发酵液的预处理和固液分离方法.ppt

第二章 发酵液的预处理和固液分离①①改改变发酵液的物理性酵液的物理性质，提高固液，提高固液分离效率；分离效率；②②尽可能使尽可能使产物物转入便于后入便于后处理的某理的某一相中一相中( (多多为液相液相) )；；③③去除去除发酵液中部分酵液中部分杂质，以利于提，以利于提取和精制后取和精制后续各工序的各工序的顺利利进行 发酵液预处理的目的发酵液预处理的目的2.1 发酵液的预处理和固液发酵液的预处理和固液分离分离预处理和固液分离内容生物产品的分类（根据分离特点）o培养液产品培养液产品：如饮料酒类，没有提取与精制，只需考：如饮料酒类，没有提取与精制，只需考虑除去固相杂志即可虑除去固相杂志即可o细胞产品细胞产品：如活性干酵母，只需固液分离和洗涤可溶：如活性干酵母，只需固液分离和洗涤可溶性杂志的过程性杂志的过程o粗制产品粗制产品：如工业用酶制剂，只需考虑产品提取如工业用酶制剂，只需考虑产品提取o精制产品精制产品：有纯度要求，大多数生物产品属此类，其：有纯度要求，大多数生物产品属此类，其分离回收过程一般包括预处理和固液分离、提取、精分离回收过程一般包括预处理和固液分离、提取、精制和成品加工四步。

制和成品加工四步精制产品分离纯化一般流程精制产品分离纯化一般流程胞外产品胞外产品胞内产品胞内产品2.1 发酵液预处理发酵液预处理2.1.1 引言引言o发酵液预处理的目的：发酵液预处理的目的：o改变滤液的性质改变滤液的性质o除去部分可溶性杂质除去部分可溶性杂质o尽可能使产物转入便于后处理的一相中（多尽可能使产物转入便于后处理的一相中（多数是液相）数是液相）以利于后续各工序的顺利进行以利于后续各工序的顺利进行预处理的方法预处理的方法o加水稀释法加水稀释法Dilution with watero加热法加热法 Heatingo调节悬浮液的调节悬浮液的pH值值 Regulation of pHo凝聚和絮凝凝聚和絮凝 Coagulation and flocculationo助滤剂助滤剂Filter aids和反应剂和反应剂 Reactanto高价无机离子的去除高价无机离子的去除 Removal of inorganic iono杂蛋白的去除杂蛋白的去除 Removal of USELESS PROTEIN发酵液过滤性能的改变发酵液过滤性能的改变o生物悬浮液的特性：生物悬浮液的特性：①①悬浮物颗粒小，比重与液相相差不大；悬浮物颗粒小，比重与液相相差不大；②②固体粒子可压缩性大；固体粒子可压缩性大；③③粘度大，含有蛋白质、多糖等胶体物质，大粘度大，含有蛋白质、多糖等胶体物质，大多为非牛顿型流体。

多为非牛顿型流体o改性的目的：降低滤饼比阻，提高过滤与分改性的目的：降低滤饼比阻，提高过滤与分离的速率离的速率① ① 发酵酵产物物浓度度较低，而且低，而且悬浮液中大部分是水；浮液中大部分是水；② ② 悬浮物浮物颗粒小，相粒小，相对密度与液相相差不大；密度与液相相差不大；③ ③ 固体粒子可固体粒子可压缩性大；性大；④ ④ 液相粘度大，大多液相粘度大，大多为非牛非牛顿型流体；型流体；⑤ ⑤ 性性质不不稳定，随定，随时间变化微生物发酵液的特性微生物发酵液的特性一、降低液体粘度一、降低液体粘度根据流体力学原理，滤液通过滤饼的速根据流体力学原理，滤液通过滤饼的速率与液体的粘度成反比，降低液体粘度就可率与液体的粘度成反比，降低液体粘度就可有效提高过滤速率有效提高过滤速率降低液体粘度的常用方法降低液体粘度的常用方法q 加水稀释法加水稀释法q 加热法加热法 加水稀释法加水稀释法 优点：降低液体粘度，提高过滤速优点：降低液体粘度，提高过滤速率率缺点：增加悬浮液的体积，加大后缺点：增加悬浮液的体积，加大后继过程的处理任务继过程的处理任务 加热法加热法 优点：优点：1. 升高温度可有效降低液体粘度，提高升高温度可有效降低液体粘度，提高过滤速率；过滤速率； 2. 在适当温度和受热时间下可使蛋白质在适当温度和受热时间下可使蛋白质凝聚，形成较大颗粒的凝聚物，进一凝聚，形成较大颗粒的凝聚物，进一步改善了发酵液的过滤特性。

步改善了发酵液的过滤特性 实例：链霉素发酵液，调酸至后，加热至70℃，维持半小时，液相粘度下降至原来的1/6，过滤速率可增大10～100倍 加热法注意事项：加热法注意事项： 使用加热法时必须严格控制加热使用加热法时必须严格控制加热温度与时间温度与时间1.加热的温度必须控制在不影响目的产物活性变质的范围内；2.温度过高或时间过长，会使细胞溶解，胞内物质外溢，增加发酵液的复杂性，影响其后的产物分离与纯化二、调整二、调整pHpH值直接影响发酵液中某些物质的电离值直接影响发酵液中某些物质的电离度和电荷性质，适当调节度和电荷性质，适当调节pH值可改善其过滤值可改善其过滤特性是发酵工业中发酵液预处理中常用的方是发酵工业中发酵液预处理中常用的方法之一氨基酸、蛋白质等两性物质，在其等电点处的氨基酸、蛋白质等两性物质，在其等电点处的溶解度最小，此即为溶解度最小，此即为等电点沉淀法等电点沉淀法应用用实例：味精生例：味精生产中，利用等中，利用等电点点(pH3.22)(pH3.22)沉淀法提取沉淀法提取谷氨酸谷氨酸；；对于蛋白于蛋白质，由，由于于羧基的基的电离度比氨基大，故蛋白离度比氨基大，故蛋白质的酸性性的酸性性质通常通常强于碱性，因而大多数蛋白于碱性，因而大多数蛋白质的等的等电点点都在酸性范都在酸性范围内～内～5.5)5.5)。

利用酸性来利用酸性来调节发酵酵液液pHpH值使之达到等使之达到等电点，可除去蛋白点，可除去蛋白质等酸性等酸性两性物两性物质 在膜在膜过滤中，中，发酵液中的大分子物酵液中的大分子物质易易与膜与膜发生吸附，通生吸附，通过调整整pHpH值改改变易吸附分易吸附分子的子的电荷性荷性质，即可减少堵塞和，即可减少堵塞和污染细胞、胞、细胞碎片及某些胶体物胞碎片及某些胶体物质等在某等在某个个pHpH值下也可能下也可能趋于絮凝而成于絮凝而成为较大大颗粒，粒，有利于有利于过滤的的进行 应用用实例：例：三、凝聚与絮凝三、凝聚与絮凝 采用凝聚和絮凝技采用凝聚和絮凝技术能有效改能有效改变大分子物大分子物质的分散状的分散状态，使其聚，使其聚结成成较大的大的颗粒，便粒，便于提高于提高过滤速率；速率； 采用凝聚和絮凝技采用凝聚和絮凝技术能有效地除去能有效地除去杂蛋白蛋白质和固体和固体杂质，提高，提高滤液液质量 作用：作用：1．凝聚．凝聚 凝聚凝聚是指在电解质作用下，由于胶是指在电解质作用下，由于胶粒之间双电层电排斥作用降低，电位下粒之间双电层电排斥作用降低，电位下降，而使胶体体系不稳定的现象。

降，而使胶体体系不稳定的现象 在生理在生理pHpH值下，下，发酵液中的菌体或蛋白酵液中的菌体或蛋白质常常常常带有有负电荷，由于静荷，由于静电引力的作用，使溶液中引力的作用，使溶液中带相反相反电荷的阳离子被吸附在其周荷的阳离子被吸附在其周围，在界面上形，在界面上形成双成双电层但是，但是，这些正离子些正离子还具有因具有因热运运动而离开胶粒而离开胶粒表面的表面的趋势在相距胶核表面在相距胶核表面约一个离子半径一个离子半径SternStern平面以内，平面以内，正离子被正离子被紧密束密束缚在胶核表面，称在胶核表面，称为吸附吸附层；；在在SternStern平面以外，剩余的正离子在溶液中平面以外，剩余的正离子在溶液中扩散散开去，距离越开去，距离越远，，浓度越小，最后达到主体溶液的度越小，最后达到主体溶液的平均平均浓度，称度，称为扩散散层双电层的组成双电层的组成当当胶胶粒粒在在溶溶液液中中作作相相对运运动时，，总有有一一薄薄层液液体体，，随随着着它它一一起起滑滑移移，，这一一薄薄层的的厚厚度度比比吸吸附附层稍稍大大，，滑滑移面在移面在图中用波中用波纹线表示滑滑移移面面上上的的电位位称称为ξξ电位位（（或或电动电位位）），，它它是是控控制制胶胶粒粒间电排排斥斥作作用用的的电位位，，用用来来表表征征双双电层的的特特征，是研究凝聚机理的重要参数。

征，是研究凝聚机理的重要参数 带有相同有相同电荷和荷和扩散双散双电层的的结构ξξ电位越大，位越大，电排斥作用就越排斥作用就越强，胶粒的分，胶粒的分散程度也越大，散程度也越大，发酵液酵液过滤就越困就越困难 胶粒保持分散状态的原因胶粒保持分散状态的原因 胶粒表面的水化作用，形成了包胶粒表面的水化作用，形成了包围于粒子周于粒子周围的水化的水化层，也能阻碍胶粒，也能阻碍胶粒间的的直接聚集直接聚集如果在如果在发酵液中加入具有相反酵液中加入具有相反电性的性的电解解质，就可以中和胶粒的，就可以中和胶粒的电性，使性，使ξξ电位降低，胶体体系位降低，胶体体系变得不得不稳定当双当双电层的排斥力不足以抗衡胶粒的排斥力不足以抗衡胶粒间的范德的范德华引力引力时，由于，由于热运运动的的结果就果就导致胶粒的互相碰撞而聚集致胶粒的互相碰撞而聚集另外，由于另外，由于电解解质离子在水中的水化离子在水中的水化作用会破坏胶粒周作用会破坏胶粒周围的水化的水化层，使胶粒可，使胶粒可以直接碰撞而聚集以直接碰撞而聚集影响凝聚作用的主要因素是影响凝聚作用的主要因素是无机无机盐的种的种类、、化合化合价价以及无机以及无机盐的用量。

的用量根据静根据静电学基本定理，可推学基本定理，可推导ξ电位的基本公式位的基本公式为 （（2－－1））q：胶体的：胶体的电动电荷密度，即滑移面上的荷密度，即滑移面上的电荷密度，荷密度，库仑/m2；；D：水的介：水的介电常数，常数，F·m-1；；δ：：扩散散层的有效厚度，的有效厚度，m（即吸附（即吸附层和和扩散散层界面界面处电位位Φd降低到其降低到其值为1/e处的距离，不能直接的距离，不能直接测定）定） （2-2)N N：阿伏伽德：阿伏伽德罗常数，常数，molmol-1-1；；e e：：电子子电荷，荷，库仑；；k k：波：波尔兹曼常数，曼常数，J J·K K-1-1；；T T：：热力学温度，力学温度，K K；；c ci i：：i i离子摩离子摩尔浓度，度，mol/Lmol/L；；Z Zi i：：i i离子的化合价离子的化合价从上两式可知，从上两式可知，ξ电位与溶液电位与溶液中带相反电荷的离子强度有关，中带相反电荷的离子强度有关，因此，提高离子的化合价和浓度因此，提高离子的化合价和浓度可以压缩扩散双电层，使其厚度可以压缩扩散双电层，使其厚度减小，从而使减小，从而使ξ电位降低。

电位降低电解质的凝聚能力可用凝聚值来表电解质的凝聚能力可用凝聚值来表示，使胶粒发生凝聚作用的最小电解示，使胶粒发生凝聚作用的最小电解质浓度（质浓度（mol/L）称为）称为凝聚值凝聚值根据根据Schuze-Hardy法则，反离子法则，反离子的价数越高，该值就越小，即凝聚能的价数越高，该值就越小，即凝聚能力越强阳离子对带负电荷的发酵液胶体粒子凝聚阳离子对带负电荷的发酵液胶体粒子凝聚能力的次序为：能力的次序为：Al3+ > Fe3+> H+> Ca2+ > Mg2+ > K+ > Na+ > Li+ 常用的凝聚常用的凝聚电解解质有：有：硫酸硫酸铝A1A12 2(SO(SO4 4) )3 3·18H18H2 2O (O (明明矾) )氯化化铝AIClAICl3 3·6H6H2 2O O三三氯化化铁FeClFeCl3 3·6H6H2 2O O硫酸硫酸亚铁FeSOFeSO4 4·7H7H2 2O O石灰、石灰、ZnSOZnSO4 4、、MgCOMgCO3 3等 2．絮凝．絮凝采用凝聚方法得到的凝聚体，其颗采用凝聚方法得到的凝聚体，其颗粒常常是比较细小的，有时还不能有效粒常常是比较细小的，有时还不能有效地进行分离。

采用絮凝法则常可形成粗地进行分离采用絮凝法则常可形成粗大的絮凝体，使发酵液较易分离大的絮凝体，使发酵液较易分离絮凝絮凝是指在某些高分子絮凝剂存在是指在某些高分子絮凝剂存在下，基于架桥作用，使胶粒形成较大絮下，基于架桥作用，使胶粒形成较大絮凝团的过程凝团的过程 絮凝絮凝剂是一种能溶于水的高分子聚合物，其是一种能溶于水的高分子聚合物，其相相对分子分子质量可高达数万至一千万以上，它量可高达数万至一千万以上，它们具具有有长链状状结构，其构，其链节上含有上含有许多多活性功能活性功能团，，包括包括带电荷的阴离子荷的阴离子( (如如-COOH)-COOH)或阳离子或阳离子( (如如-NH-NH2 2) )基基团以及不以及不带电荷的非离子型基荷的非离子型基团它它们通通过静静电引力、范德引力、范德华力或力或氢键的作用，的作用，强烈地吸附在胶粒的表面当一个高分子聚合物烈地吸附在胶粒的表面当一个高分子聚合物的的许多多链节分分别吸附在不同的胶粒表面上，吸附在不同的胶粒表面上，产生生桥架架联接接时，就形成了，就形成了较大的絮大的絮团，，这就是就是絮凝絮凝作用作用对絮凝剂的化学结构一般有下列要求对絮凝剂的化学结构一般有下列要求:q分子必须含有相当多的活性官能团，使之分子必须含有相当多的活性官能团，使之能和胶粒表面相结合；能和胶粒表面相结合；q必须具有长链的线性结构，以便同时与多必须具有长链的线性结构，以便同时与多个胶粒吸附形成较大的絮团，但絮凝剂的个胶粒吸附形成较大的絮团，但絮凝剂的相对分子量不能超过一定限度，以使其具相对分子量不能超过一定限度，以使其具有良好的溶解性。

有良好的溶解性  根据其活性基团在水中解离情况根据其活性基团在水中解离情况的不同，絮凝剂可分为的不同，絮凝剂可分为:Ø 非离子型非离子型Ø 阴离子型阴离子型Ø 阳离子型阳离子型 根据其来源的不同又可分为如下三类：根据其来源的不同又可分为如下三类：(1) 有机高分子聚合物，如聚丙烯酰胺类衍生有机高分子聚合物，如聚丙烯酰胺类衍生物、聚苯乙烯类衍生物物、聚苯乙烯类衍生物2) 无机高分子聚合物，如聚合铝盐、聚合铁无机高分子聚合物，如聚合铝盐、聚合铁盐等3) 天然有机高分子絮凝剂，如聚糖类胶粘物、天然有机高分子絮凝剂，如聚糖类胶粘物、海藻酸钠、明胶、骨胶、壳多糖、脱乙酰海藻酸钠、明胶、骨胶、壳多糖、脱乙酰壳多糖等壳多糖等 应用现状：应用现状：目前最常用的絮凝目前最常用的絮凝剂是有机合成的是有机合成的聚聚丙丙烯酰胺胺类衍生物衍生物，其絮凝体粗大，分离，其絮凝体粗大，分离效果好，絮凝速度快，用量少，适用范效果好，絮凝速度快，用量少，适用范围广它们的主要缺点是存在一定的毒性，的主要缺点是存在一定的毒性，特特别是阳离子型聚丙是阳离子型聚丙烯酰胺，一般不宜用胺，一般不宜用于食品及医于食品及医药工工业。

近年来近年来发展的展的聚丙聚丙烯酸酸类阴离子絮凝阴离子絮凝剂，无毒，可用于食品和医，无毒，可用于食品和医药工工业 影响因素：影响因素：较多的絮凝多的絮凝剂有助于增加有助于增加桥架的数量，架的数量，但但过多的添加量反而会引起吸附多的添加量反而会引起吸附饱和，和，絮凝絮凝剂争争夺胶粒而使絮凝胶粒而使絮凝团的粒径的粒径变小，絮凝效果下降小，絮凝效果下降 絮凝剂的加量絮凝剂的加量絮凝剂相对分子量和类型絮凝剂相对分子量和类型溶液的溶液的pH搅拌转速和时间搅拌转速和时间溶液溶液pHpH值的的变化常会影响离子型化常会影响离子型絮凝絮凝剂中官能中官能团的的电离度，从而离度，从而影响吸附作用的影响吸附作用的强弱3．混凝．混凝对于带负电荷的菌体或蛋白质来说，对于带负电荷的菌体或蛋白质来说，采用阳离子型高分子絮凝剂同时具有降采用阳离子型高分子絮凝剂同时具有降低胶粒双电层电位和产生吸附桥架的双低胶粒双电层电位和产生吸附桥架的双重机理这种包括凝聚和絮凝机理的过程，这种包括凝聚和絮凝机理的过程，称为称为混凝混凝对于非离子型和阴离子型高分子絮凝剂，对于非离子型和阴离子型高分子絮凝剂，则可以与无机电解质凝聚剂搭配使用。

则可以与无机电解质凝聚剂搭配使用首先加入首先加入电解解质，使，使悬浮粒子浮粒子间的双的双电层电位降低、脱位降低、脱稳，凝聚成微粒，然后再加，凝聚成微粒，然后再加入絮凝入絮凝剂絮凝成絮凝成较大的大的颗粒无机电解解质的的凝聚作用凝聚作用为高分子絮凝高分子絮凝剂的架的架桥创造了良好造了良好的条件，从而大大提高了絮凝的效果的条件，从而大大提高了絮凝的效果四、加入惰性助滤剂四、加入惰性助滤剂助滤剂助滤剂是一种不可压缩的多孔微粒，是一种不可压缩的多孔微粒，它能使滤饼疏松，滤速增大它能使滤饼疏松，滤速增大 使用助滤剂后，悬浮液中大量的细微使用助滤剂后，悬浮液中大量的细微胶体粒子被吸附到助滤剂的表面上，从而胶体粒子被吸附到助滤剂的表面上，从而改变了滤饼结构，它的可压缩性下降，过改变了滤饼结构，它的可压缩性下降，过滤阻力降低滤阻力降低 硅藻土、硅藻土、纤维素、石棉粉、珍素、石棉粉、珍珠岩、白土、炭粒、淀粉珠岩、白土、炭粒、淀粉常用的助滤剂常用的助滤剂助滤剂的使用方法：助滤剂的使用方法：在过滤介质表面预涂助滤剂在过滤介质表面预涂助滤剂直接加入发酵液直接加入发酵液两种方法同时兼用两种方法同时兼用使用使用时需要一个需要一个带搅拌器拌器的混合槽，充分的混合槽，充分搅拌混合拌混合均匀，防止分均匀，防止分层沉淀。

沉淀五、加入反应剂五、加入反应剂 加入某些不影响目的产物的反应剂，加入某些不影响目的产物的反应剂，可消除发酵液中某些杂质对过滤的影可消除发酵液中某些杂质对过滤的影响，从而提高过滤速率响，从而提高过滤速率 加入反应剂，可以和某些可溶性盐类发加入反应剂，可以和某些可溶性盐类发生反应生成不溶性沉淀，如生反应生成不溶性沉淀，如CaSO4、、AlPO4等生成的沉淀能防止菌丝体粘结，使菌丝生成的沉淀能防止菌丝体粘结，使菌丝具有块状结构，沉淀本身可作为助滤剂，并具有块状结构，沉淀本身可作为助滤剂，并且能使胶状物和悬浮物凝固，从而改善过滤且能使胶状物和悬浮物凝固，从而改善过滤性能正确选择反应剂和反应条件，能使过滤正确选择反应剂和反应条件，能使过滤速率提高速率提高3~10倍应用实例：应用实例：在新生霉素在新生霉素发酵液中加入酵液中加入氯化化钙和磷和磷酸酸钠，生成的磷酸，生成的磷酸钙沉淀可充当助沉淀可充当助滤剂，，另一方面可使某些蛋白另一方面可使某些蛋白质凝固环丝氨酸氨酸发酵液用氧化酵液用氧化钙和磷酸和磷酸处理，理，生成磷酸生成磷酸钙沉淀，能使沉淀，能使悬浮物凝固，多余浮物凝固，多余的磷酸根离子的磷酸根离子还能除去能除去钙、、镁离子，并且离子，并且在在发酵液中不会引入其他阳离子，以免影酵液中不会引入其他阳离子，以免影响响环丝氨酸的离子交氨酸的离子交换吸附。

吸附如果发酵液中含有不溶性多糖物质，则最如果发酵液中含有不溶性多糖物质，则最好用酶将它转化为单糖，以提高过滤速率好用酶将它转化为单糖，以提高过滤速率例如万古霉素用淀粉作培养基，例如万古霉素用淀粉作培养基，发酵液酵液过滤前加入％的淀粉前加入％的淀粉酶，，搅拌拌30min30min后，再加％后，再加％硅藻土助硅藻土助滤剂，从而可使，从而可使过滤速率提高速率提高5 5倍2.2 发酵液中部分杂质的去除发酵液中部分杂质的去除在预处理时，必须采用适当的方法在预处理时，必须采用适当的方法使这些杂质沉淀，在固液分离时除去，使这些杂质沉淀，在固液分离时除去，以利于后提取与精制过程的顺利进行以利于后提取与精制过程的顺利进行 一、高价无机离子的除去一、高价无机离子的除去 发酵液中常见的无机离子主要有发酵液中常见的无机离子主要有Ca2+、、Mg2+和和Fe2+等 通常使用草酸通常使用草酸 当当发酵液中酵液中钙离子离子浓度度较高高时，可用草酸，可用草酸的可溶性的可溶性盐，如草酸，如草酸钠反应生成的草酸生成的草酸钙还能促使蛋白能促使蛋白质凝固，改善凝固，改善发酵液的酵液的过滤性能由于草酸价格由于草酸价格较贵，，应注意采用适当方法注意采用适当方法回收。

回收 钙离子的去除：钙离子的去除：Ca2+——加草酸钠沉淀加草酸钠沉淀 C2O4Na2+ Ca2 + →C2O4Ca↓+ 2Na+应用实例：应用实例：四四环类抗生素抗生素发酵液常采用草酸酵液常采用草酸钙沉淀法除去沉淀法除去钙离子，在其离子，在其废液中加入硫液中加入硫酸酸铅，在，在60℃60℃下反下反应生成草酸生成草酸铅，后者，后者在在9090－－95℃95℃下用硫酸分解，再下用硫酸分解，再经过滤、、冷却、冷却、结晶后即可回收草酸晶后即可回收草酸 镁离子的去除：镁离子的去除： 可加入三聚磷酸钠，它和镁离子可加入三聚磷酸钠，它和镁离子形成可溶性络合物后，即可消除对离形成可溶性络合物后，即可消除对离子交换的影响子交换的影响 Na5P3O10 + Mg2+ MgNa3P3O10 + 2Na+加入黄血盐加入黄血盐(三水合六氰合铁三水合六氰合铁(ⅡⅡ)酸酸钾钾 )，可与铁离子形成普鲁士蓝沉淀，可与铁离子形成普鲁士蓝沉淀而除去 发酵液中铁离子的去除：发酵液中铁离子的去除：4Fe3++ 3K4Fe(CN)6→Fe4[Fe(CN)6]3↓+ 12K+二、杂蛋白质的除去二、杂蛋白质的除去在改善发酵液过滤特性的众在改善发酵液过滤特性的众多方法中，有许多可在改善过滤多方法中，有许多可在改善过滤特性的同时，除去杂蛋白质。

特性的同时，除去杂蛋白质 1. 沉淀法沉淀法 蛋白质是两性物质，蛋白质是两性物质，在酸性溶液中，能与一些阴离子如三氯乙在酸性溶液中，能与一些阴离子如三氯乙酸盐、水杨酸盐、钨酸盐、苦味酸盐、鞣酸酸盐、水杨酸盐、钨酸盐、苦味酸盐、鞣酸盐、过氯酸盐等形成沉淀；盐、过氯酸盐等形成沉淀；在碱性溶液中，能与一些阳离子如在碱性溶液中，能与一些阳离子如Ag＋＋、、Cu2＋＋、、Zn2＋＋、、Fe3＋＋和和Pb2＋＋等形成沉淀等形成沉淀 2. 变性法变性法 使蛋白质变性的方法很多，其中最常使蛋白质变性的方法很多，其中最常用的是用的是加热法加热法加热不仅使蛋白质变性，加热不仅使蛋白质变性，同时降低液体粘度，提高过滤速率同时降低液体粘度，提高过滤速率 将将柠檬酸檬酸发酵液加酵液加热至至80℃80℃以上，使以上，使蛋白蛋白质变性凝固和降低性凝固和降低发酵液粘度，即可酵液粘度，即可大大提高大大提高过滤速率 使蛋白质变性的其他方法有：大幅使蛋白质变性的其他方法有：大幅度调节度调节pH，加酒精、丙酮等有机溶剂或，加酒精、丙酮等有机溶剂或表面活性剂等表面活性剂等 变性法存在一定的局限性变性法存在一定的局限性加热法只适合于对热较稳定的目的产物；加热法只适合于对热较稳定的目的产物；极端极端pH也会导致某些目的产物失活，并且也会导致某些目的产物失活，并且要消耗大量酸碱；有机溶剂法通常只适用要消耗大量酸碱；有机溶剂法通常只适用于所处理的液体数量较少的场合。

于所处理的液体数量较少的场合3. 吸附法吸附法 加入某些吸附剂或沉淀剂吸加入某些吸附剂或沉淀剂吸附杂蛋白质而除去附杂蛋白质而除去 在四在四环类抗生素中，采用黄血抗生素中，采用黄血盐和硫酸和硫酸锌的的协同作用生成同作用生成亚铁氰化化锌钾的胶状沉的胶状沉淀来吸附蛋白淀来吸附蛋白质，在生，在生产实际中已取得很中已取得很好的效果好的效果在枯草芽在枯草芽孢杆菌杆菌发酵液中，加入酵液中，加入氯化化钙和磷酸和磷酸氢二二钠，两者生成，两者生成庞大的凝胶，把大的凝胶，把蛋白蛋白质、菌体及其它不溶性粒子吸附并包、菌体及其它不溶性粒子吸附并包裹在其中而除去，从而可加快裹在其中而除去，从而可加快过滤速率应用实例：应用实例：2.3 固－液分离过程和分类固－液分离过程和分类 固液分离是生物产品工厂中经常遇到的固液分离是生物产品工厂中经常遇到的重要单元操作培养基、发酵液、某些中重要单元操作培养基、发酵液、某些中间产物和半成品等都需进行固液分离间产物和半成品等都需进行固液分离 其中发酵液由于种类多、粘度大和成分其中发酵液由于种类多、粘度大和成分复杂，其固液分离最为困难复杂，其固液分离最为困难固液分离的方法很多，根据颗粒收固液分离的方法很多，根据颗粒收集的方式不同，可分为两大类型：集的方式不同，可分为两大类型：第一类：第一类：沉降和浮选沉降和浮选 第二类：第二类：过滤过滤在沉降和浮选所组成的第一类中，液体在沉降和浮选所组成的第一类中，液体受限于一个固定的或旋转的容器而颗粒在液受限于一个固定的或旋转的容器而颗粒在液体里自由移动，分离是由于内、外力场的加体里自由移动，分离是由于内、外力场的加速作用产生的质量力施加在颗粒上造成的，速作用产生的质量力施加在颗粒上造成的，这种力场可能是重力场、离心力场或磁场。

这种力场可能是重力场、离心力场或磁场 如果作用的是重力或离心力如果作用的是重力或离心力(除浮选外除浮选外)，为了进行分离，在固体和悬浮液体之间，为了进行分离，在固体和悬浮液体之间必须要有密度差必须要有密度差 第二类被不严格地统称为过滤，颗第二类被不严格地统称为过滤，颗粒受到过滤介质的限制，而液体可自由粒受到过滤介质的限制，而液体可自由通过介质通过介质 在发酵液或生物培养液的分离过程在发酵液或生物培养液的分离过程中，当前用得较多的还是过滤中，当前用得较多的还是过滤(包括错包括错流膜过滤流膜过滤)和离心两大方法和离心两大方法2.4 过滤法过滤法（（Filtration））过滤是传统的化工单元操过滤是传统的化工单元操作，而且是目前工业生产中作，而且是目前工业生产中用于分离细胞和不溶性物质用于分离细胞和不溶性物质的主要方法，其操作是迫使的主要方法，其操作是迫使液体通过固体支承物或过滤液体通过固体支承物或过滤介质，把固体截留，从而达介质，把固体截留，从而达到固、液分离的目的到固、液分离的目的过滤过滤o过滤介质：过滤采用的多孔物质；o滤浆：所处理的悬浮液；o滤液：通过多孔通道的液体；o滤饼或滤渣：被截留的固体物质一．发酵液的过滤特性和滤饼的一．发酵液的过滤特性和滤饼的重量比阻重量比阻微生物的发酵液大多数属于非牛顿微生物的发酵液大多数属于非牛顿型液体，滤渣为可压缩性的。

型液体，滤渣为可压缩性的衡量过滤特性的主要指标是滤饼的衡量过滤特性的主要指标是滤饼的重量比阻重量比阻rB，它表示单位滤饼厚度的阻，它表示单位滤饼厚度的阻力系数，与滤饼的结构特性有关力系数，与滤饼的结构特性有关对于不可压缩性滤饼，比阻值为常数，对于不可压缩性滤饼，比阻值为常数，但对于可压缩性滤饼，比阻但对于可压缩性滤饼，比阻rB是操作压力差是操作压力差的函数，一般可用下式表示：的函数，一般可用下式表示： rB＝＝r (△△p)m (2-3) r为不可压缩滤渣的比阻，对于一定的料为不可压缩滤渣的比阻，对于一定的料液，其值为常数；液，其值为常数； m为压缩性指数，一般取～，对不可压缩为压缩性指数，一般取～，对不可压缩性滤饼，性滤饼，m＝＝0；；由（由（2－－3）式可知，滤饼的比阻值是）式可知，滤饼的比阻值是随操作压力差的提高而增大的随操作压力差的提高而增大的开始过滤时应注意不能很快提高压差，开始过滤时应注意不能很快提高压差，通常靠液柱的自然压差进料，并应缓慢地，通常靠液柱的自然压差进料，并应缓慢地，逐步地升高压力，一般在相当长的时间内，逐步地升高压力，一般在相当长的时间内，压力差不要超过压力差不要超过0.05 MPa，最后的压差也，最后的压差也不超过～不超过～0.4 MPa。

恒压下，可压缩性滤饼的比阻值应为常数恒压下，可压缩性滤饼的比阻值应为常数如过滤介质的阻力相对较小可以忽略不计，则如过滤介质的阻力相对较小可以忽略不计，则恒压下的过滤方程式如下：恒压下的过滤方程式如下：q2 ＝ （2－4） 式中式中 q－－ 到瞬间到瞬间τ通过单位过滤面积的滤液量，通过单位过滤面积的滤液量，m；； △△p－－ 压力差，压力差，Pa；；μ－－ 滤液粘度，滤液粘度，Pa．．s；；rB －－ 滤饼的重量比阻，滤饼的重量比阻，m/kg；；XB－通过－通过单位体积滤液，所形成的滤渣重量（干重），单位体积滤液，所形成的滤渣重量（干重），kg/m3；；τ－－ 过滤时间，过滤时间，s 重量比阻可根据式（重量比阻可根据式（2－－4），利用图），利用图解法求得以解法求得以τ/q为纵轴，以为纵轴，以q为横轴所得为横轴所得的直线斜率为的直线斜率为M，则，则rB可按下式计算：可按下式计算： rB ＝＝ （（2－－5））根据滤饼的重量比阻值，可衡量各种不根据滤饼的重量比阻值，可衡量各种不同发酵液过滤的难易程度。

同发酵液过滤的难易程度 练习题：练习题： 在从庆大霉素发酵液过滤分离链霉菌的过滤实在从庆大霉素发酵液过滤分离链霉菌的过滤实验中，使用硅藻土作助滤剂小型过滤机的过滤面验中，使用硅藻土作助滤剂小型过滤机的过滤面积积A＝＝3，滤液粘度，滤液粘度μ＝＝1.1×10-3 Pa·s，过滤压差，过滤压差△△p＝＝6.772×104 Pa，且发酵液固体悬浮物浓度为，且发酵液固体悬浮物浓度为15kg/m3过滤时间所对应的滤液量如下：过滤时间所对应的滤液量如下： ττττ/s /s5 5101020203030V V V V×10×10×10×10-6-6-6-6/m/m/m/m3 3 3 34040555580809595求：滤饼比阻求：滤饼比阻rB 二．影响过滤速度的因素二．影响过滤速度的因素 过滤速度和菌种、发酵条件（培过滤速度和菌种、发酵条件（培养基的组成，未用完培养基的数量，养基的组成，未用完培养基的数量，消泡剂，发酵周期）等有关消泡剂，发酵周期）等有关1. 菌种对过滤速度影响：菌种对过滤速度影响： 真菌的菌真菌的菌丝比比较粗大，粗大，发酵液容易酵液容易过滤，，常不需特殊常不需特殊处理。

理放放线菌菌发酵液菌酵液菌丝细而分枝，交而分枝，交织成网成网络状还含有很多多糖含有很多多糖类物物质，粘性，粘性强，，过滤较困困难，，一般需一般需经预处理，以凝固蛋白理，以凝固蛋白质等胶体细菌菌发酵液的菌体更酵液的菌体更细小，小，过滤十分困十分困难，，如不用絮凝等方法如不用絮凝等方法预处理理发酵液，往往酵液，往往难以采以采用常用常规过滤的的设备来完成来完成过滤操作 用黄豆粉、花生粉作氮源、淀粉作用黄豆粉、花生粉作氮源、淀粉作碳源会使过滤困难碳源会使过滤困难发酵后期加消泡剂或剩余大量未用发酵后期加消泡剂或剩余大量未用完的培养基，都会使过滤困难完的培养基，都会使过滤困难2. 培养基的组成对过滤速度的影响培养基的组成对过滤速度的影响在菌丝自溶前必须放罐，因为细胞在菌丝自溶前必须放罐，因为细胞自溶后的分解产物一般很难过滤自溶后的分解产物一般很难过滤延长发酵周期虽能使发酵单位有所延长发酵周期虽能使发酵单位有所提高，但严重影响发酵液质量，使色素提高，但严重影响发酵液质量，使色素和胶状杂质增多、过滤困难，最终造成和胶状杂质增多、过滤困难，最终造成成品质量降低成品质量降低3. 发酵终了时间对过滤的影响发酵终了时间对过滤的影响三．过滤设备三．过滤设备生化工业常用的过滤设备主生化工业常用的过滤设备主要有加压叶滤机、板框过滤机和要有加压叶滤机、板框过滤机和回转真空过滤机等。

回转真空过滤机等 四．错流过滤四．错流过滤（（Cross-Flow Filtration））错流流过滤又称又称切切向流向流过滤，是一种，是一种维持恒持恒压下高速下高速过滤的的技技术发酵液在酵液在过滤介介质表面作切向流表面作切向流动，，利用流利用流动的剪切作用的剪切作用将将过滤介介质表面的固表面的固体（体（滤饼）移走 错流过滤在膜分离过程中被广错流过滤在膜分离过程中被广泛使用，随着过滤介质的不断改进，泛使用，随着过滤介质的不断改进，采用精密微滤膜的错流过滤法已逐采用精密微滤膜的错流过滤法已逐渐成为过滤操作的主流渐成为过滤操作的主流与传统的真空过滤或板框过滤相比，错与传统的真空过滤或板框过滤相比，错流膜过滤用于抗生素生产的过滤工序具有如流膜过滤用于抗生素生产的过滤工序具有如下优点：下优点： ① ① 过滤收率高② ② 滤液液质量好③ ③ 减少减少处理步理步骤④ ④ 对染菌罐批易于染菌罐批易于处理，也容易理，也容易进行行扩大生大生产错流过滤的缺点：错流过滤的缺点：①①错流流过滤产生的剪切作用容易使蛋白生的剪切作用容易使蛋白质产物失活；物失活； ②②能耗比一般能耗比一般过滤高，大部分用来使流体高，大部分用来使流体产生快速流生快速流动；； ③③固相的含水量固相的含水量较高，主要是起高，主要是起浓缩作用；作用； ④④不能避免不能避免过滤介介质的的污染和堵塞，解决的染和堵塞，解决的办法是采用脉冲反洗式法是采用脉冲反洗式错流流过滤。

五五 澄清过滤澄清过滤o当悬浮液通过滤层时，固体颗粒被阻拦或吸当悬浮液通过滤层时，固体颗粒被阻拦或吸附在滤层的颗粒上，使滤液得以澄清，这种附在滤层的颗粒上，使滤液得以澄清，这种方法叫做澄清过滤方法叫做澄清过滤o适合于固体含量少于适合于固体含量少于0.1%(V)、颗粒直径、颗粒直径较小的悬浮液的过滤分离，多用于需要除菌较小的悬浮液的过滤分离，多用于需要除菌的场合2.5 离心分离法离心分离法（（Centrifugation））离心分离，是利用惯性离心力和离心分离，是利用惯性离心力和物质的沉降系数或浮力密度的不同物质的沉降系数或浮力密度的不同而进行的分离操作而进行的分离操作 离心分离离心分离对那些固体那些固体颗粒很小或液体黏粒很小或液体黏度很大，度很大，过滤速度很慢，甚至速度很慢，甚至难以以过滤的的悬浮液十分有效；浮液十分有效；对那些忌用助那些忌用助滤剂或助或助滤剂使用无效的使用无效的悬浮液的分离，也能得到浮液的分离，也能得到满意的意的结果分离速率快、分离效率高、液相澄清度分离速率快、分离效率高、液相澄清度好等 优点：优点： 离心分离结果得到的是浆状物而离心分离结果得到的是浆状物而不是干的滤饼；不是干的滤饼； 离心设备复杂、价格昂贵。

离心设备复杂、价格昂贵 缺点：缺点：离心分离的形式离心分离的形式 ①离心沉降离心沉降，利用固液两相的相对密度差，在离心机无孔转鼓或管子中进行悬浮液的分离操作；②离心过滤离心过滤，利用离心力并通过过滤介质，在有孔转鼓离心机中分离悬浮液的操作；③离心分离和超离心离心分离和超离心，利用不同溶质颗粒在液体中各部分分布的差异，分离不同相对密度液体的操作 2.5.1 离心沉降离心沉降 一．离心沉降的原理一．离心沉降的原理 离心沉降的基础是固离心沉降的基础是固体的沉降体的沉降Ff球形颗粒沉降的受力情况当一个固体微粒通过当一个固体微粒通过无限连续流体时，其运动无限连续流体时，其运动速度受到两种力影响：速度受到两种力影响：一是连续流体对它一是连续流体对它的浮力的浮力FB；；二是流体对运动粒子二是流体对运动粒子的粘滞力的粘滞力Ff当这两种力达到平衡当这两种力达到平衡时，该微粒即以恒定的速时，该微粒即以恒定的速度沉降 假设该微粒为球形，则该微粒所受的假设该微粒为球形，则该微粒所受的浮力可表示为：浮力可表示为： FB = (ρs - ρ)gV = (2-6) 式中式中 d为粒子直径；为粒子直径； ρs和和ρ分别为粒子和流体的密度；分别为粒子和流体的密度； g为重力加速度；为重力加速度； V为粒子体积。

为粒子体积在稀溶液中，作用于单个球形微粒上的在稀溶液中，作用于单个球形微粒上的粘滞力粘滞力Ff，可用，可用Stockes定律表示：定律表示：Ff = = （2-7） 式中式中μ连续流体的黏度；连续流体的黏度；u为粒子的运动为粒子的运动速度；速度；CD为阻滞系数；为阻滞系数；A为粒子在运动方向为粒子在运动方向上的投影面积上的投影面积 其中其中CD不是常数，它取决于雷诺数不是常数，它取决于雷诺数Re的变化，对于球形粒子，根据实验得知：的变化，对于球形粒子，根据实验得知： Re < 1 CD = 24/Re (2-8)1< Re < 104 CD = 24/Re + 3/ + 0.34 (2-9) 对于生化溶质来说，可以满足对于生化溶质来说，可以满足Re<1的的要求，所以：要求，所以：Ff = CD = (2-10)当粒子以匀速运动沉降时，当粒子以匀速运动沉降时，FB＝＝Ff，故，故最终匀速沉降速率为：最终匀速沉降速率为： u = (2-11) 沉降速率与粒子直径的平方成正比，与沉降速率与粒子直径的平方成正比，与粒子和流体的密度差成正比，而与流体的黏粒子和流体的密度差成正比，而与流体的黏度成反比；也就是度成反比；也就是说粒子的沉降速度粒子的沉降速度仅仅是是液体性液体性质及粒子本身特性的函数。

及粒子本身特性的函数 如果粒子在离心力场中沉降，则重力加速如果粒子在离心力场中沉降，则重力加速度度g应换成离心加速度应换成离心加速度ω2r，即：，即： u = （2-12） ω为旋转角速度，为旋转角速度， r为粒子离转轴中心的距离为粒子离转轴中心的距离 离心分离因数离心分离因数Fr (又称离心力强度又称离心力强度) Fr = （2-13） Fr表示了粒子在离心机中产生的离心表示了粒子在离心机中产生的离心加速度与自由下降的加速度之比；加速度与自由下降的加速度之比；Fr越大，越大，越有利于分离越有利于分离  在实践中，常按分离因数在实践中，常按分离因数Fr的大小，对离心的大小，对离心机分类：机分类：①①Fr<3000，为常速离心机；，为常速离心机；②②Fr＝＝3000～～50000，为中速离心机；，为中速离心机；③③Fr≥50000，为高速离心机；，为高速离心机；④④Fr = 2×104～～106，为超速离心机，为超速离心机 二．离心式沉降分离设备二．离心式沉降分离设备及其原理及其原理利用离心沉降力将悬浮液中固液相利用离心沉降力将悬浮液中固液相分离，其设备可分为两大类：分离，其设备可分为两大类：Ø离心沉降设备离心沉降设备Ø离心过滤设备离心过滤设备 离心沉降离心沉降设备从操作方式上看，有分批操作从操作方式上看，有分批操作和和连续操作之分；从形式上看有管式、套筒式、操作之分；从形式上看有管式、套筒式、碟片式等形式；从出渣方式上看，有人工碟片式等形式；从出渣方式上看，有人工间歇出歇出渣和自渣和自动出渣等方式。

出渣等方式1．管式离心机．管式离心机管式离心机管式离心机结构构简单，，仅是一根直管形的是一根直管形的转筒，其筒，其直径直径较小，小，长度度较大，大，转速速很高，可达到很高，可达到50000rpm50000rpm，从，从而而产生生强大的离心力，除此大的离心力，除此之外它之外它还可以冷却，可以冷却，这有利有利于蛋白于蛋白质的分离 操作操作时，，悬浮液或乳浮液或乳浊液从管底加入，被液从管底加入，被转筒的筒的纵向肋板向肋板带动与与转筒同速旋筒同速旋转，，上清液在上清液在顶部排出，固体粒部排出，固体粒子沉降到筒壁上形成沉渣和子沉降到筒壁上形成沉渣和粘稠的粘稠的浆状物 缺点是运缺点是运转一段一段时间后，需停机清除沉渣后才后，需停机清除沉渣后才能重新使用，因此操作是能重新使用，因此操作是间歇式的 假假设某典型粒某典型粒子位于距离心机底子位于距离心机底部部z z及离及离转轴r r处的的位置上，位置上，这一位置一位置是在液体表面半径是在液体表面半径R R1 1和离心管半径和离心管半径R R0 0之之间 粒子在运转的离心机中沿着粒子在运转的离心机中沿着z和和r两个方向运两个方向运动，其中在动，其中在z方向上的运动，是由离心机底部进方向上的运动，是由离心机底部进入料液的对流作用引起的：入料液的对流作用引起的： = （（2-14））式中式中Q为料液流量。

为料液流量z方向上的运动速方向上的运动速度随度随Q的增加而加大，而与粒子所处位置的增加而加大，而与粒子所处位置无关，因此它是常数无关，因此它是常数  粒子在粒子在r方向上的运动，可用下方向上的运动，可用下式表示：式表示： = （（2-15）） 又知粒子在重力场中的沉降速率又知粒子在重力场中的沉降速率为：为： ug = （（2-16））  由式（由式（2-15）和（）和（2-16））可得：可得： = （（2-17）） 结合式（结合式（2-14）、（）、（2-17），可得），可得到微粒在离心机中的运动轨迹，即：到微粒在离心机中的运动轨迹，即： = = （（2-18））当当ug较高（微粒直径或其密度较大）较高（微粒直径或其密度较大）时，微粒将很快到达管壁；而当泵入流速时，微粒将很快到达管壁；而当泵入流速Q增大时，悬浮固体微粒将向上走得更远增大时，悬浮固体微粒将向上走得更远才能到达管壁。

才能到达管壁 考虑到最难除去的粒子，即在考虑到最难除去的粒子，即在r＝＝R1处进入处进入离心机，并且在出口处（离心机，并且在出口处（z≈H））接近筒壁接近筒壁(r＝＝R0)的粒子对这些难以去除的粒子，按进入和离开的边对这些难以去除的粒子，按进入和离开的边界条件将式（界条件将式（2-18）进行积分得：）进行积分得： Q = （（2-19））对于管式离心机，正常分离操作所允于管式离心机，正常分离操作所允许的最的最大物料流速，即大物料流速，即生生产能力能力Q Q，是反映微粒和料液，是反映微粒和料液特性的沉降速度特性的沉降速度u ug g以及离心机特性参数以及离心机特性参数H H、、R R0 0、、R R1 1及及ωω的函数  在大多数管式离心机中，由于液层很薄，在大多数管式离心机中，由于液层很薄，所以所以R0接近于接近于R1，因此式（，因此式（2-19）可以简）可以简化为：化为：式中R＝（R0＋R1）/2，为平均半径，这样式（2－19）可以写成：该式同样表明最大流量Q取决于系统的性质ug和离心机的特性[∑]，这给离心机的设计、放大以及操作带来了方便。

 用管式离心机从发酵液中分离大肠杆用管式离心机从发酵液中分离大肠杆菌细胞，已知离心机转鼓内径为，高转菌细胞，已知离心机转鼓内径为，高转速为速为16000rpm，生产能力，生产能力Q＝＝3/h求：（（1）细胞的离心沉降速度）细胞的离心沉降速度ug；；（（2）若大肠杆菌细胞破碎后，微粒直径）若大肠杆菌细胞破碎后，微粒直径平均降低一倍，细胞浆液浓度升高平均降低一倍，细胞浆液浓度升高3倍试估算用上述离心机对破碎细胞液的处理试估算用上述离心机对破碎细胞液的处理能力2．碟片式离心机．碟片式离心机 碟片式离心机有一密封碟片式离心机有一密封的转鼓，内装十至上百个锥的转鼓，内装十至上百个锥顶角为顶角为60°60°～～100°100°锥形碟片，锥形碟片，悬浮液由中心进料管进入转悬浮液由中心进料管进入转鼓，从碟片外缘进入碟片间鼓，从碟片外缘进入碟片间隙向碟片内缘流动颗粒沉隙向碟片内缘流动颗粒沉降到碟片内表面上后向碟片降到碟片内表面上后向碟片外缘滑动，最后沉积到鼓壁外缘滑动，最后沉积到鼓壁上已澄清的液体经溢流口上已澄清的液体经溢流口或由向心泵排出或由向心泵排出在碟片式离心机中，料在碟片式离心机中，料液从中心管进入离心机底液从中心管进入离心机底部后，以部后，以θθ角沿着锥形碟角沿着锥形碟片向上、向内运动。

现设片向上、向内运动现设典型粒子位于直角坐标的典型粒子位于直角坐标的某点某点( (x x，，y y) )上，这里的上，这里的x x是是指沿着碟片的粒子离开碟指沿着碟片的粒子离开碟片外缘的距离；而片外缘的距离；而y y是指离是指离开碟片的垂直距离碟片开碟片的垂直距离碟片外缘与内缘半径分别为外缘与内缘半径分别为R R0 0和和R R1 1，转速为，转速为ωω 粒子的运动过程可分析如下：粒子的运动过程可分析如下： (1) 粒子在粒子在x方向的运动由对流和沉降方向的运动由对流和沉降引起，可用下式表示：引起，可用下式表示： = （（2-20）） 式中式中u u0 0是因对流造成的液速，是因对流造成的液速，u uωωsinsinθθ是是粒子在离心力作用下产生的粒子在离心力作用下产生的x x方向上的沉降分方向上的沉降分速度，速度，θθ是碟片与垂线间的倾角是碟片与垂线间的倾角  式中式中Q Q为总流量；为总流量；n n为碟片数；为碟片数；r r为粒子离转为粒子离转鼓轴线的距离；鼓轴线的距离；h h为碟片间的垂直距离；为碟片间的垂直距离；f f（（y y））为流速随碟片间的距离变化的函数。

为流速随碟片间的距离变化的函数 大多数情况下，大多数情况下，u0 比沉降速度比沉降速度uωsinθ大得多，并且大得多，并且u0是半径和是半径和y的函数，的函数，在碟片表面上，其值为零，在碟片间隙的在碟片表面上，其值为零，在碟片间隙的中央其值最大因此，可以得到下式：中央其值最大因此，可以得到下式： = = （（2-21））  根据质量守恒定律，可知在根据质量守恒定律，可知在y方方向上向上u0的平均值必然与该平均速度的平均值必然与该平均速度相等：相等： = （（2-22）） 根据定义，函数根据定义，函数f（（y）在碟片间）在碟片间隙隙h上的积分应为：上的积分应为： = 1 (2-23) 将式（将式（2-20）、（）、（2-21）结合，就）结合，就得到粒子在得到粒子在x方向上运动情况：方向上运动情况： = ≈ u0 = （（2-24））(2) 粒子沿粒子沿y方向上的运动速度：方向上的运动速度： = （（2-25））或写成：或写成： =  将上式与式将上式与式(2-24)结合，可得下式：结合，可得下式： = = （（2-26）） 从示意图可发现从示意图可发现r = R0- xsinθ，将它，将它代入式代入式(2-24)，可得到粒子在离心机碟，可得到粒子在离心机碟片间的运动轨迹：片间的运动轨迹： = （（2-27）） 从示意图中不难看出，处于碟片外缘从示意图中不难看出，处于碟片外缘半径即半径即x = 0处且在相邻两碟片中的下处且在相邻两碟片中的下碟片上，即碟片上，即y = 0处的粒子是最难分离处的粒子是最难分离的。

如果在其离开隙道前刚好抵达上碟的如果在其离开隙道前刚好抵达上碟片底部，及其坐标为片底部，及其坐标为x = ，，y = h，则在离心立场的作用下，该粒，则在离心立场的作用下，该粒子将沿着碟片的底部运动到碟片的外缘，子将沿着碟片的底部运动到碟片的外缘，汇集到滤渣中去汇集到滤渣中去  按照上述分析的边界条件，对式按照上述分析的边界条件，对式(2-27)进行积分并整理后可得：进行积分并整理后可得：Q = = （（2-28））与管式离心机一致，碟片式离心机与管式离心机一致，碟片式离心机的生产能力的生产能力Q取决于参数取决于参数ug和和∑，其中，，其中，ug是由悬浮固体微粒的特性决定的；是由悬浮固体微粒的特性决定的；而而∑反映了离心机的几何特性反映了离心机的几何特性 2.5.2 离心过滤离心过滤离心离心过滤是将料液送入有孔的是将料液送入有孔的转鼓并利用离心力鼓并利用离心力场进行行过滤的的过程，以离心力程，以离心力为推推动力完成力完成过滤作作业，兼有离心和，兼有离心和过滤的双重作用。

的双重作用一．离心过滤的原理一．离心过滤的原理 料液首先进入装有过滤介质的料液首先进入装有过滤介质的转鼓中，然后被加速到转鼓旋转速转鼓中，然后被加速到转鼓旋转速度，形成附着在鼓壁上的液环度，形成附着在鼓壁上的液环与沉降式离心机一样，粒子受与沉降式离心机一样，粒子受离心力而沉积，过滤介质则阻止粒离心力而沉积，过滤介质则阻止粒子的通过，形成滤饼当悬浮液的子的通过，形成滤饼当悬浮液的固体粒子沉积时，滤饼表面生成了固体粒子沉积时，滤饼表面生成了澄清液，该澄清液透过滤饼层和过澄清液，该澄清液透过滤饼层和过滤介质向外排出滤介质向外排出 间歇离心过滤间歇离心过滤二．离心过滤的设备二．离心过滤的设备 离心过滤机设离心过滤机设有一个开孔转鼓，有一个开孔转鼓，可以分离固体密度可以分离固体密度大于或小于液体密大于或小于液体密度的悬浮液度的悬浮液三．离心过滤分离过程分析三．离心过滤分离过程分析 以工业上常用的篮式以工业上常用的篮式( (或筐式或筐式) )过滤离心机为例，过滤器是半过滤离心机为例，过滤器是半径为径为R R0 0的多孔圆筒，转鼓的内表的多孔圆筒，转鼓的内表面铺有一层流动阻力较小的滤布，面铺有一层流动阻力较小的滤布，加料液连续地加入圆筒，被迅速加料液连续地加入圆筒，被迅速旋转的圆筒甩向内壁，一方面形旋转的圆筒甩向内壁，一方面形成恒定料液表面，离轴半径为成恒定料液表面，离轴半径为R R1 1，另一方面粒子积累于内壁上形，另一方面粒子积累于内壁上形成滤饼，离轴的半径为成滤饼，离轴的半径为R RC C。

 已知平板型过滤器操作时，通过滤已知平板型过滤器操作时，通过滤饼的压力降与流速成正比：饼的压力降与流速成正比： = （（2-29））式中式中l为滤饼厚度；为滤饼厚度；μ为料液黏度；为料液黏度；α为为滤饼比阻；滤饼比阻；ρ0为单位体积料液中固体为单位体积料液中固体的质量对于篮式离心机：对于篮式离心机：①① 滤饼不是平板而呈圆柱形，压力降滤饼不是平板而呈圆柱形，压力降随半径而变化，可用下式表示：随半径而变化，可用下式表示： = （（2-30））②② 流体通过滤饼的流速也随半径而异，流体通过滤饼的流速也随半径而异，越接近鼓壁流速越小，可用下式表示：越接近鼓壁流速越小，可用下式表示： u = （（2-31）） 式中式中Q为滤液的体积流量，与位置无为滤液的体积流量，与位置无关，是常数；关，是常数；H为离心机的高度为离心机的高度 结合式结合式(2-30)和式和式(2-31)，可，可得到：得到： = （（2-32）） 将上式从将上式从Rc → R0积分，可以得到积分，可以得到滤饼层的压力降：滤饼层的压力降： = （（2-33）） 在离心过滤中，造成压力降的推动在离心过滤中，造成压力降的推动力应该是施加在流体上的离心力：力应该是施加在流体上的离心力： = （（2-34）） 结合式结合式(2-33)和式和式(2-34)便可便可求得通过滤饼的流体流量：求得通过滤饼的流体流量： Q = （（2-35））体积流量体积流量Q并非常数，而是随并非常数，而是随着滤饼厚度的变化而变化，滤饼厚着滤饼厚度的变化而变化，滤饼厚度增加则度增加则RC减小，减小，Q也减小，并且也减小，并且Q和和RC都是时间的函数。

都是时间的函数 在离心过滤的计算中，所需求的是给在离心过滤的计算中，所需求的是给定体积料液的过滤时间，因此要将上述定体积料液的过滤时间，因此要将上述公式进行转换，可利用公式进行转换，可利用Q的定义以及固体的定义以及固体的质量守恒公式来完成：的质量守恒公式来完成： Q = (2-36) = (2-37) 式中式中ρC为单位体积滤饼中固体的质量；为单位体积滤饼中固体的质量；ρ0为单位体积料液中所含固体的质量为单位体积料液中所含固体的质量 将式将式(2-36)和式和式(2-37)代入式代入式(2-35)后积分可得过滤时间：后积分可得过滤时间： t = （（2-38）） 该式是得到厚度为该式是得到厚度为(R0-RC)的滤饼所需的滤饼所需的过滤时间，常用于过滤操作的放大的过滤时间，常用于过滤操作的放大 2.5.3 超离心法超离心法根据物质的沉降系数、质量和形根据物质的沉降系数、质量和形状不同，应用强大的离心力，将混合状不同，应用强大的离心力，将混合物中各组分分离、浓缩、提纯的方法物中各组分分离、浓缩、提纯的方法称为称为超离心法超离心法。

应用超离心技术中的差速离心、等密度梯度应用超离心技术中的差速离心、等密度梯度离心等方法，已经成功的分离制取各种亚细胞物离心等方法，已经成功的分离制取各种亚细胞物质，如线粒体、微粒体、溶酶体、肿瘤病毒等质，如线粒体、微粒体、溶酶体、肿瘤病毒等 超离心法是现代生物技术领域研究中不可缺少超离心法是现代生物技术领域研究中不可缺少的实验室分析和制备手段的实验室分析和制备手段 用用5×105g以上的强大离心力，长时间的离心以上的强大离心力，长时间的离心(如如17h以上以上)，可获得具有生物活性的，可获得具有生物活性的DNA、各、各种与蛋白质合成有关的酶系、各种种与蛋白质合成有关的酶系、各种mRNA和和tRNA等，这为遗传工程、酶工程的发展提供了等，这为遗传工程、酶工程的发展提供了必需基础必需基础一．超离心技术的原理一．超离心技术的原理 超离心技术中，由于使用的离心机超离心技术中，由于使用的离心机类型是无孔转鼓，所以也属离心沉降，类型是无孔转鼓，所以也属离心沉降，根据前面的讨论，粒子在离心力场中根据前面的讨论，粒子在离心力场中进行沉降的基本公式为：进行沉降的基本公式为： = （（2-39）） 如果粒子在离心力场中作匀速直线运动，即： = （2-40） 结合上两式并积分，便可求得在某种介质中，使一种球形粒子从液体的弯月面沉降到离心管某部(如底部)所需的时间: t = （2-41） t = （2-41） 式中t为沉降时间；μ为悬浮介质的黏度；d为粒子直径；ρs为粒子密度；ρ为介质密度；r1为从旋转轴中心到液体弯月面的距离；r2为从旋转轴中心到离心管底部的距离。

在某一转速时，沉降一组均匀的球形颗在某一转速时，沉降一组均匀的球形颗粒所需要的时间与它们直径的平方以及它们粒所需要的时间与它们直径的平方以及它们的密度和悬浮介质的密度之差成反比，而与的密度和悬浮介质的密度之差成反比，而与介质的黏度成正比介质的黏度成正比 当粒子直径当粒子直径d和密度和密度ρ0不同时，移动同不同时，移动同样距离所需的时间不同，在同样的沉降时间，样距离所需的时间不同，在同样的沉降时间，其沉降的位置也不同，这是其沉降的位置也不同，这是“微分离心微分离心”的的基础 二．超离心技术的分类二．超离心技术的分类 按照处理要求和规模，超按照处理要求和规模，超离心技术分为：离心技术分为：p制备性超离心制备性超离心p分析性超离心分析性超离心1．制备性超离心．制备性超离心 制备性超离心的主要目的是最大限度制备性超离心的主要目的是最大限度地从样品中分离高纯度目标组分，进行地从样品中分离高纯度目标组分，进行深入的生物化学研究深入的生物化学研究  制备性超离心分离和纯化生物样品制备性超离心分离和纯化生物样品一般使用以下方法：一般使用以下方法：u 差速离心法差速离心法u 一般密度梯度离心法一般密度梯度离心法u 等密度离心法等密度离心法(1) 粒子差速离心粒子差速离心 (Differential Pelleting) 简称差速离心法，是采用逐渐增加简称差速离心法，是采用逐渐增加离心速度或低速和高速交替进行离心，离心速度或低速和高速交替进行离心，使沉降粒子，在不同离心速度及不同使沉降粒子，在不同离心速度及不同离心时间下分批分离的方法。

离心时间下分批分离的方法 (2) 一般密度梯度离心法一般密度梯度离心法 (Density gradient centrifugation) 也称也称分级区带离心分级区带离心，它是把样品铺放在，它是把样品铺放在一个连续的液体密度梯度上，然后进行离心，一个连续的液体密度梯度上，然后进行离心，并控制离心分离的时间，使得粒子完全沉降并控制离心分离的时间，使得粒子完全沉降之前，在液体梯度中移动而形成不连续分离之前，在液体梯度中移动而形成不连续分离区带 该法仅用于分离有一定沉降系数差的粒该法仅用于分离有一定沉降系数差的粒子，与粒子密度无关子，与粒子密度无关 (3) 等密度离心法等密度离心法 (Isopycnic Centrifugation) 当不同粒子存在密度差时，在离心当不同粒子存在密度差时，在离心力场作用下，粒子或向下沉降，或向上力场作用下，粒子或向下沉降，或向上浮起，一直移动到与它们密度恰好相等浮起，一直移动到与它们密度恰好相等的位置上的位置上(即等密度点即等密度点)并形成区带，此并形成区带，此即即等密度离心法等密度离心法 位于等密度点上的粒子没有运动，区位于等密度点上的粒子没有运动，区带的形状和位置都不受离心时间的影响，带的形状和位置都不受离心时间的影响，体系处于动态平衡。

体系处于动态平衡等密度离心的有效分离仅取决于粒子的等密度离心的有效分离仅取决于粒子的密度差密度差越大，分离效果越好，与密度差密度差越大，分离效果越好，与粒子的大小和形状无关，但是此二者决定粒子的大小和形状无关，但是此二者决定着达到平衡的速度、时间和区带宽度着达到平衡的速度、时间和区带宽度  根据梯度产生的方式，等密度离心法又根据梯度产生的方式，等密度离心法又可分为：可分为：p预形成梯度预形成梯度(Preformed gradient)p自形成梯度自形成梯度(Self-formed gradient)的等密的等密度离心，又称平衡等密度离心度离心，又称平衡等密度离心①① 预形成梯度等密度离心预形成梯度等密度离心 需事先制备密度梯度，常用的梯度需事先制备密度梯度，常用的梯度介质主要是非离子型的化合物介质主要是非离子型的化合物(如蔗糖、如蔗糖、甘油等甘油等)离心时把样品铺放在梯度介质的液离心时把样品铺放在梯度介质的液面上，这个密度包括了所需要研究的密面上，这个密度包括了所需要研究的密度范围，直到粒子的漂浮密度和梯度的度范围，直到粒子的漂浮密度和梯度的密度相等时，粒子才发生沉降，并排列密度相等时，粒子才发生沉降，并排列成不同的区带。

成不同的区带②② 自形成梯度的等密度离心自形成梯度的等密度离心(平衡等密度离心平衡等密度离心) 平衡等密度离心常用的梯度介平衡等密度离心常用的梯度介质有粒子有粒子型型盐类如如铯盐或或铷盐和三碘化苯衍生物等和三碘化苯衍生物等离心离心时是把密度均一的介是把密度均一的介质溶液和溶液和样品品混合后装入离心管中，通混合后装入离心管中，通过离心自形成梯度，离心自形成梯度，让粒子在梯度中粒子在梯度中进行再分配行再分配离心达到平衡后，不同密度的粒子在梯离心达到平衡后，不同密度的粒子在梯度中各自分配到其等密度点的特定位置上，度中各自分配到其等密度点的特定位置上，形成不同的区形成不同的区带 粒子达到等密度点的时间与转速粒子达到等密度点的时间与转速有关，提高转速可缩短平衡时间，延有关，提高转速可缩短平衡时间，延长时间可弥补转速不高的问题，一般长时间可弥补转速不高的问题，一般离心所需的时间应以最小粒子达到平离心所需的时间应以最小粒子达到平衡的时间为准衡的时间为准 2．． 分析性超离心分析性超离心分析性超离心技术主要用于研究纯的或基分析性超离心技术主要用于研究纯的或基本上是纯的大分子或粒子本上是纯的大分子或粒子(如核蛋白体如核蛋白体)。

它只需要很少量的物质，并配备有光学分它只需要很少量的物质，并配备有光学分析系统，来连续地监测物质在离心力场中的析系统，来连续地监测物质在离心力场中的行为，从这样的研究中得到的资料可以推断行为，从这样的研究中得到的资料可以推断物质的纯度、相对分子质量和构象的变化物质的纯度、相对分子质量和构象的变化(1) 相对分子质量的测定相对分子质量的测定 借助于纹影光学系统和吸收扫描光学系统，用沉淀速度法可测定沉降系数S： S = （2-42） 式中 ω为角速度；r为粒子的瞬间旋转半径；t为时间 利用沉降系数即沉降平衡法来测定相对分子质量： M = （2-43） 式中 M为分子量，R为气体常数，T为热力学温度，S为沉降系数，D为分子扩散系数， 为分子的部分比容积(1克溶质加入大溶剂中所占的体积)，ρ为溶剂密度(2) 大分子纯度的估计大分子纯度的估计 用沉降速度技用沉降速度技术分析沉降界面是分析沉降界面是测定制定制剂均均质性的最广泛的方法之一，如性的最广泛的方法之一，如果果试剂是均是均质的，的，则会出会出现单个清晰的个清晰的沉降界面，如果有沉降界面，如果有杂质，，则含有另外一含有另外一些峰出些峰出现在主峰的一在主峰的一侧或两或两侧。

(3) 检测大分子中构象的变化检测大分子中构象的变化 分子构象上的分子构象上的变化，可以通化，可以通过检查样品品在沉降速度上的差异来在沉降速度上的差异来证实，分子越是，分子越是紧密，密，它在溶它在溶剂中的摩擦阻力越小；分子越不中的摩擦阻力越小；分子越不规则，，摩擦阻力就越大，沉降就越慢，因此通摩擦阻力就越大，沉降就越慢，因此通过样品在品在处理前后沉降速度的差异，可以理前后沉降速度的差异，可以检测它它在构象上的在构象上的变化 。