Центрифугирование. Центрифугирование: виды и применение метода Метод центрифугирования основан на

Центрифугирование Это разделение механических смесей на составные части
действием центробежной силы. Приборы, применяемые для этой
цели, называют центрифугами.
Основной частью центрифуги является ротор с монтированными в
нем гнездами для центрифужных пробирок. Ротор вращается с
большой скоростью, вследствие чего создаются значительные по
величине центробежные силы, под действием которых
происходит разделение механических смесей, например
осаждение взвешенных в жидкости частиц.

Процессы, происходящие в центрифуге

В центрифугах разделяют следующие процессы:
1)Центробежное фильтрование.
2)Центробежное отстаивание.
3)Центробежное осветление.

Центробежное фильтрование

Центробежное фильтрование представляет собой
процесс разделения суспензий в центрифугах с
дырчатыми барабанами. Внутренняя поверхность
такого барабана покрыта фильтровальной тканью.
Суспензия центробежной силой отбрасывается к
стенкам барабана, при этом твёрдая фаза остаётся на
поверхности ткани, а жидкость под действием
центробежной силы проходит сквозь слой осадка и
ткань удаляется наружу через отверстия в барабане.
Центробежное фильтрование обычно складывается из
трёх последовательных физических процессов:
1)фильтрование с образованием осадка;
2)уплотнение осадка;
3)удаление из осадка жидкости, удерживаемой
молекулярными силами;

Центробежное отстаивание

Центробежное отстаивание
Центробежное отстаивание - процесс разделения
суспензий в центрифугах, имеющих барабаны со
сплошными стенками. Суспензия вводится в нижнюю
часть барабана и под действием центробежной силы
отбрасывается к стенкам. У стенок образуется слой
осадка, а жидкость образует внутренний слой и
вытесняется из барабана поступающей на разделение
суспензией. Жидкость при этом поднимается кверху,
переливается через закраину барабана и удаляется
наружу.
При этом происходит два физических процесса:
1)Осаждение твёрдой фазы.
2)Уплотнение осадка.

Центробежное осветление

Центробежное осветление - процесс разделения
тонких суспензий и коллоидных растворов. Так
же проводится в сплошных барабанах.
По физической сущности центробежное
осветление представляет собой процесс
свободного осаждения твёрдых частиц в поле
центробежных сил.
В барабанах со сплошными стенками
производится так же разделение эмульсий. Под
действием центробежной силы компоненты
эмульсии в соответствии с плотностью
располагаются в виде разграниченных слоев:
наружного слоя жидкости с большей плотностью
и внутреннего слоя более лёгкой жидкости.
Жидкости выводятся из барабана порознь.

В клинических и санитарногигиенических лабораториях
центрифугирование используют
для отделения эритроцитов от
плазмы крови, сгустков крови от
сыворотки, плотных частиц от
жидкой части мочи и т. д. Для
этой цели применяют или
ручные центрифуги, или
центрифуги с электроприводом,
скорость вращения которых
можно регулировать.
Ультрацентрифуги, скорость
вращения роторов которых
превышает 40 000 об/мин,
применяют обычно в
экспериментальной практике
для разделения органелл
клеток, отделения коллоидных
частиц, макромолекул,
полимеров.

Использование центрифугирования в паразитологии

Метод используется для дифференцировки сложной
кровяной смеси, мочи или кала, с последующим
выделением из нее гельминтов для дальнейшего
изучения под микроскопом и фиксации материала. В
процессе центрифугирования имеющиеся в пробе
паразиты проходят через фильтр и скапливаются в
нижнем коническом отсеке пробирки. Сетка фильтра
со специально подобранными по размеру ячейками
в пробирке расположена вертикально, в результате
чего происходит горизонтальная (латеральная)
фильтрация пробы. В результате чего, грубые
частицы непереваренной пищи, клетчатка оседают в
смесительной камере, а паразиты и их яйца
беспрепятственно проходят через фильтр. Таким
образом, паразиты концентрируются в
поверхностном слое мелкодисперсного осадка, и
врачу-лаборанту остается только аккуратно отобрать
образец для микроскопирования с помощью
автоматической пипетки и нанести его на
предметное стекло.

Метод центрифугирования в цитологии

Метод дифференциального
центрифугирования используется для
фракционирования клеток, т. е. расслоения их
содержимого на фракции в зависимости от удельного
веса различных органоидов и клеточных включений.
Для этого тонко измельченные клетки вращают в
специальном аппарате – ультрацентрифуге. В
результате центрифугирования компоненты клеток
выпадают в осадок из раствора, располагаясь в
соответствии со своей плотностью. Более плотные
структуры осаждаются при более низких скоростях
центрифугирования, а менее плотные – при высоких
скоростях. Полученные слои разделяют и изучают
отдельно.

10. Центрифугирование в ботанике и физиологии растений

Центрифугирование позволяет получить различные
фракции субклеточных частиц и исследовать
свойства и функции каждой фракции в
отдельности. Например, из листьев шпината можно
выделить хлоропласты, отмыть их с помощью
повторного центрифугирования в соответствующей
среде от клеточных фрагментов и исследовать их
поведение в различных экспериментальных
условиях или же определить их химический состав.
Далее можно, применяя различные модификации
методики, разрушить эти пластиды и выделить
посредством
дифференциального центрифугирования (повторно
го осаждения частиц при различных величинах
ускорения) составляющие их элементы. Таким
путем удалось показать, что пластиды содержат
структуры, отличающиеся очень упорядоченным
строением, - так называемые граны; все граны
находятся внутри ограничивающей хлоропласт
мембраны (оболочка хлоропласта). Достоинства
этого метода просто неоценимы, поскольку он
позволяет выявить существование
функциональных субъединиц, входящих в состав
более крупных субклеточных частиц; в частности,
используя метод

11. Метод центрифугирования в вирусологии

Метод центрифугирования в градиенте плотности Брак-ке можно
использовать как для выделения, так и для получения
количественных характеристик вирусов растений. Как оказалось,
этот метод таит в себе многие возможности и в настоящее время
широко используется в области вирусологии и молекулярной
биологии. При проведении исследований методом
центрифугирования в градиенте плотности центрифужную пробирку
частично наполняют раствором, плотность которого уменьшается в
направлении от дна к мениску. Для создания градиента при
фракционировании вирусов растений наиболее часто используют
сахарозу. Перед началом центрифугирования частицы вируса могут
быть либо распределены во всем объеме раствора, либо нанесены на
вершину градиента. Бракке предложил три различных приема
центрифугирования в градиенте плотности. При изопикпическом
(равновесном) центрифугировании процесс продолжается до тех пор,
пока все частицы в градиенте не достигнут уровня, где плотность
среды равна их собственной плотности. Таким образом,
фракционирование частиц происходит в этом случае в соответствии с
различиями в их плотности. Растворы сахарозы не обладают
достаточной плотностью для изопикнического разделения многих
вирусов. При скоростном зональном центрифугировании вирус
сначала наносят па предварительно созданный градиент. Частицы
каждого типа седиментируют при, этом через градиент в виде зоны,
или полосы, со скоростью, зависящей от их размера, формы и
плотности. Центрифугирование при этом заканчивают, когда частицы
еще продолжают седиментировать. Равновесное зональное
центрифугирование сходно со скоростным зональным
центрифугированием, по в этом случае центрифугирование

12. Трудности в использовании метода центрифугирования

Применение метода дифференциального центрифугирования
сопряжено со многими методическими трудностями. Во первых, при
выделении частиц можно повредить их структуру. Поэтому
потребовалось разработать специальные методы разрушения клеток,
которые бы не вызывали повреждения структуры субклеточных
фракций. Во вторых, поскольку субклеточные частицы обладают
мембранами, в процессе их выделения могут возникать
разнообразные осмотические эффекты. Следовательно, для того
чтобы ультраструктура исследуемых объектов не была разрушена
еще при их выделении, необходимо тщательно подбирать состав
среды, в которой производится разрушение клеток и осаждение
частиц. И наконец, отмывание субклеточных частиц
(ресуспендирование их в среде и последующее повторное
центрифугирование) может приводить к потере некоторых
содержащихся в них веществ, которые под действием сил диффузии
переходят в раствор.
В связи с этим иногда бывает трудно понять, какие из малых молекул
действительно являются элементами исследуемых структур, а какие
просто были адсорбированы их поверхностью в процессе выделения.
Такое положение затрудняет точное определение некоторых
функциональных свойств выделенных объектов.

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 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 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.

Метод центрифугирования - это сепарация (разделение) на составляющие различных неоднородных смесей при помощи центробежной силы. Для осуществления этого применяются специализированные аппараты, которые называются центрифугами.

Основной частью любой центрифуги является ротор с гнёздами, в которые устанавливаются пробирки. Во время сверхскоростного вращения в системе возникает центробежная сила, которая способствует разделению обрабатываемого вещества по плотности - так, например, «осаждаются» имеющиеся в жидкости твёрдые частицы. Метод центрифугирования применяется практически во всех сферах человеческой деятельности: в науке и медицине, промышленности, сельском хозяйстве, в быту и в технологических областях.

Различные методы центрифугирования

Для разделения веществ может применяться и другой метод осаждения - отстаивание, когда сепарация происходит под воздействием гравитации. Как правило, обработка в аппаратах-отстойниках предшествует центрифугированию и является подготовительным этапом работы.

Непосредственно метод центрифугирования делится на отстаивание, фильтрацию и осветление.

Фильтрация осуществляется с использованием перфорированного барабана, на котором установлено фильтрующее вещество. Жидкость свободно проходит сквозь него под воздействием центробежной силы, а твёрдые частицы остаются снаружи. Для отстаивания применяются барабаны со сплошными стенками, в нижнюю часть которых подаётся суспензия. В процессе осадок выделяется на стенках, а жидкость образует внутренний слой, затем переливающийся за край.

И, наконец, осветление также протекает в сплошных барабанах, представляя из себя процесс свободного осаждения частиц под воздействием центробежного поля.

Характеристика методов центрифугирования

По своей физической сущности, фильтрационные и отстойные методы сильно различаются.

В барабанах-остойниках обработка проводится с целью очистки жидкости, содержание загрязнений и примесей в которой достаточно незначительно, путём уплотнения осадка и осаждения твёрдых частиц.

При этом от процесса с использованием гравитации это отличается коренным образом - в первую очередь из-за того факта, что отстаивание является достаточно равномерным процессом, а центрифугирование, из-за непараллельности линий центробежного поля, достаточно непостоянным методом. Два метода различаются по самой своей сути, и это необходимо учитывать.

Фильтрационное центрифугирование устроено несколько сложнее, поскольку протекает, как правило, в три этапа: сначала идёт образование осадка, затем уплотнение, потом устранение жидкости. Фильтрование центробежной силой также сильно отличается от фильтрации при помощи «обычной» гравитации. Сходным можно назвать только первый этап.

Использование центрифугирования в разных областях

Метод получил огромное распространение и используется практически в любой сфере деятельности. Встретить его можно в биологии и медицине, лабораторной диагностике, пищевой промышленности; он давно и успешно заменяет собой более традиционные и менее эффективные процессы фильтрования, отжимания и очистки.

Промышленные центрифуги имеют большую мощность и более сложное устройство ротора, благодаря которому одновременно можно обрабатывать много вещества. Их применяют в сфере сельского хозяйства для извлечения мёда из сот и очистки зерна, отделяют в них жир от молока сепарацией, также они весьма распространены в сфере обогащения руд. Найти центрифугу можно даже в прачечной - там в ней производят отжим белья после стирки.

Лабораторные центрифуги с достаточно медленной скоростью вращения ротора используются для отделения сыворотки крови, осадков мочи, при серологических исследованиях и для осаждения эритроцитов. Лабораторные разновидности дополнительно подразделяются на клинические, стационарные, рефрижераторные, настольные и угловые малогабаритные: каждая применяется в своей сфере лабораторных исследований в зависимости от целей и задач медицинского центра.

Препаративное центрифугирование – один из методов выделения биологического материала для последующего проведения биохимических исследований. Позволяет выделить значительное количество клеточных частиц для комплексного изучения их биологической активности, структуры и морфологии. Также метод применим для выделения основных биологических макромолекул. Сфера использования: медицинские, химические и биохимические исследования.

Классификация методов препаративного центрифугирования

Препаративное центрифугирование осуществляется по одной из следующих методик:

Дифференциальное. Метод основан на разнице в скорости седиментации частиц. Исследуемый материал центрифугируется при постепенном увеличении центробежного ускорения. На каждом из этапов на дно пробирки осаждается одна из фракций среды. После центрифугирования полученная фракция отделяется от жидкости и несколько раз промывается. Зонально-скоростное. Метод основан на наслаивании исследуемой среды на буферный раствор с известным непрерывным градиентом плотности. После этого образец центрифугируется до распределения частиц вдоль градиента, образуя дискретные полосы (зоны). Градиент плотности позволяет исключить смешивание зон и получить относительно чистую фракцию.

• Изопикническое. Может проводиться в градиенте плотности либо обычным путем. В первом случае обрабатываемый материал наслаивается на поверхность буферного раствора с непрерывным градиентом плотности и центрифугируется до разделения частиц по зонам. Во втором случае исследуемая среда центрифугируется до образования осадка из частиц с большим молекулярным весом, после чего из полученного остатка выделяются исследуемые частицы.
• Равновесное. Проводится в градиенте плотности из солей тяжелых металлов. Центрифугирование позволяет установить равновесное распределение концентрации растворенного исследуемого вещества. Затем под воздействием сил центробежного ускорения частицы среды собираются в отдельной зоне пробирки.

Оптимальная методика подбирается с учетом поставленных целей и особенностей исследуемой среды.

Классификация препаративных лабораторных центрифуг

В зависимости от особенностей конструкции и эксплуатационных характеристик препаративные центрифуги можно разделить на 3 основные группы:

Общего назначения. Максимальная скорость – 8.000 об/мин при относительном центробежном ускорении до 6.000 g. Универсальные лабораторные центрифуги комплектуются угловыми роторами либо роторами с подвесными контейнерами для размещения биологического материала. Отличаются большой емкостью от 4 дм 3 до 6 дм 3 , что позволяет использовать стандартные центрифужные пробирки объемом 10-100 дм 3 и сосуды емкостью не более 1.25 дм 3 . Из-за особенностей крепления ротора к валу привода пробирки либо сосуды должны быть уравновешены и отличаться по весу максимум на 0.25 г. Недопустима эксплуатация центрифуги с нечетным количеством пробирок. При частичной загрузке ротора емкости с исследуемой средой следует размещать симметрично относительно друг друга, тем самым обеспечивая их равномерное распределение по отношению к оси вращения ротора.

• Скоростные. Максимальная скорость – 25.000 об/мин при относительном центробежном ускорении до 89.000 g. Для предотвращения нагревания из-за возникающих при вращении ротора сил трения рабочая камера оснащается системой охлаждения. Комплектуются угловыми роторами либо роторами с подвесными контейнерами для размещения биологического материала. Емкость скоростных препаративных
  центрифуг – 1.5 дм 3 .
• Ультрацентрифуги. Максимальная скорость – 75.000 об/мин при относительном центробежном ускорении до 510.000g. Для предотвращения нагревания из-за возникающих при вращении ротора сил трения оснащаются системой охлаждения и вакуумной установкой. Роторы ультрацентрифуг изготавливается из сверхпрочных титановых либо алюминиевых сплавов. Для уменьшения вибраций из-за неравномерного заполнения ротора имеют гибкий вал.

К отдельной категории следует отнести препаративные центрифуги специального исполнения, предназначенные для проведения определенных разновидностей исследований и решения специфических задач. В эту группу входят центрифуги с нагревательной рубашкой, рефрижераторные центрифуги и другое подобное оборудование.

Особенности конструкции ротора в препаративных центрифугах

Препаративные центрифуги комплектуются угловыми либо горизонтальными роторами:

Угловые роторы – пробирки во время работы центрифуги расположены под углом 20-35° к оси вращения. Проходимое частицами расстояние до соответствующей стенки пробирки невелико, в связи с этим их осаждение происходит достаточно быстро. Из-за возникающих при центрифугировании конвекционных потоков угловые роторы редко используются для разделения частиц, размеры и свойства которых обуславливают значительные различия скорости осаждения. Горизонтальные роторы – пробирки в роторах этого типа устанавливаются вертикально. В процессе вращения под действием центробежной силы сосуды с обрабатываемым материалом переходят в горизонтальное положение. Данные особенности конструкции и эксплуатации позволяют снизить конвекционные явления, поэтому роторы этого типа оптимальны для разделения частиц с разной скоростью седиментации. Использование пробирок секториальной формы позволяет добиться дополнительного снижения эффектов завихрения и конвекционных явлений.

Тип ротора определяет сферу использования оборудования. Возможность смены ротора позволяет использовать одну и ту же модель центрифуги для решения разноплановых задач. Медицинские центрифуги для лаборатории Centurion выпускаются в напольных либо настольных вариантах исполнения, что делает возможным использование оборудования в любых помещениях вне зависимости от доступной площади.

Лекция №5

Разделение жидких неоднородных смесей эффективно проводится методом центрифугирования, основанным на использовании центробежной силы. Аппараты, в которых жидкие неоднородные смеси разделяются под действием центробежной силы, называются центрифугами.

Метод центрифугирования широко используют в различных областях техники; число типов и конструкций центрифуг весьма велико.

Основной частью центрифуги является барабан (ротор со сплошными или перфорированными стенками), вращающийся с большой скоростью на вертикальном или горизонтальном валу. Разделение неоднородных смесей в центрифугах может производиться либо по принципу отстаивания, либо по принципу фильтрации. В первом случае используют барабаны со сплошными стенками, во втором - с отверстиями; барабаны с отверстиями покрываются фильтром. Если стенки барабана сплошные, то материал под действием центробежной силы располагается слоями соответственно удельному весу, причем непосредственно у стенок барабана располагается слой материала с большим удельным весом. Если стенки барабана имеют отверстия и снабжены на внутренней поверхности фильтрующей перегородкой, например фильтровальной тканью, то твердые частицы смеси остаются на фильтрующей перегородке, а жидкая фаза проходит через поры твердого осадка и фильтрующей перегородки и удаляется из барабана. Жидкая фаза, отделяемая на центрифуге, называется фугатом .

Центробежная сила; фактор разделения. При вращении барабана центрифуги и находящейся в нем жидкости возникает центробежная сила как сила инерции.

С=m W 2 / r (1)

m -вес вращающегося тела (жидкости) в кгс;

r -радиус вращения в м

W -окружная скорость вращения в м/с;

Окружная скорость вращения определяется как:

W=ω r = 2 π n r/60 (2)

п -число оборотов в минуту;

ω-угловая скорость вращения в радианах

g-ускорение силы тяжести в м/сек 2 , если m=G/g, тогда центробежная сила С, действующая на вращающееся тело с массой m и весом G, равна C= G(2π n r/60) 2 /rg Или C ≈ G n 2 r/900 (3)

Уравнение (2,3) показывает, что увеличение центробежной силы легче достигается увеличением числа оборотов, чем увеличением диаметра барабана. Барабаны небольшого диаметра, но с большим числом оборотов могут развить большую центробежную силу, чем барабаны большого диаметра, но при небольшом числе оборотов.

Таким образом, центробежная сила, действующая на частицу, может быть больше силы тяжести во столько раз, во сколько ускорение центробежной силы больше ускорения свободного падения. Отношение этих ускорений называют фактором разделения и обозначают Кр:

W 2 / r – ускорение центробежной силы.

Приняв G=1н, получим: Кр=n 2 r /900

Например, для центрифуги с ротором диаметром 1000 мм (r=0,5 м) вращающимся со скоростью n=1200 об/мин, фактор разделения составит 800. Разделяющее действие центрифуги растет пропорционально величине Кр.

Значение К для циклонов имеет порядок сотен. А для центрифуг – около 3000, таким образом, движущая сила процесса осаждения в циклонах и центрифугах на 2-3 порядка больше, чем в отстойниках. Благодаря этому производительность циклонов и центрифуг выше производительности отстойников, и в них можно эффективно отделять мелкие частицы: в центрифугах размером порядка 1мкм. В циклонах – порядка 10 мкм.

Из сравнения уравнений видно, что фактор разделения К р численно равен центробежной силе, развива­ющейся при вращении тела весом 1 кг.

Характеристика процессов центрифугирования . Как было указано выше, центрифугирование можно проводить по принципу отстаивания (в сплошных барабанах) или по принципу фильтрации (в дырчатых бара­банах). По своей физической сущности оба процесса отличаются друг от друга. Кроме того, имеются отдельные разновидности каждого из этих процессов, которые определяются содержанием твердой фазы и степенью ее дисперсности, а также физическими свойствами суспензии.

Центрифугирование в отстойных барабанах производят как для очистки жидкостей от загрязнений, содержащихся в небольших количествах (осветление жидкостей), так и для разделения суспензий, содержащих значительное количество твердой фазы (отстойное центрифугирование).

Центрифугирование в отстойных барабанах в общем случае складывается из двух физических процессов: осаждения твердой фазы (процесс проходит по законам гидродинамики) и уплотнения осадка; к последнему процессу применимы основные закономерности механики грунтов (дисперсных сред).

До некоторого предела концентрации твердой фазы (равного ориентировочно 3-4% по объему) ее осаждение в отстойном барабане протекает без образования поверхности раздела между твердым веществом и жидкостью. При повышении концентрации такая поверхность образуется вследствие укрупнения и осаждения находящихся в жидкости твердых частиц.

Процесс центрифугирования в отстойных барабанах принципиально отличается от процесса разделения в отстойниках. В последних скорость осаждения практически можно считать постоянной, так как процесс происходит в поле тяжести, ускорение которого не зависит от координат падающей частицы.

Ускорение же поля центробежных сил является величиной переменной и зависит при постоянной угловой скорости от радиуса вращения rчастицы. Кроме того, силовые линии центробежного поля не параллельны друг другу и, следовательно, направление действия центробежных сил будет неодинаково для разных частиц (не лежащих на одном радиусе вращения).

Поэтому закономерности процессов отстаивания нельзя распространять на процесс центрифугирования в отстойных барабанах.

Разделяющая способность отстойных центрифуг характеризуется индексом производительности (сигма) Σ, который является произведением площади цилиндрической поверхности осаждения F в роторе на фактор разделения Кр.

Σ=F Кр (1), Кр= W2/rg ≈n2 r/900 , откуда Σ /F=Кр (2)

Учитывая, что фактор разделения выражает отношение скоростей отстаивания частиц в отстойной центрифуге и отстойнике, в соответствии с равенством (2) величину Σ следует считать равной площади отстойника, эквивалентного по производительности для данной суспензии рассматриваемой центрифуге. Индекс производительности отражает влияние всех конструктивных особенностей осадительной центрифуги, определяющих ее разделительную способность.

При определении производительности отстойных центрифуг периодического действия необходимо учитывать затраты времени на пуск, торможение и разгрузку центрифуги Определение производительности фильтрующей центрифуги так же сложно, как и определение производительности любого фильтра.

Еще более сложным является процесс центрифугирования в фильтрующих барабанах . Процесс протекает в три стадии:

образование осадка, уплотнение осадка и, наконец, удаление из пор осадка жидкости, удерживаемой капиллярными и молекулярными силами.

Вследствие этого весь процесс центробежной фильтрации не может быть отождествлен с обычной фильтрацией, происходящей под действием сил тяжести. Лишь первый его период принципиально близок к обычной фильтрации и отличается от нее только величиной гидравлического напора жидкости, протекающей через слой осадка под действием центробежных сил. В этот период влага в осадке находится в свободной форме и удаляется из него наиболее интенсивно. Второй период аналогичен соответствующему периоду при отстойном центрифугировании и, наконец, третий характеризуется проникновением воздуха в уплотненный осадок, т. е. механической сушкой осадка

Длительность указанных выше периодов зависит от физических свойств и концентрации суспензий, а также от характеристики центрифуги.

Сложность и многообразие процессов центрифугирования затрудняет разработку теории процесса (особенно его кинетика) и точных методов расчета центрифуг.

Производительность центрифуг . Обычно производительность центрифуг выражают объемом суспензии, поступающей в центрифугу в единицу времени (л/час), или весом осадка, получающегося после центрифугирования (кг/час).