生物分离(工程)技术(第三章 固-液分离技术-第二讲离心技术)

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1、生物分离(工程)技术生物分离（工程）技术主讲：吴元喜 E-mail: 联系电话：027-87792304 2010年8月 生物分离(工程)技术一般生物工业过程 生物分离(工程)技术提取精制的优化目标和工艺 设计 总的目标：高产率、品质优、低成本、操作简便、无环境污染。 常用单元操作出现频率：离子交换 75；亲和过程 60；沉淀分离 57；凝胶过滤层析50；其他方法 33。 单元操作的选择要求：工艺前期：不要求分辨能力高，但要求负荷能力大工艺后期：分辨能力和回收能力尽可能高，生物分离(工程)技术生物工业下游技术一般工艺过程生物分离(工程)技术第三章 固-液分离技术 第一讲 过滤技术 第二讲 离

2、心技术生物分离(工程)技术第二讲 离心分离技术一、概述二、离心分离原理 三、离心操作注意事项四、思考题 生物分离(工程)技术一、概述1、前言2、离心的形式和目的 3、离心机的分类生物分离(工程)技术1、前言1924年 Svedberg（瑞典）设计并制造出可产生相当于5000倍地球引力的离心机。1926年获得诺 贝尔化学奖离心技术主要用于各种生物样品的分离和制备，生物样品悬浮液在高速旋转下，由于巨大的离心 力作用，使悬浮的微小颗粒（细胞器、生物大分子 的沉淀等）以一定的速度沉降，从而与溶液得以分 离。沉降速度取决于颗粒的质量、大小和密度。生物分离(工程)技术颗粒的沉降当一固体微粒通过无限连续当一

3、固体微粒通过无限连续介质时，它的运动速度受到两种介质时，它的运动速度受到两种力的影响：一是该微粒受到因微力的影响：一是该微粒受到因微 粒与流体介质间密度不同而产生粒与流体介质间密度不同而产生 的浮力作用，二是微粒所受到的的浮力作用，二是微粒所受到的 流体阻力作用。当浮力与阻力达流体阻力作用。当浮力与阻力达 到平衡时，该微粒即以恒定的速到平衡时，该微粒即以恒定的速 度沉降。度沉降。生物分离(工程)技术颗粒的沉降（续）在稀溶液中，作用于单个球形微粒上的阻力FD，可用 Stocks(斯托克斯)定律表示：假设该微救为球形假设该微救为球形, ,其沉降过程如图所示，其沉降过程如图所示， 则该微粒所受的浮力

4、（则该微粒所受的浮力（F FB B）可由下式表示）可由下式表示d-d-沉降颗粒直径，沉降颗粒直径，cmcm； s s ，-微粒及液体介质密度，微粒及液体介质密度，g gcmcm3 3； -微粒加速度微粒加速度m/sm/s2 2；-物质沉降速率，物质沉降速率，cmcms s； -介质的黏度，介质的黏度，g g( (cmscms) )。 颗粒较小时，生物分离(工程)技术颗粒的沉降（续 ）当Re1时，阻力表示为：当球形粒子在介质中开始运动时速度较小，作用其上的 阻力亦较小。当阻力与浮力平衡时，微粒加速度为零。微粒 运动速度方程为：重力沉降时，微粒加速度即重力加速度，即g为重力加速度常数，m/s2离心

5、沉酵时，微粒运动速度方程为：转鼓回转角速度，rs 转鼓中心轴线与微粒间距离，m生物分离(工程)技术2、离心的形式和目的离心的形式离心过滤：在有孔转鼓的离心机小通过 过滤介质分离悬浮液；离心沉降：利用固液两相比重的差异在 离心机无孔转鼓或管子中进行悬浮液沉降分离 ( 如用于净制含少量固体的液体时也称离心澄清) ；离心分离：利用不同溶质颗粒在液体各 部分分布的差异，分离不同比重液体。 离心的目的固-液分离、液-液分离生物分离(工程)技术3、离心机的分类(1)转速和温度：低、高、超速；冷冻和常温；(2)用途：工业或实验用，分析或制备；(3) 形式和操作：过滤、沉降或分离；连续、半连 续、间歇；(4)

6、 结构特点：转鼓、长管式的转筒、角式和外摆 式转子、分析型转子和区带转子等。依驱动方式 有手摇式、油涡轮式、气动式、磁悬式和电动式 等。依旋转轴位置有直立式、水平式、倾斜式等生物分离(工程)技术二、离心分离原理 1、离心分离的先决条件2、离心机的选择3、离心方法的选择4、离心力和相对离心力5、物质的沉降系数 6、离心条件的确定生物分离(工程)技术1、离心分离的先决条件 不同密度或不同大小及形状的物质在重力 作用下的沉降速率不同，在形成密度梯度 的液相体系中的平衡位置不同。 离心分离过程就是以离心力加速不同物质 沉降分离的过程。被分离物质之间必须存 在或经人为处理产生的密度或沉降速率差 异才能以

7、离心方法进行分离。生物分离(工程)技术2、离心机的选择 常速离心机：最大转速在8000rmin以内，相对离心 力(RCF)在ll04g以下。主要用于细胞、细胞碎片和培养 基残渣等固形物的分离，也用于酶的结晶等较大颗粒的分离 。 高速离心机：最大转速为(12.5)104rmin，相对 离心力达到(104105)g，主要用于各种沉淀物、细胞碎片 和细胞器等的分离。 超速离心机:最大转速达(2512)104 rmin，相 对离心力可以高达106g。超速离心主要用于DNA、RNA、蛋 白质等生物大分子以及细胞器、病毒等的分离纯化，样品纯 度的检测，沉降系数和相对分子质量的测定等。生物分离(工程)技术三

8、种不同级别的制备离心机类类 型普通离心机高速离心机超速离心机最大转转速6，00025，00075，000以上最大相对对离心（ g）6，00089，000510，000以上容 量 ml-Lml-1.5Lml-1.5L分离形式固液沉降分离固液沉降分离密度梯度区带带分离 或差速沉降分离。离心管平衡 允许误许误 差0。25克0。1克01克生物分离(工程)技术3、离心方法的选择I.沉淀离心 II.差速离心： III.密度梯度离心：速率区带离心与等密度区带离心生物分离(工程)技术I.沉淀离心沉淀离心技术是目前应用最广的一种离心 方法。一般是指介质密度约lgml，选用一种 离心速度，使悬浮溶液中的悬浮颗粒在

9、离心的 作用下完全沉淀下来，这种离心方式称之为沉 降离心。根据颗粒大小来确定沉降所需要的离心力 。主要适宜于细菌等微生物、细胞和细胞器等 生物材料，密度在1.181.31gml左右的离心 分离。沉降速度与离心力和颗粒大小有关。 生物分离(工程)技术II.差速离心 差速离心:是指采用不同的离心速度和离心 时间，使不同沉降速度的颗粒分批分离的 方法。 微小颗粒与液体分子间的相互影响力被离 心力克服，原条件下稳定悬浮的多种微小 粒子又依自身相对密度大小等条件顺序沉 淀出来。 一般用于分离沉降系数相差较大的颗粒。生物分离(工程)技术差速离心-物质的沉降过程 优点是：操作简易，离心 后用倾倒法即可将上清

10、液 与沉淀分开，并可使用容 量较大的角式转子。 缺点是：须多次离心，沉 淀中有夹带，分离效果差 。 可用于组织匀浆液中分离 细胞器和病毒的分级沉淀生物分离(工程)技术生物分离(工程)技术沉淀离心和差速离心的过程生物分离(工程)技术III.密度梯度离心法密度梯度离心法（区带离心法）：是将样品加在惰性梯度介质中进行离心沉降或沉降平 衡，在一定的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。 （1）差速区带离心法：在一定的离心力作用下，颗粒 各自以一定的速度沉降，在密度梯度介质的不同区域上 形成区带的方法称为差速区带离心法。 （2）等密度区带离心法：离心管中预先放置好梯度介 质

11、，样品加在梯度液面上，或样品预先与梯度介质溶液 混合后装入离心管，通过离心形成梯度，这就是预形成 梯度和离心形成梯度的等密度区带离心产生梯度的二种 方式。生物分离(工程)技术密度梯度离心法的特点优点：分离效果好，可一次获得较纯颗粒；适应范围广，能象差速离心法一样分离具有 沉降系数差的颗粒，又能分离有一定浮力密度 差的颗粒；颗粒不会挤压变形，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：离心时间较长；需要制备惰性梯度介质溶 液；操作严格，不易掌握。生物分离(工程)技术(1)差速区带离心法的特 点 离心管先装好密度梯度介质溶液 ，样品液加在梯度介质的液面上 ，离心时，由于离心力的

12、作用， 颗粒按不同沉降速度向管底沉降 ，离心一定时间后，沉降的颗粒 逐渐分开，最后形成一系列界面 清楚的不连续区带，沉降系数越 大，往下沉降越快。 离心必须在沉降最快的大颗粒到 达管底前结束，样品颗粒的密度 要大于梯度介质的密度。 梯度介质通常用蔗糖溶液，其最 大密度和浓度可达1.28 kg/cm3 和60。生物分离(工程)技术(2)等密度离心法的特点 离心时，样品的不同颗粒向上 浮起，一直移动到与它们的密 度相等的等密度点的特定梯度 位置上，这就是等密度离心法 。 处于等密度点上的样品颗粒的 区带形状和位置均不再受离心 时间所影响。 提高转速可以缩短达到平衡的 时间，离心所需时间以最小颗 粒

13、到达等密度点（即平衡点） 的时间为基准，有时长达数日 。 梯度介质通常为氯化绝CSCl， 其密度可达1.7 g/cm3。 生物分离(工程)技术4、离心力“ F ”和相对离心力“ RCF ”离心力“ F ”相对离心力“ RCF ”离心机转速与离心力列线计算图生物分离(工程)技术离心力“ F ”当一个粒子（生物 大分子或细胞器）在 高速旋转下受到离心 力作用时，此离心力 “F”由下式定义，即 ：a -a -粒子旋转的加速度，粒子旋转的加速度，m -m -沉降粒子的有效质量，沉降粒子的有效质量，-粒子旋转的角速度，粒子旋转的角速度，r-r-粒子的旋转半径粒子的旋转半径( cm )( cm ) 。生物

14、分离(工程)技术相对离心力“ RCF ”相对离心力是指 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”（980cm/sec2） ,“RCF”相对离心力可用 下式计算：RCF = 1.119105(rpm)2 r( rpm revolutions per minute每分钟转数，r/min )生物分离(工程)技术离心机转速与离心力列线 计算图 一般情况下，低速离心 时常以转速“rpm”来表 示，高速离心时则以 “g” 表示。 在报告超离心条件时， 通常总是用地心引力的 倍数“g”代替每分钟 转数“rpm”.转速与离心力的换算:先在r 标尺上取已知的半径和 在rp

15、m标尺上取已知的离 心机转数，然后将这两 点间划一条直线，与图 中RCF标尺上的交叉点即 为相应的相对离心力数 值。生物分离(工程)技术5、物质的沉降系数 假定液体浓度稀薄其黏度为O，颗粒物质为正圆 形，则混溶于液体的颗粒性物质在引力场作用下 的沉降过程仅受重力和液体浮力双重影响。离心 时作用于沉降颗粒的离心力是： 根据Stokes定律，离心时沉降颗粒遇到的阻力是：d-沉降颗粒直径，cm； -沉降颗粒密度，gcm3； -溶剂液体密度，gcm; -溶剂液体黏度，g (cms)。生物分离(工程)技术物质的沉降系数(续)在离心力作用下，如果沉降物质沉降的速度是不 变的，离心力就等于阻力，f1f2 -物质沉降速率，cms；d-沉降颗粒直径，cm； -沉降颗粒密度，gcm3；-溶剂液体密度，gcm -溶剂液体黏度，g(cms)。 S 称为斯维德伯格(Svedberg)单位 生物分离(工程)技术物质的沉降系数(续)物质颗粒的沉降物质颗粒的沉降S S大小与物质颗粒直径的平方成正比，与沉降大小与物质颗粒直径的平方成正比，与沉降 颗粒和溶剂液体密度之差成正比，与溶剂液体黏度的颗粒和溶剂液体密度之差成正比，与溶剂液体黏度的1818倍成反倍成反 比。由于液体黏度受液体性质和温度影响很大所以比。由于液体黏度受液体性质和温度影响很大所以S S通常定义通常定义 为为2020时以水作溶剂的物质的