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離心分離技術(shù)是借助于離心機(jī)旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力,根據(jù)物質(zhì)顆粒的沉降系數(shù)、質(zhì)量、密度及浮力等因子的不同,而使物質(zhì)分離的技術(shù)。
當(dāng)物料進(jìn)入分離筒后,因不同組份的物質(zhì),由于其密度不同,故在離心力場(chǎng)中受力有差別, 直接導(dǎo)致其在離心力場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)軌跡和運(yùn)動(dòng)速率的不同。
如圖, 分離筒(轉(zhuǎn)鼓)以一定的速度繞中心軸旋轉(zhuǎn),混合物進(jìn)入分離筒后,不同的組分會(huì)形成不同的分層。密度小的液相組分(輕液)形成的液環(huán)離旋轉(zhuǎn)中心較近,密度稍大的液相(重液)則離旋轉(zhuǎn)中心較遠(yuǎn),而不溶性固相則聚集于分筒內(nèi)壁,形成濾餅。
離心分離機(jī)按用途有分析用、制備用及分析-制備之分;按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)則有管式、吊藍(lán)式、和碟式等多種;按轉(zhuǎn)速可分為常速(低速)、高速和超速三種。
離心分離的效果好壞與諸多因素有關(guān)。除了上述的離心機(jī)種類(lèi)、離心方法、離心介質(zhì)及密度梯度等以外,主要的是確定離心機(jī)的轉(zhuǎn)速和離心時(shí)間。此外還要注意離心介質(zhì)溶液的pH值和溫度等條件。
■ 離心力
物質(zhì)顆粒在離心場(chǎng)中所受到的離心力(Fc)的大小,決定于顆粒的質(zhì)量(m)和離心加速度(ac): Fc=m ac
離心加速度的大小取決于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和顆粒的旋轉(zhuǎn)半徑:ac =ω2r
式中ω:轉(zhuǎn)子的角速度(rad/s);r:旋轉(zhuǎn)半徑,即顆粒到旋轉(zhuǎn)軸中心的距離(cm)。
若轉(zhuǎn)速以慣用的每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)(r/min)來(lái)表示,則:
式中n: 轉(zhuǎn)子每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)(r/min)
在說(shuō)明離心條件時(shí),低速離心通常以轉(zhuǎn)子每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù)表示,如4000 rpm;而在高速離心時(shí),特別是在超速離心時(shí),往往用相對(duì)離心力來(lái)表示,如65000g。
相對(duì)離心力是指顆粒所受的離心力與地心引力(重力)之比。即
RCF=Fc/Fg= mw2r / mg = w2r / g
式中RCF:相對(duì)離心力(g);n:轉(zhuǎn)子每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)(rpm); r:旋轉(zhuǎn)半徑(cm);g:重力加速度,9.8 m/s2
由此可見(jiàn),離心力的大小與轉(zhuǎn)速的平方及與旋轉(zhuǎn)半徑成正比。在轉(zhuǎn)速一定的條件下,顆粒離軸心越遠(yuǎn),其所受的離心力越大。在離心過(guò)程中,隨著顆粒在離心管中移動(dòng),其所受的離心力也隨著變化。在實(shí)際工作中,離心力的數(shù)據(jù)是指其平均值。即是指在離心溶液中點(diǎn)出顆粒所受的離心力。
■ 離心時(shí)間
離心時(shí)間的概念,依據(jù)離心方法的不同而有所差異。對(duì)于差速離心來(lái)說(shuō),是指某種顆粒沉降到離心管底的時(shí)間。對(duì)等密度梯度離心而言,離心時(shí)間是指顆粒到達(dá)等密度點(diǎn)的平衡時(shí)間;而密度梯度離心的時(shí)間則是指形成界限分明的區(qū)帶的時(shí)間。
密度梯度離心和等密度梯度離心所需的區(qū)帶形成時(shí)間或平衡時(shí)間,影響因素很復(fù)雜,可通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定。差速離心所需的沉降時(shí)間可通過(guò)計(jì)算求得。
顆粒的沉降時(shí)間是指顆粒從離心樣品液面沉降到離心管底所需的時(shí)間,又稱(chēng)澄清時(shí)間。沉降時(shí)間決定于顆粒沉降速度和沉降距離。
對(duì)于已知沉降系數(shù)的顆粒,其沉降時(shí)間可由下列公式計(jì)算:
式中 t:沉降時(shí)間(s);S:顆粒的沉降系數(shù)(1x10-13S);ω:轉(zhuǎn)子角速度(rad/s);r1,r2:分別為旋轉(zhuǎn)軸中心到樣品液液面和離心管底的距離(cm)。
上式中括號(hào)部分對(duì)特定轉(zhuǎn)子而言常數(shù),稱(chēng)轉(zhuǎn)子效率因子或K值。即
轉(zhuǎn)子的效率因子K 與轉(zhuǎn)子的半徑和轉(zhuǎn)速有關(guān)。對(duì)于具有某一沉降系數(shù)S的顆粒而言,K值越小,其沉降時(shí)間越短,轉(zhuǎn)子的使用效率就越高。
對(duì)于不知其沉降系數(shù)的球形顆粒,可按下是估算其沉降時(shí)間:
式中T:沉降時(shí)間(s);μ:介質(zhì)溶液的黏度(g/(cm.s));ρ,ρ0:分別為顆粒和介質(zhì)溶液密度(g/cm3);d:顆粒平均直徑(cm);r1,r2:分別為旋轉(zhuǎn)軸中心到離心管底和液面的距離(cm)。
■ 溫度和pH值
為了防止欲分離物質(zhì)的凝集、變性和失活,除了在離心介質(zhì)的選擇方面加以注意外,還必須控制好溫度及介質(zhì)溶液的Ph值等離心條件。離心溫度一般控制在4℃左右,對(duì)于某些熱穩(wěn)定性較好的酶等,離心也可在室溫下進(jìn)行。但在超速或高速離心時(shí),轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)會(huì)發(fā)熱從而引起溫度升高。故必須采用冷凍系統(tǒng),使溫度保持在一定范圍內(nèi)。離心介質(zhì)溶液的pH值應(yīng)該是處于酶穩(wěn)定性的pH范圍內(nèi),必要時(shí)可采用緩沖液。另外,過(guò)酸或過(guò)堿還可能引起轉(zhuǎn)子和離心機(jī)的其他部件的腐蝕,應(yīng)盡量避免.
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