分离工程第二章ppt课件
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分离工程 第二章-2讲解
②相对挥发度法——计算步骤
已知 设T xi, P
Pis , Pks , ...
i=1,2,…k…c
Ki
Pi s P
?
Y
yi 1
N
ik
Ki Kk
Pi s Pks
ik xi
T
Pks
Kk
ik xi
Pks f (T )
Pks Kk P
K k
1 ik xi
Tb，yi
24
C个
未知变量：
2C+2个
15
2.2.1 泡点温度和泡点压力计算
已知 xi (i=1,2,…c),P 或 T
计算方程有：
yi ,T或P
①相平衡关系 ②浓度和式
yi = Ki xi (i=1,2, …c)
c
yi 1
i 1
c
xi 1
i 1
C
1 2C+2
1
③汽液平衡常数关联式 Ki = f (P, T, xi, yi) C
(SRK or RKS)
Peng-Robinson (P-R)
Equation
p RT V
p ZRT V
p
RT V b
V
2
a
bV
Equation constants and function
None
Z zpr ,Tr , Zc or as derived from date
与实验 值相近
A.逸度系数法
K
C
2
1.742
B.列线图法
K
C
2
1.95
化工分离过程ppt
自由度数与
相律：f c 2 c 2 2 c
组分数相当
计算类型 泡点温度 泡点压力 露点温度 露点压力
规定量（c个）
P, x1, x2 ,xc1 T , x1, x2 ,xc1 P, y1, y2 ,yc1 T , y1, y2 ,yc1
求解量 T , y1, y2,yc P, y1, y2,yc T , x1, x2 ,xc P, x1, x2 ,xc
2. lnPiS=Ai-Bi/(t+Ci)
3. 常压操作 解法1：用试差法计算
Ki Pi S
c
P ; Ki xi 1 i 1
T(设) ∑Kixi
70℃ 0.379
110℃ 1.344
98℃ 0.951
100℃ 1.00
15
2.2.1 泡点温度和压力的计算
解法2：用αiK计算（不试差，适用于完全理想系）
露点温度是在一定压力下降低温度，当出现第一个液滴 时的温度，露点压力是在一定温度下增加压力，当出现 第一个液滴时的压力。
5
泡点和露点的意义
泡点温度:一定组成的液体，在恒压下加热的过程中，出现第一个气泡时的温 度，也就是一定组成的液体在一定压力下与蒸汽达到汽液平衡时的温度。
露点温度:一定组成的汽体，在恒压下冷凝的过程中，出现第一个液滴时的温 度，也就是一定组成的蒸汽在一定压力下与液相达到汽液平衡时的温度。
c
f P Ki xi 1 0 i 1
11
2.2.1 泡点温度和压力的计算
1. 平衡常数与组成无关的泡点温度计算
Ki f (T , P)
泡点方程：
c
f T Ki xi 1 0 i 1
分离工程ppt课件共52页PPT
将过程所产生的废物最大限度地回收和
循环使用。
产品
原
料
1
1
1
废
物 2
废
物 2
排除
2
1—单元过程；2—处理
实现分离与再循环系统使废物最小化的方法： ●废物直接再循环
例：废水
●进料提纯
例：氧化反应采用纯氧
●除去分离过程中加入的附加物质
例：共沸剂、萃取剂
●附加分离与再循环系统
例：分离废物中的有效物，循环使用
●加氢重整后得到：轻油 非芳烃 苯 甲苯 二甲苯 高级芳烃
目的产物为 对二甲苯
● 特点：
邻二甲苯 间二甲苯 对二甲苯
沸点℃ 熔点72
138.351 13.263
● 涉及到分离过程：精馏：4、7、8 萃取：5、6 结晶：10
目的产 物
总 结：
●降低原材料和能源的消耗，提高有效利用率、 回收利用率、循环利用率；
●开发和采用新技术、新工艺、改善生产操作条 件，以控制和消除污染；
●采用生产装置的闭路循环技术；
●处理生产中的副产物和废物，使之减少和消除 对环境的危害；
●研究、开发和采用低物耗、低能耗、高效率的 “三废”治理技术。
闭路循环系统：
ESA）
改变原溶 液的相对 挥发度
以苯酚作溶 剂由沸点相 近的非芳烃 中分离芳烃 ；以醋酸丁 酯作共沸剂 从稀溶液中 分离醋酸。
返回
1.2.2 速率分离过程
膜分离 场分离
速率分离:
利用溶液中不同组分在某 种推动力（浓度差、压力差、 温度差、电位差等）作用下， 经过某种介质（半透膜）时 的传质速率（透过率、迁移 率、扩速率）差异而实现分 离。
吸
相态 介： 理： 用：
《化工分离工程》PPT课件-第4讲分离过程
y i = K i xi
C
i = 1,2,..., C
C
（2）摩尔分率加和方程： 2个 摩尔分率加和方程：
∑x
i =1
i
= 1 .0
∑y
i =1
i
= 1.0
2C＋ 2C＋2 C个
（3）汽液平衡常数关联式： 汽液平衡常数关联式：
Ki = f (T , P, x, y)
i = 1,2,...,C
变量数： 变量数：
泡点和露点计算在设计计算中应用
精馏塔各级温度确定
泡点和露点计算在设计计算中应用
精馏塔操作压力的选择
① 塔顶蒸汽的冷凝温度和釜液的 沸腾温度 ② 对组分相对挥发度的影响 ③塔的造价和操作费用 ④对传质效率的影响
计算出发点： 计算出发点：
单级汽液平衡系统， 单级汽液平衡系统，汽液相具有相同的温度T和压力p， 组分的液相组成与汽相组成成平衡关系。 组分的液相组成与汽相组成成平衡关系。 （1）相平衡方程： 相平衡方程： 计 算 方 程： C个
( new )
yi
yi(old ) = (old ) ∑ yi
（3）判断收敛的准则或者是温度的调节方案直接 ） 关系到收敛速度和稳定性。 关系到收敛速度和稳定性。
二、泡点压力的计算
仍然依据的是泡点方程： 仍然依据的是泡点方程：
f ( p ) = ∑ K i xi − 1 = 0
i =1 C
当汽相为理想气体，液相为理想溶液时： 当汽相为理想气体，液相为理想溶液时：
f (T ) = ∑ K i xi − 1 = 0
i =1 C
泡点温度计算
泡点压力计算
一、泡点温度的计算
1. Ki与组成无关： 与组成无关： 泡点方程： 泡点方程： 假定T 假定
化工分离工程培训课件(ppt 32页)
1.1 概 述
什么是分离过程？ 纯组分变成混合物，是熵增自发过程，反之， 混合物变成纯净物则需作功。
混合物 （气、液、固） 分 离 过 程
产品1 产品2 产品n
能量分离剂 ESA 物质分离剂 MSA
借助一定的分离剂，实现混合物中的组分分级 （Fractionalization）、浓缩（Concentration）、富集 （Enrichment）、纯化（Purification）、精制（Refining）与 隔离（Isolation）等的过程称为分离过程。
WHY
Why Separate?
WHY
一、分离过程的地位
化工生产
反应（Reactive）
分离
萃取物 （Extractive Natural raw material）
配制（Formulation）
分离 分离
炼油、石油化工：
石油炼制工业通过炼油过程把原油加工为汽油、 喷气燃料、煤油、汽油、燃料油、润滑油、石 蜡油、石油沥青、石焦油和各种石油化工原料 等；
（一）分离过程的分类 级数： 单级、多级
相态： 固—固、固—液、固—气、气—液、 液—液、气—气
有无传质发生： 机械分离、传质分离
处理两相以上的混合物 如过滤、沉降、离心分离等。
处理均相混合物
（二）传质分离过程的分类
按物理化学原理的不同，传质分离可分为：
平衡分离过程： 如精馏、吸收、萃取、结晶、吸附等。 借助分离剂使均相混合物变成两相系统，再利 用混合物中各组分在处于相平衡的两相中的不 等同分配而实现分离。
除此以外，萃取用于溶剂脱蜡，润滑油 精制，溶剂脱沥青和芳烃抽提等；吸附 用于分子筛脱蜡、C8芳烃分离、烯烃和 烷烃的分离等。
分离工程第2章多组分分离基础精品PPT课件
5
• 设计变量：确定设计中已知变量 • 对于一个只有一处进料的二组分精馏塔，如果
已知进料流率，进料组成浓度，进料状态，塔 压(固有的4个变量)，再规定馏出液浓度A or B ， 釜液回收率A or B 和回流比，则可计算出理论 板数（精馏段和提馏段板数，确定适宜的进料 位置）和冷凝器及再沸器的热负荷。 • 复杂体系
3
2.1.1 设计变量
• （1）设计变量
• 在化工原理课程中，对双组分精馏和单组分吸收 等简单传质过程进行过较详尽的讨论。然而，在 化工生产实际中，遇到更多的是含有较多组分或 复杂物系的分离与提纯问题。
• 在设计多组分多级分离问题时，必须用联立或迭 代法严格地解数目较多的方程，这就是说必须规 定足够多的设计变量，使得未知变量的数目正好 等于独立方程数，因此在各种设计的分离过程中， 首先就涉及过程条件或独立变量的规定问题。
9
• 能量交换数：有热与功的输入和输出，就要增加 相应的能量交换数。
• 系统与环境间能量交换数的确定：有一股热量交 换，增加一个变量数。既有一股热量交换，又有 一股功交换时，应增加两个变量数。
10
• 约束数 Nc
• 约束数可以依靠热力学第一定律和第二定律来计算， 即由物料衡算，热量衡算和平衡关系写出变量之间的 关系式。
调设计变量Na，Nx是指确定进料物流的那些变量
（进料组成和流量）以及系统的压力，这些变量常
常是由单元在整个装置中的地位，或装置在整个流
程中的地位所决定，也就是说，实际上不要由设计
者来指定，而Na才是真正要由设计者来确定的，因 此郭氏法的目的是确定正确Na的值。
8
(2)独立变量与约束数
• 系统的独立变量数由出入系统的各物流的独立变量数 以及系统与环境进行能量交换情况来决定。
• 设计变量：确定设计中已知变量 • 对于一个只有一处进料的二组分精馏塔，如果
已知进料流率，进料组成浓度，进料状态，塔 压(固有的4个变量)，再规定馏出液浓度A or B ， 釜液回收率A or B 和回流比，则可计算出理论 板数（精馏段和提馏段板数，确定适宜的进料 位置）和冷凝器及再沸器的热负荷。 • 复杂体系
3
2.1.1 设计变量
• （1）设计变量
• 在化工原理课程中，对双组分精馏和单组分吸收 等简单传质过程进行过较详尽的讨论。然而，在 化工生产实际中，遇到更多的是含有较多组分或 复杂物系的分离与提纯问题。
• 在设计多组分多级分离问题时，必须用联立或迭 代法严格地解数目较多的方程，这就是说必须规 定足够多的设计变量，使得未知变量的数目正好 等于独立方程数，因此在各种设计的分离过程中， 首先就涉及过程条件或独立变量的规定问题。
9
• 能量交换数：有热与功的输入和输出，就要增加 相应的能量交换数。
• 系统与环境间能量交换数的确定：有一股热量交 换，增加一个变量数。既有一股热量交换，又有 一股功交换时，应增加两个变量数。
10
• 约束数 Nc
• 约束数可以依靠热力学第一定律和第二定律来计算， 即由物料衡算，热量衡算和平衡关系写出变量之间的 关系式。
调设计变量Na，Nx是指确定进料物流的那些变量
（进料组成和流量）以及系统的压力，这些变量常
常是由单元在整个装置中的地位，或装置在整个流
程中的地位所决定，也就是说，实际上不要由设计
者来指定，而Na才是真正要由设计者来确定的，因 此郭氏法的目的是确定正确Na的值。
8
(2)独立变量与约束数
• 系统的独立变量数由出入系统的各物流的独立变量数 以及系统与环境进行能量交换情况来决定。
生物分离工程第二章PPT课件
2. 操作中，根据实际物料的特点(目标产物和其他 组分的性质和相互作用等)、分离的目的和所需 分离的程度，选择适当的操作条件(离心转数和 时间)，可使料液中的不同组分得到分级分离。
16
差 速 离 心
17
18
主要菌体和细胞的离心分离
菌体、细胞
大肠杆菌 酵母 血小板 红血球 淋巴球 肝细胞
大小/μm
51
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）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。
33
（3）过滤速率
dQ dt
A p
L Rm Rc
Rm表示介质的阻力； Rc表示滤饼的阻力； μL为滤液的粘度
34
（4）过滤速度的强化
a．降低滤饼阻力
• 如絮凝剂、凝固剂助滤剂等。
b．降低滤液黏度μ
• 黏度愈低，过滤阻力愈小。加热、去杂蛋白、絮凝、 调pH、选择合适的放罐时间。
过滤介质 : 过滤采用的多孔物质。
织物状介质，棉花、石棉、蚕丝、麻、
羊毛及各种人造纤维与金属丝等
多孔陶瓷介质，此为特殊的介质，低温
烧制，具有大量微细孔道的滤管或滤板 （其他多孔材料，PE等）
膜分离介质，微滤分离等
32
（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
16
差 速 离 心
17
18
主要菌体和细胞的离心分离
菌体、细胞
大肠杆菌 酵母 血小板 红血球 淋巴球 肝细胞
大小/μm
51
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）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。
33
（3）过滤速率
dQ dt
A p
L Rm Rc
Rm表示介质的阻力； Rc表示滤饼的阻力； μL为滤液的粘度
34
（4）过滤速度的强化
a．降低滤饼阻力
• 如絮凝剂、凝固剂助滤剂等。
b．降低滤液黏度μ
• 黏度愈低，过滤阻力愈小。加热、去杂蛋白、絮凝、 调pH、选择合适的放罐时间。
过滤介质 : 过滤采用的多孔物质。
织物状介质，棉花、石棉、蚕丝、麻、
羊毛及各种人造纤维与金属丝等
多孔陶瓷介质，此为特殊的介质，低温
烧制，具有大量微细孔道的滤管或滤板 （其他多孔材料，PE等）
膜分离介质，微滤分离等
32
（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
《分离工程第二章》课件
污水处理
通过分离工程中的技术手段，将污水中的悬浮物、油、重金属等污 染物进行分离和去除。
大气治理
通过分离工程中的技术手段，将大气中的颗粒物、有害气体等进行 分离和去除。
固废处理
在固废处理中，分离工程用于将固体废物中的不同组分进行分离和回 收。
食品工业领域
食品加工
在食品加工中，分离工程用于分离食品中的不同组分，如牛奶中 的奶油和脱脂品添加剂， 如味精、食用香精等。
食品安全检测
通过分离工程中的技术手段，对食品中的有害物质进行检测和分离 。
其他领域
制药工业
在制药工业中，分离工程用于分离和 纯化各种药物成分。
新能源领域
在新能源领域中，分离工程用于太阳 能电池板制造中的硅片切割和海水淡 化技术中的盐分去除。
脱水
将石油中的水分进行分离，以减少对设备和管道的腐蚀。
化工领域
化学反应
01
通过分离工程中的技术手段，实现化学反应的高效分离和产物
纯化。
精细化工
02
在精细化工中，分离工程用于分离高纯度的化学品，如染料、
农药、医药等。
合成气分离
03
将合成气中的不同组分进行分离，如一氧化碳、氢气、甲烷等
。
环境工程领域
环境工程
与环境工程学科的交叉融合，实现环保与分离工程的有机 结合。
感谢观看
THANKS
THE FIRST LESSON OF THE SCHOOL YEAR
分离工程的特点
分离工程具有多样性、复杂性、 高效率和高精度等特点，能够实 现混合物中各组分的有效分离、 纯化和精制。
分离工程的重要性
分离工程在工业生产中的应用
分离工程广泛应用于化工、制药、食品、环保等领域，是实现物质分离纯化的 关键技术之一。
通过分离工程中的技术手段，将污水中的悬浮物、油、重金属等污 染物进行分离和去除。
大气治理
通过分离工程中的技术手段，将大气中的颗粒物、有害气体等进行 分离和去除。
固废处理
在固废处理中，分离工程用于将固体废物中的不同组分进行分离和回 收。
食品工业领域
食品加工
在食品加工中，分离工程用于分离食品中的不同组分，如牛奶中 的奶油和脱脂品添加剂， 如味精、食用香精等。
食品安全检测
通过分离工程中的技术手段，对食品中的有害物质进行检测和分离 。
其他领域
制药工业
在制药工业中，分离工程用于分离和 纯化各种药物成分。
新能源领域
在新能源领域中，分离工程用于太阳 能电池板制造中的硅片切割和海水淡 化技术中的盐分去除。
脱水
将石油中的水分进行分离，以减少对设备和管道的腐蚀。
化工领域
化学反应
01
通过分离工程中的技术手段，实现化学反应的高效分离和产物
纯化。
精细化工
02
在精细化工中，分离工程用于分离高纯度的化学品，如染料、
农药、医药等。
合成气分离
03
将合成气中的不同组分进行分离，如一氧化碳、氢气、甲烷等
。
环境工程领域
环境工程
与环境工程学科的交叉融合，实现环保与分离工程的有机 结合。
感谢观看
THANKS
THE FIRST LESSON OF THE SCHOOL YEAR
分离工程的特点
分离工程具有多样性、复杂性、 高效率和高精度等特点，能够实 现混合物中各组分的有效分离、 纯化和精制。
分离工程的重要性
分离工程在工业生产中的应用
分离工程广泛应用于化工、制药、食品、环保等领域，是实现物质分离纯化的 关键技术之一。
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• 生化工业中最常用的离心分离法，细 胞的分离为一级分级分离。实际应用 中据实际物系的特点、分离目的和所 需分离程度，选择适当的离心机转数 和时间，可使料液中不同组分得到分 级分离。
差速离心
细胞匀浆 低速离心
中速离心
细胞 核仁 细胞骨架
大细胞器 高速离心
小细胞器 超高速离心
核糖体 大分子
（2）密度梯度（区带）离心
• 过滤操作中，滤饼阻力是影响过滤速度 的主要因素，因此一般在过滤前需对料 液进行絮凝或凝聚等预处理，此外可添 加助滤剂(如硅藻土）提高过滤速度。
• 3、过滤设备
– 生化工业常用的过滤制备主要有：
加压叶滤机
板框过滤机
回转真空过滤机
Knife
Dry Wash Immersion
Cake Feed
• 除去细胞碎片后，再进行后续分离纯化 操作。
一、细胞的结构
• 不同种类的细胞结构差别很大，破碎的 难易程度不同： 植物细胞＞真菌（如酵母菌）＞革兰氏 阳性细菌＞革兰氏阴性细菌＞动物细胞。
• 破碎细胞的目的就是使细胞壁和细胞膜 受到不同程度的破坏或破碎，释放其中 的目标产物。
颗粒密度和液体密度。
• 2.对于非球形粒子，可用当量直径代入计 算沉降速度。再根据颗粒的形状系数对计 算值进行校正。
• 颗粒形状系数定义为
A 与非球形颗粒体积相等圆球表面积A
φs =
= Ap
非球形颗粒的表面积Ap
二、离心沉降
• 离心沉降速度
离心 (单 力 位 分 )质 :F 离 c量 r: 因 Z2 4 4数 2 2 gN N2 2rr vs
: fs 24 10 4 Re
d 3 sg
d 3 Lg
L
v
2 g
d
24
Re 1
2
Re
dv g L L
vg
d2ρs ρLg
18μL
其中：Re为雷诺准数；为阻力系数；d为颗粒粒径； L为液体粘度；Vg:重力沉降速度;s和 L分别表示
第二章 固液分离与细胞破碎
第一节 细胞分离
一、重力沉降
• 重力沉降是化工过程中常用的气固、液固 和液液分离手段，在生物分离过程亦有一 定程度应用。
• 以液固沉降为例
d=2R
Fd 球形颗粒沉降的受力情况
• 1、球形粒子的Stokes沉降速度
重力
浮力 阻力
:
fg
1 6
:
fb
1 6
vs
d2ρs ρL
18μL
Zg
4 N r 22
vs22d29 s LLN 2rS r2
其中：r为离心半径；为旋转角速度；N为离心机转数； S为沉降系数，是溶剂物性的函数。
• 2、离心分离法
（1）差速离心分级（Differential centrifugation)
cake 滤饼
传统的过滤
Conventional filtration
filter filter filter
Conceptual representation of plate and frame filter filtrate
solids recovery upon backflush Figure2.1 Schematic respresentation od s filter press
g
vg
其中：称为离心沉降面积，是离心机结构和操作条件的函数； L为管长；r2为转筒内径。
Tubular bowl
三、过滤
• 定义：利用多孔介质（如滤布）截留固 体粒子，进行固液分离的方法。
• 过滤速度
ddQ tLRAm pRc
Rc
W
A
其中：A为过滤面积；p为操作压力；Q为滤液体积；L为滤液粘度； Rm和Rc分别为介质和滤饼的阻力；为滤饼的平均比阻； W为滤饼干重。
cake
W ash w a te r pum p
30'
W ash
V acuum re c e iv e rs
F iltra te
D ry vacuum pum p
A ir out
pum p
B a ro m e tric seal
F ig u re 2 .2 F lo w s h e e t fo r c o n tin u o u s ro ta ry v a c u u m filtra tio n
F lo w s h e e t fo r c o n tin u o u s ro ta ry v a c u u m filtra tio n
w a sh sp ra ys
A ir c o n n e c tio n C o n tin u o s ro ta ry filte r
M o is tu re tra p
– 可用于调配密度梯度的物质除蔗糖、聚蔗 糖，还有CsCl （核酸的分离）和NaBr （脂蛋白的分离） 。
• 聚蔗糖的商品名称为Ficoll，是蔗糖和 1-氯-2、3-环氧丙烷的高聚物， Mr=400000，需要高密度和低渗透压 梯度时，可用Ficol代替蔗糖。
CsCl 密度 梯度 离心
密度梯度离心
Rotary vacuum filter 真空旋转过滤机
第二节 细胞破碎
• 许多生物产物在细胞培养过程中不能分 泌到胞外，而保留在细胞内。
• 如一些胞内酶、部分外源基因表达产物 和植物细胞产物等。这类生物产物在固 液分离后，需对收集到的菌体或细胞进 行细胞破碎（Cell disruption)，使目标产 物释放到液相中。
• 差速区带离心：调配的密度梯度中的最 大密度小于待分离的目标产物的密度。
• 离心操作中，料液中的各个组分在密度 梯度中以不同的速度沉降，根据各个组 分沉降系数不同的差别，形成各自的区 带。
• 平衡区带离心：调配的介质密度梯度比 差速区带离心的密度梯度大。
• 离心操作结果使料液中的高分子溶质在 与其自身密度相等的溶剂密度处形成稳 定的区带，区带中的溶质以该密度为中 心，呈高斯分布。
样品 蔗糖的稳定梯度
离心
样品
蔗糖的不 连续梯度
蔗糖 密度 梯度 离心
慢速沉降成分 快速沉降成分
分离
低浮力密 度成分
高浮力密 度成分
• （3）离心分离设备 – 实验室主要使用离心管式转子离心机； 生化上需用冷冻离心机；工业上较常 用的有管式和碟片式两大类。
－管式离心机的处理能力为：
Qvg
2L2r22
差速离心
细胞匀浆 低速离心
中速离心
细胞 核仁 细胞骨架
大细胞器 高速离心
小细胞器 超高速离心
核糖体 大分子
（2）密度梯度（区带）离心
• 过滤操作中，滤饼阻力是影响过滤速度 的主要因素，因此一般在过滤前需对料 液进行絮凝或凝聚等预处理，此外可添 加助滤剂(如硅藻土）提高过滤速度。
• 3、过滤设备
– 生化工业常用的过滤制备主要有：
加压叶滤机
板框过滤机
回转真空过滤机
Knife
Dry Wash Immersion
Cake Feed
• 除去细胞碎片后，再进行后续分离纯化 操作。
一、细胞的结构
• 不同种类的细胞结构差别很大，破碎的 难易程度不同： 植物细胞＞真菌（如酵母菌）＞革兰氏 阳性细菌＞革兰氏阴性细菌＞动物细胞。
• 破碎细胞的目的就是使细胞壁和细胞膜 受到不同程度的破坏或破碎，释放其中 的目标产物。
颗粒密度和液体密度。
• 2.对于非球形粒子，可用当量直径代入计 算沉降速度。再根据颗粒的形状系数对计 算值进行校正。
• 颗粒形状系数定义为
A 与非球形颗粒体积相等圆球表面积A
φs =
= Ap
非球形颗粒的表面积Ap
二、离心沉降
• 离心沉降速度
离心 (单 力 位 分 )质 :F 离 c量 r: 因 Z2 4 4数 2 2 gN N2 2rr vs
: fs 24 10 4 Re
d 3 sg
d 3 Lg
L
v
2 g
d
24
Re 1
2
Re
dv g L L
vg
d2ρs ρLg
18μL
其中：Re为雷诺准数；为阻力系数；d为颗粒粒径； L为液体粘度；Vg:重力沉降速度;s和 L分别表示
第二章 固液分离与细胞破碎
第一节 细胞分离
一、重力沉降
• 重力沉降是化工过程中常用的气固、液固 和液液分离手段，在生物分离过程亦有一 定程度应用。
• 以液固沉降为例
d=2R
Fd 球形颗粒沉降的受力情况
• 1、球形粒子的Stokes沉降速度
重力
浮力 阻力
:
fg
1 6
:
fb
1 6
vs
d2ρs ρL
18μL
Zg
4 N r 22
vs22d29 s LLN 2rS r2
其中：r为离心半径；为旋转角速度；N为离心机转数； S为沉降系数，是溶剂物性的函数。
• 2、离心分离法
（1）差速离心分级（Differential centrifugation)
cake 滤饼
传统的过滤
Conventional filtration
filter filter filter
Conceptual representation of plate and frame filter filtrate
solids recovery upon backflush Figure2.1 Schematic respresentation od s filter press
g
vg
其中：称为离心沉降面积，是离心机结构和操作条件的函数； L为管长；r2为转筒内径。
Tubular bowl
三、过滤
• 定义：利用多孔介质（如滤布）截留固 体粒子，进行固液分离的方法。
• 过滤速度
ddQ tLRAm pRc
Rc
W
A
其中：A为过滤面积；p为操作压力；Q为滤液体积；L为滤液粘度； Rm和Rc分别为介质和滤饼的阻力；为滤饼的平均比阻； W为滤饼干重。
cake
W ash w a te r pum p
30'
W ash
V acuum re c e iv e rs
F iltra te
D ry vacuum pum p
A ir out
pum p
B a ro m e tric seal
F ig u re 2 .2 F lo w s h e e t fo r c o n tin u o u s ro ta ry v a c u u m filtra tio n
F lo w s h e e t fo r c o n tin u o u s ro ta ry v a c u u m filtra tio n
w a sh sp ra ys
A ir c o n n e c tio n C o n tin u o s ro ta ry filte r
M o is tu re tra p
– 可用于调配密度梯度的物质除蔗糖、聚蔗 糖，还有CsCl （核酸的分离）和NaBr （脂蛋白的分离） 。
• 聚蔗糖的商品名称为Ficoll，是蔗糖和 1-氯-2、3-环氧丙烷的高聚物， Mr=400000，需要高密度和低渗透压 梯度时，可用Ficol代替蔗糖。
CsCl 密度 梯度 离心
密度梯度离心
Rotary vacuum filter 真空旋转过滤机
第二节 细胞破碎
• 许多生物产物在细胞培养过程中不能分 泌到胞外，而保留在细胞内。
• 如一些胞内酶、部分外源基因表达产物 和植物细胞产物等。这类生物产物在固 液分离后，需对收集到的菌体或细胞进 行细胞破碎（Cell disruption)，使目标产 物释放到液相中。
• 差速区带离心：调配的密度梯度中的最 大密度小于待分离的目标产物的密度。
• 离心操作中，料液中的各个组分在密度 梯度中以不同的速度沉降，根据各个组 分沉降系数不同的差别，形成各自的区 带。
• 平衡区带离心：调配的介质密度梯度比 差速区带离心的密度梯度大。
• 离心操作结果使料液中的高分子溶质在 与其自身密度相等的溶剂密度处形成稳 定的区带，区带中的溶质以该密度为中 心，呈高斯分布。
样品 蔗糖的稳定梯度
离心
样品
蔗糖的不 连续梯度
蔗糖 密度 梯度 离心
慢速沉降成分 快速沉降成分
分离
低浮力密 度成分
高浮力密 度成分
• （3）离心分离设备 – 实验室主要使用离心管式转子离心机； 生化上需用冷冻离心机；工业上较常 用的有管式和碟片式两大类。
－管式离心机的处理能力为：
Qvg
2L2r22