生物分離工程細胞分離與破碎

生物分離工程細胞分離與破碎目錄重力沉降離心沉降細胞破碎與胞內(nèi)物釋放細胞分離－學習要點識記:重力沉降、離心沉降和過濾得概念。理解:重力沉降、離心分離與過濾原理、理論;掌握Stokes沉降公式

。應(yīng)用:常用離心方法及優(yōu)缺點;利用掌握得提高分離效率得方法分析決實際問題

細胞分離－重力沉降定義

重力沉降就是傳統(tǒng)化工過程中常用得從含有固體顆粒得流體中將顆粒分離出來得操作。重力沉降就是利用流體與顆粒間得密度差,在重力得作用下使顆粒與流體之間產(chǎn)生相對運動,從而實現(xiàn)兩者得分離。

在生物分離過程中,定義中顆粒為細胞、細胞碎片等有形物千姿百態(tài)得微生物世界BacterialmorphologydiagramHigh-densitycellculture細胞分離－重力沉降理論理論假設(shè)細胞或細胞碎片按照球形顆粒處理;顆粒在無限稀釋得溶液中進行沉降,顆粒之間無相互干擾

受力分析

球形顆粒重力fg液體得浮力fb顆粒運動方向相反得阻力

fs細胞分離－重力沉降理論重力:浮力:阻力:細胞分離－重力沉降理論當球形顆粒自身得重力與其所受到浮力和阻力達到平衡時,

則細胞分離－重力沉降理論當球形顆粒處于滯流區(qū)（）時

Stokes公式當球形顆粒處于過渡區(qū)（）時

Allen公式當球形顆粒處于湍流區(qū)（）時Newton公式千姿百態(tài)得微生物世界BacterialmorphologydiagramHigh-densitycellculture球形顆粒？無限稀釋溶液？11大家應(yīng)該也有點累了，稍作休息大家有疑問的，可以詢問和交流細胞分離－重力沉降理論模型校正形態(tài)校正:顆粒得形狀系數(shù)速度校正:空隙率函數(shù)

提高重力沉降得途徑加入中性鹽:雙電層排斥電位降低加入高分子絮凝劑:架橋作用形成大絮凝圖引入外力細胞分離－重力沉降理論模型校正

形態(tài)校正速度校正提高重力沉降得途徑

加入中性鹽;加入高分子絮凝劑引入外力細胞分離－離心沉降定義離心沉降就是利用沉降設(shè)備使流體和顆粒旋轉(zhuǎn),在離心力得作用下,由于顆粒和流體間存在密度差,所以顆粒沿徑向與流體產(chǎn)生相對運動,從而使顆粒和流體分離。細胞分離－離心沉降理論離心沉降速度

令:細胞分離－離心分離方法差速離心分級區(qū)帶離心差速區(qū)帶離心平衡區(qū)帶離心差速離心分離差速離心就是以菌體細胞得收集或除去為目得得固液離心分離方法,應(yīng)用某一特定顆粒沉淀得離心力在預(yù)定得離心時間內(nèi)得到一部分顆粒沉淀及包含未沉淀顆粒得上清液。差速離心分離應(yīng)用實例600g10min15000g10min100000g60min300000g120minnucleiMitochondrialysosomesPlasmamembraneRiosomalsubunitshomogenateFilteredhomogenateSolublepartofcytoplasmSedimentation區(qū)帶離心分離－前提

在離心管內(nèi)得溶液存在密度梯度。采用事先配好得不同濃度(密度)得梯度介質(zhì)(蔗糖等),按照濃度從大到小得原則,依次層層加入。加入離心管中得梯度介質(zhì)經(jīng)高速離心或靜置后可形成連續(xù)得密度梯度。操作過程區(qū)帶離心種類差速區(qū)帶離心(速度區(qū)帶離心)平衡區(qū)帶離心(等密度離心)差

速

區(qū)

帶

離

心差速區(qū)帶離心基于顆粒得大小、形狀得分離梯度液得最大密度不能超過所分離顆粒得最大密度離心過程中,顆粒不斷沉降至其浮力密度與梯度液密度相等動態(tài)離心分離方法平衡區(qū)帶離心平衡區(qū)帶離心梯度液密度范圍含蓋全部待分離顆粒密度離心過程中,顆粒不斷沉降至其浮力密度與梯度液密度相等平衡離心分離方法梯度液得種類和應(yīng)用細胞分離－區(qū)帶離心異同區(qū)帶離心種類差速區(qū)帶離心平衡區(qū)帶離心共同點事先在離心管內(nèi)用低分子量溶質(zhì)調(diào)配好密度梯度梯度介質(zhì)常用蔗糖常用氯化銫密度梯度最大的密度梯度低于最大密度的沉降樣品最大的密度梯度大于最大密度的沉降樣品區(qū)帶形成條件根據(jù)各個組分沉降系數(shù)的差別，形成各自的區(qū)帶根據(jù)各組分密度差形成區(qū)帶離心條件在最前的沉降物質(zhì)達到管底前停止，短時間，低速度使各組分沉降到其平衡的密度區(qū)，長時間，高速度

細胞分離－離心設(shè)備分類分類方法名稱處理量實驗室用離心機，工業(yè)用離心機溫度常溫離心機、冷凍離心機轉(zhuǎn)速低速離心機、高速離心機、超速離心機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)管式、碟式細胞分離－常用離心設(shè)備Solids-ejectingdiskbowlcentrifugeofpilotsizeforsterilizablecontainedinstallation

Nozzlemachinewithpressurizedsolidsdischargeforyeastandbacteriaseparation

細胞分離－常用離心設(shè)備Decantercentrifuge

Multichamberbowl,verticalcut

細胞分離－管式離心設(shè)備AdisposablecellseparationinsertPowerfugeTMone-chamberwithscraper細胞分離－碟片離心設(shè)備(a)Solids-retainingdiskbowl,(b)Radialsolids-ejectingdiskbowl,topfeed、(c)Radialsolids-ejectingdiskbowl,hermeticfeed、(d)Axialsolids-ejectingdiskbowl、(e)Nozzlebowlwithpressurizedsolidsdischarge、(f)Nozzlebowlwithperipheraldischargenozzles、細胞分離－離心設(shè)備比較管式離心機優(yōu)點結(jié)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)速和離心力較大缺點沉降面積小、處理能力低；碟式離心機優(yōu)點轉(zhuǎn)子中存在隔板以增大沉降面積，處理能力大缺點結(jié)構(gòu)復(fù)雜、轉(zhuǎn)速較低；細胞分離－離心機處理能力粒子在徑向上得沉降速度

軸向移動速度

完全沉降得邊界條件

細胞分離－離心機處理能力影響因素

處理樣品得特性,如密度、粒徑等溶液得特性,如密度、粘度等離心機機械結(jié)構(gòu),如r1和r2操作條件,ω

細胞分離－過濾定義過濾就是利用多孔性介質(zhì)(如濾布)截留固液懸浮液中得固體粒子,進行固液分離得方法。過濾本身就是一種膜分離技術(shù)。在分離細胞、菌體或她們得碎片過程中除了沉降分離方法外,過濾技術(shù)也就是一種常備得分離方法。細胞分離－過濾過程受力分析推動力:過濾操作以壓力差為主要推動力;阻力:過濾過程得阻力來自多孔性過濾介質(zhì)和介質(zhì)表面不斷堆積形成得濾餅

細胞分離－過濾速率Rm表示介質(zhì)得阻力;Rc表示濾餅得阻力;μL為濾液得粘度細胞分離－恒壓過濾方程Ruth恒壓過濾方程其中,K為Ruth恒壓過濾系數(shù),表示為細胞分離－提高過濾速度得途徑采用絮凝或凝聚得方法預(yù)處理改變料液得性質(zhì),降低濾餅阻力加入助濾劑以改變?yōu)V餅得壓縮性指數(shù),提高過濾速度胞內(nèi)產(chǎn)物釋放

－學習要點理解:各種細胞破碎方法原理、優(yōu)缺點及其適用范圍。應(yīng)用:采用不同得細胞破碎方法對不同細胞進行不同程度得破碎。胞內(nèi)產(chǎn)物釋放

－細胞結(jié)構(gòu)(真核細胞與原核細胞)動物細胞沒有細胞壁，只有由脂質(zhì)和蛋白質(zhì)組成的細胞膜植物細胞細胞膜外有一層堅固的細胞壁酵母細胞細胞壁由葡聚糖、甘露聚糖和蛋白質(zhì)構(gòu)成，更加難以破碎真核細胞原核細胞革蘭氏陽性菌細胞壁由肽聚糖層組成，壁厚約15～50nm，肽聚糖含量為40~90%，細胞壁較革蘭氏陰性菌堅固。革蘭氏陰性菌細胞壁在肽聚糖的外側(cè)還有分別由（1）脂蛋白和（2）磷脂和脂多糖構(gòu)成的兩層外壁層，外壁層厚度越8～10nm。胞內(nèi)產(chǎn)物釋放

－細胞膜組成(A)(B)胞內(nèi)產(chǎn)物釋放

－影響產(chǎn)物釋放得環(huán)境因素在復(fù)雜培養(yǎng)基中生長得大腸桿菌細胞其破碎較單一培養(yǎng)基中生長得大腸桿菌細胞更難;對數(shù)生長期得細胞會表現(xiàn)得更加脆弱。從連續(xù)培養(yǎng)過程中獲得得、具有較高比生長速率得念珠菌得細胞壁更加脆弱,而搖瓶培養(yǎng)得念珠菌體則有更加充裕得機會構(gòu)建更加堅固得細胞壁。酵母細胞壁得厚度和破碎阻力隨年齡增長而增加經(jīng)常在幼酵母細胞中出現(xiàn)得芽痕(Budscars)可引起酵母細胞局部細胞壁強度得降低胞內(nèi)產(chǎn)物釋放

－細胞破碎原理細胞破碎機械破碎高壓均漿法，珠磨法、撞擊破碎、超聲波破碎非機械破碎物理法滲透壓沖擊、凍結(jié)-融化、（超聲波）化學法酸堿處理、化學試劑處理生物法酶溶、自溶、噬菌體胞內(nèi)產(chǎn)物釋放

－機械破碎之高壓勻漿細胞懸浮液在高壓得作用下從閥座與閥桿之間得環(huán)隙高速(可達到450m/s)噴出后撞擊到碰撞