而分枝，交织成网络状放线菌发酵液菌丝细而分枝，交织成网络状。如。如链霉素发酵液菌丝仅链霉素发酵液菌丝仅0.51.0m左右，还

4、含有很左右，还含有很多多糖类物质，粘性强，过滤较困难，一般需经多多糖类物质，粘性强，过滤较困难，一般需经预处理，以凝固蛋白质等胶体。预处理，以凝固蛋白质等胶体。 细菌发酵液的菌体更细小细菌发酵液的菌体更细小，因此，过滤十分因准，因此，过滤十分因准，如不用絮凝等方法预处理发酵液，往往难以采用如不用絮凝等方法预处理发酵液，往往难以采用常规过滤的设备来完成过滤操作。常规过滤的设备来完成过滤操作。第五章第五章 细胞破碎、蛋白质复性和固液分离细胞破碎、蛋白质复性和固液分离第四节第四节 固液分离固液分离2.1培养基的组成对过滤速度影响培养基的组成对过滤速度影响 用黄豆粉、花生粉作氮源、淀粉作碳源会用黄豆粉

5、、花生粉作氮源、淀粉作碳源会使过滤困难；使过滤困难； 发酵后期加消泡油或剩余大量末用完的培发酵后期加消泡油或剩余大量末用完的培养基也会使过滤困难。养基也会使过滤困难。第五章第五章 细胞破碎、蛋白质复性和固液分离细胞破碎、蛋白质复性和固液分离第四节第四节 固液分离固液分离2.4发酵周期对过滤的影响发酵周期对过滤的影响 正确选择发酵终了时间对过滤影响很大。正确选择发酵终了时间对过滤影响很大。在菌体丝自溶前必须放罐，因为细胞自溶在菌体丝自溶前必须放罐，因为细胞自溶后的后的 分解产物一般很难过滤。有时延长发分解产物一般很难过滤。有时延长发酵周期虽能使发酵单位有所提高，但严重酵周期虽能使发酵单位有所提高

6、，但严重影响发酵液质量，使色素和胶状杂质增多、影响发酵液质量，使色素和胶状杂质增多、过滤困难，最终造成成品质量降低。过滤困难，最终造成成品质量降低。第五章第五章 细胞破碎、蛋白质复性和固液分离细胞破碎、蛋白质复性和固液分离第四节第四节 固液分离固液分离改善过滤性能的方法改善过滤性能的方法1.等电点等电点2.蛋白质变性蛋白质变性3.吸附吸附4.凝聚和絮凝凝聚和絮凝5.加入助滤剂加入助滤剂6.直接在发酵液中形成填充直接在发酵液中形成填充-凝固剂凝固剂7.酶解作用酶解作用第五章第五章 细胞破碎、蛋白质复性和固液分离细胞破碎、蛋白质复性和固液分离第四节第四节 固液分离固液分离 助滤剂是一种不可压缩的多

7、孔微粒，它能使滤饼助滤剂是一种不可压缩的多孔微粒，它能使滤饼疏松，滤速增大。疏松，滤速增大。 过滤助剂可解决两个问题过滤助剂可解决两个问题滤饼的可压缩性问题滤饼的可压缩性问题小粒子如菌丝碎片和细菌细胞，会渗入到转鼓真空过小粒子如菌丝碎片和细菌细胞，会渗入到转鼓真空过滤预覆盖层内部。使得预覆盖层的部分孔被堵塞，影滤预覆盖层内部。使得预覆盖层的部分孔被堵塞，影响了渗透性。加入助滤剂可以解决这一问题响了渗透性。加入助滤剂可以解决这一问题 常用的过滤助剂常用的过滤助剂 硅藻土、珍珠岩、磨碎的木浆、淀粉硅藻土、珍珠岩、磨碎的木浆、淀粉第五章第五章 细胞破碎、蛋白质复性和固液分离细胞破碎、蛋白质复性和固液

8、分离第四节第四节 固液分离固液分离 助滤剂的加入有两种方法：助滤剂的加入有两种方法：在滤布上预先铺一层助滤剂在滤布上预先铺一层助滤剂(12mm)，该方法，该方法，会使滤速降低，但滤液透明度会使滤速降低，但滤液透明度直接加入发酵液中（助滤剂的用量，有一条经直接加入发酵液中（助滤剂的用量，有一条经验规则可供参考，即助滤剂用量若等于悬浮液验规则可供参考，即助滤剂用量若等于悬浮液中固体含量时，滤速最快。）中固体含量时，滤速最快。）第五章第五章 细胞破碎、蛋白质复性和固液分离细胞破碎、蛋白质复性和固液分离第四节第四节 固液分离固液分离 填充填充-凝固剂凝固剂 改善过滤性能较好的方法是加入一些反应剂，它们

9、能相改善过滤性能较好的方法是加入一些反应剂，它们能相互作用，或和某些溶解性盐类发生反应生成不溶解的沉互作用，或和某些溶解性盐类发生反应生成不溶解的沉淀淀(CaSO(CaSO4 4，AlPOAlPO4 4等等) )。生成的沉淀能使菌丝具有块状结构，。生成的沉淀能使菌丝具有块状结构，沉淀本身即可作为助滤剂，还能使胶状物和悬浮物凝固，沉淀本身即可作为助滤剂，还能使胶状物和悬浮物凝固， 如新生霉素发酵液中加入氯化钙和磷酸钠，生成的磷酸如新生霉素发酵液中加入氯化钙和磷酸钠，生成的磷酸钙可作为填充钙可作为填充- -凝固剂。凝固剂。 一方面作为助滤剂，另一方面还可使某些蛋白质凝固。一方面作为助滤剂，另一方面

10、还可使某些蛋白质凝固。 又如环丝氨酸发酵液用氧化钙和磷酸处理，生成的磷酸又如环丝氨酸发酵液用氧化钙和磷酸处理，生成的磷酸钙沉淀，能使悬浮物凝固。多余的磷酸根离子，还能除钙沉淀，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而去钙、镁离子。并且在发酵液中不会引入其它阳离子而影环环丝氨酸的离子交换吸附。正确选择反应剂和反应影环环丝氨酸的离子交换吸附。正确选择反应剂和反应条件，能使过滤速度提高条件，能使过滤速度提高310310倍。倍。第五章第五章 细胞破碎、蛋白质复性和固液分离细胞破碎、蛋白质复性和固液分离第四节第四节 固液分离固液分离 酶解作用酶解作用 如发

11、酵液中有不溶解的多糖存在则最好用如发酵液中有不溶解的多糖存在则最好用酶将它转化为单糖，以提高过滤速度。例酶将它转化为单糖，以提高过滤速度。例如万古霉素用淀粉作培养基，加入淀粉酶如万古霉素用淀粉作培养基，加入淀粉酶后，能使过滤速度加快。后，能使过滤速度加快。发酵液的过滤发酵液的过滤目前主要有目前主要有3种膜过滤种膜过滤:微孔过滤，用于分离固体颗粒如细胞、细胞碎片、微孔过滤，用于分离固体颗粒如细胞、细胞碎片、包涵体及蛋白质沉淀物；包涵体及蛋白质沉淀物；超滤，用于浓缩大分子物质如蛋白质、核酸、多超滤，用于浓缩大分子物质如蛋白质、核酸、多糖；糖；反渗透，用于小分子如抗菌素、氨基酸溶液中脱反渗透，用于小

12、分子如抗菌素、氨基酸溶液中脱除水分。除水分。一、离心分离的基本原理 对于浓度较小，粒径较大，硬度较强的不溶物，可以采用过滤分离。 但当固体颗粒细小而难以过滤时，发酵液不易被过滤纯化，离心操作往往显得十分有效。 离心分离：是借助于离心机旋转所产生的离心力，使不同大小、不同密度的物质分离的技术过程。第五章第五章 细胞破碎、蛋白质复性和固液分离细胞破碎、蛋白质复性和固液分离第四节第四节 固液分离固液分离 离心沉降离心沉降 离心是实现固液分离的主要手段。离心分离的原离心是实现固液分离的主要手段。离心分离的原理是固体和液体之间的密度差。理是固体和液体之间的密度差。 离心分离的过程是一沉降过程，在目前的技

13、术条离心分离的过程是一沉降过程，在目前的技术条件下，某一质点在离心力场中获得的离心力可比件下，某一质点在离心力场中获得的离心力可比在地球引力场中的重力大在地球引力场中的重力大103106倍，所以，对倍，所以，对于密度差较小、颗粒粒度较细的非均相物质，用于密度差较小、颗粒粒度较细的非均相物质，用离心沉降可大大提高沉降效率。离心沉降可大大提高沉降效率。 离心技术的局限性在于它一般不能分离颗粒大小离心技术的局限性在于它一般不能分离颗粒大小一样、密度一样而物性不同的颗粒，对小分子颗一样、密度一样而物性不同的颗粒，对小分子颗粒分离效果欠佳或无法分离。粒分离效果欠佳或无法分离。 离心沉降离心沉降 优点优点

14、分离速度快，效率高，分离速度快，效率高， 液相澄清度好，液相澄清度好，操作时卫生条件好等优点，操作时卫生条件好等优点， 适合于大规模的分离过程。适合于大规模的分离过程。 缺点缺点与过滤设备相比，投资费用高，与过滤设备相比，投资费用高， 能耗较大。能耗较大。 离心产生的固体浓缩物和过滤产生的浓缩不同。通常情况下离心只能得到一种较为浓缩的悬浮液或浆体。而过滤可获得的水分含量较低的滤饼。二、离心机的类型 据分离方式分：沉降式离心机、过滤式离心机 据操作方式分：间歇式（分批）离心机、连续式离心机 据转速分：常速离心机（低速离心机）、高速离心机、超速离心机 据设备结构特点分：管式、碟式、螺旋式1.斜角式

15、离心机 是一类结构最简单的实验室常用离心机。是一类结构最简单的实验室常用离心机。 指离心管腔与转轴成一定倾角的转子。指离心管腔与转轴成一定倾角的转子。 角度越大，沉降越结实，分离效果越好。角度越大，沉降越结实，分离效果越好。 颗粒在角转子中沉降时，先沿离心力方向颗粒在角转子中沉降时，先沿离心力方向 撞向离心管，然后再沿管壁滑向管底，撞向离心管，然后再沿管壁滑向管底， 因此管的一侧会出现颗粒沉积。因此管的一侧会出现颗粒沉积。2.平抛式离心机 平抛式离心机一类结构简单的实验室常用的低中速离心机，转速一般在3000-6000rpm。 转子活动管套内的离心管，静止时垂直挂在转头上，旋转时随着转子转动，

16、从垂直悬吊上升到水平位置（约200-800rpm） 颗粒在水平转子中的 沉降是沿管子轴向移动。 样品便于收集。 受振动和变速搅乱后对流现象小， 但转头结构复杂，最高转速相对要低， 容量也小一些。平抛式离心机转子平抛式离心机转子3.管式离心机 管式离心机具有一个细长而高速旋转的转鼓， 转鼓内装有纵向平板， 其下部有进料口。上部两侧有重液相和轻液相出口（对液液分离而言）。 分为液液分离的连续式管式离心机和液固分离的间歇式管式离心机。液固分离管式离心机待处理的物料在一定压力（3104Pa左右）下由进料管经底部空心轴进入鼓内。靠挡板分布于鼓的四周，并使料液迅速达到与转鼓相同的角速度。转鼓带动物料高速旋

17、转，在离心力下，悬浮液沿转鼓内壁向上流动的，料液在离心力场的作用下因其密度差的存在而分离。澄清后的液相流动到转鼓上部的排液口派出。比重大的固体微粒逐渐沉积在转鼓内壁形成沉渣层，达到一定数量后，停机人工清除。管式离心机特点：管式离心机特点： 结构简单，结构简单， 可提供较大离心力，转速高，效果好。可提供较大离心力，转速高，效果好。 管状离心机可以冷却，有利蛋白质分离。管状离心机可以冷却，有利蛋白质分离。 对于间歇操作式，须定时拆卸，清洗。对于间歇操作式，须定时拆卸，清洗。 适用于分离乳浊液及含细颗粒的稀悬浮适用于分离乳浊液及含细颗粒的稀悬浮液，适用于固体含量低于液，适用于固体含量低于1%，颗粒度

18、，颗粒度小于小于5微米，粘度大的悬浮液澄清或固微米，粘度大的悬浮液澄清或固液两相密度差较小的分离。液两相密度差较小的分离。碟片式离心机工作原理 当悬浮液在动压头的作用下，经中心管流入高速当悬浮液在动压头的作用下，经中心管流入高速旋转的碟片之间的间隙时，便产生了惯性离心力。旋转的碟片之间的间隙时，便产生了惯性离心力。 其中密度较大的固体颗粒在离心力作用下向上层其中密度较大的固体颗粒在离心力作用下向上层碟片的下表面运动，而后在离心力作用下被向外碟片的下表面运动，而后在离心力作用下被向外甩出，沿碟片下表面向转子外围下滑，甩出，沿碟片下表面向转子外围下滑， 而液体则由于密度小，在后续而液体则由于密度小

19、，在后续液体的推动下沿着碟片的隙道液体的推动下沿着碟片的隙道向转子中心流动，然后沿中心向转子中心流动，然后沿中心轴上升，从套管中排出，达到轴上升，从套管中排出，达到分离的目的。分离的目的。根据设备结构特点分 1 斜角式 2 平抛式 3 管式 4 碟片式 5 多室式第五章第五章 细胞破碎、蛋白质复性和固液分离细胞破碎、蛋白质复性和固液分离第四节第四节 固液分离固液分离 不同性状发酵液应选择不同的固不同性状发酵液应选择不同的固液分离液分离设备。常用于发酵液的分离设备有：设备。常用于发酵液的分离设备有：离心沉降分离机离心沉降分离机 板框压滤机板框压滤机鼓式真空过滤机鼓式真空过滤机离心沉降分离机离心沉

20、降分离机 第五章第五章 细胞破碎、蛋白质复性和固液分离细胞破碎、蛋白质复性和固液分离第四节第四节 固液分离固液分离几种常用的转子几种常用的转子(a)角式转子；角式转子； (b)水平转子；水平转子； (c)垂直转子；垂直转子； (d)区带转区带转子；子； (e)分析转子分析转子第五章第五章 细胞破碎、蛋白质复性和固液分离细胞破碎、蛋白质复性和固液分离第四节第四节 固液分离固液分离离心沉降离心沉降斯托克斯沉降速度公式：斯托克斯沉降速度公式： rdv2218)( 从式中可看见：从式中可看见：1.密度差（密度差（-）越大，离心沉降速度越快；）越大，离心沉降速度越快；2.在密度差（在密度差（-）存在下，

21、固体颗粒尺存越大，越容易离）存在下，固体颗粒尺存越大，越容易离心；心；3.液体黏度液体黏度越大，越不容易离心；越大，越不容易离心；4.离心力的大小对固液分离很有影响，细胞悬浮液或细胞离心力的大小对固液分离很有影响，细胞悬浮液或细胞匀浆中的颗粒尺寸都不大，与液相得密度差也不大，而且匀浆中的颗粒尺寸都不大，与液相得密度差也不大，而且液体黏度大，所以要通过增大离心力来提高分离效率。液体黏度大，所以要通过增大离心力来提高分离效率。第五章第五章 细胞破碎、蛋白质复性和固液分离细胞破碎、蛋白质复性和固液分离第四节第四节 固液分离固液分离 按分离因数的大小分类，可分为低速离心（按分离因数的大小分类，可分为低

22、速离心（30003000）、高速离心（）、高速离心（3000300050000）和超）和超速离心（速离心（5000050000） 低速离心机（低速离心机（low-speed centrifuge）：转速）：转速8000r/min以下（最大相对离心力以下（最大相对离心力10000g以下，以下，g表示重力加速度），用于分离细胞、细胞碎片表示重力加速度），用于分离细胞、细胞碎片及培养基残渣等。及培养基残渣等。 高速离心机（高速离心机（high-speed centrifuge）：）：转速转速1000025000r/min（最大相对离心（最大相对离心力力10000g100000g），用于分离各），用于

23、分离各种沉淀物、细胞碎片和较大细胞器等。种沉淀物、细胞碎片和较大细胞器等。第五章第五章 细胞破碎、蛋白质复性和固液分离细胞破碎、蛋白质复性和固液分离第四节第四节 固液分离固液分离 超速离心机（超速离心机（ultracentrifuge）：转速）：转速25000150000r/min（最大相对离心力（最大相对离心力100000g1000000g），其中制备性超速），其中制备性超速离心机，用于生物大分子、细胞器和病毒等的分离心机，用于生物大分子、细胞器和病毒等的分离纯化；分析性超速离心机，用于样品纯度的检离纯化；分析性超速离心机，用于样品纯度的检测、沉降系数和分子质量的测定。测、沉降系数和分子质量

24、的测定。板框压滤机 板框压滤机板框压滤机优点优点1 1板框压滤机的过滤面积大；板框压滤机的过滤面积大；2 2过滤推动力过滤推动力( (压力差压力差) )能较能较 大幅度地进行调整，并能大幅度地进行调整，并能 耐受较高的压力差；耐受较高的压力差；3 3结构简单，价格低，结构简单，价格低，4 4动力消耗少等优点。动力消耗少等优点。缺点缺点不能连续操作，设备笨重，不能连续操作，设备笨重，劳动强度大，劳动强度大，卫生条件差，卫生条件差，非生产的辅助时间长，阻碍非生产的辅助时间长，阻碍了过滤效率的提高。了过滤效率的提高。 板框过滤机板框过滤机压滤机用于固体和液体的分离。与其它固液压滤机用于固体和液体的分

25、离。与其它固液分离设备相比，压滤机过滤后的泥饼有更高分离设备相比，压滤机过滤后的泥饼有更高的含固率和优良的分离效果。固液分离的基的含固率和优良的分离效果。固液分离的基本原理是：混合液流经过滤介质（滤布），本原理是：混合液流经过滤介质（滤布），固体停留在滤布上，并逐渐在滤布上堆积形固体停留在滤布上，并逐渐在滤布上堆积形成过滤泥饼。而滤液部分则渗透过滤布，成成过滤泥饼。而滤液部分则渗透过滤布，成为不含固体的清液。为不含固体的清液。随着过滤过程的进行，滤饼过滤开始，泥饼随着过滤过程的进行，滤饼过滤开始，泥饼厚度逐渐增加，过滤阻力加大。过滤时间越长，分离效率越高。厚度逐渐增加，过滤阻力加大。过滤时间越

26、长，分离效率越高。鼓式真空过滤机鼓式真空过滤机优点优点能连续操作，能连续操作，能实现自动化控制能实现自动化控制 缺点缺点压差较小，主要适压差较小，主要适用于霉菌发酵液的用于霉菌发酵液的过滤。过滤。 第五章第五章 细胞破碎、蛋白质复性和固液分离细胞破碎、蛋白质复性和固液分离第四节第四节 固液分离固液分离 泡沫分离法泡沫分离法泡沫分离又称泡沫吸附分离技术，泡沫分离又称泡沫吸附分离技术， 发展的进程。发展的进程。1.矿物浮选。矿物浮选。2.脱除洗涤剂工厂排放的一级污水和二级污水中的脱除洗涤剂工厂排放的一级污水和二级污水中的表面活性剂表面活性剂直链烷基磺酸盐和苯磺酸盐直链烷基磺酸盐和苯磺酸盐 。3.用

27、阴离子表面活性剂泡沫分离用阴离子表面活性剂泡沫分离DNA、蛋白质及液、蛋白质及液体卵磷脂等生物活性物质。体卵磷脂等生物活性物质。第五章第五章 细胞破碎、蛋白质复性和固液分离细胞破碎、蛋白质复性和固液分离第四节第四节 固液分离固液分离 泡沫分离技术的基本原理泡沫分离技术的基本原理 根据表面吸附的原理，利用通气鼓泡在液相中形成的气泡为载体，对液相中的溶质或颗粒进行分离，因此又称吸附分离，也称泡沫分级或鼓泡分级。 泡沫分离过程是利用待分离物质本身具有表面活性泡沫分离过程是利用待分离物质本身具有表面活性(如表如表面活性剂面活性剂)或能与表面活性剂通过化学的、物理的力结合或能与表面活性剂通过化学的、物理

28、的力结合在一起在一起(如金属离子、有机化合物、蛋白质和酶等），在如金属离子、有机化合物、蛋白质和酶等），在鼓泡塔中被吸附在气泡表面，得以富集，藉气泡上升带鼓泡塔中被吸附在气泡表面，得以富集，藉气泡上升带出溶剂主体，达到净化主体液、浓缩待分离物质的目的。出溶剂主体，达到净化主体液、浓缩待分离物质的目的。可见它的分离作用主要取决于组分在气可见它的分离作用主要取决于组分在气液界面上吸附液界面上吸附的选择性和程度，其本质是各种物质在溶液中表面活性的选择性和程度，其本质是各种物质在溶液中表面活性的差异。的差异。 泡沫的形成和组成部分 泡沫是由被极薄的液膜所隔开的许多气泡所组成的。 当气体在含表面活性剂的

29、水溶液 中发泡时， 首先在液体内部形成 被气裹的气泡，与此瞬时， 溶液 表面活性剂分子立即在气泡表面 排成单分子膜， 亲油基指向气泡 内部，亲水基指向溶液。 泡沫的形成 许多气泡聚集成大小不同的球状气泡集合体，更多的许多气泡聚集成大小不同的球状气泡集合体，更多的 集集合体聚集在一起形成泡沫。合体聚集在一起形成泡沫。 形成泡沫的气泡集合体包括两个部分：一是泡，形成泡沫的气泡集合体包括两个部分：一是泡， 两个或两个或两个以上的气泡；二是泡与泡之间以及少量液体构成两个以上的气泡；二是泡与泡之间以及少量液体构成 的的隔膜（液膜），是泡沫的骨架。隔膜（液膜），是泡沫的骨架。泡沫分离技术的基本原理泡沫分离

30、技术的基本原理气泡借助浮力上升，冲击溶气泡借助浮力上升，冲击溶液表面的单分子膜。液表面的单分子膜。某些情况下，气泡可以跳出液体表面，某些情况下，气泡可以跳出液体表面， 此时，该气泡表面的此时，该气泡表面的水膜外层上，形成水膜外层上，形成 与液体内部单分子膜的分子排列完全相与液体内部单分子膜的分子排列完全相 反的单分子膜，反的单分子膜， 从而构成了较为稳定的从而构成了较为稳定的 双分子层气泡体，双分子层气泡体， 双分子层气泡体，在气相空间形成接近双分子层气泡体，在气相空间形成接近 于球体的单个气泡。于球体的单个气泡。 泡沫的稳定及层内排液 泡沫不是很稳定的体系，气泡与气泡之间仅以薄膜隔开， 此隔

31、膜也会因彼此压力不均或间隙液的流失等原因而发生破裂，导致气泡间的合并现象，或由于小气泡的压力比大气泡高， 因 此气体可以从小气泡通过液膜向大气泡扩散，导致大气泡变大， 小气泡变小，以至消失。 泡沫的稳定性一般与溶质的化学性质和浓度， 系统温度和 泡沫单体大小、压力、溶液pH值有关。 表面活性剂的浓度愈是 接近临界浓度，气泡愈小，气泡的寿命愈长。 第五章第五章 细胞破碎、蛋白质复性和固液分离细胞破碎、蛋白质复性和固液分离第四节第四节 固液分离固液分离 泡沫分离法的分类泡沫分离法的分类第五章第五章 细胞破碎、蛋白质复性和固液分离细胞破碎、蛋白质复性和固液分离第四节第四节 固液分离固液分离 泡沫分离

32、的操作方式泡沫分离的操作方式 泡沫分离的操作是由两个基本过程组成：泡沫分离的操作是由两个基本过程组成： 待分离的溶质被吸附到气待分离的溶质被吸附到气-液界面上；液界面上； 对被泡沫吸附的物质进行收集并用化学、热或机对被泡沫吸附的物质进行收集并用化学、热或机械的方法破坏泡沫，将溶质提取出来。因此它的械的方法破坏泡沫，将溶质提取出来。因此它的主要设备为泡沫塔和破沫器。主要设备为泡沫塔和破沫器。泡沫分离流程可分为间歇式、连续式两类。泡沫分离流程可分为间歇式、连续式两类。第五章第五章 细胞破碎、蛋白质复性和固液分离细胞破碎、蛋白质复性和固液分离第四节第四节 固液分离固液分离A间歇式泡沫分离过程间歇式泡

33、沫分离过程 气体从塔底连续鼓入，形成气体从塔底连续鼓入，形成的泡沫液从塔顶连续排除，的泡沫液从塔顶连续排除，原料液因不断形成泡沫而减原料液因不断形成泡沫而减少，可在塔的下部适当补充少，可在塔的下部适当补充表面活性剂，以弥补其在分表面活性剂，以弥补其在分离过程中的减少。间歇式操离过程中的减少。间歇式操作可用于溶液的净化和有用作可用于溶液的净化和有用组分的回收，组分的回收， 间歇式泡沫分离塔间歇式泡沫分离塔第五章第五章 细胞破碎、蛋白质复性和固液分离细胞破碎、蛋白质复性和固液分离第四节第四节 固液分离固液分离B连续式泡沫分离过程连续式泡沫分离过程 这种过程料液和表面活性剂连续加入塔内，泡沫液这种过

34、程料液和表面活性剂连续加入塔内，泡沫液和残液连续从塔内排出。按照原料液引入塔的位置和残液连续从塔内排出。按照原料液引入塔的位置不同，可将连续泡沫分离过程分为浓缩塔不同，可将连续泡沫分离过程分为浓缩塔(或称精或称精馏塔）、提馏塔和两者叠加的复合塔，馏塔）、提馏塔和两者叠加的复合塔， 第五章第五章 细胞破碎、蛋白质复性和固液分离细胞破碎、蛋白质复性和固液分离第四节第四节 固液分离固液分离三种典型连续式泡沫分离过程三种典型连续式泡沫分离过程(a)浓缩塔；浓缩塔； (b)提取塔；提取塔； (c)复合塔复合塔第五章第五章 细胞破碎、蛋白质复性和固液分离细胞破碎、蛋白质复性和固液分离第四节第四节 固液分离

35、固液分离影响泡沫分离的因素影响泡沫分离的因素A待分离物质的种类待分离物质的种类 B溶液的溶液的pH值值 C 表面活性剂浓度表面活性剂浓度 D温度温度 E 气流速度气流速度F 离子强度离子强度 此外，泡沫的性质、层高、排沫方式、搅拌等也是此外，泡沫的性质、层高、排沫方式、搅拌等也是影响泡沫分离的因素。影响泡沫分离的因素。 待分离物质的种类 例如对金属离子的分离：一种方法是加入表面活性剂，使其与待分离离子一起被气泡带到液面予以分离； 另 一种方法是把溶液调节至适当的PH值，使待分离物质 形成沉淀，并与表面活性剂一起被气泡带到泡沫层而 分离。 溶液PH值 溶液PH值对分离效果影响很大。 对于天然表面

36、活性物质，如蛋白质的泡沫分离， 在等 电点时效率最高； 对于非表面活性物质，可控制在某一PH下使其 吸附分配因子最大，这样可从离子混合物中分离 个别离子。 表面活性剂浓度 表面活性剂的浓度不宜超过CMC，但也不能太低，使泡沫层不稳定，太高使分离效率下降 。 温度 首先温度应达到表面活性剂的起泡温度， 保 持泡沫的稳定性； 其次，还要根据吸附平衡的类型来选择温度 的高低。 气流速度 气流速度上升，泡沫形成速度上升，则单位时间的去除率也上升，但泡沫中间歇液的含量也上升，因而降低了 塔顶泡沫液的浓度。 气流速度过大时，泡沫中气液分离则易形成乳化气体， 对操作不利。 离子强度 很多泡沫体系对离子强度很

37、敏感，离子强度增加， 效 率很快下降，这是由于相同电荷离子的竞争吸附引起的。(2)其他因素 泡沫的性质 泡沫层高 排沫方式 搅拌 第五章第五章 细胞破碎、蛋白质复性和固液分离细胞破碎、蛋白质复性和固液分离第四节第四节 固液分离固液分离 泡沫分离的应用泡沫分离的应用 泡沫分离的应用可以分两大类。一类是本身为非泡沫分离的应用可以分两大类。一类是本身为非表面活性剂，可通过络合或其他方法使其具有表表面活性剂，可通过络合或其他方法使其具有表面活性的，这类体系的分离被广泛地用于工业污面活性的，这类体系的分离被广泛地用于工业污水中各种金属离子铜、锌、镉、铁、汞、银等的水中各种金属离子铜、锌、镉、铁、汞、银等

38、的分离回收，以及潜水中铀、铝、铜等的富集和原分离回收，以及潜水中铀、铝、铜等的富集和原子能工业中含放射性元素锶的废水的处理。子能工业中含放射性元素锶的废水的处理。第五章第五章 细胞破碎、蛋白质复性和固液分离细胞破碎、蛋白质复性和固液分离第四节第四节 固液分离固液分离 泡沫分离的应用泡沫分离的应用 另一类是本身具有表面活性物质的分离以另一类是本身具有表面活性物质的分离以及各种天然或合成表面活性剂的分离，如及各种天然或合成表面活性剂的分离，如全细胞、蛋白质、酶和胶体分离、合成洗全细胞、蛋白质、酶和胶体分离、合成洗涤剂等，下面着重介绍在生物工程中的应涤剂等，下面着重介绍在生物工程中的应用。用。第五章

39、第五章 细胞破碎、蛋白质复性和固液分离细胞破碎、蛋白质复性和固液分离第四节第四节 固液分离固液分离 泡沫分离的应用泡沫分离的应用 A大肠杆菌的分离大肠杆菌的分离 用月桂酸、硬脂酰胺或辛胺作表面活性剂，对初用月桂酸、硬脂酰胺或辛胺作表面活性剂，对初始细胞浓度为始细胞浓度为7.2108个个/cm3的大肠杆菌进行泡的大肠杆菌进行泡沫分离，结果用沫分离，结果用1分钟时间能除去分钟时间能除去90%的细胞，的细胞，用用10分钟时间就能除去分钟时间就能除去99%的细胞。这个方法对的细胞。这个方法对小球藻小球藻 (ChlorellaSP)和衣藻和衣藻(Chlomydomonas，SP)也是成功的。也是成功的。

40、第五章第五章 细胞破碎、蛋白质复性和固液分离细胞破碎、蛋白质复性和固液分离第四节第四节 固液分离固液分离泡沫分离的应用泡沫分离的应用B 酵母细胞的分离酵母细胞的分离 酿成的啤酒，一般含有酿成的啤酒，一般含有2040g/L酵母，含水率达酵母，含水率达75%，需进行酵母的分离。对于酵母浆的脱水，可，需进行酵母的分离。对于酵母浆的脱水，可使用许多方法，如浮选，分离、蒸发和干燥。使用许多方法，如浮选，分离、蒸发和干燥。第五章第五章 细胞破碎、蛋白质复性和固液分离细胞破碎、蛋白质复性和固液分离第四节第四节 固液分离固液分离泡沫分离的应用泡沫分离的应用C蛋白质和酶的分离浓缩蛋白质和酶的分离浓缩 泡沫分离可

41、应用于各种蛋白质和酶的分离。泡沫分离可应用于各种蛋白质和酶的分离。用泡沫分离法获得的蛋白质及酶有溶菌酶、白蛋白、用泡沫分离法获得的蛋白质及酶有溶菌酶、白蛋白、促性腺酶激素、胃蛋白酶、凝乳酶、血红蛋白、过促性腺酶激素、胃蛋白酶、凝乳酶、血红蛋白、过氧化氢酶、卵磷脂、氧化氢酶、卵磷脂、-淀粉酶、纤维素酶、淀粉酶、纤维素酶、D-氨氨基酸氧化酶、苹果酸脱氢酶等等。基酸氧化酶、苹果酸脱氢酶等等。 泡沫分离法泡沫分离法的缺点 表面活性剂大多是高分子化合物，消耗量大，有时难以回收； 泡沫分离塔中的返混严重影响分离的效率； 能维持稳定泡沫层的表面活性剂较少，且难以 控制其在溶液中的浓度。第五章第五章 细胞破碎

42、、蛋白质复性和固液分离细胞破碎、蛋白质复性和固液分离第四节第四节 固液分离固液分离 萃取定义：萃取定义： 利用溶质互不相溶的两相之间分配系数的利用溶质互不相溶的两相之间分配系数的不同而使溶质得到纯化或浓缩的方法称为不同而使溶质得到纯化或浓缩的方法称为萃取。萃取。 萃取分类：萃取分类： 有机溶剂萃取，液液萃取，有机溶剂萃取，液液萃取，双水相萃取双水相萃取，液膜萃取，反胶团萃取，液固萃取液膜萃取，反胶团萃取，液固萃取, ,超临界超临界流体萃取流体萃取四、双水相萃取四、双水相萃取 1 1、前言、前言2 2、双水相萃取技术基本原理、双水相萃取技术基本原理3 3、双水相萃取操作、双水相萃取操作4 4、双

43、水相萃取的应用、双水相萃取的应用 5 5、双水相萃取分离技术的发展方向、双水相萃取分离技术的发展方向 1 1、前言、前言 双水相萃取现象双水相萃取现象最早是1896年由Beijernek在明胶与琼脂或明胶与可溶性淀粉溶液相混时,得到一个混浊不透明的溶液， 随之分为两相,上相富含明胶,下相富含琼脂(或淀粉), 这种现象被称为聚合物的 “不相溶性”。 从而产生了双水相体系(Aqueous two phase system,ATPS)。 双水相体系的形成主要是由于高聚物之间的 不相溶性，即高聚物分子的空间阻碍作用，相互无法渗透，不能形成均一相，从而具有分离倾向，在一定 条件下即可分为二相。 一般认为

44、只要两聚合物水溶液的憎水程度有所差异，混合时就可发生相分离，且憎水程度相差越大，相分离的倾向也就越大。 可形成双水相体系的聚合物有很多，典型的聚合物双水相体系 有聚乙二醇(PEG)/葡聚糖(dextran),聚丙二醇(polypropylene glycol)/聚乙二醇和 甲基纤维素(methylcellulose)/葡聚糖等。 另一类双水相体系是由聚合物/盐构成的。此类双水相体系一般采 用聚乙二醇作为其中一相成相物质，而盐相则多采用硫酸盐或者磷酸盐。 70年代中期西德的Kula 和Kroner 等人首先将双水相系统应用于从细胞匀浆液中提取酶和蛋白质，大大地改善了胞内酶的提取效果。 某些亲水性

45、高分子聚合物的水溶液超过一定浓度后可形成两相，并且在两相中水分均占很大比例，即形成双水相系统形成双水相系统。利用亲水性高分子聚合物的水溶液可形成双水相的性质进行物质分离的方法称双水相萃取技术双水相萃取技术，又称水溶液两相分配法水溶液两相分配法。2 2、双水相萃取技术基本原理、双水相萃取技术基本原理双水相的形成双水相的形成萃取原理萃取原理 双水相体系萃取分离的特点双水相体系萃取分离的特点 双水相的形成双水相的形成-聚合物的不相容性聚合物的不相容性可形成双水相的材料可形成双水相的材料聚合物聚合物1 1 聚合物聚合物2 2或盐或盐 聚合物聚合物1 1 聚合物聚合物2 2或盐或盐 聚丙二醇聚丙二醇 甲

46、基聚丙二醇甲基聚丙二醇 聚乙二醇聚乙二醇 聚乙烯醇聚乙烯醇 聚乙二醇聚乙二醇 聚乙烯吡咯聚乙烯吡咯 聚乙烯醇聚乙烯醇 烷酮烷酮 聚乙烯吡咯烷酮聚乙烯吡咯烷酮 葡聚糖葡聚糖 羟丙基葡聚糖羟丙基葡聚糖 聚蔗糖聚蔗糖 葡聚糖葡聚糖乙基羟乙基纤维素乙基羟乙基纤维素 葡聚糖葡聚糖 羟丙基葡聚糖羟丙基葡聚糖 葡聚糖葡聚糖聚丙二醇聚丙二醇 硫酸钾硫酸钾 聚乙二醇聚乙二醇 硫酸镁硫酸镁聚乙二醇聚乙二醇 硫酸铵硫酸铵聚乙烯吡咯烷酮聚乙烯吡咯烷酮 硫酸钠硫酸钠甲氧基聚乙二醇甲氧基聚乙二醇 甲酸钠甲酸钠酒石酸甲钠酒石酸甲钠 甲基纤维素甲基纤维素 甲基纤维素甲基纤维素 葡聚糖葡聚糖聚乙烯醇或聚乙烯醇或 葡聚糖葡聚糖

47、羟丙基葡聚糖羟丙基葡聚糖 聚乙烯吡咯烷酮聚乙烯吡咯烷酮 羟丙基葡聚糖羟丙基葡聚糖双水相的形成双水相的形成-系统举例系统举例 绝大多数天然的或合成的亲水性聚合物水溶液，在绝大多数天然的或合成的亲水性聚合物水溶液，在与第二种亲水性聚合物混合，并达到一定浓度时，就会与第二种亲水性聚合物混合，并达到一定浓度时，就会产生两相，两种高聚物分别溶于互不相溶的两相中。产生两相，两种高聚物分别溶于互不相溶的两相中。 如用等量的如用等量的1.11.1右旋糖酐溶液和右旋糖酐溶液和0.360.36甲基纤维素溶液混合，静甲基纤维素溶液混合，静止后产生两相，止后产生两相，上相上相中含右旋糖酐中含右旋糖酐0.390.39，

48、含甲基纤维素，含甲基纤维素0.650.65；而而下相下相含右旋糖酐含右旋糖酐1.581.58，含甲基纤维素，含甲基纤维素0.150.15。 聚合物与无机盐的混合溶液也可形成双水相，例如，聚合物与无机盐的混合溶液也可形成双水相，例如，PEGPEG磷酸钾、磷酸钾、PEGPEG磷酸铵、磷酸铵、PEGPEG硫酸钠等常用于硫酸钠等常用于生物产物的双水相萃取。生物产物的双水相萃取。PEGPEG无机盐系统的上相富含无机盐系统的上相富含PEGPEG，下相富含无机盐。，下相富含无机盐。 第五章第五章 细胞破碎、蛋白质复性和固液分离细胞破碎、蛋白质复性和固液分离第四节第四节 固液分离固液分离 双水相萃取：双水相萃

49、取： 向水相中加入溶入水的高分子化合物，如向水相中加入溶入水的高分子化合物，如PEG（聚乙二醇）或葡聚糖，可以形成密度不同的两（聚乙二醇）或葡聚糖，可以形成密度不同的两相（有时甚至是多相）：轻相富含某一种高分子相（有时甚至是多相）：轻相富含某一种高分子化合物；重相富含盐类或另一种高分子化合物。化合物；重相富含盐类或另一种高分子化合物。因两相均含有较多的水，所以称为双水相。因两相均含有较多的水，所以称为双水相。双水相系统：双水相系统：PEG/葡聚糖，葡聚糖， PEG /无机盐无机盐酵母细胞浆在PEG和硫酸铵双水相中的分配螺旋藻细胞浆螺旋藻细胞浆在在PEGPEG和硫酸铵双水相中的分配和硫酸铵双水相中