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离心机的原理、操作及维护

03-15

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离心机是通过高速旋转产生的离心力场对不同沉淀系数混合物质进行快速分离、浓缩和提纯的专门设备,集机械、电气、力学、制冷、真空、生物化学等多学科于一体的科学仪器,广泛用于工业、农业、国防、食品卫生、生物医学工程、动植物研究及医疗卫生等领域,对生物细胞、病毒、血清、蛋白,有机物、无机物溶液、悬浮液及胶体等样品进行分离、浓缩、纯化和提取等制备工作 [1-2]

1 离心机的原理

1.1 离心力

离心力(centrifugal forceFc)就是利用物质沉降原理将装有样品溶液的离心管的转头置于离心轴上,通过转头绕轴高速旋转所产生的强大离心作用力,使样品中不同性质颗粒按其密度或形状大小相互分离 [1,3]。根据物理学匀速圆周运动规律,置于转头中的离心管内的物质颗粒在离心场中都受到一个向外的的离心合力:

  Fc=2r 1

其中,ω为角速度,ω=2πn/60n为转头每分钟的转速(r/min),r为离心管与转轴的距离(cm),即离心半径。

1.2相对离心力

由于各种离心机转子的半径或者离心管至转轴中心距离不同,颗粒所受的离心力也不同,物质颗粒除受离心力作用外,还受到重力 P的影响。因此,超速离心中国际上近年来采用相对离心力(relative centrifugal forceRCF),也就是离心机所产生的离心加速度和地球重力加速度的倍数值,单位为重力加速度 gg=9.8m/s2),来表达离心机转速 [3]


任何一个离心机转子都可以通过公式(2)计算出最大半径(rmax)、最小半径(rmin)和平均半径(rav)或任意位置的相对离心力大小。

一般情况下,离心条件选用rav时的相对离心力。

1.3 沉降系数

样品中的物质颗粒,在重力场或离心力场中沉

降或上浮,同时受到介质浮力及摩擦力的影响,沉降速度发生变化,也就是颗粒在单位离心力作用下的沉降速度被称为颗粒的沉降系数(sedimentation coefficient,s)。

其中 v为颗粒在离心场中的沉降速度;d表示物质颗粒的直径; ρp和 ρm分别为物质颗粒和溶剂的密度;η为溶剂的黏性系数。

不同的物质颗粒,其沉降系数各不相同,可以通过公式(3)计算 s值,也可以查有关文献得到所需物质的s值。

1.4 沉降时间和 k系数

在离心机上把样品中的物质颗粒从溶液中全部沉降分离出来的时间称为沉降时间(sedimentation time,t),统一称为离心时间。


其中 rb离心机旋转转轴到离心管底的距离, rm为旋转轴到离心管液面的距离。通过转速可以计算出从离心管表面沉降到离心管底的时间(t)。

k系数(kfactor)为转子系数,是用来描述转子中物质颗粒沉降下来的效率,是溶液恢复到澄清程度的一个指数,也称为“cleaning factor”[1]。

t=k/s

常见离心技术参数是:离心速度 n、相对离心力 FC、离心时间 t、离心温度 T和沉降系数 s等,这几

这几个方面也是影响分离效果的主要因素。操作离心时,最主要是选择待分离样品的离心速度、离心力和离心时间。

通过以上公式,根据所选的转速,就可以计算出 k值,进而就可以计算出所离心样品需要的离心时间。

2 离心机的分类

离心机是实验室常见的分离仪器,式样和型号比较多,按温度可分为冷冻离心机和常温离心机。

按容量可分为微量离心机、大容量离心机和超按外型可分为台式离心机和落地式离心机 [4]。按用途可分为分析式离心机和制备式离心机。按转速可分为低速离心机< 8000 r/min,主要


用于血液或细胞制备、蛋白质和酶沉淀物的分离,由

于不能产生足够大的离心力场,不能分离超小粒子

(如病毒,DNA分子)和大分子,或进行密度梯度离心;高速离心机 8000~30000 r/min,能分离病毒、细菌、细胞核、细胞膜、线粒体以及 DNA制备等;超速离心机30000~80000 r/min和超高速离心机>80000 r/min,配合光学仪器,可作分子量测定、蛋白质结构及其聚集状态分析和化合物纯度检定 [5]。近年来,随着世界卫生组织(WHO)以及欧盟

(COS)与美国食品药物管理局(FDA)的药品生产质量管理规范(GMP)认证规范,在国内的生物工程及医药行业进行 GMP认证,产生了适用于制药和生物工程的 GMP新型离心机,主要有 6大组成部分:密封系统、气体抽除装置、离心机主体、减震垫、减震系统以及新型机座,具有防污染、防爆和密封性好等功能[6-8]。如何选用离心机?按生物高分子的分子量来选用 [3,9]:分子量> 10 8,用普通离心机和高速离心机;分子量> 10 4~10 8,用超速离心机;分子量< 10 4,用离心和超速分离效果不好,必须采用另外的分离方法。


3 离心机的操作及注意事项

1 离心机应水平放置。在离心机投入使用前,或移动过位置以及常时间离心后,必须进行离心机水平调整,否则会引起转头运转严重不平衡;距墙10cm以上,并保持良好的通风环境,免受热源和太阳光线的直接照射,室内温度不宜超过 30℃,否则会影响冷冻离心机制冷效果 [9]。

2 严格按照离心机操作规程使用,超速离心机应在专门管理人员操作下使用。

3 绝对不允许超过转子的最大转数、能承受的最大离心力和最大允许速度使用;不能在高速运转时使用低速度转子[10]。

4 不要超过离心所允许的密度1.2g/mL,当分离物的密度> 1.2g/mL时,必须按以下公式计算转头分离物品的最高转速

在离心管重量平衡后对称放入转子内,否则在非对称的情况下负载运行,就会使轴承产生离心偏差,引起离心机剧烈振动,严重的会使离心机转轴断裂。在超速离心时离心管有要求对号入座的,平衡后对称放入,使用水平转子时,一定要检查离心管是否挂牢,务必按对应的号码放置离心管,离心管也专机使用,不能混用,否则会损伤转头。

(6)在使用离心管套时,必须全部装入转子内。平衡时应带上管套,离心管套专机使用,不能在不同型号离心机之间混用。

(7)使用时准确组装转头,小心地将转头放稳在离心轴上。离心管平衡后对称的放入转头内,转头与轴承固定于一体,防止转头在高速时与转轴发生松动,导致转子飞离出离心机而发生意外。

(8)不使用带伤的转头。使用前应认真检查转头是否有划痕或被腐蚀,保证转头完好无损。

(9)使用前检查转头的使用寿命,超过了使用寿命应当停止或降级、减速使用。一般情况下,铝转头的使用寿命在 1000次以上或 2500h左右,钛转头在5000次以上或10000h左右。

(10)在允许的温度范围内使用,对于铝合金转头的使用温度 0~25℃。

(11)将离心腔门或盖子关好以及转子盖子拧紧。

(12)开机后,离心机转速还未达到预置转速时,操作者不要离开离心机,直到运转正常方可离开,要随时观察运行情况。

(13)在运行中,当发现异常情况时必须立即按“STOP”键,进行适当处理。


(14)在运行过程中,突然停电,必须将电源切.

4 离心机的维护

(1)每周要开机一次,放一个转头在低速


心机运转正常。

1 定期用水平仪放在离心轴或离心体上看是否水平,若不平,必须调整后才能使用。

2 每次使用离心机后,必须将转头马上取出并清洁或晾干,放在通风的位置。

3 要定期给真空泵、扩散泵换油,使真空系统正常运行。

4 应定期检查整流碳刷和电刷的磨损情况,磨损过度的应立即更换。

5 定期给离心转轴涂抹润滑脂,磨损过度的垫圈立即更换。离心机腔体盖边缘涂抹真空脂,防止密封圈老化,应定期检查有无变形。

6 每次使用离心机,必须作详细记录,一年作一次统计。对于超速离心机,整机和所用转头都有一定的寿命,整机保用 160亿转,铝转头可用 1000次、2500h,钛转头可使用 5000次、10000h,若到达寿命,必须降级或减速使用。

7 离心机的主要附件是转头和离心管等,使用时应严格按其说明书使用,平时应注意他们的清洁、消毒、保养,若转头离心孔、离心管底或壁上有明显裂纹,就不能使用。

8 不同厂家的转头不能混用,应该是配套使用,否则会减少转头的寿命,甚至损坏离心机。


5 离心机常见故障

1 真空度下降:真空度下降是常见的故障 [9]。对于高速和超速离心机,大部分都设真空装置,目的是让离心腔在运行状态时处于中或高真空状态,减少对转头的摩擦,使其平稳运行。在真空度下降或抽不好时,需要检查真空系统,一般是机械泵油脏、过少,将油更换,真空度就会恢复。

2 离心机不工作:一般离心机是采用串激电机来驱动转头,观看碳刷接触是否良好和磨损程度,磨损厉害的,需要更换碳刷。对于高速、超速离心机。看离心条件是否选择合适,检查传感部分、控制系统和显示单元等,逐步检查就可找出原因。

3 转子卡住转轴:对于小型或台式离心机,很

或不涂抹润滑油,转子卡死在转轴上,这样会严重损伤离心轴和转子。

(4)面板故障提示:对于高速、超速离心机,出现故障时,面板上都会出现故障提示并有报警,针对相应的故障提示符号处理就能解决出现的问题。

总的来说,对离心机的使用要做到“问、闻、看、开、查”[9]。“问”就是询问使用人,在故障前有无异常,有无由机身内部发出的怪味(如电线烧焦的味道),以前是否发生过同类现象,上一次发生故障的时间,在操作过程中是否有违规操作的行为等。“闻”就是闻设备有无异常的味道,如烧糊电线的味道,发霉的味道。“看”就是查看设备的外观是否完好,外壳是否有烧糊的痕迹,水泡过的痕迹,检查转子的磨损情况,密封圈的老化情况等。“开”就是将设备的外壳打开,对机器内部进行仔细观察。“查”就是对机器进行一个系统的全面检查,先易后难、先简后繁、先外部后内部,采用排除法,逐步检查出故障的原因。




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