第五章 离心

RCF是指在离心场中，作用于颗粒的
离心力相当于地球重力的倍数，单位是重
力加速度“g”。
RCF =
F离
=
ω2r
1.119×10-6×(r/min)2 X
F重
g
重力加速度(980cm/s)
实际工作中常用“相对离心力”或“数字
×g”表示离心力，只要RCF值不变，同一
样品可以在不同离心机上获得相同结果。
实际工作中对于离心条件描述的习惯 做法是：
因此，测出离心机转速、离心时间和粒 子移动距离，计算出S，就要求得大分子M 。 这就是沉降系数法测定大分子M的原理。
（5）K系数 ❖ K系数是用来描述在一个转子中，将粒子
沉降下来的效率，也就是溶液恢复成澄清 程度的一个指数。
K=ln(Rmax/Rmin)2.53×1011/n
转数
最大、最小粒子的半径
从上式可知，粒子的沉降速度与粒子直径、 粒子的密度和介质密度之差成正相关；离心力 场增大，粒子的沉降速度也增加 。
（4）沉降系数（sedimentation coefficient，s）
图5.2 1927 诺奖得主、超离机发明人--瑞典蛋白质化学家像
根据1924年Svedberg对沉降系数下的定义：
用途：分 片及离较各大种的沉细淀胞物器等、 细 胞 碎
超速离心机
转速：25000g～80000r/min，
RCF 1×105g以上 分离纯化生物大分子、细胞
用途：测 器和定病样毒品等纯 度 、 沉 降 系 数 、
相对分子量等
按分离过程分类
离心转鼓壁有孔，以离心力作为 过滤的推动力，转速一般在
过滤式离心机 1000~2000r/min，分离因数不大。
5.2 离心沉降原理
当悬浮液静止不动时，
由于重力场的作用，较大的
阻力Fd
悬浮颗粒会逐渐沉降，颗粒 越重下沉越快，反之会上浮。
浮力Fb
但很小的颗粒不仅沉降速度 慢，而且扩散现象严重，很
重力Fg
难或根本无法沉降。
图5.1 沉降颗粒的受力情况
这样就需要离心的方法产生出离心力场，使其 发生沉降。
⑴ 离心力（centrifugal force，Fc）
C、转鼓直径达900mm；
D、喷嘴2-24个，
直径0.5- 3.2mm； E、浓缩比达5-20。
图5.12 蝶离机喷嘴排渣示意图
常用于抗生素、酶、氨基酸、酵母、淀 粉、微生物或单细胞蛋白质等的处理。
Ｃ、活塞排渣碟片离心机
Leabharlann Baidu
❖ 操作：断续式
❖ 应用：
A.可用于难分离的物料
B.悬浮液分离
❖ 主要技术参数：
的分离
❖ 主要技术指标：
A.离心管直径40-150mm，长径比4-8；
B.离心力强度15000-65000g；
C.处理能力100-400 L/h；
D. 适 应 的 颗 粒 直 径 0.01-100m ， 固 液 密 度 差 ＞ 0.01g/cm3 ， 固 体 含 量 ＜ 1% 的难分离悬浮液和液-液密度差小的 。乳浊液分离。
按用途分类 生产(工业)型离心机 分析型离心机 研究(实验)型离心机 制备型离心机
按分离因素分类
转速：< 8000r/min, RCF<1×104g
常速离心机 用途：分离细胞、细胞碎片、培养
基残渣及粗结晶等较大颗粒
高速离心机
转速：8000～25000r/min，
RCF 1×104g～105g
⑵ 生产中常用离心机
① 蝶片式离心机
碟式离心机是立
式离心机的一种，
转轴、转鼓、倒锥
形碟片转鼓装在立
轴上端，通过传动
装置由电动机驱动
而高速旋转。
图5.7 蝶片式离心机外形图
特点：碟式离心机的分离因数为4000~10000， 转 速 4000~7000r/min ， 主 要 用 于 分 离 难 分 离 的 物 料（例如粘性液体与细小固体颗粒组成的悬浮液 或密度相近的液体组成的乳浊液等）。
❖ 高速离心机：串激式电机、变频电机、可 变磁阻驱动系统
❖ 低速离心机：变频电机、感应式电机（皮 带传动）
② 主轴及转头
转头材料
❖ 工业离心机：合金钢 ❖ 低速离心机：铝合金 ❖ 高速和大容量离心机：钛合金
转头类型
❖角式转头：离心管腔与转轴成一定 倾角的转头。
❖区带转头：区带转头无离心管，主要由 一个转子桶和可旋开的顶盖组成。
图5.10 蝶片式离心机工作原理示意图
类型： 功 乳浊液分离机：碟片上开有小孔。 能 悬浮液澄清机：碟片上不开孔。
人工排渣的碟片离心机
排 渣
嘴排渣碟片式离心机
方 活塞排渣碟片式离心机 式
活塞喷嘴排渣碟片式离心机
Ａ、人工排渣碟片离心机
❖ 操作：间歇式
❖ 应用：
A、液-液分离；
B、固相浓度小于2％的固-液分离；
❖ 荡平式转头：由吊着的4或6个自由活动的吊 桶（离心套管）构成。转头静止时，吊桶垂 直悬挂；当转头转速达到200~800rpm时， 吊桶荡至水平位置；这种转头最适合做密度 梯度区带离心。
❖ 垂直转头：其离心管是垂直放置，样品颗粒 的沉降距离最短，离心所需时间也短，适合 用于密度梯度区带离心。
❖ 转鼓：工业离心机由于处理量的要求，一般 采用转鼓而非转头。
离心作用是根据在一定角度速度下作圆周 运动的任何物体都受到一个向外的离心力进行 的。离心力（Fc）的大小等于离心加速度ω2X 与颗粒质量m的乘积，即：
Fc=mω2X
颗粒与旋转中心的距离，单位：cm 旋转角速度，为单位：弧度/秒 颗粒质量，单位：克
相对离心力（ relative centrifugal force，RCF ）
荡平式转头
角式转头
垂直转头
图5.4 转头不同形式示意图
图5.5 实验型离心机各种转子照片
图5.6 工业用各类离心机转鼓照片
③ 物料保护及运行支持系统
物料保护系统 ❖ 冷冻降温装置：细胞及细胞器分离、人
血浆成分分离、核酸分离、蛋白质分离、 病毒分离——高速及超速离心机 运行支持系统 ❖ 真空系统：超速离心机
的活塞机大23-30%； B.离心力强度可达15000g。 图5.14 活塞-喷嘴排渣示意图
可用于酶制剂、疫苗、胰岛素等生产中 的澄清；酶生产中细菌的收集；DNA的收 集与澄清。
② 管式式离心机(Tubular bowl)
❖ 操作：间歇式或连续式，还可以冷却
❖ 应用：常用于微生物菌体和蛋白质等
D、不同密度固体或乳浊液的密度梯 度分离，如超离心分离
缺点： A、分离得到的不是滤饼一样的半干物，
而是浆状物； B、处理量小； C、设备复杂，价格贵，分离成本高。
基本概念
沉降：当静置悬浮液时，密度较大的固体 颗粒在重力作用下逐渐下沉，这一过程称 为沉降。
离心（centrifugation）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。
图5.15 管式离心机图片
结构：管状转鼓外 壳。由机身、传动 装置、转鼓、集液 盘、进液轴承座等 组成。转鼓内装有 三个纵向平板，以 使料液迅速达到与 转鼓相同的角速度。
1-折转器 2-固定机壳 3-十字挡板 4-转鼓 5-轻液室 6-排液罩 7-驱动轴 8-环状隔盘 9-重液室
图5.16 管式离心机结构示意图
☆碟片用薄 的不锈钢 冲成；
☆碟片呈圆 台形；
☆碟片上开 有对称的 孔。
图5.9 蝶式离心机蝶片结构、组成示意图
工作原理：当转鼓连同碟片以高速旋转 时，碟片间的悬浮液中的固体颗粒因其有 较大的质量，优先沉降于碟片的内腹面， 并连续向鼓壁方面沉降，澄清的液体则被 迫反方向移动而在转颈部进液管周围的排 液口排出。 沉渣沿碟片表面滑动而脱离碟 片并积聚在转鼓内直径最大的部位，分离 后的液体从出液口排出转鼓。
★ 在低速离心时通常以转子每分钟的转 数表示，如4000 r/min。 ★ 在高速离心时，特别是在超速离心时， 往往用相对离心力来表示，如65000g
⑵ 分离因素（ Separation factor）
分离作用能产生的效果用分离因素衡 量。即作用于被分离物料上的离心力加速 度相对于重力加速度的倍数：
❖ 原则上，K系数愈小的，沉降愈容易，粒 子沉降也愈快。
⑹ 影响沉降的因素
❖ 固相颗粒与液相密度差 ❖ 固相颗粒的形状和浓度 ❖ 液相粘度与操作温度 ❖ 其他因素：pH、盐的种类和浓度、有
机化合物的种类和浓度
5.3 离心机
图5.3 离心机发明者(瑞典)像
⑴ 离心机的类型
历经一百多年的发展，离心机已经发 展成为一个庞大的家族，按照不同的的分 类依据，可分为不同的类型。
颗粒在单位离心力场中粒子移动的速度。 以Svedberg表示，简称S 。
V
dX/dt
X
X
沉降系数 （量纲：1×10-13s即1S=1×10-13秒）
沉降系数S与大分子的分子量M有下式对 应关系：
R-气体常数；T-温度（k）；S-沉降系数；D-粒子扩散系数； υ-粒子的偏比容（粒子密度的倒数）；ρ-溶剂密度。
第二部分 悬浮体系分离技术
第五章 离心分离技术
5.1 概述
进行液—固(悬浮液)体系分离时，第一 选择为过滤，第二选择为离心分离。
应用： A、难过滤的发酵液（d小、大、
过滤v慢）、甚至不能过滤的悬浮液， 及忌用助滤剂、或助滤剂无效的悬浮液；
B、其他难分离的固液分离；
C、互不相溶的液-液分离，如液-液 萃取；
C、澄清作业。
❖ 主要技术参数：
A、固体浓度1-2％ ； B、离心力很高。
图5.11 人工排渣示意图
常用于处理抗生素、疫苗、维生素、生 物碱甾类化合物及梭状芽孢杆菌等。
Ｂ、喷嘴排渣碟片离心机
❖ 操作：连续式
❖ 应用：多用于悬浮液的浓缩。
❖ 主要技术参数：
A、固体浓度＜25％ ；
B、颗粒d为0.1-100um；
碟式离心机可以完成两种操作：液-固分离（即 低浓度悬浮液的分离），称澄清操作；液-液（或 液-液-固）分离（即乳浊液的分离），称分离操 作。以其结构紧凑，占地面积小，生产能力大等 特点，因而在化工、医药、轻工、食品、生物工 程以及交通运输部门都获得广泛应用。
转鼓结构：内有一 组 锥 顶 角 为 60 － 100 度的的互相套叠在一 起 的 碟 形 零 件 -- 碟 片 。 碟片与碟片间的距离 用附于碟片背面的具 有一定厚度的狭条来 控制，碟片的距离为 图5.8 蝶片式离心机转鼓结构示意图 ０.5~2.5mm。
工作原理 ★乳浊液的分离：乳 浊液由底部进入，在 转鼓内从下向上流动 过程中，由于两种液 体的密度不同而分成 内、外两液层。外层 为重液层，内层为轻 液层。到达顶部后， 轻液与重液分别从各 自的溢流口排出。
式 离 心 机
按 转 鼓 轴
立 式
位 置 分
离 心
类
机
按离心室构造分类 瓶式离心机 转鼓式离心机 管式离心机 多室式离心机 蝶片式离心机 卧螺式离心机
实验室用 工业用
⑵ 离心机的基本结构
驱动和速度控制系统、主轴及转头、安 全保护装置、承载结构（机座）、物料保护 及运行支持系统
① 驱动和速度控制系统
Fr
2X
g
★ Fr表示粒子在离心机中产生的离心加速 度与自由下降的加速度之比；Fr越大，越有 利于分离。
离心机能够产生的额定最高RCF值称为 最大分离因数。
⑶ 沉降速度（ sedimentation velocity ）
沉降速度(V)是指在离心力作用下，单位时 间内物质运动的距离。
V=
式中d-球形粒子直径；η-流体介质的粘度；ρp-粒子的密度； ρm-介质的密度；t-时间。
A.固体浓度＜5％
B.颗粒d为0.1-500um
C.固液密度差＞0.01g/cm3
D.处理能力达40m3/h
图5.13 蝶离机活塞排渣示意图
E.离心力强度5000-9000g
可用于难分离的物料，如大肠杆菌。
D、活塞-喷嘴排渣碟片离心机
❖ 操作：断续式 ❖ 应用：
A.澄清作业； B.细胞收集。 ❖ 主要技术参数： A.离心速度比相同直径
适用于易过滤的晶体和较大颗粒 悬浮液的分离。
离心转鼓壁无孔，用离心力推动颗
沉降式离心机 粒沉降，适用于固体含量少，颗粒
较细，不易过滤的悬浮液。
利用两相密度差实现分离，是高转
分离式离心机
速机，一般在4000r/min以上，适用 于乳浊液的分离和悬浮液的增浓或
澄清。
按操作方式分类 间歇式离心机 连续式离心机
卸料时必须停车或减 速，然后采用人工或 机械方法卸出物料。 如三足式沉降离心机、 刮刀卸料沉降离心机、 上悬式沉降离心机等。
整个操作均连续化，如 螺旋卸料沉降离心机。
按卸料方式分类
人工卸料离心机 重力卸料离心机 刮刀卸料离心机 活塞推料离心机 螺旋卸料离心机 离心卸料离心机 振动卸料离心机

卧