Где применяется способ центрифугирования

Центрифугирование: особенности процесса и применение в различных сферах

Многие люди, слыша слово центрифугирование, задаются вопросом, что это за метод и для чего используется специалистами в разных областях. Для разделения жидких или твердых частиц нужно применение центробежных сил, именно так устроено приспособление, о котором пойдет речь в статье. Чтобы разобраться во всех малейших нюансах, процесса нужно рассматривать важные этапы подробно. Не менее интересно будет узнать, для каких целей был разработан метод и как работает современное оборудование.

Принцип работы

С помощью специальных аппаратов достигается сверхскоростное вращение, вследствие чего происходит воздействие на вещества различных составов – это называют центрифугированием. Во время сепарации на фракции пробирки помещают в главную составляющую аппарата, она многим известна как ротор со специально разработанной конструкцией, включающей в себя гнезда для колб. Как только элемент разгонит содержимое до высокой скорости, в процесс вступает центробежная сила. В этот момент вещество из пробирки разделяется на разные субстанции, плотность каждой составляющей играет немаловажную роль. Если взять определенный наглядный пример, то во время проверок образцов грунтовой воды от основной жидкости отделяются твердые частицы, их можно увидеть в осадке после применения метода.

Кто создатель идеи

А. Ф. Лебедев стал первым специалистом, который представил миру центрифугирование, ученый разработал прием для проверок состава воды, находящейся в грунте. До этого момента говорить о тщательной работе было нельзя, ведь жидкость просто отстаивали для того, чтобы отделить твердые частицы. Со специальным оборудованием достигать поставленных задач получилось быстрее, ведь процесс оказался очень действенным. Для произведения проверок нужно несколько минут, сепарация привлекла внимание многих специалистов из разных отраслей.

Основные этапы

Исследуемое вещество отстаивается перед центрифугированием, для этого существуют аппараты, направленные на достижение именно этой цели, зачастую их называют отстойники. Под действием гравитации все частицы постепенно разделяются, что позволяет провести максимально качественную сепарацию с применением центробежных сил. Для отделения жидких и твердых составляющих нужна фильтрация, которая достигается с помощью перфорированных барабанов. По завершении всех этапов на стенках центрифуги можно обнаружить осадок, его исследуют, проводят всевозможные опыты, в зависимости от целей и задач.

Важные преимущества процесса

Беря во внимание существующие методы, которые направлены на похожие работы с жидкостями, центрифугирование предоставляет конечный материал с минимальным наличием влажности, что довольно облегчает исследование. У человечества появилась возможность разделять тонкодисперсные суспензии, а все благодаря методу сепарации. Частицы для дальнейших трудов получаются в 5-10 мкм, чтобы достигнуть результата, можно использовать аппараты с небольшими габаритами, объемы также будут разными. Из минусов стоит отметить высокую энергоемкость оборудования, приборы потребуют специально продуманного монтажа.

Применение метода в биологии

Для работы с микроскопом центрифуга незаменима, прежде чем начинать проводить исследования любую субстанцию жидкой формы пропускают через специальный аппарат. Существуют сложные устройства, их называют циторотором, в конструкцию входят помимо отделов для колб еще и стеклянные элементы различных сложных форм. Без современного оборудования биологам будет трудно достигать поставленных целей, находить полезную для людей информацию и проводить всевозможные проверки. Без максимально точных данных не получится провести хороший анализ, качество материалов после использования центробежных сил находится на высоком уровне, что облегчает работу специалистам.

Нефтеперерабатывающая промышленность

Добыча нефти также плотно связана с центрифугированием, во время дистилляции жидкость из некоторых ископаемых не полностью уходит, а для исследований это будет создавать некие сложности. Определиться с качеством добытого сырья можно только после применения действенного метода, включающего в себя оборудование под названием центрифуга. Процесс достаточно сложный, нефть растворяют в бензоле, после чего ее необходимо нагреть до 60 градусов и только тогда помещают в колбы и заполняют ими аппарат. Замеры воды в веществе могут потребовать повторных исследований, но зачастую результат добиться можно за короткое время.

Анализ крови

В медицине центрифугирование также часто применяется с лечебной целью, такие проверки помогают специалистам решить важные задачи, в которые входят:

1. Кровь отделяется от плазмы, это необходимо для дальнейших исследований и проведения флазмафереза.
2. Перед донорским переливанием.
3. Определение тромбоцитарной части.
4. Мероприятие, посвященное синтезу эритроцитарной массы, также потребует применения специального оборудования.

Современные технологии предполагают использование всевозможных приспособлений, центрифуга является незаменимой в некоторых ситуациях, ведь с ее помощью можно разогнать барабан до высоких скоростей и остановить его в самый подходящий момент. Кровь получится запросто разделить на все существующие составляющие, что поможет в дальнейших исследованиях и спасет жизнь человеку.

Сверхмощное оборудование

Существуют экземпляры, обладающие максимальными функциями, они способны предоставить центробежную силу на высоких оборотах. К достоинству таких аппаратов можно отнести герметичность, сепарация происходит интенсивная, размеры приспособления небольшие, работы можно производить на молекулярном уровне после применения метода и специального сверхмощного агрегата. В настоящее время метод достаточно востребован во многих отраслях, без него трудно добиться хороших результатов и точных проверок. Для многих людей использование центрифуги в химии, нефтяной и атомной промышленности будет новинкой, ведь зачастую такие манипуляции все связывают исключительно с медициной.

Источник

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

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 центрифугирования: центробежное осаждение и фильтрование. Центрифугирование 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 g в лабораторных машинах (g — ускорение своб. падения в гравитац. поле). В зависимости от метода центрифугирования 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 ентрифугирование 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 центрифугирования — 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 центрифугирования; крупность разделения — миним. размер частиц, улавливаемых при центробежном осаждении.
Кинетика центрифугирования 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 центрифугирование. 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 центрифугирование -разделение суспензий с содержанием твердой фазы более 5-10% по объему; применяют преим. для обезвоживания твердых компонентов (напр., CaSO₄).

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) центрифугирование 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 центрифугирования — 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 ентрифугирование 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 частотойДля 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). Центрифугирование 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 центрифугирования 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 Ф₁и Ф₂) выводятся раздельно. При наличии в эмульсии твердой фазы используют универсальные роторы с выгрузкой осадка в соответствии с рис. 3, а или 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; Ф₁ и Ф₂ — 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 центрифугирования. Внедряются микропроцессорные системы управления и регулируемые приводы, обеспечивающие центрифугирование в оптим. режимах.
Ц ентрифугирование широко распространено в технол. процессах хим.-лесного комплекса, пищевых, текстильных и др. произ-вах. Центрифугирование 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.

Источник