Что такое способ центрифугирование

Центрифугирование: что это?

Стерилизация в микробиологии (от лат. sterilis — бесплодный) — это процесс очистки предмета или материала от микроорганизмов, в том числе от вирусов, бактерий, грибков и прионов. Стерилизация осуществляется разными методами: термической обработкой, химической, плазменной, радиационной, при помощи специальных фильтров.

Масс-спектрометрия — один из точнейших методов идентификации веществ. Фактически это своеобразное «взвешивание» молекул: компоненты ионизируются, затем определяется отношение массы к заряду ионов.

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.

Источник

ЦЕНТРИФУГИРОВАНИЕ

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

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

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

Ц. характеризуется рядом технол. параметров, определяющих качество процесса и его кинетику. К ним относятся: фактор разделения (r _рт — макс. внутр. радиус ротора), отражающий интенсивность центробежного поля; скорость Ц. — производительность центробежной машины по исходной жидкой системе или составляющим ее компонентам; унос — содержание твердой фазы в фугате (фильтрате); насыщенность осадка жидкой фазой (в т. ч. влажность осадка) после Ц.; крупность разделения — миним. размер частиц, улавливаемых при центробежном осаждении.
Кинетика Ц. зависит от мн. факторов, классифицируемых на две группы. Факторы первой группы определяются физ.-хим. cв-вами разделяемой системы (разность плотностей фаз, гранулометрич. состав твердой фазы, вязкость жидкой фазы, уд. сопротивление осадка при фильтровании). Факторы второй группы, обусловленные конструкцией и частотой вращения ротора центробежной машины (структура внутрироторного потока, его гидродинамика и поле скоростей), оказывают решающее влияние на центробежное осаждение и отчасти на центробежное фильтрование; в свою очередь гидродинамич. режим зависит от производительности машины. Мат. описание потока дается ур-ниями Навье — Стокса и неразрывности (см. Гидромеханические процессы), к-рые составляются с учетом геометрии ротора и граничных условий; решение зачастую находится методами подобия теории.
Центробежное осаждение включает осветление, сгущение, а также осадительное Ц. Осветление — удаление твердой фазы из суспензий с содержанием частиц не более 5% по объему; используют для очистки, напр., нефтяных масел. Сгущение — процесс, при к-ром частицы дисперсной фазы группируются в относительно малом объеме дисперсионной среды; позволяет осуществлять концентрирование суспензий (напр., водная суспензия каолина). Осадительное Ц. -разделение суспензий с содержанием твердой фазы более 5-10% по объему; применяют преим. для обезвоживания твердых компонентов (напр., CaSO₄).
При центробежном осаждении движение твердых частиц происходит под действием центробежной силы (d — диаметр частицы;— разность плотностей твердой и жидкой фаз; r — расстояние от частицы до оси вращения ротора) и силы сопротивления жидкой среды S. Соотношение этих сил определяет скорость осаждения w. При ламинарном режиме, характерном для осветления, сила Sвыражается законом Стокса: и где динамич. вязкость жидкой фазы. Для турбулентного режима при осаждении крупных частиц высококонцентрир. суспензий сила Sнаходится из ур-ния:(— коэф. лобового сопротивления; р _ж — плотность жидкой фазы). Гидродинамика потока определяет время пребывания частиц в роторе, aw- время осаждения; сопоставление этих величин позволяет найти крупность разделения.
Центробежное фильтрование происходит с образованием или без образования осадка на фильтровальной перегородке, а также при одновременном протекании в ее зонах обоих процессов; наиб. эффективно для получения осадков с миним. влажностью. Процесс принято делить на три периода: образование осадка, удаление из него избыточной жидкости и удаление жидкости, удерживаемой межмол. силами (мех. сушка осадка). Первый период охватывает центробежное осаждение и фильтрование через слой образовавшегося осадка. Для расчета кинетики процесса используют закон Дарси — Вейсбаха; движущая сила (перепад давления ) определяется центробежным полем, действующим на суспензию: где — плотность суспензии; r _ж — радиус своб. пов-сти жидкости (рис. 1, б). На оказывает влияние проскальзывание жидкости над слоем осадка. Период может протекать при разл. режимах; наиб. характерны режимы при постоянных и производительности по суспензии. Второй и третий периоды зависят от большого числа факторов, связанных с уплотнением осадка, формой его поровых каналов и др.; построение их мат. моделей крайне затруднено.
Из-за сложности Ц. производительность центробежных машин оценивают чаще всего путем моделирования по т. наз. индексу производительности подразумевая под Fв первом приближении площадь боковой пов-сти ротора. Физ. смысл заключается в том, что по аналогии с осаждением в отстойниках производительность центрифуг также пропорциональна площади рабочей пов-сти, однако за счет центробежного поля увеличивается на фактор Fr. В зависимости от конструктивных особенностей ротора для машин каждого типа определяется своим ур-нием и используется при перерасчете производительности с одного типоразмера центрифуги на иной. Моделирование осуществляется при геом. подобии роторов и идентичности определяющих критериев процесса.

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

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

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

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

Рис. 4. Сепаратор для разделения эмульсий: 1 — ротор; 2 — пакет тарелок; Ф ₁ и Ф ₂ — фугаты; Э — эмульсия.

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

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

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

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

Химическая энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия . Под ред. И. Л. Кнунянца . 1988 .

Источник