Під центрифугуванням в техніці розуміють поділ неоднорідних систем в роторах під дією відцентрових сил.
За допомогою центрифугування може проводитися осадження твердих частинок, поділ емульсій, фільтрування, поділ високомолекулярних сполук по щільності. Для кожного виду роботи існують спеціально розроблені конструкції центрифуг [10].
У практиці роботи лабораторій дуже часто доводиться вдаватися до операції механічного поділу компонентів якої-небудь рідкої суміші. Осадження білків, відділення опадів, поділ емульсій - найчастіші підготовчі операції. І хоча деяка частина цих операцій може бути виконана шляхом фільтрування, в більшості випадків для цієї мети використовуються Центрифуги. Пояснюється це рядом переваг центрифугування: більшою швидкістю поділу, можливістю одночасної обробки серії зразків, проведенням поділу в одній посудині.
Ці переваги дозволяють економити робочий час, підвищувати продуктивність праці на підготовчих роботах.
Центрифугування в медико-біологічних лабораторіях набуло широкого поширення ще й тому, що біологічні рідини, суспензії можуть при фільтруванні забивати пори фільтрів, через що процес поділу сповільнюється. Крім того, розчини білків при фільтруванні із застосуванням вакууму вспеніваются і частково денатуруються, центрифугування ж в пробірках і судинах позбавлене цих недоліків і дозволяє значно швидше, з меншою витратою сил, провести поділ [50].
Існують фільтруючі центрифуги з проникними стінками барабана, але розроблені вони для відносно великих обсягів осаду, і розраховані на використання у виробничих умовах [14].
При швидкому обертанні ротора центрифуги виникає відцентрова сила, що перевищує силу земного тяжіння в багато разів. Зважені в рідині частинки більшої щільності, ніж щільність рідини, відкидаються від центру і відділяються від неї.
Розглянемо деякі загальні закономірності центрифугування.
Загальна відцентрова сила З виражається рівнянням
де m - маса тіла, що обертається, кг-
G - вага тіла, що обертається, H-
W - окружна швидкість обертання, м / с-
r - радіус обертання, м-
g - прискорення вільно падаючого тіла.
Окружна швидкість обертання W дорівнює:
де? - Кутова швидкість обертання, рад / с-
n - число обертів на хвилину. Зіставляючи рівності 1 і 2, маємо
або
Прийнявши умовно значення ваги тіла Про за одиницю, маємо рівняння, лист відносну відцентрову силу або фактор поділу Fr:
Fr = 1,117rn2· 10-3. (5)
Останній вираз перетворено з метою зручності підрахунків.
Фактор поділу є важливою характеристикою центрифуги, так як при інших рівних умовах розділяє
дію центрифуги зростає пропорційно величині Fr. Порівнюючи розвиваються різними центрифугами значення Fr, ми можемо оцінити розділову здатність цих центрифуг. При цьому в одній і тій же центрифузі можна підрахувати значення Fr в різних точках пробірки, якщо відомо число обертів і радіус цієї точки від центру.
Як видно з рівняння 5, що розвивається відносна відцентрова сила залежить головним чином від радіуса ротора і числа його оборотів. При цьому, як випливає з рівняння, збільшення числа обертів ротора значно більше впливає на зростання відцентрової сили, ніж збільшення радіусу ротора центрифуги. Чим більше відносна відцентрова сила, що розвивається центрифугою, тим вище її розділова здатність і тим швидше може бути завершений процес центрифугування.
Для швидкого підрахунку значення Fr є номограми, одна з яких представлена на рис. 28. У каталогах і проспектах багатьох зарубіжних фірм найчастіше вказується величина відносної відцентрової сили, наприклад, 3000 g, 200000 g і т. Д.
Рис. 28. Номограма перерахунку числа обертів в величину фактора поділу центрифуги.
У СРСР для характеристики розділової здатності центрифуг прийнятий термін - «фактор поділу Fr», який виражається відношенням сил відцентрового поля, створюваного центрифугою, до відношення сил поля тяжкості (ГОСТ 16887-71).
Поняття «фактор поділу» і «відносна відцентрова сила» рівноцінні і їх значення можуть бути підраховані за однією і тією ж номограмме.
Лабораторні центрифуги за характером процесу центрифугування поділяються на центрифуги періодичної дії (з малими обсягами) і центрифуги безперервної дії.
Центрифуги підрозділяються по числу оборотів ротора, причому центрифуги з числом оборотів в хвилину більше 25 000 відносяться до Ультрацентрифуги (суперцентріфугам, сверхцентріфугам).
З метою зниження температури в камері розроблені вакуумні, рефрижераторні та вакуумно-рефрижераторні центрифуги.
За призначенням центрифуги підрозділяють також на препаративні, аналітичні, препаративно-аналітичні.
За характером установки на опорній поверхні центрифуги підрозділяють на переносні (у тому числі настільні), пересувні, стаціонарні.
За конструктивними особливостями ротора розрізняють ротори з хитними склянками (з хрестовиною) і кутові ротори.
Розвиток науки в галузі теоретичної медицини, біології, вірусології, хімії поставило ряд проблем з вивчення властивостей і структури клітини, поділу складних сумішей на молекулярному рівні, визначення форми і розмірів молекул. У вирішенні цих проблем велику роль відіграють препаративні та аналітичні дослідження, що проводяться на центрифугах і Ультрацентрифуги.
Зростання вимог до точності експерименту висуває умови, постійно стимулюють конструктивні зміни та удосконалення ультрацентрифуг, відповідні безперервного росту техніки. Сучасна Ультрацентрифуга - це складний комплекс апаратури, що включає вчинені підшипникові опори, привід, прилади та обладнання з елементами точної механіки, оптики, електроніки. У деяких сучасних розробках центрифуги працюють спільно з автоматичними програмуючими і обчислювальними системами.
В аналітичних центрифугах застосовуються три типи приводів:
1. Привід з колекторним електродвигуном і підвищує число обертів редуктором.
2. Безредукторний електропривод з використанням асинхронних і синхронних двигунів, а також електродвигунів постійного струму.
3. Привід з пневматичної турбіною.
Приводи проектованих центрифуг розраховуються на стабільність миттєвої кутової швидкості обертання ротора порядку 0,1-0,2%. Максимальні швидкості обертання в серійно випускаються аналітичних Ультрацентрифуги досягають 75 000 об / хв. При цих швидкостях досягнутий найбільш високий фактор поділу 500 000 [35].
Велика увага приділяється методу вимірювання температури в камері обертового ротора, оскільки відомо, що помилка у вимірюванні температури в 0,1 ° призводить до 5% помилку визначення молекулярної ваги об'єкта [49]. У цьому напрямку ведуться роботи над удосконаленням вимірювальних систем.
Найважливішими системами аналітичних центрифуг є оптичні системи, за допомогою яких здійснюється спостереження і реєстрація положення і форми кордону між рідиною і осадом в комірці обертового ротора. З існуючих дуже складних оптичних систем найбільшою чутливістю володіє система, що використовує світлову абсорбцію, у тому числі в ультрафіолетовій області спектра, що особливо зручно при дослідженнях білкових з'єднань. Для цих цілей використовується також метод інтерференції в поляризованому світлі.
Методи реєстрації за допомогою фотографування одержуваних результатів в даний час автоматизовані. Одночасно ведуться роботи з автоматизації фотоелектричних систем автоматичної реєстрації, аж до підключення обчислювальної машини, що значно підвищує точність дослідження і одночасно набагато прискорює отримання результатів.
Для розділення і дослідження високодисперсних систем і високомолекулярних сполук в дослідницьких лабораторіях отримали застосування препаративні ультрацентрифуги з фактором поділу до 1 200 000 [32]. Такі центрифуги застосовуються для дослідження білків, вірусів та іншого біологічного матеріалу. Ротор цих центрифуг обертається у вакуумній камері (вакуум не менше 10-3 мм рт. ст.). Електронні пристрої контролюють температурний режим і частоту обертання ротора.
Найбільш широко представлені в лабораторіях центрифуги періодичної дії. До них відносяться в основному пробіркових центрифуги для роботи з пробірками різного об'єму і кількості.
Багато типів пробіркових центрифуг забезпечені змінними роторами, при цьому в одній і тій же центрифузі за умови зміни ротора можна центрифугувати пробірки різного розміру. Такі центрифуги досить універсальні.
Нижче викладені деякі практичні вказівки, які можуть бути корисні при роботі з пробірочними центрифугами.
Для зручності користування більшість центрифуг забезпечено включає реостатом, що дозволяє здійснювати плавний пуск і регулювання швидкості обертання. Як правило, збільшення або зменшення обертів виробляють поступово, зі швидкістю, зазначеної в інструкції з експлуатації даної центрифуги. Різка зміна в швидкості обертання центрифуги може призвести до таких небажаних явищ, як виливання вмісту пробірок або до виходу з ладу центрифуги.
Багато сучасних центрифуги забезпечені годинами з пристроєм для автоматичного виключення її після закінчення заданого часу роботи. Слід ретельно дотримуватися порядок включення годин і самої центрифуги. Центрифуги з великою масою ротора вимагають багато часу для зупинки. Багато центрифуги забезпечені автоматичним гальмом, що скорочують час зупинки центрифуги після вимкнення. Якщо зупинка ротора без гальмування може затягнутися на 15-30 хв, то за допомогою гальма плавна зупинка відбувається в кілька разів швидше. Гальмо зазвичай включається автоматично після закінчення заданого часу роботи.
Дотримання наступних вказівок збільшує термін служби центрифуги і забезпечує безпеку роботи:
1. Включення центрифуги проводиться плавно, без перевищення допустимої швидкості обертання.
2. Запобіжна кришка повинна бути закрита як під час пуску і зупинки, так і під час роботи центрифуги, що необхідно з міркувань безпеки.
3. Пробірки з рідиною повинні бути попарно врівноважені. Урівноважені пробірки встановлюються в діаметрально протилежні гнізда.
4. При появі значної вібрації центрифугу потрібно вимкнути і усунути причину. Найчастіше причиною вібрації є нерівність ваги парних пробірок або поломка однієї з них.
5. Необхідно стежити за тим, щоб під усіма скляними пробірками були амортизуючі прокладки, а також щоб у гільзах або склянках не залишалися осколки скла або інші тверді частинки. Це дозволяє попередити поломку пробірок, а разом з тим, і втрату аналізованої проби.
6. Необхідно стежити за всіма трущимися частинами. Гільзи повинні легко і вільно провертатися в цапфах. Періодично, згідно з вказівками інструкції з експлуатації, необхідно робити змащування підшипників. Тип масла зазвичай вказується в інструкції.
У практичних лабораторіях найчастіше використовуються скляні центрифужні пробірки. У зв'язку з цим необхідно враховувати, що при центрифугировании найбільше зусилля відчуває дно пробірки, на яке спрямована відцентрова сила. Природно, що сферичне дно скляної колби має бути достатньо міцним, а для зниження місцевих перевантажень площу опори повинна бути якомога більшою (при опорі на тверду поверхню тиск додається до точки сферичного дна пробірки, що може служити причиною руйнування скла через велику перевантаження в даній точці). Тому під дно пробірок підкладають врівноважені прокладки з гуми або іншого м'якого матеріалу, що збільшує площу опори і знижує питоме навантаження (навантаження на одиницю площі).
Кутовий ротор в центрифугах дозволяє отримати велику швидкість обертання за рахунок менших втрат на тертя. Кутовий ротор має гладку зовнішню поверхню типу усіченого конуса, в якому зверху розташовані отвори для пробірок (рис. 29, а, б). Ці пробірки знаходяться під постійним кутом (40-50 °) до осі центрифуги. Осад в похилій пробірці накопичується в напрямку дії відцентрової сили, т. Е. Частина осаду потрапляє на бічну стінку пробірки. Це представляє деяку незручність, але в більшості випадків суттєво не заважає.
На рис. 30, а, б показано положення пробірок при центрифугировании в роторі з хитними склянками і в кутовому роторі, а на рис. 31 зображений зовнішній вигляд роторів з хитними стаканами.
Рис. 29.
а - кутовий ротор- б - схематичний розріз кутового ротора.
Рис. 30. Положення пробірок в роторі.
а - в кутовому роторе- б - в роторі з хитними стаканами. 1 - поверхня під час обертання- 2 -осадок.
Рис. 31. Зовнішній вигляд роторів з хитними стаканами.
Для центрифуг з кутовим ротором урівноваження пробірок має менше значення, ніж для центрифуг з хитними склянками, так як маса кутового ротора збалансована і його власна маса багаторазово перевищує масу окремих пробірок.
У сучасних лабораторіях, особливо в науково-дослідних, необхідні центрифуги, забезпечені охолоджуючими пристроями, що дозволяють підтримувати необхідну знижену температуру робочої камери. Справа в тому, що при роботі з біологічним матеріалом при біохімічних дослідженнях потрібно попередити зміну активності ферментів, які в тій чи іншій мірі схильні до руйнування при звичайній і підвищеній температурі. При великій швидкості обертання в центрифузі завдяки тертю утворюється тепло, що підвищує температуру в робочій камері центрифуги. Для зниження температури робочої камери і підтримки її в заданих межах деякі центрифуги обладнані холодильними установкамі- рефрижераторами [19].
З метою зменшення тертя при обертанні високооборотних центрифуг, а також для зменшення тепловиділення частина центрифуг (ультрацентрифуг) обладнана вакуумною установкою.
Нижче описані деякі особливості і дані випускаються або розроблених в нашій країні центрифуг, основні технічні характеристики яких поміщені в порівняльній таблиці. 3.