第五章 离心分离

主要内容 1 2 3 4 离心分离的概念 离心沉降和离心过滤 离心机的选择和应用 超离心技术

离心分离： 过滤法的局限性 固体颗粒很小或液体黏度很大的悬浮液； 忌用助滤剂的悬浮液 利用惯性离心力和物质的沉降系数或浮力密度的不同而进行的一项分离、浓缩或提炼操作。

离心分离的类型： 离心沉降：利用固液两相的相对密度差，在离心机无孔转鼓或管子中进行悬浮液的操作。 离心过滤：利用离心力并通过过滤介质，在有孔转鼓离心机中分离悬浮液的操作。 超离心：利用不同溶质颗粒在液体中各部分分布的差异，分离不同相对密度液体的操作。

1 离心沉降 1.1 基本原理 固体离子处在流体中时会自发地发生沉降，固体与流体间的 固体离子在无限连续流体中受到两种力的作用： 密度差越大，沉降的速度越快；当固体颗粒很小或与流体密度 差异不显著时，则需有给于其一个离心力促使其发生沉降。 固体离子在无限连续流体中受到两种力的作用： 浮力（Fg） = 粘滞力（Ff）

自然沉降 d2 （ρs-ρ）g u = 18μ 离心沉降 d2 （ρs-ρ）ω2r u = 18μ u: 沉降速度； d: 粒子直径； μ：流体的黏度； ω：角速度； r：粒子到转轴的距离 离心沉降 u = d2 （ρs-ρ）ω2r 18μ

分离因数： Fr = ω2r/g 根据Fr大小，离心机的分类： Fr < 3000：常数离心机；

1.2 离心沉降的设备 离心机 实验室用：瓶式离心机； 工业用：无孔转鼓离心机； （1）瓶式离心机

（2）管式离心机 结构简单，直管形的转管； 管径：40 ~ 150 mm; 长度：4 ~ 8 m; 处理能力：0.1 ~ 0.4 m3/h; 适合固体粒子粒径0.01 ~ 100 um，固液密度差大于0.01 g/cm3,体积浓度小于1%的悬浮液； 常用语微生物菌体和蛋白质的分离。

（3）碟片式离心机 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--碟片组成； 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0.5~2.5mm； 1出口泵；2 钵罩；3 分配孔；4 碟片组；5 锁紧环；6 分配器；7 滑动钵底部；8 钵体；9 空心钵轴

分离原理： 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。

根据卸渣方式，碟片式离心机分为： 人工排渣的碟片式离心机 间歇式； 适用于分离两种液体并同时除去少量固体，如抗生素、疫苗、梭状芽孢杆菌、维生素、生物碱甾类化合物。

喷嘴排渣碟片式离心机 连续式，呈双锥型； 最大处理量300m3/h，适合直径0.1 ~ 100 μm的颗粒； 体积浓度小于25%的悬浮液； 用于浓缩过程，适用于酶、抗生素、氨基酸等。

活门排渣碟片式离心机 利用活门启闭排渣空进行断续自动排渣； 最大处理能力40 m3/h; 适用于直径0.1 ~500 μ m的颗粒，固液密度差大于0.1 g/cm3; 固液含量小于10%的悬浮液；

活门排渣的喷嘴碟片式离心机 螺旋卸料沉降离心机

2 离心过滤 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。

分批卧式轴 分批立式轴 间歇式 离心过滤机 活塞推料 振动切料 连续式

3 离心机的选用和应用 3.1 离心机的选用 离心机的操作性能； 悬浮液中的颗粒大小； 固体颗粒的体积分数 3.2 离心机的应用 液相黏度1 ~ 2mPa.S; 固-液密度差<=0.1 g/ml; 粒子大小为0.5 ~ 100 μm的悬浮液。

4 超离心法（Ultracentrifugation） 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。 适用于细胞器的分离，如线粒体、微粒体、溶酶体、肿瘤病毒 沉降系数（sedimentation coefficient）用离心法时，大分子沉降速度的量度，等于每单位离心场的速度。

4.1 基本原理 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： 18μ r2 ln t = r1 ω2d2(ρs-ρ) ln r2 r1 t: 沉降时间； μ：悬浮介质的黏度； r1: 从旋转轴中心到液面弯月面的距离； r2: 旋转轴中心到离心管底部的距离。

当粒子直径和密度不同： 在同样的沉降时间, 其沉降位置不同.

4.2 超离心的分类 （1）制备性超离心 粒子差速离心（differential pelleting） 主要是采取逐渐提高离心速度的方法分离不同大小的细胞器; 一般用于分离沉降系数相差较大的粒子，如常用于细胞匀浆中细胞器的分离。

② 一般密度梯度离心法（Diensity gradient centrifugation） 也称分组区带离心; 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的粒子，与粒子密度无关。

③ 等密度离心 （Isopycnic centrifugation） 基本原理： 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，即等密度离心法。 等密度离心的有效分离仅取决于粒子的密度差； 液体介质密度高于样品粒子最大的密度；

预形成梯度（Performed gradient） 根据梯度产生的方法： 预形成梯度（Performed gradient） 常用的梯度介质主要是非离子型的化合物(如蔗糖、甘油等)。

自形成梯度的等密度离心 梯度介质：铯盐、铷盐和三碘化苯衍生物

（2）分析性超离心 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

4.3 超离心设备 （1）分析用超离心机 （2）制备用超离心机 转子 传动和速度控制系统 温度控制系统 真空系统