Центрифугування. Центрифугування: види та застосування методу Метод центрифугування заснований на

Центрифугування Це поділ механічних сумішей на складові
дією відцентрової сили. Прилади, що застосовуються для цієї
Цілі називають центрифугами.
Основною частиною центрифуги є ротор з монтованими в
ньому гніздами для центрифужних пробірок. Ротор обертається з
великою швидкістю, внаслідок чого створюються значні по
величині відцентрові сили, під дією яких
відбувається поділ механічних сумішей, наприклад
осадження зважених рідини частинок.

Процеси, що відбуваються в центрифузі

У центрифугах поділяють такі процеси:
1)Центробіжне фільтрування.
2)Центробіжне відстоювання.
3)Центробіжне освітлення.

Відцентрове фільтрування

Відцентрове фільтрування є
процес поділу суспензій у центрифугах з
дірчастими барабанами. Внутрішня поверхня
такого барабана покрита фільтрувальною тканиною.
Суспензія відцентровою силою відкидається до
стінкам барабана, при цьому тверда фаза залишається на
поверхні тканини, а рідина під дією
відцентрової сили проходить крізь шар осаду та
тканина видаляється назовні через отвори в барабані.
Відцентрове фільтрування зазвичай складається з
трьох послідовних фізичних процесів:
1) фільтрування з утворенням осаду;
2) ущільнення осаду;
3) видалення з осаду рідини, що утримується
молекулярними силами;

Відцентрове відстоювання

Відцентрове відстоювання
Відцентрове відстоювання - процес поділу
суспензій на центрифугах, що мають барабани
суцільними стінами. Суспензія вводиться у нижню
частина барабана та під дією відцентрової сили
відкидається до стінок. У стін утворюється шар
осаду, а рідина утворює внутрішній шар і
витісняється з барабана, що надходить на поділ
суспензією. Рідина при цьому піднімається догори,
переливається через край барабана і видаляється
назовні.
При цьому відбувається два фізичні процеси:
1)Осадження твердої фази.
2) Ущільнення осаду.

Відцентрове освітлення

Відцентрове освітлення – процес поділу
тонких суспензій та колоїдних розчинів. Так
ж проводиться у суцільних барабанах.
За фізичною сутністю відцентрове
освітлення є процесом
вільного осадження твердих частинок у полі
відцентрових сил.
У барабанах із суцільними стінками
проводиться також поділ емульсій. Під
дією відцентрової сили компоненти
емульсії відповідно до щільності
розташовуються у вигляді розмежованих шарів:
зовнішнього шару рідини з більшою щільністю
та внутрішнього шару легшої рідини.
Рідини виводяться з барабана нарізно.

У клінічних та санітарно-гігієнічних лабораторіях
центрифугування використовують
для відділення еритроцитів від
плазми крові, згустків крові від
сироватки, щільних частинок від
рідкої частини сечі і т. д.
цієї мети застосовують або
ручні центрифуги, або
центрифуги з електроприводом,
швидкість обертання яких
можна регулювати.
Ультрацентрифуги, швидкість
обертання роторів яких
перевищує 40 000 об/хв,
застосовують зазвичай у
експериментальній практиці
для поділу органел
клітин, відділення колоїдних
частинок, макромолекул,
полімерів.

Використання центрифугування у паразитології

Метод використовується для диференціювання складної
кров'яної суміші, сечі або калу, з наступним
виділенням з неї гельмінтів для подальшого
вивчення під мікроскопом та фіксації матеріалу. У
процесі центрифугування наявні в пробі
паразити проходять через фільтр і накопичуються в
нижньому конічному відсіку пробірки. Сітка фільтра
зі спеціально підібраними за розміром осередками
у пробірці розташована вертикально, в результаті
чого відбувається горизонтальна (латеральна)
фільтрація проби. В результаті чого, грубі
частинки неперетравленої їжі, клітковина осідають у
змішувальній камері, а паразити та їх яйця
безперешкодно проходять через фільтр. Таким
чином, паразити концентруються в
поверхневому шарі дрібнодисперсного осаду, та
лікаря-лаборанта залишається тільки акуратно відібрати
зразок для мікроскопування за допомогою
автоматичної піпетки та нанести його на
предметне скло.

Метод центрифугування у цитології

Метод диференціального
центрифугування використовується для
фракціонування клітин, тобто розшарування їх
вмісту на фракції залежно від питомого
ваги різних органоїдів та клітинних включень.
Для цього тонко подрібнені клітини обертають у
спеціальному апараті – ультрацентрифузі. У
результаті центрифугування компоненти клітин
випадають в осад з розчину, розташовуючись у
відповідно до своєї щільності. Більш щільні
структури осідають при нижчих швидкостях
центрифугування, а менш щільні – при високих
швидкостях. Отримані шари поділяють та вивчають
окремо.

10. Центрифугування в ботаніці та фізіології рослин

Центрифугування дозволяє отримати різні
фракції субклітинних частинок та досліджувати
властивості та функції кожної фракції в
окремо. Наприклад, із листя шпинату можна
виділити хлоропласти, відмити їх за допомогою
повторного центрифугування у відповідній
серед клітинних фрагментів і досліджувати їх
поведінка в різних експериментальних
умовах або визначити їх хімічний склад.
Далі можна, застосовуючи різні модифікації
методики, зруйнувати ці пластиди та виділити
за допомогою
диференціального центрифугування (повторно
го осадження частинок за різних величин
прискорення) складові їх елементи. Таким
шляхом вдалося показати, що пластиди містять
структури, що відрізняються дуже впорядкованим
будовою - так звані грани; усі грани
знаходяться всередині обмежуючої хлоропласт
мембрани (оболонка хлоропласту). Переваги
цього методу просто неоціненні, оскільки він
дозволяє виявити існування
функціональних субодиниць, що входять до складу
більших субклітинних частинок; зокрема,
використовуючи метод

11. Метод центрифугування у вірусології

Метод центрифугування в градієнті густини Брак-ке можна
використовувати як виділення, так отримання
кількісні характеристики вірусів рослин. Як виявилося,
цей метод таїть у собі багато можливостей і нині
широко використовується в галузі вірусології та молекулярної
біології. Під час проведення досліджень методом
центрифугування в градієнті щільності центрифужну пробірку
частково наповнюють розчином, щільність якого зменшується в
напрямку від дна до меніска. Для створення градієнта при
фракціонування вірусів рослин найчастіше використовують
цукрозу. Перед початком центрифугування частинки вірусу можуть
бути або розподілені у всьому об'ємі розчину, або нанесені на
вершину градієнта. Бракке запропонував три різні прийоми
центрифугування у градієнті щільності. При ізопікпічному
(рівноважному) центрифугуванні процес триває до того часу,
поки всі частинки в градієнті не досягнуть рівня, де щільність
середовища дорівнює їхній власній щільності. Таким чином,
фракціонування частинок відбувається в цьому випадку відповідно до
відмінностями у їх щільності. Розчини сахарози не мають
достатньою щільністю для ізопікнічного поділу багатьох
вірусів. При швидкісному зональному центрифугуванні вірус
спочатку наносять на попередньо створений градієнт. Частинки
кожного типу седиментують при цьому через градієнт у вигляді зони,
або смуги, зі швидкістю, яка залежить від їх розміру, форми і
густини. Центрифугування при цьому закінчують, коли частки
ще продовжують седиментувати. Рівноважне зональне
центрифугування схоже зі швидкісним зональним
центрифугуванням, у цьому випадку центрифугування

12. Проблеми використання методу центрифугування

Застосування методу диференціального центрифугування
пов'язано з багатьма методичними труднощами. По-перше, при
виділення частинок можна пошкодити їх структуру. Тому
потрібно розробити спеціальні методи руйнування клітин,
які б не викликали пошкодження структури субклітинних
фракцій. По-друге, оскільки субклітинні частки мають
мембранами, у процесі їх виділення можуть виникати
різноманітні осмотичні ефекти. Отже, для того
щоб ультраструктура досліджуваних об'єктів не була зруйнована
ще за їх виділення, необхідно ретельно підбирати склад
середовища, в якому проводиться руйнування клітин та осадження
частинок. І нарешті, відмивання субклітинних частинок
(ресуспендування їх у середовищі та подальше повторне
центрифугування) може призводити до втрати деяких
містяться в них речовин, які під дією сил дифузії
переходять у розчин.
У зв'язку з цим іноді буває важко зрозуміти, які з малих молекул
дійсно є елементами досліджуваних структур, а які
просто були адсорбовані їх поверхнею у процесі виділення.
Таке становище ускладнює точне визначення деяких
функціональних властивостей виділених об'єктів

Що таке центрифугування? Навіщо застосовується метод? Термін "центрифугування" означає поділ рідких або твердих частинок речовини на різні фракції за допомогою відцентрових сил. Здійснюється така сепарація субстанцій завдяки використанню спеціальних апаратів – центрифуг. У чому полягає принцип методу?

Принцип центрифугування

Розглянемо детальніше визначення. Центрифугування - це вплив на речовини шляхом надшвидкісного обертання спеціалізованому апараті. Головною частиною будь-якої центрифуги є ротор, який містить гнізда для встановлення пробірок з матеріалом, що підлягає сепарації на окремі фракції. Під час обертання ротора на підвищених швидкостях в дію вступає Речовини, поміщені в пробірки, поділяються на різні субстанції відповідно до рівня густини. Наприклад, при центрифугуванні зразків підземних вод відокремлюється рідина і осаджуються тверді частинки, що містяться в ній.

Автор методу

Вперше стало відомо, що таке центрифугування після дослідів, проведених вченим А. Ф. Лебедєвим. Метод було розроблено дослідником з метою визначення складу ґрунтових вод. Раніше з цією метою використовували відстоювання рідини з подальшим відділенням від неї твердих зразків. Розробка методу центрифугування дозволила справлятися із завданням набагато швидше. Завдяки такій сепарації виникла можливість для вилучення твердої частки речовин із рідини у сухому вигляді протягом лічених хвилин.

Етапи центрифугування

Диференціальне центрифугування починається з відстоювання речовин, що підлягають дослідженню. Така обробка матеріалу відбувається в апаратах-відстійниках. Під час відстоювання частинки речовини поділяються під впливом гравітації. Це дозволяє підготувати субстанції до якіснішої сепарації за допомогою відцентрових сил.

Далі речовини у пробірках піддаються фільтрації. На цьому етапі застосовують так звані перфоровані барабани, що призначаються для відділення рідких частинок від твердих. У ході поданих заходів весь осад залишається на стінах центрифуги.

Переваги методу

Порівняно з іншими методами, спрямованими на поділ окремих субстанцій, такими як фільтрування або відстоювання, центрифугування дає можливість одержувати осад з мінімальним показником вологості. Застосування такого способу сепарації дозволяє розділяти тонкодисперсні суспензії. Результатом стає отримання частинок розміром 5-10 мкм. Ще однією важливою перевагою центрифугування є можливість його виконання за допомогою апаратури малих обсягів і габаритів. Єдиним недоліком методу є висока енергоємність приладів.

Центрифугування у біології

У біології до сепарації речовин окремі субстанції вдаються за необхідності підготовки препаратів на дослідження під мікроскопом. Центрифугування тут провадиться на складних пристроях - цитороторах. Такі апарати крім слотів для пробірок комплектуються власниками зразків, всілякими предметними стеклами складної конструкції. Від пристрою центрифуги під час проведення досліджень у біології безпосередньо залежить якість одержуваних матеріалів і, кількість корисної інформації, яку можна почерпнути з результатів аналізу.

Центрифугування у нафтопереробній промисловості

Метод центрифугування незамінний при видобутку нафти. Існують вуглеводневі копалини, з яких не повністю виділяється вода при дистиляції. Центрифугування дає можливість усунути зайву рідину зі складу нафти, підвищивши її якість. У цьому випадку нафту розчиняють у бензолі, потім нагрівають до 60 про С, а потім піддають дії відцентрової сили. На завершення заміряють кількість води, що залишилася в речовині і при необхідності повторюють процедуру.

Центрифугування крові

Цей метод широко застосовується для лікувальних цілей. У медицині він дозволяє вирішувати наступний ряд завдань:

1. Отримання очищених зразків крові для проведення плазмаферезу. З цією метою в центрифузі відокремлюють формові елементи крові від її плазми. Операція дає можливість позбавити кров вірусів, надлишкових антитіл, хвороботворних бактерій, токсинів.
2. Підготовка крові донорського переливання. Після поділу тілесної рідини на окремі фракції за допомогою центрифугування донору повертають клітини крові, а плазма застосовується для переливання або заморожується з метою подальшого використання.
3. Виділення тромбоцитарної маси. Субстанцію отримують з Отриману масу використовують у хірургічних та гематологічних відділеннях медичних установ, у невідкладній терапії, операційних. Застосування тромбоцитарної маси в медицині дає можливість покращити згортання крові у постраждалих.
4. Синтез еритроцитарної маси. Центрифугування клітин крові відбувається шляхом делікатної сепарації її фракцій відповідно до спеціальної методики. Готову масу, багату на еритроцити, використовують для переливання при крововтратах, операціях. Еритроцитарна маса нерідко застосовується для лікування анемії, інших захворювань крові системного характеру.

У сучасній медичній практиці застосовується чимало приладів нового покоління, які дають можливість розганяти барабан, що обертається, до певної швидкості і зупиняти його в певний момент. Це дозволяє більш точно розділяти кров на еритроцити, тромбоцити, плазму, сироватку та згустки. Аналогічним способом досліджуються інші тілесні рідини, зокрема, сепаруються речовини у складі сечі.

Центрифуги: основні типи

Ми розібралися, що таке центрифугування. Тепер з'ясуємо, які апарати застосовуються для реалізації методу. Центрифуги бувають закритими та відкритими, з механічним або ручним приводом. Основною робочою частиною ручних відкритих приладів виступає вісь, що обертається, розташована вертикально. У верхній частині перпендикулярно закріплена планка, де розташовуються рухливі металеві гільзи. Вони містяться спеціальні пробірки, звужені у нижній частині. На дно гільз укладають вату, що дозволяє уникнути пошкодження скляної пробірки при контакті з металом. Далі апарат надають руху. Через деякий час відбувається відділення рідини від твердих зважених частинок. Після цього ручну центрифугу зупиняють. На дні пробірок концентрується щільний осад. Над ним знаходиться рідка частина речовини.

Механічні центрифуги закритого типу мають велику кількість гільз для розміщення пробірок. Такі прилади зручніші порівняно з ручними. Їх ротори рухаються потужними електромоторами і здатні розганятися до 3000 обертів на хвилину. Це дає можливість здійснювати якіснішу сепарацію рідких субстанцій від твердих.

Особливості підготовки пробірок при центрифугуванні

Пробірки, що застосовуються для центрифугування, повинні бути заповнені досліджуваним матеріалом ідентичної маси. Тому для вимірювань тут використовуються спеціальні високоточні ваги. Коли потрібно врівноважувати численні пробірки в центрифузі, вдаються до наступного прийому. Зваживши пару скляних ємностей і домігшись однакової маси, одну з них залишають як зразок. Наступні пробірки врівноважують із цим зразком, перш ніж помістити в апарат. Такий прийом суттєво прискорює роботу за необхідності підготовки до центрифугування цілої серії пробірок.

Варто зауважити, що в пробірки ніколи не вміщують занадто багато субстанції, що досліджується. Скляні ємності наповнюють таким чином, щоб відстань до краю становила щонайменше 10 мм. Інакше речовина виливатиметься з пробірки під впливом відцентрової сили.

Надцентрифуги

Для поділу складових дуже тонких суспензій недостатньо використання простих ручних або механічних центрифуг. В даному випадку потрібний більший вплив на речовини з боку відцентрових сил. При реалізації таких процесів застосовуються надцентрифуги.

Апарати представленого плану оснащуються глухим барабаном як трубки незначного діаметра - трохи більше 240 мм. Довжина такого барабана значно перевищує його переріз, що дає можливість значною мірою підвищити кількість обертів і створити потужну відцентрову силу.

У надцентрифузі досліджувана речовина надходить усередину барабана, рухається по трубці і ударяється про спеціальні відбивачі, що відкидають матеріал на стінки приладу. Тут є камери, призначені для роздільного виведення легких і важких рідин.

До переваг надцентрифуг відносяться:

• абсолютна герметичність;
• висока інтенсивність сепарації речовин;
• компактні розміри;
• можливість поділу субстанцій на молекулярному рівні.

На закінчення

Ось ми з'ясували, що таке центрифугування. В даний час метод знаходить своє застосування при необхідності виділення опадів розчинів, очищення рідин, поділ компонентів біологічно активних та хімічних речовин. Для сепарації субстанцій молекулярному рівні застосовуються ультрацентрифуги. Метод центрифугування активно використовується у хімічній, нафтовій, атомній, харчовій промисловості, а також у медицині.

Метод центрифугування- це сепарація (поділ) на складові різних неоднорідних сумішей за допомогою відцентрової сили. Для цього застосовуються спеціалізовані апарати, які називаються центрифугами.

Основною частиною будь-якої центрифуги є ротор з гніздами, які встановлюються пробірки. Під час надшвидкісного обертання у системі виникає відцентрова сила, що сприяє поділу оброблюваної речовини за щільністю- Так, наприклад, «облягаються» наявні в рідині тверді частинки. Метод центрифугування застосовується практично у всіх сферах людської діяльності: у науці та медицині, промисловості, сільському господарстві, у побуті та в технологічних галузях.

Різні методи центрифугування

Для поділу речовин може застосовуватися й інший метод осадження – відстоювання, коли сепарація відбувається під впливом гравітації. Як правило, обробка в апаратах-відстійниках передує центрифугування та є підготовчим етапом роботи.

Безпосередньо метод центрифугування поділяється на відстоювання, фільтрацію та освітлення.

Фільтруванняздійснюється з використанням перфорованого барабана, на якому встановлено фільтруючу речовину. Рідина вільно проходить крізь нього під впливом відцентрової сили, а тверді частки залишаються зовні. Для відстоюваннязастосовуються барабани із суцільними стінками, в нижню частину яких подається суспензія. У процесі осад виділяється на стінках, а рідина утворює внутрішній шар, що потім переливається за край.

І, нарешті, освітленнятакож протікає в суцільних барабанах, представляючи собою процес вільного осадження частинок під впливом відцентрового поля.

Характеристика методів центрифугування

За своєю фізичною сутністю, фільтраційні та відстійні методи сильно різняться.

У барабанах-остійникахобробка проводиться з метою очищення рідини, вміст забруднень та домішок в якій досить незначно, шляхом ущільнення осаду та осадження твердих частинок.

При цьому від процесу з використанням гравітації це відрізняється докорінно - в першу чергу через те, що відстоювання є досить рівномірним процесом, а центрифугування, через непаралельність ліній відцентрового поля, досить непостійним методом. Два методи розрізняються за своєю суттю, і це необхідно враховувати.

Фільтраційне центрифугуваннявлаштовано дещо складніше, оскільки протікає, як правило, у три етапи: спочатку йде утворення осаду, потім ущільнення, потім усунення рідини. Фільтрування відцентровою силою також дуже відрізняється від фільтрації за допомогою «звичайної» гравітації. Подібним можна назвати лише перший етап.

Використання центрифугування у різних областях

Метод набув величезного поширення і використовується практично у будь-якій сфері діяльності. Зустріти його можна в біології та медицині, лабораторній діагностиці, харчовій промисловості; він давно і успішно замінює собою більш традиційні та менш ефективні процеси фільтрування, віджимання та очищення.

Промислові центрифугимають велику потужність і складніший пристрій ротора, завдяки якому одночасно можна обробляти багато речовини. Їх застосовують у сфері сільського господарства для вилучення меду з сотів та очищення зерна, відокремлюють у них жир від молока сепарацією, також вони дуже поширені у сфері збагачення руд. Знайти центрифугу можна навіть у пральні - там у ній виробляють віджимання білизни після прання.

Лабораторні центрифуги з досить повільною швидкістю обертання ротора використовуються відділення сироватки крові, опадів сечі, при серологічних дослідженнях і осадження еритроцитів. Лабораторні різновиди додатково поділяються на клінічні, стаціонарні, рефрижераторні, настільні та кутові малогабаритні: кожна застосовується у своїй сфері лабораторних досліджень залежно від цілей та завдань медичного центру.

Препаративне центрифугування – один із методів виділення біологічного матеріалу для подальшого проведення біохімічних досліджень. Дозволяє виділити значну кількість клітинних частинок для комплексного вивчення їхньої біологічної активності, структури та морфології. Також метод застосовується виділення основних біологічних макромолекул. Сфера використання: медичні, хімічні та біохімічні дослідження.

Класифікація методів препаративного центрифугування

Препаративне центрифугування здійснюється за однією з наступних методик:

Диференційне. Метод ґрунтується на різниці у швидкості седиментації частинок. Досліджуваний матеріал центрифугується при поступовому збільшенні відцентрового прискорення. На кожному з етапів на дно пробірки осідає одна з фракцій середовища. Після центрифугування отримана фракція відокремлюється від рідини і кілька разів промивається. Зонально-швидкісне. Метод заснований на нашаруванні досліджуваного середовища на буферний розчин з відомим безперервним градієнтом густини. Після цього зразок центрифугується до розподілу частинок вздовж градієнта утворюючи дискретні смуги (зони). Градієнт густини дозволяє виключити змішування зон та отримати відносно чисту фракцію.

• Ізопікнічне. Може проводитися в градієнті густини або простим шляхом. У першому випадку матеріал, що обробляється, нашаровується на поверхню буферного розчину з безперервним градієнтом щільності і центрифугується до розділення частинок по зонах. У другому випадку досліджуване середовище центрифугується до утворення осаду частинок з великою молекулярною вагою, після чого з отриманого залишку виділяються досліджувані частинки.
• Рівноважне. Проводиться в градієнті густини із солей важких металів. Центрифугування дозволяє встановити рівноважний розподіл концентрації розчиненої досліджуваної речовини. Потім під впливом сил відцентрового прискорення частки середовища збираються окремій зоні пробірки.

Оптимальна методика підбирається з урахуванням поставлених цілей та особливостей досліджуваного середовища.

Класифікація препаративних лабораторних центрифуг

Залежно від особливостей конструкції та експлуатаційних характеристик препаративні центрифуги можна розділити на 3 основні групи:

Загальне призначення. Максимальна швидкість – 8.000 об/хв за відносного відцентрового прискорення до 6.000 g. Універсальні лабораторні центрифуги комплектуються кутовими роторами чи роторами з підвісними контейнерами розміщувати біологічного матеріалу. Відрізняються великою ємністю від 4 дм 3 до 6 дм 3 що дозволяє використовувати стандартні центрифужні пробірки об'ємом 10-100 дм 3 і судини ємністю не більше 1.25 дм 3 . Через особливості кріплення ротора до валу приводу пробірки або судини повинні бути врівноважені та відрізнятися за вагою максимум на 0.25 г. Неприпустима експлуатація центрифуги з непарною кількістю пробірок. При частковому завантаженні ротора ємності з досліджуваним середовищем слід розміщувати симетрично щодо один одного, тим самим забезпечуючи їх рівномірний розподіл по відношенню до осі обертання ротора.

• Швидкісні. Максимальна швидкість – 25.000 об/хв за відносного відцентрового прискорення до 89.000 g. Для запобігання нагріванню з-за ротора сил тертя, що виникають при обертанні, робоча камера оснащується системою охолодження. Комплектуються кутовими роторами чи роторами з підвісними контейнерами розміщення біологічного матеріалу. Місткість швидкісних препаративних
  центрифуг - 1.5 дм3.
• ультрацентрифуги. Максимальна швидкість – 75.000 об/хв за відносного відцентрового прискорення до 510.000g. Для запобігання нагріванню через ротори, що виникають при обертанні, тертя оснащуються системою охолодження і вакуумною установкою. Ротори ультрацентрифуг виготовляється із надміцних титанових або алюмінієвих сплавів. Для зменшення вібрацій через нерівномірне заповнення ротора мають гнучкий вал.

До окремої категорії слід віднести препаративні центрифуги спеціального виконання, призначені для проведення певних різновидів досліджень та вирішення специфічних завдань. До цієї групи входять центрифуги з нагрівальною сорочкою, рефрижераторні центрифуги та інше обладнання.

Особливості конструкції ротора у препаративних центрифугах

Препаративні центрифуги комплектуються кутовими або горизонтальними роторами:

Кутові ротори - пробірки під час роботи центрифуги розташовані під кутом 20-35 ° осі обертання. Відстань, що проходить частинками до відповідної стінки пробірки невелика, у зв'язку з цим їх осадження відбувається досить швидко. Через конвекційні потоки, що виникають при центрифугуванні, кутові ротори рідко використовуються для поділу частинок, розміри і властивості яких зумовлюють значні відмінності швидкості осадження. Горизонтальні ротори – пробірки у роторах цього встановлюються вертикально. У процесі обертання під дією відцентрової сили судини з оброблюваним матеріалом переходять у горизонтальне положення. Дані особливості конструкції та експлуатації дозволяють знизити конвекційні явища, тому ротори цього оптимальні для поділу частинок з різною швидкістю седиментації. Використання пробірок секторіальної форми дозволяє досягти додаткового зниження ефектів завихрення та конвекційних явищ.

Тип ротора визначає сферу використання устаткування. Можливість зміни ротора дозволяє використовувати ту саму модель центрифуги для вирішення різнопланових завдань. Медичні центрифуги для лабораторії Centurion випускаються в підлогових або настільних варіантах виконання, що уможливлює використання обладнання в будь-яких приміщеннях незалежно від доступної площі.

Лекція №5

Розподіл рідких неоднорідних сумішей ефективно проводиться методом центрифугування, що ґрунтується на використанні відцентрової сили. Апарати, у яких рідкі неоднорідні суміші поділяються під впливом відцентрової сили, називаються центрифугами.

Метод центрифугування широко використовують у різних галузях техніки; кількість типів і конструкцій центрифуг дуже велика.

Основною частиною центрифуги є барабан (ротор із суцільними або перфорованими стінками), що обертається з великою швидкістю на вертикальному або горизонтальному валу. Поділ неоднорідних сумішей у центрифугах може проводитися або за принципом обстоювання, або за принципом фільтрації. У першому випадку використовують барабани із суцільними стінками, у другому - з отворами; барабани з отворами покриваються фільтром. Якщо стінки барабана суцільні, то матеріал під дією відцентрової сили розташовується шарами відповідно до питомої ваги, причому безпосередньо біля стінок барабана розташовується шар матеріалу з великою питомою вагою. Якщо стінки барабана мають отвори і забезпечені на внутрішній поверхні фільтруючої перегородкою, наприклад фільтрувальною тканиною, то тверді частинки суміші залишаються на фільтруючій перегородці, а рідка фаза проходить через пори твердого осаду і фільтруючої перегородки і видаляється з барабана. Рідка фаза, що відокремлюється на центрифузі, називається фугатом.

Відцентрова сила; фактор поділу.При обертанні барабана центрифуги і рідини, що знаходиться в ньому, виникає відцентрова сила як сила інерції.

З=m W 2 / r (1)

m-вага тіла, що обертається (рідини) в кгс;

r -радіус обертання в м

W -окружна швидкість обертання в м/с;

Окружна швидкість обертання визначається як:

W=ω r = 2 π n r/60 (2)

п-число оборотів за хвилину;

ω-кутова швидкість обертання в радіанах

g-прискорення сили тяжіння в м/сек 2, якщо m=G/g, тоді відцентрова сила З,діє на тіло, що обертається, з масою m і вагою G,дорівнює C= G(2π n r/60) 2 /rg Або C ≈ G n 2 r/900 (3)

Рівняння (2,3) показує, що збільшення відцентрової сили легше досягається збільшенням числа обертів, ніж збільшення діаметра барабана. Барабани невеликого діаметра, але з великою кількістю оборотів можуть розвинути більшу відцентрову силу, ніж барабани великого діаметра, але при невеликій кількості оборотів.

Таким чином, відцентрова сила, що діє на частинку, може бути більшою від сили тяжіння у стільки разів, коли прискорення відцентрової сили більше прискорення вільного падіння. Відношення цих прискорень називають фактором поділу і позначають Кр:

W 2 /r – прискорення відцентрової сили.

Прийнявши G = 1н, отримаємо: Кр = n 2 r / 900

Наприклад, для центрифуги з ротором діаметром 1000 мм (r=0,5 м), що обертається зі швидкістю n=1200 об/хв, фактор поділу складе 800. Розділяюча дія центрифуги зростає пропорційно величині Кр.

Значення для циклонів має порядок сотень. А для центрифуг – близько 3000, таким чином, рушійна сила процесу осадження в циклонах та центрифугах на 2-3 порядки більше, ніж у відстійниках. Завдяки цьому продуктивність циклонів і центрифуг вище за продуктивність відстійників, і в них можна ефективно відокремлювати дрібні частинки: в центрифугах розміром близько 1мкм. У циклонах – близько 10 мкм.

З порівняння рівнянь видно, що фактор поділу К р чисельно дорівнює відцентровій силі, що розвивається при обертанні тіла вагою 1 кг.

Характеристика процесів центрифугування . Як було зазначено вище, центрифугування можна проводити за принципом відстоювання (у суцільних барабанах) або за принципом фільтрації (у дірчастих барабанах). За своєю фізичною сутністю обидва процеси відрізняються один від одного. Крім того, є окремі різновиди кожного з цих процесів, що визначаються вмістом твердої фази та ступенем її дисперсності, а також фізичними властивостями суспензії.

Центрифугування у відстійних барабанах роблять як для очищення рідин від забруднень, що містяться в невеликих кількостях (освітлення рідин), так і для поділу суспензій, що містять значну кількість твердої фази (відстійне центрифугування).

Центрифугування у відстійних барабанах у загальному випадку складається з двох фізичних процесів: осадження твердої фази (процес проходить за законами гідродинаміки) та ущільнення осаду; до останнього процесу застосовні основні закономірності механіки ґрунтів (дисперсних середовищ).

До певної межі концентрації твердої фази (рівного орієнтовно 3-4% за обсягом) її осадження у відстійному барабані протікає без утворення поверхні поділу між твердою речовиною та рідиною. При підвищенні концентрації така поверхня утворюється внаслідок укрупнення і осадження твердих частинок, що знаходяться в рідині.

Процес центрифугування у відстійних барабанах принципово відрізняється від процесу поділу у відстійниках. В останніх швидкість осадження практично вважатимуться постійної, оскільки процес відбувається у полі тяжкості, прискорення якого залежить від координат падаючої частки.

Прискорення ж поля відцентрових силє величиною змінної і залежить за постійної кутової швидкості від радіусу обертання rчастки. Крім того, силові лінії відцентрового поля не паралельні один одному і, отже, напрямок дії відцентрових сил буде неоднаковим для різних частинок (що не лежать на одному радіусі обертання).

Тому закономірності процесів відстоювання не можна поширювати процес центрифугування у відстійних барабанах.

Роздільна здатність відстійних центрифуг характеризується індексом продуктивності (сигма), який є добутком площі циліндричної поверхні осадження F в роторі на фактор поділу Кр.

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

Враховуючи, що фактор поділу виражає відношення швидкостей відстоювання частинок у відстійній центрифузі та відстійнику, відповідно до рівності (2) величину Σ слід вважати рівною площі відстійника, еквівалентного за продуктивністю для даної суспензії аналізованої центрифуги. Індекс продуктивності відбиває вплив всіх конструктивних особливостей осадової центрифуги, що визначають її роздільну здатність.

При визначенні продуктивності відстійних центрифуг періодичної дії необхідно враховувати витрати часу на пуск, гальмування та розвантаження центрифуги Визначення продуктивності центрифуги, що фільтрує, так само складно, як і визначення продуктивності будь-якого фільтра.

Ще більш складним є процес центрифугування в фільтруючих барабанах. Процес протікає у три стадії:

утворення осаду, ущільнення осаду і, нарешті, видалення з пір осаду рідини, що утримується капілярними та молекулярними силами.

Внаслідок цього весь процес відцентрової фільтрації не може бути ототожнений із звичайною фільтрацією, що відбувається під дією сил тяжіння. Лише перший його період принципово близький до звичайної фільтрації та відрізняється від неї тільки величиною гідравлічного напору рідини, що протікає через шар осаду під дією відцентрових сил. У цей час волога в осаді знаходиться у вільній формі і видаляється з нього найбільш інтенсивно. Другий період аналогічний відповідному періоду при відстійному центрифугуванні і, нарешті, третій характеризується проникненням повітря в ущільнений осад, тобто механічним сушінням осаду

Тривалість зазначених вище періодів залежить від фізичних властивостей та концентрації суспензій, а також від характеристики центрифуги.

Складність та різноманітність процесів центрифугування ускладнює розробку теорії процесу (особливо його кінетика) та точних методів розрахунку центрифуг.

Продуктивність центрифуг. Зазвичай продуктивність центрифуг виражають обсягом суспензії, що надходить центрифугу в одиницю часу (Л/година),або вагою осаду, що виходить після центрифугування (кг/година).