作者：洪伟鸣
出版社：重庆大学出版社
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生物分离与纯化技术试读：
前言
生物分离与纯化技术是现代生物工程技术中极其重要的组成部分，也是相关产业中使用最普遍的技术。该课程在生物工程与生物技术人才培养中具有重要的作用，是生物制药专业、生物技术专业的核心课程之一，课程内容涵盖广泛，包括预处理技术、固液分离技术、细胞破碎技术、萃取技术、沉淀技术、层析技术、结晶技术和干燥技术等内容。近年来，国内外生物分离与纯化技术发展迅猛，新理论、新技术和新工艺不断涌现，原有教材已不能满足现行专业教学的要求，迫切需要一本适合于高职院校技术技能型人才培养以及行业发展的教材。
本书的编写以专业培养目标及课程教学标准为指导，坚持以教学为主导、兼顾学科系统的完整性和学生实用性，以“够用、适用、实用”为原则，以操作技能训练为主体，侧重于实践性教学环节，重视生产基本技能与实践操作能力的培养，使学生能够了解生物分离与纯化的基本知识和基本技术，能够正确有效地应用生物分离与纯化技术从事相关实践工作，掌握生物分离与纯化技术的基本原理和主要关键技术。本书既可作为高职高专院校制药技术、制药工程、生物技术及应用、生物工程等相关专业的学生使用，也可供从事生物分离与纯化技术领域的相关人士参考。
本书由洪伟鸣（江苏农牧科技职业学院）担任主编，李存法（河南牧业经济学院）、张俊霞（呼和浩特职业学院）担任副主编，史瑞（黑龙江生物科技职业学院）、张璨（天津生物工程职业技术学院）、张晓峰（河南牧业经济学院）、崔潇婷（江苏农牧科技职业学院）参与了编写。在编写过程中，南京工业大学曹飞教授和江苏农牧科技职业学院左伟勇教授以严谨的治学态度仔细审阅了书稿，并提出了许多非常宝贵的指导性意见。
本书的出版得到了江苏农牧科技职业学院教务处、各位编写作者所在院校以及重庆大学出版社的大力支持；此外，本书学习和引用了同行和相关专业书籍的部分资料。在这里，向支持本书编写的所有单位和参考文献的作者致以诚挚的感谢。
由于本书涉及范围较广，而且该学科发展很快，加之作者水平有限，书中难免有疏漏和不足之处，敬请读者不吝赐教，批评指正。编 者2015年5月第1章绪论【学习目标】理解生物分离与纯化技术的基本概念。了解生物材料的来源和加工特性。掌握生物分离与纯化的一般工艺过程。了解生物分离与纯化方法的选择依据。【能力目标】能根据课程特点制订学习目标和学习计划。生物分离与纯化技术是指从动植物细胞、微生物代谢产物和酶促反应产物等生物物料中分离和纯化出目的产物的一门技术。通常被称为生物技术下游加工过程，其最终目的是要获得对人类有用的、符合相关质量要求的各种生物药物或生物制品。生物分离与纯化技术由一系列的单元操作技术组成。各个单元操作技术具有各自的分离理论，并适用于不同的分离与纯化过程。生物分离与纯化技术是现代生物技术的重要组成部分，其技术水平的高低可以代表和反映一个国家在生物技术领域的竞争力强弱程度。进入21世纪以来，生命科学、生物技术基础研究以及化工分离科学、材料科学等相关学科的迅速进步，极大地推动了生物分离与纯化技术的发展，同时生物分离过程特性的研究也逐渐被人们所重视。本章主要介绍生物分离与纯化技术的相关研究概况和未来发展趋势。1.1生物分离与纯化技术的发展历史及其应用
生物分离与纯化技术至今已有几百年的发展历史。16世纪人类就发明了用水蒸气蒸馏的方法从鲜花与香草中提取天然香料，而从牛奶中提取奶酪的历史则更早。近代生物分离与纯化技术是在欧洲工业革命以后逐步形成和发展起来的，最早的开发是由于发酵乙醇以及有机酸分离提取的需要。到了20世纪40年代初期，人们发明了大规模深层发酵生产抗生素的工艺技术，但是发酵生产得到的粗产物纯度较低，而对最终产品要求的纯度却很高。近年来发展的生物技术包括利用基因工程菌生产人造胰岛素、人与动物疫苗等产品，粗产物的含量极低，而对分离所得的最终产物的要求却更高了。因而，人们对生物分离与纯化技术与装备的要求越来越高。
生物分离与纯化处理的对象是复杂的多相体系，包括微生物细胞、菌体、代谢产物、未耗用的培养基以及各种降解产物等。其中，3生物活性物质的浓度通常很低（例如，抗生素的含量为10～30kg/m、3312酶的含量为2～5kg/m、维生素B的含量仅为0.12kg/m），而杂质含量却很高，并且某些杂质又具有非常相似的化学结构和理化性质，加之生物活性物质通常很不稳定，遇热或遇某些化学试剂会引起失活或分解，某些产品还要求无菌操作，故对分离与纯化的条件要求苛刻。分离与纯化过程在生物产品的整个生产过程中所占产品总成本的比例很大，对于抗生素而言，分离与纯化部分的投资费用约为发酵部分的4倍；对有机酸或氨基酸生产而言，约为1.5倍；对基因工程药物而言，分离纯化技术的要求则更高，所占的费用可达到生产总费用的80%～90%，甚至更高。因此，生物分离与纯化对生物产品的质量控制和生产成本控制起着至关重要的作用。1.2生物分离与纯化技术的特点1.2.1生物材料的来源
生产生物药物和生物制品的主要材料来源是动物、植物和微生物的器官、组织、细胞与代谢产物。其种类主要有以下几种：1）动物器官与组织
以动物器官与组织为原料，可制备多种生物药物及生物制品。动物器官与组织的主要来源是猪，其次是牛、羊、家禽和鱼类等。2）血液、分泌物及其他代谢物
血液占动物体重的6%～10%。血液资源丰富，可用于生产药品、生化试剂、营养食品、医用化妆品及饲料添加剂等。以动物的血液为原料生产的生物制品有免疫球蛋白、血纤溶酶原、凝血酶、血红蛋白、白蛋白、血红素、SOD等。
另外，尿液、胆汁、蜂毒等也是重要的生物材料。由尿液可制备尿激酶、激肽释放酶、蛋白抑制剂等；由胆汁可生产胆汁酸、胆红素等。3）海洋生物
海洋生物是开发防治常见病、多发病和疑难病的重要生物材料。用于生产生物制品的海洋生物，主要有海藻、腔肠动物、鱼类和软体动物等。4）植物
可作为药用的植物种类繁多，除含有生物碱、强心苷、黄酮、皂苷、挥发油、树脂等有效药理成分外，还含有氨基酸、蛋白质、酶、激素、核酸、糖类、脂类等众多成分。5）微生物及其代谢产物
微生物的种类繁多，且资源丰富，应用前景非常广阔。由细菌、放线菌、真菌和酵母菌的初级代谢产物中可获得氨基酸和维生素等，由次级代谢产物中可获得青霉素和四环素等一些抗生素。基因工程技术的发展，使得通过微生物培养获得大量其他生物物质成为可能。1.2.2 生物分离与纯化技术的特点
由于生物物质大多具有生理活性和药理作用，其活性的大小直接与它们的终极应用目的密切相关，而其中很多生物大分子如蛋白质、核酸、病毒类基因治疗剂等，对外界条件非常敏感，过酸、过碱、热、光、剧烈振荡等都有可能导致其丧失活性。因此，在分离与纯化的过程中，必须根据目的产物的特点，在保证其生理活性和药理作用的前提下进行分离与纯化操作。生物分离与纯化技术的特点主要表现在以下几个方面：1）环境复杂、分离纯化困难
目的产物存在的环境复杂、分离纯化比较困难，具体表现在两个方面：一是目的产物来源的生物材料中常含有成百上千种杂质，以谷氨酸发酵液为例，在发酵液中除了含有大量的微生物细胞、细胞碎片、残余培养基成分等杂质外，还含有核酸、蛋白质、多糖等大分子物质以及大量其他氨基酸、有机酸等低分子的中间代谢产物，这些杂质有些是可溶性物质，有些是以胶体悬浮液和粒子形态存在。总之，发酵液的组成相当复杂，即使是一个特定的体系，也不可能对它们进行精确的分离，何况某些组分的性质与目的产物具有很多理化方面的相似性。二是不同生物材料成分的差别导致分离与纯化过程中处理对象理化性质的差别，比如赖氨酸可以采用发酵法和水解动植物蛋白质获取，同样是赖氨酸，因水解液和发酵液的组成成分差别，决定了在赖氨酸的分离与纯化中不可能采用相同的生产工艺。2）目的产物含量低、分离纯化难度大
目的产物在生物材料中的含量一般都很低，有时甚至是极微量的。如胰腺中脱氧核糖核酸酶的含量为0.004%、胰岛素含量为0.002%，胆汁中胆红素含量为0.05%～0.08%。因此，要从庞大体积的原料中分离纯化获得目的产物，通常需要进行多次提取、高度浓缩提取液等处理，这是造成生物分离与纯化成本增加的主要原因之一。3）稳定性差、操作要求严格
生物物质的稳定性较差，易受周围环境及其他杂质的干扰，因此，通常需保持在特定的环境中，否则容易失活。生物物质的生理活性大多是在生物体内的温和条件下维持并发挥作用的，过酸、过碱、热、光、剧烈振荡以及某些化学药物存在等都可能使其生物活性降低甚至丧失。因此，对分离纯化过程的操作条件有严格的限制，尤其是蛋白质、核酸、病毒类基因治疗剂等生物大分子，在分离纯化过程中通常需要采用添加保护剂、采用缓冲体系等措施以保持其高的活性。4）目的产物最终的质量要求很高
通过生物分离与纯化操作获得的许多产品是医药类、生物试剂类或食品类等精细产品的主要成分，其质量的好坏与人们的生活、健康密切相关，因此，相关产品的质量通常必须达到药典、试剂标准和食品规范的要求。如对于蛋白质类药物，一般规定杂蛋白含量低于2%，而重组胰岛素中的杂蛋白应低于0.01%，不少产品还要求是稳定的无色晶体。5）最终产品纯度的均一性与化学分离上纯度的概念并不完全相同
绝大多数生物物质对环境反应十分敏感，结构与功能关系比较复杂，应用途径多样化，故对其均一性的评定常常是有条件的，或者通过不同角度测定，最后综合得出相对的“均一性”结论。只凭一种方法所得纯度的结果往往是片面的，甚至是错误的。1.3生物分离与纯化的一般工艺流程1.3.1 一般工艺流程
按照生产过程的顺序，生物分离与纯化一般包括原材料的预处理、分离提取、产物的精制和成品加工四个过程。生物分离与纯化的一般工艺流程如图1.1所示。实际工艺流程取决于产品的特性以及要求达到的纯度。如产品为菌体本身，则工艺比较简单，只需过滤得到菌体，再经干燥即可（如单细胞蛋白的生产）；如可以直接从发酵液中提取，则可省去固-液分离的操作；如为胞外产物，则可省去细胞破碎的操作。图1.1 生物分离与纯化的一般工艺流程1.3.2 涉及的各种单元操作
生物分离与纯化过程中涉及的单元操作很多，其中萃取、离心分离、过滤、沉淀、层析、膜分离、结晶、干燥等，都属于常见的基本单元操作。这些单元操作按处理规模，可分为实验室规模和工业生产规模。本课程重点讨论工业生产规模的单元操作的技术原理、设备及操作条件选择。下面主要根据生物分离与纯化过程的4个阶段，对各单元操作技术作简单介绍。1）原材料的预处理与固-液分离
从发酵液中分离出固体是分离与纯化过程的第一个步骤。由于原料液中成分复杂且杂质多等，需要先进行预处理，从而改变原料液的性质，以利于固-液分离及后续的单元操作。预处理的方法包括加热、调节pH、絮凝、凝聚等。固-液分离中主要采用过滤和离心分离等传统方法，用微滤或超滤技术直接分离细胞等固形物已成为当前固-液分离工序中的新技术。2）细胞破碎与碎片分离
细胞破碎的方法有机械法和非机械法两种。大规模生产常用高压匀浆器、球磨机，基因工程技术制药生产中也常用超声波结合酶法破碎。细胞碎片的分离可采用离心过滤、膜过滤或双水相萃取等方法。3）初步纯化（分离提取）
初步纯化的主要目的是浓缩目的产物，并使其初步纯化。涉及的单元操作包括：（1）浸提和萃取法
浸提是指使目的产物从固相原材料中转移至水相中，以水相为出发点进行分离与纯化的过程。萃取是利用目的产物在两相溶液中分配系数的不同，使其向一相富集并与其他杂质初步分离开来。常用的萃取方法有溶剂萃取、双水相萃取、超临界萃取等，分别适用于不同类型组分的萃取过程。（2）沉淀法
利用盐析法、有机溶剂沉淀法和等电点沉淀法，使目的蛋白沉淀出来并得到初步纯化。（3）膜过滤法
利用微滤膜、超滤膜、反渗透膜等选择性透过膜，可以将粒径大小不同的颗粒或分子分离或浓缩。（4）蒸发浓缩
利用真空蒸发浓缩法除去大部分的溶剂和易挥发组分。4）高度纯化（产物的精制）
经初步纯化后物料的体积已大大缩小，但纯度尚不高，仍需进一步纯化和精制。大分子产物的精制主要采用层析技术，而小分子产物的精制常选用结晶技术。（1）层析
层析是一种高效的分离技术。其操作是在层析柱中完成的，包含固定相和流动相，由于物质在两相间分配系数不同，故在柱中的运动速度也不同，从而获得分离。层析是一系列相关技术的总称，根据分配机理的不同，层析主要包括吸附层析、凝胶层析、离子交换层析、疏水层析和亲和层析等。（2）结晶
结晶的前提条件是要使溶液达到过饱和状态。结晶主要适用于低分子量物质的纯化，例如抗生素、氨基酸、有机酸等产品。（3）干燥
干燥是生产固体状生物产品的最后一道工序。干燥的方法很多，但生物产品大多有热敏失活的特性，因此建议选用真空干燥、流化床干燥、气流干燥、喷雾干燥和冷冻干燥等操作方式。5）成品加工
经过上述初步纯化和高度纯化后，得到的产物一般能符合成品要求，如果仍需进一步纯化，最好是选择机理不同的另一种高度纯化操作。蛋白质分子在纯化过程中，常会聚集成二聚体或多聚体，特别当浓度较高或含有降解产物（由于有蛋白酶的存在）时；有时亲和层析的配基也会脱落，也必须除去。常用的方法是利用基于分子大小不同的凝胶层析法，其处理量小，所以应用于最后阶段的纯化很合适。1.3.3 生物分离与纯化方法的选择依据
选择分离与纯化方法的总体原则是根据原材料中杂质组分和目的组分的理化性质及对产品质量的要求，选择相应的单元操作，通过试验最终确定适合的单元操作及最有效的操作工艺。在选择和设计分离纯化工艺时，主要考虑以下因素：1）生产成本
生物分离与纯化过程所需的费用占产品生产总成本的比例很高，因此为了提高经济效益，产率和成本是生产企业首要考虑的因素。2）原料的组成和性质
目的产物在原料中的浓度高低、是胞内产物还是胞外产物，以及溶解性等理化性质，是影响工艺条件的重要因素。生化物质的分离基本都是在液相中进行的，所以在选择分离方法时首先要考虑物质的分配系数、相对分子质量、离子电荷性质及数量、挥发性等因素。如果某些杂质在各种条件下带电荷性质与目的产物相似，但相对分子质量、形状和大小与目的物差别大，可以考虑用离心或膜过滤或凝胶色谱法分离除去相对分子质量相差较大的杂质，然后在一定的pH和离子强度范围内使目的产物变成有利的离子状态，便能有效地进行分离。3）分离与纯化的步骤
任何产品的分离与纯化都不可能一步完成，都是多种步骤的组合。在实际生产中，要尽可能采用最少的步骤，因为步骤的多少不仅影响到产品的得率，而且还会影响到投资和操作成本。为了提高产品的总得率，可以采用两种方法：一是提高各个步骤的回收率；二是减少所需的步骤。对于某些生物大分子产品，分离与纯化可采用离子交换色谱、凝胶过滤等多种单元操作的组合，但如果采用亲和层析，虽然分离材料的投资成本会增加，但产品的一次纯化效率很高，这样会大大地降低生产成本，提高生产效率。4）产品的稳定性
要了解目的产物在什么样的pH和温度范围易受破坏、酸性和碱性下的降解产物是什么，最好能知道其降解速度。必须注意，在整个分离纯化过程中，要尽量使目的产物保持稳定。例如，对于一些热不稳定的产品，可以采用冷冻干燥工艺进行成品加工。对于蛋白质产品，往往存在巯基，故蛋白质容易被氧化，因此必须排除空气并使用抗氧化剂，以便使氧化作用降低到最低程度，并且必须仔细地设计，以减少空气进入系统，使氧化的可能性减小。1.4生物分离与纯化技术的发展趋势
随着生物技术产业的迅猛发展，新的分离与纯化方法不断涌现，解决了许多以前无法解决的实际问题，并且提供了一大批生物技术产品。但无论是传统的生物技术产品，还是附加值高的现代生物技术产品，随着生产规模的扩大和竞争的加剧，产品的竞争优势最终归结于低成本和高纯度。降低生产成本和提高产品质量是生物分离与纯化技术的未来发展方向。目前，生物分离与纯化技术的发展方向主要体现在以下几个方面。1.4.1 新型分离介质的研制
分离介质的性能对提高分离效率起到关键的作用，特别是工业大生产，介质的机械强度是工艺设计时要考虑的重要因素。在色谱分离技术中，使用的凝胶和天然糖类为骨架的分离介质，由于其强度较弱，实现工业化的大规模生产还有一定的困难。因此，进行新型、高效的分离介质的研制是生物分离与纯化工艺改进的一个热点。1.4.2 膜分离技术的推广应用
随着膜质量的改进和膜装置性能的改善，在生物分离与纯化操作过程中将会越来越多地使用膜分离技术。膜分离技术具有选择性好、分离效率高、节约能耗等优点，是未来的主要发展方向之一。1.4.3 提高分离过程的选择性
主要是应用分子识别与亲和作用来提高大规模分离技术的精度，利用生物亲和作用的高度特异性与其他分离技术，如膜分离、双水相萃取、反胶团萃取、亲和沉淀、亲和色谱和亲和电泳等亲和纯化技术。除已知的亲和层析外，还有亲和过滤、亲和分配、亲和沉淀、亲和膜分离等。利用单克隆抗体的免疫吸附层析，选择性是最理想的，但介质的价格太高，急需研究和改进。1.4.4 强化生物分离过程的研究
生物分离过程的优化可产生显著的经济效益，但目前大多数生物分离过程尚处于经验状态，对其分离机理尚缺乏足够的认识和理解。此外，分离过程还存在失活问题，且新的分离技术不断出现，这就使得准确描述和控制生物分离过程变得很困难。生物分离是一个边缘学科，需要综合运用化学、工程、生物、数学、计算机等多学科的知识和工具才能在该领域取得突破和进展。1.4.5 生物工程上游技术与下游技术相结合
生物工程作为一个整体，上、中、下游要互相配合。为了利于目的产物的分离与纯化，上游的工艺设计应尽量为下游的分离与纯化创造有利条件。例如，设法使用生物催化剂将原来的胞内产物变为胞外产物或处于胞膜间隙；在细胞中高水平的表达形成细胞质内的包含体，在细胞破碎后，在低离心力下即能沉降，以便实现分离；减少非目的产物（如色素、毒素、降解酶和其他干扰性杂质等）的分泌；利用基因工程方法，使尿抑胃素接上几个精氨酸残基，使其碱性增强，从而容易被阳离子交换剂所吸附。
自从DNA重组人胰岛素问世以来，越来越多的生物医药产品不断涌现，生物分离与纯化技术在基因工程、酶工程、细胞工程、发酵工程和蛋白质工程方面的应用日益广泛。人们进一步研究和开发出高效、低成本的分离与纯化技术，必将有助于推动生物技术产业的高速发展。本章小结
生物分离与纯化技术是指从动植物细胞、微生物代谢产物和酶促反应产物等生物物料中分离和纯化出目的产物的一门技术，通常称为生物技术下游加工过程，其最终目的是要获得对人类有用的、符合相关质量要求的各种生物药物或生物制品。生物分离与纯化技术由一系列的单元操作技术组成。通过本章的学习，可以系统掌握生物分离与纯化技术的形成与发展、理论与原理、技术与方法等基础知识，以及最新的相关研究动态和未来发展趋势，使学生对本课程有一个全面的了解，以适应今后在教学、科研、生产开发各方面对人才知识结构的需求。复习思考题
1．简述生物原材料的来源及生物分离过程特点。
2．简述生物分离与纯化的一般工艺流程及主要包括的单元操作。
3．简述选择生物分离与纯化方法的依据。第2章预处理技术【学习目标】理解预处理技术在生物分离提取中的作用及必要性。掌握常用的预处理方法及处理要点。【能力目标】掌握凝聚与絮凝技术的基本原理。掌握常用凝聚剂与絮凝剂的类型和使用特点。2.1概述
生物发酵液（提取液）的成分极其复杂，其中存在大量的微生物菌体细胞、残存的培养基成分、各种蛋白质胶状物、色素、金属离子以及各种代谢产物等，这些杂质有些是可溶的，有些是不可溶的。1）发酵液和其他生物提取液的特性
发酵液和其他生物提取液的特性可归纳为：
①目标产物浓度较低，大多为1%～10%，悬浮液中大部分是水。
②悬浮物颗粒小，相对密度与液相相差不大。
③固体粒子可压缩性大。
④液相黏度大，大多为非牛顿型流体。
⑤性质不稳定，随时间变化，易受空气氧化、微生物污染、蛋白质酶水解等作用的影响。
⑥成分复杂，杂质较多。
上述这些特性使得生物发酵液（提取液）的分离与纯化相当困难。若通过对生物发酵液（提取液）进行适当的预处理，除去部分可溶性杂质和改善其流体性能，可利于后续的分离与纯化操作顺利进行。2）预处理的目的
预处理的目的主要有两个方面：一是改变发酵液（提取液）的物理性质，以利于后续的固-液分离。常用的方法有凝聚与絮凝；二是去除发酵液（提取液）中部分杂质，以利于后续的各步纯化操作。发酵液中的可溶性黏胶状物质（主要是杂蛋白等）和不溶性多糖会使发酵液的黏度升高，以及对后续操作影响较大的金属无机离子（如2+3+2+Ca、Fe、Mg），这些杂质在预处理时应尽量除去。3）预处理的过程
预处理过程一般包括以下几个步骤：
①对于动物组织与器官，要先除去结缔组织、脂肪等非活性部分，然后绞碎，再选择适当的溶剂使其形成细胞悬液后进行后续分离与纯化操作。
②对于植物组织与器官，要先去壳、除脂，然后粉碎，再选择适当的溶剂使其形成细胞悬液后进行后续分离与纯化操作。
③对于发酵液（提取液），则应根据目标产物所处的位置不同（胞内或胞外）进行相应的处理。2.2凝聚与絮凝技术
凝聚和絮凝技术是在料液中添加电解质，改变细胞、菌体和蛋白质等物质的分散状态，使其聚集成较大的颗粒，以便于提高过滤速率。另外，还能有效地除去杂蛋白质和固体杂质，提高滤液质量。常用于菌体细小而且黏度大的发酵液的预处理中。2.2.1 凝聚技术
凝聚是指在某些电解质作用下，由于胶粒之间双电层电排斥作用降低，电位下降，而使胶体粒子聚集的过程。这些电解质称为凝聚剂。发酵液中的细胞、菌体或蛋白质等胶体粒子的表面一般都带有电荷，带电的原因很多，主要是吸附溶液中的离子或自身基团的电离。通常，发酵液中细胞或菌体带有负电荷，由于静电引力的作用，使溶液中带相反电荷的粒子（即正离子）被吸附在其周围，在其界面上形成了双电子层，如图2.1所示。当分子热运动使粒子间距离缩小到使它们的扩散层部分重叠时，即产生电排斥作用，使两个粒子分开，从而阻止了粒子的聚集。双电层电位越大，电排斥作用就越强，胶粒的分散程度也越大，发酵液越难过滤。图2.1 胶体双电子层结构
胶粒能稳定存在的另一个原因是其表面的水化作用，使粒子周围形成水化层，阻碍了胶粒间的直接聚集。凝聚剂的加入可使胶粒之间双电层电位下降或者使胶体表面水化层破坏或变薄，导致胶体颗粒间的排斥作用降低，吸引作用加强，破坏胶体系统的分散状态，导致颗粒凝聚。
影响凝聚作用的主要因素是无机盐的种类、化合价及无机盐用量32243242等。常用的凝聚剂有AlCl·6HO、Al（SO）·18HO、FeSO·7HO、
3243FeCl·6HO、ZnSO和MgCO等。阳离子对带负电荷的发酵液胶体粒3+3++2+2+++子凝聚能力的次序为：Al＞Fe＞H＞Ca＞Mg＞K＞Na＞Li+。2.2.2 絮凝技术
絮凝是指在某些高分子化合物的存在下，通过架桥作用将许多微粒聚集在一起，形成粗大的松散絮团的过程。所利用的高分子化合物称为絮凝剂。作为絮凝剂的高分子化合物，一般具有长链状结构，易溶于水，其相对分子质量可高达数万至一千万以上。实现絮凝作用的关键在于其链节上的多个活性官能团，包括带电荷的阴离子（如—2COOH）或阳离子（如—NH）基团，以及不带电荷的非离子型基团。絮凝剂的官能团能强烈地吸附在胶粒的表面上，而且一个高分子聚合物的许多链节分别吸附在不同颗粒的表面上，因而产生架桥连接，就形成了较大的絮凝团。高分子聚合物絮凝剂在胶粒表面的吸附机理是基于各种物理化学作用，如静电引力、范德华力或氢键作用等。如图2.2所示。图2.2 絮凝剂的混合、吸附和絮凝作用示意图（虚线代表聚合物分子吸附在粒子表面直接形成絮团）a—聚合物分子在液相中分散，均匀分布在离子之间；b—聚合物分子链在粒子表面的吸附；c—被吸附链的重排，最后达到平衡构象；d—脱稳粒子互相碰撞，架桥形成絮团；e—絮团的打碎1）絮凝剂的种类
根据絮凝剂活性基团在水中解离情况的不同，可分为阴离子型、阳离子型和非离子型3类。对于带有负电荷的微粒，加入阳离子型絮凝剂，具有降低离子排斥电位和产生吸附架桥作用的双重机制；而非离子型和阳离子型絮凝剂，主要通过分子间引力和氢键等作用产生吸附架桥。
工业上使用的絮凝剂按组成不同，又可分为无机絮凝剂、有机絮凝剂和生物絮凝剂。（1）有机高分子聚合物
如人工合成的絮凝剂：二甲基二烯丙基氯化铵与丙烯酰胺的共聚物或均聚物、聚二烯基咪唑啉、聚丙烯酸类衍生物、聚苯乙烯类衍生物、聚丙烯胺类衍生物等。聚丙烯酰胺类衍生物具有絮凝体粗大、分离效果好、速度快、用量少等优点，因而得到广泛应用。需要注意的是，这类絮凝剂具有一定毒性，不能用于药品、食品生产；而聚丙烯酸类衍生物阴离子型絮凝剂无毒，可用于食品和医药工业。另外，还有些天然有机高分子絮凝剂：聚糖类胶黏物、海藻酸钠、明胶、骨胶、壳多糖等。（2）无机高分子聚合物
如聚合铝盐、聚合铁盐等。（3）生物絮凝剂
生物絮凝剂是一类由微生物产生的具有絮凝能力的生物大分子，主要有蛋白质、黏多糖、纤维素和核酸等。具有高效、无毒、无二次污染等特点，克服了无机絮凝剂和人工合成有机高分子絮凝剂本身固有的缺陷，其发展潜力越来越受到重视。2）影响絮凝效果的主要因素（1）絮凝剂的性质和结构
线性结构的有机高分子絮凝剂，其絮凝作用大，而成环状或支链结构的有机高分子絮凝剂的效果较差。絮凝剂的分子量越大、线性分子链越长，絮凝效果越好；但分子量增大，絮凝剂在水中的溶解度降低，因此要选择适宜分子量的絮凝剂。（2）操作温度
当温度升高时，絮凝速度加快，形成的絮凝颗粒细小。因此絮凝操作温度要合适，一般为20～30℃。（3）溶液pH
溶液pH的变化会影响离子型絮凝剂官能团的电离度，从而影响分子链的伸展形态。电离度增大，由于链节上相邻离子基团间的静电排斥作用，而使分子链从卷曲状态变为伸展状态，所以架桥能力提高。例如，采用碱式氮化铝和阴离子聚丙烯酰胺搭配使用的混凝方法处理碱性蛋白酶发酵液，发酵液pH对阴离子聚丙烯酰胺絮凝效果的影响如图2.3所示。由图可见，pH适当提高能增大滤速，这是因为聚丙烯酰胺分子链上的羧基解离程度提高，而使其达到较大的伸展程度，从而发挥了最佳的架桥能力。图2.3 pH对絮凝液滤速的影响（4）搅拌速度和时间
适当的搅拌速度和时间对絮凝是有利的，一般情况下，搅拌速度为40～80r/min，不要超过100r/min；搅拌时间以2～4min为宜，不超过5min。（5）絮凝剂的用量
当絮凝剂浓度较低时，增加用量有助于架桥作用，絮凝效果提高；但是用量过多反而会引起吸附饱和，在胶粒表面上形成覆盖层而失去与其他胶粒架桥的作用，造成胶粒再次稳定的现象，絮凝效果反而降低。2.2.3 混凝技术
对于带负电性菌体或蛋白质来说，阳离子型高分子絮凝剂同时具有降低粒子排斥电位和产生吸附架桥的双重机理，所以可以单独使用。对于非离子型和阴离子型高分子絮凝剂，则主要通过分子间引力和氢键作用产生吸附架桥，它们常与无机电解质凝聚剂搭配使用。首先加入无机电解质，使悬浮粒子间的相互排斥能降低，脱稳而凝聚成微粒，然后再加入絮凝剂。无机电解质的凝聚作用为高分子絮凝剂的架桥创造了良好的条件，从而提高了絮凝效果。这种包括凝聚和絮凝机理的过程，称为混凝。本章小结
发酵液和其他生物提取液具有目标产物浓度较低、悬浮物颗粒小、固体粒子可压缩性大、液相黏度大、性质不稳定等特点。这些特性使得生物发酵液（提取液）的过滤与分离相当困难。通过对生物发酵液（提取液）进行适当的预处理，除去部分可溶性杂质和改善其流体性能，降低滤饼比阻，以提过后期固液分离的效率。
加热是一种有效降低液体黏度、提高过滤速率的方法。常用于黏度随温度变化较大的流体。使用加热法时必须注意：热处理会对原液质量有影响，特别会使原液色素增多；加热的温度必须控制在不影响目的产物活性的范围内；温度过高或时间过长，可能造成细胞溶解，胞内物质外溢，而增加发酵液的复杂性，影响其后的产物分离与纯化。
适当调节pH可改善发酵液（提取液）的过滤特性。对于氨基酸、蛋白质等两性物质作为杂质存在于液体中时，常采用调pH至等电点使两性物质沉淀。在酸性溶液中，蛋白质还能与一些阴离子，如三氯乙酸盐、水杨酸盐、钨酸盐、苦味酸盐、鞣酸盐、过氯酸盐等形+2+成沉淀；在碱性溶液中，蛋白质能与一些阳离子，如Ag、Cu、2+3+2+Zn、Fe和Pb。等形成沉淀。凝聚作用是指在某些电解质作用下，由于胶粒之间双电层电排斥作用降低，电位下降，而使胶体粒子聚集32243224的过程。常用的凝聚剂有 AlCl· 6HO、Al（SO）· 18HO、KSO2432423243·Al（SO）·24HO、FeSO·7HO、FeCl·6HO、ZnSO和MgCO等。
絮凝作用是指在某些高分子化合物的存在下，通过架桥作用将许多微粒聚集在一起，形成粗大的松散絮团的过程。根据絮凝剂所带电性的不同，分为阴离子型、阳离子型和非离子型3类；根据组成不同，又可分为无机絮凝剂、有机絮凝剂和生物絮凝剂。
混凝是包括凝聚和絮凝机理的过程。首先加入无机电解质，使悬浮粒子间的相互排斥能降低，脱稳而凝聚成微粒，然后再加入絮凝剂。复习思考题
1．发酵液及其他生物提取液都具有哪些特性？这些特性为生物分离提取带来哪些困难？
2．预处理的目的是什么？常采用的方法有哪些？
3．使用加热法进行预处理时，应该注意哪些问题？
4．什么是凝聚作用？常用的凝聚剂有哪些？
5．什么是絮凝作用？常用的絮凝剂有哪些？影响絮凝作用的因素有哪些？第3章固液分离技术【学习目标】了解过滤技术的基本原理。熟悉常用的过滤设备类型及其特点。熟悉离心分离技术的基本原理。掌握影响离心分离效果的主要因素及离心分离工艺参数的选择。熟悉常见离心机的类型及特点。【能力目标】掌握常用的过滤、离心分离设备的使用和维护方法。固液分离技术是指将固液多相混合体系中固体（细胞、菌体、细胞碎片及沉淀或结晶等）与液体分离开来的技术。固液分离的目的包括两个方面：一是收集产物在胞内的细胞或目的物沉淀，去除液相；二是收集含有目的产物的液相，去除固相。固液分离技术主要包括过滤与离心分离两类单元操作技术。一般说来，细菌、酵母等微粒选用离心分离技术效果较好；而对于丝状真菌等稍大微粒，采用过滤技术分离较好且比较经济。3.1过滤技术
过滤技术以多孔性物质作为过滤介质，在外力（重力、真空度、压力或离心力等）作用下，流体及小颗粒固体通过介质孔道，而大固体颗粒被截留，从而实现流体与固体颗粒分离的技术。流体既可以是液体也可以是气体，因此，过滤既可以分离连续相为液体的非均相混合物，也可以分离连续相为气体的非均相混合物。3.1.1 过滤的分类
根据过滤机理的不同，过滤操作可分为深层过滤和滤饼过滤，如图3.1所示。图3.1 深层过滤和滤饼过滤示意图（a）滤饼过滤；（b）深层过滤1—混悬液；2—滤饼；3—过滤介质；4—滤液1）深层过滤
深层过滤是指用较厚的颗粒状床层做成过滤介质进行过滤的一种方式。所用的过滤介质为硅藻土、砂粒、颗粒活性炭、玻璃珠、塑料颗粒等。当悬浮液通过滤层时，固体颗粒被阻拦或吸附在滤层的颗粒上，使滤液得以澄清，所以深层过滤又称澄清过滤。在深层过滤中，过滤介质起着主要的过滤作用。此种方法适用于固体含量少于0.1g/100mL、颗粒直径在5～100 μm的悬浮液的过滤分离，如自来水、麦芽汁、酒类和饮料等的澄清。2）滤饼过滤
悬浮液通过滤布时，固体颗粒被滤布阻拦而逐渐形成滤饼，当滤饼增至一定厚度时即起过滤作用，这种方法叫滤饼过滤或滤渣过滤。在滤饼过滤中，悬浮液本身形成的滤饼起着主要的过滤作用。此种方法适合于固体含量大于0.1g/100mL的悬浮液的过滤分离。
按照过滤过程的推动力不同，过滤过程又可分为重力过滤、加压过滤、真空过滤、离心过滤。
①重力过滤就是利用混悬液自身重力作为过滤所需的推动力，效率较低，但设备成本和能耗也低。
②加压过滤一般通过气压或者泵推动液体前进，一般来说加压过滤对设备的密闭性要求较高，是最常用的过滤方式之一。
③真空过滤一般是在样品液的反向端进行抽真空，造成负压，形成压差，密闭性要求高，成本也高，适用于一些放射性、腐蚀性、致病性较强的样品过滤，如采用布氏漏斗进行的抽滤。
④离心过滤是利用离心机旋转形成的离心力作为料液的推动力，离心机能产生强大的离心力，因此过滤速度较快，但仪器设备自动化要求较高、结构复杂、成本较高，如实验室常用到微型超滤离心管进行离心过滤。
另外，根据过滤过程操作方式的不同，过滤还可以分为间歇式过滤和连续式过滤。3.1.2 过滤设备1）板框压滤机
板框压滤机是加压过滤机的代表，在许多领域中都有广泛应用。板框压滤机主要部分为许多交替排列的滤板与滤框，滤板两面铺有滤布，板和框共同支承在两侧的架上并可在架上滑动，并用一端的压紧装置将它们压紧，使全部滤板和滤框组成一系列密封的滤室，如图3.2所示。图3.2 板框压滤机结构示意图1—固定端板；2—滤板；3—滤框；4—活动端板；5—活动接头；6—支承；7—传动齿轮；8—手轮
滤板和滤框的形状通常为正方形，也有圆形的（大多用于小型设备）。圆形板框压滤机的优点是在过滤面积相等的情况下，密封周边最短，因而所需压紧力最小，但在同样过滤面积时其外廓尺寸较大。
板框压滤机分为明流和暗流两种型式。滤出液直接从每块滤板的出口集中流出的为明流式；滤出液从固定端板的出口集中流出的为暗流式。明流式能直接观察每组板框的工作情况，例如滤布有破损即可发现，但用于成品及无菌过滤时，则采用暗流式比较适宜，因其可减少料液与外界接触的机会，从而防止污染。
板框压滤机的板框数从10～60块不等。如果过滤物料的量不多，可用一无孔道滤板插入其中，使后面滤板不起作用。压紧装置有手动、电动和液压3种，大型板框压滤机均用液压装置，进料口和出料口均装在固定端板上。
滤板和滤框的工作情况如图3.3所示，板与框的角上有孔，当板框重叠时即形成进料、进洗涤液或排料、排洗涤液的通道。操作时物料自滤框上角孔道流入滤框中，通过滤布沿板上的沟渠自下端小孔排出。框内形成滤饼，滤饼装满后，放松活动端板，移动板框将滤饼除去，洗净滤布和滤框，重新装合。多数情况滤饼装满后还需洗涤，有时还需用压缩空气吹干。所以，板框压滤机的一个工作周期包括装合、过滤洗涤（吹干）、去饼、洗净等过程。
板框压滤机结构简单，装配紧凑，过滤面积大，允许采用较大的操作压力（一般为0.3～0.5MPa，最高可达1.5MPa），辅助设备及动力消耗少，过滤和洗涤的质量好，能分离某些含固形物较少的、难以过滤的悬浮液或胶体悬浮液，对固形物含量高的悬液也适用，滤饼的含水率低，可洗涤，维修方便，可用不同滤材以适应具有腐蚀性的物料。板框压滤机的缺点是设备笨重，间歇操作，装拆板框劳动强度大，占地面积多，辅助时间长，生产效率低。2）硅藻土过滤机
硅藻土是单细胞藻类植物的遗骸，一般大小为1～100μm，壳体上微孔密集、堆密度小、比表面积大，主要为非晶质二氧化硅，能滤除0.1～1.0μm的粒子。硅藻土过滤机的形式很多，目前使用比较广泛的有板框式、烛式、水平圆盘式3种。图3.3 滤板和滤框工作情况（1）板框式硅藻土过滤机
板框式硅藻土过滤机由机架、滤板和滤框等构成，大都采用不锈钢制作，机架由横杠、固定顶板和活动顶板组成，横杠用于悬挂滤板和滤框，顶板用于压紧滤板和滤框。滤板表面有横或竖的沟槽，用于导流出过滤后的液体。滤框和滤板四角有孔，分别用来打入待滤悬浮液和排出滤液。滤板和滤框交替悬挂在机架两侧的横杠上，滤板两侧用滤布隔开，滤布由纤维或聚合树脂制成，两块滤板中间夹一个滤框，四周密封，形成一个滤室，用于填充硅藻土、待滤液体和截留下来的粒子，如图3.4所示。图3.4 板框式硅藻土过滤机1—过滤单元；2—滤框；3—过滤纸板；4—支撑板（2）烛式硅藻土过滤机
烛式硅藻土过滤机由外壳和滤烛构成，用不锈钢制作，如图3.5所示。每根滤烛由一根中心滤柱和套在其上的许多圆环（或缠绕不锈钢螺旋）组成。烛柱是一根沿长度开成Y形槽的不锈钢柱，直径25mm左右，长度可达2m以上。圆环套装在滤柱上作为支撑物，硅藻土在环面沉积，形成滤层。料液穿过滤层，透过液由中心柱上的沟槽2流出。每根滤烛的过滤面积在0.2m左右，每台烛式过滤机内可安装近700根滤烛，所以过滤面积非常大，并且随着过滤时间的推移，滤层增厚，过滤面积成倍增加。图3.5 烛式硅藻土过滤机（a）过滤机；（b）环片式滤烛；（c）绕带式滤烛1—清酒出口；2—烛式滤芯；3—过滤机外壳；4—支撑；5—浑浊酒液进口；6—圆环；7—滤柱；8—楔形不锈钢带；9—清洗；10—硅藻土层；11—宽开口；12—狭凸肩（3）水平圆盘式硅藻土过滤机
水平圆盘式硅藻土过滤机由外壳、圆形滤盘和中心轴构成，用不锈钢制作，如图3.6所示。圆盘上面是用镍铬合金材料编织的筛网作为硅藻土助滤剂的支撑物，筛网孔径为50～80μm，过滤面积为所有圆盘面积的总和。因盘安装在中心轴上，中心轴是空心的，并开有很多滤孔。在电机带动下中心轴可以旋转，并带动圆盘一起旋转。图3.6 水平圆盘式硅藻土过淲机1—带视窗机壳；2—滤出轴；3—滤盘；4—间隔环；5—支脚；6—压紧装置；7—残液滤盘；8—底部进口；9—上部进口；10—清酒出口；11—残酒出口；12—排气管；13—液压装置；14—电机；15—轴封；16—轴环清洗管；17—硅藻土排出管；18—硅藻土排出装置；19—喷洗装置
水平圆盘式硅藻土过滤机的工作原理和烛式硅藻土过滤机相似。添加的硅藻土均匀分布于每一个圆盘上，由此形成均匀的滤层，过滤时滤液由上而下通过滤层，浑浊粒子被截留在上面，透过滤层的清酒由圆盘接收，并汇流至中央空心轴中导出，过滤结束后，圆盘随中心轴一起旋转，在离心力的作用下将滤饼甩出，通常有几种不同的转速可供选择。清洗时，过滤机圆盘的旋转很缓慢，旋转的同时，对圆盘进行强烈的冲洗。
水平圆盘式硅藻土过滤机的空心轴上一般有两个通道，通过它们，可使预涂及过滤过程连续进行。3.1.3 影响过滤速度的因素
过滤速度主要与过滤料液的理化性质及过滤工艺条件密切相关。1）料液的理化性质
料液黏度越大、固形颗粒物越小，形成的滤饼越易压缩，过滤速度越慢。在过滤时，可以加入助滤剂来改善料液的理化性质，以便过滤操作的顺利进行。助滤剂是一种坚硬的粉状或纤维状的小颗粒，它的加入可以形成结构疏松且不可压缩的滤饼。
常用的助滤剂有硅藻土、珍珠岩粉、石棉粉、纸浆等。助滤剂的使用方法有以下两种：
①用助滤剂配成悬浮液，在正式过滤前用它进行过滤，在过滤介质上形成一层由助滤剂组成的滤饼，称为预涂。这种方法可以避免细颗粒堵塞介质的孔道，并可在一开始就能得到澄清的滤液。如果滤饼有黏性，此方法还可有助于滤饼的脱落。
②将助滤剂混在滤浆中一起过滤，这种方法得到的滤饼可压缩性减小、孔隙率大，可有效地降低过滤阻力。2）过滤工艺条件
影响过滤速度最重要的因素是过滤压力。一般来说，过滤操作可分为恒速过滤和恒压过滤。在恒速过滤中，过滤速度恒定，而随着过滤的进行，滤饼不断增厚，或者滤饼因为受压而不断变得致密，导致流动阻力逐渐增大，因此为保证流速，操作压力也需要不断增大。恒压过滤则随着过滤过程流动阻力的增加，过滤速度逐渐降低。在实际生产中，一般采用先恒速过滤后恒压过滤的复合操作工艺。3.2离心分离技术
离心分离技术是指借助离心机旋转所产生的离心力的作用，促使不同大小、不同密度的粒子分离的技术。离心分离技术广泛应用于食品、生物制药生产中的固-液分离、液-液分离及不同大小的分子分离。离心分离具有分离速度快、分离效率高等优点，特别适合于固体颗粒小、液体黏度大、过滤速度慢及忌用助滤剂或助滤剂无效的场合；但离心分离也存在设备投资高、能耗大等缺点。根据分离原理的不同，离心分离可分为离心沉降和离心过滤两种方式。3.2.1 影响离心效果的主要因素及控制1）离心力和相对离心力
离心力是粒子在离心场所受到的力。离心力的大小等于离心加速2度rω与颗粒质量m的乘积，即：c式中 F——离心力，N；
m——粒子质量，kg；
r——粒子与轴心的距离，m；
ω——角速度，rad/s。
从上式可以看出，离心力的大小与转速的平方成正比，也与旋转半径成正比。在转速一定的条件下，颗粒离轴心越远，其所受的离心力越大。其次，离心力的大小也与某径向距离上颗粒的质量成正比。因此在离心机的使用中，对已装载了被分离物的离心管的平衡提出了严格的要求：离心管要以旋转中心对称放置，质量要相等；旋转中心对称位置上两个离心管中的被分离物平均密度要基本一致，以免在离心一段时间后，此两离心管在相同径向位置上由于颗粒密度的较大差异，导致离心力的不同。如果疏忽此两点，都会使转轴扭曲或断裂，导致事故发生。
由于各种离心机转子的半径或者离心管至旋转轴中心的距离不同，离心力也随之变化。在实际应用中，常用到转速来表示离心条件，但在转速相同的情况下，如果转子半径不一样，将导致离心力也不一样，因此，在文献中常用“相对离心力（RCF）”或“数字×g”来表示离心力，如相对离心力为5000×g。只要RCF值不变，一个样品可以在不同的离心机上获得相同的结果。相对离心力（也称分离因素）是粒子所受到的离心力与其重力之比，即相对离心力RCF为：式中 RCF——相对离心力；c
F——重力，N；2
g——重力加速度，9.81m/s；
n——转子每分钟的转数，r/min。
可见，离心力或相对离心力更真实地反映了粒子在不同离心机（或转子）中的实际情况。一般用相对离心力来表示高速或超速离心条件，而用转速（r/min）来表示低速离心条件。2）离心时间和K因子
离心分离时间与离心速度及粒子沉降距离关系为：12式中 t, t——离心分离时间，s；1212
r, r——分别为t, t时，粒子到离心机轴心的距离，m；
s——沉降系数。
由上式可见，对于某一定的样品溶液，当需达到要求的沉降效果（沉降距离）时，离心时间与转速乘积为一定数，因此采用较低的转速、较长的离心时间或较高的转速、较短的离心时间，都可达到同样的离心效果。min1max
若用R代替r表示旋转轴与样品溶液表面之间的距离，用R2代替r表示旋转轴与离心管底部的距离，则样品颗粒从液面沉降到离心管底部的沉降时间T为：
T的单位是秒（s），如果把 T的单位换成小时（h），并用一个斯-13维德贝格单位（1s=1×10s）替代，这样的沉降时间用K来表示，叫K因子。则：
对于沉降系数为S的颗粒，沉降时间为：s式中 T——沉降时间，h。
市售转子以最高转速时的K因子作为此转子的主要特征参数，在大多数离心转子使用说明书上对每个转子都列出了不同转速时的K因子表，所给出的K因子均从转子的离心管孔顶部而不是从液面计算的，故实际K因子比理论K因子小。3）离心操作温度
在生物分离与纯化操作过程中，很多蛋白质、酶都必须在低温下进行操作才能保持良好的生物活性，有些蛋白在温度变化的情况下易出现变性，或改变颗粒的沉降性质，影响分离效果，因此离心温度也必须严格控制。
除此之外，样品的理化性质如组成成分大小、形状、密度、黏度等，样品处理量及离心分离设备也对离心效果有影响。3.2.2 离心分离设备
离心机是广泛使用的分离设备，实验室用离心机以离心管式转子离心机为主，离心操作为间歇式。图3.7为各种形式的离心转子。工业用离心设备一般要求有较大的处理能力，并可进行连续操作。离心分离设备根据其离心力（转速）的大小，可分为低速离心机、高速离心机和超速离心机。生化分离用离心机一般为冷却式，可在低温下操作，称为冷冻离心机。图3.7 各种形式的离心机转子（a）水平转子（静止时离心管垂直）;（b）角转子；（c）垂直转子；（d）区带转子；（e）分析转子
工业离心分离设备中，较常用的有碟片式离心机和管式离心机两大类。1）碟片式离心机
碟片式离心机是沉降式离心机的一种，是目前工业生产中应用最广泛的离心机。图3.8为碟片式离心机的结构简图，它有一个密封的转鼓，内装十至上百个锥顶角为60°～100°的锥形碟片，悬浮液或乳浊液由中心进料管进入转鼓，从碟片外缘进入碟片间隙向碟片内缘流动。由于碟片间隙很小，形成薄层分离，固体颗粒或重液沉降到碟片内表面上后向碟片外缘滑动，最后沉积到鼓壁上。已澄清的液体或经溢流口或由向心泵排出。碟片式离心机的分离因数可达3000～10000g，由于碟片数多并且间隙小，从而增大了沉降面积，缩短了沉降距离，所以分离效果较好。图3.8 碟片离心机结构示意图1—悬浮液；2—澄清液；3—固体颗粒出口；4—循环液
在出渣方式上除人工间隙出渣外，还可采用自动出渣离心机，可以实现连续操作，其中具有活门式自动出渣装置的碟片式离心机最为方便。2）管式离心机
管式离心机是一种分离效率很高的离心分离设备，由于转鼓细而长（长度为直径的6～7倍），所以可以在很高的转速（15000～50000r/min）下工作，而不至于使转鼓内壁产生过高压力。45
管式离心机分离因数高达1×10～6×10，适合固体粒子粒径为30.01～100μm、固体密度差大于0.01g/cm、体积浓度小于1%的难分离悬浮液，可用于微生物细胞的分离。
管式离心机也是一种沉降式离心机，可用于液-液分离和固-液分离。当用于液-液分离时为连续操作，而用于固-液分离时则为间歇操作，操作一段时间后需将沉积于转鼓壁上的固体定期人工卸除。
管式离心机由转鼓、分离盘、机壳、机架、传动装置等组成，如图3.9和3.10所示。悬浮液在加压情况下由下部送入，经挡板作用分散于转鼓底部，受到高速离心力作用而旋转向上，轻液（或清液）位于转鼓中央，呈螺旋形运转向上移动，重液（或固体）靠近鼓壁。分离盘靠近中心处为轻液（或清液）出口孔，靠近转鼓壁处为重液出口孔。用于固-液分离时，将重液出口孔用石棉垫堵塞，固体则附于转鼓周壁，待停机后取出。图3.9 管式离心机结构示意图1—机架；2—分离盘；3—转筒；4—机壳；5—挡板图3.10 离心盘示意图本章小结
固液分离是将固液多相混合体系中固体（细胞、菌体、细胞碎片及沉淀或结晶等）与液体分离开来的技术。固液分离主要包括过滤和离心两类单元操作技术。
依据过滤机理的不同，过滤操作可分为深层过滤和滤饼过滤。依据过滤过程的推动力不同，过滤过程可分为重力过滤、加压过滤、真空过滤、离心过滤。另外，依据过滤过程操作方式不同，过滤还可以分为间歇过滤和连续过滤。
板框过滤机是加压过滤机的代表，在各个领域中广泛应用。板框过滤机的优点是结构简单，过滤面积大，能分离某些含固形物较少的、难以过滤的悬浮液或胶体悬浮液，对固形物含量高的悬液也适用，滤饼的含水率低，可洗涤，维修方便，可用不同滤材以适应具有腐蚀性的物料。缺点是设备笨重，间歇操作，装拆板框劳动强度大，占地面积多，辅助时间长，生产效率低。近年来研制的全自动板框过滤机使这种加压过滤设备获得了新的进展。硅藻土过滤机的形式很多，目前使用比较广泛的有板框式、烛式、水平圆盘式3种。
离心分离是借助离心机旋转所产生的离心力的作用，促使不同大小、不同密度的粒子分离的技术。根据分离原理不同，离心分离分为离心沉降和离心过滤两种方式。
影响离心效果的主要因素有离心力、离心时间、操作温度。实验室用离心机以离心管式转子离心机为主，离心操作为间歇式。工业用离心设备一般要求有较大的处理能力并可进行连续操作。离心分离设备根据其离心力（转数）的大小，分为低速离心机、高速离心机和超高速离心机。
碟片式离心机是沉降式离心机的一种，是目前工业生产中应用最广泛的离心机。碟片式离心机的分离因数可达3000～10000g，由于碟片数多并且间隙小，所以分离效果较好。管式离心机是一种分离效率很高的离心分离设备，可以在很高的转速（转速可达15000～4550000r/min）下工作，管式离心机分离因数高达1×10～6×10，适合3固体粒子粒径为0.01～100μm、固体密度差大于0.01g/cm、体积浓度小于1%的难分离悬浮液，可用于微生物细胞的分离。复习思考题
1．简述工业上常用的各种过滤设备及其特点。
2．简述板框过滤机的过滤原理。
3．简述硅藻土过滤机的过滤原理及类型。
4．简述影响离心分离效果的因素及其选择。
5．简述碟片离心机和管式离心机各自的特点和用途。第4章细胞破碎技术【学习目标】了解各种细胞细胞壁的组成与结构特点。理解常见的细胞破碎方法及原理。掌握各种常见细胞破碎方法的特点与应用范围。了解细胞破碎效果的检测。【能力目标】掌握细胞破碎方法的选择依据。能根据样品特点正确选择合适的破碎方法。在生物分离过程中，目的产物有些由细胞直接分泌到细胞外的培养液中，有些则在细胞培养过程中不能分泌到胞外的培养液中，而保留在细胞内。动物细胞培养的产物，大多分泌在细胞外培养液中；微生物的代谢产物，有的分泌在细胞外，也有许多是存在于细胞内部；而植物细胞产物，多为胞内物质。分泌到细胞外的产物，用适当的溶剂可直接提取，而存在于细胞内的，需要在分离与纯化过程之前先收集细胞并将其破碎，使细胞内的目的产物释放到液相中，然后再进行提纯。细胞破碎就是采用一定的方法，在一定程度上破坏细胞壁和细胞膜，设法使胞内产物最大程度地释放到液相中，破碎后的细胞浆液经固液分离除去细胞碎片后，再采用不同的分离手段进一步纯化。可见，细胞破碎是提取胞内产物的关键步骤。
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]