stringtranslate.com

Центрифуга

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

Центрифуга — это устройство, которое использует центробежную силу для воздействия на образец заданной постоянной силы, например , для разделения различных компонентов жидкости. Это достигается за счет вращения жидкости на высокой скорости внутри контейнера, тем самым отделяя жидкости различной плотности (например, сливки от молока) или жидкости от твердых веществ. Он работает, заставляя более плотные вещества и частицы двигаться наружу в радиальном направлении. При этом менее плотные объекты смещаются и перемещаются к центру. В лабораторной центрифуге, в которой используются пробирки для образцов, радиальное ускорение заставляет более плотные частицы оседать на дно пробирки, а вещества с низкой плотностью поднимаются вверх. [1] Центрифуга может быть очень эффективным фильтром, отделяющим загрязнения 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 для сливок , используемый на молочных заводах . Очень высокоскоростные центрифуги и ультрацентрифуги , способные обеспечивать очень высокие ускорения, могут разделять мелкие частицы до наномасштаба и молекулы различной массы. Большие центрифуги используются для имитации условий высокой гравитации или ускорения (например, при обучении летчиков-испытателей высокой перегрузке ). Центрифуги среднего размера используются в стиральных машинах и в некоторых бассейнах для откачивания воды из тканей. Газовые центрифуги используются для разделения изотопов , например, для обогащения ядерного топлива делящимися изотопами .

История

Лабораторная центрифуга XIX века с ручным заводом.

Английский военный инженер Бенджамин Робинс (1707–1751) изобрел аппарат с вращающейся рукой для определения сопротивления . В 1864 году Антонин Прандтль предложил идею молочной центрифуги для отделения сливок от молока. Впоследствии эту идею реализовал на практике его брат Александр Прандтль, который усовершенствовал конструкцию своего брата и в 1875 году продемонстрировал работающую машину для извлечения молочного жира .

Типы

Центрифугу можно описать как машину с быстро вращающимся контейнером, который прилагает к его содержимому центробежную силу. Существует несколько типов центрифуг, которые можно классифицировать по назначению или конструкции ротора:

Типы по конструкции ротора: [3] [4] [5] [6]

Типы по назначению:

В противном случае промышленные центрифуги можно классифицировать по типу отделения фракции высокой плотности от фракции низкой плотности.

Обычно существует два типа центрифуг: центрифуги для фильтрации и седиментации. Для фильтрации или так называемой сетчатой ​​центрифуги барабан перфорирован и в него вставлен фильтр, например, фильтровальная ткань, проволочная сетка или сито для партии. 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. Распространенные типы:

В центрифугах барабан представляет собой сплошную стенку (неперфорированную). Этот тип центрифуги используется для очистки суспензии. Для ускорения естественного процесса осаждения суспензии в центрифугах используется центробежная сила. В так называемых переливных центрифугах суспензия сливается и жидкость постоянно добавляется. Распространенные типы: [7]

Хотя большинство современных центрифуг имеют электрический привод, для медицинских применений в развивающихся странах был разработан вариант с ручным приводом, вдохновленный вертушкой . [8]

Было опубликовано множество проектов бесплатных центрифуг с открытым исходным кодом, которые можно производить в цифровом виде . Аппаратные конструкции с открытым исходным кодом для ручной центрифуги с приводом от больших объемов жидкостей с радиальной скоростью более 1750 об/мин и относительной центробежной силой более 50 Н можно полностью напечатать на 3D-принтере примерно за 25 долларов. [9] В других конструкциях открытого оборудования используются специальные 3D-печатные приспособления с недорогими электродвигателями для изготовления недорогих центрифуг (например, Dremelfuge, в которой используется электроинструмент Dremel) или OpenFuge , вырезаемый на станке с ЧПУ . [10] [11] [12] [13]

Использование

Лабораторные разделения

Образцы помещаются 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, мощности, контролю температуры и другим характеристикам. Лабораторные центрифуги часто могут принимать ряд различных бакетных роторов с фиксированным углом и поворотным механизмом, способных вмещать различное количество центрифужных пробирок и рассчитанных на определенные максимальные скорости. Средства управления варьируются от простых электрических таймеров до программируемых моделей, способных контролировать скорость ускорения и замедления, скорость движения 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 проб соответственно в лабораторном масштабе. [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. Получение ДНК — еще одно распространенное применение фармакогенетики и клинической диагностики. Образцы ДНК очищаются и ДНК подготавливается к разделению путем добавления буферов и последующего 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 можно удалить белки, снова центрифугировать все это и полностью выделить ДНК. Специализированные цитоцентрифуги используются в медицинских и биологических лабораториях для концентрирования клеток для микроскопического исследования. [14]

Разделение изотопов

Другие центрифуги, первой из которых является центрифуга типа Циппе , для отдельных изотопов [15] , и эти виды центрифуг используются в программах ядерной энергетики и ядерного оружия .

Аэронавтика и космонавтика

Центрифуга 20 г в Исследовательском центре Эймса НАСА.

Человеческие центрифуги — это исключительно большие центрифуги, которые проверяют реакцию и устойчивость пилотов и астронавтов к ускорению, превышающему те, которые испытывают гравитация Земли .

Первые центрифуги, использованные для исследований на людях, были использованы Эразмом Дарвином, дедушкой Чарльза Дарвина. Первая крупномасштабная центрифуга для людей, предназначенная для обучения воздухоплаванию, была создана в Германии в 1933 году. [16]

ВВС США на базе Брукс-Сити, штат Техас, эксплуатируют центрифугу для людей, ожидая завершения строительства новой центрифуги для людей, строящейся на авиабазе Райт-Паттерсон , штат Огайо. Центрифуга на базе Брукс-Сити находится в ведении Школы аэрокосмической медицины ВВС США с целью обучения и оценки потенциальных пилотов-истребителей для полетов с высокими перегрузками на истребителях ВВС. [17]

Использование больших центрифуг для имитации ощущения гравитации было предложено для будущих длительных космических миссий. Воздействие этой моделируемой гравитации предотвратит или уменьшит декальцинацию костей и атрофию мышц , которые возникают у людей, подвергающихся длительным периодам свободного падения. [17] [18]

Нечеловеческая центрифуга

В технологическом центре ESTEC Европейского космического агентства (ЕКА) (в Нордвейке, Нидерланды) центрифуга диаметром 8 метров (26 футов) используется для экспонирования образцов в области наук о жизни, а также физических наук. Эта центрифуга большого диаметра (LDC) [19] начала работу в 2007 году. Образцы могут подвергаться воздействию силы тяжести, в 20 раз превышающей земную. Благодаря четырем кронштейнам и шести свободно качающимся гондолам можно одновременно экспонировать образцы с разными уровнями перегрузки. Гондолы можно зафиксировать в восьми различных положениях. В зависимости от их местоположения можно, например, провести эксперимент с нагрузками 5 и 10 г за один проход. Каждая гондола может вместить эксперимент весом не более 80 кг (180 фунтов). Эксперименты, проводимые на этом объекте, варьировались от рыб-зебр, металлических сплавов, плазмы, [20] клеток, [21] жидкостей, планарий, [22] дрозофилы [23] или растений.

Промышленный центробежный сепаратор

Промышленный центробежный сепаратор представляет собой систему фильтрации охлаждающей жидкости для отделения частиц от жидкости, например, охлаждающей жидкости для шлифования. Обычно он используется для отделения частиц цветных металлов, таких как кремний, стекло, керамика, графит и т. д. Процесс фильтрации не требует каких-либо расходных материалов, таких как фильтровальные мешки, что защищает землю от вреда. [24] [25]

Геотехническое моделирование центрифуг

Геотехническое центрифужное моделирование используется для физических испытаний моделей грунтов. 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 землетрясение. [26]

Синтез материалов

Условия высокой гравитации, создаваемые центрифугой, применяются в химической промышленности, литье и синтезе материалов. [27] [28] [29] [30] На конвекцию и массообмен сильно влияют гравитационные условия. Исследователи сообщили, что уровень высокой гравитации может эффективно влиять на фазовый состав и морфологию продуктов. [27]

Коммерческие приложения

Сахарные центробежные машины для отделения кристаллов сахара

Математическое описание

Протоколы центрифугирования обычно указывают величину ускорения , приложенного к образцу, а не скорость вращения , например количество оборотов в минуту . Это различие важно, поскольку два ротора разного диаметра, 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 называют «относительной центробежной силой» (RCF). Ускорение измеряется кратно « g » (или × « g »), стандартному ускорению силы тяжести на поверхности Земли, безразмерной величине, определяемой выражением:

где

это ускорение силы тяжести Земли ,
- радиус вращения,
угловая скорость в радианах в единицу времени

Это соотношение можно записать как

или

где

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

Чтобы не производить каждый раз математический расчет, можно найти номограммы перевода RCF в обороты в минуту для ротора заданного радиуса. Линейка или другая линейка, совмещенная с радиусом на одной шкале и желаемым RCF на другой шкале, укажет правильную частоту вращения на третьей шкале. [31] Современные центрифуги, основанные на автоматическом распознавании ротора, имеют кнопку для автоматического преобразования RCF в обороты и наоборот.

Смотрите также

Ссылки и примечания

  1. ^ Аб Миккельсен, Сьюзен Р.; Кортон, Эдуардо (20 февраля 2004 г.). «Методы центрифугирования». Биоаналитическая химия . Хобокен, Нью-Джерси, США: John Wiley & Sons, Inc. doi : 10.1002/0471623628.ch13. ISBN 978-0-471-54447-0.
  2. ^ Фогель-Прандтль, Йоханна (14 августа 2004 г.) [1904]. Людвиг Прандтль: Биографический очерк, воспоминания и документы (PDF) . Перевод В. Васанта Рама. Международный центр теоретической физики Триест, Италия. стр. 10–11. Архивировано (PDF) из оригинала 25 октября 2017 г.
  3. ^ «Основы центрифугирования». Коул-Пармер. Архивировано из оригинала 24 февраля 2012 года . Проверено 11 марта 2012 г.
  4. ^ «Разделение плазмидной ДНК: угловые и вертикальные роторы в микроультрацентрифугах Thermo Scientific Sorvall Discovery™ M120 и M150» (PDF) . Термо Фишер. Архивировано из оригинала (PDF) 24 февраля 2012 г. Проверено 11 марта 2012 г.
  5. ^ «Центрифуги» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 13 мая 2014 г. Проверено 11 марта 2012 г.
  6. ^ Хайдкамп, Уильям Х. «Приложение F». Руководство для лаборатории клеточной биологии . Колледж Густава Адольфа. Архивировано из оригинала 2 марта 2012 года . Проверено 11 марта 2012 г.
  7. ^ «Центрифуги». Центримакс . Архивировано из оригинала 09.11.2016 . Проверено 9 ноября 2016 г.
  8. ^ М. Саад Бхамла; Брэндон Бенсон; Жуйте чай; Георгиос Кацикис; Анчал Джори; Ману Пракаш (10 января 2017 г.). «Сверхдешевая бумажная центрифуга с ручным приводом». Природа . 1 : 0009. дои : 10.1038/s41551-016-0009. S2CID  16459214.
  9. ^ Суле, Салил С.; Пецюк, Алексей Л.; Пирс, Джошуа М. (2019). «Центрифуга с открытым исходным кодом, полностью пригодная для 3D-печати». Инструменты . 3 (2): 30. doi : 10.3390/instruments3020030 .
  10. ^ "ОпенФуге". www.instructables.com . Архивировано из оригинала 27 октября 2019 г. Проверено 27 октября 2019 г.
  11. ^ Пирс, Джошуа М. (14 сентября 2012 г.). «Создание исследовательского оборудования с использованием бесплатного оборудования с открытым исходным кодом». Наука . 337 (6100): 1303–1304. Бибкод : 2012Sci...337.1303P. дои : 10.1126/science.1228183. ISSN  0036-8075. PMID  22984059. S2CID  44722829.
  12. Слитор, Рой Д. (1 сентября 2016 г.). «Биология своими руками – хакерство становится вирусным!». Научный прогресс . 99 (3): 278–281. дои : 10.3184/003685016X14684989326984 . ISSN  0036-8504. ПМЦ 10365417 . PMID  28742489. S2CID  3979794. 
  13. ^ Мейер, Морган (25 июня 2012 г.). «Постройте свою собственную лабораторию: биология своими руками и рост гражданской биотехнологической экономики». Журнал равноправного производства . 2 (онлайн): 4. Архивировано из оригинала 27 октября 2019 г. Проверено 27 октября 2019 г.
  14. ^ Стоукс, Барри О. (2004). «Принципы цитоцентрифугирования». Лабораторная медицина . 35 (7): 434–437. дои : 10.1309/FTT59GWKDWH69FB0 . ISSN  0007-5027.
  15. ^ Кордесман, Энтони Х.; Аль-Родхан, Халид Р. (2006). Иранское оружие массового поражения: реальная и потенциальная угроза. ЦСИС. ISBN 9780892064854. Проверено 25 марта 2018 г.
  16. ^ Микер, Ларри Дж. «Человеческие центрифуги в исследованиях и обучении» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 03 марта 2016 г.
  17. ^ ab «Притяжение гипергравитации - исследователь НАСА изучает странное воздействие искусственной гравитации на людей». НАСА. Архивировано из оригинала 16 марта 2012 года . Проверено 11 марта 2012 г.
  18. ^ Сюй, Джереми. «Новые испытания искусственной гравитации в космосе могут помочь астронавтам». Space.com . Архивировано из оригинала 7 марта 2012 года . Проверено 11 марта 2012 г.
  19. ^ ван Лун, Джек JWA; Краусс, Ютта; Кунья, Умберто; Гонсалвес, Жоау; Алмейда, Хьюго; Шиллер, Питер (июнь 2008 г.). Оувеханд, Л. (ред.). «ЦЕНТРИФУГА БОЛЬШОГО ДИАМЕТРА, ООО, ДЛЯ ЖИЗНИ И ФИЗИЧЕСКИХ НАУК И ТЕХНОЛОГИЙ». «Жизнь в космосе для жизни на Земле»: материалы симпозиума 22–27 июня 2008 г., Анжер, Франция . Европейское космическое агентство. 553 : 92. Бибкод : 2008ESASP.663E..92V. ISBN 978-92-9221-227-8.
  20. ^ 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.
  21. ^ 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. 
  22. ^ Аделл, Тереза; Сало, Эмили; Лун, Джек, фургон JWA; Аулетта, Дженнаро (17 сентября 2014 г.). «Планарии чувствуют симулированную микрогравитацию и гипергравитацию». БиоМед Исследования Интернэшнл . 2014 : 679672. doi : 10.1155/2014/679672 . ISSN  2314-6133. ПМК 4182696 . ПМИД  25309918. 
  23. ^ Серрано, Палома; ван Лун, Джек JWA; Медина, Ф. Хавьер; Эрранц, Рауль (27 ноября 2012 г.). «Связь между подвижностью, ускоренным старением и экспрессией генов у избранных штаммов дрозофилы в условиях гипергравитации». Наука и технология микрогравитации . 25 (1): 67–72. дои : 10.1007/s12217-012-9334-5. hdl : 10261/99914 . ISSN  0938-0108. S2CID  2121465.
  24. ^ «Что такое промышленная центрифуга? Промышленная центрифуга — это машина, используемая для разделения жидкости и частиц» . КАЙТ . Архивировано из оригинала 21 сентября 2017 года . Проверено 21 сентября 2017 г.
  25. ^ «Центробежная машина для удаления стружки» . Чинминн . Архивировано из оригинала 12 августа 2020 года . Проверено 7 января 2020 г.
  26. ^ CWW Нг; Ю. Х. Ван; Л. М. Чжан (2006). Физическое моделирование в геотехнике: материалы Шестой Международной конференции по физическому моделированию в геотехнике. Тейлор и Фрэнсис. п. 135. ИСБН 978-0-415-41586-6. Архивировано из оригинала 8 марта 2021 г. Проверено 2 ноября 2016 г.
  27. ^ Аб Инь, Си; Чен Прамодн; Чжоу, Хэпин; Нин, Сяошань (август 2010 г.). «Горючий синтез композитов Ti3SiC2/TiC из элементарных порошков в условиях высокой гравитации». Журнал Американского керамического общества . 93 (8): 2182–2187. дои : 10.1111/j.1551-2916.2010.03714.x.
  28. ^ Мескита, РА; Лейва, ДР; Явари, Арканзас; Ботта Фильо, WJ (апрель 2007 г.). «Микроструктура и механические свойства объемных сплавов AlFeNd(Cu,Si), полученных методом центробежного литья». Материаловедение и инженерия: А. 452–453: 161–169. doi : 10.1016/j.msea.2006.10.082.
  29. ^ Чен, Цзянь-Фэн; Ван, Ю-Хонг; Го, Фен; Ван, Синь-Мин; Чжэн, Чонг (апрель 2000 г.). «Синтез наночастиц с использованием новой технологии: высокогравитационное реактивное осаждение». Исследования в области промышленной и инженерной химии . 39 (4): 948–954. дои : 10.1021/ie990549a.
  30. ^ Абэ, Ёсиюки; Майцца, Джованни; Беллинджери, Стефано; Исидзука, Масао; Нагасака, Юджи; Сузуки, Тецуя (январь 2001 г.). «Синтез алмазов методом CVD в высокогравитационной плазме постоянного тока (hgcvd) с активным контролем температуры подложки». Акта Астронавтика . 48 (2–3): 121–127. Бибкод : 2001AcAau..48..121A. дои : 10.1016/S0094-5765(00)00149-1.
  31. ^ «Номограмма для преобразования максимальной относительной центробежной силы (RCF, т. е. перегрузки) в число оборотов в минуту» . Центр водной патобиологии Университета Мэриленда. Архивировано из оригинала 9 декабря 2013 года.

дальнейшее чтение

Внешние ссылки