5 生物分离工程 离心分离

对于生化溶质来说，可以满足Re＜l的要求，所以：
当粒子以匀速运动沉降时，Fg=Ff，故最终匀速沉降速率为：
从上式可知，最终沉降速率与粒子直径的平方成正比，与粒子 和流体的密度差成正比，而与流体的粘度成反比；也就是说粒 子的沉降速度仅仅是液体性质及粒子本身特性的函数。
如果粒子在离心力场中沉降，则重力加速度g应换成离心加 速度ω2r ，即： 式中 ω 为旋转角速度(rad/s)，r为粒子离转轴中心的距离。 上式是离心沉降的基本公式，从式中可知沉降速度与ω 的二 次方成正比，因此只要根据要求改变或提高ω ，使粒子作快 速旋转，就可获得比重力沉降或过滤时高得多的分离效果。 可用离心分离因数Fr，(又称离心力强度)来定量评价：
离心分离形式
①离心沉降：利用固液两相的相对密度差进 行悬浮液分离的操作。 ②离心过滤：利用离心力并通过过滤介质进 行悬浮液分离的操作。 ③离心分离和超离心：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。
5.1 离心沉降
5.1.1 离心沉降的原理
离心沉降，指当悬浮液静置时，密度较大的固体颗 粒在重力的作用下逐渐下沉。当固体粒子在无限连 续流体中沉降时，受到两种力的作用，一种是连续 流体对它的浮力，另一种是流体对运动粒子的粘滞 力。当这两种力达到平衡时，固体粒子将保持匀速 运动。
卧式螺旋沉降离心机(卧式螺旋卸料沉 降离心过滤)
5.2.3 离心过滤的计算
（1）Grace方程
（2）Storrow方程
5.3 离心机的选用
根据经验
Baidu Nhomakorabea
5.4 离心机在生物工业中的应用
在生物工业中离心机通常用来处理液相粘度在 1～2mPa.s，固－液密度差为≤0.1g/ml和粒子 大小为0.5～100μm的悬浮液，其中的固形物， 例如细胞碎片、絮凝废水的细菌和蛋白质沉淀， 大多是形状不规则、性软、易碎的物质。被加 工的物质，例如酶可能是热和氧敏感的。 如当蛋白质纯化需采用色层分离纯化步骤时， 则常常要求离心操作能提供澄清的上清液。
离心分离是除过滤之外的另一种非常有效的 固-液分离方法。 它是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。
优点：离心分离对那些固体颗粒很小或液体 粘度很大，过滤速率很慢，甚至难以过滤的 悬浮液的分离十分有效，对那些忌用助滤剂 或助滤剂使用无效的悬浮液的分离也能得到 满意的结果。 缺点：分离得到的是浆状物而不是干的滤饼， 另外，离心设备复杂，价格昂贵。 （沉降分离是不彻底的分离）
（2） 碟片式离心机（略）
（3） 卧螺式离心机（略）
5.2 离心过滤
5.2.1 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。兼有离心和过滤的 双重作用。 操作时，以离心力作为推动力，在具有过滤 介质的有孔转鼓中加入悬浮液，固体粒子截 留在过滤介质上，液体穿过滤饼层而流出， 最后完成滤液和滤饼分离的过滤操作。
特点
•结构稳定， •可装载较多的样品 •使用较高的转速。 •加速或减速时，对样品有搅动。
(2)瓶式离心机
瓶式离心机又称平抛式离心机，是一类结构简 单的实验室常用的低中速离心机，转速一般在 3000-6000rpm。 离心管，静止时垂直挂在转头上，旋转时随着 转子转动，从垂直悬吊上升到水平位置（约200800rpm）。
式1 式2 为了获得粒子在离心机中的运动轨迹，将式1除以式2，则得到：
式3 从上式可知，若μg很大，粒子将迅速到达管壁，凡是沉降到 管壁的粒子才有可能被除去；而当Q 很大时，粒子就很难到 达管壁，不易除去。
系统内的粒子很多，在生产上关注的是那些难以除去的粒子， 即指那些在r＝R1处进入离心机,及在出口旁，即z≈ H处，接近 筒壁(r=R0)的粒子。即:最难分离的粒子在入口：Z=0，r= R1; 在出口：Z=H, r =R0。对这些难以去除的粒子，按进入和离开 的边界条件将式3进行积分得: 上式给出了粒子在离心机 中获得分离时最大流速与粒子 性质(μg)和离心机特性(H、R0、R1及ω )的函数关系，如果超 过这一流量，粒子会在未到达筒壁时便由筒的上端溢出，而 不能除去。 在大多数管式离心机中，由于液层很薄，所以R0接近于 R1，因此上式可简化如下：
对直径为d的球形粒子(大多数生化分离上处理的对象都可 以看成为球形粒子)，作用在它上面的浮力Fg可以表示为：
d为粒子直径；ρ 0和ρ 分别为粒子和流体的密度；g为重力 加速度,V为粒子体积。
根据Stockes定律，悬浮在介质中的球形粒子所受的粘滞力 Fi可表示为：
式中 μ为连续流体的粘度；u为粒子的运动速度；CD为阻滞 系数；A为粒子在运动方向上的投影面积。其中CD不是常数， 它取决于雷诺数Re的变化,对于球形粒子，根据实验得知：
碟片式离心机类型
人工排渣的碟片离心机（间歇式） 碟片上不开孔，只有一个清液排出口。沉积在转鼓内壁上 的沉渣，间歇排出。只适用于固体颗粒含量很少的悬浮液。 喷嘴排渣的碟片离心机（连续式） 当固体颗粒含量较多时，可采用具有喷嘴排渣的碟式离 心沉降机。在有特殊形状内壁的转鼓壁上开设若干喷嘴
图5.3 碟式分离机转鼓及物料流动示意图
Tubular bowl
管式离心机特点：
结构简单，可提供较大离心力，转速高，离心力强 度高达15000-65000。 管状离心机可以冷却，有利蛋白质分离 间歇操作，须定时拆卸、清洗 适用于于分离乳浊液及含细颗粒的稀悬浮液，适用 于固含量低于1%，颗粒度小于5微米，黏度大的悬浮 液澄清或固液两相密度差较小的分离。
5.2.2 离心过滤设备
（1）间歇式离心过滤机
间歇式离心过滤机通常在减速的情况下由刮 刀卸料，或者停机抽出转鼓套筒或滤布进行 卸料。
实验室用过滤离心机
SGZ型三足式刮刀卸料自动离心机
（2）连续式离心过滤机
连续式离心过滤机常见的有活塞推料和振动 卸料两种方法。 ①活塞推料式离心机借助活塞的往返运动带 动推料盘进行脉动式卸料。
（5）碟片式离心机disk-bowl centrifuge
是在管式离心机的基础上发展起来的，在转鼓中 加入了许多重迭的碟片，缩短了颗粒的沉降距离， 提高了分离效率。 是生物工业中应用最为广泛的一种离心机 有一个密封的转鼓，内装十至上百 个锥顶角为60~100゜锥形碟片。 碟片间的距离一般为0.5-2.5mm， 与被分离物料的性质有关。
碟片式离心机工作原理
当悬浮液在动压头的作用下，经中 心管流入高速旋转的碟片之间的间 隙时，便产生了惯性离心力， 其中密度较大的固体颗粒在离心力 作用下向上层碟片的下表面运动， 而后在离心力作用下被向外甩出， 沿碟片下表面向转子外围下滑， 而液体则由于密度小，在后续液体 的推动下沿着碟片的隙道向转子中 心流动，然后沿中心轴上升，从套 管中排出，达到分离的目的
管式离心机工作原理
待处理的物料在一定压力（3×104 Pa左右）下 由进料管经底部空心轴进入鼓内， 靠挡板分布于鼓的四周，并使料液迅速达到与 转鼓相同的角速度。 转鼓带动物料高速旋转，在离心力下，悬浮液 沿转鼓内壁向上流动的，料液在离心力场的作 用下因其密度差的存在而分离。 澄清后的液相流动到转鼓上部的排液口排出。 比重大的固体微粒逐渐沉积在转鼓内壁形成 沉渣层，达到一定数量后，停机人工清除。
图4.7 管式离心机工 作示意图
式中：Q为料液流量，上式意味着忽略 在z方向上重力场的影响，实际上，由 于管式离心机的高转速，重力作用确实 是可以忽略的。z方向上的运动速度随 Q的增加而加大，而与粒子所处位置无 关，因此它是常数。
粒子在r-axis 上的移动速度可表示为：
已知粒子在重力场中的沉降速率为： 结合上两式，可得到：
碟片式离心机在应用中是受欢迎的设备，它 们备有密封和蒸汽－灭菌等多种型式，配有 温度控制，并且有些型号能在物料流量达 2000L/h下，回收尺寸为0.5μm 的粒子。
（6）螺旋式离心机scroll-type
centrifuge
•连续操作的沉降设备，转鼓内有可旋转的螺旋输 送器，其转数比转鼓的转数稍低。 •螺旋式离心机有立式和卧式两种，其中后者又称 卧螺机，是用的较多的一种。
螺旋式离心机工作原理


转鼓与螺旋以一定差速同向高速旋转，悬浮液通过螺旋输送 器的空心轴进入机内中部，由进料管连续引入螺旋内筒，加 速后进入转鼓。 在离心力场作用下，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。
优点：
瓶式离心机颗粒在水平转子中的沉降是沿管子 轴向移动，样品便于收集。 受振动和变速搅乱后对流现象小，
缺点：
但转头结构复杂，最高转速相对要低 容量也小一些。
平抛式离心机转子
（３）管式离心机
（tubular-bowl centrifuge）
管式离心机：分为液-液分离 的连续式管式离心机和液-固 分离的间歇式管式离心机。 管式离心机具有一个细长而高 速旋转的转鼓， 转鼓内装有纵向平板， 其下部有进料口。上部有重液 液相出口。
Fr表示了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。
5.1.2 离心沉降的设备
根据其离心力大小，可分为低速离心机、 高速离心机和超离心机。生化分离用离心机 一般为冷却式，可在低温下操作，称为冷冻 离心机。
离心机的种类与用途
按离心机的作用方式：
斜角式 平抛式 管式 蝶式 螺旋式 多室
（4）多室式离心机multichamber centrifuge
多室式离心机的转鼓内有若干同心 圆筒组成的环状分离室。 加长了被分离液体的流程，使液层 减薄，增加了沉降面积，减少了沉 降距离。 同时还有粒度筛分的作用，悬浮液 中的粗颗粒沉降到靠近内部的分离 室壁上，细颗粒则沉降到靠近外部 的室壁上，澄清的分离液经溢流排 出。 常用于抗菌素液－液萃取分离，果 汁和酒类饮料的澄清等。
（1）斜角式离心机
是一类结构最简单的实验室常用离心机， 指离心管腔与转轴成一定倾角的转子； 角度越大，沉降越结实，分离效果越好， 角度越小，颗粒沉降距离短，沉降速度快，但分离效果差。 颗粒在角转子中沉降时，先沿离心 力方向撞向离心管，然后再沿管壁 滑向管底，因此管的一侧会出现颗 粒沉积。
卧式螺旋离心机
卧式螺旋卸料沉降离心机
螺旋式特点




卧螺机是一种全速旋转，连续进料，分离和卸 料的离心机。 最大离心力强度可达6000 操作温度可达300℃ 操作压力一般为常压 常用于胰岛素，细胞色素，胰酶的分离等。
5.1.3 离心沉降的计算
（1）管式离心机 假设某典型粒子位于距离心机底部z及离转轴r处的位置上。这 一位置是在液体表面半径R1和离心管半径R0之间。粒子在运转 的离心机中沿着z和r两个方向运动，其中在z方向上的运动,是 由离心机底部进入料液的对流作用引起的，粒子在Z-axis 上的 移动速度：
图5.4 喷嘴排渣碟式离心机
活门（活塞）排渣的碟片离心机 这种离心机利用活门启闭排渣孔 进行断续自动排渣。 操作时，由位于转鼓底部的环板 状活门的上下移动来控制排渣。
图5.5 环阀(活塞)排渣碟式 分离机示意因
活门（活塞）排渣的喷嘴碟片离心机 这是近年来开发的机型，它和相同直径的活塞机相 似，其速度可增加23%~30%，故可使分离因素 达15000 左右，可用于酶制剂，疫苗和胰岛素等生 产中分离物的澄清。
②振动卸料式离心机是利用离心 力和轴向激振力等的综合作用进 行固液分离的。筛篮内的物料在 离心力作用下脱水，在轴向激振 力作用下由小端向大端脉动性地 移动。脱水后的物料从筛篮大端 落人卸料室，进人排料槽， 离 心液则由机壳收集，由排出室排 出。
③连续沉降-过滤式螺旋卸料离心机是利用 离心沉降原理进行固液分离，固体通过螺旋 推料器上的叶片推至转鼓小端排渣口排出， 液相则通过转鼓大端的溢流孔溢出。如此不 断循环，以达到连续分离的目的。