Термины и определения
Общие понятия
Дисперсная фаза - прерывная фаза в дисперсной системе в виде отдельных мелких твёрдых частиц, капелек жидкости или пузырьков газа.
Дисперсионная среда - непрерывная фаза дисперсной системе.
Жидкая неоднородная система - дисперсная система, состоящая из дисперсной фазы, распределённой в жидкой дисперсионной среде.
Эмульсия - жидкая неоднородная система, в которой дисперсная фаза - взвешенные капельки одной или нескольких жидкостей с ограниченной растворимостью в дисперсионной среде.
Суспензия - жидкая неоднородная система, состоящая из твёрдых частиц, распределённых в жидкости.
Осадок- совокупность твердых частиц с заполняющей их поры жидкостью, полученная в процессе разделения суспензии.
Центрифугирование - разделение жидких неоднородных систем в роторах под действием центробежных сил.
Центрифуга - машина, предназначенная для центрифугирования.
Фактор разделения - отношение центробежного ускорения центрифуги к ускорению свободного падения.
Рабочий объём ротора - наибольший объём ротора, который может занять в нём жидкая неоднородная система при центрифугировании.
Процесс центрифугирования основывается на том, что под действием центробежных сил частицы разной массы, плотности, формы или размера осаждаются с разной скоростью, при этом скорость осаждения зависит от вязкости и плотности среды, в которой они находятся.
Вязкость многих жидкостей зависит от температуры. С повышением температуры она может уменьшаться и, наоборот, с понижением увеличиваться.
Во время вращения ротор центрифуги нагревается. Величина нагрева зависит от частоты вращения ротора, его размеров и массы, времени вращения, материала изготовления, конструктивных особенностей ротора и центрифуги, а также от других факторов.
С учетом фактора температуры центрифуги выпускаются:
- без охлаждения;
- с воздушным охлаждением (как правило, воздухом комнатной температуры);
- рефрижераторные (охлаждаемые с использованием встроенной холодильной установки);
- рефрижераторные с термостатированием (поддержание заданной температуры в камере центрифуги переключением линий (контуров) нагрева и охлаждения).
Основной частью центрифуги является ротор, в котором происходит разделение неоднородных систем под действием центробежных сил.
Настольная центрифуга с ручным приводом
Настольная центрифуга с электрическим приводом (электропривод)
Настольная центрифуга (ультрацентрифуга) с пневматическим приводрм
3.2.102 РОТОР (ROTOR): Основной компонент лабораторной центрифуги, удерживающий материал подвергаемый воздействию центробежной силы и вращающийся посредством системы привода.
3.2.106 БЛОК РОТОРА (ROTOR ASSEMBLY): ротор в совокупности с набором его принадлежностей, установленным изготовителем.
П р и м е ч а н и е - в контексте БЛОК РОТОРА, принадлежности РОТОРА, включают все компоненты, используемые с ротором центрифуги или в его составе в целях фиксации образцов, включая адаптеры, пробирки и колбы.
3.2.107 СИСТЕМА ПРИВОДА (DRIVE SYSTEM): Все компоненты центрифуги, связанные с обеспечением вращающего (тормозящего) момента и поддержкой вращательного движения БЛОКА РОТОРА.
Обязательные требования к ультрацентрифугам и роторам (препаративным), применяемым (изготовляемым для народного хозяйства) в биологии, медицине для проведения научно-исследовательских работ по разделению веществ в центробежных полях высокой интенсивности, описаны в ГОСТ 28785-90 "Ультрацентрифуги и роторы препаративные. Общие технические требования и методы испытаний" и ГОСТ 4.168-85 "Система показателей качества продукции. Ультрацентрифуги и роторы препаративные. Номенклатура показателей".
1. КЛАССИФИКАЦИЯ УЛЬТРАЦЕНТРИФУГ И РОТОРОВ
1.1. Ультрацентрифуги, в зависимости от максимально допустимой частоты вращения сменного
ротора, подразделяют на следующие подгруппы:
1 — от 30000 до 50000 мин-1;2 — от 55000 до 75000 мин-1;3 — от 80000 мин-1 и более.
1.2. Роторы в зависимости от материала, из которого они изготовлены, разделяют на следующие
подгруппы:
- титановые;- алюминиевые;- комбинированные.
1.3. По конструкции роторы разделяют на пять подгрупп:
- роторы зональные (РЗ);- роторы проточные (РП);- угловые роторы (РПУ);- вертикальные роторы (РВ);- роторы с качающимися стаканами (РКС).
Строгой классификации выпускаемых (продаваемых) центрифуг и роторов общелабораторного применения на сегодняшний день нет. В СССР выпускаемые роторы по своей конструкции разделялись на:
- пробиркодержатели. Использовались в настольных центрифугах с частотой вращения до 3000 об/мин: ОПн-3, ОПн-3М и пр.;
- роторы угловые. Выпускались для настольных и напольных центрифуг с частотой вращения до 25000 об/мин: ОПн-8, ЦЛС-1(3), ОС-6(М), РС-6, ЦВР-1 и пр.;
- роторы-крестовины. Применялись в напольных, в т.ч. переносной ЦЛП 3-3,5, центрифугах: ЦЛС-1(3), ОС-6, ОС-6М, РС-6 и пр.
Пробиркодержатель
Пробиркодержатель для 10 пробирок к настольной центрифуге ОПн-3М. Пробирки устанавливаются в подвешивающиеся гильзы. Максимальная частота вращения до 3000 об/мин
Ротор угловой
Ротор угловой РУ180Л к настольной центрифуге ОПн-8 с частотой вращения 8000 об/мин, при использовании механизма увеличения частоты вращения СН-3/1 в центрифугах РС-6 (ОС-6М) до 18000 об/мин
Ротор-крестовина
Ротор РК4х750 к центрифугам ОС-6М, РС-6 с частотой вращения до 2500 об/мин Стаканы свободно подвешены. Под действием центробежной силы могут отклоняться вплоть до горизонтального положения
Ротор-крестовина - тип ротора, имеющего крестообразную форму с несколькими лучами, например, 4, 6, 8, 10 на концах которых располагаются стаканы (гильзы, подвесы и т.п.) для емкостей с центрифугируемым материалом, которые в процессе вращения ротора отклоняются под действием центробежной силы вплоть до горизонтального положения (анг. Swinging Bucket Rotor, Swing-out Rotor, Bucket Rotor).
Ротор-крестовина вместимостью 3000 мл
Ротор 4х750 с установленными бутылками. Стаканы находятся под углом 0° к оси вращения (свободно подвешены). В процессе центрифугирования под действием центробежной силы стаканы отклоняются вплоть до горизонтального положения
Ротор-крестовина для пробирок (4х4х15 мл)
Ротор 4х4х15 мл для настольной центрифуги. При отсутствии вращения пробирки находятся под углом 30° (к оси вращения). В процессе центрифугирования под действием центробежной силы пробирки отклоняются вплоть до горизонтального положения
Ротор-крестовина вместимостью 14400 мл
Ротор 6х2400 повышенной вместимости. Конструктивно выполнен в обтекателе с крышкой. Стаканы свободно подвешены (угoл наклона 0° к оси вращения). Под действием центробежной силы стаканы отклоняются вплоть до горизонтального положения
Ротор угловой - тип ротора, у которого емкости (пробирки, бутылки и т.п.) с центрифугируемым материалом всегда находятся под определенным углом, заданным конструкцией, к оси вращения (анг. Fixed-angle Rotor). Их положение не зависит от частоты вращения ротора.
Горизонтальный ротор - вариант исполнения углового ротора, у которого емкости с центрифугируемым материалом всегда находятся под углом 90° к оси вращения.
Вертикальный ротор - вариант исполнения углового ротора, у которого емкости с центрифугируемым материалом всегда находятся под углом 0° к оси вращения. Компания Beckman Coulter выпускает серию околовертикальных роторов (Near-Vertical).
Угловой ротор (угол наклона 29°)
Ротор 6х50 к высокооборотной центрифуге ЦЛн-16. Установлены пробирки вместимостью 50 мл и 15 мл.
Максимальная частота вращения 11000 об/мин.
Максимальный фактор разделения 13280.
Максимальная частота вращения 11000 об/мин.
Максимальный фактор разделения 13280.
Горизонтальный ротор (угол наклона 90°)
Ротор для кернов к центрифуге УЦПФ-15000. Образцы всегда находятся под углом 90° к оси вращения.
Максимальная частота вращения 15000 об/мин.
Максимальный фактор разделения 32000.
Максимальная частота вращения 15000 об/мин.
Максимальный фактор разделения 32000.
Вертикальный ротор (угол наклона 0°)
Ротор РГ-65Т-А к ультрацентрифугам серии УЦП (СССР). Образцы всегда находятся под углом 0° к оси вращения.
Максимальная частота вращения 65000 об/мин.
Максимальный фактор разделения 406676.
Максимальная частота вращения 65000 об/мин.
Максимальный фактор разделения 406676.
Главное преимущество роторов:
с переменным углом наклона (роторов-крестовин, бакет-роторов и т.д.) - большая вместимость;с постоянным углом наклона (угловых роторов) - высокая максимальная частота вращения.
Основным показателем, определяющим скорость осаждения (разделения), является центробежное ускорение, величина которого пропорциональна длине радиуса ротора и квадрату скорости (частоты) вращения.
Обычно выражается в единицах g (ускорение свободного падения, равное 9,81 м/с²) и называется относительным центробежным ускорением (ОЦУ, RCF).
Чем больше центробежное ускорение, тем быстрее будет происходить разделение и осаждение частиц.
Относительное центробежное ускорение (RCF - relative centrifugal force) рассчитывается по формуле:
где: Np max - максимально допустимая частота вращения ротора, мин-1;
R max (min) - номинальное значение минимального и максимального радиуса разделения для данного ротора (конструктивный размер), мм;g - ускорение свободного падения, мм/с².
Рис. 1 Бакет-ротор
R min - минимальный радиус разделения
R max - максимальный радиус разделения
R rotor - радиус ротора (максимальный)
R min - минимальный радиус разделения
R max - максимальный радиус разделения
R rotor - радиус ротора (максимальный)
Рис. 2 Угловой ротор
R rotor - радиус ротора (максимальный)
R min - минимальный радиус разделения
R max - максимальный радиус разделения
R rotor - радиус ротора (максимальный)
R min - минимальный радиус разделения
R max - максимальный радиус разделения
Скорость осаждения зависит от длины пути, который частицы должны пройти до места осаждения на дне или стенке пробирки.
Длина пути (L) определяется конструкцией ротора и зависит от его максимального и минимального радиусов разделения.
Чем меньше угол наклона к оси вращения, тем короче путь прохождения частиц, тем быстрее процесс осаждения (разделения).
Рис. 3 Ротор-крестовина
Путь осаждения частиц во вращающемся бакет-роторе
Путь осаждения частиц во вращающемся бакет-роторе
Рис. 4 Ротор угловой
Путь осаждения частиц во вращающемся угловом роторе
Путь осаждения частиц во вращающемся угловом роторе
Рис. 5 Роторы с углами наклона пробирок 23° и 45°
Длина пути (L) осаждения частиц в угловых роторах
Длина пути (L) осаждения частиц в угловых роторах
Показателем, в котором учтены частота вращения, максимальный и минимальный радиусы разделения ротора, является k-фактор
где:
N - частота вращения ротора, об/мин;R max (min) - значение максимального/минимального радиуса разделения, мм
"Калькулятор k-фактора онлайн" на страницу >>>
Седиментация - оседание частиц дисперсной фазы в жидкости или газе под действием гравитационного поля или центробежных сил.
Коэффициент седиментации (S) - характеристика процесса осаждения частиц при центрифугировании, определяемый как отношение скорости осаждения к центробежному ускорению.
Время разделения (седиментации) определяется по формуле
где:
t - время разделения;k - k-фактор;S - коэффициент седиментации.
Чем меньше k-фактор, тем быстрее происходит разделение (осаждение).
Использование k-фактора позволяет рассчитывать эквивалентное время центрифугирования при переходе с одного ротора (или центрифуги) на другой.
Технические условия (ТУ) — это документ, устанавливающий технические требования, которым должны удовлетворять конкретное изделие, материал, вещество и пр. или их группа. Кроме того, в них должны быть указаны процедуры, с помощью которых можно установить, соблюдены ли данные требования.
Техническое задание (ТЗ) — исходный документ для разработки и испытания изделия. ТЗ устанавливает основное назначение разрабатываемого объекта, его технические характеристики, показатели качества и технико-экономические требования, предписания по выполнению необходимых стадий создания документации (конструкторской, технологической, программной и т. д.) и её состав, а также специальные требования.