离心分离技术精品文档

离心分离技术第四章固液分离：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；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。离心是利用旋转运动的离心力以及物质的沉降系数或浮力密度的差异进行分离、浓缩和提纯的一种方法。离心分离离心沉降利用固液两相的相对密度差无孔转鼓或管子悬浮液离心过滤利用离心力并通过过滤介质有孔转鼓悬浮液离心分离和超离心利用不同溶质颗粒在溶液各部分分布的差异无孔转鼓或管子不同相对密度液体§4.1离心沉降当悬浮液静止不动时，由于重力场的作用，较大的悬浮颗粒会逐渐沉降，颗粒越重下沉越快，反之会上浮。但很小的颗粒不仅沉降速度慢，而且扩散现象严重，很难或根本无法沉降。这样就需离心的方法产生出离心力场，使之产生沉降。一、离心沉降原理1、离心力（centrifugalforce，Fc）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：其中ω是旋转角速度，以弧度/秒为单位；X是颗粒离开旋转中心的距离，以cm为单位；m是质量，以克为单位。根据Fr对离心机分类：常速离心机:Fr＜3000g中速离心机:3000g＞Fr＜50000g高速离心机:Fr＞50000g超高速离心机:Fr=20000-1000000g同一样品在不同的离心机上离心力不同2、相对离心力（relativecentrifugalforce，RCF）常用“相对离心力”或“数字×g”表示离心力，只要RCF值不变，一个样品可以在不同的离心机上获得相同的结果。RCF就是实际离心场转化为重力加速度的倍数。式中X为离心转子的半径距离，以cm为单位；g为地球重力加速度（980cm/sec2）；n为转子每分钟的转数（rpm）。在说明离心条件时，低速离心通常以转子每分钟的转数表示（r/min），如4000rpm；而在高速离心时，特别是在超速离心时，往往用相对离心力来表示，如65000g。3、沉降系数（sedimentationcoefficient，s）根据1924年Svedberg对沉降系数下的定义：颗粒在单位离心力场中粒子移动的速度。以Svedberg表示，简称S。沉降系数S与分子量M有对应关系：R——气体常数；T——温度（K）；S——沉降系数（s）；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。4、沉降速度（sedimentationvelocity）沉降速度是指在强大离心力作用下，单位时间内物质运动的距离。式中r为球形粒子半径；d为球形粒子直径；η为流体介质的粘度；ρP为粒子的密度；ρm为介质的密度。从上式可知，粒子的沉降速度与粒子直径的平方、粒子的密度和介质密度之差成正比；离心力场增大，粒子的沉降速度也增加。①当ρP＞ρm，则S＞0，粒子顺着离心方向沉降。②当ρP＝ρm，则S＝0，粒子到达某一位置后达到平衡。③当ρP＜ρm，则S＜0，粒子逆着离心方向上浮。5、沉降时间（sedimentationtime，Ts）式中：Xmax为离心转轴中心至离心管底内壁的距离；Xmin为离心转轴至样品溶液弯月面之间的距离；Ts以小时为单位，S以Svedberg为单位。6、K系数（kfactor）K系数是用来描述在一个转子中，将粒子沉降下来的效率。其中Rmax为转子最大半径；Rmin为转子最小半径。二、离心沉降设备离心机可分为工业用离心机和实验用离心机。实验用离心机又分为制备性离心机和分析性离心机。制备性离心机主要用于分离各种生物材料，每次分离的样品容量比较大;分析性离心机一般都带有光学系统，主要用于研究纯的生物大分子和颗粒的理化性质，依据待测物质在离心场中的行为（用离心机中的光学系统连续监测），能推断物质的纯度、形状和相对分子质量等。分析性离心机都是超速离心机。①瓶式离心机②管式离心机③多室式离心机④碟式离心机⑤螺旋卸料沉降离心机离心沉降设备1.瓶式离心机外摆式角式固定式离心管离心管主要用塑料和不锈钢制成：塑料离心管常用材料有聚乙烯（PE），聚碳酸酯（PC），聚丙烯（PP）等，其中PP管性能较好。塑料离心管都有管盖，离心前管盖必须盖严，倒置不漏液。管盖有三种作用：①防止样品外泄。用于有放射性或强腐蚀性的样品时，这点尤其重要。②防止样品挥发。③支持离心管，防止离心管变形。2.管式离心机3.多室式离心机缺点：出渣比较困难。适用于处理直径大于0.1μm的颗粒，固相浓度小于5%的悬浮液，常用于抗菌素液液萃取分离，果汁和酒类饮料的澄清等。转鼓内有数个同心圆筒组成的环隙状分离室。各分离室的流道串联。操作时，悬浮液自中心进料管加入转鼓中，由内向外顺序流经各分离室。在逐渐增大的离心力作用下，悬浮液中的粗颗粒沉积在内部的分离室壁上，细颗粒沉积在外部的分离室壁上。4.碟片式离心机碟式离心机是立式离心机的一种，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。转鼓内有一组锥顶角为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０.5~2.5mm。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。.碟片的结构是：1.碟片用薄的不锈钢冲成；2.碟片呈圆台形；3.在碟片上开有对称的孔。碟式分离机转鼓内有一组碟片，把转鼓空间分成许多薄层分离空间，从而大大缩短沉降距离，改善和提高分离效果。任何处于两碟片之间的极限颗粒若能在此路程段中到达碟片内表面，则可以被分离出来。颗粒在分离空间内的运动路线卸渣方式a.人工排渣的碟片离心机b.喷嘴排渣碟片式离心机c.活门排渣碟片式离心机d.活门排渣的喷嘴碟片式离心机卧式螺旋卸料沉降离心机是利用离心沉降原理分离悬浮液的设备，它主要用于完成固液相有密度差的悬浮液的固相脱水，液相澄清，粒度分级，浓缩等工艺过程。5.螺旋卸料沉降离心机原理：转鼓与螺旋以一定差速同向高速旋转，物料由进料管连续引入输料螺旋内筒，加速后进入转鼓，在离心力场作用下，较重的固相物沉积在转鼓壁上形成沉渣层。输料螺旋将沉积的固相物连续不断定推至转鼓锥端，经排渣口排出机外，较轻的液相物则形成内层液环，由转鼓大端溢流口连续溢出转鼓，经排液口排出机外。LW型卧式螺旋卸料沉降离心机§4-2离心过滤一、离心过滤的原理离心过滤是将料液送入有孔的转鼓并利用离心力场进行过滤的过程，以离心力为推动力完成过滤。兼有离心和过滤的双重作用。滤饼离心过滤机工作原理图滤网以间歇离心过滤为例，料液首先进入装有过滤介质(滤网或有孔套筒)的转鼓中，然后被加速到转鼓旋转速度，形成附着在鼓壁上的液环。与沉降式离心机一样，粒子受离心力而沉积，过滤介质则阻止粒子的通过，形成滤饼。当悬浮液的固体粒子沉积时，滤饼表面生成了澄清液，该澄清液透过滤饼层和过滤介质向外排出。分批立式轴分批卧式轴二、离心过滤设备间歇式连续推送式连续锥形滤网连续式GT6H13卧式离心过滤机本机适宜过滤果汁或皮汁，达到液—固体分离，提高汁的纯度。自动连续卸料离心过滤机为(锥形转鼓)基本参数选择颗粒d,固液差,基本型号固体物浓度亚型产物热稳定性低温离心流量Q,规模规格、台数气溶胶,活cell密封灭菌设计§4.3离心机的选用（P66）离心机的选择包含体产物分离工艺（牛生长激素分离提取）超滤器滤液透析器缓冲液凝胶过滤柱超滤器滤液水EDTA细胞壁溶解酶缓冲液搅拌混合罐水高压匀浆器盐酸胍上相搅拌混合罐缓冲液离心机下相发酵罐粗包含体搅拌混合罐空气§4.4离心机在生物工业中的应用（P67）§4.5超离心法超离心法：根据物质的沉降系数、质量和形状不同，应用强大的离心力，将混合物中各组分分离、浓缩、提纯的方法。一、超离心技术的原理在某种介质中，使一种球形粒子从液体的弯月面沉降到离心管某部(如底部)所需的时间：当粒子直径和密度不同,移动同样距离所需的时间不同,在同样的沉降时间,其沉降位置也不同.式中t为沉降时间，μ为悬浮介质的粘度，d为粒子直径，ρs为粒子密度，ρ为介质密度；r1为旋转轴中心到液体弯月面的距离，r2为从旋转轴中心到离心管底部的距离。利用它可以从组织匀浆中分离细胞器，其主要细胞成分的沉降顺序，一般先是整细胞和细胞碎片，然后是核、叶绿体、线粒体、溶酶体、微粒体和核蛋白体。二、超离心技术的分类差速离心（一）制备性超离心（二）分析性超离心等密度离心一般密度梯度离心法密度梯度离心采用不同的离心速度和离心时间，使沉降速度不同的颗粒在不同的离心速度及不同离心时间下分批分离的方法。主要用于分离大小和密度差异较大的颗粒。（一）制备性超离心1、差速离心(Differentialcentrifugation)优点：操作简单，离心后用倾倒法即可将上清夜与沉淀分开，并可使用容量较大的角式转子。缺点：①分离效果差；②壁效应严重；③颗粒被挤压。2、密度梯度区带离心法密度区带离心法是样品在一定惰性梯度介质中进行离心沉淀或沉降平衡，在一定离心力下把颗粒分配到梯度中某些特定位置上，形成不同区带的分离方法。密度梯度系统：梯度介质有足够大的溶解度，不与分离组分反应，不会引起分离组分的凝集、变性或失活。样品铺在密度梯度溶液表面，离心后形成若干条界面清楚的不连续区带。优点：①分离效果好，可一次获得较纯颗粒；②适应范围广，既能分离具有沉淀系数差的颗粒，又能分离有一定浮力密度的颗粒；③颗粒不会积压变形，能保持颗粒活性，并防止已形成的区带由于对流而引起混合。缺点：①离心时间较长；②需要制备梯度；③操作严格，不宜掌握。（1）一般密度梯度离心法差速区带离心法（动态法或沉降速度法）（Diensitygradientcentrifugation）根据分离的粒子在梯度液中沉降速度的不同，使具有不同沉降速度的粒子处于不同的密度梯度层内分成一系列区带，达到彼此分离的目的。离心过程中区带的位置、形状随离心时间而改变用于分离有一定沉降系数差的颗粒，与密度无关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。因此大小相同，密度不同的粒子(如线粒体、溶酶体和过氧物酶体)不能用此法分离。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。（2）等密度离心（Isopycniccentrifugation）指当不同颗粒存在浮力密度差时，在离心力作用下，颗粒或向下沉降或向上浮起，一直沿梯度移动到与其密度恰好相等的位置上（即等密度点），形成区带而分离的方法。处于等密度点的颗粒没有重量，区带的位置、形状均不受离心时间的影响，体系处于动态平衡。差速区带离心法和等密度离心法的区别差速区带离心法等密度离心法原理依据粒子的沉降速率差异被分离依据粒子本身的密度差异被分离梯度范围介质的密度小于样品中各种粒子的密度介质的密度大于待分离样品中各种粒子的密度时间效应长时间离心，所有待分离粒子都沉降在管底长时间离心，各粒子停留在等密度位置形成区带等密度离心差速区带离心（二）分析性超离心分析性超速离心主要是为了研究生物大分子的沉降特性和结构，而不是专门收集某一特定组份。因此它使用了特殊的转子和检测手段，以便连续监视物质在一个离心场中的沉降过程。相对分子质量的测定（纹影光学、吸收扫描光学系统）大分子纯度的估计检测大分子中构相的变化与制备用机型的不同点：1．由于盛液器（离心池）有“光学窗口”，故受材料强度限制，允许转速略低，在80000rpm以内使用。2．转