第二章_原料的预处理

第二章原料预处理一、学习目的与要求通过本章学习，要求了解细胞分离、目标产物的释放的各种基本方法，了解各种方法的优缺点和应用范围。二、学习指南（一）细胞分离了解：重力沉降、离心沉降和过滤的概念。理解：离心分离与过滤原理以及提高分离效率的方法。应用：采用不同的离心分离、过滤设备对不同的细胞进行分离。（二）细胞破碎理解：各种细胞破碎方法原理、优缺点及其适用范围。应用：采用不同的细胞破碎方法对不同细胞进行不同程度的破碎。微生物发酵或动植物细胞培养后培养液与细胞的分离，结晶体与母液的分离，浸取液与药源固体的分离都需要固液分离，在制药工程中将菌体或细胞与培养液分离是生物分离过程的第一步。1.1悬浮液的基本特性生物细胞培养液基本上属于悬浮液,其中大部分是水,培养液中水的特性与固液分离有密切的关系。第一节细胞分离1.极性：水分子由于正负电荷的中心不重合，为极性分子。水分子之间由于氢键会发生强烈的缔合作用，如与固体物料表面发生氢键作用，则会强化水分子在物料表面的附着状态而不利于固液分离的进行。2.粘性：反映了流体分子间的相互作用，它是温度的函数，改变温度会对分离效率产生显著的影响。3.表面张力:表面张力随温度的升高而降低。液体介质的表面张力越大，固液分离越困难，因此，降低水的表面张力，是提高固液分离的有效途径之一。1.2悬浮液的预处理：1.预处理的目的：（1）改变发酵液的物理性质，促进从悬浮液中分离固形物的速度，提高固液分离的效率。（2）尽可能使产物转入便于后处理的某一相中。（3）去除发酵液中部分杂质，便于后续操作。2.预处理的方法：（1）加热法：可降低悬浮液的粘度，加速聚集作用以除去杂蛋白，破坏凝胶状结构，增加滤饼孔隙度，提高分离效率。（2）调节悬浮液的pH值：促进凝聚作用。（3）凝聚和絮凝：将化学药剂预先投加到悬浮液中，改变细胞、菌体和蛋白质等胶体粒子的分散状态，破坏其稳定性，使它们聚集成可分离的絮凝体，在进行分离。特点：使颗粒尺寸增加，增大颗粒的沉降或浮选速率，提高滤饼的渗透性或在深床过滤时产生较好的颗粒保留作用。凝聚：在投加的化学物质（如铝、铁的盐类或石灰等）作用下，胶体脱稳并使粒子相互聚集成1mm大小块状凝聚体的过程。絮凝：使用絮凝剂（天然或合成的大分子量聚电解质）将胶体粒子交联成网，形成10mm大小絮凝团的过程。1.3重力沉降（适用于分离较大的颗粒）重力沉降的先决条件是固相和液相间存在密度差。重力沉降过程中固体颗粒受到重力、浮力和摩擦阻力的作用。根据斯托克思定律，当浮力、摩擦阻力和重力达到平衡时，球形固体颗粒均速沉降，沉降速度为：llspggdV182由于菌体细胞的直径很小，沉降速度很慢，因此常需向菌体的料液中加入絮凝剂，使菌体细胞凝聚成较大颗粒后过滤除去。1.4离心沉降（适用于分离较小的颗粒）广泛应用于固液、液液相的分离。1.离心沉降速度LLspd18)(2S=从该式中可看出：①当ρs＞ρL，则S＞0，粒子顺着离心方向沉降。②当ρs＝ρL，则S＝0，粒子到达某一位置后达到平衡。③当ρs＜ρL，则S＜0，粒子逆着离心方向上浮。离心沉降时，颗粒的相对分子质量越大，沉降系数越大，离心沉降速度越大。1822RdVss令：S为沉降系数2.离心分离法（1）差速离心分离：原理:利用不同的粒子在离心力场中沉降的差别（大而重的颗粒沉降最快，最先到达底部），在同一离心条件下，沉降速度不同，通过不断增加相对离心力，使一个非均匀混合液内的大小、形状不同的粒子分级沉淀。操作过程：一般是在离心后用倾倒的办法把上清液与沉淀分开，然后将上清液加高转速离心，分离出第二部分沉淀，如此往复加高转速，逐级分离出所需要的物质。优点：操作最简便，使用最广泛。缺点：差速离心的分辨率不高，沉淀系数在同一个数量级内的各种粒子不容易分开，常用于其他分离手段之前的粗制品提取。（2）区带离心根据离心操作条件不同，可分为差速区带离心和平衡区带离心。差速区带离心法：在离心前于离心管内先装入密度梯度介质（如蔗糖、甘油、KBr、CsCl等），溶液的密度从离心管顶部至底部逐渐增加，待分离的样品铺在梯度液的顶部，同梯度液一起离心。离心后在近旋转轴处（r1）的介质密度最小，离旋转轴最远处（r2）介质的密度最大，但最大介质密度必须小于样品中粒子的最小密度，即ρs＞ρL。这种方法是根据分离的粒子在梯度液中沉降速度的不同，使具有不同沉降速度的粒子处于不同的密度梯度层内分成一系列区带，达到彼此分离的目的。梯度液在离心过程中以及离心完毕后，取样时起着支持介质和稳定剂的作用，避免因机械振动而引起已分层的粒子再混合。用于差速区带离心分离的物质密度必须大于梯度液中最大密度，离心过程必须在被分离物区带到达管底前停止。由于ρs＞ρL，可知S＞0，因此该离心法的离心时间要严格控制，既有足够的时间使各种粒子在介质梯度中形成区带，又要控制在任一粒子达到沉淀前。如果离心时间过长，所有的样品可全部到达离心管底部；离心时间不足，样品还没有分离。由于此法是一种不完全的沉降，沉降受物质本身大小的影响较大，一般是应用在物质大小相异而密度相同的情况。常用的梯度液有Ficoll、Percoll及蔗糖。)平衡区带离心（等密度离心法）:在离心前预先配制介质的密度梯度，此种密度梯度液包含了被分离样品中所有粒子的密度，待分离的样品铺在梯度液顶上或和梯度液先混合，离心开始后，当梯度液由于离心力的作用逐渐形成底浓而管顶稀的密度梯度，与此同时原来分布均匀的粒子也发生重新分布。当管底介质的密度大于粒子的密度，即ρL＞ρs时粒子上浮；在弯顶处ρs＞ρL时，则粒子沉降，最后粒子进入到一个它本身的密度位置即ρs＝ρL，此时粒子不再移动，粒子形成纯组分的区带，区带与样品粒子的密度有关，而与粒子的大小和其他参数无关，因此只要转速、温度不变，则延长离心时间也不能改变这些粒子的成带位置。此法一般应用于物质的大小相近，而密度差异较大时。常用的梯度液是CsCl。3.离心分离设备实验室用离心机以离心管式转子离心机为主。生化用离心机一般为冷却式，可在低温下操作，称为冷冻离心机。工业离心分离设备常用的有管式和碟片式两大类。管式离心机：应用：A、液-液分离(连续式)，B、低固体含量(1%)的固-液分离(间歇式)。主要技术指标：A、离心管直径40-150mm，长径比4-8；B、离心强度8000—15000g；C、处理能力100-400L/h；D、适应的颗粒直径0.01-100mm，固液密度差大于0.01g/cm3，固体含量小于1%优点：A、结构简单，价廉，B、分离效果好，分离因数高8000—15000g缺点：A、处理能力有限，间歇操作;B、低固体含量的悬浮液(1%)碟式离心机：化学、制药和生化工业应用最广泛特点：A、10-100个锥顶角为60-100°的锥形碟片；B、碟片距离很短0.5-2.5mm，沉降距离极短，分离效果高；C、碟片多，沉降面积大，增加分离效果；D、抗对流效果高。分类：Ａ、人工排渣式;Ｂ、喷嘴排渣式;C、活塞排渣式。1.5过滤定义：利用多孔性介质截留固液悬浮液中的固体粒子，进行固液分离的方法。由于制药工程中过滤的对象大部分是生物体，发酵液中的微生物细胞等均是易变形的柔软体，一经压缩就会变形；并且发酵液的粘度也很大，因而发酵液的过滤操作就显得十分困难。过滤滤饼过滤：深层过滤：固体粒子在过滤介质表面积累，很短时间内发生架桥现象，沉积的滤饼也起过滤介质作用固体粒子在过滤介质的孔隙内被截留，固液分离发生在整个过滤介质内部)(AVVrvPAddVeAddVesVVvrAp01滤饼过滤：过滤基本方程：对于可压缩滤饼生物过程中，可压缩滤饼最为常见。由于可压缩滤饼的比阻随压力差提高而增大，因此，过滤操作中，压力差是重要的操作参数，对可压缩滤饼，一定要缓慢增大操作压力。滤浆滤饼过滤介质滤液滤饼过滤过滤时，按照外加压力和流速的变化，可将过滤操作分为：①恒压过滤－用压缩空气或真空作为推动力②恒速过滤－用定容泵来输送料液③变速－变压过滤－用离心泵来实现。由于滤饼是影响过滤速度的主要因素，因此在过滤操作前，要对滤液进行絮凝等预处理，降低滤饼的阻力。另外，还可在料液中加助滤剂（如硅藻土）提高过滤速度。深层过滤：过滤过程中颗粒的运动：①迁移行为：颗粒运动到过滤介质内部孔隙表面的行为，其作用力有：扩散作用力，重力，惯性力。颗粒的粒度大小与截留效率有密切关系。粒径为1微米时截留效率最小。②附着行为：颗粒迁移到过滤介质的滤粒表面时，两者间相互作用力的性质决定能否产生附着。固相成分、液相离子组成和离子浓度、pH值等会影响颗粒与介质表面的电性和荷电量，进而影响附着效果。③脱落行为：当颗粒或颗粒团与过滤介质表面的结合力较弱时，它们会从介质孔隙的表面脱落下来。脱落的原因有：流体对附着的颗粒的剪切作用，运动的颗粒对附着的颗粒的碰撞。过滤介质：按过滤原理按材质按结构表面过滤介质深层过滤介质天然纤维合成纤维金属玻璃塑料陶瓷柔性刚性松散性过滤介质的特性：机械性能刚度，强度，蠕变或拉伸抗力，移动的稳定性，抗摩擦性，振动稳定性，可制造工艺性，密封性，可供应尺寸使用性能化学稳定性，热稳定性，生物学稳定性，动态稳定性，吸附性，可湿性，卫生和安全性过滤性能截留的最小颗粒，截留效率，清洁介质的流动阻力，纳污容量，堵塞倾向基本性能：过滤性能：1.截留率：被截留颗粒量与参与过滤的全部颗粒量之比。2.渗透率：反映其对流体流过时的阻力，渗透率越大，阻力系数越小。3.剥离性能：用刮刀、绳索或剥离辊等卸料装置，使滤饼与过滤介质分离的难易程度。4.再生性能：过滤介质表面或内部被固相颗粒阻塞后用不同方法进行清洗，过滤介质性能恢复的程度。5.物理性能：过滤介质的断裂强度、断裂延伸及耐磨性等。6.化学性能：耐腐蚀性。新型过滤介质：1.无石棉过滤板:由极细纤维、细硅藻土和合成聚合物（带正电荷的树脂）精确混制而成。空隙率高，可吸附微小颗粒。属深层过滤。可用于过滤制药工程中的发酵液，能除去药物中的热源物质。2.金属过滤介质：A.楔形端面金属丝筛网：楔形金属丝筛网的孔眼不易被颗粒堵塞。材质为：不锈钢、碳素钢、镀锌碳钢、黄铜、紫铜、磷青铜、铝合金及镍、钛等特殊合金。B.烧结金属过滤介质：将金属（网、粉末、纤维）置于真空中，使之受热至温度为熔点温度的90%，并施加一定时间的压力，使金属各接触点的原子相互扩散而结合在一起。耐高温、高压，且过滤精度高、寿命长。3.多孔陶瓷：一般由熔融的玻璃基与硅酸盐颗粒结合在一起。具有耐高温、耐腐蚀等特点。4.纤维素长带条缠绕滤芯：由纤维素长带条按螺旋形缠绕而成，带条经过酚醛树脂浸渍，并通过热处理而硬化。属表面过滤，可用流体逆洗再生。价廉，强度好，耐热性好，耐腐蚀，易清洗再生。5.纤维素非缠绕滤芯：经过专有的制毡浸渍过程制造的管形滤芯。其纤维密度沿径向变化，内部较致密，空隙较小。因此大颗粒被外部截留，小颗粒被内部截留。属深层过滤。过滤介质的选择与评估：1.介质材料的孔隙大小及截留粒子的能力2.过滤介质的渗透性3.过滤介质的抗堵塞性能及再生能力过滤设备:生化工业常用的过滤设备主要有加压叶滤机、板框过滤机、回转真空过滤机等。制药生产中药液的固液分离应用:中药的过滤分离:特点:含有动植物蛋白、多糖等胶体与胶状体物质；大多形成可压缩滤饼，且滤饼比阻较大；容易聚合成大分子，产生絮状物；对过滤介质要求高；固液密度差小，分离收率低。措施：采用预处理（加热、加入添加物）及多种分离技术的组合工艺（先粗滤再精滤）。发酵液的过滤分离：特点：典型的非牛顿流体，含有菌丝体、多糖类残留培养基及其代谢产物等，其粘度和可压缩性很大。分离方法：板框过滤机、转鼓真空过滤机，螺旋离心机和碟片离心机等。活性炭与脱色后药液的过滤：特点：活性炭颗粒很细，滤布介质很难一次达到过滤效果。方法：采用多次复滤，过滤介质采用纤维黏结过滤管或微孔膜滤芯。药液除菌过滤：常采用带正电荷的非石棉滤板代替石棉滤板和微孔膜滤芯。结晶体的过滤：晶体较粗大，一般采用三足式离心过滤机。制药生产中分离技术的发展：生物化工