离心技术

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超速离心
1概述 2离心的基本理论 3离心机的分类与构造 4转头的基本参数与性能 5离心技术 6安全操作与离心机的保养
1概述
1.1离心技术过程的发展
离心技术是物质分离的一个重要手段,它是利用物质在离
心力作用,按其沉降系数不同而分离的。早在19世纪末人 们发明了用手摇离心机来分离蜂蜜和牛奶。但是,作为离 心技术应用于生物领域才始于上世纪初。它的发展过程大 致分为几个时期:
降快。
b颗粒的沉降速度与颗粒和介质密度差(pm)成正比,密度 之差越大沉降越快。在离心时会出现三种情况。 当 p m 时颗粒沉降速度为正值,即颗粒在介质中
往下沉。
当 p= m 时颗粒沉降速度为零 , 颗粒在介质中作不定
向运动
当 p m 时颗粒沉降速度为负值,即颗粒在介质中 往上浮。 c颗粒沉降速度与引力成正比,随着引力增加而增加。 d颗粒的沉降速度与介质粘度成反比,速度随着粘度的 增加而降低。
c质量较大,离心速度高
d使用寿命长,价格较贵(5000$)
4.2.4碳素转头:
a质量轻,有利于提速
b耐腐蚀
c机械强度高,但加工容易
d使用寿命长,价格昂贵(9000$)
G=2 r = 42N2r/3600
式中的N为每分钟的转数,相当于rpm/min。
所以可以将离心力公式表示为:
G = 2r=42r(rpm/60min)2=42r(rpm)2/3600sec2
以上公式可以看出离心力的单位是cm/sec2,正好与重力加 速度的单位一致。所以,离心力可以用重力加速度的倍数 G/g 来表示,通常称之为相对离心力。用 RCF 表示,可以 将公式写成。 RCF = G/g ------(6-8) 通过计算可以得出: G 42r(rpm)2/3600sec2 42r(rpm)2 39.44r(rpm)2 RCF = = = = g 980/sec2 980 3600 3.5 106 =1.12 × 10-5r(rpm)2 = 11.2r(rpm 1000)2
真空系统
制冷系统
光学系统
控制系统
润滑系统
防护系统
3.3各系统的功能: 3.3.1驱动系统: 驱动系统是提供离心机动力的重要组成部分,作为超速 离心机的驱动系统应当考虑运行时摩擦力小、提速快、运 行平稳。常用的驱动系统主要有四种: a 油轮驱动:该驱动装置最早是由 Svedberg设计的,它是 将转头横放在转动轴上,利用高压油泵喷射枪将油喷射在 转动轴端叶片上,使其高速运转。这种装置最大转速可达
2.4沉降系数(S) 颗粒在单位离心力作用下的沉降速度称该颗粒的沉降系数
dr/dt S = V/2 r = ─── 2 r d2(p m)2r (V= ──────) 18
沉降系数是生物大分子的特征常数,它除了与颗粒的密度 、形状和大小有关以外,还与介质的密度、粘度有关。
为 了 纪 念 Svedberg 人 们 把 沉百度文库降 系 数 确 定 为 S, 单 位 是 :
高速离心机:最大转速(Vmax)为 6000-25000 rpm
超速离心机:最大转速(Vmax)为 40000-100000 rpm
3.1.2按用途分类:
a分析型离心机
b制备型离心机
c专用型离心机
3.2超速离心机的基本结构: 虽然离心机的品牌很多,但设计原理和基本构造是相似 的。大致分为
驱动系统
明了DNA双螺旋结构半保留复制的假说。
50年代末离心机工业有了很大的发展,制造出钛转头。
90年代后期,制造出碳素转头,主要用超强超轻材料合成
的,其质量比水轻。
1.2特点:
(1)利用物质的不同质量进行分离
(2)离心方式多:
沉淀离心、差速离心、速率区带离心、等密度离心、 淘洗离心和连续流离心等 (3)应用广: a活体生物离心(细胞、微生物、病毒) b细胞器离心(细胞核、细胞膜、线粒体) c生物大分子离心(核酸、蛋白质、酶、多聚物) d小分子聚合物合物等。
2基本理论
2.1沉降现象
任何物质受地引力的作用都具有下沉作用,称之为沉降现象,自 由落体的运动速度为V=g . t。在沉降过程中下沉的力在某个时刻总 会与摩擦力和浮力达到平衡,使物体的受力为零,而在做匀速运动 ,称之为临界速度。
2.2颗粒在重力场的运动:
一个球形颗粒在重力场中的液体介质内,受到地球引力、溶液浮 力和溶液粘滞力的作用,出现不同的运动。用公式表示为: 粘滞力 浮力
: 介质的粘度 d: 颗粒直径 V:颗粒的沉降速度 d: 颗粒直径 m: 介质密度 g:重力加速度 980cm/sec2
当作用在颗粒上的总力为零时,颗粒将会做匀速运动,也就达到临 界速度,作用力的关系式为:
Fg - Fb = Ff---------------------(4)
用(1),(2),(3)代入(4) 1/6d3p.g 1/6d3m.g = 3d.V 有此可以推出: V = d2(p-m)g/18---(5) V:是颗粒在介质中沉降速度。该方程称之为Stokes方程 ,由此可以判断颗粒与沉降速度之间的关系为: a颗粒沉降速度与颗粒直径d 2的大小成正比,颗粒大沉
2.3.1 颗粒在离心场的受力: 颗粒在离心场中受到 5 种作用力,即:离心力,与离心力方向相 反的浮力,重力,与重力方向相反的浮力,介质摩擦力(粘滞力):
与重力方向相反的浮力 介质摩擦力 离心力 与离心力方向相反的浮力
离心轴 重力
2.3.2 离心力的产生: 物体在围绕旋转轴以角速度旋转时,即产生离心场。所以离心场 是角速度和旋转半径r 的函数,用公式表示为:
成人员伤亡。具体防护措施有:离心机构造和软件设计。
在硬件设计上:
减震:增设转动器减震装置,使离心机在高速运转时保
持平稳
加固:离心腔外加装甲钢外套,防止离心腔内物质飞浅
出来等等。
在软件设计上:
自动限速:在温度过高、真空度不够等条件下可自动限
速;
自动锁定:可以自检温度、真空、转头,如有问题自动
锁定,机器不能启动或在运行中自动停机。 自动显示:自动显示离心机所设参数和运行状态,以便 提示操作人员注意所设参数是否准确性。以便在离心机启 动之前及早发现问题。
4转头的基本参数与性能
4.1转头K因子:
转头K因子是转头的常数,它表示转头大小和转速之间的关系。出 厂时就被标定了,以表示每个转头的分离性能。用公式表示为: (rmax/rmin ) S=2.533 1011ln──── (rpm)2.T S:表示颗粒的沉降系数(单位:Sec) rmax:为转头最大半径(单位:cm) rmin:为转头最小半径(单位:cm) rpm:为转头的允许速度(单位:转/分)
T: 为时间(单位小时)
(rmax/rmin ) 令:K=2.5331011ln──── (rpm)2
K S=── T K T=── S

由此可计算出离心时间。 K 值表示沉降系数为 S 的颗粒
,在转头的最大速度下离心时,转头从小半径到大半径时
所需要的时间。
4.2转头的性能
根据构造转头的材料不同,其性能各异。
所以 rpm = 1000 RCF 11.2r
利用此公式可以进行相对离心力和转数的计算,例如:已 知 一 个 离 心 机 转 头 的 半 径 r=254mm (25.4cm), 速 度 rpm=4200, 求RCF?
根据公式 RCF = 11.2r(rpm 1000)2
RCF = 11.2 25.4 (4200 1000)2 = 5018g
1923年由瑞典化学家 Svedberg制造了第一台超速离心机, 转速可达到45000rpm。
1926年Svedberg用超速离心技术测量马血红细胞分子量,
并首次证明了蛋白质是均一的高分子化合物。
1951年Brakke推出了速率区带离心技术。
1955年Anderson研制出区带转头,并用区带离心法首次证
100000rpm。
d电机驱动:目前大多数超速离心机是使用电机驱动。电机驱动主 要有碳刷-齿轮驱动和变频电机直接驱动两种。 变频电机驱动具有噪音小、运行平稳、转速精确、寿命长等优点 。最大转速可达100000rpm以上。
3.3.2制冷系统: 由于高速离心机和超速离心机的离心速度很高,转头与空 气摩擦产生大量的热,这不但影响试样在离心时的变化, 还会导致转头受热膨胀。因此,在高速离心机和超速离心 机设计了制冷系统。制冷系统主要有由温度传感器和制冷 器组成。

重力
2.2.1重力(Fg)
Fg = 1/6d3p.g -------(1)
2.2.1介质的粘滞力(Ff): Ff = -3d.V -----------(2) 2.2.3 浮力(Fb): Fb = - 1/6d3m.g ---- (3)
d: 颗粒直径 p: 颗粒密度 g:重力加速度 980cm/sec2
二级真空系统。这种泵的真空度可达133.322 10-3pa
3.3.4光学系统:
a 转头识别:通过离心腔内的光学扫描系统,对安装的转 头进行扫并把扫描的信号与本机设定的转头比较以此识别 。 b测速:通过转头底黑白相间的花边进行测定, c沉降带检测:通过光学系统将运行中的离心状态显示出 来。
3.3.5控制系统: 控制系统是离心机的指挥中心。 a速控:包括设速、测速、控速等 设速:是在离心前设定离心时所需速度。 测速:在离心机启动后通过光电检测器测定运行的真实 速度 控速:包括提速、恒速、限速、减速等。 b温控:包括制冷启动、恒温、加温除霜
c真控:包括真空自检、真空启动、恒压、消除真空
3.3.6润滑系统: 由于超速离心机的离心速度非常高,为了尽量减少机械 摩擦,降低转动部分的温度而设计了润滑系统。
3.3.7防护系统: 安全防护是离心机设计最重要的环节,其主要作用是: a确保离心安全,采取了许多安全措施。
b在万一出现问题时,如转头爆炸、轴承断裂,不至于造
离心力: G =2 r :角速度(单位:弧度/sec.)
r:旋转力臂半径(单位:cm)
2.3.3相对离心力(RCF):
在实践中,由于电机的速度常常不以角速度 2 表示,而是以转速
rpm/min 表示, 式中的 为角速度 ( 单位:弧度 /sec), r为旋转力 臂半径(单位:cm)。由于离心机的驱动系统一般都使用电机为动力 ,而电机的速度常常是以每分钟的转数 rpm 来表示的,这可以将公 式写成
75000rpm。
b空气涡旋驱动: 该驱动装置最早是由 Pickels设计的,它是将压缩 空气推动空气涡轮带动转头转动,转头被压缩空气托起悬浮在离心 室中高速旋转。这种设计无机械摩擦,最大转速可达60000rpm。 c 磁浮驱动:该装置是利用空气涡旋推动转头旋转,待加速到预定 转速时,经磁力作用将转头悬浮于离心室中,由于离心室内处于真 空,摩擦力极小,故转头能长期自由旋转,最大转速可达 80000 -
4.2.1铝合金转头
a铝为两性金属,适合于pH6-8范围的溶液离心
b强度不高,容易加工,但也容易碰伤 c高浓度盐接触会产生结晶影响其强度 d价格便宜,使用寿命短 4.2.2不锈钢转头:
a耐腐蚀,对酸碱盐均适宜
b机械强度高,但加工难
c质量大,离心速度不高
d使用寿命长,价格较便宜
4.3.3钛合金转头: a耐腐蚀,对酸碱溶液(pH3.5-11)均适宜 b机械强度高,但加工难
1S=10-13 秒。如:某物质沉降系数是 10-12 秒,就可写成
10×10-13秒,表示为10S.
3离心机的分类与构造
3.1离心机的分类:
离心机有一系列的商品。它没有一个统一的分类标准或
规定,但大家公认的分类办法有两种:
3.1.1按离心速度或离心力分类:
低速离心机:最大转速(Vmax)为 2000-6000 rpm
3.3.3真空系统:
由于超速离心机的离心速度非常高,通过制冷系统还不足
抵消转头与空气摩擦产生大量的热,因此设计了真空系统
。根据超速离心机设计速度不同真空系统设计也有差异。
a在60000转以下的超速离心机,只使用简单的机械油泵来
抽真空。这种泵的真空度可达133.322 10-1pa
b在60000转以上的超速离心机,要使用机械油泵加油扩散
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