Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлено из Centrifuged )
Перейти к навигации Перейти к поиску
Эта статья о научном устройстве. Для христианского лагеря см Центрифуги (лагеря) . Для получения информации о направлении спина в квантовой механике см. Спин (физика) § Направление вращения .
Лабораторная настольная центрифуга. Вращающийся блок, называемый ротором , имеет фиксированные отверстия, просверленные под углом (к вертикали), которые видны внутри гладкого серебряного обода. Пробирки с пробами помещаются в эти прорези, 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.

Центрифуга представляет собой устройство , которое использует центробежную силу для разделения различных компонентов жидкости. Это достигается вращением жидкости на высокой скорости внутри контейнера, тем самым отделяя жидкости разной плотности (например, сливки от 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 образцов, радиальное ускорение заставляет более плотные частицы оседать на дно пробирки, в то время как вещества с низкой плотностью поднимаются вверх. [1] Центрифуга может быть очень эффективным фильтром, отделяющим загрязнения от основной массы жидкости.

Центрифуги промышленного масштаба обычно используются в производстве и переработке отходов для осаждения взвешенных твердых частиц или разделения несмешивающихся жидкостей. Примером может служить сепаратор сливок, используемый на молочных заводах . Центрифуги с очень высокой скоростью и ультрацентрифуги, способные обеспечивать очень высокое ускорение, могут разделять мелкие частицы до нанометров и молекулы разных масс. Большие центрифуги используются для моделирования условий с высокой гравитацией или ускорением (например, обучение пилотов-испытателей с высокой перегрузкой ). Центрифуги среднего размера используются в стиральных машинах и в некоторых бассейнах для вытяжки воды из тканей.Газовые центрифуги используются для разделения изотопов , такие , как для обогащения ядерного топлива для делящихся изотопов .

История [ править ]

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 [2].

Типы [ править ]

Цельную кровь часто разделяют с помощью центрифуги 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 конструкции ротора:

Типы по конструкции ротора: [3] [4] [5] [6]

  • Центрифуги с фиксированным углом предназначены для удержания контейнеров с пробами под постоянным углом относительно центральной оси.
  • 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 проб 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 .
  • Центрифуги гематокрита используются для измерения процентного содержания красных кровяных телец в цельной крови.
  • Газовые центрифуги , в том числе центрифуги типа Zippe , для разделения изотопов в газовой фазе.

В противном случае промышленные центрифуги можно классифицировать 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 протекает 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. Общие типы:

  • Сетчатые / спиральные центрифуги (сетчатые центрифуги, в которых центробежное ускорение позволяет жидкости проходить через какой-либо сито , через который твердые частицы не могут пройти (из-за гранулометрии, превышающей зазор сита, или из-за агломерации)
  • Центрифуги толкающие
  • Центрифуги-очистители
  • Центрифуги с обратным фильтром
  • Центрифуги с раздвижной выгрузкой
  • Маятниковые центрифуги
  • Центрифуги для осаждения

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 переливных центрифугах суспензия сливается, а жидкость добавляется постоянно. Общие типы: [7]

  • Сепараторные центрифуги (непрерывная жидкость); распространенными типами являются:
    • Центрифуги с твердой чашей
    • Центрифуги с коническими тарелками
  • Трубчатые центрифуги
  • Декантерные центрифуги , в которых нет физического разделения между твердой и жидкой фазами, а происходит ускоренное осаждение из-за центробежного ускорения.

Хотя большинство современных центрифуг имеют электрический привод, вариант с ручным приводом, вдохновленный вращением , был разработан для медицинских применений в развивающихся странах. [8]

Многие проекты были распространены для бесплатных центрифуг и центрифуг с открытым исходным кодом, которые можно производить в цифровом виде . Аппаратных средств с открытым исходным кодом конструкции для ручной с питанием от центрифуги для больших объемов жидкостей с радиальной скоростью свыше 1750 оборотов в минуту и более 50 Н относительной центробежной силы может быть полностью 3-D печатается примерно за $ 25. [9] Другие конструкции открыты аппаратных использовать пользовательский 3-D печатных светильники с недорогими электродвигателями сделать недорогие центрифуги (например , в Dremelfuge , который использует Dremel электроинструмент) или CNC вырезать из OpenFuge. [10] [11] [12] [13]

Использует [ редактировать ]

Образцы помещены в небольшую лабораторную центрифугу

Лабораторные разделения [ править ]

Основная статья: Лабораторная центрифуга

Широкий спектр лабораторных центрифуг используется в химии, биологии, биохимии и клинической медицине для выделения 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 вращающимися лопастями, способными нести различное 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. Зональные роторы и непрерывный потоксистемы способны обрабатывать большие и большие объемы образцов, соответственно, в лабораторном приборе. [1] Еще одно применение в лабораториях - отделение крови. Кровь разделяется на клетки и белки (эритроциты, лейкоциты, тромбоциты и т. Д.) И сыворотку. ДНКПрепарат - еще одно распространенное применение для фармакогенетики и клинической диагностики. Образцы ДНК очищаются, и ДНК готовится к разделению путем добавления буферов и последующего 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. [14]

Разделение изотопов [ править ]

Основная статья: Газовая центрифуга

Другие Центрифуги, первые из которых Циппы типа центрифуги , отдельные изотопы , [15] , и эти виды центрифуг используются в атомной энергетике и ядерных оружейных программах.

Аэронавтика и космонавтика [ править ]

Основная статья: Тренировка с высокой перегрузкой
Центрифуга 20 g в исследовательском центре NASA Ames Research Center

Человеческие центрифуги - это исключительно большие центрифуги, которые проверяют реакцию и устойчивость пилотов и космонавтов к ускорению, превышающему те, которые испытывают при земной гравитации .

Первые центрифуги, использованные для исследований на людях, использовал Эразм Дарвин, дед Чарльза Дарвина. Первая крупномасштабная центрифуга для людей, предназначенная для авиационной подготовки, была создана в Германии в 1933 году [16].

ВВС США в Brooks City Base, Texas работает человеческую центрифугу , в ожидании завершения нового человека центрифуги в строительстве в Райт-Паттерсон AFB , штат Огайо. Центрифуга в Brooks City Base управляется школы аэрокосмической медицины ВВС США с целью обучения и оценки потенциальных пилотов - истребителей для высоконадежного г полета на истребители ВВС. [17]

Для будущих длительных космических полетов было предложено использовать большие центрифуги для имитации ощущения гравитации . Воздействие этой имитируемой силы тяжести предотвратит или уменьшит декальцификацию костей и атрофию мышц, которые поражают людей, подвергающихся длительным периодам свободного падения. [17] [18]

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) [19] была введена в эксплуатацию в 2007 году. Образцы могут подвергаться воздействию силы тяжести не более чем в 20 раз превышающей земную. С его четырьмя рычагами и шестью свободно откидывающимися гондолами можно одновременно экспонировать образцы с разными уровнями перегрузки. Гондолы можно закрепить в восьми различных положениях. В зависимости от их местоположения можно, например, провести эксперимент при 5 и 10 g за один прогон. Каждая гондола вмещает максимум 80 кг. Эксперименты, проводимые на этой установке, варьировались от рыбок данио, металлических сплавов, плазмы, [20] клеток, [21]жидкости, Planaria [22] Drosophila [23] или растения

Промышленный центробежный сепаратор [ править ]

Промышленный центробежный сепаратор - это система фильтрации охлаждающей жидкости для отделения частиц от жидкости, подобной охлаждающей жидкости для шлифовальной обработки. 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. [24] [25]

Геотехническое моделирование центрифуг [ править ]

Геотехническое моделирование центрифуг используется для физических испытаний моделей с участием грунтов. Ускорение центрифуги применяется к масштабным моделям для масштабирования гравитационного ускорения и позволяет получить масштабные напряжения прототипа в масштабных моделях. Проблемы, такие как фундаменты зданий и мостов, земляные дамбы, туннели и устойчивость откосов, включая такие эффекты, как взрывная нагрузка и землетрясение. [26]

Синтез материалов [ править ]

Условия высокой гравитации, создаваемые центрифугой, используются в химической промышленности, литье и синтезе материалов. [27] [28] [29] [30] На конвекцию и массоперенос сильно влияет гравитационное состояние. Исследователи сообщили, что уровень высокой плотности может эффективно влиять на фазовый состав и морфологию продуктов. [27]

Коммерческие приложения [ править ]

Сахарные центробежные машины для отделения кристаллов сахара
  • Автономные центрифуги для сушки (ручной стирки) одежды - обычно с выходом для воды.
  • Стиральные машины предназначены для работы в качестве центрифуг, чтобы избавиться от лишней воды из белья.
  • Центрифуги используются в аттракционе Mission: SPACE , расположенном в Epcot в Мире Уолта Диснея , который продвигает гонщиков, используя комбинацию центрифуги и симулятора движения, чтобы имитировать ощущение полета в космос .
  • В механике грунтов центрифуги используют центробежное ускорение, чтобы сопоставить напряжения грунта в масштабной модели с действующими.
  • Большие промышленные центрифуги обычно используются при очистке воды и сточных вод для сушки шлама . Полученный сухой продукт часто называют кеком , а воду, выходящую из центрифуги после удаления большей части твердых частиц, называют центрифугированием .
  • Большие промышленные центрифуги также используются в нефтяной промышленности для удаления твердых частиц из бурового раствора .
  • Дисковые центрифуги, используемые некоторыми компаниями в нефтеносных песках для отделения небольших количеств воды и твердых частиц от битума.
  • Центрифуги используются для отделения сливок (удаления жира) от молока; см. Сепаратор (молоко) .

Математическое описание [ править ]

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 различным ускорениям. Во время кругового движения ускорение является произведением радиуса и квадрата угловой скорости , а ускорение относительно « g » традиционно называют «относительной центробежной силой» (RCF). Ускорение измеряется в единицах " g " (или × " g"), стандартное ускорение свободного падения на поверхности Земли, безразмерная величина, определяемая выражением:

Лабораторная центрифуга 19 века с ручным приводом.

где

ускорение свободного падения Земли ,
- радиус вращения,
это угловая скорость в радианах в единицу времени

Это отношение можно записать как

или же

где

- радиус вращения, измеряемый в миллиметрах (мм), а
это скорость вращения измеряется в оборотах в минуту (RPM).

Чтобы избежать необходимости каждый раз выполнять математические вычисления, можно найти номограммы для преобразования RCF в об / мин для ротора заданного радиуса. Линейка или другой прямой край, выровненный по радиусу на одной шкале, а желаемая относительная центробежная сила на другой шкале, укажет правильную скорость вращения на третьей шкале. [31] На основе автоматического распознавания ротора современные центрифуги имеют кнопку для автоматического преобразования относительной центробежной силы в об / мин и наоборот.

См. Также [ править ]

  • Центробежная сила
  • Центрифугирование
  • Клиринговый фактор
  • Медогонка
  • Гидроэкстрактор
  • Уравнение Ламма
  • Коэффициент седиментации
  • Седиментация
  • Процесс разделения - включает список методов

Ссылки и примечания [ править ]

  1. ^ а б Сьюзан Р. Миккельсен и Эдуардо Кортон. Биоаналитическая химия, гл. 13. Методы центрифугирования. John Wiley & Sons, 4 марта 2004 г., стр. 247–267.
  2. ^ Фогель-Прандтль, Йоханна Людвиг Прандтль: биографический очерк, воспоминания и документы , англ. Пер. V. Васанта Рам. Международный центр теоретической физики Триест, Италия, паб. 14 августа 2004 г. С. 10–11.
  3. ^ «Основы центрифугирования» . Коул-Пармер . Проверено 11 марта 2012 года .
  4. ^ «Разделение плазмидной ДНК: фиксированные угловые и вертикальные роторы в микроцентрифугах Thermo Scientific Sorvall Discovery ™ M120 и M150» (публикация Thermo Fischer)
  5. ^ «Архивная копия» (PDF) . Архивировано из оригинального (PDF) 13 мая 2014 года . Проверено 11 марта 2012 . CS1 maint: archived copy as title (link)
  6. ^ Heidcamp, доктор Уильям Х. «Приложение F» . Руководство лаборатории клеточной биологии . Колледж Густава Адольфа. Архивировано из оригинального 2 -го марта 2012 года . Проверено 11 марта 2012 года .
  7. ^ «Центрифуги» .
  8. ^ М. Саад Bhamla, Брендон Бенсон, Chew Chai, Георгиос Katsikis, Aanchal Johri & Manu Prakash (10 января 2017). «Сверхнизкая ценовая бумажная центрифуга с ручным приводом». Природа . 1 : 0009. DOI : 10.1038 / s41551-016-0009 .CS1 maint: uses authors parameter (link)
  9. ^ Sule, Salil S .; Петюк, Алексей Л .; Пирс, Джошуа М. (2019). «Центрифуга с открытым исходным кодом для трехмерной печати» . Инструменты . 3 (2): 30. DOI : 10.3390 / instruments3020030 .
  10. ^ "OpenFuge" . www.instructables.com . Проверено 27 октября 2019 .
  11. ^ Пирс, Дж. М., 2012. Создание исследовательского оборудования с помощью бесплатного оборудования с открытым исходным кодом. Science, 337 (6100), стр.1303-1304.
  12. ^ Sleator, RD, 2016. DIY Biology - взлом становится вирусным !. Научный прогресс, 99 (3), стр. 278-281.
  13. ^ Мейер, Морган (2012-06-25). «Создайте свою собственную лабораторию: биология своими руками и рост гражданской биотехнологической экономики» . Cite journal requires |journal= (help)
  14. Перейти ↑ Stokes, Barry O. (2004). «Принципы цитоцентрифугирования» . Лабораторная медицина . 35 (7): 434–437. DOI : 10,1309 / FTT59GWKDWH69FB0 . ISSN 0007-5027 . 
  15. ^ Кордесман, Энтони Х .; Аль-Родхан, Халид Р. (2006). Иранское оружие массового уничтожения: реальная и потенциальная угроза . CSIS. ISBN 9780892064854.
  16. ^ http://www.dtic.mil/dtic/tr/fulltext/u2/a236267.pdf
  17. ^ a b «Тяга гипергравитации - исследователь НАСА изучает странные эффекты искусственной гравитации на людей» . НАСА . Проверено 11 марта 2012 года .
  18. ^ Сюй, Джереми. «Новые испытания искусственной гравитации в космосе могут помочь космонавтам» . Space.com . Проверено 11 марта 2012 года .
  19. ^ Ван Лун JJWA, Krause J., Кунья H., Гонсалвес J., Алмейда Х., Schiller П. Большой диаметр Центрифуга, LDC, для жизни и физических наук и технологий. Proc. симпозиума «Жизнь в космосе ради жизни на Земле», Анже, Франция, 22–27 июня 2008 г. ESA SP-663, декабрь 2008 г.
  20. ^ Шперка, Иржи; Соучек, Павел; Loon, Джек JWA Ван; Доусон, Алан; Шварц, Кристиан; Краузе, Ютта; Крузен, Геррит; Кудрле, Вит (01.12.2013). «Влияние гипергравитации на плазму скользящей дуги» . Европейский физический журнал D . 67 (12): 261. Bibcode : 2013EPJD ... 67..261S . DOI : 10.1140 / epjd / e2013-40408-7 . ISSN 1434-6060 . S2CID 54539341 .  
  21. ^ Шульчек, Роберт; Безу, Ян ван; Бунстра, Йоханнес; Loon, фургон Jack JWA; Амеронген, Гиртен П. ван Ньив (04.12.2015). «Переходные интервалы гипергравитации повышают целостность эндотелиального барьера: влияние механических и гравитационных сил, измеряемых электрически» . PLOS ONE . 10 (12): e0144269. Bibcode : 2015PLoSO..1044269S . DOI : 10.1371 / journal.pone.0144269 . ISSN 1932-6203 . PMC 4670102 . PMID 26637177 .   
  22. ^ Адель, Тереза; Сало, Эмили; Loon, фургон Jack JWA; Аулетта, Дженнаро (17 сентября 2014). «Планарии чувствуют симулированную микрогравитацию и гипергравитацию» . BioMed Research International . 2014 : 679672. дои : 10,1155 / 2014/679672 . ISSN 2314-6133 . PMC 4182696 . PMID 25309918 .   
  23. ^ Палома Серрано, Джек JWA ван Лун, Ф. Хавьер Медина · Рауль Херранц Связь между старением, ускоренным подвижностью, и экспрессией генов в отобранных штаммах дрозофилы в условиях гипергравитации. Microgravity Sci. Technol. (2013) 25: 67–72. DOI 10.1007 / s12217-012-9334-5.
  24. ^ «Что такое промышленная центрифуга? Промышленная центрифуга - это машина, используемая для разделения жидкости / частиц» . KYTE . Проверено 21 сентября 2017 года .
  25. ^ "Центробежная машина для удаления стружки" . Чинминн . Проверено 7 января 2020 года .
  26. ^ CWW Ng; YH Wang; Л. М. Чжан (2006). Физическое моделирование в геотехнике: материалы Шестой Международной конференции по физическому моделированию в геотехнике . Тейлор и Фрэнсис. п. 135. ISBN 978-0-415-41586-6.
  27. ^ а б Инь, Си; Чен прамодн; Чжоу, Хэпин; Нин, Сяошань (август 2010 г.). «Синтез горением композитов Ti3SiC2 / TiC из элементарных порошков в условиях высокой гравитации». Журнал Американского керамического общества . 93 (8): 2182–2187. DOI : 10.1111 / j.1551-2916.2010.03714.x .
  28. ^ Мескита, РА; Leiva, DR; Явари, АР; Ботта Филхо, WJ (апрель 2007 г.). «Микроструктура и механические свойства массивных сплавов AlFeNd (Cu, Si), полученных литьем под центробежной силой». Материалы Наука и техника: A . 452–453: 161–169. DOI : 10.1016 / j.msea.2006.10.082 .
  29. ^ Чен, Цзянь-Фэн; Ван, Ю-Хун; Го, Фен; Ван, Синь-Мин; Чжэн, Чонг (апрель 2000 г.). «Синтез наночастиц с использованием новой технологии: реактивное осаждение с высокой гравитацией». Промышленные и инженерные химические исследования . 39 (4): 948–954. DOI : 10.1021 / ie990549a .
  30. ↑ Абэ, Ёсиюки; Майза, Джованни; Беллинджери, Стефано; Исидзука, Масао; Нагасака, Юдзи; Сузуки, Тэцуя (январь 2001 г.). «Синтез алмаза с помощью высокомощной плазмы постоянного тока cvd (hgcvd) с активным контролем температуры подложки». Acta Astronautica . 48 (2–3): 121–127. Bibcode : 2001AcAau..48..121A . DOI : 10.1016 / S0094-5765 (00) 00149-1 .
  31. ^ Пример Номограмма архивации 9 декабря 2013, в Wayback Machine

Дальнейшее чтение [ править ]

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

Внешние ссылки [ править ]

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