Під центрифугуванням в техніці розуміють розділення неоднорідних систем у роторах під дією відцентрових сил.
За допомогою центрифугування може проводитися осадження твердих частинок, розділення 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 розділення компонентів якої-небудь рідкої суміші. Осадження білків, відділення опадів, розділення емульсій - найбільш часто зустрічаються 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 отримало широке поширення ще й тому, що біологічні рідини, суспензії можуть при фільтруванні забивати пори фільтрів, чому процес поділу сповільнюється. Крім того, розчини білків при фільтруванні з застосуванням вакууму вспеніваются і частково денатуруються, центрифугування ж у пробірках і судинах позбавлена цих недоліків і дозволяє значно швидше, з меншою витратою сил, провести поділ [50].
Існують фільтруючі центрифуги з проникними стінками барабана, але вони розроблені для відносно великих обсягів осаду, і розраховані на використання в виробничих умовах [14].
При швидкому обертанні ротора центрифуги виникає відцентрова сила, що перевищує силу земного тяжіння у багато разів. Завислі 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 обертового тіла, кг;
G - вага обертового тіла, H;
W - окружна швидкість обертання, м/с;
r - радіус обертання, м;
g - прискорення вільно падаючого тіла.
Окружна швидкість обертання W дорівнює:
де ω - кутова швидкість обертання, рад/с;
n - число оборотів в хвилину. Зіставляючи рівності 1 і 2, маємо
або
Умовно прийнявши значення ваги тіла Про за одиницю, маємо рівняння, що виражає 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 розділяюче
дія 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, розвивається відносна центробіжна сила залежить головним чином від радіуса ротора і числа обертів. При цьому, як випливає з рівняння, збільшення числа оборотів ротора значно більше впливає на зростання відцентрової сили, ніж збільшення радіуса ротора центрифуги. Чим більше відносна центробіжна 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. В каталогах і проспектах багатьох зарубіжних фірм найчастіше вказується величина відносної відцентрової сили, наприклад, 3000 g, 200 000 g і т. д.
Рис. 28. Номограма перерахунку числа обертів на величину фактора поділу центрифуги.
В СРСР для характеристики розділовій здатності центрифуг прийнятий термін - «фактор поділу Fr», який виражається відношенням сил відцентрового поля, створюваного центрифугою, до відношенню сил поля тяжіння (ГОСТ 16887-71).
Поняття «фактор поділу» і «відносна центробіжна сила» рівноцінні і їх значення можуть бути підраховані по одній і тій же номограмою.
Лабораторні центрифуги за характером процесу центрифугування поділяються на центрифуги періодичної дії (з малими обсягами) і центрифуги безперервної дії.
Центрифуги підрозділяються по числу обертів ротора, причому центрифуги з числом обертів у хвилину більше 25 000 відносяться до ультрацентрифугам (суперцентрифугам, сверхцентрифугам).
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.
По конструктивним особливостям ротора розрізняють ротори з хитними склянками (з хрестовиною) і кутові ротори.
Розвиток науки в галузі теоретичної медицини, біології, вірусології, хімії поставило низку проблем щодо 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 ультрацентрифугах.
Зростання вимог до точності експерименту висуває умови, постійно стимулюють конструктивні зміни та удосконалення ультрацентрифуг, відповідні безперервного зростання техніки. Сучасна ультрацентрифуга - це складний комплекс апаратури, що включає вчинені підшипникові опори, повний привід, прилади та обладнання з елементами точної механіки, оптики, електроніки. У деяких сучасних розробках центрифуги працюють спільно з автоматичними програмують і обчислювальними системами.
В аналітичних центрифугах застосовуються три типи приводів:
1. Привід з колекторним електродвигуном і підвищує число оборотів 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 серійно випускаються аналітичних ультрацентрифугах досягають 75 000 об/хв. При цих швидкостях досягнутий найвищий 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° приводить до 5% помилку визначення молекулярної ваги об'єкта [49]. У цьому напрямі ведуться роботи над удосконаленням вимірювальних систем.
Найважливішими системами аналітичних центрифуг є оптичні системи, з допомогою яких здійснюється спостереження і реєстрація положення і форми кордону між рідиною і осадом у клітинці обертового ротора. З існуючих досить складних оптичних систем найбільшою чутливістю володіє система, що використовує світлову абсорбцію, в тому числі в ультрафіолетовій області спектра, що особливо зручно при дослідженнях білкових сполук. Для цих цілей використовується також метод інтерференції в поляризованому світлі.
Методи реєстрації за допомогою фотографування одержуваних результатів в даний час автоматизовані. Одночасно ведуться роботи по автоматизації фотоелектричних систем автоматичної реєстрації, аж до підключення обчислювальної машини, що значно підвищує точність дослідження і одночасно значно прискорює отримання результатів.
Для поділу і дослідження високодисперсних систем і високомолекулярних сполук у дослідних 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 пробірочні центрифуги для роботи з пробірками різного обсягу і кількості.
Багато типів пробіркових центрифуг забезпечені змінними роторами, при цьому в однієї і тієї ж 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 пробирочными центрифугами.
Для зручності користування більшість центрифуг забезпечено включає реостатом, що дозволяє здійснювати плавний пуск, регулювання швидкості обертання. Як правило, збільшення або зменшення оборотів виробляють поступово, зі швидкістю, зазначеною в інструкції з експлуатації даної центрифуги. Різка зміна швидкості обертання центрифуги може призвести до таких небажаних явищ, як виливання вмісту пробірок або до виходу з ладу центрифуги.
Багато сучасні центрифуги забезпечені годинами з пристроєм для автоматичного вимикання її 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, 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. Гальма зазвичай включається автоматично після закінчення заданого часу роботи.
Дотримання наступних вказівок збільшує термін служби центрифуги і забезпечує безпеку роботи:
1. Включення центрифуги здійснюється 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. Врівноважені 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 тертьовими частинами. Гільзи повинні легко і вільно провертатися в цапфах. Періодично, згідно з вказівками інструкції з експлуатації, необхідно проводити змащення підшипників. Тип масла зазвичай вказується в інструкції.
У практичних лабораторіях найчастіше використовуються скляні центрифужні пробірки. У зв'язку з цим необхідно враховувати, що при центрифугуванні найбільше зусилля відчуває дно пробірки, на яке спрямована відцентрова сила. Природно, що сферичне дно скляної пробірки повинно бути достатньо міцним, а для зниження місцевих перевантажень площа опори повинна бути якомога більшою (при опорі на тверду поверхню тиск додається до точки сферичного дна пробірки, що може служити причиною руйнування скла з-за великої перевантаження в даній точці). Тому під дно пробірок підкладають врівноважені прокладки з гуми або іншого м'якого матеріалу, що збільшує площу опори і знижує питому навантаження (навантаження на одиницю площі).
Кутовий ротор в центрифугах дозволяє отримати більшу 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 вісі центрифуги. Осад в похилій пробірці накопичується в напрямку дії відцентрової сили, тобто частина осаду потрапляє на бічну стінку пробірки. Це являє деяку незручність, але в більшості випадків суттєво не заважає.
На рис. 30, а, б показано положення пробірок при центрифугуванні в роторі з хитними склянками і в кутовому роторі, а на рис. 31 зображений зовнішній вигляд роторів з хитними склянками.
Рис. 29.
а - кутовий ротор; б - схематичний розріз кутового ротора.
Рис. 30. Положення пробірок в роторі.
а - в кутовому роторі; б - в роторі з хитними склянками. 1 - поверхня під час обертання; 2-осад.
Рис. 31. Зовнішній вид роторів з хитними склянками.
Для центрифуг з кутовим ротором урівноважування пробірок має менше значення, ніж для центрифуг з хитними склянками, так як маса кутового ротора збалансована і його власна маса у багато разів перевищує масу окремих пробірок.
В сучасних лабораторіях, особливо у 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 зміна активності ферментів, які в тій чи іншій мірі піддаються руйнуванню при звичайній і підвищеній температурі. При великій швидкості обертання в центрифузі завдяки тертю утворюється тепло, підвищує температуру в робочій камері центрифуги. Для пониження температури робочої камери і підтримання її в заданих межах деякі центрифуги обладнані холодильними установками - 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 у нашій країні центрифуг, основні технічні характеристики яких поміщені в порівняльній табл. 3.
