第五章离心分离

心力，将混合物中各组分分离、浓缩、提纯的方法。
原理 离心沉降 uw=d2/(18 μ)(ρs-ρ) ω2r 若粒子在离心力场中作匀速直线运动，即uw=dr/dt t = 18 μ / [ω2d2(ρs-ρ)]ln(r2/r1)


适用条件：不适于非球形粒子；
仅适合符合牛顿流体的稀的固体悬浮物；
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平抛式离心机转子
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３）管式离心机
（tubular-bowl centrifuge）

管式离心机具有一个细长而 高速旋转的转鼓，


转鼓内装有纵向平板，
其下部有进料口。上部两侧 有重液相和轻液相出口。
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管式离心机

待处理的物料在一定压力（3×104 Pa左右）下由进料 管经底部空心轴进入鼓内， 靠挡板分布于鼓的四周，并使料液迅速达到与转鼓相 同的角速度。 转鼓带动物料高速旋转，在离心力下，悬浮液沿转鼓 内壁向上流动的，料液在离心力场的作用下因其密度 差的存在而分离。 澄清后的液相流动到转鼓上部的排液口排出。 比重大的固体微粒逐渐沉积在转鼓内壁形成 沉渣层，达到一定数量后，停机人工清除。
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人工排渣的碟片式离心机


间歇式离心机
适用于进料中固相浓度很 低(<1% ~ <2%)，分离因 数高。特别适用于分离两 种液体同时除去少量固体， 也可用于澄清作业，如用 于抗生素的提取，疫苗的 生产，梭状芽孢杆菌的收 集以及维生素、生物碱甾 类化合物。
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喷嘴排渣碟片式离心机


连续式离心机。
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管式离心机特点：


结构简单，
可提供较大离心力，转速高，分离因数 高达15000-65000。 管状离心机可以冷却，有利蛋白质分离 间歇操作，须定时拆卸、清洗

适用于于分离乳浊液及含细颗粒的稀悬 浮液，适用于固含量低于 1% ，颗粒度小 于5微米，黏度大的悬浮液澄清或固液两 相密度差较小的分离。
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主要内容

离心沉降
离心过滤


离心机的选用
离心机在生物工业中的应用 超离心法
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球形颗粒沉降的受力情况
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5.1 离心沉降 5.1.1 原理
原理 浮力Fg＝(ρs-ρ)gV=[π/6d3(ρs-ρ)] g d:粒子直径； ρs和ρ分别为粒子和流体的密度； Stockes定律，粘滞力Ff＝3πdμu＝1/2CDA ρ u2 μ：流体粘度；u：粒子的运动速度；CD：阻滞系数；A：粒 子在运动方向的投影面积；
第五章 离心分离(centrifugation)
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对于浓度较小，粒径较大，硬度较强的不溶物，可以采用过 滤分离。 但当固体颗粒细小而难以过滤时，发酵液不易被过滤纯化， 离心操作往显得十分有效。 离心分离是基于固体颗粒和周围液体密度存在差异，在离心 场中使不同密度的固体颗粒加速沉降的分离过程。



微分离心 细胞器的分离
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5.5.2 超离心技术的分类
制备性超离心


粒子差速离心
一般密度梯度离心法

等密度离心法 预形成梯度等密度离心
自形成梯度的等密度离心
分析性超离心
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粒子差速离心

采用逐渐增加离心速 度或低速和高速交替 进行离心，使沉降粒 子，在不同离心速度 和不同离心时间下分 批分离的方法。 适于分离沉降系数相 差较大的粒子，如细 胞匀浆中细胞器的分 离。


5）碟片式离心机disk-bowl centrifuge

是在管式离心机的基础上发展起来的，在转鼓 中加入了许多重迭的碟片，缩短了颗粒的沉降 距离，提高了分离效率。 是生物工业中应用最为广泛的一种离心机 有一个密封的转鼓，内装十至上百个锥顶角为 60~100゜锥形碟片。 碟片间的距离一般为0.5-2.5mm,
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4）多室式multichamber centrifuge

多室式离心机的转鼓内有若干同心圆筒组成 的环状分离室，加长了被分离液体的流程， 使液层减薄，增加了沉降面积，减少了沉降 距离。
同时还有粒度筛分的作用，悬浮液中的粗颗 粒沉降到靠近内部的分离室壁上，细颗粒则 沉降到靠近外部的室壁上，澄清的分离液经 溢流排出。 常用于抗菌素液－液萃取分离，果汁和酒类 饮料的澄清等。 17
双锥型转鼓。 转鼓周边有若干个喷嘴 (2~24 个 ) ， 喷嘴孔径为 0.5~3.2mm, 由于排渣 的含液量高，具有流动性，多用 于浓缩过程。

转鼓直径可达900mm,最大处理量 为 300m3/h 。 适 用于 处理 颗粒 直 径为 0.1~ 100um ，体积浓度小于 25% 的悬浮液，如用于抗生素、 酶、氨基酸和微生物，或单细胞 蛋白质、酵母、淀粉等。
CD＝f(Re)
Re<1 1<Re<104
Re=du ρ / μ
CD=24/Re CD=24/Re +3/Re0.5+0.34
对于生化溶质，一般满足Re<1的要求。 Ff=CD(1/2 ρ u2)(1/4 π d2)=24/Re (1/2 ρ u2)(1/4 π d2)
当粒子匀速沉降时，Fg＝Ff
；u=d2/(18

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分析性超离心
相对分子质量的测定 大分子纯度的估计 检测大分子中构象的变化
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The End
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4.4离心机在生物工业中的应用
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一般密度梯度离心法 分级区带离心

它是把样品铺放在一个连续的 液体密度梯度上，然后进行离 心，并控制离心分离的时间， 使得粒子完全沉降之前，在液 体梯度中移动而形成不连续分 离区带。该法仅用于分离有一 定沉降系数差的粒子，与粒子 密度无关。 这种方法已用于RNA - DNA混 合物、核蛋白体亚单位和其他 细胞成分的分离。
操作方式：连续式
间歇式
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5.2.2 离心过滤的设备
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5.3离心机的选用
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5.3离心机的选用
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5.3离心机的选用
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5.4离心机在生物工业中的应用

液相粘度 1~2mPa.s, 固液密度差 <0.1g/ml, 粒子 大小0.5～100um 灭菌

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5.5 超离心法

超离心法是根据物质的沉降系数、质量和形状不同，应用强大的离
μ)(ρs-ρ)g
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5.1.1 原理

若粒子在离心力场中沉降




则 u=d2/(18 μ)(ρs-ρ) ω2r
离心分离因数 Fr = ω2r/g；
常速离心机Fr < 3000;
中速离心机3000 <Fr < 50000，用于细胞、菌体和培养基残渣等分离； 高速离心机50000 <Fr ，用于细胞碎片、较大细胞器、大分子沉淀物等分 离； 超速离心机 2×104~106，用于DNA、RNA蛋白质、细胞器、病毒分离纯 化；检测纯度；沉降系数和相对分子量测定等。
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活门排渣碟片式离心机

利用活门启闭排渣孔进行断续 自动排渣。

离心力强度范围为 5000~9000, 最大处理能力可达40m3/h。适 用于处理颗粒直径 0.1~500um, 固液密度差大于0.01g/cm3、固 相含量小于 10%的悬浮液。对 一些难分离的物料特别有效， 如大肠杆菌类。
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6)螺旋式离心机scroll-type centrifuge
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1）斜角式离心机
•结构稳定， •可装载较多的样品 •使用较高的转速。 •加速或减速时，对样品有搅动。 •有些梯度离心要求用角转头，否则形
成的梯度不均一，线性很差．
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2）平抛式离心机
平抛式离心机一类结构简单的实验室常用的低 中速离心机，转速一般在 3000-6000rpm。 转子活动管套内的离心管，静止时垂直挂在转 头上，旋转时随着转子转动，从垂直悬吊上升到 水平位置（约200—800rpm）。 颗粒在水平转子中的沉降是沿管子轴向移动。 样品便于收集 受振动和变速搅乱后对流现象小， 但转头结构复杂，最高转速相对要低，容量也 小一些。
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5.1.2 离心沉降设备


沉降式离心机包括：
瓶式离心机和工业用无孔转鼓离心机 按离心机的作用方式分类
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1）斜角式离心机
是一类结构最简单的实验室常用离心机， 指离心管腔与转轴成一定倾角的转子； 角度越大，沉降越结实，分离效果越好， 角度越小，颗粒沉降距离短，沉降速度快，但分离效果差。 颗粒在角转子中沉降时， 先沿离心力方向撞向离心管， 然后再沿管壁滑向管底， 因此管的一侧会出现颗粒沉积。

动植物细胞的收集、细胞碎片和沉淀的分离等常用离心分离。
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离心分离

优点：
分离速度快，分离效率高、液相澄清度好； 缺点： 与过滤设备相比，设备投资高、能耗大、离心产生 的固体浓缩物和过滤产生的浓缩不同。
通常情况下离心只能得到一种较为浓缩的悬浮液或 浆体；而过滤可获得的水分含量较低的滤饼。

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等密度离心法

当不同粒子存在密度差时，在离心力场作用下，粒 子或向下沉降，或向上浮起，一直移动到与它们密 度恰好相等的位置上 ( 即等密度点 ) 并形成区带，此 即等密度离心法。 位于等密度点上的粒子没有运动，区带的形状和位 置都不受离心时间的影响。体系处于动态平衡。
等密度离心的有效分离仅取决于粒子的密度差。密 度差越大，分离效果越好，与粒子的大小和形状无 关，但是此二者决定着达到平衡的速度、时间和区 带宽度。
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预形成梯度等密度离心法