第6章非均相分离设备

上一内容下一内容回主目录返回第六章非均相分离设备目录第一节细胞破碎设备第二节沉降设备第三节过滤设备全国高等学校高职高专药品类专业卫生部“十一五”规划教材《生物制药设备》第四节膜分离设备上一内容下一内容回主目录返回学习目的本章是制药过程中原料药通过发酵、提取等单元操作过程的一个非常重要后续环节，对于药品最终的得率和质量关系密切。通过对本章的学习，要求掌握各种分离非均相混合物设备的原理及操作技能。知识要求掌握高压均质机、珠磨机、转鼓真空过滤机、碟片式离心机、高速管式离心机的结构。掌握各种膜的分离特点及所对应的膜组件；熟悉高压均质机、珠磨机的工作原理。熟悉膜过滤的基本原理；了解颗粒沉降速度的计算，了解颗粒离心沉降速度计算。能力要求掌握精密过滤机、超滤机的操作方法；学会按规程操作板框压滤机、高压均质机、高速管式离心机、冷冻离心机。学习目标上一内容下一内容回主目录返回微生物细胞基本结构第一节细胞破碎设备细胞壁由多糖和磷酸酯类组成，其结构较细密而坚硬，是产生细胞破碎阻力之源。微生物细胞通常由细胞壁、细胞膜、细胞质和细胞器组成，生物药物成分常存在于生物细胞内。上一内容下一内容回主目录返回为了使有效成分从细胞中释放出来，需要进行细胞破碎。破碎细胞的方法较多，工业生产需要处理量大，破碎速度较快的方法，因而常采用机械破碎法。机械法依靠机械产生的剪切作用进行破碎。非机械法依靠酶解、渗透性和渗透压的改变、冻结熔化等方法进行破碎。细胞破碎上一内容下一内容回主目录返回高压匀浆法液体剪切作用珠磨法固体剪切作用超声波法液体剪切作用X-press法固体剪切作用机械法工业上常长的机械破碎法有高压匀浆法和珠磨法上一内容下一内容回主目录返回一、高压均质机（一）高压均质机结构及工作原理高压均质机由高压泵和均质头两部分组成高压泵一般采用柱塞式往复泵，由活塞柱、进料阀和排料阀等部件组成，其结构与一般柱塞泵相同。上一内容下一内容回主目录返回均质头的结构均质头均质头由手柄、调节弹簧、均质阀三部分组成，其中均质阀的组成部件有阀杆、阀座、撞击环。均质阀安装在细胞悬浮液的排出管路上，阀杆与阀座间形成狭缝，构成悬浮液流动通道。上一内容下一内容回主目录返回高压均质机结构及工作原理破碎后的悬浮液沿阀座与阀杆之间的环形缝隙再次撞击到撞击环上，随后从细胞匀浆排料口排出。细胞悬浮液被高压泵吸入后获得很高的静压力，在高压泵的作用下，以100～400m/s的速度直接冲击到阀杆上。上一内容下一内容回主目录返回细胞悬浮液在两次撞击和经过环形缝隙时，将从柱塞泵获得的静压能转换成了动能，因而流动速度快。在高速通过时，细胞悬浮液承受了强大的撞击力、剪切作用力和空穴爆破力，细胞被拉伸延长而变形，随后被破碎。上一内容下一内容回主目录返回在细胞破碎过程中，由于各种力的作用产生了热效应，随着细胞悬浮液温度升高，生物活性成分受热失去活性，因而需要冷却。通常在高压均质机的均质头设计有循环冷却装置，以保证破碎过程中活性成分的活性。注意细胞的破碎率可通过生物染色法确定上一内容下一内容回主目录返回（二）高压均质机的特点1.细化作用更为强烈相对于离心式分散乳化设备2.物料的发热量较小，可保持物料的性能基本不变。3.均质机能定量输送物料4.均质机耗能较大，易损件较多，维护工作量较大，不适合于黏度很高的物料。上一内容下一内容回主目录返回（三）高压均质机的分类立式45kw以下卧式45kw以上按结构型式按控制方式手动控制式手调液力控制式全自动控制式上一内容下一内容回主目录返回（四）高压均质机的应用及选型提高产品的均匀度和稳定性；增加保质期；减少反应时间从而节省大量催化剂或添加剂；改变产品的稠度改善产品的口味和色泽等等。1.均质机的作用制药行业主要应用抗生素，抗酸剂，液浆制剂，静脉乳剂等产品生产。上一内容下一内容回主目录返回2.均质机选型一是原料本身的性质，黏度、热敏性等。另一个是能耗问题，压力越高，运行费用越大。原则在达到经济破碎效果的前提下，使用压力越小越好。在使用压力选定后，再根据制造商提供的设备性能参数表，选择标定的额定压力大于使用压力的设备即可。上一内容下一内容回主目录返回（五）高压均质机的使用与维护1.高压均质机不得空转，启动前应先接通冷却水。2.启动后调整压力到预定值，工作时要注意观察压力表，保证压力处于正常工作范围内。在压力稳定之前流出的料液回流，以保证均质的质量。3.机体连接轴处要有润滑油，以免机体前端的填料缺油。4.柱塞密封圈处于高温和压力周期性变化的条件下，很容易损坏，应保证柱塞冷却水的连续供应，以降低柱塞密封圈的温度，延长其使用寿命。上一内容下一内容回主目录返回二、珠磨机（一）珠磨机的结构和工作原理珠磨机由研磨室、搅拌轴、环形振动狭缝珠液分离器、研磨剂、循环水冷却系统等部件组成，其中，研磨剂是直径小于1mm的玻璃珠、钢珠、石英砂、氧化铝等。上一内容下一内容回主目录返回工作流程细胞悬浮液与研磨剂一起搅拌或研磨，研磨剂与细胞之间的剪切、碰撞使细胞破碎，并释放出内含物。在环形振动狭缝珠液分离器的协助下，珠子被滞留在研磨室内，浆液则循流道流出。循环水冷却系统可将破碎中产生的热量带走。实验室规模的细胞破碎设备有Mickle高速组织捣碎机、Braun匀浆器；中试规模的细胞破碎可采用胶质磨；工业上采用高速珠磨机。上一内容下一内容回主目录返回（二）使用珠磨机需要注意的事项1.珠磨机的缺点破碎期间样品温度迅速升高。2.增加搅拌速度能提高破碎效率，但过高的速度反而会使破碎率降低，能量消耗增大，所以搅拌转速应适当。3.珠磨法的破碎率一般控制在80%以下。上一内容下一内容回主目录返回第二节沉降设备（一）重力沉降速度一、重力沉降设备1.沉降在某种力作用下，利用连续相与分散相的密度差异，使之发生相对运动而分离的过程称为沉降。2.重力沉降如果颗粒或颗粒群在流体中充分地分散，颗粒之间互不接触、互不碰撞，除承受地球引力之外无其他作用力，在这种条件下发生的沉降称为重力沉降。上一内容下一内容回主目录返回3.球形颗粒的自由沉降速度如果颗粒在静止流体中沉降时，不受其他颗粒的干扰及器壁的影响，该种沉降称为自由沉降。表面光滑的刚性球形颗粒置于静止流体中，若颗粒做自由沉降运动，在沉降过程中,颗粒受到三个力的作用：重力Fg，方向竖直向下；浮力Fb，方向向上；阻力Fd，方向向上。上一内容下一内容回主目录返回SdS颗粒直径颗粒密度流体密度gdFSSg36gdFSb36221uAFdA沉降颗粒沿沉降方向最大投影面积。224mdAS对于球形颗粒上一内容下一内容回主目录返回u颗粒相对流体沉降速度，m/s;沉降阻力系数。maFFFdbg当颗粒沉降的瞬间速度为零，阻力为零，加速度为其最大值，沉降开始后，随着沉降速度逐渐增大，阻力也随着增大，直到速度增大到一定值ut后，重力、浮力、阻力三者达到平衡，合力为零；此时颗粒做匀速运动，运动速度即为沉降速度。上一内容下一内容回主目录返回0dbgFFF3)(4SStdu对于微小颗粒，沉降的加速度阶段很短，可以忽略不计，因此，整个沉降过程可以视为匀速沉降过程，加速度为零。这种情况下可直接将用于重力沉降的计算。tu上一内容下一内容回主目录返回是颗粒与流体相对运动时，以颗粒形状及尺寸为特征的雷诺数Re的函数。)((Re)tduff利用实验测定出沉降阻力系数，并可绘制出—Re关系曲线。上一内容下一内容回主目录返回4.非球形颗粒的自由沉降速度球形度（形状系数）PSSS体积当量直径与颗粒等体积的球形颗粒直径。36FeVd5.影响沉降速度的因素(1)颗粒形状用球形颗粒直径来表示沉降速度与其相同的非球形颗粒的直径。上一内容下一内容回主目录返回（2)壁面效应当颗粒靠近器壁沉降时，由于器壁的影响，其沉降速度较自由沉降速度小，这种影响称为壁面效应。（容器很大，100倍以上可忽略）(3)干扰沉降当非均相物系中的颗粒较多，颗粒之间相互距离较近时，颗粒沉降会受到其他颗粒的影响，这种沉降称为干扰沉降。干扰沉降速度比自由沉降小。（颗粒浓度＜0.2%,可近似为自由沉降）。上一内容下一内容回主目录返回（二)重力沉降设备1.沉降室沉降室是利用重力沉降从含尘气体中分离出尘粒的设备。上一内容下一内容回主目录返回2.连续沉降槽借重力沉降分离悬浮液的设备称为沉降槽或增稠器。悬浮液通过沉降槽后可分离成清液和沉渣。上一内容下一内容回主目录返回二、离心沉降设备（一）离心沉降1.离心分离速度当颗粒处于离心场时，将受到四个力的作用，即重力、惯性离心力、向心力和阻力。上一内容下一内容回主目录返回当颗粒所受的惯性离心力、向心力和阻力平衡时，颗粒在径向上将保持匀速运动而沉降到器壁。在匀速沉降阶段的径向速度就是颗粒在此位置上的离心沉降速度，其计算式为：Rudu3)(42TsrRut2离心加速度。上一内容下一内容回主目录返回2.离心分离因数离心加速度与重力加速度之比叫离心分离因数，用表示。它是离心分离设备的重要性能指标。CK2rTtuuKcuRg值愈高，离心沉降效果愈好。CK上一内容下一内容回主目录返回（二）离心沉降设备1.碟片式离心机碟片式离心机的转鼓装在立轴上端，通过传动装置由电动机驱动而高速旋转。转鼓内有一组互相套叠在一起的碟形零件——碟片。碟片与碟片之间留有很小的间隙。上一内容下一内容回主目录返回转鼓结构上一内容下一内容回主目录返回碟片式离心机工作过程浮液由位于转鼓中心的进料管加入转鼓，当悬浮液流过碟片之间的间隙时，固体颗粒在离心力作用下沉降到碟片上形成沉渣。沉渣沿碟片表面滑动而脱离碟片并积聚在转鼓内直径最大的部位，分离颗粒后的液体成为轻相，从轻相排出口排出，沉渣则形成重相，在分离机停机后拆开转鼓由人工清除，或由沉渣排出机构从重相排出口排出。上一内容下一内容回主目录返回碟片的作用是缩短固体颗粒的沉降距离、扩大转鼓的沉降面积，提高分离机的生产能力。碟片离心机的操作类型液固分离液液分离上一内容下一内容回主目录返回2.高速管式离心机高速管式离心机的核心部件是直筒状转鼓，其内装有三个纵向平板，以带动料液迅速达到与转鼓相同的角速度。上一内容下一内容回主目录返回分离乳浊液的管式离心机，转鼓由转轴带动旋转。乳浊液由底部进入转鼓内从下向上流动。在离心力作用下，由于两种液体的密度不同，乳浊液分成内外两液层。外层为重液层，内层为轻液层，在离心机的顶部，轻液与重液分别从各自的溢流口排出。上一内容下一内容回主目录返回分离悬浮液的管式离心机，悬浮液从底部进入转鼓并随着转鼓旋转。液体由下向上流动过程中，颗粒由转鼓中心径向运动到转鼓内壁形成沉渣，轻相则沿轴心线上升从轻液排出口排出。上一内容下一内容回主目录返回注意在分离悬浮液时应将管式离心机的重液排出口封闭，以便颗粒沉降在转鼓内壁。运转一段时间，停车卸渣，并清洗机器。上一内容下一内容回主目录返回3.冷冻离心机冷冻离心机由驱动电机、制冷系统、显示系统、自动保护系统和速度控制系统组成，主要配件是离心转头。离心转头是用来搁置样品容器的支架，有角式转头和甩平式转头两种。上一内容下一内容回主目录返回安装离心机转头的离心室由制冷机输送出的制冷剂降温，热电偶温度检测器可检测温度，以保证离心机高速转动时料液温度始终不会高于4℃，避免药物活性损失。高速冷冻离心机转速可达25000转/分钟，分离因数为89000左右，分离效果好，是目前生物制药工业广为使用的分离设备。在使用高速冷冻离心机时，每一个容器里盛装的液体质量要均等，在盖上盖子后才能启动。上一内容下一内容回主目录返回第三节过滤设备一、概述（一）过滤当悬浮液通过多孔介质时固体颗粒被截留的过程称为过滤。悬浮液