生化分离工程 第三章 沉淀
化工原理 第三章 沉降与过滤ppt课件
2) 连续相的粘度：
应用：
➢加酶：清饮料中添加果胶酶，使 ↓→ut↑，易于分离。 ➢增稠：浓饮料中添加增稠剂，使 ↑→ut↓，不易分层。 ➢加热：
320)20两/5/2相4 密度差( p-)：
.
16
在实际沉降中：
4) 颗粒形状
非球形颗粒的形状可用球形度s 来描述。
s
S Sp
s—— 球形度；
S —— 颗粒的表面积，m2；
3
计算Re，核算流型：
Redpu
0.924 24 95 10 69.79 17 0 399 .28 1.00 15 0 3
假设正确，计算有效。
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.
14
（三）影响沉降速度的其它因素 1.干扰沉降
u干扰 u自由
2. 颗粒形状
球形度 与非 颗球 粒形 体颗 积粒 相面 的 等积 表 的 A d面 球 e2 积 表
显著差异。如：悬浮液、乳浊液、泡沫液属于液态非均相物系，
含尘气体、含雾气体属于气态非均相物系。
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.
1
非均相物系由分散相和连续相组成
分散相： 分散物质。在非均相物系中，处于分散状 态的物质。
连续相： 分散介质。包围着分散物质而处于连续状 态的流体。
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2
非均相物系分离： 沉降（重力沉降、离心沉降） 过滤
注意：其中斯托克斯区的计算式是准确的，其它两个区域的 计算式是近似的。
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.
8
第二节 重力沉降
一、重力沉降速度 （一）球形颗粒的自由沉降
自由沉降：颗粒浓度低，分散好，沉降过程中
互不碰撞、互不影响。
阻力 Fd
生物分离工程(三版)03章课件
的沉淀
7
沉淀的定义
由于物理环境的变化而引起 溶质溶解度的降低、生成固体凝 聚物的现象，称为沉淀。
8
沉淀与结晶的区别
沉淀生成的固体颗粒是不定形的 结晶产品为单一组分，而沉淀凝聚物则
成分非常复杂（除了目标产物外，还夹 杂着多种共存的杂质、盐和溶剂等） 沉淀的纯度远低于结晶 多步沉淀操作也可获得高纯度的目标产 品
4
初级分离概念
初级分离是指从发酵液、细胞培养液、胞 内抽提液（细胞破碎液）及其他各种生物 原料初步提取目标产物，使目标产物得到 浓缩和初步分离的下游加工过程。
5
初级分离特点
分离对象：体积大、杂质含量高； 分离技术：低操作成本、适于大规模生产
6
沉淀分离－学习要点
识记：盐析和盐溶概念 理解：蛋白质凝集沉淀的屏障，各种沉
32
等电点沉淀-实现方式
在低离子强度下调整溶液pH值至等电点 在等电点的pH值下利用透析等方法降低
溶液的离子强，使蛋白质沉淀
33
等电点沉淀-操作特点
等电点沉淀在较低的离子强度下进行， 因此沉淀操作结束后无需脱盐
与其它沉淀结合使用，例如在等电点附 近进行的盐析沉淀操作时可以获得更小 的蛋白质溶解度
40
其他沉淀技术
聚合物沉淀
非离子型聚合物沉淀 聚电解质沉淀
重金属盐沉淀蛋白质 生物碱试剂以及某些酸类沉淀蛋白质
41
沉淀生成动力学-沉淀生长
异向生长 发生在沉淀生成初期，微细的蛋白质颗粒
为布朗粒子，沉淀生长为扩散速率控制 同向凝聚
较大的沉淀颗粒在搅拌剪切作用下通过碰 撞而进一步凝聚，生成大颗粒沉淀
高离子强度下的盐析
生物分离工程：03-沉淀(2008)
9
水分子与疏水分子的水笼( Clathrate )效应
●水分子会包围在 非极性分子四周， 形成类似竹笼的构 造，隔离非极性分 子，水分子本身的 流动性因此而降低
10
水分子与极性分子的水合作用
水分子与极性分子的“水笼”效应 水化层 蛋白质形成稳定的胶体溶液 防止蛋白质凝聚沉淀
11
蛋白分子间的静电排斥作用
抗生素 蛋白质
有机溶剂 （乙醇、丙酮或异丁醇）
水
水
与水互溶的有机溶剂
15
非溶剂沉淀
µ i ( 沉淀 ) = µ i ( 溶液 ) = µ i ( 溶液 ) + RT ln yi
0
混合溶剂化学位 µi0（混合溶剂） 原溶剂化学位 µ i0（原溶剂）
2
1
固体溶质化学位 µ i (固体) 饱和浓度
溶质浓度 yi
20
有机溶剂沉淀的一般原则
低温操作：降低温度可使沉淀率增加，并减少生物活性 物质变性的可能。 控制pH：溶液的pH对溶质的沉淀效果有较大的影响。 调节离子强度：在0.05～0.2M时，沉淀比较适宜。 样品浓度适合：样品较稀时，非溶剂需要量增加；样品 浓度过高，则共沉淀作用明显，分辨率下降。 分子量相关：目标物的分子量越大，引发沉淀的非溶剂 量就越少。 防止变性：不能重新溶解的沉淀，溶质很可能已经发生 不可逆变性。
-
-
-+
-+
Water-soluble Water-soluble protein
+
+
+
+ +
-+
-
-+
溶 解 度
Membrane protein
第三章 沉降与过滤
3、过滤速率方程
三、恒压过滤
过滤——恒压过滤，压力为定值，速率减慢 恒速过滤，速率恒定，增大压力 1、恒压过滤速率方程
P为常数，对于一定的滤 浆，、r、为定值 2P 设K r dV K A2 d 2 V Ve
重力：Fg m g 浮力：Fb
6
d P g
3 P
重力Fg向下 浮力Fb向上 阻力Fd向上 d P、 P — —颗粒的直径、密度
6
3 dP g
阻力：Fd
u 2
2
A
— —流体的密度 2 A d P u 沉降速度 4
颗粒在运动过程中，
（Fg Fb）不变，只有 Fd 随u变化 可以把沉降过程分为三 个阶段：
（2）处理量一定时，求最小分离粒径（临界粒径）
qV L H Hu 由 ，得utc u ut L W L 沉降处于层流区时， utc 对应临界粒径 d pc
2 P g dP 1 8
1 8qV p gWL
0 【例】 有一玉米淀粉水悬浮液，温度 20 C ，淀粉颗粒平
6 1 u 2 . 66 10 m s 计算结果表明，与假设相符，故算长5m，用于矿石焙烧炉的炉气除尘。矿尘的密度为 4500kg· m-3，其形状近于圆球。操作条件下气体流量为 25000m3/h ，气体密度 为 0.6kgkg/m3 、粘度为3×10 -5 Pa· s。试求理论上能完全除去的最小矿粒直径。
L
H 沉降时间为： t ut
2、分离过程
H
W
L
u
分离条件： 颗粒从入口到出口的停留时间大于或等于沉降时间
水处理工程=清华大学第一篇第三章 沉淀
第三章C D和雷诺数的关系(球形颗粒)第三章22第三章三、理想沉淀池(1) 颗粒为自由沉淀。
(2) 水流水平流动，过水断面上各点流速相等v 。
(3) 颗粒到底就被去除。
u 0截留速度1. 理想沉淀池工作模型假设L出水区(/)(/4002230012+-+=p u th p p u t h p •计算颗粒去除率（在t 0时刻）：第3节絮凝沉淀第三章38第三章二、拥挤沉降过程曲线交界面等速下降临界沉降点（B,C 区消失）c-d 段污泥压实过程压实高度a-c 段：悬浮物浓度为C 第4节拥挤（分层）沉淀2.不同初始浓度界面下沉速率的计算41第三章涵义：高度为H t 、均匀浓度为C t 的沉淀管中所含悬浮物量和原高度为H 0、均匀浓度为C 0的沉淀管中所含悬浮物量相等。
两沉淀曲线在C t 点前不一致，之后重合。
沉降过程的相似关系3.水深对界面下沉速率的影响(sedimentation tank)一、沉淀池分类二、平流式沉淀池三、竖流式沉淀池四、幅流式沉淀池第5节沉淀池48第三章理想沉淀池工作状况出水区第三章进水区示意图穿孔墙示意图第三章Fr ＝v 2/Rg ，宜大于10-5。
R采用导流墙对平流式沉淀池进行纵向分格第5节沉淀池沉淀区尺寸●高度与前后构筑物的布置有关，一般●长度L 决定于水平流速v –给水：v = 10~25 mm/s –污水：v 一般不大于5 mm/s●L/B>4, L/h>10, 每格宽度大于15m 。
第5节53第三章三角堰（对出水影响不大）出水口示意图54第三章堰出水示意图第三章57第三章58第三章链带刮泥机示意图59第三章刮板式刮泥机示意图第三章刮板式刮泥机第5节沉淀池61第三章第5节沉淀池62第三章第5节沉淀池69第三章竖流式沉淀池反射板示意图A=Q/v设（注意A的算法）→有效水深h＝v设T 设第5节沉淀池74第三章适用于大水量，但占地大，机械维修，配水条件差。
中央进水幅流式沉淀池示意图中央进水幅流式沉淀池第三章幅流式沉淀池刮泥板第5节沉淀池第三章幅流式沉淀池刮泥板第三章幅流式初次沉淀池79第三章出水堰示意图第5节沉淀池计算：由q 设→A ＝Q /q 设h ＝u 设T 设(u 设:1.5~3m/h; T 设:1.5~2.5h)h82第三章(1)周边进水中心出水向心幅流式沉淀池第三章(2)周边进水周边出水向心幅流式沉淀池表面负荷可提高约1倍。
化工原理第三章1沉降解析
u0
d
2 s g
18
Re 0
du0
二、干扰沉降
颗粒之间距离很小的沉降称为干扰沉降。 • 干扰沉降的速度可用自由沉降速度的计算方法计
算，但要根据颗粒浓度对所用的流体密度及黏度 进行校正。 • 用上述方法计算干扰沉降的速度比自由沉降要小
二、重力沉降分离设备
一）降尘室 • 降尘室的生产能力
降尘室的生产能力是指降尘室所处理的含尘气体的体积流 量，用Vs表示，m3/s。 降尘室内的颗粒运动
以速度u
以速度u0
随气体流动 作沉降运动
颗粒在降尘室的停留时间 l u
颗粒沉降到室底所需的时间 0 H u0 为了满足除尘要求 0
l H ——降尘室使颗粒沉降的条件 u u0
0.44
u0 1.74
ds g
——牛顿公式
3)影响沉降速度的因素
①颗粒的体积浓度
在前面介绍的各种沉降速度关系式中，当颗粒的体积浓
度小于0.2%时，理论计算值的偏差在1%以内，但当颗粒浓
度较高时，由于颗粒间相互作用明显，便发生干扰沉降，
自由沉降的公式不再适用。
②器壁效应
当器壁尺寸远远大于颗粒尺寸时，（例如在100倍以上）
18VS
gs A底
• 说明
②最大的气体处理量还与降尘室底面积和颗粒的沉降速度 有关，底面积越大处理量越大，但处理量与高度无关。
为此，降尘室都做成扁平形；为提高气体处理量，室内 以水平隔板将降尘室分割若干层，称为多层降尘室。隔 板的间距应考虑出灰的方便。
• 降尘室的计算
设计型 已知气体处理量和除尘要求，求
生物分离工程 第三章
3
初 级 分 离
3.1.2 盐析沉淀
3.1.2.1 蛋白质盐析的原理
蛋白质在高离子强度的溶液中溶解度降低，发生沉 淀的现象称为盐析（salting out）。
logS 盐溶 盐析
logS = β - K sI
1 I ci Zi2 2
0
0.15~0.2M
I
3
初 级 分 离
机理： ① 破坏了蛋白质分子表面的水化层，使蛋白质分子 表面的疏水基团暴露，蛋白质分子通过疏水作用相互聚 集而沉淀； ② 无机盐中和了蛋白质分子表面的电荷，使蛋白质 分子之间的电荷排斥作用消失，蛋白质分子的聚集作用 增强。
351 288 225
193 162 142 129 97
390 326 262
230 198 177 164 132
430 365 300
267 235 214 200 168
472 406 340
307 273 252 238 205
516 449 382
348 314 292 278 245
561 494 424
机理：有机溶剂的加入使溶液的介电常数下降。 优点：有机溶剂密度低，易于沉淀分离；沉淀产品 不需脱盐处理；沉淀色泽较好。
缺点：容易引起蛋白质变性失活，必须在低温下进 行。
3
初 级 分 离
3.1.5 热沉淀
机理：热变性沉淀。 沉淀对象：热稳定性较差的杂蛋白质。
3.1.6 其他沉淀法
非离子型聚合物沉淀 聚电解质沉淀 多价金属离子沉淀
3
初 级 分 离
（3）硫酸铵添加量的确定 ① 利用公式计算
20℃
0℃
534( M 2 M 1 ) W 4.05 0.3M 2
沉淀分离法.
一、本章的教学目的与要求了解沉淀分离法的原理及应用二、授课主要内容§3—1 无机沉淀剂分离法一、氢氧化物沉淀分离法二、硫化物沉淀分离法§3—2 有机沉淀剂分离法一、分析功能团analytical radical二、有机沉淀反应与沉淀剂三、重点、难点及对学生的要求掌握沉淀分离法的原理及使用条件四、主要外语词汇deposition五、辅助教学情况（多媒体课件）六、复习思考题1阐述沉淀剂分类2什么是分析功能团？七、参考教材references参考书：《工业分析》机械工业出版社、重庆大学出版社，1997年，第一版《分析化学》武汉大学、华师大五校合编，2001年，第五版《分离及复杂物质分析》邵令娴编，化学工业出版社，1984年，第一版利用沉淀反应进行分离：举例：①Fe3+，Al3+、Ca2+、Mg2+络合滴定；②Fe3+，Al3+低含量时掩蔽EDTA测Ca2+，Mg2+，如水硬度；③Fe3+，Al3+高含量时先分离自掩蔽后测。
§3—1 无机沉淀剂分离法一、氢氧化物沉淀分离法可生成氢氧化物的离子较多，根据沉淀物的溶度积，可大致算出各种金属离子开始析出沉淀时pH值。
例如：测定Fe3+已知Ksp Fe(OH)3=3.5×10-38当溶液中[Fe3+]=0.01 M开始沉淀的pH值[OH¯]3[Fe3+]≥Ksp = 3.5×10-38[OH¯]≥1.5×10-12；pOH≤11.8；pH ≥2.2；沉淀完全进行时，溶液中[Fe3+]残留10-6 M，已知99.99%的铁Fe3+被测定，此时[OH¯] = 10-10.5，pOH = 10.5，pH = 3.5即测定Fe3+的pH为2.2～3.5根据Ksp可算出金属离子的沉淀pH范围，各种离子沉淀时的pH值不同，有的在较低的pH值时能测定，有的在较高pH值时开始沉淀，因而可控制pH进行分离。
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第三章沉淀
主要内容
第一节蛋白质表面特性
第二节蛋白质沉淀方法
第一节蛋白质表面特性
蛋白质表面由不均匀分布的荷电基团形成的荷电区、亲水区和疏水区构成。
蛋白质的水溶液呈胶体性质，在蛋造白质分子周围存在与蛋白质分子紧密或疏松结合的水化层。
是蛋白质形成稳定的胶体溶液、防止蛋白质凝聚沉淀的屏障之一。
蛋白质沉淀的另一屏障是蛋白质分子间的静电排斥作用。
当双电层的电位足够大时，静电排斥作用抵御分子间的相互吸引作用，使蛋白质溶液处于稳定状态。
第二节蛋白质沉淀的方法
盐析沉淀法
等电点沉淀法
有机溶剂沉淀法
非离子型聚合物
聚电解质
多价金属离子
1.盐析法
盐析沉淀法：蛋白质在高离子强度溶液中溶解度降低，发生沉淀的现象。
中性盐：硫酸铵、硫酸钠、柠檬酸钠等
盐析沉淀原理:
由于加入大量的中性盐破坏了蛋白质的水化膜、中和其所带的电荷从而使蛋白质分子聚集而沉淀析出。
蛋白质的盐析行为常用Cohnx经验式表示：
lgS=β-K sμ
式中S为蛋白质的溶解度；μ为离子强度；β为常数，与盐的种类无关，但与温度和pH有关；K s 为盐析常数，与盐的种类有关，但与温度和pH无关。
K s分级盐析法：在一定的pH和温度条件下，改变盐的浓度(即离子强度)达到沉淀的目的。
β分级盐析法：在一定的离子强度条件下，改变溶液的pH和温度达到沉淀的目的。
影响盐析的因素
(1)无机盐种类：离子半径小，带电多，电荷密度高的阴离子，盐析效果好。
(2)pH值：pH影响Cohnx方程中的b值，pH值接近蛋白质pI值时，蛋白
质溶解度最小。
(3)温度：T影响Cohn方程中的b值。
温度升高，b降低；温度降低，b升高。
分段盐析
不同的蛋白质分子，由于其分子表面的极性基团的种类、数目以及排布的不同，其水化层厚度不同，故盐析所需要的盐浓度也不一样，因此调节蛋白质的中盐浓度，可以使不同的蛋白质分别沉淀。
✷常用的盐析剂是硫酸铵，因为它的盐析能力强，在水中的溶解度大，价格便宜，浓度高时也不会引起蛋白质活性丧失。
▪盐析沉淀的蛋白质仍保持天然构象，即仍有活性。
✷蛋白质用盐析方法沉淀分离后，还需要脱盐才能进一步精提纯。
脱盐常用透析法。
透析是将含有小分子杂质的蛋白质溶液装在半透膜（玻璃纸、火绵纸等）制的透析袋里放在缓冲液中进行，可不断更换缓冲液，直至杂质被除去。
2 等电点沉淀
利用蛋白质在pH等于其等电点的溶液中溶解度下降的原理进行沉淀分级的方法称为等电点沉淀法。
不同的蛋白质有不同的等电点，因此通过调节溶液pH到目的蛋白的等电点，可使之沉淀而与其它蛋白质分开，从而除去大量杂蛋白。
沉淀原理：蛋白质在其等电点时溶解度最低。
3 有机溶剂沉淀法
✷有机溶剂沉淀：向含有目标物质的溶液中加入水溶性的有机溶剂(如丙酮，乙醇等)，而使目标物质发生沉淀的方法。
沉淀原理：
A 有机溶剂能破坏溶质分子的水化层，降低溶质的溶解度；
B 有机溶剂降低水溶液的介电常数，使溶质分子间的静电引力（库仑力）增大，导致溶质的凝集和沉淀。
4 非离子型聚合物
非离子型聚合物：利用一些非离子型的高聚物来沉淀蛋白质的方法。
沉淀原理：可能有降低蛋白质分子表面的水化程度或空间排阻作用
5 聚电解质沉淀法
✷聚电解质沉淀法：利用一些含有重复离子化基团的水溶性聚合物来沉淀蛋白质的方法
沉淀原理：与絮凝类似，在蛋白质间起架桥作用，同时还兼有盐析、降低水化程度和电荷中和等作用。
6 多价金属离子
✷多价金属离子：向蛋白质溶液中加入一些高价金属离子而使蛋白质沉淀下来。
沉淀原理：金属离子可与蛋白质分子上的某些残基发生作用而使蛋白质沉淀。
7 亲和沉淀法
亲和沉淀是利用蛋白质与特定的生物的或合成的分子（免疫配位体、基质、辅酶等）之间高度专一的相互作用而设计出来的一种特殊选择性的分离技术。
沉淀原理不是依据蛋白质溶解度的差异，而是依据“吸附”有特殊蛋白质的聚合物的溶解度的大小。
亲和过程提供了一个从复杂混合物中分离提取单一产品的有效方法。
①初始阶段，将一个目标蛋白质与键合在可溶性载体上的亲合配位体络和形成沉淀；
②所得沉淀物用一种适当的缓冲溶液进行洗涤，洗去可能存在的杂质；
③用一种适当的试剂将目标蛋白质从配位体现中离解出来。
作业
1 简述蛋白质的沉淀方法。
2 什么是盐析，影响盐析的因素有哪些？。