第二章細(xì)胞分離與破碎2(0)

1、生科院生科院 生物工程系生物工程系 2022-3-15Bioseparation Engineering侯志敏侯志敏細(xì)胞分離與破碎細(xì)胞分離與破碎1. 發(fā)酵液預(yù)處理發(fā)酵液預(yù)處理2.細(xì)胞分離細(xì)胞分離3.細(xì)胞破碎細(xì)胞破碎 第一節(jié)第一節(jié) 發(fā)酵液預(yù)處理發(fā)酵液預(yù)處理2022-3-155一、發(fā)酵液的一般特性一、發(fā)酵液的一般特性二、發(fā)酵液預(yù)處理的目的和要求二、發(fā)酵液預(yù)處理的目的和要求三、發(fā)酵液預(yù)處理的方法三、發(fā)酵液預(yù)處理的方法2022-3-156一、發(fā)酵液的一般特性一、發(fā)酵液的一般特性 水分含量高（水分含量高（90-99%90-99%） 產(chǎn)物濃度低（產(chǎn)物濃度低（10%10%） 發(fā)酵液黏度大，不易過濾發(fā)酵液黏度

2、大，不易過濾 殘留培養(yǎng)基成分殘留培養(yǎng)基成分 含有發(fā)酵代謝副產(chǎn)物含有發(fā)酵代謝副產(chǎn)物 發(fā)酵液含有色素、毒性物質(zhì)和熱源物質(zhì)等有機(jī)雜質(zhì)發(fā)酵液含有色素、毒性物質(zhì)和熱源物質(zhì)等有機(jī)雜質(zhì)2022-3-157二、發(fā)酵液預(yù)處理的目的和要求二、發(fā)酵液預(yù)處理的目的和要求（一）目的（一）目的 改變發(fā)酵液特性，加速固液分離改變發(fā)酵液特性，加速固液分離 富集分離產(chǎn)物于固相（或液相）富集分離產(chǎn)物于固相（或液相） 去除部分雜質(zhì)，減少后續(xù)分離負(fù)荷去除部分雜質(zhì)，減少后續(xù)分離負(fù)荷2022-3-158（二）要求（二）要求 菌體分離菌體分離 發(fā)酵懸浮物的去除發(fā)酵懸浮物的去除 固液懸浮物的去除固液懸浮物的去除 蛋白質(zhì)的去除蛋白質(zhì)的去除 重

3、金屬離子的去除重金屬離子的去除 色素、毒物和熱源物等有機(jī)質(zhì)的去除色素、毒物和熱源物等有機(jī)質(zhì)的去除 改變發(fā)酵液特性，利于后續(xù)分離工作改變發(fā)酵液特性，利于后續(xù)分離工作 調(diào)節(jié)適宜的調(diào)節(jié)適宜的pH值和溫度值和溫度楊白勞是怎么死的楊白勞是怎么死的?2022-3-1510鹵水點(diǎn)豆腐鹵水點(diǎn)豆腐凝聚原理凝聚原理 黃豆里的蛋白質(zhì)團(tuán)粒被水簇?fù)碇煌５剡\(yùn)動(dòng)，聚不到一塊黃豆里的蛋白質(zhì)團(tuán)粒被水簇?fù)碇煌５剡\(yùn)動(dòng)，聚不到一塊兒，形成了兒，形成了“膠體膠體”溶液。點(diǎn)鹵用鹽鹵或石膏，鹽鹵主要含溶液。點(diǎn)鹵用鹽鹵或石膏，鹽鹵主要含氯化鎂，石膏是硫酸鈣，它們能使分散的蛋白質(zhì)團(tuán)粒很快氯化鎂，石膏是硫酸鈣，它們能使分散的蛋白質(zhì)團(tuán)粒很快地

4、聚集到一塊兒，成了白花花的豆腐腦地聚集到一塊兒，成了白花花的豆腐腦。 2022-3-1511三、發(fā)酵液預(yù)處理的方法三、發(fā)酵液預(yù)處理的方法（一）凝集和絮凝方法（一）凝集和絮凝方法1、凝集、凝集 在在凝聚劑凝聚劑的作用下，使發(fā)酵液中的膠體脫穩(wěn)并使的作用下，使發(fā)酵液中的膠體脫穩(wěn)并使粒子粒子相互凝聚為相互凝聚為1mm大小塊狀大小塊狀絮凝體絮凝體的過程。的過程。 本質(zhì)：對(duì)初始粒子表面電荷的中和、消除離子表本質(zhì)：對(duì)初始粒子表面電荷的中和、消除離子表面穩(wěn)定的面穩(wěn)定的雙電荷層雙電荷層。2022-3-1512膠體雙電子層的結(jié)構(gòu) +電荷密度電荷密度+吸附層吸附層擴(kuò)散層擴(kuò)散層距固體表面的距離距固體表面的距離正電荷分

5、布正電荷分布負(fù)電荷分布負(fù)電荷分布2022-3-1513破壞雙電荷層的方法 加入具有相反電性的加入具有相反電性的電解質(zhì)電解質(zhì)，中和膠粒電性，降，中和膠粒電性，降低雙電子層的排斥力，導(dǎo)致膠粒的相互碰撞。低雙電子層的排斥力，導(dǎo)致膠粒的相互碰撞。 另外，由于電解質(zhì)在水中的水化作用，會(huì)破壞膠另外，由于電解質(zhì)在水中的水化作用，會(huì)破壞膠粒周圍的水化層，促使膠粒碰撞、聚集、沉降。粒周圍的水化層，促使膠粒碰撞、聚集、沉降。凝聚劑種類凝聚劑種類： 硫酸鋁硫酸鋁Al2(SO4)318H2O(明礬明礬)、 氯化鋁氯化鋁AlCl36H2O、三氯化鐵、三氯化鐵FeCl36H2O、硫酸、硫酸亞亞鐵FeSO47H2O、石灰、

6、石灰、ZnSO4、MgCO3等。等。 機(jī)理機(jī)理：A、破壞雙電層，、破壞雙電層，B、水解后膠體吸附，、水解后膠體吸附，C、氫鍵結(jié)合等氫鍵結(jié)合等。2022-3-1515（一）凝集和絮凝方法（一）凝集和絮凝方法2、絮凝、絮凝 在高分子在高分子絮凝劑絮凝劑的作用下，通過的作用下，通過橋架作用橋架作用使使粒子相互作用形成較大的粒子相互作用形成較大的絮凝團(tuán)絮凝團(tuán)的過程。的過程。 本質(zhì)：懸浮粒子與絮凝劑之間的橋架作用本質(zhì)：懸浮粒子與絮凝劑之間的橋架作用。2022-3-1516絮凝現(xiàn)象與原理絮凝現(xiàn)象與原理絮凝劑絮凝劑菌體細(xì)菌體細(xì)胞胞廢水處理廢水處理 絮凝劑絮凝劑是一種能溶于水的高分子聚合物，具是一種能溶于水的

7、高分子聚合物，具長鏈狀結(jié)構(gòu)，其鏈上含有許多活性功能團(tuán)，長鏈狀結(jié)構(gòu)，其鏈上含有許多活性功能團(tuán)，包括帶電荷的離子基團(tuán)和不帶電荷的非離子包括帶電荷的離子基團(tuán)和不帶電荷的非離子型基團(tuán)。型基團(tuán)。絮凝劑種類絮凝劑種類： 有機(jī)高分子聚合物，如聚丙烯酰胺類衍生物、聚苯有機(jī)高分子聚合物，如聚丙烯酰胺類衍生物、聚苯乙烯類衍生物；乙烯類衍生物；無機(jī)高分子聚合物，如聚合鋁鹽、聚合鐵鹽等；無機(jī)高分子聚合物，如聚合鋁鹽、聚合鐵鹽等；天然有機(jī)高分子絮凝劑，如聚糖類膠粘物、海藻酸天然有機(jī)高分子絮凝劑，如聚糖類膠粘物、海藻酸鈉、明膠、骨膠、殼多糖等。鈉、明膠、骨膠、殼多糖等。 機(jī)理機(jī)理：絮凝劑主要起絮凝劑主要起中和電荷、橋架和

8、網(wǎng)中和電荷、橋架和網(wǎng)絡(luò)絡(luò)作用作用2022-3-1519復(fù)合型生物絮凝劑復(fù)合型生物絮凝劑凝聚和絮凝是兩種方法，兩個(gè)概念。凝聚和絮凝是兩種方法，兩個(gè)概念。 凝聚凝聚：投加的化學(xué)物質(zhì)（鋁、鐵的鹽類或投加的化學(xué)物質(zhì)（鋁、鐵的鹽類或石灰等）石灰等）中和膠體的電荷中和膠體的電荷，使粒子相互聚集成，使粒子相互聚集成mmmm 大小塊狀凝聚體的過程。大小塊狀凝聚體的過程。 絮凝絮凝：使用絮凝劑（天然的和合成的大分子使用絮凝劑（天然的和合成的大分子量聚電解質(zhì)）將膠體粒子交聯(lián)成網(wǎng)，形成量聚電解質(zhì)）將膠體粒子交聯(lián)成網(wǎng)，形成10mm10mm大大小絮凝團(tuán)的過程。其中絮凝劑小絮凝團(tuán)的過程。其中絮凝劑主要起架橋作用主要起架橋

9、作用。 凝聚：膠體粒子凝聚：膠體粒子(10-100nm)(10-100nm)中性鹽促進(jìn)下脫中性鹽促進(jìn)下脫穩(wěn)相互聚集成大粒子（穩(wěn)相互聚集成大粒子（1mm1mm） 機(jī)理：機(jī)理：a a 中和粒子表面電荷中和粒子表面電荷 b b 消除雙電層結(jié)構(gòu)消除雙電層結(jié)構(gòu) 絮凝：大分子聚電解質(zhì)將膠體粒子交聯(lián)成網(wǎng)狀，絮凝：大分子聚電解質(zhì)將膠體粒子交聯(lián)成網(wǎng)狀，形成絮凝團(tuán)的過程形成絮凝團(tuán)的過程 機(jī)理：架橋作用機(jī)理：架橋作用 凝聚和絮凝技術(shù)能有效的改變細(xì)胞菌體和蛋白凝聚和絮凝技術(shù)能有效的改變細(xì)胞菌體和蛋白質(zhì)等膠體粒子的質(zhì)等膠體粒子的分散狀態(tài)分散狀態(tài), ,使其聚集起來使其聚集起來, ,增大體積增大體積以便固液分離以便固液分離

10、, ,常用于菌體細(xì)小常用于菌體細(xì)小而且黏度大的發(fā)酵液的預(yù)處理中而且黏度大的發(fā)酵液的預(yù)處理中. .2022-3-1523（二）加熱法（二）加熱法前提：產(chǎn)物的熱穩(wěn)定性高前提：產(chǎn)物的熱穩(wěn)定性高目的：降低發(fā)酵液黏度目的：降低發(fā)酵液黏度 加速凝聚作用加速凝聚作用 除去熱變性蛋白除去熱變性蛋白 破壞凝膠狀膠體穩(wěn)定性破壞凝膠狀膠體穩(wěn)定性 增加濾餅空隙率增加濾餅空隙率2022-3-1524（三）調(diào)節(jié)（三）調(diào)節(jié)pH值法值法 促進(jìn)絮凝和凝聚作用促進(jìn)絮凝和凝聚作用 釋放或穩(wěn)定產(chǎn)物，防止其氧化、變性或沉淀。釋放或穩(wěn)定產(chǎn)物，防止其氧化、變性或沉淀。 調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)pH值時(shí)應(yīng)防止過酸或過堿值時(shí)應(yīng)防止過酸或過堿2022-3-15

11、25不同不同pH值條件下小球藻值條件下小球藻具有不同的懸浮特性具有不同的懸浮特性2022-3-1526（五）加入助濾劑法（五）加入助濾劑法 防止濾布或生成的濾餅阻塞而影響過濾。防止濾布或生成的濾餅阻塞而影響過濾。 常用的助濾劑：常用的助濾劑： 紙漿紙漿 石棉石棉 活性炭活性炭 硅藻土硅藻土 酸性白土酸性白土2022-3-1527（六）加吸附劑或鹽（六）加吸附劑或鹽 吸附細(xì)胞吸附細(xì)胞 常用的吸附劑有磷酸氫二鈉和氯化鈣形成常用的吸附劑有磷酸氫二鈉和氯化鈣形成的的CaHPO4凝膠、氧化鋁凝膠和聚丙烯酰胺凝膠、氧化鋁凝膠和聚丙烯酰胺凝膠等。凝膠等。 發(fā)酵液中的雜質(zhì)不僅直接影響產(chǎn)品質(zhì)量和收發(fā)酵液中的雜質(zhì)

12、不僅直接影響產(chǎn)品質(zhì)量和收得率，同時(shí)對(duì)后繼提取和精制有很大影響。得率，同時(shí)對(duì)后繼提取和精制有很大影響。 高價(jià)無機(jī)離子（高價(jià)無機(jī)離子（Ca2+、Fe2+ 等）等）溶性蛋白質(zhì)溶性蛋白質(zhì) 多糖的去除多糖的去除 有色物質(zhì)的去除有色物質(zhì)的去除（七）發(fā)酵液的相對(duì)純化（七）發(fā)酵液的相對(duì)純化 1. 無機(jī)離子的去除無機(jī)離子的去除 Ca2+ 、Mg2+ 、Fe2+等（如等（如何去除？）何去除？）（1）Ca2+加草酸鈉沉淀加草酸鈉沉淀C2O4Na2 + Ca2+ C2O4Ca + 2Na+（2）Mg2+加三聚磷酸鈉形成絡(luò)合物加三聚磷酸鈉形成絡(luò)合物Na5P3O10 + Mg2+Mg Na5P3O10 + 2Na+（3）

13、Fe2+加入黃血鹽，形成普魯士藍(lán)加入黃血鹽，形成普魯士藍(lán)沉淀沉淀4Fe3+ + 3K4Fe(CN)6 Fe4Fe(CN)63 + 12K+高價(jià)無機(jī)離子的去除高價(jià)無機(jī)離子的去除 利用各種沉淀方法，可以去除液相中各種利用各種沉淀方法，可以去除液相中各種蛋白質(zhì)。常用的有蛋白質(zhì)。常用的有等電點(diǎn)沉淀法、等電點(diǎn)沉淀法、變性沉淀法、鹽析法、有機(jī)變性沉淀法、鹽析法、有機(jī)溶劑沉淀法、反應(yīng)沉淀法溶劑沉淀法、反應(yīng)沉淀法等。這等。這些沉淀方法既可以作為除雜質(zhì)的方法，也可以些沉淀方法既可以作為除雜質(zhì)的方法，也可以作為提取目標(biāo)產(chǎn)物的技術(shù)手段。作為提取目標(biāo)產(chǎn)物的技術(shù)手段。2 2雜蛋白的去除雜蛋白的去除 酶解法酶解法可將混合

14、液中的不溶性多糖物質(zhì)可將混合液中的不溶性多糖物質(zhì)酶解，使其轉(zhuǎn)化為溶解度較大的單糖，從而改酶解，使其轉(zhuǎn)化為溶解度較大的單糖，從而改變流體的流動(dòng)特性，提高過濾速率。變流體的流動(dòng)特性，提高過濾速率。 3 3多糖的去除多糖的去除 發(fā)酵液中有色物質(zhì)可能是由于微生物生長發(fā)酵液中有色物質(zhì)可能是由于微生物生長代代謝過程分泌謝過程分泌的，也可能是的，也可能是培養(yǎng)基培養(yǎng)基（如糖蜜、（如糖蜜、玉米漿等）帶來的，色素物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)的多樣性增玉米漿等）帶來的，色素物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)的多樣性增加了脫色的難度。加了脫色的難度。 有色物質(zhì)有色物質(zhì)如何去除如何去除？ 4 4有色物質(zhì)的去除有色物質(zhì)的去除 色素物質(zhì)的去除，一般以使用離子交

15、換樹色素物質(zhì)的去除，一般以使用離子交換樹脂、離子交換纖維、活性炭等材料的脂、離子交換纖維、活性炭等材料的吸附吸附法來脫色法來脫色最為普遍。最為普遍。 一般發(fā)酵液的脫色往往是在過濾除去菌體一般發(fā)酵液的脫色往往是在過濾除去菌體后進(jìn)行。后進(jìn)行。 活性炭用于油脂、飲料、活性炭用于油脂、飲料、食品、飲用水的脫色、脫味。食品、飲用水的脫色、脫味。 活性炭是一種由含炭材料活性炭是一種由含炭材料制成的外觀呈黑色，內(nèi)部孔隙制成的外觀呈黑色，內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)、比表面積大、吸附結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)、比表面積大、吸附能力強(qiáng)的一類微晶質(zhì)碳素材料能力強(qiáng)的一類微晶質(zhì)碳素材料?；钚蕴坎牧现杏写罅咳庋劭??；钚蕴坎牧现杏写罅咳庋劭床灰姷奈⒖?/p>

16、。不見的微孔?；钚蕴棵撋钚蕴棵撋?）活性碳一般使用溫度是）活性碳一般使用溫度是75-80度比較好；度比較好；（2）活性炭脫色效果在水中最強(qiáng)，在強(qiáng)極溶劑中使用效果）活性炭脫色效果在水中最強(qiáng)，在強(qiáng)極溶劑中使用效果也不錯(cuò)，在非極性溶劑中效果較差；也不錯(cuò)，在非極性溶劑中效果較差；（3）一般情況下，在）一般情況下，在pH3-6條件下使用較好；條件下使用較好； （4）一般情況下，加入量為）一般情況下，加入量為0.13（WV） ； （5）脫色時(shí)間一般為）脫色時(shí)間一般為30-60min；注意事項(xiàng)：注意事項(xiàng)： （1）切不在沸騰的溶液中加入活性炭，那樣）切不在沸騰的溶液中加入活性炭，那樣會(huì)有暴沸的危險(xiǎn)。會(huì)有暴

17、沸的危險(xiǎn)。 （2）用活性炭脫色要待固體物質(zhì)完全）用活性炭脫色要待固體物質(zhì)完全溶解后才加入。溶解后才加入?；钚蕴棵撋砗筒僮骰钚蕴棵撋砗筒僮骰钚蕴績艋諝饣钚蕴績艋諝饣钚蕴炕钚蕴砍兹┏兹┕桃悍蛛x固液分離胞外胞外上清液上清液/ /濾液濾液提取生化物質(zhì)的第一步，分兩部分：提取生化物質(zhì)的第一步，分兩部分：胞內(nèi)胞內(nèi)富集細(xì)胞富集細(xì)胞第二節(jié)第二節(jié) 細(xì)胞分離細(xì)胞分離 大部分工業(yè)生物分離的第一步往往是將不溶大部分工業(yè)生物分離的第一步往往是將不溶物質(zhì)從發(fā)酵液中除去。這些不溶性固體的濃物質(zhì)從發(fā)酵液中除去。這些不溶性固體的濃度和顆粒大小的變化范圍很寬。度和顆粒大小的變化范圍很寬。 濃度高達(dá)每單位體積含濃度

18、高達(dá)每單位體積含60%的不溶性固體，的不溶性固體，又低至每單位體積僅含又低至每單位體積僅含0.1%。 粒徑的變化以從直徑約為粒徑的變化以從直徑約為1um的微生物，的微生物，到直徑為到直徑為1mm的不溶性物質(zhì)。的不溶性物質(zhì)。 對(duì)于濃度較小，粒徑較大，硬度較強(qiáng)的不溶對(duì)于濃度較小，粒徑較大，硬度較強(qiáng)的不溶物，我們以采用過濾方法分離。物，我們以采用過濾方法分離。 與過濾設(shè)備相比，離心設(shè)備的價(jià)格昂貴。但與過濾設(shè)備相比，離心設(shè)備的價(jià)格昂貴。但當(dāng)固體顆粒細(xì)小而難以過濾時(shí)，離心操作往當(dāng)固體顆粒細(xì)小而難以過濾時(shí)，離心操作往顯得十分有效。顯得十分有效。 當(dāng)靜置懸浮液時(shí)，密度較大的固體顆粒在重當(dāng)靜置懸浮液時(shí)，密度較

19、大的固體顆粒在重力作用下逐漸下沉，這一過程稱為力作用下逐漸下沉，這一過程稱為沉降沉降。 離心產(chǎn)生的固體濃縮物和過濾產(chǎn)生的濃縮不離心產(chǎn)生的固體濃縮物和過濾產(chǎn)生的濃縮不同：同： 通常情況下離心只能得到一種較為濃縮的懸浮通常情況下離心只能得到一種較為濃縮的懸浮液或漿體；而過濾獲得水分含量較低的濾餅。液或漿體；而過濾獲得水分含量較低的濾餅。 但是，對(duì)大多數(shù)生物發(fā)酵液以離心但但是，對(duì)大多數(shù)生物發(fā)酵液以離心但不能有效地過濾分離，所以離心往往是很有不能有效地過濾分離，所以離心往往是很有效的方法。效的方法。43常見的細(xì)胞分離方法常見的細(xì)胞分離方法 重力沉降重力沉降 離心沉降離心沉降 過濾過濾 當(dāng)一固體微粒通過

20、無限連續(xù)介質(zhì)時(shí)，它的運(yùn)當(dāng)一固體微粒通過無限連續(xù)介質(zhì)時(shí)，它的運(yùn)動(dòng)速度受兩種力的影響：動(dòng)速度受兩種力的影響： 浮力作用浮力作用 流體阻力作用流體阻力作用一、顆粒沉降（一、顆粒沉降（Sedimentation） 什么情況下顆粒在流體中會(huì)發(fā)生沉降過程？什么情況下顆粒在流體中會(huì)發(fā)生沉降過程？ （一）重力沉降（一）重力沉降 由地球引力作用而發(fā)生的顆粒沉由地球引力作用而發(fā)生的顆粒沉降過程，稱為重力沉降降過程，稱為重力沉降 當(dāng)一個(gè)球形顆粒放在靜止流體中，顆粒當(dāng)一個(gè)球形顆粒放在靜止流體中，顆粒密度大于流體密度時(shí)，則顆粒將在重力作用密度大于流體密度時(shí)，則顆粒將在重力作用下作沉降運(yùn)動(dòng)。下作沉降運(yùn)動(dòng)。 設(shè)顆粒的初速度

21、為零，則顆粒最初只受重設(shè)顆粒的初速度為零，則顆粒最初只受重力力Fg與浮力與浮力Fb的作用。的作用。重力向下，浮力向上。重力向下，浮力向上。 Fb 浮力浮力 Fg 重力重力根據(jù)根據(jù)沉降作用力沉降作用力可分為：可分為：重力沉降、離心沉降重力沉降、離心沉降（一）重力沉降（一）重力沉降當(dāng)作用于顆粒上的這兩個(gè)外力之和不等當(dāng)作用于顆粒上的這兩個(gè)外力之和不等于零時(shí)，顆粒將產(chǎn)生加速度。當(dāng)顆粒開于零時(shí)，顆粒將產(chǎn)生加速度。當(dāng)顆粒開始下沉?xí)r，受到流體向上作用的阻力。始下沉?xí)r，受到流體向上作用的阻力。 Fb 浮力浮力 Fd 阻力阻力 Fg 重力重力根據(jù)牛頓第二定律根據(jù)牛頓第二定律，得到顆粒，得到顆粒直徑為直徑為d、顆

22、粒密度為顆粒密度為s的的重力沉降運(yùn)動(dòng)基本方程式：重力沉降運(yùn)動(dòng)基本方程式：（1）球形顆粒的自由沉降速度）球形顆粒的自由沉降速度gdFs3g6 重力：重力：（a）gdF 3b6 浮力：浮力：（b） t u u0加速段加速段勻速段勻速段 顆粒做勻速運(yùn)動(dòng)，沉降速度恒定不變，該速度稱為顆粒做勻速運(yùn)動(dòng)，沉降速度恒定不變，該速度稱為自由自由沉降速度沉降速度。達(dá)到恒定的沉降速度時(shí)，合力為：。達(dá)到恒定的沉降速度時(shí)，合力為： 042662203s3 madugdgdF 42220dduF 阻力：阻力：（c）阻力系數(shù)阻力系數(shù) Fb 浮力浮力 Fd 阻力阻力 Fg 重力重力042662203s3 madugdgdF

23、34s0gdu （球形顆粒的自由沉降速度）（球形顆粒的自由沉降速度）（2）阻力（曳力）系數(shù)（）阻力（曳力）系數(shù)（Drag coefficient） 與流體的流動(dòng)阻力系數(shù)類似，阻力（曳力）系數(shù)與顆粒與流體的流動(dòng)阻力系數(shù)類似，阻力（曳力）系數(shù)與顆粒沉降雷諾數(shù)有關(guān)，即沉降雷諾數(shù)有關(guān)，即)(Re0f 00Redu 注意：其中注意：其中d為顆粒直徑，為顆粒直徑，u0為顆粒的沉降速度，為顆粒的沉降速度，、分別分別為流體的密度與粘度。為流體的密度與粘度。 依靠離心力的作用，使流體中的顆粒產(chǎn)生沉降運(yùn)依靠離心力的作用，使流體中的顆粒產(chǎn)生沉降運(yùn)動(dòng)，稱為離心沉降。動(dòng)，稱為離心沉降。適于分離兩相密度差較小，適于分離兩

24、相密度差較小，顆粒粒度較細(xì)的非均相物系。顆粒粒度較細(xì)的非均相物系。 由重力沉降知，由重力沉降知，當(dāng)顆粒較小時(shí)，其沉降速度小當(dāng)顆粒較小時(shí)，其沉降速度小，需要較大的沉降設(shè)備。為了提高生產(chǎn)能力，需要較大的沉降設(shè)備。為了提高生產(chǎn)能力，使用離心沉降。因?yàn)殡x心力比重力大千倍或萬使用離心沉降。因?yàn)殡x心力比重力大千倍或萬倍。倍。（二）（二）離心沉降離心沉降 顆粒離心沉降的速度方向是由圓心沿徑向指向外周，但由于顆粒離心沉降的速度方向是由圓心沿徑向指向外周，但由于顆粒和流體同時(shí)做圓周運(yùn)動(dòng)，顆粒的實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡是一個(gè)半顆粒和流體同時(shí)做圓周運(yùn)動(dòng)，顆粒的實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡是一個(gè)半徑逐漸擴(kuò)大的螺旋線。離心沉降速度并不是顆粒的實(shí)際

25、運(yùn)動(dòng)徑逐漸擴(kuò)大的螺旋線。離心沉降速度并不是顆粒的實(shí)際運(yùn)動(dòng)速度，只是其在徑向上的分量。速度，只是其在徑向上的分量。 r1r2ArCBuruut顆粒在旋轉(zhuǎn)流顆粒在旋轉(zhuǎn)流體中的運(yùn)動(dòng)體中的運(yùn)動(dòng)（1 ）球形顆粒的離心沉降速度（）球形顆粒的離心沉降速度（u）重力場(chǎng)重力場(chǎng)離心力場(chǎng)離心力場(chǎng)力場(chǎng)強(qiáng)度力場(chǎng)強(qiáng)度重力加速度重力加速度gut2/R 方向方向指向地心指向地心 沿旋轉(zhuǎn)半徑從中心指向外周沿旋轉(zhuǎn)半徑從中心指向外周 Fg=mg RumFTC2作用力作用力 慣性離心力場(chǎng)與重力場(chǎng)的區(qū)別慣性離心力場(chǎng)與重力場(chǎng)的區(qū)別沉降速度沉降速度恒定恒定變化變化離心加速度離心加速度（離心力場(chǎng)強(qiáng)度）（離心力場(chǎng)強(qiáng)度）直徑為直徑為d的球形粒子

26、在流體中作勻速圓周運(yùn)動(dòng)，的球形粒子在流體中作勻速圓周運(yùn)動(dòng)，切線速度為切線速度為uT； 徑向速度徑向速度ur； 旋轉(zhuǎn)半徑為旋轉(zhuǎn)半徑為R粒子密度為粒子密度為s； 流體密度為流體密度為 慣性離心力（與重力相當(dāng)）慣性離心力（與重力相當(dāng)）: 向心力向心力(與重力場(chǎng)中的浮力相當(dāng)與重力場(chǎng)中的浮力相當(dāng)): 阻力阻力(與顆粒徑向運(yùn)動(dòng)方向相反與顆粒徑向運(yùn)動(dòng)方向相反): 徑向受力分析徑向受力分析RudTs236RudT2362422rud（指向中心）（指向中心）（指向中心）（指向中心）ur uTuR（中心指向外周（中心指向外周 ）三力達(dá)到平衡，則：三力達(dá)到平衡，則：RudTs236RudT23602422rud 平

27、衡時(shí)顆粒在平衡時(shí)顆粒在徑向徑向上相對(duì)于流體的運(yùn)動(dòng)速度上相對(duì)于流體的運(yùn)動(dòng)速度ur便是此位置便是此位置上的上的離心沉降速度（絕對(duì)速度在徑向上的分量離心沉降速度（絕對(duì)速度在徑向上的分量）。RuduTsr234離心沉降速度表達(dá)式離心沉降速度表達(dá)式 gdust3)(4重力沉降速度表達(dá)式重力沉降速度表達(dá)式兩者區(qū)別在于兩者區(qū)別在于加速度的不同，一個(gè)是加速度的不同，一個(gè)是“ut2/R”， 一個(gè)是一個(gè)是“g” 。（2 ）離心分離因數(shù)（）離心分離因數(shù)（Kc ) 同一顆粒在同一種介質(zhì)中的離心沉降速度與重力沉降速同一顆粒在同一種介質(zhì)中的離心沉降速度與重力沉降速度的比值為度的比值為 ：cTtrKgRuuu2 比值比值K

28、c就是粒子所在位置上的慣性離心力場(chǎng)強(qiáng)度與重力場(chǎng)就是粒子所在位置上的慣性離心力場(chǎng)強(qiáng)度與重力場(chǎng)強(qiáng)度之比稱為強(qiáng)度之比稱為離心分離因數(shù)離心分離因數(shù)。 例如；當(dāng)旋轉(zhuǎn)半徑例如；當(dāng)旋轉(zhuǎn)半徑R=0.4m，切向速度切向速度uT=20m/s時(shí)，求分時(shí)，求分離因數(shù)。離因數(shù)。1022gRuKTc 分離因數(shù)是離心分離設(shè)備的重要指標(biāo)。某些高速離心機(jī)分離分離因數(shù)是離心分離設(shè)備的重要指標(biāo)。某些高速離心機(jī)分離因數(shù)值可高達(dá)數(shù)十萬。旋風(fēng)或旋液分離器的分離因數(shù)一般在因數(shù)值可高達(dá)數(shù)十萬。旋風(fēng)或旋液分離器的分離因數(shù)一般在52500之間。之間。 表明離心沉降速度是沉降速度的百倍，因此離心沉降設(shè)表明離心沉降速度是沉降速度的百倍，因此離心沉降

29、設(shè)備分離效果遠(yuǎn)高于重力沉降設(shè)備。備分離效果遠(yuǎn)高于重力沉降設(shè)備。原理原理 離心分離是基于固體顆粒和周圍離心分離是基于固體顆粒和周圍液體密度存在差異，液體密度存在差異，在離心場(chǎng)中使不同在離心場(chǎng)中使不同密度的固體顆粒加速沉降的分離過程。密度的固體顆粒加速沉降的分離過程。 動(dòng)植物細(xì)胞的收集、細(xì)胞碎片和沉淀的分動(dòng)植物細(xì)胞的收集、細(xì)胞碎片和沉淀的分離等常用離心分離。離等常用離心分離。離離心心力力與與離離心心轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速速的的換換算算RCF和和rpm之間可以相互換算之間可以相互換算 rpm revolutions per minute，每分鐘轉(zhuǎn)，每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)，數(shù)，r/min RCFrelative centrifu

30、gal force，相對(duì)離心，相對(duì)離心力力 一般情況下，低速離心時(shí)常以轉(zhuǎn)速一般情況下，低速離心時(shí)常以轉(zhuǎn)速“rpm”來表示，高速離心時(shí)則以來表示，高速離心時(shí)則以“g” 表表示。示。 通常通常離心力離心力常用常用地球引力的倍數(shù)地球引力的倍數(shù)來表示，來表示，因而稱為因而稱為相對(duì)離心力相對(duì)離心力 “ RCF ”。或者用數(shù)字乘。或者用數(shù)字乘“g”來表示，例如來表示，例如25000g，則表示相對(duì)離心，則表示相對(duì)離心力為力為25000。 相對(duì)離心力是指在離心場(chǎng)中，作用于顆粒的相對(duì)離心力是指在離心場(chǎng)中，作用于顆粒的離心力離心力相當(dāng)于地球重力的倍數(shù)相當(dāng)于地球重力的倍數(shù)，單位是重力，單位是重力加速度加速度“g”，

31、此時(shí)，此時(shí)“RCF”相對(duì)離心力用下式相對(duì)離心力用下式計(jì)算：計(jì)算：RCF = 1.119105(rpm)2 r 由上式見，只要給出旋轉(zhuǎn)半徑由上式見，只要給出旋轉(zhuǎn)半徑r，則，則RCF和和rpm之間以相互換算。之間以相互換算。 計(jì)算顆粒的相對(duì)離心力時(shí)，應(yīng)注意離心管與旋轉(zhuǎn)軸中計(jì)算顆粒的相對(duì)離心力時(shí)，應(yīng)注意離心管與旋轉(zhuǎn)軸中心的距離心的距離“r”不同，即沉降顆粒在離心管中所處位置不同，即沉降顆粒在離心管中所處位置不同，則所受離心力也不同。因此在報(bào)告超離心條不同，則所受離心力也不同。因此在報(bào)告超離心條件時(shí)，通?？偸怯玫匦囊Φ谋稊?shù)件時(shí)，通?？偸怯玫匦囊Φ谋稊?shù)“g”代替每分鐘代替每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)轉(zhuǎn)數(shù)“rpm”，因

32、為它以真實(shí)地反映顆粒在離心管，因?yàn)樗哉鎸?shí)地反映顆粒在離心管內(nèi)不同位置的離心力及其動(dòng)態(tài)變化?？萍嘉墨I(xiàn)中離內(nèi)不同位置的離心力及其動(dòng)態(tài)變化?？萍嘉墨I(xiàn)中離心力的數(shù)據(jù)通常是指其平均值（心力的數(shù)據(jù)通常是指其平均值（RCFa v），即離心），即離心管中點(diǎn)的離心力。管中點(diǎn)的離心力。 為便于進(jìn)行轉(zhuǎn)速和相對(duì)離心力之間的換算，為便于進(jìn)行轉(zhuǎn)速和相對(duì)離心力之間的換算，Dole 和和Cotzias 利用利用RCF的計(jì)算公式，制作了的計(jì)算公式，制作了轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速“rpm”、相對(duì)離心力、相對(duì)離心力“RCF”和旋轉(zhuǎn)半徑和旋轉(zhuǎn)半徑“r”三者關(guān)系的列線圖三者關(guān)系的列線圖。換算時(shí)，先在。換算時(shí)，先在r標(biāo)尺上標(biāo)尺上(單單位位rpm)取已

33、知轉(zhuǎn)速，取已知轉(zhuǎn)速， 在在RCF標(biāo)尺上取已知的離標(biāo)尺上取已知的離心半徑心半徑(單位單位cm)，將這兩點(diǎn)間劃一條直線，與，將這兩點(diǎn)間劃一條直線，與圖中圖中g(shù)標(biāo)尺上的交叉點(diǎn)即為相應(yīng)的相對(duì)離心力標(biāo)尺上的交叉點(diǎn)即為相應(yīng)的相對(duì)離心力數(shù)值。數(shù)值。 （一）離心機(jī)的種類與用途（一）離心機(jī)的種類與用途對(duì)于常速和高速離心機(jī)，由于所分離的顆對(duì)于常速和高速離心機(jī)，由于所分離的顆粒大小和密度相差較大，粒大小和密度相差較大，只要選擇好離心只要選擇好離心速度和時(shí)間速度和時(shí)間，就能達(dá)到分離效果。，就能達(dá)到分離效果。超速離心的離心方法：差速離心、密度梯超速離心的離心方法：差速離心、密度梯度離心和等密度梯度離心。度離心和等密度梯

34、度離心。 1. 差速離心分級(jí)差速離心分級(jí)2.區(qū)帶離心區(qū)帶離心 （密度梯度離心）（密度梯度離心） 差速區(qū)帶離心差速區(qū)帶離心 平衡區(qū)帶離心平衡區(qū)帶離心1.1.差速離心差速離心: : 工業(yè)上最常用的離心分離方法工業(yè)上最常用的離心分離方法實(shí)驗(yàn)室常用的轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)室常用的轉(zhuǎn)子按離心機(jī)的作用方式：按離心機(jī)的作用方式：斜角式斜角式平拋式平拋式管式管式蝶式蝶式螺旋式螺旋式多室多室（三）離心機(jī)的種類與用途（三）離心機(jī)的種類與用途（1 1）斜角式離心機(jī)）斜角式離心機(jī)v是一類結(jié)構(gòu)最簡單的實(shí)驗(yàn)室常用離心機(jī)，是一類結(jié)構(gòu)最簡單的實(shí)驗(yàn)室常用離心機(jī)，v指離心管腔與轉(zhuǎn)軸成一定傾角的轉(zhuǎn)子；指離心管腔與轉(zhuǎn)軸成一定傾角的轉(zhuǎn)子；v顆粒在角

35、轉(zhuǎn)子中沉降時(shí)，顆粒在角轉(zhuǎn)子中沉降時(shí)，先沿離心力方向撞向離心管，先沿離心力方向撞向離心管，然后再沿管壁滑向管底，然后再沿管壁滑向管底，因此管的一側(cè)會(huì)出現(xiàn)顆粒沉積因此管的一側(cè)會(huì)出現(xiàn)顆粒沉積。（1 1）斜角式離心機(jī)）斜角式離心機(jī)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，可裝載較多的樣品可裝載較多的樣品使用較高的轉(zhuǎn)速。使用較高的轉(zhuǎn)速。加速或減速時(shí)，對(duì)樣品加速或減速時(shí)，對(duì)樣品 有攪動(dòng)。有攪動(dòng)。大容量冷凍離心機(jī)大容量冷凍離心機(jī)(2(2）平拋式離心機(jī)）平拋式離心機(jī)v一類結(jié)構(gòu)簡單的實(shí)驗(yàn)室常用的低中速離心機(jī)，一類結(jié)構(gòu)簡單的實(shí)驗(yàn)室常用的低中速離心機(jī)，轉(zhuǎn)速一般在轉(zhuǎn)速一般在 3000-6000rpm3000-6000rpm。v 轉(zhuǎn)子活動(dòng)管

36、套內(nèi)的離心管，靜止時(shí)垂直掛在轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子活動(dòng)管套內(nèi)的離心管，靜止時(shí)垂直掛在轉(zhuǎn)頭上，旋轉(zhuǎn)時(shí)隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，從垂直懸吊上升到頭上，旋轉(zhuǎn)時(shí)隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，從垂直懸吊上升到水平位置。水平位置。v轉(zhuǎn)頭結(jié)構(gòu)復(fù)雜，最高轉(zhuǎn)頭結(jié)構(gòu)復(fù)雜，最高 轉(zhuǎn)速相對(duì)要低轉(zhuǎn)速相對(duì)要低v容量也小一些。容量也小一些。 ( (）管式離心機(jī)）管式離心機(jī) 管式離心機(jī)是一種分離效率很高的離心分管式離心機(jī)是一種分離效率很高的離心分離設(shè)備，其轉(zhuǎn)鼓細(xì)長，可在離設(shè)備，其轉(zhuǎn)鼓細(xì)長，可在15000-5000015000-50000的高的高轉(zhuǎn)速下工作。設(shè)備簡單、操作穩(wěn)定。轉(zhuǎn)速下工作。設(shè)備簡單、操作穩(wěn)定。適用范圍適用范圍 細(xì)胞、細(xì)胞碎片、細(xì)胞器、病毒、蛋白質(zhì)、細(xì)胞、細(xì)胞碎片、細(xì)胞器、病毒、蛋白質(zhì)、核酸等。特別適合一