生物分离工程第二章 过滤
《生物分离工程》知识点整理
《⽣物分离⼯程》知识点整理⽣物分离⼯程第⼀章(绪论)⽣物分离⼯程的定义和过程⽣物分离⼯程定义（名词解释）：为提取⽣物产品时所需的原理、⽅法、技术及相关硬件设备的总称，指从发酵液、动植物细胞培养液、酶反应液和动植物组织细胞与体液等中提取、分离纯化、富集⽣物产品的过程。
过程：⽬标产物捕获⽬标产物初步纯化(萃取、沉淀、吸附等⽅法)⽬标产物⾼度纯化和精制细胞分离三种⼿段：重⼒沉降离⼼沉降过滤第⼆章离⼼分离原理和⽅法：原理：离⼼沉降是在离⼼⼒的作⽤下发⽣的。
单位质量的物质所受到的离⼼⼒：式中：r为离⼼半径，即从旋转轴⼼到沉降颗粒的距离；ω为旋转⾓速度；N为离⼼机的转数，s－1⽅法：（1）差速离⼼分级（2）区带离⼼（差速区带离⼼、平衡区带离⼼）离⼼分离设备：离⼼⼒（转速)的⼤⼩：低速离⼼机、⾼速离⼼机、超离⼼机按⽤途：分析性、制备性按⼯业应⽤：管式离⼼机、碟⽚式离⼼机实验室⽤以离⼼管式转⼦离⼼机，离⼼操作为间歇式悬浮液的预处理⽅法和⽬的：⽅法：1.加热：最简单和最廉价的处理⽅法。
黏度、促凝聚、固体成分体积、破坏凝胶结构、增加空隙率调pH值：⽅法简单有效、成本低廉2.凝聚：在凝聚剂(如铝盐、铁盐、⽯灰和NaCl)作⽤下，细胞蛋⽩质等胶体去稳定，并聚集成1mm⼤⼩的凝聚块的过程。
（机理：破坏双电层，⽔解后胶体吸附，氢键结合等）3.絮凝：在絮凝剂⾼分⼦聚合电解质的作⽤下，胶体颗粒和聚合电解质交连成⽹，形成10mm⼤⼩的絮凝团过程。
（机理：絮凝剂主要起中和电荷、桥架和⽹络作⽤）4.惰性助滤剂：⼀种颗粒均匀、质地坚硬的粒状物质，⽤于扩⼤过滤表⾯的适应围，减轻细⼩颗粒的快速挤压变形和过滤介质的堵塞。
（使⽤⽅法：预涂层；按⼀定⽐率混合。
助滤剂种类：硅藻⼟、纤维素、未活化的炭、炉渣、重质碳酸钙等。
）⽬的：提⾼过滤速度和过滤质量是过滤操作的⽬标。
各种细胞破碎技术原理和优缺点：原理：许多⽣物产物在细胞培养过程中保留在细胞，需破碎细胞，使⽬标产物选择性地释放到液相。
生物分离工程
第一章绪论1.生物分离工程是指从发酵液、酶反应也活动植物培养液中分离、纯化生物产品的过程。
2.生物分离的一般流程：发酵液的预处理；提取；精制；成品加工。
第二章发酵液的预处理1.过滤和离心是最基本的单元操作。
2.凝集是指在投加的化学物质作用下，发酵液中的胶体脱稳并使粒子相互凝集成为1mm大小块状絮凝体的过程。
3.絮凝是指某些高分子絮凝剂能在悬浮粒子之间产生桥梁作用，使胶粒形成粗大絮凝团的过程。
4.调节pH法：在进行pH调节时，一般采用草酸等有机酸或某些无机酸来进行。
Ca+经常选用酸化剂为草酸；Mg+的去除是采用加入磷酸盐，如三磷酸钠；Fe+通常加入黄血盐。
5.影响发酵液过滤的因素：菌种；发酵液粘度。
6.发酵液的过滤设备形式很多，按过滤的推动力分为：重力式过滤器、压力式过滤器、针孔式过滤器和离心式过滤器。
7.目前国内外对过滤液的分离和过滤常采用的设备为：板框式压滤机；板式压滤机；自动板框式压滤机和真空过滤机。
第三章细胞分离技术1.细胞破碎的方法可分为：机械破碎发、物理破碎法、化学渗透法及酶溶法。
2.变性剂的加入，可削弱氢键的作用，使胞内产物相互之间的作用力减弱，从而易于释放。
3.包埋病毒粒子具一定形状和大小的蛋白结晶体，在相差显微镜下呈现强的折光性，由单一多肽构成。
第四章沉淀技术1.盐析：蛋白是在搞离子强度溶液中溶解度降低，以致从溶液里沉淀出来的现象称为盐析。
2. 常用脱盐处理的方法有：透析法、超滤法及凝胶过滤法。
3．有机溶剂沉淀法的原理：①传统观点认为向蛋白质溶液中加入丙醇或乙醇等有机溶剂，水的活度程度降低，水对蛋白子表面的水化程度降低，即破坏了蛋白子表面的某水化蹭；另外，溶液的介电常数下降，蛋白子分之间的静电引力增大，从而聚集和沉淀。
②新观点认为，有机溶剂可能破坏蛋白质的某种键，使其空间结构发生某种程度的变化，致使一些原来包在内部的疏水基团暴露于表面并与有机溶剂的疏水基团结合形成疏水层，从而是蛋白子沉底，而当蛋白子的空间结构发生变形超过一定程度时，使会导致完全的变性。
生物分离工程 第2章过滤(发酵液预处理和固液分离)
六.过滤条件的优化
应用优化因素** a 单位质量助滤剂的滤液最大产量 b 使用周期 c 流速
七.过滤设备
（1） 过滤设备种类： ** a 间歇式：分过滤、洗涤、卸饼、清洗、安装等步骤 如叶滤机、板框压滤机等； b 连续式：大多真空操作, 如转筒真空过滤机、圆盘真空过滤机。 （2） 叶滤机（如图所示） 恒压操作，过滤面积=洗涤面积 过滤终了时的滤饼厚度=洗涤滤饼厚度
发酵液的预处理和固液分离
三.影响过滤的因素**
菌种：真菌，放线菌，细菌 培养基：黄豆，花生，淀粉，后期加油，培养基未
用完 发酵时间：菌丝自溶前放罐 黏度（发酵液）
过滤的难易程度**
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。一般，真菌的菌丝比较粗大，如青
霉素的重量比阻为（0.15一0.20）× l012 m／kg左
其分子中含有相当多的活性官能团 ，使之与胶粒表面结合
3)絮凝剂的分类：**
解离情况：阳离子型，阴离子型，非离子型
来源不同：有机高分子聚合物：如聚丙烯酰胺等
无机高分子聚合物：如聚合铝盐，聚合铁盐等；
天然有机高分子聚合物：如壳聚糖和葡聚糖等聚糖类、明 胶、骨胶和海藻酸钠等；
微生物絮凝剂:是一类由微生物产生的具有絮凝细胞功能 的物质，主要成分是糖蛋白、黏多糖、纤维素和核酸等高 分子物质。同其它絮凝剂相比，其优点是安全、无毒和不 污染环境。
2.分类： **
滤饼过滤：悬浮液置于介质一侧，固体物沉积于 介质表面形成滤饼； 深床过滤：分离出的固体颗粒并不形成滤饼，而 是沉积于较厚的粒状过滤介质的床层内过滤 滤浆 洗涤液
深层过滤 洗液
滤液
二.过滤的目的
1.收集胞内产物的细胞或菌体，分离除去液 相， 2.收集含生化物质的液相，分离除去固体悬 浮物，如细胞、菌体、细胞碎片、蛋白质 的沉淀物和它们的絮凝体等。
生物分离工程 第二章
细胞分离与破碎
（2）珠磨
影响因素：搅拌速度、停留时间、微珠粒径、细胞本身 适用对象：绝大多数微生物细胞
2
细胞分离与破碎
（3）喷雾撞击破碎
喷雾撞击破碎器结构简图
特点：细胞破碎程度均匀，可避免过度破碎，适用 于细胞器（线粒体、叶绿体等）的回收 适用对象：大多数微生物细胞和植物细胞
2
细胞分离与破碎
（4）超声波破碎 机理：在超声波作用下液体发生空化作用，空穴的 形成、增大和闭合产生极大的冲击波和剪切力，使细胞 破碎。 影响因素：细胞种类，细胞浓度，频率、功率 适用对象：多数微生物细胞
物理渗透法
（1）渗透压冲击法
（2）冻结-融化法
2
细胞分离与破碎
2.2.4 目标产物的选择性释放
细胞破碎的目的是使胞内的目标产物释放出来，以 进行进一步的分离纯化，因此，理想的破碎方法应当是
使目标产物尽可能多的释放出来，而杂质成分尽可能少 得释放。 ① 仅破坏或破碎目标产物的周围。
① 选择性溶解目标产物。
Rc
W
A
kp
m
一般需缓慢增大操作压力，最终操作压力不超过 0.3 ～ 0.4MPa。
2
细胞分离与破碎
2.1.3.2
过滤设备
工业上常用的过滤设备：加压叶滤机、板框过滤机、 转鼓真空过滤机。
加压叶滤机
转鼓真空过滤机
2
细胞分离与破碎
板框过滤机
2
细胞分离与破碎
2.2 细 胞 破 碎
2.2.1 细胞结构
不同生物细胞，其细胞结构差异很大。
2.2.2 细胞破碎和产物释放原理
摩擦力、撞击作用力、剪切力、化学溶解、酶解
渗透作用力等。
生物分离工程第二章过滤详解
Perlites
Terracel 300 Terracel 500
Density pH Water
Relative
(kg/m3)
Adsorption Flow Rate
Dry Wet
(%)
130 280 7.0 260 140 280 10.0 250 190 280 10.0 250 310 320 10.0 220
Polyacrylamides（聚丙烯酰胺）
Polyethylenimines（聚乙烯亚胺）
Polyamine derivatives（多聚胺衍生物）
3、Adsorption on Filter Aids 助滤剂上的吸附
（1）、Diatomaceous earths 硅藻土
Diatomaceous earths are the skeletal remains of the tiny aquatic plants deposited centuries ago. 硅藻土是百年前水生植物沉淀下来的遗骸。
Simple electrolytes act by screening the electrostatic repulsion which commonly exists between colloidal particles. When this electrostatic repulsion is reduced, attractive London-vander waals forces predominate. The colloids can then coagulate as larger, dense particles which are more easily filtered. 简单电解质降低了胶体粒子间的排斥电位，从而使得范德华引力起 主导作用，聚合成较大的胶粒，粒子的密度越大，越易分离。
生物分离工程 第二、三章综合测试
1第二章过滤和离心第三章细胞破碎一、名词解释、1.凝聚:就是向胶体悬浮液中加入某种电解质，使胶粒的双层电位降低，排斥作用降低，使胶体体系不稳定，胶粒间因相互碰撞而产生凝聚的现象。
2.絮凝：当一个高分子聚合物的许多链节分别吸附在不同的胶粒表面上，产生架桥联接，形成较大凝絮团的过程。
3.助滤剂：是一种不可压缩的多孔微粒，能使滤饼疏松，滤速增大。
4.分离因数：是指离心设备所能达到的离心力与重力加速度的比值，用Z表示。
Z=4π2N2r/g5.盐溶：在蛋白质水溶液中，加入少量的中性盐，如硫酸铵、硫酸钠、氯化钠等，会增加蛋白质分子表面的电荷，增强蛋白质分子与水分子的作用，从而使蛋白质在水溶液中的溶解度增大。
这种现象称为盐溶。
6.盐析：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。
7.包含体：外源基因表达的产物不能分泌到细胞外，而且在细胞内凝聚成没有生物活性的固体颗粒。
8.高压匀浆法：也称高压剪切破碎法，是利用高压匀浆器破碎细胞的一种方法。
即细胞悬浮液在高压作用下从阀座与阀之间的环隙高速喷出后撞击到碰撞环上，细胞在受到高速撞击作用后，急剧释放到低压环境，从而在撞击力和剪切力等综合作用下破碎。
9.珠磨法：是指在搅拌机的高速搅拌下微珠高速运动，微珠与微珠之间以及微珠和细胞之间发生冲击和研磨，使悬浮液中的细胞受到研磨剪切和撞击而破碎。
10.酶溶法：酶溶法利用溶解细胞壁的酶处理菌体细胞，使细胞壁受到部分或完全破坏后，再利用渗透压冲击等方法破坏细胞膜，进一步增大细胞内产物的通透性。
11.超声破碎法：超声波破碎发是利用发射15~24kHZ的超声波探头处理细胞悬浮液。
是在超声波作用下发生空化作用，空穴的形成、增大和闭合产生极大的冲击波和剪切力，使细胞破碎。
12.空化现象：在相当高频率的超声波作用下，液体产生空穴泡，这种空穴泡在超声波继续作用下膨大和破碎，从而产生极强的剪切力，使细胞破碎。
13.有机溶剂沉淀：向蛋白质溶液中加入丙酮或乙醇等水溶性有机溶液，水的活性降低，随着有机溶剂浓度的增大，水对蛋白质分子表面荷电集团或亲水集团的水化程度降低，蛋白质分子间的静电引力增大，从而凝聚和沉淀。
《生物分离工程》课程笔记
《生物分离工程》课程笔记第一章绪论一、生物分离工程的历史及应用1. 历史生物分离工程的历史可以追溯到古代酿酒和面包制作时期，但作为一个独立领域的发展始于20世纪。
早期的生物分离技术主要依靠自然现象，如沉淀、结晶等。
随着科技的发展，尤其是生物技术的崛起，生物分离工程逐渐形成一门独立的学科，并得到了迅速发展。
2. 应用生物分离技术在医药、食品、农业、环境保护等领域有广泛的应用。
例如，在疫苗生产中，需要从细胞培养液中分离出病毒或细菌；在抗生素提取中，需要从发酵液中提取抗生素；在蛋白质纯化中，需要从混合蛋白质中分离出目标蛋白质；在果汁澄清中，需要去除果汁中的悬浮固体等。
二、生物分离过程的特点1. 复杂性生物分离过程涉及生物大分子（如蛋白质、核酸、多糖等）的分离和纯化，这些生物大分子在结构和性质上具有很高的复杂性，因此生物分离过程也具有较高的复杂性。
2. 多样性生物分离过程中，针对不同的生物大分子和混合物，需要采用不同的分离方法和工艺，因此生物分离过程具有很高的多样性。
3. 灵敏度生物大分子在分离过程中容易受到外界因素的影响，如温度、pH值、离子强度等，因此生物分离过程需要严格控制条件，具有很高的灵敏度。
4. 易失活性生物大分子在分离过程中容易发生变性、降解等失活现象，因此生物分离过程需要尽量减少这些失活现象的发生。
5. 高价值生物大分子往往具有很高的经济价值，如药物、生物制品等，因此生物分离过程需要高效、高收率地分离目标物质，以满足市场需求。
第二章过滤一、过滤基本概念及预处理1. 过滤基本概念过滤是一种基于孔径大小实现固体与流体分离的技术。
在生物分离工程中，过滤技术被广泛应用于细胞培养液、发酵液、酶反应液等混合物的初步分离和纯化。
过滤过程中，混合物通过过滤介质（如滤纸、滤膜等），固体颗粒被拦截在过滤介质上，而流体则通过过滤介质流出，从而实现分离。
2. 预处理为了提高过滤效率，通常需要对混合物进行预处理。
生物分离工程复习纲要
生物分离工程复习纲要--裴武第一章绪论1.生物分离工程在生物技术中的地位？答: 生物技术的重要目的是运用培养微生物、动物细胞、植物细胞来生产对人有用的产品, 而分离纯化过程是生物产品工程的重要环节。
因此, 生物分离工程是生物技术的重要组成部分, 是生物技术转化为生产力所不可缺少的重要环节, 在生物技术研究和产业发展中发挥着重要作用, 其技术进步限度对于保持和提高各国在生物技术领域内的经济竞争力有至关重要的作用。
2.生物分离工程的特点是什么？答: 生物分离是从生物材料、微生物的发酵液、生物反映液或动植物细胞的培养液中分离并纯化有关产品（如具有药理活性作用的蛋白质等）的过程, 又称为下游加工过程。
生物工程的重要特点是生物制品多种多样; 常无固定操作方法可循;生物材料组成非常复杂, 分离操作环节多, 不易获得高收率; 培养液（或发酵液）中所含目的物浓度很低, 而杂质含量却很高; 分离进程必须保护化合物的生理活性; 生物活性成分离开生物体后, 易变性、破坏。
3.生物分离工程可分为几大部分, 分别涉及哪些单元操作？答: 生物分离工程可分为可分为不溶物的去除、产物分离、产品的纯化及产品的精制四大部分。
不溶物的去除涉及过滤、离心和细胞破碎, 通过这些单元操作使产物浓度和质量得到了提高。
产物分离涉及离子互换吸附、萃取等。
其中萃取又分为溶剂萃取、反微团萃取、超临界流体萃取和双水相萃取等。
以上分离过程不具有特异性, 只是进行初分可提高产物浓度和质量。
产品的纯化涉及色谱、电泳、沉淀等单元操作, 这些技术具有产物的高选择性和杂质的去除性。
产品的精制涉及结晶及干燥等单元操作。
4.在设计下游分离过程前, 必须考虑哪些问题方能保证我们所设计的工艺过程最为经济、可靠？答: 在设计下游分离过程前, 通常要注意以下几个问题:1)生物材料的组成成分非常复杂, 有数百种甚至更多, 各种化合物的形状、大小、相对分子质量和理化性质都各不相同, 有的迄今还是未知物, 并且这些化合物在分离时仍在不断的代谢变化中。
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filter
Flowsheet for continuous rotary vacuum filtration
wash sprays Air connection Continuos rotary filter Moisture trap cake
Wash water pump
30'
Dry vacuum pump Vacuum receivers Wash Filtrate Air out
Filtration separates solid from a liquid by forcing the liquid through a solid support or filter medium. This is a straightforward procedure for well defined crystals. 过滤是将料液通过固体支持或者过滤介质时，使得固 体物质从溶液中分离，对于好的定形的晶体，这是一 种最直接的步骤。
但对微小而形状多变的微生物细胞，发酵液和其它生
物溶液的过滤就变得复杂了 。
Generally, fermentation beers and other biological solutions are notoriously hard to filter. They are often hard to filter because
Polyacrylamides（聚丙烯酰胺） Polyethylenimines（聚乙烯亚胺） Polyamine derivatives（多聚胺衍生物）
3、Adsorption on Filter Aids 助滤剂上的吸附
（1）、Diatomaceous earths 硅藻土
Diatomaceous earths are the skeletal remains of the tiny aquatic plants deposited centuries ago.
1、 Heating
加热
The simplest pretreatment and the least expensive
method is to heat the feed. Such heating can not
only improve the feed’s handling characteristics, but also may pasteurize it. The chief constraint of this approach is the thermal stability of the product. (lead to irreversible reaction). 最简单、最经济的预处理方法是加热，加热不仅可以增加 料液的操作特性，也可以对其进行灭菌。但加热变性的方
separations
适用于可压缩滤饼，普遍使用于生物分离过程
Darcy’s law （达西定律）
Darcy’s law relates the flow rate through a porous
bed of solids to the pressure drop causing that flow
reduce electrostatic repulsion and adsorb on adjacent particles, forming bridges between them. As a result, the
colloidal particles flocculate as large, less dense aggregates
B General Theory for Filtration
1、Darcy’s Law 达西方程 2、Incompressible Cakes 不可压缩滤饼 t＝(μαρo/(2△P))*(V/A)2 3、 Compressible cake 可压缩的滤饼
C Continuous Rotary Filter连续旋转式过滤机 D Equipment for Conventional Filtration 传统的 过滤设备
cake 滤饼
传统的过滤
Conventional filtration
Conceptual representation of plate and frame filter filtrate
filter
filter
solids recovery upon backflush
under Figure2.1 Schematic respresentation od s filter press
pump Barometric seal
Figure 2.2 Flowsheet for continuous rotary vacuum filtration
However the small size of microorganisms make filtration of fermentation beers or other biological solutions considerably more complicated.
by
screening
the
electrostatic
repulsion which commonly exists between colloidal particles. When this electrostatic repulsion is reduced, attractive London-vander waals forces predominate. The colloids can then coagulate as larger, dense particles which are more easily filtered. 简单电解质降低了胶体粒子间的排斥电位，从而使得范德华引力起 主导作用，聚合成较大的胶粒，粒子的密度越大，越易分离。
which are more easily filtered. These polyelectrolytes can be anionic, cationic or nonionic.
预处理时加入合成聚合电解质既能降低排斥电位，又吸附了周围的微
粒，形成桥架作用，促使胶粒形成粗大，密度低的絮凝团。这些絮 凝团很容易被过滤得到。
v=k△P/μ l v directly proportional to 流速正比于压降
Darcy定律把流速与通过固体多孔床产生的压降联系起来。 (2.1)
△
P
v inversely proportional to l/k
流速反比于阻力l/k
v is the velocity of the liquid
Chapter 2
第二章
Filtration
过 滤
Key knowledge points(知识点)
A Pretreatment 预处理
1、Heating 加热 2、Coagulation and flocculation 3、Adsorption on filter aids 凝聚和絮凝 助滤剂上的吸附
μ－液体粘度
· Darcy’s law holds only when Re<5
当Re<5时达西定律才成立
Re= dvρ/μ(1-ε)
d-particle size or pore diameter in the filter cake 滤饼粒子的大小或孔的直径 ε-the void fraction in the cake 滤饼空隙率 ρ-the liquid density 液体的密度 v is the velocity of the liquid 流体流速 Re – Reynolds number 雷诺准数
Grade Density (kg/m3) Dry Wet 280 280 7.0 10.0 pH
Water Adsorption (%)
Relative Flow Rate
Diatomaceous Earths
Standard Super –Cel 512 Hyflo Super –Cel 535 560
simple electrolytes through acids and bases to
synthetic polyelectrolytes. 第二种预处理方法是通过电解质的加入促进原始溶液的 凝聚和絮凝，试剂有简单的电解质、酸、碱、合成的聚 合电解质。
Simple
electrolytes
act
硅藻土是百年前水生植物沉淀下来的遗骸。
（2）、Perlites
珍珠岩
The perlites are volcanic rock processed to yield an expanded form. 珍珠岩是处理过的膨胀火山岩。
Table 2.1. Typical properties of Filter Aids
v – 流体流速
k ： proportionality constant, usually called the Darcy’s law permeability of the bed k－比例常数,通常叫达西方程参数 △P: the pressure drop across the bed of thickness △P－通过厚度为l的床产生的压降 μ: viscosity of the liquid
法只适合于对热稳定性的产物。
2、Coagulation and flocculation 凝聚和絮凝
The second pretreatment method is the addition of electrolytes to promote coagulation and flocculation in the initial solution. Useful agents rang from