Центрифугирование - это разделение механических смесей на составные части действием центробежной силы. Приборы, применяемые для этой цели, называют центрифугами. Основной частью центрифуги является ротор с монтированными в нем гнездами для центрифужных пробирок. Ротор вращается с большой скоростью, вследствие чего создаются значительные по величине центробежные силы, под действием которых происходит разделение механических смесей, например осаждение взвешенных в жидкости частиц.
Центрифуги: 1 - ручная: 2 - с электроприводом.
В клинических и санитарно-гигиенических лабораториях центрифугирование используют для отделения от плазмы крови, от , плотных частиц от жидкой части мочи и т. д. Для этой цели применяют или ручные центрифуги (рис., 1), или центрифуги с электроприводом, скорость вращения которых можно регулировать (рис., 2).
Ультрацентрифуги, скорость вращения роторов которых превышает 40 000 об/мин, применяют обычно в экспериментальной практике для разделения органелл клеток, отделения коллоидных частиц, макромолекул и т. д.
Центрифугирование - это разделение грубодисперсных систем, состоящих из жидких и твердых компонентов с разными плотностями, при помощи специальных аппаратов, называемых центрифугами. Принцип действия центрифуги основан на создании большой центробежной силы, под влиянием которой скорость разделения компонентов смеси, помещенной в центрифугу, увеличивается во много раз по сравнению со скоростью разделения их под действием силы тяжести.
Метод центрифугирования широко применяется в биологии, медицине и технике, нередко заменяя процессы фильтрования, отстаивания и отжимания.
Центрифуга имеет корпус, механизм привода, ротор, рабочую (ограждающую) камеру и панель управления. Некоторые центрифуги снабжены электрочасами, обеспечивающими автоматическое выключение и торможение в диапазоне от 5 до 60 мин. Специальные центрифуги имеют холодильные и вакуумные установки с приборами слежения и автоматического управления. Основная часть любой центрифуги - ротор (в лабораторных центрифугах он обычно располагается на вертикально установленном валу электродвигателя или вращается посредством различных передач от вала двигателя, иногда даже вручную). Ротор центрифуги представляет собой диск (крестовину) с шарнирно закрепленными гнездами для металлических гильз, в которых помещаются пробирки, принимающие при вращении горизонтальное положение.
Иногда ротор делают в виде сплошного металлического усеченного конуса с ячейками для пробирок (угловой ротор); пробирки в нем располагаются под постоянным углом к оси вращения (обычно в 40°). При наклонном положении пробирок происходит расслоение компонентов смеси более быстро. Разделение смеси ведется в пробирках самой разнообразной формы и объема (рис. 1). При работе на больших скоростях используют пробирки из полиэтилена, так как стеклянные лопаются. Расположенные в роторе одна против другой пробирки с обрабатываемым материалом должны быть уравновешены. Этим осуществляется равномерная нагрузка на вал ротора и обеспечивается равномерное вращение вала центрифуги. Для уравновешивания пробирок применяют особые весы (рис. 2).
Рис. 1. Пробирки для центрифугирования.
Рис. 2. Центрифужные весы.
Центрифуги, применяемые в промышленности, отличаются от лабораторных более сложным устройством ротора, позволяющим центрифугировать большое количество материала одновременно или же вести процессы разделения непрерывно.
Центрифуги с небольшой скоростью вращения ротора употребляются в медицине для отделения осадков мочи, сыворотки крови от сгустков, осаждения эритроцитов, при серологических исследованиях и т. д.
Микроцентрифуга (рис. 4) приводится в действие вручную; оборудована двумя сменными насадками, одна из которых имеет гнезда для микропробирок и применяется при определении совместимости крови; другая - с гнездом для вкладывания градуированной микропипетки (гематокрит) - предназначается для определения процентного содержания форменных элементов крови.
Рис. 3. Ручная центрифуга.
Рис. 4. Микроцентрифуга.
Ручная центрифуга (рис. 3) имеет четыре металлические или пластмассовые гильзы для пробирок по 15 мл.
Лабораторная клиническая центрифуга ЦЛК-1 (рис. 5, 7)имеет три скорости вращения (1000, 1500, 3000 об/мин). Ротор-крестовина приспособлен для 12 обычных центрифужных пробирок. Наибольший объем центрифугируемой жидкости - 150 мл.
Центрифуги с большой скоростью вращения ротора в большинстве случаев снабжены сменными роторами, рассчитанными на различные объемы жидкости, и применяются для разделения тонкодисперсных взвесей.
Лабораторная настольная центрифуга ЦЛН-2 (рис. 5, 2) имеет угловой ротор на шесть коротких пробирок общей емкостью 72 мл. Максимальная скорость вращения -9000 об/мин.
Рис. 5. Различные лабораторные центрифуги: 1 - клиническая; 2 - настольная; 3 - угловая малогабаритная; 4 - стационарная; 5 - рефрижераторная.
Угловая малогабаритная центрифуга ЦУМ-1 (рис. 5, 3) имеет три сменных угловых ротора с различным количеством пробирок и гематокрит: ротор для 6 пробирок общей емкостью 150 мл, ротор для 10 пробирок общей емкостью 120 мл, ротор для 24 пробирок общей емкостью 120 мл, гематокрит для двух капилляров. Максимальная скорость вращения- 10 000 об/мин.
Центрифуга снабжена электрочасовым механизмом.
Лабораторная стационарная центрифуга ЦЛС-2 (рис. 5, 4) имеет два сменных ротора. Ротор-крестовина снабжен четырьмя стальными гильзами емкостью по 500 мл и четырьмя стеклянными пробирками к ним емкостью по 250 мл. Угловой ротор снабжен 8 полиэтиленовыми и стальными пробирками емкостью 50-75 мл. Максимальное вращение роторов до 6000 об/мин. Центрифуга снабжена электрочасовым механизмом.
К числу специальных центрифуг относится лабораторная рефрижераторная центрифуга ЦЛР-1 (рис. 5,5), предназначаемая для центрифугирования при пониженных температурах (-5° и выше) различных изменяющихся даже при комнатной температуре веществ - большей частью белковых суспензий. Центрифуга имеет три сменных ротора, обеспечивающих различные режимы центрифугирования. Два ротора идентичны но техническим характеристикам роторам центрифуги типа ЦЛС-2, третий ротор, надевающийся на добавочную ось, развивает 18 000-18 500 об/мин. Максимальный объем исследуемого препарата -48 мл. Центрифуга снабжена электрочасовым механизмом. Охлаждение рабочей камеры осуществляется при помощи холодильной машины.
См. также Ультрацентрифугирование.
Потребность разделения смеси, состоящей из частиц различного размера, на более однородные фракции существует во многих областях. Одним из наиболее эффективных, простых и бюджетных способов, позволяющих справить с поставленной задачей, является центрифугирование. Как правило, для его реализации требуются специальные аппараты, лабораторная посуда, а также вспомогательное оборудование, такое как сушильные шкафы .
Классификация методов
В настоящее время существуют три вида центрифугирования:
- фильтрование;
- отстаивание;
- осветление.
Фильтрование проводится в центрифугах с дырчатыми барабанами, внутрення поверхность которых покрыта тканью. В процессе вращения рабочей полости, происходит осаждение частиц твердой фазы на материю: постепенное уплотнение слоя и его последующее удаление.
Центробежное отстаивание в некоторой степени отличается от фильтрования. Для его реализации используются более сложные конструкции. Неоднородная смесь постепенно поступает в рабочую полость, совершающую вращательные движения вокруг своей оси. В результате твердая фаза осаждается на стенки барабана, а жидкая - вытесняется за его пределы регулярно поступающей из нижнего отверстия неоднородной смесью.
Центробежное осветление позволяет разделять более тонкие коллоидные растворы. В процессе вращения барабана происходит образование градиента плотности. Причем более легкие жидкости скапливаются в центре, а более тяжелые - на периферии.
Применение центрифугирования
Благодаря простоте реализации процесса, данный способ разделения растворов нашел применение в следующих областях:
- промышленности;
- медицине;
- науке.
Метод на протяжении многих лет активно используется в процессе добычи нефти для повышения ее качества путем удаления воды из состава. В медицине с его помощью проводят такие операции, как:
- выделение тромбоцитарной массы;
- получение очищенных образцов для плазмафареза;
- синтез эритроцитарной массы.
Кроме того, центрифугирование в совокупности с современным оборудованием, таким как шкафы сушильные , позволяет подготовить кровь для переливания.
Метод центрифугирования основан на различном поведении частиц в центробежном поле, создаваемом центрифугой. Образец, находящийся в сосуде для центрифугирования, помещают в ротор, который приводится в движение приводом центрифуги. Для разделения смеси частиц необходимо выбрать набор условий, таких как скорость вращения, время центрифугирования и радиус ротора. Для сферических частиц скорость осаждения (седиментации) зависит не только от ускорения, но и от радиуса и плотности частиц, а так же от вязкости среды, в которой производится осаждение образца.
Центрифугирование можно разделить на два вида: препаративное и аналитическое. Препаративное центрифугирование используется в случае, когда необходимо выделить часть образца для дальнейших исследований. Этот метод применяется для выделения клеток из суспензии, биологических макромолекул и т.д.
Аналитическое центрифугирование применяется для изучения поведения биологических макромолекул в центробежном поле. Данный метод позволяет получать данные о массе, форме и размерах молекул, находящихся в относительно небольших объемах образца. В повседневной практике работы в лаборатории чаще всего встречается препаративное центрифугирование.
Препаративные лабораторные центрифуги , в свою очередь, подразделяются на группы по назначению: препаративные ультрацентрифуги, центрифуги общего назначения и скоростные центрифуги. Центрифуги общего назначения имеют самое большое практическое применение в медицинских лабораториях, имеют максимальную скорость до 6 тысяч об/мин. Основной особенностью данного вида приборов является их относительно большая емкость – до 6 литров, что позволяет использовать для центрифугирования не только центрифужные пробирки объемом до 100 мл, но и емкости до 1.25 литра. Во всех центрифугах общего назначения роторы жестко крепятся на валу привода, поэтому центрифугируемые емкость должны быть довольно точно уравновешены. Чтобы избежать поломки, не следует загружать в ротор нечетное количество пробирок, при неполной загрузке емкость следует размещать друг напротив друга.
Скоростные центрифуги имеют предельную скорость 25 тыс. об/мин и ускорение до 89 тыс g. Камеру, в которой находится ротор и центрифугирумеые образцы, оснащают системой охлаждения для предотвращения нагревания, возникающего от трения при вращении ротора на больших скоростях. Обычно, такие центрифуги могут работать с объемом до 1.5 литра и оснащаются угловыми роторами или роторами со сменными стаканами.
Препаративные ультрацентрифуги разгоняются до 75000 об/мин и имеют максимальное центробежное ускорение 510 тыс g. Их оснащают холодильной и вакуумной установками, для предотвращения перегрева ротора от трения о воздух. Роторы для этих центрифуг изготавливают из высокопрочных титановых или алюминиевых сплавов. Вал ультрацентрифуг, в отличие от скоростных и препаративных, делается гибким для уменьшения вибрации при нарушении равновесия ротора. Емкости в роторе должны быть тщательно уравновешены с точностью до одной десятой грамма.
Помимо фильтрования, разделение смеси жидкого и твердого веществ возможно также путем центрифугирования, т. е. разделения веществ в приборах, называемых центрифугами.
Применение центрифуги основано на использовании центробежной силы . При быстром вращении (центрифугировании) взвешенные в жидкости твердые частицы (с большей" плотностью, чем плотность жидкости) под дейт ствием развивающейся при вращении центробежной силы отбрасываются от центра и таким путем отделяются от жидкости.
Рис. 407. Аппарат Тиссена для микроаналитических работ
Рис. 408. Ручная центрифуга
Центрифуги бывают: открытые и закрытые, с ручным и механическим приводом. Основной частью открытой ручной центрифуги (рис. 408) является вертикально поставленная вращающаяся ось, перпендикулярно которой на верхнем конце ее прикреплена планка с подвижно укрепленными двумя (или четырьмя) металлическими,гильзами. В эти гильзы вставляют специальные сужен-, ные книзу пробирки (рис. 409) с жидкостью, из которой нужно удалить взвешенные частицы,
На дно гильзы кладут кусочек ваты, «чтобы избежать прямого соприкосновения стекла с металлом. Когда пробирки вставлены в гильзы, центрифугу приводят в движение и через некоторое время (зависящее от вязкости жидкости, размеров взвешенных частиц и разности плотностей) происходит отделение взвешенных твердых частиц от жидкости, после чего центрифугу останавливают. На дне пробирки собирается плотный осадок твёрдого вещества, над которым находится чистая жидкость.
Закрытые центрифуги (рис. 410) в зависимости от величины содержат различное количество гильз, от 2 до 12 и больше, расположенных симметрично на одинаковом расстоянии друг от друга и от оси центрифуги.
Механические закрытые центрифуги (рис. 410, б) более удобны, чем ручные (рис. 410, а). Они дают обычно 2000- 3000 об/мин, позволяют достигнуть более совершенного разделения жидкости и твердого вещества.
Пробирки для центрифуг после наполнения жидкостью должны иметь одинаковую массу. Там, где центрифугой приходится пользоваться часто, рекомендуется иметь специальные весы, приспособленные для взвешивания (вернее, тарирования) пробирок. В указанных весах чашки подвешивают к коромыслу при помощи стержней, прикрепленных к центру чашек. На этих стержнях имеются кольца, в которые вставляют пробирки.
Укрепив пробирки, сперва наливают жидкость, подлежащую центрифугированию, в одну пробирку (при помощи, например, пипетки), а затем во вторую, добиваясь уравновешивания чашек.
Никогда не следует наливать в пробирки слишком много жидкости; пробирки наполняют так, чтобы расстояние от края до уровня жидкости было не меньше 10 мм.
Когда нужно уравновесить много пробирок, целесообразно применять следующий прием. Уравновесив первую пару пробирок, одну из них вынимают и помещают в гнездо центрифуги, а другую оставляют на весах; эта последняя пробирка будет служить эталоном для остальных в освободившееся на весах место вставляют другую пробирку, уравновешивают с эталоном и убирают. Целесообразно также предварительно наполнить пробирки (взяв количество жидкости несколько меньше, нужного) и уже при уравновешивании добавлять необходимое количество жидкости. Такой прием ускоряет работу.
Рис. 409. Пробирки для центрифуг.
Уравновешенные пробирки вставляют в гнезда центрифуги.
Центрифугу следует пускать не сразу на полный ход, а постепенно. Это относится как к ручным, так и к ме* ханическим центрифугам.
Рис. 410. Закрытые центрифуги: а - с ручным приводом; б - с электромотором.
Механические центрифуги для регулирования ско--рости имеют соответствующие приспособления. Так, электрические центрифуги снабжены реостатами для постепенного включения на полное число оборотов. У центрифуг, приводимых в движение от водяной турбины, постепенность нарастания скорости движения достигается регулированием струи воды. Чем осторожнее было проведено включение, тем надежнее работает центрифуга.
За центрифугой следует постоянно наблюдать; недопустимо загрязнение ее, в особенности движущихся частей. Металлические гильзы должны легко и свободно поворачиваться. Шестерни, приводящие во вращение центрифугу, должны иметь легкий ход; их нельзя смазывать такими смазками, которые могут загустеть. Ось центрифуги также должна быть в порядке и всегда чистой.
При неосторожном обращении с центрифугами, особенно ручными, можно согнуть ось и этим вывести.центрифугу из строя.
После выключения центрифуге дают остановиться самор и только после этого вынимают пробирки.
В последнее время начинают приобретать все большее распространение так называемые суперцентрифуги, дающие до 40 000 об/мин (рис. 411).
Рис. 411 суперцентрифуга
Такие центрифуги особенно удобны для центрифугирования всякого рода вязких растворов, например лаков, тонких дисперсий, а также эмульсий.
Жидкость, подлежащая суперцен-трифугированию, поступает в патрубок1, расположенный в Нижней части аппарата. Затем жидкость выливается в рабочий цилиндр 2, вращающийся со скоростью до 40 ООО об/мин, в котором происходит отделение бйлее тяжелых частиц, взвешенных в жидкости. Жидкость постепенно поднимается по цилиндру 2 вверх до разделителя 5, и если разрушают эмульсию, то более легкая жидкость вытекает по стоку 8, а более тяжелая - по стоку 4. При отделении твердых частиц с плотностью больше единицы жидкость вытекает по стоку 3. На внутренней стенке рабочего цилиндра откладыкается отделяемый твердый осадок. Суперцентрифуга. Время от времени суперцентрифугу останавливают, извлекают рабочий цилиндр 2, очищают его от осддка и, снова поставив на место, продолжают работу. Весь процесс очистки рабочего цилиндра, от момента остановки до момента нового пуска суперцентрифуги, занимает не более 15 мин. Если приходится очищать сравнительно большие количества жидкости, то пользуются тремя8 суперцентрифугами: одна - работает, Другую - очищают, третья - в резерве,
Центрифугирование
способ разделения неоднородных, дисперсных жидких систем в поле центробежных сил (центрифугатном поле). Обладает более высокой способностью к разделению, чем отжимание, отстаивание и фильтрование. Ц. осуществляют в центрифугах, принцип работы к-рых основан на создании центробежной силы, увеличивающей скорость разделения компонентов смеси по сравнению со скоростью их разделения только под влиянием силы тяжести. Эффективность центрифуги оценивают по «фактору разделения» К, к-рый рассчитывают по формуле: К= (2p n) 2 r/g, где n -число оборотов в мин; r-радиус вращения ротора;g - ускорение свободного падения. В практике чаще с этой целью применяют g, к-рое может быть найдено из вышеприведенной формулы или по формуле g=l,117 x l0 -5 N 2 r, где N-число оборотов; г- радиус. Центрифуги состоят из корпуса, двигателя, ротора, механизма передачи, рабочей камеры и панели управления. Гнезда для пробирок или стаканов для более быстрого разделения компонентов смеси располагают под углом (в угловых роторах) или они принимают такое положение при вращении горизонтального ротора. Различия в скоростях седиментации частиц смеси увеличиваются при увеличении плотности среды, в к-рой происходит разделение. В связи с этим иногда Ц. проводят в плотной среде, напр., в р-ре сахарозы. В микробиологии Ц. используют для осаждения микробов, освобождения микробной взвеси от грубых примесей, увеличения плотности микробов в ед. объема и для др. целей. В зависимости от массы микробов применяют различные типы центрифуг. В вирусологии и иммунологии обычно нужны центрифуги с высоким фактором разделения, т. н. супер- и ультрацентрифуги. Для осаждения бактерий лучше использовать центрифуги с фактором разделения около 7 тыс. (9-10 тыс. об/мин). Осаждение грибов, простейших, животных клеток, грубых примесей проводят на центрифугах с малым фактором разделения (1,5 -3 тыс. об/мин). При малых концентрациях процесс оседания частиц затягивается. Его можно ускорить добавлением коагулянта или, напр., убитых бактерий этого же вида. Процесс Ц. начинают с уравновешивания на специальных весах стаканов с содержащими жидкость пробирками, располагающимися в роторе друг против друга. На дно стаканов следует поместить резиновые прокладки. Перед Ц. крышку центрифуги плотно закрывают, включают двигатель, скорость оборотов ротора постепенно увеличивают, доводя до заданной. По истечении времени Ц. двигатель выключают, крышку открывают после полной остановки ротора. При Ц. живых микробов необходимо строго соблюдать правила асептики и техники безопасности. Ц. взвесей, содержащих микробы, лучше проводить в стеклянных или др. надежно стерилизующихся пробирках. Ватную пробку следует обогнуть вокруг края пробирки или стакана и прижать резиновым кольцом. Использование металлических колпачков допустимо только при малых скоростях вращения. Пробирки не следует наполнять более чем на 1 см. от края. Применять для Ц. обычные пробирки или бутылки нельзя. См. улътрацентрифуга.
(Источник: «Словарь терминов микробиологии»)
- - Рис. 1. Центрифуги. Рис. 1. Центрифуги:1 лабораторная настольная ЦЛН-2;2 лабораторная рефрижераторная ЦЛР-1...
Ветеринарный энциклопедический словарь
- - разделение в поле центробежных сил жидких дисперсных систем с частицами размером более 100 нм. Используют для выделения составляющих фаз из двухкомпонентных и трехкомпонентных систем. Методы и аппаратура...
Химическая энциклопедия
- - разделение неоднородных систем с помощью центробежных сил; применяется для разделения суспензий, осветления загрязнённых жидкостей, классификации шламов по крупности твёрдых частиц и т.д....
Термины атомной энергетики
- - density gradient centrifugation - ...
- - sucrose equilibrium density gradient centrifugation - .Метод разделения макромолекул на основании их коэффициента седиментации
: разделяемая смесь наносится на поверхность раствора с градиентом концентрации сахарозы <... Молекулярная биология и генетика. Толковый словарь
- - cesium chloride equilibrium density gradient centrifugation - .Mетод центрифугирования в градиенте плотности
Молекулярная биология и генетика. Толковый словарь - - разделение неоднородных смесей на составные части различной плотности с помощью центрифуги...
Большой медицинский словарь
- - способ бетонирования в стальных формах отдельных железобетонных изделий с использованием эффекта центробежной силы, создаваемой центрифугой при большой частоте вращения...
