Помимо фильтрования, разделение смеси жидкого и твердого веществ возможно также путем центрифугирования, т. е. разделения веществ в приборах, называемых центрифугами.
Применение центрифуги основано на использовании центробежной силы . При быстром вращении (центрифугировании) взвешенные в жидкости твердые частицы (с большей" плотностью, чем плотность жидкости) под дейт ствием развивающейся при вращении центробежной силы отбрасываются от центра и таким путем отделяются от жидкости.
Рис. 407. Аппарат Тиссена для микроаналитических работ
Рис. 408. Ручная центрифуга
Центрифуги бывают: открытые и закрытые, с ручным и механическим приводом. Основной частью открытой ручной центрифуги (рис. 408) является вертикально поставленная вращающаяся ось, перпендикулярно которой на верхнем конце ее прикреплена планка с подвижно укрепленными двумя (или четырьмя) металлическими,гильзами. В эти гильзы вставляют специальные сужен-, ные книзу пробирки (рис. 409) с жидкостью, из которой нужно удалить взвешенные частицы,
На дно гильзы кладут кусочек ваты, «чтобы избежать прямого соприкосновения стекла с металлом. Когда пробирки вставлены в гильзы, центрифугу приводят в движение и через некоторое время (зависящее от вязкости жидкости, размеров взвешенных частиц и разности плотностей) происходит отделение взвешенных твердых частиц от жидкости, после чего центрифугу останавливают. На дне пробирки собирается плотный осадок твёрдого вещества, над которым находится чистая жидкость.
Закрытые центрифуги (рис. 410) в зависимости от величины содержат различное количество гильз, от 2 до 12 и больше, расположенных симметрично на одинаковом расстоянии друг от друга и от оси центрифуги.
Механические закрытые центрифуги (рис. 410, б) более удобны, чем ручные (рис. 410, а). Они дают обычно 2000- 3000 об/мин, позволяют достигнуть более совершенного разделения жидкости и твердого вещества.
Пробирки для центрифуг после наполнения жидкостью должны иметь одинаковую массу. Там, где центрифугой приходится пользоваться часто, рекомендуется иметь специальные весы, приспособленные для взвешивания (вернее, тарирования) пробирок. В указанных весах чашки подвешивают к коромыслу при помощи стержней, прикрепленных к центру чашек. На этих стержнях имеются кольца, в которые вставляют пробирки.
Укрепив пробирки, сперва наливают жидкость, подлежащую центрифугированию, в одну пробирку (при помощи, например, пипетки), а затем во вторую, добиваясь уравновешивания чашек.
Никогда не следует наливать в пробирки слишком много жидкости; пробирки наполняют так, чтобы расстояние от края до уровня жидкости было не меньше 10 мм.
Когда нужно уравновесить много пробирок, целесообразно применять следующий прием. Уравновесив первую пару пробирок, одну из них вынимают и помещают в гнездо центрифуги, а другую оставляют на весах; эта последняя пробирка будет служить эталоном для остальных в освободившееся на весах место вставляют другую пробирку, уравновешивают с эталоном и убирают. Целесообразно также предварительно наполнить пробирки (взяв количество жидкости несколько меньше, нужного) и уже при уравновешивании добавлять необходимое количество жидкости. Такой прием ускоряет работу.
Рис. 409. Пробирки для центрифуг.
Уравновешенные пробирки вставляют в гнезда центрифуги.
Центрифугу следует пускать не сразу на полный ход, а постепенно. Это относится как к ручным, так и к ме* ханическим центрифугам.
Рис. 410. Закрытые центрифуги: а - с ручным приводом; б - с электромотором.
Механические центрифуги для регулирования ско--рости имеют соответствующие приспособления. Так, электрические центрифуги снабжены реостатами для постепенного включения на полное число оборотов. У центрифуг, приводимых в движение от водяной турбины, постепенность нарастания скорости движения достигается регулированием струи воды. Чем осторожнее было проведено включение, тем надежнее работает центрифуга.
За центрифугой следует постоянно наблюдать; недопустимо загрязнение ее, в особенности движущихся частей. Металлические гильзы должны легко и свободно поворачиваться. Шестерни, приводящие во вращение центрифугу, должны иметь легкий ход; их нельзя смазывать такими смазками, которые могут загустеть. Ось центрифуги также должна быть в порядке и всегда чистой.
При неосторожном обращении с центрифугами, особенно ручными, можно согнуть ось и этим вывести.центрифугу из строя.
После выключения центрифуге дают остановиться самор и только после этого вынимают пробирки.
В последнее время начинают приобретать все большее распространение так называемые суперцентрифуги, дающие до 40 000 об/мин (рис. 411).
Рис. 411 суперцентрифуга
Такие центрифуги особенно удобны для центрифугирования всякого рода вязких растворов, например лаков, тонких дисперсий, а также эмульсий.
Жидкость, подлежащая суперцен-трифугированию, поступает в патрубок1, расположенный в Нижней части аппарата. Затем жидкость выливается в рабочий цилиндр 2, вращающийся со скоростью до 40 ООО об/мин, в котором происходит отделение бйлее тяжелых частиц, взвешенных в жидкости. Жидкость постепенно поднимается по цилиндру 2 вверх до разделителя 5, и если разрушают эмульсию, то более легкая жидкость вытекает по стоку 8, а более тяжелая - по стоку 4. При отделении твердых частиц с плотностью больше единицы жидкость вытекает по стоку 3. На внутренней стенке рабочего цилиндра откладыкается отделяемый твердый осадок. Суперцентрифуга. Время от времени суперцентрифугу останавливают, извлекают рабочий цилиндр 2, очищают его от осддка и, снова поставив на место, продолжают работу. Весь процесс очистки рабочего цилиндра, от момента остановки до момента нового пуска суперцентрифуги, занимает не более 15 мин. Если приходится очищать сравнительно большие количества жидкости, то пользуются тремя8 суперцентрифугами: одна - работает, Другую - очищают, третья - в резерве,
Препаративное центрифугирование – один из методов выделения биологического материала для последующего проведения биохимических исследований. Позволяет выделить значительное количество клеточных частиц для комплексного изучения их биологической активности, структуры и морфологии. Также метод применим для выделения основных биологических макромолекул. Сфера использования: медицинские, химические и биохимические исследования.
Классификация методов препаративного центрифугирования
Препаративное центрифугирование осуществляется по одной из следующих методик:
|
- Изопикническое. Может проводиться в градиенте плотности либо обычным путем. В первом случае обрабатываемый материал наслаивается на поверхность буферного раствора с непрерывным градиентом плотности и центрифугируется до разделения частиц по зонам. Во втором случае исследуемая среда центрифугируется до образования осадка из частиц с большим молекулярным весом, после чего из полученного остатка выделяются исследуемые частицы.
- Равновесное. Проводится в градиенте плотности из солей тяжелых металлов. Центрифугирование позволяет установить равновесное распределение концентрации растворенного исследуемого вещества. Затем под воздействием сил центробежного ускорения частицы среды собираются в отдельной зоне пробирки.
Оптимальная методика подбирается с учетом поставленных целей и особенностей исследуемой среды.
Классификация препаративных лабораторных центрифуг
В зависимости от особенностей конструкции и эксплуатационных характеристик препаративные центрифуги можно разделить на 3 основные группы:
 |
|
- Скоростные. Максимальная скорость – 25.000 об/мин при относительном центробежном ускорении до 89.000 g. Для предотвращения нагревания из-за возникающих при вращении ротора сил трения рабочая камера оснащается системой охлаждения. Комплектуются угловыми роторами либо роторами с подвесными контейнерами для размещения биологического материала. Емкость скоростных препаративных
центрифуг – 1.5 дм 3 . - Ультрацентрифуги. Максимальная скорость – 75.000 об/мин при относительном центробежном ускорении до 510.000g. Для предотвращения нагревания из-за возникающих при вращении ротора сил трения оснащаются системой охлаждения и вакуумной установкой. Роторы ультрацентрифуг изготавливается из сверхпрочных титановых либо алюминиевых сплавов. Для уменьшения вибраций из-за неравномерного заполнения ротора имеют гибкий вал.
К отдельной категории следует отнести препаративные центрифуги специального исполнения, предназначенные для проведения определенных разновидностей исследований и решения специфических задач. В эту группу входят центрифуги с нагревательной рубашкой, рефрижераторные центрифуги и другое подобное оборудование.
Особенности конструкции ротора в препаративных центрифугах
Препаративные центрифуги комплектуются угловыми либо горизонтальными роторами:
 |
|
Тип ротора определяет сферу использования оборудования. Возможность смены ротора позволяет использовать одну и ту же модель центрифуги для решения разноплановых задач. Медицинские центрифуги для лаборатории Centurion выпускаются в напольных либо настольных вариантах исполнения, что делает возможным использование оборудования в любых помещениях вне зависимости от доступной площади.
Потребность разделения смеси, состоящей из частиц различного размера, на более однородные фракции существует во многих областях. Одним из наиболее эффективных, простых и бюджетных способов, позволяющих справить с поставленной задачей, является центрифугирование. Как правило, для его реализации требуются специальные аппараты, лабораторная посуда, а также вспомогательное оборудование, такое как сушильные шкафы .
Классификация методов
В настоящее время существуют три вида центрифугирования:
- фильтрование;
- отстаивание;
- осветление.
Фильтрование проводится в центрифугах с дырчатыми барабанами, внутрення поверхность которых покрыта тканью. В процессе вращения рабочей полости, происходит осаждение частиц твердой фазы на материю: постепенное уплотнение слоя и его последующее удаление.
Центробежное отстаивание в некоторой степени отличается от фильтрования. Для его реализации используются более сложные конструкции. Неоднородная смесь постепенно поступает в рабочую полость, совершающую вращательные движения вокруг своей оси. В результате твердая фаза осаждается на стенки барабана, а жидкая - вытесняется за его пределы регулярно поступающей из нижнего отверстия неоднородной смесью.
Центробежное осветление позволяет разделять более тонкие коллоидные растворы. В процессе вращения барабана происходит образование градиента плотности. Причем более легкие жидкости скапливаются в центре, а более тяжелые - на периферии.
Применение центрифугирования
Благодаря простоте реализации процесса, данный способ разделения растворов нашел применение в следующих областях:
- промышленности;
- медицине;
- науке.
Метод на протяжении многих лет активно используется в процессе добычи нефти для повышения ее качества путем удаления воды из состава. В медицине с его помощью проводят такие операции, как:
- выделение тромбоцитарной массы;
- получение очищенных образцов для плазмафареза;
- синтез эритроцитарной массы.
Кроме того, центрифугирование в совокупности с современным оборудованием, таким как шкафы сушильные , позволяет подготовить кровь для переливания.
Центрифугирование
Это разделение механических смесей на составные части
действием центробежной силы. Приборы, применяемые для этой
цели, называют центрифугами.
Основной частью центрифуги является ротор с монтированными в
нем гнездами для центрифужных пробирок. Ротор вращается с
большой скоростью, вследствие чего создаются значительные по
величине центробежные силы, под действием которых
происходит разделение механических смесей, например
осаждение взвешенных в жидкости частиц.
Процессы, происходящие в центрифуге
В центрифугах разделяют следующие процессы:1)Центробежное фильтрование.
2)Центробежное отстаивание.
3)Центробежное осветление.
Центробежное фильтрование
Центробежное фильтрование представляет собойпроцесс разделения суспензий в центрифугах с
дырчатыми барабанами. Внутренняя поверхность
такого барабана покрыта фильтровальной тканью.
Суспензия центробежной силой отбрасывается к
стенкам барабана, при этом твёрдая фаза остаётся на
поверхности ткани, а жидкость под действием
центробежной силы проходит сквозь слой осадка и
ткань удаляется наружу через отверстия в барабане.
Центробежное фильтрование обычно складывается из
трёх последовательных физических процессов:
1)фильтрование с образованием осадка;
2)уплотнение осадка;
3)удаление из осадка жидкости, удерживаемой
молекулярными силами;
Центробежное отстаивание
Центробежное отстаиваниеЦентробежное отстаивание - процесс разделения
суспензий в центрифугах, имеющих барабаны со
сплошными стенками. Суспензия вводится в нижнюю
часть барабана и под действием центробежной силы
отбрасывается к стенкам. У стенок образуется слой
осадка, а жидкость образует внутренний слой и
вытесняется из барабана поступающей на разделение
суспензией. Жидкость при этом поднимается кверху,
переливается через закраину барабана и удаляется
наружу.
При этом происходит два физических процесса:
1)Осаждение твёрдой фазы.
2)Уплотнение осадка.
Центробежное осветление
Центробежное осветление - процесс разделениятонких суспензий и коллоидных растворов. Так
же проводится в сплошных барабанах.
По физической сущности центробежное
осветление представляет собой процесс
свободного осаждения твёрдых частиц в поле
центробежных сил.
В барабанах со сплошными стенками
производится так же разделение эмульсий. Под
действием центробежной силы компоненты
эмульсии в соответствии с плотностью
располагаются в виде разграниченных слоев:
наружного слоя жидкости с большей плотностью
и внутреннего слоя более лёгкой жидкости.
Жидкости выводятся из барабана порознь. В клинических и санитарногигиенических лабораториях
центрифугирование используют
для отделения эритроцитов от
плазмы крови, сгустков крови от
сыворотки, плотных частиц от
жидкой части мочи и т. д. Для
этой цели применяют или
ручные центрифуги, или
центрифуги с электроприводом,
скорость вращения которых
можно регулировать.
Ультрацентрифуги, скорость
вращения роторов которых
превышает 40 000 об/мин,
применяют обычно в
экспериментальной практике
для разделения органелл
клеток, отделения коллоидных
частиц, макромолекул,
полимеров.
Использование центрифугирования в паразитологии
Метод используется для дифференцировки сложнойкровяной смеси, мочи или кала, с последующим
выделением из нее гельминтов для дальнейшего
изучения под микроскопом и фиксации материала. В
процессе центрифугирования имеющиеся в пробе
паразиты проходят через фильтр и скапливаются в
нижнем коническом отсеке пробирки. Сетка фильтра
со специально подобранными по размеру ячейками
в пробирке расположена вертикально, в результате
чего происходит горизонтальная (латеральная)
фильтрация пробы. В результате чего, грубые
частицы непереваренной пищи, клетчатка оседают в
смесительной камере, а паразиты и их яйца
беспрепятственно проходят через фильтр. Таким
образом, паразиты концентрируются в
поверхностном слое мелкодисперсного осадка, и
врачу-лаборанту остается только аккуратно отобрать
образец для микроскопирования с помощью
автоматической пипетки и нанести его на
предметное стекло.
Метод центрифугирования в цитологии
Метод дифференциальногоцентрифугирования используется для
фракционирования клеток, т. е. расслоения их
содержимого на фракции в зависимости от удельного
веса различных органоидов и клеточных включений.
Для этого тонко измельченные клетки вращают в
специальном аппарате – ультрацентрифуге. В
результате центрифугирования компоненты клеток
выпадают в осадок из раствора, располагаясь в
соответствии со своей плотностью. Более плотные
структуры осаждаются при более низких скоростях
центрифугирования, а менее плотные – при высоких
скоростях. Полученные слои разделяют и изучают
отдельно.
10. Центрифугирование в ботанике и физиологии растений
Центрифугирование позволяет получить различныефракции субклеточных частиц и исследовать
свойства и функции каждой фракции в
отдельности. Например, из листьев шпината можно
выделить хлоропласты, отмыть их с помощью
повторного центрифугирования в соответствующей
среде от клеточных фрагментов и исследовать их
поведение в различных экспериментальных
условиях или же определить их химический состав.
Далее можно, применяя различные модификации
методики, разрушить эти пластиды и выделить
посредством
дифференциального центрифугирования (повторно
го осаждения частиц при различных величинах
ускорения) составляющие их элементы. Таким
путем удалось показать, что пластиды содержат
структуры, отличающиеся очень упорядоченным
строением, - так называемые граны; все граны
находятся внутри ограничивающей хлоропласт
мембраны (оболочка хлоропласта). Достоинства
этого метода просто неоценимы, поскольку он
позволяет выявить существование
функциональных субъединиц, входящих в состав
более крупных субклеточных частиц; в частности,
используя метод
11. Метод центрифугирования в вирусологии
Метод центрифугирования в градиенте плотности Брак-ке можноиспользовать как для выделения, так и для получения
количественных характеристик вирусов растений. Как оказалось,
этот метод таит в себе многие возможности и в настоящее время
широко используется в области вирусологии и молекулярной
биологии. При проведении исследований методом
центрифугирования в градиенте плотности центрифужную пробирку
частично наполняют раствором, плотность которого уменьшается в
направлении от дна к мениску. Для создания градиента при
фракционировании вирусов растений наиболее часто используют
сахарозу. Перед началом центрифугирования частицы вируса могут
быть либо распределены во всем объеме раствора, либо нанесены на
вершину градиента. Бракке предложил три различных приема
центрифугирования в градиенте плотности. При изопикпическом
(равновесном) центрифугировании процесс продолжается до тех пор,
пока все частицы в градиенте не достигнут уровня, где плотность
среды равна их собственной плотности. Таким образом,
фракционирование частиц происходит в этом случае в соответствии с
различиями в их плотности. Растворы сахарозы не обладают
достаточной плотностью для изопикнического разделения многих
вирусов. При скоростном зональном центрифугировании вирус
сначала наносят па предварительно созданный градиент. Частицы
каждого типа седиментируют при, этом через градиент в виде зоны,
или полосы, со скоростью, зависящей от их размера, формы и
плотности. Центрифугирование при этом заканчивают, когда частицы
еще продолжают седиментировать. Равновесное зональное
центрифугирование сходно со скоростным зональным
центрифугированием, по в этом случае центрифугирование
12. Трудности в использовании метода центрифугирования
Применение метода дифференциального центрифугированиясопряжено со многими методическими трудностями. Во первых, при
выделении частиц можно повредить их структуру. Поэтому
потребовалось разработать специальные методы разрушения клеток,
которые бы не вызывали повреждения структуры субклеточных
фракций. Во вторых, поскольку субклеточные частицы обладают
мембранами, в процессе их выделения могут возникать
разнообразные осмотические эффекты. Следовательно, для того
чтобы ультраструктура исследуемых объектов не была разрушена
еще при их выделении, необходимо тщательно подбирать состав
среды, в которой производится разрушение клеток и осаждение
частиц. И наконец, отмывание субклеточных частиц
(ресуспендирование их в среде и последующее повторное
центрифугирование) может приводить к потере некоторых
содержащихся в них веществ, которые под действием сил диффузии
переходят в раствор.
В связи с этим иногда бывает трудно понять, какие из малых молекул
действительно являются элементами исследуемых структур, а какие
просто были адсорбированы их поверхностью в процессе выделения.
Такое положение затрудняет точное определение некоторых
функциональных свойств выделенных объектов.
Центрифугирование
способ разделения неоднородных, дисперсных жидких систем в поле центробежных сил (центрифугатном поле). Обладает более высокой способностью к разделению, чем отжимание, отстаивание и фильтрование. Ц. осуществляют в центрифугах, принцип работы к-рых основан на создании центробежной силы, увеличивающей скорость разделения компонентов смеси по сравнению со скоростью их разделения только под влиянием силы тяжести. Эффективность центрифуги оценивают по «фактору разделения» К, к-рый рассчитывают по формуле: К= (2p n) 2 r/g, где n -число оборотов в мин; r-радиус вращения ротора;g - ускорение свободного падения. В практике чаще с этой целью применяют g, к-рое может быть найдено из вышеприведенной формулы или по формуле g=l,117 x l0 -5 N 2 r, где N-число оборотов; г- радиус. Центрифуги состоят из корпуса, двигателя, ротора, механизма передачи, рабочей камеры и панели управления. Гнезда для пробирок или стаканов для более быстрого разделения компонентов смеси располагают под углом (в угловых роторах) или они принимают такое положение при вращении горизонтального ротора. Различия в скоростях седиментации частиц смеси увеличиваются при увеличении плотности среды, в к-рой происходит разделение. В связи с этим иногда Ц. проводят в плотной среде, напр., в р-ре сахарозы. В микробиологии Ц. используют для осаждения микробов, освобождения микробной взвеси от грубых примесей, увеличения плотности микробов в ед. объема и для др. целей. В зависимости от массы микробов применяют различные типы центрифуг. В вирусологии и иммунологии обычно нужны центрифуги с высоким фактором разделения, т. н. супер- и ультрацентрифуги. Для осаждения бактерий лучше использовать центрифуги с фактором разделения около 7 тыс. (9-10 тыс. об/мин). Осаждение грибов, простейших, животных клеток, грубых примесей проводят на центрифугах с малым фактором разделения (1,5 -3 тыс. об/мин). При малых концентрациях процесс оседания частиц затягивается. Его можно ускорить добавлением коагулянта или, напр., убитых бактерий этого же вида. Процесс Ц. начинают с уравновешивания на специальных весах стаканов с содержащими жидкость пробирками, располагающимися в роторе друг против друга. На дно стаканов следует поместить резиновые прокладки. Перед Ц. крышку центрифуги плотно закрывают, включают двигатель, скорость оборотов ротора постепенно увеличивают, доводя до заданной. По истечении времени Ц. двигатель выключают, крышку открывают после полной остановки ротора. При Ц. живых микробов необходимо строго соблюдать правила асептики и техники безопасности. Ц. взвесей, содержащих микробы, лучше проводить в стеклянных или др. надежно стерилизующихся пробирках. Ватную пробку следует обогнуть вокруг края пробирки или стакана и прижать резиновым кольцом. Использование металлических колпачков допустимо только при малых скоростях вращения. Пробирки не следует наполнять более чем на 1 см. от края. Применять для Ц. обычные пробирки или бутылки нельзя. См. улътрацентрифуга.
(Источник: «Словарь терминов микробиологии»)
- - Рис. 1. Центрифуги. Рис. 1. Центрифуги:1 лабораторная настольная ЦЛН-2;2 лабораторная рефрижераторная ЦЛР-1...
Ветеринарный энциклопедический словарь
- - разделение в поле центробежных сил жидких дисперсных систем с частицами размером более 100 нм. Используют для выделения составляющих фаз из двухкомпонентных и трехкомпонентных систем. Методы и аппаратура...
Химическая энциклопедия
- - разделение неоднородных систем с помощью центробежных сил; применяется для разделения суспензий, осветления загрязнённых жидкостей, классификации шламов по крупности твёрдых частиц и т.д....
Термины атомной энергетики
- - density gradient centrifugation - ...
- - sucrose equilibrium density gradient centrifugation - .Метод разделения макромолекул на основании их коэффициента седиментации
: разделяемая смесь наносится на поверхность раствора с градиентом концентрации сахарозы <... Молекулярная биология и генетика. Толковый словарь
- - cesium chloride equilibrium density gradient centrifugation - .Mетод центрифугирования в градиенте плотности
Молекулярная биология и генетика. Толковый словарь - - разделение неоднородных смесей на составные части различной плотности с помощью центрифуги...
Большой медицинский словарь
- - способ бетонирования в стальных формах отдельных железобетонных изделий с использованием эффекта центробежной силы, создаваемой центрифугой при большой частоте вращения...
