离心分离.doc

离心分离技术摘要：离心分离是利用不同物质之间的密度形状大小的差异，用离心力场对悬浮液中的不同颗粒进行分离和提取的物理分离分析技术，它广泛用于生物学(生物工程和生物制品等)、医学、化学、化工等领域，而其设备离心机是这些领域的必需设备。本文以离心机为起点，接着从离心分离方法、离心条件确定对离心分离技术进行了论述，最后再对我国的离心分离技术水平作出展望。关键词：离心分离 离心机 分离方法 条件确定 展望离心技术是利用物体高速旋转时产生强大的离心力，使置于旋转体中的悬浮颗粒发生沉降或漂浮，从而使某些颗粒达到浓缩或与其他颗粒分离之目的。这里的悬浮颗粒往往是指制成悬浮状态的细胞、细胞器、病毒和生物大分子等。离心机转子高速旋转时，当悬浮颗粒密度大于周围介质密度时，颗粒离开轴心方向移动，发生沉降；如果颗粒密度低于周围介质的密度时，则颗粒朝向轴心方向移动而发生漂浮。根据离心原理，离心技术又可以分为差速离心法、密度梯度离心法和等密度梯度离心法。1.离心机离心机是利用离心力，分离液体与固体颗粒或液体与液体的混合物中各组分的机械。离心机主要用于将悬浮液中的固体颗粒与液体分开；或将乳浊液中两种密度不同，又互不相溶的液体分开(例如从牛奶中分离出奶油)；它也可用于排除湿固体中的液体，例如用洗衣机甩干湿衣服；特殊的超速管式分离机还可分离不同密度的气体混合物；利用不同密度或粒度的固体颗粒在液体中沉降速度不同的特点，有的沉降离心机还可对固体颗粒按密度或粒度进行分级。 按分离因素Fr值分(分离因素Fr是指物料在离心力场中所受的离心力，与物料在重力场中所受到的重力之比值。)1、常速离心机 Fr3500（一般为6001200），这种离心机的转速较低，直径较大。 2、高速离心机 Fr=350050000，这种离心机的转速较高，一般转鼓直径较小，而长度较长。 3、超高速离心机 Fr50000，由于转速很高（50000r/min以上），所以转鼓做成细长管式。 2.离心分离方法2.1差速离心差速离心采用不同的离心速度和离心时间，使沉降速度不同的颗粒分批分离的方法称为差速离心。操作时，采用均匀的悬浮液进行离心，选择好离心力和离心时间，使大颗粒先沉降，取出上清液，在加大离心力的条件下再进行离心，分离较小的颗粒。如此多次离心，使不同大小的颗粒分批分离。差速离心所得到的沉降物含有较多杂质，需经过重新悬浮和再离心若干次，才能获得较纯的分离产物。差速离心主要用于分离大小和密度差异较大的颗粒。操作简单方便，但分离效果较差。2.2密度梯度离心密度梯度离心又称速度区带离心。密度梯度离心是指样品在密度梯度介质中进行的一种沉降速度离心。密度梯度系统是在溶剂中加入一定的梯度介质制成的。梯度介质应有足够大的溶解度，以形成所需的密度，不与分离组分反应，不会引起分离组分的凝聚、变性或失活，常用的有蔗糖、甘油等。目前使用最多的是蔗糖密度梯度系统，其梯度范围是：蔗糖浓度5%60%，密度1.021.30 g/cm3。梯度的作用是使离心液稳定以减少扩散或得到较为锋利的区带。被离心的物质根据其沉降系数不同进行分离，同类物质则因分子大的沉降速度快于分子小的物质从而得到分离。密度梯度的制备可采用梯度混合器，也可将不同浓度的蔗糖溶液，小心地一层层加入离心管中，越靠管底，浓度越高，形成阶梯梯度。离心前，把样品小心地铺放在预先制备好的密度梯度溶液的表面。离心后，不同大小、不同形状、有一定的沉降系数差异的颗粒在密度梯度溶液中形成若干条界面清晰的不连续区带如左图。各区带内的颗粒较均一，分离效果较好。在密度梯度离心过程中，区带的位置和宽度随离心时间的不同而改变。随离心时间的加长，区带会因颗粒扩散而越来越宽。为此，适当增大离心力而缩短离心时间，可减少区带扩宽。2.3等密度梯度离心等密度梯度离心又称平衡密度梯度离心。等密度梯度离心虽然也是在密度梯度介质中进行的离心，但被分离的物质是依靠他们的密度不同进行分离的。此种离心常用无机盐类制作密度梯度。氯化铯（CsCl）是最常用的离心介质，它在离心场中可自行调节形成浓度梯度并保持稳定。需要离心分离的样品可和梯度介质先均匀混合，离心开始后，梯度介质由于离心力的作用逐渐形成管底浓而管顶稀的密度梯度，与此同时，可以带动原来混合的样品颗粒也发生重新分布，到达与其自身密度相等的梯度层里，即达到等密度的位置而获得分离。 例如，DNA在等密度梯度离心过程中如左图，停留在密度梯度为1.7的位置，而RNA停止在1.9的部位，由此可见等密度梯度离心是不依赖于时间的，只要梯度不破坏，时间延长不影响分离。前述密度梯度离心法中，欲分离的颗粒未达到其等密度位置，故分离效果不如等密度梯度离心法好。3.离心条件确定离心分离的效果除了与离心机种类、离心方法等因素有关以外，实际操作时，主离心机转速和离心时间的确定、离心介质的PH值和温度等条件也至关重要。3.1. 离心机的转速离心加速度的大小取决于转子的转速和颗粒的旋转半径。在说明离心条件时，往往也用相对离心力场来表示。实际工作中，离心力场的数据是指其平均值。即是指在离心溶液中点处颗粒所受的离心力场。3.2. 离心时间离心时间依据离心方法的不同而有所差别。对于差速离心来说，是指某种颗粒完全沉降到离心管底的时间；对等密度梯度离心而言，离心时间是指颗粒完全到达等密度点的平衡时间；而密度梯度离心所需的时间则是指形成界限分明的区带的时间。对于密度梯度离心和等密度梯度离心所需的区带形成时间或平衡时间，影响因素很复杂，可通过试验后确定。颗粒的沉降时间又称澄清时间，是指颗粒从离心样品液液面完全沉降到离心管底所需的时间。沉降时间决定于颗粒沉降速度和沉降距离。3.3. 温度和PH值为了防止分离物质的凝集、变性和失活，除了在离心介质的选择方面加以注意外，还必须控制好温度及介质溶液的PH值等离心条件。离心温度一般控制在4度左右，对于某些热稳定性较好的酶等，离心也可在室温下进行。但在超速或高速离心时，转子高速旋转会发热从而引起温度升高。故必须采用冷冻系统，使温度保持在一定范围内。离心介质溶液的PH值应该是处于酶稳定的PH范围内，必要时可采用缓冲液。另外，过酸或过碱还可能引起转子和离心机的其他部件的腐蚀，应尽量避免。4.工业离心机4.1历史与发展中国古代，人们用绳索的一端系住陶罐，手握绳索的另一端，旋转甩动陶罐，产生离心力挤压出陶罐中蜂蜜，这就是离心分离原理的早期应用。 工业离心机诞生于欧洲，比如19世纪中叶，先后出现纺织品脱水用的三足式离心机，和制糖厂分离结晶砂糖用的上悬式离心机。这些最早的离心机都是间歇操作和人工排渣的。 由于卸渣机构的改进，20世纪30年代出现了连续操作的离心机，间歇操作离心机也因实现了自动控制而得到发展。 4.2分类及选择离心机大量应用于化工、石油、食品、制药、选矿、煤炭、水处理和船舶等部门。4.2.1按分离因素Fr值分，可将离心机分为以下几种型式： 常速离心机：Fr3500（一般为6001200），这种离心机的转速较低，直径较大；高速离心机：Fr=350050000，这种离心机的转速较高，一般转鼓直径较小，而长度较长；超高速离心机：Fr50000，由于转速很高（50000r/min以上），所以转鼓做成细长管式。 分离因素Fr是指物料在离心力场中所受的离心力，与物料在重力场中所受到的重力之比值。 4.2.2按操作方式分，可将离心机分为以下型式： 1、间隙式离心机 其加料、分离、洗涤和卸渣等过程都是间隙操作，并采用人工、重力或机械方法卸渣，如三足式和上悬式离心机。 2、连续式离心机 其进料、分离、洗涤和卸渣等过程，有间隙自动进行和连续自动进行两种。 4.2.3按卸渣方式分，可将离心机分为一下型式： 1、刮刀卸料离心机 工序间接，操作自动。 2、活塞推料离心机 工序半连续，操作自动。 3、螺旋卸料离心机 工序连续，操作自动。 4、离心力卸料离心机 工序连续，操作自动。 5、振动卸料离心机 工序连续，操作自动。 6、颠动卸料离心机 工序连续，操作自动。 4.2.3按工艺用途，可将离心机分为：过滤式离心机、沉降式离心机。 4.2.4按安装的方式分，还可将其分为立式、卧式、倾斜式、上悬式和三足式等。 4.2.5按国家标准与市场使用份额分为以下四种 1、 三足式离心机 2、卧式螺旋离心机 3、碟片式分离机 4、管式分离机 4.3工业用四大离心机及图片 台式低速大容量离心机（转速5000 r/min）卧螺离心机（转速2500-6000r/min） 碟式分离机（转速4000-10000r/min） 管式高速分离机（转速13000-30000r/min） 4.4选购与管理离心机的型号、种类繁多，价格比较贵，选购时应根据工作多方衡量。通常应从下边几个因素考虑： （1） 离心的目的，分析离心还是制备离心； （2） 样品的种类和数量，是细胞、病毒，还是蛋白，样品量的大小。根据这些因素决定购买分析离心机还是制备离心机；是低速、高速还是超速；是大容量、常量的还是微量的离心机。 （3） 经济能力：当机型确定后就应考虑生产厂家及价格，价格和产品的性能是同步的。 （4） 其他细节：如离心操作是否简便，维修是否方便，设计是否已过时，易损件供应是否方便等问题。 （5） 配套问题：一台离心机不可能同时在低速，高速和超速条件下运行。一般讲超速离心机只限于超速离心，不宜于做高速离心更不宜于做低速离心，同样高速离心机也不宜于低速离心。因此买超速离心机要考虑配备高速离心机，否则发挥不了优势。一般说低速、高速的使用频率较高，而超速离心机的利用率较低，超速离心机仅经常使用的实验室购置或考虑地区性的公用设置。 离心机的型号确定后，就是选购什么样的离心转头。考虑的最主要的根据就是样品的容量及离心的条件。通常有水平转头和角转头各一个，或大容量（相对较低速）的转头和小容量高转速的转头各一个即可满足工作中的不同需要，不可追求越全越好，因为离心转头种类很多，许多是相似的，而超速机的转头价格相当昂贵，如果全部配齐其价格要比离心机主机高出好几倍，也没有必要。由于转头转速的不同价格相差很大。从转速上讲不宜追求越高越好，但应有离心机允许的最高转速的转头，否则对离心机而言是个浪费。有两台离心机的单位可考虑转头型号互补以节省经费。 4.5离心机的管理从国内多年离心机的使用情况看，各类型离心机应由专人负责管理和维护。高、超速离心机要求定期检查维修，使用者应详细记录实验状态及维修情况，以保证离心机的安全使用。高、低速离心机由于操作简单，通过阅读说明书，训练离心机操作规程后可以自己使用。而超速离心机结构复杂，工作程序也较繁琐，使用不当易发生事故，特别对离心转头更应谨慎保养、使用。从国内多年使用、管理情况来看，专人保管、操作是仪器处于良好状态的保证。对管理、操作人员应进行培训，使他们不但熟悉操作，而且对仪器也应有所了解。5.展望在现代工业中,离心分离技术已越来越重要。这不仅由于离心机和其它分离机械相比，可得到含湿量低的固相和高纯度的液相，而且具有减轻劳动强度、改善劳动条件，并具有连续运转、自动遥控、占地面积小等优点。特别是随着能源、环保和生物医药工程的发展，以及人们对装备对品质的影响有了新的认识。同时，通过国外技术交流和合作以及成套项目的引进、消化与吸收，促进了我国离心分离技术的迅速发展。尽管我国的离心分离设备有了很大进展