离心分离在下游加工技术中的应用.doc

离心分离在下游加工中的应用摘要：离心是工业生产中广泛使用的一种固液分离手段，它在生物工业中的应用也十分普遍，是分离非均相系统最常用的技术手段。由离心分离的影响因素我们可以通过适当的选择离心的类型进行发酵液的分离。与常规过滤相比，离心分离具有分离速度快、效率高、操作时卫生条件好等优点，适合于大规模的分离过程。但离心分离的设备投资费用高，能耗较大1。关键词：离心分离，离心方法，分离原理，应用1 离心分离的定义及原理 离心分离是借助于离心机旋转所产生的离心力的作用，促使不同大小，不同密度的粒子分离的技术1。离心分离的原理是利用悬浮粒子与周围溶液间存在密度差进行的，高密度相在离心加速的作用下从低密度相中沉降下来或利用份分离物的沉降系数、质量及浮力等因子的不同使物质进行分离的。 在离心力场中，不同的颗粒沉降速度不同。由离心分离基本原理，可以导出一定介质中，颗粒沉降（或漂浮）速度UP的公式为： （1-1）式（1-1）中d为颗粒的直径；为颗粒的密度；为液体介质的密度；为旋转角速度；r为离心机转轴中心到颗粒中心距离；为液体介质黏度。2 离心沉降效率的影响因素 由式（1-1）可知，增大离心力（）可提高沉降速度，对沉降速度小的颗粒，提高转速是有效的方法。在特定的离心场中，颗粒沉降速度还与如下因素有关：与颗粒的直径有关，大颗粒容易沉降；与颗粒密度和介质密度之差（）成正比，不同密度颗粒沉降速度不同；随介质黏度增大而减小1。3 离心分离的设备 离心分离的设备离心机常以其转速来分类。因为对一定的离心转子，在一定的转速下，其相对离心加速度（RCF）是一定的，它是离心分离能力的主要指标2。常用的离心机主要分为低速离心机、高速离心机和超高速离心机。 低速离心机的转速在8000r/min以下，产生的离心加速度在10000g以下，主要用于分离细胞、细胞碎片及培养基残渣等。高速离心机转速为1000025000r/min，离心加速度在10000100000g之间，主要用于分离各种沉淀物。细胞碎片和较大的细胞器等。超高速离心机转速为25000150000r/min，离心加速度在1000001000000g之间2，常用于生物大分子、细胞器和病毒的分离纯化。4 离心方法 离心分离常用的方法主要有差速离心、等密度梯度离心、速率区带密度梯度离心、平衡等密度梯度离心、区带离心、连续流离心、离心淘洗等方法3。4.1 差速离心法差速离心指分步改变离心转速或高速与低速离心交替进行，选用大小不同的离心力使具有不同质量、不同沉降系数的微小颗粒（粒子或大分子）从混合的悬浮液中分批沉降而进行分离的方法。该方法适用于在悬浮液中的样品颗粒之间重量存在较大差别，更准确的说是沉降系数的差别在一个到几个数量级的混合样品的分离。重量或沉降系数值的差别越大，分离效果越好3。差速离心一般采用角转子。在离心开始的时候，所有颗粒都均匀地分布在整个离心管中，离心期间各种颗粒以不同速度向管底沉降，经过一定时间后，最重的或沉降系数最大的颗粒全部沉到管底，得到不含这种颗粒的上清液。将上清液进一步以更高转速离心一段时间，又可得到次轻的颗粒，逐次增加离心转速就可以分步得到不同质量、不同沉降系数的颗粒样品，达到分离的目标。差速离心常用来分离各种亚细胞器及粗提核酸、蛋白质。其优点是操作简单，但分离精度并不高4。4.2 密度梯度离心使用密度梯度介质来对样品颗粒进行离心分离、提取、纯化的方法称为密度梯度离心。密度梯度离心法目前已经成为了生物大分子、有机大分子、亚细胞、病毒、蛋白质、核酸等生物研究技术中不可缺失的有力工具3。密度梯度离心比差速离心的分辨率高。一般差速离心只能分离样品颗粒沉降系数差别在10倍以上的颗粒。而密度梯度离心不仅可以依据样品颗粒质量大小和s值的差别分离，还可以利用样品颗粒的密度，颗粒的形状来进行分离沉降系数相差10%-20%的颗粒或者颗粒密度差小于0.01mg的组分分离。根据梯度介质的浓度和颗粒在其中的沉降行为，密度梯度离心法又分为速率区带离心与等密度梯度离心。4.2.1速率区带密度梯度离心法速率区带离心是把样品置于预先铺着好的，密度变化较为平缓的介质梯度上离心， 该梯度的最大密度低于混合物样品颗粒的最小颗粒密度，样品颗粒在离心中按照各自不同的沉降速度沉降，经过一定时间离心后不同大小的颗粒沉降在不同的层次区域上从而互相分离，这种方法对分离密度相差不大，但重量和大小有较大区别的样品颗粒十分有利，这种方法中梯度介质的主要作用是稳定分离液柱，防止对流产生，常在甩开转子、区带转子等转子中使用。在离心过程中最重的颗粒跑得最快，在最底层，次之的跟随其后，轻的颗粒在最上层，为了使颗粒不会跑到离心管底形成沉淀，在运行一段时间后就需要停机，为了防止大的颗粒沉到管底，可以预先在管底加一层高密度垫子。一般速率区带离心时间也较短，速率区带介质一般使用蔗糖、甘油等，梯度密度范围哎5%-30%之间。4.2.2 等密度离心法 在等密度梯度离心方法中，样品是被置于一个较陡峭的密度梯度中沉降。该梯度的最大密度大于样品混合物颗粒的最大密度，最小密度低于混合物颗粒的最小密度。当其中各种样品颗粒沿梯度运动达到与各自颗粒福利密度相同的密度处时就停止移动，形成按浮力密度不同而分布的样品区带。由于这种离心是将样品颗粒沉降到梯度介质中与浮力密度相等的密度梯度区，故称为等密度离心。 等密度梯度离心又分为自形成平衡等密度梯度离心和预成形等密度梯度离心。4.3 分析离心分析离心是使用装有紫外吸收光系统、干涉光系统、Schlieren光系统的超速离心机。通过照相、光电扫描记录、计算机软件分析离心的大分子物理化学特性。4.4 区带离心区带离心是使用区带转子的离心方法。典型的区带转子是一个中空的钵体或圆柱体，分上、下两部分，可以方便打开清洗、保养。它省去了使用离心管，大大增加了使用面积。转子中心是轴心组与隔板，隔板把转子内腔体分成几个区域，可以减少涡流、稳定梯度液。通过轴心组与隔板可以把梯度介质液泵入转子。区带转子又分为重定向、非定向、连续流转子等。4.5 其它离心方法 其它离心分离方法包括沉淀离心法、淘洗离心法、连续流离心法以及土壤离心等。5 讨论 在下游加工技术中，离心分离技术有着自身的优缺点。离心操作可以缩短停留时间，这是处理某些不稳定的生物活性产品时需要考虑的一个重要因素。另一方面，离心操作过程中会产生热量，使生物制品特别是那些热敏性产品的结构遭到破坏。为了便于固态产品的回收，对于进入离心机前的产品通常进行预处理以除去污染物（如助滤剂等）。但是没有这个附加操作，离心过程仍然可以方便地分离那些对于过滤过程而言难以分离的悬浮液。工业离心机装置结构相对紧凑，可以连续操作，准备和启动时间相对较短，容易实现自动化。离心操作时必须防止气溶胶的产生。离心分离的操作费用通常相对较低，但是设备本身的价格和维护费用却很昂贵5。另外，各类离心方法都有各自的应用范围及优缺点。例如，差速离心常用来分离各种亚细胞器及粗提核酸、蛋白质。其优点是操作简单，但分离精度并不高。而密度梯度离心法常用于分离生物大分子、有机大分子、亚细胞、病毒、蛋白质、核酸等，其分辨率要高于差速离心法。但在具体的分离纯化过程中，有时候需要结合各类离心分离方法依次使用。例如，各种动、植物细胞的亚细胞器及病毒、生物大分子等的提取和纯化通常首先要经过差速离心分离，然后再进一步使用密度梯度离心分离方法，就可以作为进一步电镜观测、鉴别、离心分析、理化测试与其它分析研究的生物样品3。参考文献1 余俊棠等.新编生物工艺学（下册）.北京：化学工