stringtranslate.com

Центрифуга

Лабораторная настольная центрифуга. Вращающийся блок, называемый ротором , имеет фиксированные отверстия, просверленные под углом (к вертикали), видимые внутри гладкого серебряного обода. Пробирки для образцов помещаются в эти пазы, и двигатель вращается. Поскольку центробежная сила находится в горизонтальной плоскости, а трубки закреплены под углом, частицам приходится проходить лишь небольшое расстояние, прежде чем они ударятся о стенку пробирки и затем соскользнут на дно. Эти угловые роторы очень популярны в лаборатории для повседневного использования.

Центрифуга — это устройство, которое использует центробежную силу , чтобы подвергнуть образец воздействию определенной постоянной силы — например, для разделения различных компонентов жидкости . Это достигается путем вращения жидкости на высокой скорости внутри контейнера, тем самым разделяя жидкости различной плотности (например, сливки от молока) или жидкости от твердых веществ. Она работает, заставляя более плотные вещества и частицы двигаться наружу в радиальном направлении. В то же время объекты, которые имеют меньшую плотность, смещаются и перемещаются в центр. В лабораторной центрифуге , которая использует пробирки для образцов, радиальное ускорение заставляет более плотные частицы оседать на дно пробирки, в то время как вещества с низкой плотностью поднимаются наверх. [1] Центрифуга может быть очень эффективным фильтром, который отделяет загрязняющие вещества от основной массы жидкости.

Центрифуги промышленного масштаба обычно используются в производстве и переработке отходов для осаждения взвешенных твердых частиц или для разделения несмешивающихся жидкостей. Примером может служить сепаратор сливок, используемый на молочных заводах . Высокоскоростные центрифуги и ультрацентрифуги, способные обеспечивать очень высокие ускорения, могут разделять мелкие частицы вплоть до наномасштаба и молекулы различной массы. Большие центрифуги используются для имитации условий высокой гравитации или ускорения (например, для обучения летчиков-испытателей в условиях высокой гравитации ). Центрифуги среднего размера используются в стиральных машинах и в некоторых бассейнах для извлечения воды из тканей. Газовые центрифуги используются для разделения изотопов , например, для обогащения ядерного топлива для получения делящихся изотопов .

История

Лабораторная центрифуга с ручным приводом XIX века.

Английский военный инженер Бенджамин Робинс (1707–1751) изобрел аппарат с вращающимся рычагом для определения сопротивления . В 1864 году Антонин Прандтль предложил идею молочной центрифуги для отделения сливок от молока. [2] Впоследствии эта идея была реализована на практике его братом Александром Прандтлем, который усовершенствовал конструкцию брата и в 1875 году продемонстрировал работающую машину для извлечения молочного жира. [3]

Типы

Центрифуга может быть описана как машина с быстро вращающимся контейнером, который применяет центробежную силу к своему содержимому. Существует несколько типов центрифуг, которые можно классифицировать по предполагаемому использованию или по конструкции ротора:

Типы по конструкции ротора: [4] [5] [6] [7]

Типы по назначению:

Промышленные центрифуги можно также классифицировать по типу разделения фракции высокой плотности от фракции низкой плотности.

Обычно существует два типа центрифуг: фильтрационные и седиментационные. Для фильтрационной или так называемой сетчатой ​​центрифуги барабан перфорирован и в него вставлен фильтр, например, фильтровальная ткань, проволочная сетка или лотковый экран. Суспензия протекает через фильтр и барабан с перфорированной стенкой изнутри наружу. Таким образом, твердый материал удерживается и может быть удален. Вид удаления зависит от типа центрифуги, например, вручную или периодически. Распространенными типами являются:

В центрифугах барабан представляет собой сплошную стенку (не перфорированную). Этот тип центрифуги используется для очистки суспензии. Для ускорения естественного осаждения, процесса суспензии центрифуги используют центробежную силу. В так называемых переливных центрифугах суспензия сливается, а жидкость постоянно добавляется. Распространенные типы: [8]

Хотя большинство современных центрифуг работают от электричества, для медицинских целей в развивающихся странах был разработан вариант с ручным приводом, вдохновленный вертушкой . [9]

Многие конструкции были предоставлены для бесплатных и открытых центрифуг, которые могут быть изготовлены в цифровом виде . Открытые конструкции оборудования для ручных центрифуг для больших объемов жидкостей с радиальной скоростью более 1750 об/мин и относительной центробежной силой более 50 Н могут быть полностью напечатаны на 3D-принтере примерно за 25 долларов. [10] Другие открытые конструкции оборудования используют специальные 3D-печатные приспособления с недорогими электродвигателями для создания недорогих центрифуг (например, Dremelfuge, использующая электроинструмент Dremel ) или вырезанные на ЧПУ OpenFuge. [11] [12] [13] [14]

Использует

Лабораторные разделения

Образцы помещают в небольшую лабораторную центрифугу.

Широкий спектр лабораторных центрифуг используется в химии, биологии, биохимии и клинической медицине для выделения и разделения суспензий и несмешивающихся жидкостей. Они сильно различаются по скорости, производительности, контролю температуры и другим характеристикам. Лабораторные центрифуги часто могут принимать ряд различных роторов с фиксированным углом и качающимся бакетом, способных переносить различное количество центрифужных пробирок и рассчитанных на определенные максимальные скорости. Управление варьируется от простых электрических таймеров до программируемых моделей, способных контролировать скорости ускорения и замедления, скорости работы и температурные режимы. Ультрацентрифуги вращают роторы под вакуумом, устраняя сопротивление воздуха и обеспечивая точный контроль температуры. Зональные роторы и системы непрерывного потока способны обрабатывать большие объемы образцов, соответственно, в лабораторном приборе. [1]

Цельную кровь часто разделяют с помощью центрифуги на компоненты для хранения и транспортировки.

Применение в лабораториях — разделение крови. Кровь разделяется на клетки и белки (эритроциты, лейкоциты, тромбоциты и т. д.) и сыворотку. Подготовка ДНК — еще одно распространенное применение для фармакогенетики и клинической диагностики. Образцы ДНК очищаются, и ДНК подготавливается к разделению путем добавления буферов, а затем центрифугирования в течение определенного времени. Затем отходы крови удаляются, добавляется другой буфер и снова вращается внутри центрифуги. После удаления отходов крови и добавления другого буфера осадок можно суспендировать и охладить. Затем белки можно удалить, и все это можно снова центрифугировать, и ДНК может быть полностью выделена. Специализированные цитоцентрифуги используются в медицинских и биологических лабораториях для концентрирования клеток для микроскопического исследования. [15]

Разделение изотопов

Другие центрифуги, первой из которых является центрифуга типа Циппе , разделяют изотопы [16] , и эти типы центрифуг используются в программах ядерной энергетики и создания ядерного оружия .

Аэронавтика и астронавтика

Центрифуга 20 г в исследовательском центре Эймса НАСА

Человеческие центрифуги — это исключительно большие центрифуги, которые проверяют реакцию и переносимость пилотов и астронавтов к ускорениям, превышающим те, которые испытываются в условиях земного притяжения .

Первые центрифуги, используемые для исследований на людях, были использованы Эразмом Дарвином , дедушкой Чарльза Дарвина . Первая крупномасштабная человеческая центрифуга, предназначенная для обучения воздухоплаванию, была создана в Германии в 1933 году. [17]

Военно -воздушные силы США на базе Брукс-Сити, штат Техас, эксплуатируют человеческую центрифугу, ожидая завершения строительства новой человеческой центрифуги на авиабазе Райт-Паттерсон , штат Огайо. Центрифуга на базе Брукс-Сити эксплуатируется Школой аэрокосмической медицины ВВС США с целью обучения и оценки будущих летчиков-истребителей для полетов с большими перегрузками на истребителях ВВС. [18]

Использование больших центрифуг для имитации ощущения гравитации было предложено для будущих длительных космических миссий. Воздействие этой имитации гравитации предотвратит или уменьшит декальцинацию костей и атрофию мышц , которые поражают людей, подвергающихся длительным периодам свободного падения. [18] [19]

Центрифуга без использования человека

В технологическом центре Европейского космического агентства (ESA) ESTEC (в Нордвейке, Нидерланды) центрифуга диаметром 8 метров (26 футов) используется для экспонирования образцов в областях наук о жизни, а также физических наук. Эта центрифуга большого диаметра (LDC) [20] начала работу в 2007 году. Образцы могут подвергаться воздействию силы тяжести, в 20 раз превышающей силу тяжести Земли. Благодаря четырем рычагам и шести свободно качающимся гондолам можно экспонировать образцы с различными уровнями g одновременно. Гондолы можно фиксировать в восьми различных положениях. В зависимости от их расположения можно, например, проводить эксперимент при 5 и 10 g за один запуск. Каждая гондола может выдерживать эксперимент весом до 80 килограммов (180 фунтов). Эксперименты, проводившиеся в этом учреждении, включали в себя эксперименты с рыбой-зеброй, металлическими сплавами, плазмой, [21] клетками, [22] жидкостями, планариями, [23] дрозофилами [24] и растениями.

Промышленный центробежный сепаратор

Промышленный центробежный сепаратор представляет собой систему фильтрации охлаждающей жидкости для отделения частиц от жидкости, например, охлаждающей жидкости для шлифовальных станков. Обычно он используется для отделения цветных частиц, таких как кремний, стекло, керамика, графит и т. д. Процесс фильтрации не требует никаких расходных деталей, таких как фильтровальные мешки, что спасает землю от вреда. [25] [26]

Геотехническое моделирование центрифуг

Геотехническое моделирование центрифугой используется для физического тестирования моделей, включающих грунты. Ускорение центрифуги применяется к масштабным моделям для масштабирования гравитационного ускорения и позволяет получить масштабные напряжения прототипа в масштабных моделях. Такие проблемы, как фундаменты зданий и мостов, земляные плотины, туннели и устойчивость склонов, включая такие эффекты, как взрывная нагрузка и сейсмические толчки. [27]

Синтез материалов

Условия высокой гравитации, создаваемые центрифугой, применяются в химической промышленности, литье и синтезе материалов. [28] [29] [30] [31] Конвекция и массоперенос сильно зависят от условий гравитации. Исследователи сообщили, что уровень высокой гравитации может эффективно влиять на фазовый состав и морфологию продуктов. [28]

Коммерческое применение

Сахарные центрифужные машины для отделения кристаллов сахара

Математическое описание

Протоколы центрифугирования обычно указывают величину ускорения , которое должно быть применено к образцу, а не скорость вращения, например, оборотов в минуту . Это различие важно, поскольку два ротора с разными диаметрами, работающие с одинаковой скоростью вращения, будут подвергать образцы разным ускорениям. Во время кругового движения ускорение является произведением радиуса и квадрата угловой скорости , а ускорение относительно « g » традиционно называется «относительной центробежной силой» (RCF). Ускорение измеряется в кратных « g » (или × « g »), стандартном ускорении под действием силы тяжести на поверхности Земли, безразмерной величине, определяемой выражением:

где

это ускорение свободного падения Земли ,
радиус вращения,
угловая скорость в радианах за единицу времени

Это отношение можно записать как

или

где

радиус вращения, измеряемый в миллиметрах (мм), и
скорость вращения , измеряемая в оборотах в минуту (об/мин).

Чтобы избежать необходимости выполнять математические вычисления каждый раз, можно найти номограммы для преобразования RCF в об/мин для ротора заданного радиуса. Линейка или другой прямой край, совмещенный с радиусом на одной шкале и желаемым RCF на другой шкале, укажет правильное значение об/мин на третьей шкале. [32] Современные центрифуги, основанные на автоматическом распознавании ротора, имеют кнопку для автоматического преобразования из RCF в об/мин и наоборот.

Смотрите также

Ссылки и примечания

  1. ^ ab Mikkelsen, Susan R.; Cortón, Eduardo (2004-02-20). "Методы центрифугирования". Биоаналитическая химия . Хобокен, Нью-Джерси, США: John Wiley & Sons, Inc. doi :10.1002/0471623628.ch13. ISBN 978-0-471-54447-0.
  2. ^ Аманда (2022-06-10). "История центрифуги". The Lab World Group . Получено 2024-05-10 .
  3. ^ Фогель-Прандтль, Иоганна (14 августа 2004 г.) [1904]. Людвиг Прандтль: Биографический очерк, воспоминания и документы (PDF) . Перевод В. Васанты Рама. Международный центр теоретической физики Триест, Италия. стр. 10–11. Архивировано (PDF) из оригинала 25.10.2017.
  4. ^ "Basics of Centrifugation". Cole-Parmer. Архивировано из оригинала 24 февраля 2012 года . Получено 11 марта 2012 года .
  5. ^ "Разделение плазмидной ДНК: роторы с фиксированным углом и вертикальные роторы в микроультрацентрифугах Thermo Scientific Sorvall Discovery™ M120 и M150" (PDF) . Thermo Fisher. Архивировано из оригинала (PDF) 2012-02-24 . Получено 2012-03-11 .
  6. ^ "Центрифуги" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 2014-05-13 . Получено 2012-03-11 .
  7. ^ Heidcamp, William H. "Appendix F". Cell Biology Laboratory Manual . Gustavus Adolphus College. Архивировано из оригинала 2 марта 2012 года . Получено 11 марта 2012 года .
  8. ^ "Центрифуги". Centrimax . Архивировано из оригинала 2016-11-09 . Получено 2016-11-09 .
  9. ^ М. Саад Бхамла; Брэндон Бенсон; Чу Чай; Георгиос Кацикис; Аанчал Джохри; Ману Пракаш (10 января 2017 г.). "Сверхбюджетная центрифуга для бумаги с ручным приводом". Nature . 1 : 0009. doi :10.1038/s41551-016-0009. S2CID  16459214.
  10. ^ Sule, Salil S.; Petsiuk, Aliaksei L.; Pearce, Joshua M. (2019). "Open Source Completely 3-D Printable Centrifuge". Instruments . 3 (2): 30. doi : 10.3390/instruments3020030 .
  11. ^ "OpenFuge". www.instructables.com . Архивировано из оригинала 2019-10-27 . Получено 2019-10-27 .
  12. ^ Пирс, Джошуа М. (14.09.2012). «Создание исследовательского оборудования с помощью бесплатного оборудования с открытым исходным кодом». Science . 337 (6100): 1303–1304. Bibcode :2012Sci...337.1303P. doi :10.1126/science.1228183. ISSN  0036-8075. PMID  22984059. S2CID  44722829.
  13. ^ Слейтор, Рой Д. (1 сентября 2016 г.). «Биология своими руками – хакерство становится вирусным!». Science Progress . 99 (3): 278–281. doi : 10.3184/003685016X14684989326984 . ISSN  0036-8504. PMC 10365417. PMID 28742489.  S2CID 3979794  . 
  14. ^ Мейер, Морган (2012-06-25). «Создай свою собственную лабораторию: самодельная биология и рост гражданской биотехнологической экономики». Журнал Peer Production . 2 (онлайн): 4. Архивировано из оригинала 2019-10-27 . Получено 2019-10-27 .
  15. ^ Стоукс, Барри О. (2004). «Принципы цитоцентрифугирования». Лабораторная медицина . 35 (7): 434–437. doi : 10.1309/FTT59GWKDWH69FB0 . ISSN  0007-5027.
  16. ^ Кордесман, Энтони Х.; Аль-Родхан, Халид Р. (2006). Иранское оружие массового поражения: реальная и потенциальная угроза. CSIS. ISBN 9780892064854. Получено 25.03.2018 .
  17. ^ Микер, Ларри Дж. "Человеческие центрифуги в исследованиях и обучении" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 2016-03-03.
  18. ^ ab "Притяжение гипергравитации – исследователь НАСА изучает странные эффекты искусственной гравитации на людях". НАСА. Архивировано из оригинала 16 марта 2012 года . Получено 11 марта 2012 года .
  19. ^ Хсу, Джереми. «Новые испытания искусственной гравитации в космосе могут помочь астронавтам». Space.com . Архивировано из оригинала 7 марта 2012 г. Получено 11 марта 2012 г.
  20. ^ van Loon, Jack JWA; Krausse, Jutta; Cunha, Humberto; Goncalves, Joao; Almeida, Hugo; Schiller, Peter (июнь 2008 г.). Ouwehand, L. (ред.). "ЦЕНТРИФУГА БОЛЬШОГО ДИАМЕТРА, LDC, ДЛЯ ЖИЗНИ И ФИЗИЧЕСКИХ НАУК И ТЕХНОЛОГИЙ". "Жизнь в космосе ради жизни на Земле": Труды симпозиума 22–27 июня 2008 г., Анже, Франция . 553. Европейское космическое агентство: 92. Bibcode : 2008ESASP.663E..92V. ISBN 978-92-9221-227-8.
  21. ^ Шперка, Иржи; Соучек, Павел; Лун, Джек JWA Ван; Доусон, Алан; Шварц, Кристиан; Краузе, Ютта; Кроезен, Геррит; Кудрле, Вит (01 декабря 2013 г.). «Воздействие гипергравитации на плазму скользящей дуги». Европейский физический журнал Д. 67 (12): 261. Бибкод : 2013EPJD...67..261S. doi : 10.1140/epjd/e2013-40408-7. ISSN  1434-6060. S2CID  54539341. Архивировано из оригинала 8 марта 2021 г. Проверено 26 декабря 2018 г.
  22. ^ Шульчек, Роберт; Безу, Ян ван; Бунстра, Йоханнес; Лун, Джек, фургон JWA; Амеронген, Гертен П. ван Нью (04 декабря 2015 г.). «Переходные интервалы гипергравитации повышают целостность эндотелиального барьера: влияние механических и гравитационных сил, измеренное электрически». ПЛОС ОДИН . 10 (12): e0144269. Бибкод : 2015PLoSO..1044269S. дои : 10.1371/journal.pone.0144269 . ISSN  1932-6203. ПМК 4670102 . ПМИД  26637177. 
  23. ^ Адель, Тереза; Сало, Эмили; Лун, Джек Дж. У. А. Ван; Аулетта, Дженнаро (17.09.2014). «Планарии чувствуют имитированную микрогравитацию и гипергравитацию». BioMed Research International . 2014 : 679672. doi : 10.1155/2014/679672 . ISSN  2314-6133. PMC 4182696. PMID 25309918  . 
  24. ^ Серрано, Палома; ван Лун, Джек Дж. У. А.; Медина, Ф. Хавьер; Эрранц, Рауль (27 ноября 2012 г.). «Связь между подвижностью, ускоренным старением и экспрессией генов в отдельных штаммах дрозофилы в условиях гипергравитации». Microgravity Science and Technology . 25 (1): 67–72. doi :10.1007/s12217-012-9334-5. hdl : 10261/99914 . ISSN  0938-0108. S2CID  2121465.
  25. ^ "Что такое промышленная центрифуга? Промышленная центрифуга — это машина, используемая для разделения жидкости и частиц". KYTE . Архивировано из оригинала 21 сентября 2017 г. Получено 21 сентября 2017 г.
  26. ^ "Chip Removal Centrifugal Machine". Chinminn . Архивировано из оригинала 12 августа 2020 года . Получено 7 января 2020 года .
  27. ^ CWW Ng; YH Wang; LM Zhang (2006). Физическое моделирование в геотехнике: труды Шестой международной конференции по физическому моделированию в геотехнике. Taylor & Francis. стр. 135. ISBN 978-0-415-41586-6. Архивировано из оригинала 2021-03-08 . Получено 2016-11-02 .
  28. ^ ab Yin, Xi; Chen pramodn; Zhou, Heping; Ning, Xiaoshan (август 2010 г.). «Синтез горения композитов Ti3SiC2/TiC из элементарных порошков в условиях высокой гравитации». Журнал Американского керамического общества . 93 (8): 2182–2187. doi :10.1111/j.1551-2916.2010.03714.x.
  29. ^ Мескита, РА; Лейва, ДР; Явари, АР; Ботта Филхо, В. Дж. (апрель 2007 г.). «Микроструктуры и механические свойства объемных сплавов AlFeNd(Cu,Si), полученных путем центробежного литья». Материаловедение и машиностроение: A . 452–453: 161–169. doi :10.1016/j.msea.2006.10.082.
  30. ^ Чэнь, Цзянь-Фэн; Ван, Ю-Хун; Го, Фэнь; Ван, Синь-Мин; Чжэн, Чонг (апрель 2000 г.). «Синтез наночастиц с использованием новой технологии: реактивное осаждение при высокой плотности». Industrial & Engineering Chemistry Research . 39 (4): 948–954. doi :10.1021/ie990549a.
  31. ^ Абэ, Ёсиюки; Майцца, Джованни; Беллингери, Стефано; Ишизука, Масао; Нагасака, Юдзи; Сузуки, Тетсуя (январь 2001 г.). «Синтез алмазов методом высокогравитационного постоянного тока плазменного химического осаждения (hgcvd) с активным контролем температуры подложки». Acta Astronautica . 48 (2–3): 121–127. Bibcode : 2001AcAau..48..121A. doi : 10.1016/S0094-5765(00)00149-1.
  32. ^ "Номограмма для преобразования максимальной относительной центробежной силы (RCF, т.е. g-силы) в RPM". Центр водной патобиологии Мэрилендского университета. Архивировано из оригинала 9 декабря 2013 г.

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки