生物分離工程 離心分離

5離心分離心分離是除過濾之外的另一種非常有效的固-液分離方法。它是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(jìn)行的一項(xiàng)分離、濃縮或提煉操作。優(yōu)點(diǎn)：離心分離對(duì)那些固體顆粒很小或液體粘度很大，過濾速率很慢，甚至難以過濾的懸浮液的分離十分有效，對(duì)那些忌用助濾劑或助濾劑使用無效的懸浮液的分離也能得到滿意的結(jié)果。缺點(diǎn)：分離得到的是漿狀物而不是干的濾餅，另外，離心設(shè)備復(fù)雜，價(jià)格昂貴。（沉降分離是不徹底的分離）①離心沉降：利用固液兩相的相對(duì)密度差進(jìn)行懸浮液分離的操作。②離心過濾：利用離心力并通過過濾介質(zhì)進(jìn)行懸浮液分離的操作。③離心分離和超離心：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(duì)密度液體的操作。離心分離形式5.1離心沉降5.1.1離心沉降的原理離心沉降，指當(dāng)懸浮液靜置時(shí)，密度較大的固體顆粒在重力的作用下逐漸下沉。當(dāng)固體粒子在無限連續(xù)流體中沉降時(shí)，受到兩種力的作用，一種是連續(xù)流體對(duì)它的浮力，另一種是流體對(duì)運(yùn)動(dòng)粒子的粘滯力。當(dāng)這兩種力達(dá)到平衡時(shí)，固體粒子將保持勻速運(yùn)動(dòng)。對(duì)直徑為d的球形粒子(大多數(shù)生化分離上處理的對(duì)象都可以看成為球形粒子)，作用在它上面的浮力Fg可以表示為：d為粒子直徑；ρ0和ρ分別為粒子和流體的密度；g為重力加速度,V為粒子體積。根據(jù)Stockes定律，懸浮在介質(zhì)中的球形粒子所受的粘滯力Fi可表示為：式中

μ為連續(xù)流體的粘度；u為粒子的運(yùn)動(dòng)速度；CD為阻滯系數(shù)；A為粒子在運(yùn)動(dòng)方向上的投影面積。其中CD不是常數(shù)，它取決于雷諾數(shù)Re的變化,對(duì)于球形粒子，根據(jù)實(shí)驗(yàn)得知：對(duì)于生化溶質(zhì)來說，可以滿足Re＜l的要求，所以：當(dāng)粒子以勻速運(yùn)動(dòng)沉降時(shí)，F(xiàn)g=Ff，故最終勻速沉降速率為：從上式可知，最終沉降速率與粒子直徑的平方成正比，與粒子和流體的密度差成正比，而與流體的粘度成反比；也就是說粒子的沉降速度僅僅是液體性質(zhì)及粒子本身特性的函數(shù)。如果粒子在離心力場(chǎng)中沉降，則重力加速度g應(yīng)換成離心加速度ω2r

，即：式中ω

為旋轉(zhuǎn)角速度(rad/s)，r為粒子離轉(zhuǎn)軸中心的距離。上式是離心沉降的基本公式，從式中可知沉降速度與ω的二次方成正比，因此只要根據(jù)要求改變或提高ω

，使粒子作快速旋轉(zhuǎn)，就可獲得比重力沉降或過濾時(shí)高得多的分離效果?？捎秒x心分離因數(shù)Fr，(又稱離心力強(qiáng)度)來定量評(píng)價(jià)：Fr表示了粒子在離心機(jī)中產(chǎn)生的離心加速度與自由下降的加速度之比：

Fr

越大，越有利于分離。5.1.2離心沉降的設(shè)備根據(jù)其離心力大小，可分為低速離心機(jī)、高速離心機(jī)和超離心機(jī)。生化分離用離心機(jī)一般為冷卻式，可在低溫下操作，稱為冷凍離心機(jī)。

按離心機(jī)的作用方式：斜角式平拋式管式蝶式螺旋式多室離心機(jī)的種類與用途（1）斜角式離心機(jī)是一類結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)室常用離心機(jī)，指離心管腔與轉(zhuǎn)軸成一定傾角的轉(zhuǎn)子；角度越大，沉降越結(jié)實(shí)，分離效果越好，角度越小，顆粒沉降距離短，沉降速度快，但分離效果差。顆粒在角轉(zhuǎn)子中沉降時(shí)，先沿離心力方向撞向離心管，然后再沿管壁滑向管底，因此管的一側(cè)會(huì)出現(xiàn)顆粒沉積。結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，可裝載較多的樣品使用較高的轉(zhuǎn)速。加速或減速時(shí)，對(duì)樣品有攪動(dòng)。特點(diǎn)(2)瓶式離心機(jī)瓶式離心機(jī)又稱平拋式離心機(jī)，是一類結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)室常用的低中速離心機(jī)，轉(zhuǎn)速一般在3000-6000rpm。離心管，靜止時(shí)垂直掛在轉(zhuǎn)頭上，旋轉(zhuǎn)時(shí)隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，從垂直懸吊上升到水平位置（約200-800rpm）。

優(yōu)點(diǎn)：瓶式離心機(jī)顆粒在水平轉(zhuǎn)子中的沉降是沿管子軸向移動(dòng)，樣品便于收集。受振動(dòng)和變速攪亂后對(duì)流現(xiàn)象小，缺點(diǎn)：但轉(zhuǎn)頭結(jié)構(gòu)復(fù)雜，最高轉(zhuǎn)速相對(duì)要低容量也小一些。

平拋式離心機(jī)轉(zhuǎn)子（３）管式離心機(jī)

（tubular-bowlcentrifuge）管式離心機(jī)：分為液-液分離的連續(xù)式管式離心機(jī)和液-固分離的間歇式管式離心機(jī)。管式離心機(jī)具有一個(gè)細(xì)長(zhǎng)而高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)鼓，轉(zhuǎn)鼓內(nèi)裝有縱向平板，其下部有進(jìn)料口。上部有重液液相出口。管式離心機(jī)工作原理待處理的物料在一定壓力（3×104Pa左右）下由進(jìn)料管經(jīng)底部空心軸進(jìn)入鼓內(nèi)，靠擋板分布于鼓的四周，并使料液迅速達(dá)到與轉(zhuǎn)鼓相同的角速度。轉(zhuǎn)鼓帶動(dòng)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(dòng)的，料液在離心力場(chǎng)的作用下因其密度差的存在而分離。澄清后的液相流動(dòng)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)壁形成沉渣層，達(dá)到一定數(shù)量后，停機(jī)人工清除。Tubularbowl管式離心機(jī)特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可提供較大離心力，轉(zhuǎn)速高，離心力強(qiáng)度高達(dá)15000-65000。管狀離心機(jī)可以冷卻，有利蛋白質(zhì)分離間歇操作，須定時(shí)拆卸、清洗適用于于分離乳濁液及含細(xì)顆粒的稀懸浮液，適用于固含量低于1%，顆粒度小于5微米，黏度大的懸浮液澄清或固液兩相密度差較小的分離。（4）多室式離心機(jī)multichambercentrifuge

多室式離心機(jī)的轉(zhuǎn)鼓內(nèi)有若干同心圓筒組成的環(huán)狀分離室。加長(zhǎng)了被分離液體的流程，使液層減薄，增加了沉降面積，減少了沉降距離。同時(shí)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(xì)顆粒則沉降到靠近外部的室壁上，澄清的分離液經(jīng)溢流排出。常用于抗菌素液－液萃取分離，果汁和酒類飲料的澄清等。（5）碟片式離心機(jī)disk-bowlcentrifuge是在管式離心機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，在轉(zhuǎn)鼓中加入了許多重迭的碟片，縮短了顆粒的沉降距離，提高了分離效率。

是生物工業(yè)中應(yīng)用最為廣泛的一種離心機(jī)

有一個(gè)密封的轉(zhuǎn)鼓，內(nèi)裝十至上百個(gè)錐頂角為60~100゜錐形碟片。碟片間的距離一般為0.5-2.5mm，

與被分離物料的性質(zhì)有關(guān)。碟片式離心機(jī)工作原理當(dāng)懸浮液在動(dòng)壓頭的作用下，經(jīng)中心管流入高速旋轉(zhuǎn)的碟片之間的間隙時(shí)，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作用下向上層碟片的下表面運(yùn)動(dòng)，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，而液體則由于密度小，在后續(xù)液體的推動(dòng)下沿著碟片的隙道向轉(zhuǎn)子中心流動(dòng)，然后沿中心軸上升，從套管中排出，達(dá)到分離的目的

碟片式離心機(jī)類型人工排渣的碟片離心機(jī)（間歇式）

碟片上不開孔，只有一個(gè)清液排出口。沉積在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁上的沉渣，間歇排出。只適用于固體顆粒含量很少的懸浮液。噴嘴排渣的碟片離心機(jī)（連續(xù)式）

當(dāng)固體顆粒含量較多時(shí)，可采用具有噴嘴排渣的碟式離心沉降機(jī)。在有特殊形狀內(nèi)壁的轉(zhuǎn)鼓壁上開設(shè)若干噴嘴

圖5.3碟式分離機(jī)轉(zhuǎn)鼓及物料流動(dòng)示意圖圖5.4噴嘴排渣碟式離心機(jī)活門（活塞）排渣的碟片離心機(jī)這種離心機(jī)利用活門啟閉排渣孔進(jìn)行斷續(xù)自動(dòng)排渣。操作時(shí)，由位于轉(zhuǎn)鼓底部的環(huán)板狀活門的上下移動(dòng)來控制排渣。圖5.5環(huán)閥(活塞)排渣碟式分離機(jī)示意因活門（活塞）排渣的噴嘴碟片離心機(jī)這是近年來開發(fā)的機(jī)型，它和相同直徑的活塞機(jī)相似，其速度可增加23%~30%，故可使分離因素達(dá)15000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。（6）螺旋式離心機(jī)scroll-typecentrifuge連續(xù)操作的沉降設(shè)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)數(shù)稍低。

螺旋式離心機(jī)有立式和臥式兩種，其中后者又稱臥螺機(jī)，是用的較多的一種。螺旋式離心機(jī)工作原理轉(zhuǎn)鼓與螺旋以一定差速同向高速旋轉(zhuǎn)，懸浮液通過螺旋輸送器的空心軸進(jìn)入機(jī)內(nèi)中部，由進(jìn)料管連續(xù)引入螺旋內(nèi)筒，加速后進(jìn)入轉(zhuǎn)鼓。在離心力場(chǎng)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)排渣口排出機(jī)外，較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(jī)外。臥式螺旋離心機(jī)臥式螺旋卸料沉降離心機(jī)螺旋式特點(diǎn)臥螺機(jī)是一種全速旋轉(zhuǎn)，連續(xù)進(jìn)料，分離和卸料的離心機(jī)。最大離心力強(qiáng)度可達(dá)6000操作溫度可達(dá)300℃操作壓力一般為常壓常用于胰島素，細(xì)胞色素，胰酶的分離等。5.1.3離心沉降的計(jì)算（1）管式離心機(jī)假設(shè)某典型粒子位于距離心機(jī)底部z及離轉(zhuǎn)軸r處的位置上。這一位置是在液體表面半徑R1和離心管半徑R0之間。粒子在運(yùn)轉(zhuǎn)的離心機(jī)中沿著z和r兩個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，其中在z方向上的運(yùn)動(dòng),是由離心機(jī)底部進(jìn)入料液的對(duì)流作用引起的，粒子在Z-axis上的移動(dòng)速度：式中：Q為料液流量，上式意味著忽略在z方向上重力場(chǎng)的影響，實(shí)際上，由于管式離心機(jī)的高轉(zhuǎn)速，重力作用確實(shí)是可以忽略的。z方向上的運(yùn)動(dòng)速度隨Q的增加而加大，而與粒子所處位置無關(guān)，因此它是常數(shù)。圖4.7管式離心機(jī)工作示意圖已知粒子在重力場(chǎng)中的沉降速率為：結(jié)合上兩式，可得到：為了獲得粒子在離心機(jī)中的運(yùn)動(dòng)軌跡，將式1除以式2，則得到：從上式可知，若μg很大，粒子將迅速到達(dá)管壁，凡是沉降到管壁的粒子才有可能被除去；而當(dāng)Q很大時(shí)，粒子就很難到達(dá)管壁，不易除去。式1式2式3粒子在r-axis上的移動(dòng)速度可表示為：系統(tǒng)內(nèi)的粒子很多，在生產(chǎn)上關(guān)注的是那些難以除去的粒子，即指那些在r＝R1處進(jìn)入離心機(jī),及在出口旁，即z≈H處，接近筒壁(r=R0)的粒子。即:最難分離的粒子在入口：Z=0，r=R1;在出口：Z=H,r=R0。對(duì)這些難以去除的粒子，按進(jìn)入和離開的邊界條件將式3進(jìn)行積分得:在大多數(shù)管式離心機(jī)中，由于液層很薄，所以R0接近于R1，因此上式可簡(jiǎn)化如下：上式給出了粒子在離心機(jī)中獲得分離時(shí)最大流速與粒子性質(zhì)(μg)和離心機(jī)特性(H、R0、R1及ω)的函數(shù)關(guān)系，如果超過這一流量，粒子會(huì)在未到達(dá)筒壁時(shí)便由筒的上端溢出，而不能除去。（2）碟片式離心機(jī)（略）（3）臥螺式離心機(jī)（略）5.2離心過濾5.2.1離心過濾的原理離心過濾是將料液送入有孔的轉(zhuǎn)鼓并利用離心力場(chǎng)進(jìn)行過濾的過程。兼有離心和過濾的雙重作用。操作時(shí)，以離心力作為推動(dòng)力，在具有過濾介質(zhì)的有孔轉(zhuǎn)鼓中加入懸浮液，固體粒子截留在過濾介質(zhì)上，液體穿過濾餅層而流出，最后完成濾液和濾餅分離的過濾操作。5.2.2離心過濾設(shè)備（1）間歇式離心過濾機(jī)間歇式離心過濾機(jī)通常在減速的情況下由刮刀卸料，或者停機(jī)抽出轉(zhuǎn)鼓套筒或?yàn)V布進(jìn)行卸料。實(shí)驗(yàn)室用過濾離心機(jī)SGZ型三足式刮刀卸料自動(dòng)離心機(jī)（2）連續(xù)式離心過濾機(jī)連續(xù)式離心過濾機(jī)常見的有活塞推料和振動(dòng)卸料兩種方法。①活塞推料式離心機(jī)借助活塞的往返運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)推料盤進(jìn)行脈動(dòng)式卸料。②振動(dòng)卸料式離心機(jī)是利用離心力和軸向激振力等的綜合作用進(jìn)行固液分離的。篩籃內(nèi)的物料在離心力作用下脫水，在軸向激振力作用下由小端向大端脈動(dòng)性地移動(dòng)。脫水后的物料從篩籃大端落人卸料室，進(jìn)人排料槽，離心液則由機(jī)殼收集，由排出室排出。③連續(xù)沉降-過濾式螺旋卸料離心機(jī)是利用離心沉降原理進(jìn)行固液分離，固體通過螺旋推料器上的葉片推至轉(zhuǎn)鼓小端排渣口排出，液相則通過轉(zhuǎn)鼓大端的溢流孔溢出。如此不斷循環(huán)，以達(dá)到連續(xù)分離的目的。臥式螺旋沉降離心機(jī)(臥式螺旋卸料沉降離心過濾)5.2.3離心過濾的計(jì)算（1）Grace方程（2）Storrow方程5.3離心機(jī)的選用根據(jù)經(jīng)驗(yàn)5.4

離心機(jī)在生物工業(yè)中的應(yīng)用在生物工業(yè)中離心機(jī)通常用來處理液相粘度在1～2mPa.s，固－液密度差為≤0.1g/ml和粒子大小為0.5～100μm的懸浮液，其中的固形物，例如細(xì)胞碎片、絮凝廢水的細(xì)菌和蛋白質(zhì)沉淀，大多是形狀不規(guī)則、性軟、易碎的物質(zhì)。被加工的物質(zhì)，例如酶可能是熱和氧敏感的。如當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)純化需采用色層分離純化步驟時(shí)，則常常要求離心操作能提供澄清的上清液。碟片式離心機(jī)在應(yīng)用中是受歡迎的設(shè)備，它們備有密封和蒸汽－滅菌等多種型式，配有溫度控制，并且有些型號(hào)能在物料流量達(dá)2000L/h下，回收尺寸為0.5μm

的粒子。1－發(fā)酵罐；2－離心機(jī)；3－攪拌混和罐；4－高壓勻漿機(jī)