高速冷冻离心机的原理及应用.ppt

掌握离心分离的原理
熟悉离心机主机的基本构件及操作程序
了解离心机的安全使用和日常保养
【实验目的】
离心分离原理
重力分离
离心分离
地球引力
离心力
沉淀池内
高速旋转的转鼓内
需要很长时间,占用很多面积,特别当密度差很小、粘度较大时,分离难以实现。
只需较短的时间即能获得重力沉降的效果
【实验原理】
当悬浮液绕轴旋转时,悬浮中的微粒就同时受到背向转轴方向的离心力和正向转轴方向的介质浮力的双向作用,微粒的运动轨迹取决于所受合力的方向。根据物理学原理推导可知:
F合=F离-F介=Vr×4p2N2r/3600-Vs×4p2N2r/3600= V4p2N2r/3600×(r-s)
式中V表示微粒的体积,N表示每分钟的转数,r表示微粒至转轴的距离,p与s分别表示微粒与其介质的密度。
当r=s时,F合=0,微粒受力平衡,故将维持距转轴恒定的距离转动,也就不可能被分离开;
当r<s时,F合<0,微粒主要受向心力作用,故而将向转轴方向移动,直至浮到介质表面;
当r>s时,F合>0,微粒主要受离心力作用而向远离转轴方向移动,直至沉淀到容器底部。
因此,r>s是微粒从悬浮液中进行离心分离的基本条件。使用普通离心机的根本目的就在于使这样的微粒从悬浮液中分离出来。
离心力及其作用
从理论上讲,凡是能通过离心分离的微粒在悬浮液静置时,受重力与浮力的共同作用也能自动沉降而得以分离,只是分离所需时间较长,效果较差,沉降本领较弱。一般常用相对离心力(RCF)的大小来表示离心分离的本领强弱。相对离心力是指微粒在离心分离时所受的合力(F合)与在静置分离时所受合力(F’合)的比值。
F’合= Vr×g- Vs×g= Vg×(r-s)
故RCF= F合/F’合=4p2N2r/3600g
由于4p2N2r/3600就是微粒处的角加速度,所以相对离心力又是微粒在离心时的角加速度与在静置时的重力加速度之比。很明显,只要调节N或/和r就可影响RCF的值,从而改变其离心分离本领。实验中RCF的值常用多少倍于重力加速度表示,如1000×g。
离心力与作用时间的积累效应
微粒在悬浮液中被分离的速度快慢除与转动的转数大小有关外,还与离心时间长短有关,即离心力作用于微粒上具有时间积累效应。衡量时间积累效应高低的物理量常用冲量矩的大小来表示,冲量矩(Lt)的值等于离心力的力矩(L)与离心时间(t)的乘积,依物理学原理可推导出:Lt=(2pRn/60)2×t,即冲量矩的大小与转速(N)的平方和时间的乘积成正比。
由此可见,在同一离心转头的条件下(N,r一定),转动时间越长,冲量矩越大,分离效果越好。对同一悬浮液,因转动的时间不同而有不同的冲量矩,若调节影响冲量矩的两个可变因子即转速(N)和时间(t),可以在较低转、速较长时间得到较高转速、较短时间同样的冲量矩,从而得到相同的分离效果。但是,若转速相差太大,则会受扩散作用影响而使较低转速离心的分离效果下降。
实验过程中,欲使沉淀与母液分开,常使用过滤和离心两种方法。但在下述情况下,使用离心方法效果较好。
沉淀有粘性或母液粘稠。
沉淀颗粒小,容易透过滤纸。
沉淀量过多而疏松。
沉淀量很少,需要定量测定。或母液量很少,分离时应减少损失。
沉淀和母液必须迅速分开。
一般胶体溶液。
离心技术概述
离心技术就其原理来说属于一种物理的技术手段,目前在农业、医药、食品卫生、生物制品、生物工程、细胞生物学、分子生物学和生物化学等诸多领域里得到了广泛的应用,使离心机,尤其是超速离心机已成为现代生物化学实验室中不可缺少的必备设备。为了满足生产、科研和教学的不同需要,不同类型、不同规格和不同用途的离心机应运而生,且随着整个科学技术的发展不断地得到改进、提高和更新。
离心机的种类
工业用途
低速(N < 10,000 rpm)
高速(N = 10,000 ~ 30,000 rpm)
超高速(N > 30,000 rpm)
实验用途
分析用途:分析超速离心机
制备用途
普通离心机
水平式离心机
斜角式离心机
冰冻离心机
大容量冷冻离心机
高速冷冻离心机
超高速冷冻离心机
不同类型的离心机不仅具有不同的构造,而且具有不同的应用范围。普通离心机的最大转速在10000 rpm以下,最大相对离心力小于10000×g,容量从几十毫升至几升,分离形式是固液沉降分离,转子有角式和外摆式,其转速不能严格控制,通常不带冷冻系统,于室温下操作。这种离心机多用交流整流电动机驱动,电机碳刷易磨损,转速由电压调压器调节,起动电流大,速度升降不均匀,一般转头是置于一个硬质钢轴上,因此离心前精确平衡离心管及其内容物极为重要,否则易造成的离心机损坏。
在现代实验室中,普通离心机通常在下列情况下用