Центрифуга

Лабораторная настольная центрифуга. Вращающийся блок, называемый ротором, имеет фиксированные отверстия, просверленные под углом (к вертикали), которые видны внутри гладкого серебряного обода. Пробирки для проб вставляются в эти слоты, и двигатель вращается. Поскольку центробежная сила находится в горизонтальной плоскости, а трубки закреплены под углом, частицы должны пройти лишь небольшое расстояние, прежде чем они ударятся о стенку трубки и затем соскользнут вниз. Эти угловые роторы очень популярны в лаборатории для повседневного использования.

A центрифуга - это устройство, которое использует центростремительную силу для разделения составных частей жидкости или текучей среды (и даже газов). Это достигается посредством вращения жидкости на высокой скорости внутри контейнера, тем самым отделяя жидкости различной плотности (например, сливки из молока) или жидкости от твердых веществ. Он работает, заставляя более плотные вещества и частицы двигаться наружу в радиальном направлении. При этом менее плотные объекты смещаются и перемещаются к центру. В лабораторной центрифуге, в которой используются пробирки для проб, радиальное ускорение заставляет более плотные частицы оседать на дно пробирки, а вещества с низкой плотностью поднимаются вверх. Центрифуга может быть очень эффективным фильтром, отделяющим загрязняющие вещества от основной массы жидкости.

Центрифуги промышленного масштаба обычно используются в производстве и переработке отходов для осаждения взвешенных веществ или для разделения несмешивающихся жидкостей. Примером может служить разделитель сливок, найденный на молочных заводах. Центрифуги с очень высокой скоростью и ультрацентрифуги, способные обеспечивать очень высокое ускорение, могут разделять мелкие частицы до наномасштаба и молекулы разной массы. Большие центрифуги используются для моделирования условий с высокой гравитацией или ускорением (например, тренировка с высоким ускорением для летчиков-испытателей). Центрифуги среднего размера используются в стиральных машинах и в некоторых плавательных бассейнах для вытяжки воды из тканей. Газовые центрифуги используются для разделения изотопов, например, для обогащения ядерного топлива делящимися изотопами.

Содержание

• 1 История
• 2 Типы
• 3 Использование
  • 3.1 Лабораторное разделение
  • 3.2 Разделение изотопов
  • 3.3 Аэронавтика и космонавтика
  • 3.4 Промышленный центробежный сепаратор
  • 3.5 Геотехническое моделирование центрифуг
  • 3.6 Синтез материалов
  • 3.7 Коммерческие приложения
• 4 Математическое описание
• 5 См. Также
• 6 Ссылки и примечания
• 7 Дополнительная литература
• 8 Внешние ссылки

История

Английский военный инженер Бенджамин Робинс (1707–1751) изобрел аппарат с вращающейся рукой для определения сопротивления. В 1864 году Антонин Прандтль предложил идею молочной центрифуги для отделения сливок от молока. Впоследствии идея была воплощена в жизнь его братом Александром Прандтлем, который улучшил конструкцию своего брата и в 1875 году продемонстрировал работающую машину для экстракции молочного жира.

Типы

Цельную кровь часто разделяют с помощью центрифугу на компоненты для хранения и транспортировки

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

Типы по конструкции ротора:

• Центрифуги с фиксированным углом предназначены для удерживания контейнеров с пробами под постоянным углом относительно
• Центрифуги с качающейся головкой (или качающимся ковшом), в отличие от центрифуг с фиксированным углом, имеют шарнир, на котором контейнеры для проб прикреплены к центральному ротору. Это позволяет всем образцам качаться наружу во время вращения центрифуги.
• Трубчатые центрифуги непрерывного действия не имеют отдельных сосудов для образцов и используются для приложений с большими объемами.

Типы по назначению:

• Лабораторные центрифуги - это универсальные инструменты нескольких типов с различными, но частично совпадающими возможностями. К ним относятся клинические центрифуги, сверхскоростные центрифуги и препаративные ультрацентрифуги.
• Аналитические ультрацентрифуги предназначены для выполнения седиментационного анализа макромолекул с использованием принципов, разработанных Теодором Сведбергом.
• Гематокрит центрифуги используются для измерять объемный процент эритроцитов в цельной крови.
• Газовые центрифуги, включая центрифуги типа Zippe, для разделения изотопов в газовой фазе.

Промышленные центрифуги могут быть классифицированы иначе. по типу отделения фракции высокой плотности от фракции низкой плотности.

Как правило, существует два типа центрифуг: центрифуги для фильтрации и осаждения. Для фильтрации или так называемой сетчатой ​​центрифуги барабан перфорирован и вставлен с фильтром, например фильтровальной тканью, проволочной сеткой или сеткой для партии. Суспензия проходит через фильтр и барабан с перфорированной стенкой изнутри наружу. Таким образом, твердый материал удерживается и может быть удален. Тип удаления зависит от типа центрифуги, например, вручную или периодически. Распространенными типами являются:

• центрифуги с экраном / прокруткой (центрифуги с экраном, в которых центробежное ускорение позволяет жидкости проходить через сито какого-либо типа, через которое твердые частицы не могут пройти (из-за гранулометрия больше, чем зазор сита или из-за агломерации))
• Толкающие центрифуги
• Очистительные центрифуги
• Центрифуги с инвертированным фильтром
• Центрифуги со скользящей разгрузкой
• Маятниковые центрифуги
• Седиментационные центрифуги

В центрифугах барабан представляет собой сплошную стенку (не перфорированную). Этот тип центрифуги используется для очистки суспензии. Для ускорения процесса естественного осаждения суспензии центрифуги используют центробежную силу. В так называемых центрифугах с переливом суспензия сливается, а жидкость добавляется постоянно. Распространенными типами являются:

• центрифуги-сепараторы (непрерывная жидкость); наиболее распространенными типами являются:
  • Центрифуги с твердым корпусом
  • Центрифуги с коническими тарелками
• Трубчатые центрифуги
• Декантерные центрифуги, в которых нет физического разделения между твердой и жидкой фазами, а скорее ускоряется оседание из-за центробежного ускорения.

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

Многие проекты были распространены для бесплатных центрифуг и центрифуг с открытым исходным кодом, которые можно производить в цифровом виде. Аппаратные средства с открытым исходным кодом для центрифуг с ручным приводом для больших объемов жидкостей с радиальной скоростью более 1750 об / мин и относительной центробежной силой более 50 Н могут быть полностью трехмерной печатью примерно за 25 долларов. В других открытых конструкциях оборудования используются специальные трехмерные печатные приспособления с недорогими электродвигателями для изготовления недорогих центрифуг (например, Dremelfuge, в которой используется электроинструмент Dremel ) или CNC вырезанных из OpenFuge.

Использует

Образцы, помещенные в небольшую лабораторную центрифугу

Лабораторное разделение

В химии, биологии, биохимии и клинической медицине используется множество лабораторных центрифуг. для отделения и разделения суспензий и несмешивающихся жидкостей. Они сильно различаются по скорости, мощности, контролю температуры и другим характеристикам. Лабораторные центрифуги часто могут работать с различными роторами с фиксированным углом и поворотными лопастями, способными нести разное количество центрифужных пробирок и рассчитанными на определенные максимальные скорости. Элементы управления варьируются от простых электрических таймеров до программируемых моделей, способных управлять скоростью ускорения и замедления, скоростью движения и температурными режимами. Ультрацентрифуги вращают роторы под вакуумом, устраняя сопротивление воздуха и обеспечивая точный контроль температуры. и системы с непрерывным потоком способны обрабатывать большие и большие объемы образцов, соответственно, в приборе лабораторного масштаба. Еще одно применение в лабораториях - отделение крови. Кровь разделяется на клетки и белки (эритроциты, лейкоциты, тромбоциты и т. Д.) И сыворотку. Препарат ДНК - еще одно распространенное применение для фармакогенетики и клинической диагностики. Образцы ДНК очищаются, и ДНК готовится к разделению путем добавления буферов и затем центрифугирования в течение определенного времени. Затем отходы крови удаляются, добавляется еще один буфер и снова вращается внутри центрифуги. После удаления отходов крови и добавления другого буфера осадок можно суспендировать и охлаждать. Затем белки можно удалить, все это можно снова центрифугировать, и ДНК можно будет полностью выделить. Специализированные цитоцентрифуги используются в медицинских и биологических лабораториях для концентрирования клеток для микроскопического исследования.

Разделение изотопов

Другие центрифуги, первая из которых - центрифуга типа Zippe, разделите изотопы, и центрифуги такого типа используются в программах ядерной энергетики и ядерного оружия.

Аэронавтика и космонавтика

Центрифуга 20 g в Исследовательском центре Эймса НАСА

Центрифуги для людей - это исключительно большие центрифуги, которые проверяют реакцию и переносимость пилотов и астронавтов до ускорения, превышающего те, которые испытывали при земной гравитации.

Первые центрифуги, использованные для исследований на людях, были использованы Эразмом Дарвином, дедом Чарльза Дарвина. Первая крупномасштабная центрифуга для людей, предназначенная для авиационной подготовки, была создана в Германии в 1933 году.

ВВС США на базе Брукс-Сити, штат Техас, эксплуатируют человеческую центрифугу, ожидая завершения строительства новой человеческой центрифуги. в строительстве на авиабазе Райт-Паттерсон, Огайо. Центрифуга на базе Брукс-Сити эксплуатируется Школой аэрокосмической медицины ВВС США с целью обучения и оценки перспективных пилотов-истребителей для полетов с высокими перегрузками на истребителях ВВС.

Для будущих длительных космических полетов было предложено использовать большие центрифуги для имитации ощущения гравитации. Воздействие этой моделируемой гравитации предотвратит или уменьшит декальцификацию костей и мышечную атрофию, которые влияют на людей, подвергающихся длительным периодам свободного падения.

Центрифуга, не относящаяся к человеку.

В технологическом центре ESTEC Европейского космического агентства (ESA) (в Нордвейке, Нидерланды) центрифуга диаметром 8 метров используется для экспонирования образцов как в области наук о жизни, так и в физических науках. Эта Центрифуга большого диаметра (LDC) работает с 2007 года. Образцы могут подвергаться воздействию силы тяжести, превышающей гравитацию Земли в 20 раз. Благодаря четырем рычагам и шести свободно откидывающимся гондолам можно одновременно экспонировать образцы с разными уровнями перегрузки. Гондолы можно закрепить в восьми различных положениях. В зависимости от их местоположения можно, например, проведите эксперимент при 5 и 10 g за один проход. Каждая гондола может вместить до 80 кг эксперимента. Эксперименты, проводимые на этом предприятии, варьировались от рыб данио, металлических сплавов, плазмы, клеток, жидкостей, планарий, дрозофилы или растений

Промышленный центробежный сепаратор

Промышленный центробежный сепаратор представляет собой систему фильтрации охлаждающей жидкости для отделения частиц из жидкой, шлифовальной охлаждающей жидкости. Обычно он используется для отделения частиц цветных металлов, таких как кремний, стекло, керамика, графит и т. Д. Процесс фильтрации не требует каких-либо расходных деталей, таких как фильтровальные мешки, что спасает землю от повреждений.

Геотехника моделирование центрифуг

Геотехническое моделирование центрифуг используется для физических испытаний моделей с участием грунтов. Центрифужное ускорение применяется к масштабным моделям для масштабирования гравитационного ускорения и позволяет получить масштабные напряжения прототипа в масштабных моделях. Проблемы, такие как фундамент зданий и мостов, земляные дамбы, туннели и устойчивость откосов, включая такие эффекты, как взрывная нагрузка и землетрясение.

Синтез материалов

Применяются условия высокой гравитации, создаваемые центрифугой в химической промышленности, литье и синтезе материалов. На конвекцию и массоперенос сильно влияет гравитационное состояние. Исследователи сообщили, что высокая плотность может эффективно влиять на фазовый состав и морфологию продуктов.

Коммерческое применение

Сахарные центробежные машины для отделения кристаллов сахара

• Автономные центрифуги для сушки (ручная стирка) одежда - обычно с выходом для воды.
• Стиральные машины предназначены для работы в качестве центрифуг, чтобы избавиться от лишней воды в загрузке белья.
• Центрифуги используются в аттракционе Миссия: SPACE, расположенный по адресу Epcot в Мире Уолта Диснея, который продвигает райдеров, используя комбинацию центрифуги и симулятора движения, чтобы имитировать ощущение входа в пробел.
• В механике грунта центрифуги используют центробежное ускорение для сопоставления напряжений грунта в масштабной модели с теми, которые встречаются в действительности.
• Большие промышленные центрифуги обычно используются в очистка воды и сточных вод для сушки шламов. Полученный сухой продукт часто называют лепешкой, а воду, выходящую из центрифуги после удаления большей части твердых частиц, называют центрифугой .
• Большие промышленные центрифуги также используются в масле. промышленность для удаления твердых частиц из бурового раствора.
• Дисковые центрифуги, используемые некоторыми компаниями в отрасли нефтеносных песков для отделения небольших количеств воды и твердых частиц от битума
• Центрифуги используются для отделения сливок (удаления жира) от молока; см. Сепаратор (молоко).

Математическое описание

В протоколах центрифугирования обычно указывается величина ускорения, применяемого к образцу, а не скорость вращения , например оборотов в минуту. Это различие важно, потому что два ротора разного диаметра, работающие с одинаковой скоростью вращения, будут подвергать образцы разным ускорениям. Во время кругового движения ускорение является произведением радиуса и квадрата угловой скорости $\omega \; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; omega\}$, а ускорение относительно «g» традиционно называют «относительной центробежной силой» (RCF). Ускорение измеряется в единицах "g" (или × "g"), стандартное ускорение от силы тяжести на поверхности Земли, безразмерная величина, определяемая выражением:

Лабораторная центрифуга с ручным приводом 19 века.

$RCF\; =\; r\; \omega \; 2\; g\; \{\backslash \; displaystyle\; \{\backslash \; text\; \{RCF\}\}\; =\; \{\backslash \; frac\; \{r\; \backslash \; omega\; ^\; \{2\}\}\; \{g\}\}\}$

где

$g\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; textstyle\; g\}$- это ускорение свободного падения,,

$r\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; textstyle\; r\}$- радиус вращения,

$\omega \; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; omega\}$- это угловая скорость в радианах в единицу времени

Это соотношение может быть записано как

$RCF\; =\; 10\; -\; 3\; r\; мм\; (2\; \pi \; N\; об\; /\; мин\; 60)\; 2\; g\; \{\backslash \; displaystyle\; \{\backslash \; text\; \{RCF\}\}\; =\; \{\backslash \; frac\; \{10\; ^\; \{-\; 3\}\; r\; \_\; \{\backslash \; text\; \{mm\}\}\; \backslash ,\; \backslash \; left\; (\{\backslash \; frac\; \{2\; \backslash \; pi\; N\_\; \{\; \backslash \; text\; \{RPM\}\}\}\; \{60\}\}\; \backslash \; right)\; ^\; \{2\}\}\; \{g\}\}\}$

или

$RCF\; =\; 1.118\; (2)\; \times \; 10–6\; r\; мм\; N\; RPM\; 2\; \{\backslash \; displaystyle\; \{\; \backslash \; text\; \{RCF\}\}\; =\; 1.118\; (2)\; \backslash ,\; \backslash \; times\; 10\; ^\; \{-\; 6\}\; \backslash ,\; r\; \_\; \{\backslash \; text\; \{mm\}\}\; \backslash ,\; N\; \_\; \{\backslash \; text\; \{RPM\}\}\; ^\; \{2\}\}$

где

$r\; мм\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; textstyle\; r\; \_\; \{\backslash \; text\; \{mm\}\}\}$- это радиус вращения, измеренный в миллиметрах (мм), а

$N\; об\; /\; мин\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; textstyle\; N\; \_\; \{\backslash \; text\; \{RPM\}\}\}$- скорость вращения, измеренная в оборотов в минуту (об / мин).

Чтобы избежать необходимости каждый раз выполнять математические вычисления, можно найти номограммы для преобразования RCF в об / мин для ротора заданного радиуса. Линейка или другая прямая кромка, выровненная по радиусу на одной шкале, а желаемая относительная центробежная сила на другой шкале, укажут правильную скорость вращения на третьей шкале. Современные центрифуги, основанные на автоматическом распознавании ротора, имеют кнопку для автоматического преобразования относительной центробежной силы в число оборотов в минуту и ​​наоборот.

См. Также

• Центробежная сила
• Центрифугирование
• Коэффициент очистки
• Медогонка
• Гидроэкстрактор
• Уравнение Ламма
• Коэффициент седиментации
• Седиментация
• Процесс разделения —содержит список методов

Ссылки и примечания

Дополнительная литература

• Naesgaard et al., Моделирование разжижения потока, его смягчение и сравнение с испытаниями на центрифуге

Внешние ссылки

На Викискладе есть материалы, связанные с Центрифугами.

Найдите centrifuge в Wiktionary, бесплатном словаре.

• Калькулятор RCF и Номограф
• Ротор центрифугирования Калькулятор
• Подбор исторических центрифуг в виртуальной лаборатории Института истории науки им. Макса Планка