Доклад на тему центрифугирование

Обновлено: 02.07.2024

Выполнила:
Студентка гр.7302
Дижонкова Д.АПроверила:
Ассистент кафедры биохимии и клинико-лабораторной диагностики
к.м.н. Набиуллина Р.М.

ВВЕДЕНИЕ 3
Строение центрифуги 4
Классификация центрифуг 5
Описание фильтрующей центрифуги 7
Маятниковая центрифуга. Характеристики 8
Центрифуга с механизированной нижней выгрузкой осадка. Характеристики 9
Подвесная центрифуга. Описание 9
Центрифуга сножевой выгрузкой осадка. Характеристики 10
Центрифуга с пульсирующей выгрузкой осадка. Описание 11
Многокаскадная центрифуга с пульсирующей выгрузкой осадка. Описание 13
Лабораторная центрифуга 13
Виды центрифугирования 15
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 19
Список используемых источников: 20

Одним из распространенных способов разделения неоднородных жидких систем является центрифугирование, осуществляемое вспециальных машинах - центрифугах.
Центрифуга (от лат. centrum — центр и fuga — бегство, бег), аппарат для осуществления центрифугирования.
Центрифугирование - это механический способ разделения неоднородных систем, в основе которого лежит разность плотностей материалов. Центрифуги работают на принципе разделения различных по плотности веществ. В них вещества с максимальным удельным весом, а значит, сбольшей плотностью перемещаются ближе к периферии. Метод центрифугирования основан на воздействии центробежного силового поля на неоднородную систему, состоящую из двух или более фаз - суспензию (жидкость - твердое вещество), эмульсию (жидкость - жидкость), аэрозоли (газ - твердое вещество или газ - жидкость).
В лабораторной практике чаще всего применяют препаративное центрифугирование, основанное наразличиях в скорости седиментации частиц, отличающихся друг от друга плотностью и размерами. Разделяемый материал (в лабораториях это чаще всего кровь) по мере увеличения скорости центробежного ускорения распределяется по плотности и размерам частиц вдоль пробирки. На дно пробирки осаждаются форменные элементы крови, в надосадке — плазма или сыворотка крови.

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 располагаетсяна 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 конусас 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. При работе на больших скоростях используют пробирки из полиэтилена, так как стеклянные лопаются. Расположенные в ротореодна 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.

Классификация центрифуг в общем случае возможна по следующим параметрам:
1. по типу организации.

центрифугирование представляет собой метод, способ или процедуру, которая механически или физически разделяет молекулы или частицы с различной плотностью и которые также присутствуют в жидкой среде. Его краеугольным камнем является применение центробежной силы, примененной командой под названием центробежная сила.

Центрифугированием компоненты жидкой пробы могут быть разделены и проанализированы. Среди этих компонентов различные классы молекул или частиц. В качестве частиц различные клеточные фрагменты относятся к органеллам клеток, даже к нескольким типам клеток, среди прочих..

Теодор Седжер считается одним из главных пионеров исследований в области центрифугирования. Нобелевская премия 1926 года определила, что молекулы или частицы с их собственными размерами имеют разные коэффициенты седиментации S. "S" происходит от Сведжера, в честь его работ.

Следовательно, частицы обладают характерными скоростями седиментации. Это означает, что не все ведут себя одинаково под действием центробежной силы, выраженной в оборотах в минуту (об / мин), или в зависимости от радиуса ротора (относительная центробежная сила)., г).

К числу факторов, определяющих S и скорость его, относятся, например, характеристики молекул или частиц; свойства среды; методика или метод центрифугирования; и тип используемой центрифуги, среди других аспектов.

Центрифугирование классифицируется в соответствии с его полезностью. В препаративной форме, когда ограничено разделение компонентов образца; и в аналитике, когда он также стремится анализировать отделенную молекулу или частицу. С другой стороны, он также может быть классифицирован в соответствии с условиями процесса.

Центрифугирование в его различных видах имеет важное значение для развития научных знаний. Используемый в исследовательских центрах, он облегчил понимание сложных биохимических и биологических процессов, среди многих других.

1 Что это? (Процесс)
- 1.1 Основа центрифугирования
- 1.2 Центробежная сила
- 2.1 Типы роторов
- 3.1 Препаративное центрифугирование
- 3.2 Аналитическое центрифугирование
- 3.3 Дифференциальное центрифугирование
- 3.4 Зонное или полосовое центрифугирование
- 3.5 Изопикническое центрифугирование и другие виды
- 4.1 Отдельные частицы
- 4.2 В качестве метода характеризации
Из чего он состоит? (Процесс)

Основа центрифугирования

Процесс центрифугирования основан на том факте, что молекулы или частицы, составляющие образец в растворе, будут вращаться при вращении в устройстве, называемом центрифугой. Это вызывает отделение частиц от окружающей среды при осаждении на разных скоростях.

Процесс основан конкретно на теории седиментации. В соответствии с этим частицы с большей плотностью оседают, тогда как остальные вещества или компоненты среды остаются суспендированными.

Почему? Потому что молекулы или частицы имеют свои собственные размеры, формы, массы, объемы и плотности. Следовательно, не все из них могут осаждаться одинаково, что приводит к другому коэффициенту седиментации S; и, следовательно, с другой скоростью осаждения.

Эти свойства позволяют отделить молекулы или частицы центробежной силой с определенной скоростью центрифугирования..

Центробежная сила

Центробежная сила будет зависеть от нескольких факторов, которые будут определять седиментацию: те, которые свойственны молекулам или частицам; характеристикам окружающей среды, в которой они находятся; и факторы, связанные с центрифугами, в которых проводится процедура центрифугирования.

По отношению к молекулам или частицам масса, удельный объем и фактор флотации являются факторами, которые влияют на седиментацию..

Что касается окружающей среды, важны масса вытесненного растворителя, плотность среды, сопротивление продвижению и коэффициент трения..

Что касается центрифуги, то наиболее важными факторами, которые влияют на процесс осаждения, являются тип ротора, угловая скорость, центробежная сила и, следовательно, центробежная скорость.

Типы центрифуг

Существует несколько типов центрифуг, с помощью которых образец может подвергаться различным скоростям центрифугирования..

В зависимости от максимальной скорости, которую они достигают, выраженной в центробежном ускорении (Относительная центробежная сила г), можно классифицировать просто как центрифуги, имеющие максимальную скорость около 3000 г.

Хотя в так называемой supercentrifugadoras, Может быть достигнут больший диапазон скоростей около 25000 г. И в Ультрацентрифуги, скорость намного больше, достигая 100 000 г.

Согласно другим критериям, есть микроцентрифуги или настольные центрифуги, которые специально предназначены для выполнения процесса центрифугирования при небольшом объеме образца, достигают диапазона от 12000 до 15000 г..

Существуют высокопроизводительные центрифуги, которые позволяют центрифугировать более крупные и высокоскоростные образцы, такие как ультрацентрифуги..

Как правило, необходимо контролировать несколько факторов, чтобы защитить ротор и образец от перегрева. Для этого были созданы ультрацентрифуги с особыми условиями вакуума или охлаждения..

Типы роторов

Одним из определяющих элементов является тип ротора, устройство, которое вращается и где размещены трубы. Существуют разные типы роторов. Среди основных - роторы наклона, роторы с фиксированным углом и вертикальные роторы.

В поворотных роторах при размещении труб в устройствах такого типа и при повороте трубки приобретают расположение, перпендикулярное оси вращения..

В роторах с фиксированным углом образцы будут располагаться внутри твердой структуры; как видно на изображении и во многих центрифугах.

А в вертикальных роторах в некоторых ультрацентрифугах трубы будут вращаться параллельно оси вращения.

Типы центрифугирования

Типы центрифугирования варьируются в зависимости от цели его применения и условий, в которых выполняется процесс. Эти условия могут отличаться в зависимости от типа образца и характера того, что вы хотите отделить и / или проанализировать.

Существует первый критерий классификации, основанный на цели или цели его реализации: препаративное центрифугирование и аналитическое центрифугирование..

Препаративное центрифугирование

Он получает это название, когда центрифугирование используется главным образом для выделения или разделения молекул, частиц, фрагментов клеток или клеток для последующего использования или анализа. Количество образца, которое обычно используется для этой цели, относительно велико..

Аналитическое центрифугирование

Аналитическое центрифугирование проводится с целью измерения или анализа физических свойств, таких как коэффициент осаждения и молекулярная масса осажденных частиц..

Центрифугирование, основанное на этой цели, может быть выполнено путем применения различных стандартизированных условий; как это имеет место, например, с одним из аналитических методов ультрацентрифугирования, который позволяет анализировать молекулы или частицы, которые отделяются, даже когда происходит седиментация.

В некоторых особых случаях может потребоваться использование кварцевых центрифужных пробирок. Таким образом, они позволяют пропускать видимый и ультрафиолетовый свет, поскольку во время процесса центрифугирования молекулы наблюдаются и анализируются с помощью оптической системы..

Точно, существуют другие критерии классификации в зависимости от характеристик или условий, в которых выполняется процесс центрифугирования. К ним относятся: дифференциальное центрифугирование, зональное или ленточное центрифугирование и изопикническое или равновесное седиментационное центрифугирование.

Дифференциальное центрифугирование

Этот тип центрифугирования состоит в том, что образец подвергают центрифугированию, обычно с угловым ротором, в течение определенного времени и скорости..

Он основан на разделении частиц по разнице в скорости оседания, которая напрямую связана с их размерами. Те с большим размером и большим S, осадок в нижней части трубы; в то время как те, которые меньше, останутся приостановленными.

Взвешенное отделение осадка является жизненно важным в этом типе центрифугирования. Взвешенные частицы должны быть декантированы или удалены из пробирки, чтобы гранула или гранула могли быть суспендированы в другом растворителе для дальнейшей очистки; то есть снова центрифугируется.

Этот тип техники бесполезен для разделения молекул. Вместо этого его можно использовать для отделения, например, клеточных органелл от клеток, среди других частиц..

Зональное или ленточное центрифугирование

Зональное или полосовое центрифугирование выполняет разделение компонентов образца на основе разницы S при прохождении среды с предварительно сформированным градиентом плотности; как Ficoll, или сахароза, например.

Образец помещается поверх градиента пробирки. Затем он переходит к центрифуге на высокой скорости, и происходит разделение на разные полосы, расположенные вдоль среды (как если бы это был желатин с несколькими слоями).

Частицы с более низким значением S находятся в начале среды, в то время как частицы, которые больше или имеют более высокое значение S, направлены к нижней части трубки..

С помощью этой процедуры компоненты, обнаруженные в разных полосах седиментации, могут быть разделены. Важно хорошо контролировать время, чтобы не допустить оседания всех молекул или частиц в образце на дне пробирки..

Изопикническое центрифугирование и другие виды

-Существует много других типов центрифугирования, таких как изопикник. Это специализируется на разделении макромолекул, даже если они одного типа. ДНК очень хорошо вписывается в этот тип макромолекул, так как она представляет вариации в последовательностях и количестве ее азотистых оснований; и, следовательно, осадок на разных скоростях.

-Существует также ультрацентрифугирование, посредством которого изучаются седиментационные характеристики биомолекул, процесс, который можно контролировать, например, с помощью ультрафиолетового излучения..

Это было полезно в знании субклеточных структур или органелл. Это также позволило прогресс в молекулярной биологии и разработке полимеров.

приложений

Есть бесчисленное множество областей ежедневной работы, в которых используются различные виды центрифугирования. Они служат для здравоохранения, в биоаналитических лабораториях, в фармацевтической промышленности и других областях. Однако его важность можно суммировать в двух словах: разделить и охарактеризовать.

Отделяет частицы

В химии различные методы центрифугирования были чрезвычайно важны по многим причинам..

Это позволяет разделить две молекулы или смешивающиеся частицы. Помогает устранить примеси, вещества или нежелательные частицы в образце; например, образец, в котором желательно сохранить только белки.

В биологическом образце, таком как кровь, плазма может быть отделена от клеточного компонента центрифугированием. Это способствует реализации различных типов биохимических или иммунологических тестов в плазме или сыворотке, а также для рутинных или специальных исследований..

Даже центрифугирование позволяет разделить клетки разных типов. Например, из образца крови можно отделить эритроциты от лейкоцитов или лейкоцитов, а также от тромбоцитов.

Такую же полезность можно получить с помощью центрифугирования в любой биологической жидкости: моче, спинномозговой жидкости, амниотической жидкости и многих других. Таким образом, может быть проведен большой анализ.

Как метод характеристики

Это также позволило изучить или проанализировать характеристики или гидродинамические свойства многих молекул; в основном из сложных молекул или макромолекул.

А также многочисленные макромолекулы, такие как нуклеиновые кислоты. Это даже облегчило характеристику деталей подтипов той же молекулы, что и РНК, среди многих других приложений.

Примеры центрифугирования

-Благодаря различным методам центрифугирования были достигнуты успехи в точном знании сложных биологических процессов, таких как инфекция и обмен веществ, среди прочего..

-Благодаря центрифугированию выяснены многие ультраструктурные и функциональные аспекты молекул и биомолекул. Среди таких биомолекул могут быть упомянуты белки инсулин и гемоглобин; и с другой стороны, нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК).

-При поддержке центрифугирования расширились знания и понимание многих процессов, поддерживающих жизнь. Одним из них является цикл Кребса.

В этой же области применения повлияло знание о молекулах, составляющих дыхательную цепь. Таким образом, проливая свет на понимание сложного процесса окислительного фосфорилирования или истинного клеточного дыхания, среди многих других процессов.

-Наконец, он способствовал изучению различных процессов, таких как инфекционные, позволяя проанализировать путь, по которому идет ДНК, инъецированная фагом (бактериальным вирусом), и белки, которые клетка-хозяин может синтезировать..

Что такое центрифугирование? Для чего применяется метод? Термин "центрифугирование" означает разделение жидких либо твердых частиц вещества на различные фракции с помощью центробежных сил. Осуществляется такая сепарация субстанций благодаря использованию специальных аппаратов – центрифуг. В чем же заключается принцип метода?

Принцип центрифугирования

Рассмотрим более детально определение. Центрифугирование – это воздействие на вещества путем сверхскоростного вращения в специализированном аппарате. Главной частью любой центрифуги выступает ротор, который содержит гнезда для установки пробирок с материалом, что подлежит сепарации на отдельные фракции. Во время вращения ротора на повышенных скоростях в действие вступает центробежная сила. Вещества, помещенные в пробирки, разделяются на различные субстанции согласно уровню плотности. Например, при центрифугировании образцов подземных вод отделяется жидкость и осаждаются содержащиеся в ней твердые частицы.

Автор метода

Впервые стало известно, что такое центрифугирование, после опытов, проведенных ученым А. Ф. Лебедевым. Метод был разработан исследователем с целью определения состава почвенных вод. Ранее в данных целях использовали отстаивание жидкости с последующим отделением от нее твердых образцов. Разработка метода центрифугирования позволила справляться с этой задачей гораздо быстрее. Благодаря такой сепарации возникла возможность для извлечения твердой доли веществ из жидкости в сухом виде на протяжении считаных минут.

Этапы центрифугирования

Дифференциальное центрифугирование начинается с отстаивания веществ, что подлежат исследованию. Такая обработка материала происходит в аппаратах-отстойниках. В ходе отстаивания частицы вещества разделяются под воздействием гравитации. Это позволяет подготовить субстанции к более качественной сепарации с помощью центробежных сил.

Далее вещества в пробирках подвергаются фильтрации. На этом этапе применяются так называемые перфорированные барабаны, что предназначаются для отделения жидких частиц от твердых. В ходе представленных мероприятий весь осадок остается на стенках центрифуги.

Преимущества метода

По сравнению с прочими методами, направленными на разделение отдельных субстанций, такими как фильтрование или отстаивание, центрифугирование дает возможность получать осадок с минимальным показателем влажности. Применение такого способа сепарации позволяет разделять тонкодисперсные суспензии. Результатом становится получение частиц размером в 5-10 мкм. Еще одним важным преимуществом центрифугирования выступает возможность его выполнения при помощи аппаратуры малых объемов и габаритов. Единственным недостатком метода выступает высокая энергоемкость приборов.

Центрифугирование в биологии

В биологии к сепарации веществ на отдельные субстанции прибегают при необходимости подготовки препаратов для исследования под микроскопом. Центрифугирование здесь производится на сложных устройствах – цитороторах. Такие аппараты помимо слотов для пробирок комплектуются держателями образцов, всевозможными предметными стеклами непростой конструкции. От устройства центрифуги при проведении исследований в биологии напрямую зависит качество получаемых материалов и, соответственно, количество полезной информации, которую можно почерпнуть из результатов анализа.

Центрифугирование в нефтеперерабатывающей промышленности

Метод центрифугирования незаменим при добыче нефти. Существуют углеводородные ископаемые, из которых не полностью выделяется вода при дистилляции. Центрифугирование дает возможность убрать лишнюю жидкость из состава нефти, повысив ее качество. В данном случае нефть растворяют в бензоле, затем нагревают до 60 о С, а затем подвергают воздействию центробежной силы. В завершение замеряют количество оставшейся воды в веществе и при необходимости повторяют процедуру.

Центрифугирование крови

Этот метод широко применяется для лечебных целей. В медицине он позволяет решать следующий ряд задач:
1. Получение очищенных образцов крови для проведения плазмафереза. В данных целях в центрифуге отделяют форменные элементы крови от ее плазмы. Операция дает возможность избавить кровь от вирусов, избыточных антител, болезнетворных бактерий, токсинов.
2. Подготовка крови для донорского переливания. После разделения телесной жидкости на отдельные фракции при помощи центрифугирования донору возвращают клетки крови, а плазма применяется для переливания либо замораживается в целях последующего использования.
3. Выделение тромбоцитарной массы. Субстанцию получают из плазмы крови, обогащенной тромбоцитами. Полученную массу используют в хирургических и гематологических отделениях медицинских учреждений, в неотложной терапии, операционных. Применение тромбоцитарной массы в медицине дает возможность улучшить свертываемость крови у пострадавших.
4. Синтез эритроцитарной массы. Центрифугирование клеток крови происходит путем деликатной сепарации ее фракций согласно специальной методике. Готовую массу, богатую эритроцитами, используют для переливания при кровопотерях, операциях. Эритроцитарная масса нередко применяется в целях лечения анемии, прочих заболеваний крови системного характера.
В современной медицинской практике применяется немало приборов нового поколения, которые дают возможность разгонять вращающийся барабан до определенной скорости и останавливать его в определенный момент. Это позволяет более точно разделять кровь на эритроциты, тромбоциты, плазму, сыворотку и сгустки. Аналогичным способом исследуются прочие телесные жидкости, в частности сепарируются вещества в составе мочи.

Центрифуги: основные типы

Мы разобрались, что такое центрифугирование. Теперь давайте выясним, какие аппараты применяются для реализации метода. Центрифуги бывают закрытыми и открытыми, с механическим или ручным приводом. Основной рабочей частью ручных открытых приборов выступает вращающаяся ось, расположенная вертикально. В ее верхней части перпендикулярно закреплена планка, где располагаются подвижные металлические гильзы. В них помещаются специальные пробирки, зауженные в нижней части. На дно гильз укладывают вату, что позволяет избежать повреждения стеклянной пробирки при соприкосновении с металлом. Далее аппарат приводят в движение. По истечении некоторого времени происходит отделение жидкости от твердых взвешенных частиц. После этого ручную центрифугу останавливают. На дне пробирок концентрируется плотный, твердый осадок. Над ним находится жидкая часть вещества.

Механические центрифуги закрытого типа обладают большим количеством гильз для размещения пробирок. Такие приборы более удобны по сравнению с ручными. Их роторы приводятся в движение мощными электромоторами и способны разгоняться до 3000 оборотов в минуту. Это дает возможность осуществлять более качественную сепарацию жидких субстанций от твердых.

Особенности подготовки пробирок при центрифугировании

Пробирки, что применяются для центрифугирования, должны быть наполнены исследуемым материалом идентичной массы. Поэтому для измерений здесь применяются специальные высокоточные весы. Когда требуется уравновешивание многочисленных пробирок в центрифуге, прибегают к следующему приему. Взвесив пару стеклянных емкостей и добившись одинаковой массы, одну из них оставляют в качестве эталона. Последующие пробирки уравновешивают с этим образцом, прежде чем поместить в аппарат. Такой прием существенно ускоряет работу при необходимости подготовки к центрифугированию целой серии пробирок.

Стоит заметить, что в пробирки никогда не помещают слишком много исследуемой субстанции. Стеклянные емкости наполняют таким образом, чтобы расстояние до края составляло не менее 10 мм. Иначе вещество будет выливаться из пробирки под воздействием центробежной силы.

Сверхцентрифуги

Для разделения составляющих чрезвычайно тонких суспензий недостаточно применения обычных ручных либо механических центрифуг. В данном случае требуется более внушительное воздействие на вещества со стороны центробежных сил. При реализации таких процессов применяются сверхцентрифуги.

Аппараты представленного плана оснащаются глухим барабаном в виде трубки незначительного диаметра – не более 240 мм. Длина такого барабана значительно превышает его сечение, что дает возможность в значительной степени повысить количество оборотов и создать мощнейшую центробежную силу.

В сверхцентрифуге исследуемое вещество поступает внутрь барабана, движется по трубке и ударяется о специальные отражатели, что отбрасывают материал на стенки прибора. Здесь же имеются камеры, предназначенные для раздельного вывода легких и тяжелых жидкостей.

К достоинствам сверхцентрифуг относятся:
- абсолютная герметичность;
- высочайшая интенсивность сепарации веществ;
- компактные размеры;
- возможность разделения субстанций на молекулярном уровне.
В заключение

Вот мы и выяснили, что такое центрифугирование. В настоящее время метод находит свое применение при необходимости выделения осадков растворов, очищения жидкостей, разделения компонентов биологически активных и химических веществ. Для сепарации субстанций на молекулярном уровне применяются ультрацентрифуги. Метод центрифугирования активно используется в химической, нефтяной, атомной, пищевой промышленности, а также в медицине.

Многие люди, слыша слово центрифугирование, задаются вопросом, что это за метод и для чего используется специалистами в разных областях. Для разделения жидких или твердых частиц нужно применение центробежных сил, именно так устроено приспособление, о котором пойдет речь в статье. Чтобы разобраться во всех малейших нюансах, процесса нужно рассматривать важные этапы подробно. Не менее интересно будет узнать, для каких целей был разработан метод и как работает современное оборудование.

Принцип работы

С помощью специальных аппаратов достигается сверхскоростное вращение, вследствие чего происходит воздействие на вещества различных составов – это называют центрифугированием. Во время сепарации на фракции пробирки помещают в главную составляющую аппарата, она многим известна как ротор со специально разработанной конструкцией, включающей в себя гнезда для колб. Как только элемент разгонит содержимое до высокой скорости, в процесс вступает центробежная сила. В этот момент вещество из пробирки разделяется на разные субстанции, плотность каждой составляющей играет немаловажную роль. Если взять определенный наглядный пример, то во время проверок образцов грунтовой воды от основной жидкости отделяются твердые частицы, их можно увидеть в осадке после применения метода.

Кто создатель идеи

А. Ф. Лебедев стал первым специалистом, который представил миру центрифугирование, ученый разработал прием для проверок состава воды, находящейся в грунте. До этого момента говорить о тщательной работе было нельзя, ведь жидкость просто отстаивали для того, чтобы отделить твердые частицы. Со специальным оборудованием достигать поставленных задач получилось быстрее, ведь процесс оказался очень действенным. Для произведения проверок нужно несколько минут, сепарация привлекла внимание многих специалистов из разных отраслей.

Основные этапы

Исследуемое вещество отстаивается перед центрифугированием, для этого существуют аппараты, направленные на достижение именно этой цели, зачастую их называют отстойники. Под действием гравитации все частицы постепенно разделяются, что позволяет провести максимально качественную сепарацию с применением центробежных сил. Для отделения жидких и твердых составляющих нужна фильтрация, которая достигается с помощью перфорированных барабанов. По завершении всех этапов на стенках центрифуги можно обнаружить осадок, его исследуют, проводят всевозможные опыты, в зависимости от целей и задач.

Важные преимущества процесса

Беря во внимание существующие методы, которые направлены на похожие работы с жидкостями, центрифугирование предоставляет конечный материал с минимальным наличием влажности, что довольно облегчает исследование. У человечества появилась возможность разделять тонкодисперсные суспензии, а все благодаря методу сепарации. Частицы для дальнейших трудов получаются в 5-10 мкм, чтобы достигнуть результата, можно использовать аппараты с небольшими габаритами, объемы также будут разными. Из минусов стоит отметить высокую энергоемкость оборудования, приборы потребуют специально продуманного монтажа.

Применение метода в биологии

Для работы с микроскопом центрифуга незаменима, прежде чем начинать проводить исследования любую субстанцию жидкой формы пропускают через специальный аппарат. Существуют сложные устройства, их называют циторотором, в конструкцию входят помимо отделов для колб еще и стеклянные элементы различных сложных форм. Без современного оборудования биологам будет трудно достигать поставленных целей, находить полезную для людей информацию и проводить всевозможные проверки. Без максимально точных данных не получится провести хороший анализ, качество материалов после использования центробежных сил находится на высоком уровне, что облегчает работу специалистам.

Нефтеперерабатывающая промышленность

Добыча нефти также плотно связана с центрифугированием, во время дистилляции жидкость из некоторых ископаемых не полностью уходит, а для исследований это будет создавать некие сложности. Определиться с качеством добытого сырья можно только после применения действенного метода, включающего в себя оборудование под названием центрифуга. Процесс достаточно сложный, нефть растворяют в бензоле, после чего ее необходимо нагреть до 60 градусов и только тогда помещают в колбы и заполняют ими аппарат. Замеры воды в веществе могут потребовать повторных исследований, но зачастую результат добиться можно за короткое время.

Анализ крови

В медицине центрифугирование также часто применяется с лечебной целью, такие проверки помогают специалистам решить важные задачи, в которые входят:
1. Кровь отделяется от плазмы, это необходимо для дальнейших исследований и проведения флазмафереза.
2. Перед донорским переливанием.
3. Определение тромбоцитарной части.
4. Мероприятие, посвященное синтезу эритроцитарной массы, также потребует применения специального оборудования.
Современные технологии предполагают использование всевозможных приспособлений, центрифуга является незаменимой в некоторых ситуациях, ведь с ее помощью можно разогнать барабан до высоких скоростей и остановить его в самый подходящий момент. Кровь получится запросто разделить на все существующие составляющие, что поможет в дальнейших исследованиях и спасет жизнь человеку.

Сверхмощное оборудование

Существуют экземпляры, обладающие максимальными функциями, они способны предоставить центробежную силу на высоких оборотах. К достоинству таких аппаратов можно отнести герметичность, сепарация происходит интенсивная, размеры приспособления небольшие, работы можно производить на молекулярном уровне после применения метода и специального сверхмощного агрегата. В настоящее время метод достаточно востребован во многих отраслях, без него трудно добиться хороших результатов и точных проверок. Для многих людей использование центрифуги в химии, нефтяной и атомной промышленности будет новинкой, ведь зачастую такие манипуляции все связывают исключительно с медициной.

ЦЕНТРИФУГИРОВАНИЕ, разделение в поле центробежных сил жидких дисперсных систем с частицами размером более 100 нм. Используют для выделения составляющих фаз (жидкая - фугат или фильтрат, твердая - осадок) из двухкомпонентных (суспензии, эмульсии) и трехкомпонентных (эмульсии, содержащие твердую фазу) систем.

Методы и аппаратура. Различают два метода центрифугирования: центробежное осаждение и фильтрование. Центрифугирование проводят в центробежных машинах - центрифугах и жидкостных центробежных сепараторах. Осн. рабочий орган этих машин - осесимметричная оболочка, или ротор (барабан), вращающийся с большой частотой с -1 , благодаря чему создается поле центробежных сил до 2 х 10 4 g в промышленных и до 35 х 10 4 g в лабораторных машинах (g - ускорение своб. падения в гравитац. поле). В зависимости от метода центрифугирования осуществляется в сплошных (осадительных; рис. 1, а)или перфорированных (покрытых фильтрующим материалом; рис. 1, б)роторах.

Рис. 1. Роторы машин для центробежного осаждения (а) и фильтрования (б): С - суспензия, Ф - фугат (фильтрат), О - осадок; пояснение в тексте, r_ж -радиус свободной поверхности жидкости.

Ц ентрифугирование характеризуется рядом технол. параметров, определяющих качество процесса и его кинетику. К ним относятся: фактор разделения (r_рт - макс. внутр. радиус ротора), отражающий интенсивность центробежного поля; скорость центрифугирования - производительность центробежной машины по исходной жидкой системе или составляющим ее компонентам; унос - содержание твердой фазы в фугате (фильтрате); насыщенность осадка жидкой фазой (в т. ч. влажность осадка) после центрифугирования; крупность разделения - миним. размер частиц, улавливаемых при центробежном осаждении.
Кинетика центрифугирования зависит от мн. факторов, классифицируемых на две группы. Факторы первой группы определяются физ.-хим. cв-вами разделяемой системы (разность плотностей фаз, гранулометрич. состав твердой фазы, вязкость жидкой фазы, уд. сопротивление осадка при фильтровании). Факторы второй группы, обусловленные конструкцией и частотой вращения ротора центробежной машины (структура внутрироторного потока, его гидродинамика и поле скоростей), оказывают решающее влияние на центробежное осаждение и отчасти на центробежное фильтрование; в свою очередь гидродинамич. режим зависит от производительности машины. Мат. описание потока дается ур-ниями Навье - Стокса и неразрывности (см. Гидромеханические процессы), к-рые составляются с учетом геометрии ротора и граничных условий; решение зачастую находится методами подобия теории.
Центробежное осаждение включает осветление, сгущение, а также осадительное центрифугирование. Осветление - удаление твердой фазы из суспензий с содержанием частиц не более 5% по объему; используют для очистки, напр., нефтяных масел. Сгущение - процесс, при к-ром частицы дисперсной фазы группируются в относительно малом объеме дисперсионной среды; позволяет осуществлять концентрирование суспензий (напр., водная суспензия каолина). Осадительное центрифугирование -разделение суспензий с содержанием твердой фазы более 5-10% по объему; применяют преим. для обезвоживания твердых компонентов (напр., CaSO₄).

При центробежном осаждении движение твердых частиц происходит под действием центробежной силы (d - диаметр частицы;- разность плотностей твердой и жидкой фаз; r - расстояние от частицы до оси вращения ротора) и силы сопротивления жидкой среды S. Соотношение этих сил определяет скорость осаждения w. При ламинарном режиме, характерном для осветления, сила S выражается законом Стокса: и где динамич. вязкость жидкой фазы. Для турбулентного режима при осаждении крупных частиц высококонцентрир. суспензий сила S находится из ур-ния:(- коэф. лобового сопротивления; р_ж - плотность жидкой фазы). Гидродинамика потока определяет время пребывания частиц в роторе, aw- время осаждения; сопоставление этих величин позволяет найти крупность разделения.
Центробежное фильтрование происходит с образованием или без образования осадка на фильтровальной перегородке, а также при одновременном протекании в ее зонах обоих процессов; наиб. эффективно для получения осадков с миним. влажностью. Процесс принято делить на три периода: образование осадка, удаление из него избыточной жидкости и удаление жидкости, удерживаемой межмол. силами (мех. сушка осадка). Первый период охватывает центробежное осаждение и фильтрование через слой образовавшегося осадка. Для расчета кинетики процесса используют закон Дарси - Вейсбаха; движущая сила (перепад давления ) определяется центробежным полем, действующим на суспензию: где- плотность суспензии; r_ж - радиус своб. пов-сти жидкости (рис. 1, б). На оказывает влияние проскальзывание жидкости над слоем осадка. Период может протекать при разл. режимах; наиб. характерны режимы при постоянных и производительности по суспензии. Второй и третий периоды зависят от большого числа факторов, связанных с уплотнением осадка, формой его поровых каналов и др.; построение их мат. моделей крайне затруднено.
Из-за сложности центрифугирования производительность центробежных машин оценивают чаще всего путем моделирования по т. наз. индексу производительности подразумевая под F в первом приближении площадь боковой пов-сти ротора. Физ. смысл заключается в том, что по аналогии с осаждением в отстойниках производительность центрифуг также пропорциональна площади рабочей пов-сти, однако за счет центробежного поля увеличивается на фактор Fr. В зависимости от конструктивных особенностей ротора для машин каждого типа определяется своим ур-нием и используется при перерасчете производительности с одного типоразмера центрифуги на иной. Моделирование осуществляется при геом. подобии роторов и идентичности определяющих критериев процесса.

Рис. 2. Центрифуга непрерывного действия: а - осадительная шнековая; б - фильтрующая шнековая; в - с пульсирующей выгрузкой осадка; г - инерционная; д - вибрационная; е - прецессионная; 1 - ротор; 2 -механизм выгрузки.

По сравнению с др. методами разделения (отстаивание, фильтрование) центрифугирование позволяет получать осадки с меньшей влажностью. При центробежном осаждении в отличие от фильтрования удается разделять суспензии (напр., в произ-вах лакокрасочных материалов) с тонкодисперсной твердой фазой, миним. размер частиц к-рой составляет 5-10 мкм. Важное достоинство центрифугирования - возможность его проведения в аппаратуре относительно малых объемов; недостаток - высокая энергоемкость.
Пром. центрифуги различают: по принципу разделения -осадительные, фильтрующие и комбинированные; по конструктивному исполнению - преим. по расположению ротора и системе выгрузки осадка (шнек; толкатель, или поршень; с использованием сил инерции); по организации процесса -периодического или непрерывного действия.
Ц ентрифугирование в машинах периодич. действия осуществляется циклически в роторах с иногда регулируемой ножевой или ручной выгрузкой осадка.
На рис. 2 представлены принципиальные схемы разделения суспензий в машинах непрерывного действия. Осадительные шнековые центрифуги (рис. 2,а) предназначены для разделения суспензий с нерастворимой твердой фазой (напр., полиэтилен, полистирол, осадки сточных вод), обезвоживания кристаллич. и зернистых продуктов, классификации (напр., ТiO₂), сгущения (напр., активный ил). Процесс происходит в сплошном роторе; осадок непрерывно выгружается шнеком, вращающимся с частотойДля этих центрифуг Fr600-3500.
Фильтрующие шнековые центрифуги (рис. 2, б)распространены при разделении высококонцентрир. суспензий с крупнозернистой твердой фазой (размер частиц более 0,2 мм, напр. глауберова соль). Центрифугирование производится в каркасном роторе с листовым ситом, через к-рое отводится фильтрат. Осадок выводится из ротора шнеком под действием разности частот вращения Высокие значения Fr (1200-1800) позволяют получать продукты с миним. влажностью.
Фильтрующие центрифуги с пульсирующей выгрузкой осадка (рис. 2, в)применяют в осн. для тех же целей, что и фильтрующие шнековые. Благодаря наличию толстого слоя осадка на колосниковом сите одно- или многокаскадного ротора удается осуществлять глубокую промывку продукта (напр., КС1, сахар-рафинад). Осадок выгружают посредством толкателя, совершающего возвратно-поступат. движение с линейной скоростью v; Fr300-700.
В инерционных центрифугах (рис. 2, г) осадок из ротора удаляется за счет составляющей центробежного поля; в вибрационных центрифугах (рис. 2, д) - благодаря вибрации ротора вдоль оси со скоростью v; впрецессионных центрифугах (рис. 2, е) - вследствие гироскопич. движения ротора с частотами вращения и Машины всех типов используют для центробежного фильтрования высококонцентрир. суспензий с крупнокристаллич. твердой фазой (напр., минеральные удобрения, уголь гидродобычи, сахарный песок).
Разновидность центрифугирования разделение суспензий и эмульсий в центробежных сепараторах. Их роторы снабжены пакетом конич. тарелок, установленных по отношению друг к другу с небольшим зазором (0,4-1,5 мм). Высокая степень разделения достигается благодаря его протеканию в тонком слое межтарелочного зазора при ламинарном режиме. Тонкодисперсные суспензии (присадки к маслам, гормональные препараты, антибиотики и др.), содержащие 0,5-4,0% по объему мех. примесей, осветляются в сепараторах-очистителях (рис. 3, а). Твердая фаза, собираясь в шламовом пространстве ротора, периодически удаляется из него при открытии днища (поршня). Центробежное сгущение (напр., кормовые и пекарские дрожжи) производится в сепараторах-сгустителях (рис. 3, б). Сгущенная фракция непрерывно выводится через сопла по периферии ротора, а осветленная - через верх. зону. Для разделения эмульсий (напр., нефтяные шламы, эпоксидные смолы) применяют сепараторы-разделители (рис. 4), в роторах к-рых предусмотрен пакет тарелок с отверстиями, расположенными на границе раздела тяжелой и легкой жидкостей; компоненты (фугаты Ф₁и Ф₂) выводятся раздельно. При наличии в эмульсии твердой фазы используют универсальные роторы с выгрузкой осадка в соответствии с рис. 3, а или вручную.
По аналогии с центрифугами разделяющая способность сепараторов оценивается индексом производительности

где z - число тарелок в пакете;- половина угла конуса тарелки при вершине; R_макс, R_мин - наружный и внутр. радиусы тарелки. Моделирование процессов в сепараторах осуществляется, как и в центрифугах, по индексу производительности

Рис. 3. Сепараторы для разделения суспензий: на рис. совмещены сепаратор-очиститель (а)и сепаратор-сгуститель (б); 1 - ротор; 2 - пакет тарелок; 3 - подвижное днище.

Рис. 4. Сепаратор для разделения эмульсий: 1 - ротор; 2 - пакет тарелок; Ф₁ и Ф₂ - фугаты; Э - эмульсия.

Для изучения центрифугальных процессов в лаборатории используют модели пром. центрифуг и сепараторов с диаметром ротора 150-250 мм, а также т. наз. стаканчиковые центрифуги (ротор состоит из ряда пробирок - стаканчиков). Эти малогабаритные образцы позволяют экспериментально определять не только производительность пром. машин, но и возможность выгрузки осадков из роторов, конечную влажность продукта, унос. Исследования проводятся с небольшими объемами продуктов на спец. стендах. Стаканчиковые центрифуги используют для оценки времени осаждения частиц при разл. Fr.
Совр. центрифугальная техника имеет тенденцию к росту частот вращения роторов, повышению производительности, снижению уд. металле- и энергоемкости. Производительность машин возрастает благодаря совершенствованию гидродинамики роторов, увеличению их длины (в осадительных центрифугах) и высоты пакета (в сепараторах). Возрастают диаметры роторов в крупнотоннажных машинах; создаются ком-бинир. роторы, в конструкциях к-рых совмещаются разл. методы центрифугирования. Внедряются микропроцессорные системы управления и регулируемые приводы, обеспечивающие центрифугирование в оптим. режимах.
Ц ентрифугирование широко распространено в технол. процессах хим.-лесного комплекса, пищевых, текстильных и др. произ-вах. Центрифугирование играет важную роль в решении экологич. проблем (очистка коммунальных и пром. стоков), в ресурсосберегающих технологиях.

Лит.: Соколов В. И., Центрифугирование, М., 1976; Шкоропад Д. Е., Новиков О. П., Центрифуги и сепараторы для химических производств, М., 1987.

Ультрацентрифугирование - метод разделения и исследования частиц размером менее 100 нм (макромолекул органелл животных и растит. клеток, вирусов и др.) в поле центробежных сил. Позволяет разделять смеси частиц на фракции или индивидуальные компоненты, находить мол. массу и ММР полимеров, плотность их сeльватов. Дает возможность оценивать форму и размеры макромолекул в р-ре (см. Дисперсионный анализ), влияние статич. давления на стабильность частиц, параметры взаимод. типа ассоциация - диссоциация макромолекул друг с другом или с молекулами низкомол. компонентов и ионами, влияние природы р-рителя на кон-формации макромолекул и др.
Осуществляется с помощью ультрацентрифуг, снабженных полыми роторами, полости к-рых бывают замкнутыми и проточными. Различают скоростное и равновесное ультрацентрифугирование. В первом случае частицы движутся по радиусу ротора соотв. своим коэф. седиментации, в первом приближении пропорциональным массе частицы, разности плотностей частицы и жидкости при частицы перемещаются от оси вращения ротора к периферии (седиментируют), при - в сторону оси вращения (флотируют). При равновесном ультрацентрифугировании перенос частиц по радиусу продолжается до тех пор, пока сумма хим. потенциала и молярной потенциальной энергии в каждой точке системы не станет постоянной величиной, после чего распределение частиц перестанет изменяться.
Т. наз. аналит. ультрацентрифугирование применяется при анализе р-ров, дисперсий и производится посредством аналит. ультрацентрифуг, снабженных роторами с оптически прозрачными замкнутыми резервуарами и оптич. системами для определения концентрации или ее градиента по радиусу ротора во времени; исследуемые объемы - от 0,01 до 2 мл при массе частиц от неск. мкг до мг. Препаративное ультрацентрифугирование используют для выделения компонентов из сложных смесей; объем жидкости и масса исследуемого образца м. б. на неск. порядков больше, чем при аналит. ультрацентрифугировании. Центробежные ускорения в ультрацентрифугах достигают 5 x 10 5 g. Первая аналит. ультрацентрифуга была создана Т. Сведбергом (1923; 5 x 10 3 g).

Лит.: Боуэн Т., Введение в ультрацентрифугирование, пер. с англ., М., 1973.

Читайте также: