生物分离工程细胞分离与破碎

生物分离工程细胞分离与破碎目录重力沉降离心沉降细胞破碎与胞内物释放细胞分离－学习要点识记:重力沉降、离心沉降和过滤得概念。理解:重力沉降、离心分离与过滤原理、理论;掌握Stokes沉降公式

。应用:常用离心方法及优缺点;利用掌握得提高分离效率得方法分析决实际问题

细胞分离－重力沉降定义

重力沉降就是传统化工过程中常用得从含有固体颗粒得流体中将颗粒分离出来得操作。重力沉降就是利用流体与颗粒间得密度差,在重力得作用下使颗粒与流体之间产生相对运动,从而实现两者得分离。

在生物分离过程中,定义中颗粒为细胞、细胞碎片等有形物千姿百态得微生物世界BacterialmorphologydiagramHigh-densitycellculture细胞分离－重力沉降理论理论假设细胞或细胞碎片按照球形颗粒处理;颗粒在无限稀释得溶液中进行沉降,颗粒之间无相互干扰

受力分析

球形颗粒重力fg液体得浮力fb颗粒运动方向相反得阻力

fs细胞分离－重力沉降理论重力:浮力:阻力:细胞分离－重力沉降理论当球形颗粒自身得重力与其所受到浮力和阻力达到平衡时,

则细胞分离－重力沉降理论当球形颗粒处于滞流区（）时

Stokes公式当球形颗粒处于过渡区（）时

Allen公式当球形颗粒处于湍流区（）时Newton公式千姿百态得微生物世界BacterialmorphologydiagramHigh-densitycellculture球形颗粒？无限稀释溶液？11大家应该也有点累了，稍作休息大家有疑问的，可以询问和交流细胞分离－重力沉降理论模型校正形态校正:颗粒得形状系数速度校正:空隙率函数

提高重力沉降得途径加入中性盐: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图引入外力细胞分离－重力沉降理论模型校正

形态校正速度校正提高重力沉降得途径

加入中性盐;加入高分子絮凝剂引入外力细胞分离－离心沉降定义离心沉降就是利用沉降设备使流体和颗粒旋转,在离心力得作用下,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。细胞分离－离心沉降理论离心沉降速度

令:细胞分离－离心分离方法差速离心分级区带离心差速区带离心平衡区带离心差速离心分离差速离心就是以菌体细胞得收集或除去为目得得固液离心分离方法,应用某一特定颗粒沉淀得离心力在预定得离心时间内得到一部分颗粒沉淀及包含未沉淀颗粒得上清液。差速离心分离应用实例600g10min15000g10min100000g60min300000g120minnucleiMitochondrialysosomesPlasmamembraneRiosomalsubunitshomogenateFilteredhomogenateSolublepartofcytoplasmSedimentation区带离心分离－前提

在离心管内得溶液存在密度梯度。采用事先配好得不同浓度(密度)得梯度介质(蔗糖等),按照浓度从大到小得原则,依次层层加入。加入离心管中得梯度介质经高速离心或静置后可形成连续得密度梯度。操作过程区带离心种类差速区带离心(速度区带离心)平衡区带离心(等密度离心)差

速

区

带

离

心差速区带离心基于颗粒得大小、形状得分离梯度液得最大密度不能超过所分离颗粒得最大密度离心过程中,颗粒不断沉降至其浮力密度与梯度液密度相等动态离心分离方法平衡区带离心平衡区带离心梯度液密度范围含盖全部待分离颗粒密度离心过程中,颗粒不断沉降至其浮力密度与梯度液密度相等平衡离心分离方法梯度液得种类和应用细胞分离－区带离心异同区带离心种类差速区带离心平衡区带离心共同点事先在离心管内用低分子量溶质调配好密度梯度梯度介质常用蔗糖常用氯化铯密度梯度最大的密度梯度低于最大密度的沉降样品最大的密度梯度大于最大密度的沉降样品区带形成条件根据各个组分沉降系数的差别，形成各自的区带根据各组分密度差形成区带离心条件在最前的沉降物质达到管底前停止，短时间，低速度使各组分沉降到其平衡的密度区，长时间，高速度

细胞分离－离心设备分类分类方法名称处理量实验室用离心机，工业用离心机温度常温离心机、冷冻离心机转速低速离心机、高速离心机、超速离心机转子结构管式、碟式细胞分离－常用离心设备Solids-ejectingdiskbowlcentrifugeofpilotsizeforsterilizablecontainedinstallation

Nozzlemachinewithpressurizedsolidsdischargeforyeastandbacteriaseparation

细胞分离－常用离心设备Decantercentrifuge

Multichamberbowl,verticalcut

细胞分离－管式离心设备AdisposablecellseparationinsertPowerfugeTMone-chamberwithscraper细胞分离－碟片离心设备(a)Solids-retainingdiskbowl,(b)Radialsolids-ejectingdiskbowl,topfeed、(c)Radialsolids-ejectingdiskbowl,hermeticfeed、(d)Axialsolids-ejectingdiskbowl、(e)Nozzlebowlwithpressurizedsolidsdischarge、(f)Nozzlebowlwithperipheraldischargenozzles、细胞分离－离心设备比较管式离心机优点结构简单，转速和离心力较大缺点沉降面积小、处理能力低；碟式离心机优点转子中存在隔板以增大沉降面积，处理能力大缺点结构复杂、转速较低；细胞分离－离心机处理能力粒子在径向上得沉降速度

轴向移动速度

完全沉降得边界条件

细胞分离－离心机处理能力影响因素

处理样品得特性,如密度、粒径等溶液得特性,如密度、粘度等离心机机械结构,如r1和r2操作条件,ω

细胞分离－过滤定义过滤就是利用多孔性介质(如滤布)截留固液悬浮液中得固体粒子,进行固液分离得方法。过滤本身就是一种膜分离技术。在分离细胞、菌体或她们得碎片过程中除了沉降分离方法外,过滤技术也就是一种常备得分离方法。细胞分离－过滤过程受力分析推动力:过滤操作以压力差为主要推动力;阻力:过滤过程得阻力来自多孔性过滤介质和介质表面不断堆积形成得滤饼

细胞分离－过滤速率Rm表示介质得阻力;Rc表示滤饼得阻力;μL为滤液得粘度细胞分离－恒压过滤方程Ruth恒压过滤方程其中,K为Ruth恒压过滤系数,表示为细胞分离－提高过滤速度得途径采用絮凝或凝聚得方法预处理改变料液得性质,降低滤饼阻力加入助滤剂以改变滤饼得压缩性指数,提高过滤速度胞内产物释放

－学习要点理解:各种细胞破碎方法原理、优缺点及其适用范围。应用:采用不同得细胞破碎方法对不同细胞进行不同程度得破碎。胞内产物释放

－细胞结构(真核细胞与原核细胞)动物细胞没有细胞壁，只有由脂质和蛋白质组成的细胞膜植物细胞细胞膜外有一层坚固的细胞壁酵母细胞细胞壁由葡聚糖、甘露聚糖和蛋白质构成，更加难以破碎真核细胞原核细胞革兰氏阳性菌细胞壁由肽聚糖层组成，壁厚约15～50nm，肽聚糖含量为40~90%，细胞壁较革兰氏阴性菌坚固。革兰氏阴性菌细胞壁在肽聚糖的外侧还有分别由（1）脂蛋白和（2）磷脂和脂多糖构成的两层外壁层，外壁层厚度越8～10nm。胞内产物释放

－细胞膜组成(A)(B)胞内产物释放

－影响产物释放得环境因素在复杂培养基中生长得大肠杆菌细胞其破碎较单一培养基中生长得大肠杆菌细胞更难;对数生长期得细胞会表现得更加脆弱。从连续培养过程中获得得、具有较高比生长速率得念珠菌得细胞壁更加脆弱,而摇瓶培养得念珠菌体则有更加充裕得机会构建更加坚固得细胞壁。酵母细胞壁得厚度和破碎阻力随年龄增长而增加经常在幼酵母细胞中出现得芽痕(Budscars)可引起酵母细胞局部细胞壁强度得降低胞内产物释放

－细胞破碎原理细胞破碎机械破碎高压均浆法，珠磨法、撞击破碎、超声波破碎非机械破碎物理法渗透压冲击、冻结-融化、（超声波）化学法酸碱处理、化学试剂处理生物法酶溶、自溶、噬菌体胞内产物释放

－机械破碎之高压匀浆细胞悬浮液在高压得作用下从阀座与阀杆之间得环隙高速(可达到450m/s)喷出后撞击到碰撞