2 Центрифугирование и сверхцентрифуга для разделения жидкости
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.
В клинических и санитарно-гигиенических 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 40000 об/мин, применяют обычно в экспериментальной практике для разделения органелл клеток, отделения коллоидных частиц, макромолекул полимеров и т.д.
Центрифугирование — это разделение грубодисперсных систем, состоящих из жидких и твердых компонентов с разными плотностями, при помощи специальных аппаратов, называемых центрифугами. Принцип действия центрифуги основан на создании большой центробежной силы, под влиянием которой скорость разделения компонентов смеси, помещенной в центрифугу, увеличивается во много раз по сравнению со скоростью разделения их под действием силы тяжести.
Метод центрифугирования широко применяется в биологии, медицине и технике, нередко заменяя процессы фильтрования, отстаивания и отжимания.
Центрифуга имеет корпус, механизм привода, ротор, рабочую (ограждающую) камеру и панель управления. Некоторые центрифуги снабжены электрочасами, обеспечивающими автоматическое выключение и торможение в диапазоне от 5 до 60 мин. Специальные центрифуги имеют холодильные и вакуумные установки с приборами слежения и автоматического управления. Основная часть любой центрифуги — ротор (в лабораторных центрифугах он обычно располагается на вертикально установленном валу электродвигателя или вращается посредством различных передач от вала двигателя, иногда даже вручную). Ротор центрифуги представляет собой диск (крестовину) с шарнирно закрепленными гнездами для металлических гильз, в которых помещаются пробирки, принимающие при вращении горизонтальное положение.
Иногда ротор делают в виде сплошного металлического усеченного конуса с ячейками для пробирок (угловой ротор); пробирки в нем располагаются под постоянным углом к оси вращения (обычно в 40°). При наклонном положении пробирок происходит расслоение компонентов смеси более быстро. Разделение смеси ведется в пробирках самой разнообразной формы и объема. При работе на больших скоростях используют пробирки из полиэтилена, так как стеклянные лопаются. Расположенные в роторе одна против другой пробирки с обрабатываемым материалом должны быть уравновешены. Этим осуществляется равномерная нагрузка на вал ротора и обеспечивается равномерное вращение вала центрифуги. Для уравновешивания пробирок применяют особые весы.
Центрифуги, применяемые в промышленности, отличаются от лабораторных более сложным устройством ротора, позволяющим центрифугировать большое количество материала одновременно или же вести процессы разделения непрерывно.
Центрифуги с небольшой скоростью вращения ротора употребляются в медицине для отделения осадков мочи, сыворотки крови от сгустков, осаждения эритроцитов, при серологических исследованиях и т.д.
Микроцентрифуга приводится в действие вручную; оборудована двумя сменными насадками, одна из которых имеет гнезда для микропробирок и применяется при определении совместимости крови; другая — с гнездом для вкладывания градуированной микропипетки (гематокрит) — предназначается для определения процентного содержания форменных элементов крови.
Ручная центрифуга имеет четыре металлические или пластмассовые гильзы для пробирок по 15 мл.
Лабораторная клиническая центрифуга ЦЛК-1 имеет три скорости вращения (1000, 1500, 3000 об/мин). Ротор-крестовина приспособлен для 12 обычных центрифужных пробирок. Наибольший объем центрифугируемой жидкости — 150 мл.
Центрифуги с большой скоростью вращения ротора в большинстве случаев снабжены сменными роторами, рассчитанными на различные объемы жидкости, и применяются для разделения тонкодисперсных взвесей.
Лабораторная настольная центрифуга ЦЛН-2 имеет угловой ротор на шесть коротких пробирок общей емкостью 72 мл. Максимальная скорость вращения — 9000 об/мин.
Угловая малогабаритная центрифуга ЦУМ-1 имеет три сменных угловых ротора с различным количеством пробирок и гематокрит: ротор для 6 пробирок общей емкостью 150 мл, ротор для 10 пробирок общей емкостью 120 мл, ротор для 24 пробирок общей емкостью 120 мл, гематокрит для двух капилляров. Максимальная скорость вращения — 10 000 об/мин. Центрифуга снабжена электрочасовым механизмом.
Лабораторная стационарная центрифуга ЦЛС-2 имеет два сменных ротора. Ротор-крестовина снабжен четырьмя стальными гильзами емкостью по 500 мл и четырьмя стеклянными пробирками к ним емкостью по 250 мл. Угловой ротор снабжен 8 полиэтиленовыми и стальными пробирками емкостью 50—75 мл. Максимальное вращение роторов до 6000 об/мин. Центрифуга снабжена электрочасовым механизмом.
К числу специальных центрифуг относится лабораторная рефрижераторная центрифуга ЦЛР-1, предназначаемая для центрифугирования при пониженных температурах (-5° и выше) различных изменяющихся даже при комнатной температуре веществ — большей частью белковых суспензий. Центрифуга имеет три сменных ротора, обеспечивающих различные режимы центрифугирования. Два ротора идентичны но техническим характеристикам роторам центрифуги типа ЦЛС-2, третий ротор, надевающийся на добавочную ось, развивает 18000-18500 об/мин. Максимальный объем исследуемого препарата — 48 мл. Центрифуга снабжена электрочасовым механизмом. Охлаждение рабочей камеры осуществляется при помощи холодильной машины.
Сверхцентрифуга для разделения жидкости.
Изобретение относится к оборудованию для разделения высокодисперсных жидкостей и может быть использовано в различных отраслях промышленности. Сверхцентрифуга содержит трубчатый ротор, снабженный верхней и нижней крышками. Средство подачи исходной суспензии расположено в нижней части ротора. Средство отвода осветленной жидкости размещено в верхней части ротора. Ротор установлен на металлическом валу. На нижней и верхней частях вала закреплены крышки, имеющие сферическую форму. Стенка ротора выполнена из тонкостенной высокопрочной стали и на ее наружной поверхности расположена навивка из полимерного материала. Навивка может быть выполнена из армированного в эпоксидной смоле стекловолокнита. В роторе целесообразно установить разделительную вставку, образованную изогнутой по спирали сплошной лентой, выполненной из полимерного материала, имеющего поры и с заданными размерами и формой, или из комбинированного полимерного материала. Навивка может быть выполнена также из армированной полимерной ленты. Конструкция центрифуги обеспечивает увеличение частоты вращения и повышение ротационной прочности ротора и, таким образом, повышение надежности ее работы.
Известна сверхцентрифуга, включающая трубчатый ротор, снабженный верхней и нижней крышками в виде плоских пластин, средство подачи исходной суспензии, расположенное в нижней части ротора и средство отвода осветленной жидкости, размещенное в его верхней части.
В известной сверхцентрифуге не обеспечивается число оборотов более 30000 об/мин, так как прочностные характеристики стали, из которой выполнена стенка ротора, недостаточны для указанных чисел оборотов.
Технический результат изобретения заключается в увеличении частоты вращения и в повышении ротационной прочности центрифуги и следовательно, надежности ее работы.
Этот результат достигается тем, что в предложенной сверхцентрифуге для разделения жидкости, включающей трубчатый ротор, снабженный верхней и нижней крышками, имеющими сферическую форму, средство подачи исходной суспензии, расположенное в нижней части ротора и средство отвода осветленной жидкости, размещенное в ее верхней части. Ротор установлен на металлическом валу, при этом его крышки имеют сферическую форму и укреплены в верхней и нижней части вала причем стенка ротора выполнена из тонкостенной высокопрочной стали. На всей наружной поверхности ротора следует расположить навивку из полимерного материала.
Целесообразно полимерную навивку выполнить из армированного в эпоксидной смоле стекловолокнита.
Следует в роторе установить разделительную вставку образованную изогнутой по спирали сплошной лентой, выполненной из полимерного материала, с заданными размерами и формой пор, или из комбинированного полимерного материала.
Навивка также может быть выполнена из армированной полимерной ленты.
Изобретение поясняется чертежом, на котором (рисунок 1а) схематично изображен продольный разрез сверхцентрифуги; на рисунке 1б - то же самое со вставкой; на рисунке 1в - продольный разрез сверхцентрифуги для разделения эмульсий.
Рисунок 1 – сверхцентрифуга для разделения жидкости
Сверхцентрифуга включает трубчатый ротор 1 с камерой разделения, установленной на металлическом валу 2, на верхней и нижней части которого с помощью гаек 3 и 4 укреплены сферические верхняя 5 и нижняя 6 крышки, средство подачи исходной суспензии в виде питающей трубки 7 с отверстием 8, расположенное в нижней части ротора, средство отвода осветленной жидкости, состоящее из отверстий 9, выполненных в верхней крышке 5. При использовании центрифуги для разделения высокодисперсных суспензий со значительно малой разностью плотностей, где требуется высокие обороты ротора (свыше 100000 об/мин), на наружной поверхности стенки 10 расположена навивка 11 (рисунок 1а) из полимерного материала, например, армированного стекловолокнита. Навивка 11, расположенная на всей наружной поверхности стенки 10, (рисунок 1б) выполнена из армированной полимерной ленты. Навивка 12 расположенная на наружных поверхностях сферических крышек 5 и 6 (рисунок 1б) выполнена из армированного стекловолокнита. При использовании центрифуги для разделения суспензии со значительной малой разностью плотностей и известными дисперсионными характеристиками в роторе установлена разделительная вставка 13 (рисунок 1б), образованная изогнутой по спирали сплошной лентой, которая выполнена из полимерного материала с заданными размерами и формой пор.
Вставка фиксируется с помощью пластин 14 и 15, имеющих отверстия 16 и 17 для протока отделенной жидкой фракции.
При использовании центрифуги для разделения эмульсии (рисунок 1в) например жировой, в верхней крышке 5 ротора выполнены отверстия 13 для отвода отделенной тяжелой фракции.
Сверхцентрифуга, изображенная на рисунке 1а, работает следующим образом. Исходная высокодисперсная суспензия по каналам 7 и 8 поступает внутрь ротора, в камеру разделения. Под воздействием поля центробежных сил осадок, содержащийся в суспензии, осаждается на внутренней поверхности стенки 10 ротора 1, а осветленная жидкость выводится через отверстия 9 сферической крышки 5.
Сверхцентрифуга, изображенная на рисунке 1б, работает следующим образом. Исходная высокодисперсная суспензия по каналам 7 и 8 поступает в зазор между пластиной 14 и крышкой 6 и, проходя через отверстия 16, распределяется по виткам, образованным разделительной вставкой 13. Под воздействием поля центробежных сил осадок, содержащийся в суспензии, осаждается на внутренней поверхности вставки 13, а осветленная жидкость движется аксиально и, проходя через отверстия 17 пластины 15, поступает в отверстие 9. После окончания разделения суспензии разделительная вставка 13 извлекается из ротора и заменяется новой.
Сверхцентрифуга, изображенная на рисунке 1в, работает следующим образом. Исходная эмульсия (например, жировая) по каналам 7 и 8 поступает внутрь ротора, в камеру разделения.
Под воздействием поля центробежных сил жировая эмульсия разделяется на две фракции. Легкая фракция (жир) движется в направлении центра ротора и выводится из него через отверстия 9, а тяжелая фракция (вода) движется в направлении стенки ротора и выводится через отверстия 13 крышки 5.
Выполнение крышек ротора сферической формы и стенки ротора из тонкостенной высокопрочной стали и наличие навивки на всей наружной поверхности цилиндрической части ротора и на сферических крышках позволяет увеличить ротационную прочность ротора.
Это позволяет повысить число оборотов ротора и вследствие этого разделения высокодисперсных жидкостей.