第三章離心分離

1、1第三章 離心分離(centrifugation)2對于濃度較小，粒徑較大，硬度較強的不溶物，可以采用過對于濃度較小，粒徑較大，硬度較強的不溶物，可以采用過濾分離。濾分離。但當固體顆粒細小而難以過濾時，發(fā)酵液不易被過濾純化，但當固體顆粒細小而難以過濾時，發(fā)酵液不易被過濾純化，離心操作往顯得十分有效。離心操作往顯得十分有效。離心分離是基于固體顆粒和周圍液體密度存在差異，在離心離心分離是基于固體顆粒和周圍液體密度存在差異，在離心場中使不同密度的固體顆粒加速沉降的分離過程。場中使不同密度的固體顆粒加速沉降的分離過程。動植物細胞的收集、細胞碎片和沉淀的分離等常用離心分離。動植物細胞的收集、細胞碎片和沉

2、淀的分離等常用離心分離。3離心分離離心分離優(yōu)點：優(yōu)點：分離速度快，分離效率高、液相澄清度好；分離速度快，分離效率高、液相澄清度好；缺點：缺點：與過濾設備相比，設備投資高、能耗大、離心產(chǎn)生與過濾設備相比，設備投資高、能耗大、離心產(chǎn)生的固體濃縮物和過濾產(chǎn)生的濃縮不同。的固體濃縮物和過濾產(chǎn)生的濃縮不同。 通常情況下離心只能得到一種較為濃縮的懸浮液或通常情況下離心只能得到一種較為濃縮的懸浮液或漿體；而過濾可獲得的水分含量較低的濾餅。漿體；而過濾可獲得的水分含量較低的濾餅。4離心分離離心分離利用慣性離心力和物質(zhì)的沉降系數(shù)或浮力密度的利用慣性離心力和物質(zhì)的沉降系數(shù)或浮力密度的不同而進行的分離、濃縮或提煉操

3、作。不同而進行的分離、濃縮或提煉操作。分類分類離心沉降離心沉降 利用固液兩相的密度差，在離心機無孔轉(zhuǎn)鼓利用固液兩相的密度差，在離心機無孔轉(zhuǎn)鼓或管子中進行的懸浮液的分離；或管子中進行的懸浮液的分離；離心過濾離心過濾 利用離心力并通過過濾介質(zhì)，在有孔轉(zhuǎn)鼓離利用離心力并通過過濾介質(zhì)，在有孔轉(zhuǎn)鼓離心機中分離懸浮液的操作；心機中分離懸浮液的操作；離心分離和超離心離心分離和超離心 利用不同溶質(zhì)顆粒在液體中各部利用不同溶質(zhì)顆粒在液體中各部分分布的差異，分離不同相對密度液體的操作。分分布的差異，分離不同相對密度液體的操作。5主要內(nèi)容主要內(nèi)容離心沉降離心過濾離心機的選用離心機在生物工業(yè)中的應用超離心法6d=2R

4、球形顆粒沉降的受力情況球形顆粒沉降的受力情況73.1 離心沉降離心沉降 3.1.1 原理原理原理 浮力Fg(s-)gV=/6d3(s-) gd:粒子直徑； s和分別為粒子和流體的密度； Stockes定律，粘滯力Ff3du1/2CDA u2：流體粘度；u：粒子的運動速度；CD：阻滯系數(shù)；A：粒子在運動方向的投影面積；CDf(Re) Re=du / Re1 CD=24/Re 1Re104 CD=24/Re +3/Re0.5+0.34對于生化溶質(zhì)，一般滿足Re1的要求。Ff=CD(1/2 u2)(1/4 d2)=24/Re (1/2 u2)(1/4 d2)當粒子勻速沉降時，F(xiàn)gFf；u=d2/(1

5、8 )(s-)g83.1.1 原理原理若粒子在離心力場中沉降若粒子在離心力場中沉降則則 u=d2/(18 )(s-) 2r離心分離因數(shù)離心分離因數(shù) Fr = 2r/g；常速離心機常速離心機Fr 3000;中速離心機中速離心機3000 Fr 50000，用于細胞、菌體和培養(yǎng)基殘渣等分離；，用于細胞、菌體和培養(yǎng)基殘渣等分離；高速離心機高速離心機50000 Fr ，用于細胞碎片、較大細胞器、大分子沉淀物等分，用于細胞碎片、較大細胞器、大分子沉淀物等分離；離；超速離心機超速離心機 2104106，用于用于DNA、RNA蛋白質(zhì)、細胞器、病毒分離純蛋白質(zhì)、細胞器、病毒分離純化；檢測純度；沉降系數(shù)和相對分子

6、量測定等。化；檢測純度；沉降系數(shù)和相對分子量測定等。93.1.2 離心沉降設備離心沉降設備沉降式離心機包括：瓶式離心機和工業(yè)用無孔轉(zhuǎn)鼓離心機按離心機的作用方式分類101）斜角式離心機）斜角式離心機v是一類結(jié)構(gòu)最簡單的實驗室常用離心機，是一類結(jié)構(gòu)最簡單的實驗室常用離心機，v指離心管腔與轉(zhuǎn)軸成一定傾角的轉(zhuǎn)子；指離心管腔與轉(zhuǎn)軸成一定傾角的轉(zhuǎn)子；v角度越大，沉降越結(jié)實，分離效果越好，角度越大，沉降越結(jié)實，分離效果越好，v角度越小，顆粒沉降距離短，沉降速度快，但分離效果差。角度越小，顆粒沉降距離短，沉降速度快，但分離效果差。v顆粒在角轉(zhuǎn)子中沉降時，顆粒在角轉(zhuǎn)子中沉降時，先沿離心力方向撞向離心管，先沿離心

7、力方向撞向離心管，然后再沿管壁滑向管底，然后再沿管壁滑向管底，因此管的一側(cè)會出現(xiàn)顆粒沉積。因此管的一側(cè)會出現(xiàn)顆粒沉積。111）斜角式離心機結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，可裝載較多的樣品可裝載較多的樣品使用較高的轉(zhuǎn)速。使用較高的轉(zhuǎn)速。加速或減速時，對樣品有攪動。加速或減速時，對樣品有攪動。有些梯度離心要求用角轉(zhuǎn)頭，否則形有些梯度離心要求用角轉(zhuǎn)頭，否則形成的梯度不均一，線性很差成的梯度不均一，線性很差122）平拋式離心機）平拋式離心機v平拋式離心機一類結(jié)構(gòu)簡單的實驗室常用的低平拋式離心機一類結(jié)構(gòu)簡單的實驗室常用的低中速離心機，轉(zhuǎn)速一般在中速離心機，轉(zhuǎn)速一般在 3000-6000rpm。v 轉(zhuǎn)子活動管套內(nèi)的離

8、心管，靜止時垂直掛在轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子活動管套內(nèi)的離心管，靜止時垂直掛在轉(zhuǎn)頭上，旋轉(zhuǎn)時隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，從垂直懸吊上升到頭上，旋轉(zhuǎn)時隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，從垂直懸吊上升到水平位置（約水平位置（約200800rpm）。）。v顆粒在水平轉(zhuǎn)子中的沉降是沿管子軸向移動。顆粒在水平轉(zhuǎn)子中的沉降是沿管子軸向移動。v樣品便于收集樣品便于收集v受振動和變速攪亂后對流現(xiàn)象小，受振動和變速攪亂后對流現(xiàn)象小，v但轉(zhuǎn)頭結(jié)構(gòu)復雜，最高轉(zhuǎn)速相對要低，容量也但轉(zhuǎn)頭結(jié)構(gòu)復雜，最高轉(zhuǎn)速相對要低，容量也小一些。小一些。 13平拋式離心機轉(zhuǎn)子14）管式離心機 （tubular-bowl centrifuge）管式離心機具有一個細長而管式離心機具有一個細長

9、而高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)鼓，高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)鼓，轉(zhuǎn)鼓內(nèi)裝有縱向平板，轉(zhuǎn)鼓內(nèi)裝有縱向平板，其下部有進料口。上部兩側(cè)其下部有進料口。上部兩側(cè)有重液相和輕液相出口。有重液相和輕液相出口。15管式離心機待處理的物料在一定壓力（待處理的物料在一定壓力（3 310104 4 PaPa左右）下由進料左右）下由進料管經(jīng)底部空心軸進入鼓內(nèi)，管經(jīng)底部空心軸進入鼓內(nèi)，靠擋板分布于鼓的四周，并使料液迅速達到與轉(zhuǎn)鼓相靠擋板分布于鼓的四周，并使料液迅速達到與轉(zhuǎn)鼓相同的角速度。同的角速度。轉(zhuǎn)鼓帶動物料高速旋轉(zhuǎn)，在離心力下，懸浮液沿轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)鼓帶動物料高速旋轉(zhuǎn)，在離心力下，懸浮液沿轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁向上流動的，料液在離心力場的作用下因其密度內(nèi)壁向上流動

10、的，料液在離心力場的作用下因其密度差的存在而分離。差的存在而分離。澄清后的液相流動到轉(zhuǎn)鼓上部的排液口排出。澄清后的液相流動到轉(zhuǎn)鼓上部的排液口排出。比重大的固體微粒逐漸沉積在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁形成比重大的固體微粒逐漸沉積在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁形成 沉渣層，達到一定數(shù)量后，停機人工清除。沉渣層，達到一定數(shù)量后，停機人工清除。16管式離心機特點：管式離心機特點：結(jié)構(gòu)簡單，結(jié)構(gòu)簡單，可提供較大離心力，轉(zhuǎn)速高，分離因數(shù)可提供較大離心力，轉(zhuǎn)速高，分離因數(shù)高達高達15000-6500015000-65000。管狀離心機可以冷卻，有利蛋白質(zhì)分離管狀離心機可以冷卻，有利蛋白質(zhì)分離間歇操作，須定時拆卸、清洗間歇操作，須定時拆卸、清洗適

11、用于于分離乳濁液及含細顆粒的稀懸適用于于分離乳濁液及含細顆粒的稀懸浮液，適用于固含量低于浮液，適用于固含量低于1%1%，顆粒度小，顆粒度小于于5 5微米，黏度大的懸浮液澄清或固液兩微米，黏度大的懸浮液澄清或固液兩相密度差較小的分離。相密度差較小的分離。174）碟片式離心機disk-bowl centrifuge是在管式離心機的基礎上發(fā)展起來的，在轉(zhuǎn)鼓是在管式離心機的基礎上發(fā)展起來的，在轉(zhuǎn)鼓中加入了許多重迭的碟片，縮短了顆粒的沉降中加入了許多重迭的碟片，縮短了顆粒的沉降距離，提高了分離效率。距離，提高了分離效率。 是生物工業(yè)中應用最為廣泛的一種離心機是生物工業(yè)中應用最為廣泛的一種離心機 有一個密

12、封的轉(zhuǎn)鼓，內(nèi)裝十至上百個錐頂角為有一個密封的轉(zhuǎn)鼓，內(nèi)裝十至上百個錐頂角為60100錐形碟片。錐形碟片。碟片間的距離一般為碟片間的距離一般為0.5-2.5mm,18碟片式離心機工作原理當懸浮液在動壓頭的作用下，經(jīng)中當懸浮液在動壓頭的作用下，經(jīng)中心管流入高速旋轉(zhuǎn)的碟片之間的間心管流入高速旋轉(zhuǎn)的碟片之間的間隙時，便產(chǎn)生了慣性離心力，隙時，便產(chǎn)生了慣性離心力，其中密度較大的固體顆粒在離心力其中密度較大的固體顆粒在離心力作用下向上層碟片的下表面運動，作用下向上層碟片的下表面運動，而后在離心力作用下被向外甩出，而后在離心力作用下被向外甩出，沿碟片下表面向轉(zhuǎn)子外圍下滑，沿碟片下表面向轉(zhuǎn)子外圍下滑，而液體則由

13、于密度小，在后續(xù)液體而液體則由于密度小，在后續(xù)液體的推動下沿著碟片的隙道向轉(zhuǎn)子中的推動下沿著碟片的隙道向轉(zhuǎn)子中心流動，然后沿中心軸上升，從套心流動，然后沿中心軸上升，從套管中排出，達到分離的目的管中排出，達到分離的目的 19碟片式離心機類型人工排渣的碟片離心機人工排渣的碟片離心機 碟片上不開孔，只有一個清液碟片上不開孔，只有一個清液排出口。沉積在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁上的沉渣，間歇排出。只適用排出口。沉積在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁上的沉渣，間歇排出。只適用于固體顆粒含量很少的懸浮液。于固體顆粒含量很少的懸浮液。噴嘴排渣的碟片離心機噴嘴排渣的碟片離心機：當固體顆粒含量較多時，可采：當固體顆粒含量較多時，可采用具有噴嘴排渣的碟

14、式離心沉降機。在有特殊形狀內(nèi)壁用具有噴嘴排渣的碟式離心沉降機。在有特殊形狀內(nèi)壁的轉(zhuǎn)鼓壁上開設若干噴嘴的轉(zhuǎn)鼓壁上開設若干噴嘴 活門（活塞）排渣的碟片離心機活門（活塞）排渣的碟片離心機 這是近年來開發(fā)的機型，這是近年來開發(fā)的機型，它和相同直徑的活塞機相似，其速度可增加它和相同直徑的活塞機相似，其速度可增加23%30%,故可使分離因素達故可使分離因素達15000 左右，可用于酶制劑，疫苗和左右，可用于酶制劑，疫苗和胰島素等生產(chǎn)中分離物的澄清。胰島素等生產(chǎn)中分離物的澄清。20人工排渣的碟片式離心機人工排渣的碟片式離心機間歇式離心機間歇式離心機適用于進料中固相濃度很適用于進料中固相濃度很低低(1% 2%

15、)，分離因，分離因數(shù)高。特別適用于分離兩數(shù)高。特別適用于分離兩種液體同時除去少量固體，種液體同時除去少量固體，也可用于澄清作業(yè)，如用也可用于澄清作業(yè)，如用于抗生素的提取，疫苗的于抗生素的提取，疫苗的生產(chǎn)，梭狀芽孢桿菌的收生產(chǎn)，梭狀芽孢桿菌的收集以及維生素、生物堿甾集以及維生素、生物堿甾類化合物。類化合物。21噴嘴排渣碟片式離心機噴嘴排渣碟片式離心機連續(xù)式離心機。連續(xù)式離心機。雙錐型轉(zhuǎn)鼓。雙錐型轉(zhuǎn)鼓。轉(zhuǎn)鼓周邊有若干個噴嘴轉(zhuǎn)鼓周邊有若干個噴嘴(224個個)，噴嘴孔徑為噴嘴孔徑為0.53.2mm,由于排渣由于排渣的含液量高，具有流動性，多用的含液量高，具有流動性，多用于濃縮過程。于濃縮過程。轉(zhuǎn)鼓直徑

16、可達轉(zhuǎn)鼓直徑可達900mm,最大處理量最大處理量為為300m3/h。適用于處理顆粒直。適用于處理顆粒直徑為徑為0.1 100um，體積濃度小于，體積濃度小于25%的懸浮液，如用于抗生素、的懸浮液，如用于抗生素、酶、氨基酸和微生物，或單細胞酶、氨基酸和微生物，或單細胞蛋白質(zhì)、酵母、淀粉等。蛋白質(zhì)、酵母、淀粉等。22活門排渣碟片式離心機活門排渣碟片式離心機利用活門啟閉排渣孔進行斷續(xù)利用活門啟閉排渣孔進行斷續(xù)自動排渣。自動排渣。離心力強度范圍為離心力強度范圍為50009000,最大處理能力可達最大處理能力可達40m3/h。適。適用于處理顆粒直徑用于處理顆粒直徑0.1500um,固液密度差大于固液密度

17、差大于0.01g/cm3、固、固相含量小于相含量小于10%的懸浮液。對的懸浮液。對一些難分離的物料特別有效，一些難分離的物料特別有效，如大腸桿菌類。如大腸桿菌類。23連續(xù)操作的沉降設備。連續(xù)操作的沉降設備。轉(zhuǎn)鼓內(nèi)有可旋轉(zhuǎn)的螺旋輸送器，其轉(zhuǎn)數(shù)比轉(zhuǎn)鼓的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)鼓內(nèi)有可旋轉(zhuǎn)的螺旋輸送器，其轉(zhuǎn)數(shù)比轉(zhuǎn)鼓的轉(zhuǎn)數(shù)稍低。數(shù)稍低。有立式和臥式兩種，臥螺機是一種全速旋轉(zhuǎn)，連續(xù)有立式和臥式兩種，臥螺機是一種全速旋轉(zhuǎn)，連續(xù)進料、分離和卸料的離心機，最大離心力可達進料、分離和卸料的離心機，最大離心力可達6000，操作溫度可達操作溫度可達300用于分離含固量較多的懸浮液，生產(chǎn)能力較大。用于分離含固量較多的懸浮液，生產(chǎn)能力較大

18、。5)螺旋式離心機螺旋式離心機scroll-type centrifuge24螺旋式離心機工作原理轉(zhuǎn)鼓與螺旋以一定差速同向高速旋轉(zhuǎn)，懸浮液通過螺旋輸轉(zhuǎn)鼓與螺旋以一定差速同向高速旋轉(zhuǎn)，懸浮液通過螺旋輸送器的空心軸進入機內(nèi)中部，由進料管連續(xù)引入螺旋內(nèi)筒，送器的空心軸進入機內(nèi)中部，由進料管連續(xù)引入螺旋內(nèi)筒，加速后進入轉(zhuǎn)鼓。加速后進入轉(zhuǎn)鼓。在離心力場作用下，固相物沉積在轉(zhuǎn)鼓壁上形成沉渣層。在離心力場作用下，固相物沉積在轉(zhuǎn)鼓壁上形成沉渣層。輸料螺旋將沉積的固相物連續(xù)不斷定推至轉(zhuǎn)鼓錐端，經(jīng)排輸料螺旋將沉積的固相物連續(xù)不斷定推至轉(zhuǎn)鼓錐端，經(jīng)排渣口排出機外，較輕的液相物則形成內(nèi)層液環(huán)，由轉(zhuǎn)鼓大渣口排出機外，較

19、輕的液相物則形成內(nèi)層液環(huán)，由轉(zhuǎn)鼓大端溢流口連續(xù)溢出轉(zhuǎn)鼓，經(jīng)排液口排出機外。端溢流口連續(xù)溢出轉(zhuǎn)鼓，經(jīng)排液口排出機外。25多室式離心機的轉(zhuǎn)鼓內(nèi)有若干同心圓筒組成多室式離心機的轉(zhuǎn)鼓內(nèi)有若干同心圓筒組成的環(huán)狀分離室，加長了被分離液體的流程，的環(huán)狀分離室，加長了被分離液體的流程，使液層減薄，增加了沉降面積，減少了沉降使液層減薄，增加了沉降面積，減少了沉降距離。距離。同時還有粒度篩分的作用，懸浮液中的粗顆同時還有粒度篩分的作用，懸浮液中的粗顆粒沉降到靠近內(nèi)部的分離室壁上，細顆粒則粒沉降到靠近內(nèi)部的分離室壁上，細顆粒則沉降到靠近外部的室壁上，澄清的分離液經(jīng)沉降到靠近外部的室壁上，澄清的分離液經(jīng)溢流排出。溢流

20、排出。常用于抗菌素液液萃取分離，果汁和酒類常用于抗菌素液液萃取分離，果汁和酒類飲料的澄清等。飲料的澄清等。6）多室式multichamber centrifuge263.2 離心過濾離心過濾3.2.1 原理原理離心過濾是將料液送入有離心過濾是將料液送入有孔的轉(zhuǎn)鼓并利用離心力場孔的轉(zhuǎn)鼓并利用離心力場進行過濾的過程，以離心進行過濾的過程，以離心力為推動力完成過濾，兼力為推動力完成過濾，兼有離心和過濾的雙重作用。有離心和過濾的雙重作用。濾餅形成濾餅形成濾餅壓緊濾餅壓緊濾餅壓干濾餅壓干273.2.2 離心過濾設備離心過濾設備離心過濾機有孔轉(zhuǎn)鼓分離物系：固體密度大于或小于液體密度的懸浮液操作方式：連續(xù)式

21、間歇式283.2.2 離心過濾的設備離心過濾的設備293.3離心機的選用離心機的選用303.3離心機的選用離心機的選用313.3離心機的選用離心機的選用323.4離心機在生物工業(yè)中的應用離心機在生物工業(yè)中的應用液相粘度 12Pa.s,固液密度差0.1g/ml,粒子大小0.5100um滅菌333.5 超離心法超離心法超離心法是根據(jù)物質(zhì)的沉降系數(shù)、質(zhì)量和形狀不同，應用強大的離心力，將混合物中各組分分離、濃縮、提純的方法。原理 離心沉降uw=d2/(18 )(s-) 2r若粒子在離心力場中作勻速直線運動，即uw=dr/dtt = 18 / 2d2(s-)ln(r2/r1)適用條件：不適于非球形粒子；

22、 僅適合符合牛頓流體的稀的固體懸浮物；微分離心 細胞器的分離343.5.2 超離心技術的分類超離心技術的分類制備性超離心粒子差速離心一般密度梯度離心法等密度離心法 預形成梯度等密度離心 自形成梯度的等密度離心分析性超離心35粒子差速離心粒子差速離心 采用逐漸增加離心速度或低速和高速交替進行離心，使沉降粒子，在不同離心速度和不同離心時間下分批分離的方法。適于分離沉降系數(shù)相差較大的粒子，如細胞勻漿中細胞器的分離。36分析性超離心分析性超離心相對分子質(zhì)量的測定大分子純度的估計檢測大分子中構(gòu)象的變化37The End384.4離心機在生物工業(yè)中的應用離心機在生物工業(yè)中的應用39一般密度梯度離心法一般密度梯度離心法 分級區(qū)帶離心分級區(qū)帶離心它是把樣品鋪放在一個連續(xù)的液體密度梯度上，然后進行離心，并控制離心分離的時間，使得粒子完全