원심분리기

Centrifuge
이 기사는 과학 장치에 관한 것이다.기독교 캠프는 원심분리기(캠프)를 참조하십시오.양자 역학의 스핀 방향은 스핀(물리학) spin 스핀 방향을 참조하십시오.
실험실 테이블 상판 원심 분리기.로터라고 불리는 회전 장치에는 부드러운 은색 테두리 안에 보이는 각도로(수직으로) 뚫린 고정 구멍이 있습니다.샘플 튜브가 이 슬롯에 배치되고 모터가 회전합니다.원심력이 수평면에 있고 튜브가 비스듬히 고정되어 있기 때문에 입자가 튜브 벽에 부딪혀 바닥으로 미끄러지기 전에 조금만 이동하면 된다.이 앵글 로터는 실험실에서 일상적으로 사용하는 데 매우 인기가 있습니다.

원심분리기란 유체의 다양한 성분을 분리하기 위해 원심력을 사용하는 장치입니다.이는 용기 내에서 유체를 고속으로 회전시켜 서로 다른 밀도(예: 크림과 우유)의 유체 또는 액체에서 고형물을 분리함으로써 달성됩니다.고밀도 물질과 입자가 반경 방향으로 바깥쪽으로 이동하도록 함으로써 작동합니다.동시에 밀도가 낮은 물체는 변위되어 중앙으로 이동한다.샘플 튜브를 사용하는 실험실 원심분리기에서는 방사형 가속에 의해 더 밀도가 높은 입자가 튜브의 바닥으로 가라앉고 저밀도 물질이 위로 [1]올라갑니다.원심분리기는 유체 본체에서 오염 물질을 분리하는 매우 효과적인 필터가 될 수 있습니다.

산업용 스케일 원심분리기는 일반적으로 제조 및 폐기물 처리에서 부유물을 침전하거나 불용성 액체를 분리하는 데 사용됩니다.예를 들면, 유흥업소에서 볼 수 있는 크림 세퍼레이터가 있습니다.초고속 원심분리기와 초고속 원심분리기는 미세입자를 나노크기로 분리할 수 있으며 질량이 다른 분자도 분리할 수 있습니다.대형 원심분리기는 고중력 또는 가속 환경을 시뮬레이션하는 데 사용됩니다(예: 시험 조종사를 위한 고G 훈련).중형 원심분리기는 세탁기와 일부 수영장에서 천에서 물을 끌어내기 위해 사용된다.가스 원심분리기는 핵분열 동위원소용 핵연료를 농축하는 등 동위원소 분리에 사용된다.

역사

영국의 군사 기술자인 벤자민 로빈스 (1707–1751)는 항력을 측정하기 위해 회전 팔 장치를 발명했습니다.1864년, 안토닌 프란틀은 크림과 우유를 분리하는 유제품 원심분리기의 아이디어를 제안했다.그 아이디어는 이후 그의 동생 알렉산더 프란틀에 의해 실행되었고, 그는 그의 형의 디자인을 개선하였고 [2]1875년에 작동하는 버터 지방 추출 기계를 전시하였다.

종류들

전혈은 종종 원심분리기를 사용하여 저장 및 운반을 위한 구성요소로 분리된다.

원심분리기는 내용물에 원심력을 가하는 급속 회전 용기가 있는 기계라고 할 수 있다.원심분리기에는 여러 가지 유형이 있으며, 사용 용도 또는 로터 설계에 따라 분류할 수 있습니다.

로터 [3][4][5][6]설계별 유형:

  • 고정 각도 원심분리기는 샘플 용기를 중심 축에 대해 일정한 각도로 고정하도록 설계되었습니다.
  • 스윙 헤드(또는 스윙 버킷) 원심 분리기는 고정 각도 원심 분리기와 달리 샘플 용기가 중앙 로터에 부착되는 힌지가 있습니다.이렇게 하면 원심분리기가 회전할 때 모든 검체가 바깥쪽으로 흔들릴 수 있습니다.
  • 연속 관형 원심 분리기에는 개별 검체 혈관이 없으며 대량 용도에 사용됩니다.

용도별 유형:

공업용 원심분리기는 저밀도 분리와 고밀도 분리의 종류에 따라 분류할 수 있다.

일반적으로 두 가지 유형의 원심분리기가 있습니다. 여과 원심분리기와 침전 원심분리기입니다.여과 또는 이른바 스크린 원심분리기에서는 드럼에 구멍이 뚫려 필터(예: 필터 천, 와이어 메쉬 또는 로트 스크린)와 함께 삽입됩니다.서스펜션은 필터와 드럼을 통해 안쪽에서 바깥쪽으로 구멍이 뚫린 벽을 통과합니다.이렇게 하면 고체 재료를 고정하고 제거할 수 있습니다.제거의 종류는 원심분리기의 종류에 따라 다릅니다(예: 수동 또는 주기적으로).일반적인 유형은 다음과 같습니다.

원심 분리기에서 드럼은 단단한 벽(구멍이 뚫리지 않음)입니다.이 원심분리기는 서스펜션의 정화에 사용됩니다.서스펜션의 자연 증착 프로세스를 가속화하기 위해 원심 분리기는 원심력을 사용합니다.이른바 오버플로 원심 분리기를 사용하면 서스펜션이 배출되고 액체가 지속적으로 추가됩니다.일반적인 유형은 다음과 같습니다.[7]

대부분의 현대식 원심분리기는 전기로 작동하지만, 회전기에서 영감을 얻은 수동식 변종은 개발도상국의 의료 [8]응용 분야를 위해 개발되었습니다.

디지털 방식으로 제조할 수 있는 무료 오픈 소스 원심분리기를 위해 많은 디자인이 공유되어 왔습니다.1750rpm 이상의 반경 속도와 50N 이상의 상대 원심력을 가진 대용량 유체용 수전식 원심분리기를 위한 오픈 소스 하드웨어 디자인은 약 [9]25달러에 완전한 3-D 프린팅이 가능합니다.다른 오픈 하드웨어 설계에서는 저렴한 전기 모터를 갖춘 커스텀 3D 프린팅 고정장치를 사용하여 저비용 원심분리기(예를 들어 Dremel 전동 공구를 사용하는 Dremelfuge)[10][11][12][13] 또는 CNC 컷아웃 OpenFuge를 만듭니다.

사용하다

작은 실험실 원심분리기에 넣은 샘플

실험실의 분리

주요 기사: 실험실 원심 분리기

화학, 생물학, 생화학 및 임상 의학에서 현탁액과 불용성 액체를 분리 및 분리하기 위해 다양한 실험실 규모의 원심분리기가 사용된다.속도, 용량, 온도 제어 및 기타 특성이 매우 다양합니다.실험실 원심분리기는 다양한 수의 원심분리관을 운반할 수 있고 특정 최대 속도에 대한 정격을 가질 수 있는 다양한 고정 각도 및 흔들림 버킷 로터를 수용할 수 있습니다.제어는 단순한 전기 타이머에서 가속 및 감속률, 작동 속도 및 온도 상태를 제어할 수 있는 프로그래밍 가능한 모델에 이르기까지 다양합니다.초원심부는 진공 상태에서 로터를 회전시켜 공기 저항을 제거하고 정확한 온도 제어를 가능하게 합니다.구역 로터와 연속 흐름 시스템은 실험실 규모의 계측기에서 각각 [1]벌크 및 더 큰 샘플 볼륨을 처리할 수 있습니다.실험실의 또 다른 적용은 혈액 분리이다.혈액은 세포와 단백질(RBC, WBC, 혈소판 등)과 혈청으로 분리된다.DNA 제제는 약리유전학과 임상진단을 위한 또 다른 일반적인 응용 분야이다.버퍼를 첨가하여 일정시간 원심분리함으로써 DNA 시료를 정제하고 분리를 위해 준비한다.그런 다음 혈액 노폐물이 제거되고 또 다른 완충제가 추가되어 다시 원심 분리기 안에서 회전합니다.혈액 노폐물이 제거되고 다른 완충제가 추가되면 펠릿을 부유시키고 냉각시킬 수 있습니다.단백질은 제거될 수 있고 전체는 다시 원심분리될 수 있고 DNA는 완전히 분리될 수 있다.특수 세포중심체는 현미경 [14]검사를 위해 세포를 농축하기 위해 의학 및 생물학 실험실에서 사용됩니다.

동위원소 분리

주요 기사: 가스 원심 분리기

첫 번째 원심분리기는 지페형 원심분리기로 분리된 [15]동위원소이며 이러한 종류의 원심분리기는 핵발전과 핵무기 프로그램에 사용되고 있다.

항공우주학

주요 기사:하이G 트레이닝
NASA 에임스 연구센터의 20g 원심분리기는

인간 원심분리기는 지구 중력 이상의 가속에 대한 조종사와 우주인들의 반응과 내성을 시험하는 매우 큰 원심분리기다.

인간 연구에 사용된 최초의 원심분리기는 찰스 다윈의 할아버지인 에라스무스 다윈에 의해 사용되었다.항공 훈련을 위해 설계된 최초의 대규모 인간 [16]원심분리기는 1933년 독일에서 만들어졌다.

텍사스 브룩스시 기지의 미 공군은 오하이오주 라이트 패터슨 AFB에서 건설 중인 새로운 인간 원심분리기가 완성되기를 기다리는 동안 인간 원심분리기를 작동시키고 있다.브룩스시티 기지의 원심분리기는 공군 전투기에서 [17]고강도 비행을 위한 예비 전투기 조종사들의 훈련과 평가를 목적으로 미국 공군 항공우주 의과대학에 의해 운영된다.

중력감을 시뮬레이션하기 위해 대형 원심분리기를 사용하는 것이 미래의 장기 우주 임무에 제안되어 왔다.이 시뮬레이션된 중력에 노출되면 장기간의 [17][18]자유낙하에 노출된 개인에게 영향을 미치는 뼈의 석회화와 근육 위축을 예방하거나 줄일 수 있다.

비인간 원심 분리기

유럽우주국(ESA) 기술센터 ESEC(네덜란드 노어드베이크)에서는 직경 8m의 원심분리기를 사용해 생명과학 분야와 물리과학 분야 모두에서 샘플을 노출시킨다.이 대직경원심분리기(LDC)[19]는 2007년에 작동을 시작했습니다.샘플은 지구 중력의 최대 20배에 노출될 수 있습니다.4개의 팔과 6개의 자유자재로 곤돌라 밖으로 회전하는 곤돌라로 동시에 다른 g-레벨의 시료를 노출할 수 있습니다.곤돌라는 8개의 다른 위치에 고정할 수 있습니다.위치에 따라 5g과 10g에서 같은 실행으로 실험을 실행할 수 있습니다.각 곤돌라는 최대 80kg의 실험을 할 수 있다.이 시설에서 수행된 실험은 얼룩말 물고기, 금속 합금, 플라즈마,[20] 세포,[21] 액체, 플라나리아,[22] 드로소필라[23] 또는 식물에 이르기까지 다양했습니다.

산업용 원심 분리기

공업용 원심분리기는 가공용 냉각수와 같은 액체로부터 입자를 분리하기 위한 냉각수 여과 시스템이다.실리콘, 유리, 세라믹, 흑연 등의 비철 입자 분리에 주로 사용됩니다.여과 공정에는 필터 백과 같은 소모 부품이 필요하지 않으므로 지구를 [24][25]손상으로부터 보호할 수 있습니다.

토공 원심분리기 모델링

토양을 포함한 모델의 물리적 테스트에는 지질학적 원심분리기 모델링이 사용됩니다.스케일 모델에 원심분리 가속도를 적용하여 중력 가속도를 스케일링하고 스케일 모델에서 프로토타입 스케일 응력을 얻을 수 있도록 한다.건물 및 교량 기초, 토사 댐, 터널, 경사면 안정성 등의 문제, 폭발 하중 및 지진 [26]흔들림 등의 영향

재료의 합성

원심분리기에 의해 발생하는 고중력 조건은 화학 산업, 주조 및 재료 [27][28][29][30]합성에 적용됩니다.대류와 질량 전달은 중력 조건에 의해 크게 영향을 받는다.연구자들은 고중력 수준이 제품의 [27]위상 구성과 형태학에 효과적으로 영향을 미칠 수 있다고 보고했다.

상용 어플리케이션

설탕 결정 분리용 설탕 원심기
  • 의류 건조(손빨래)를 위한 독립형 원심 분리기로, 일반적으로 물 배출구가 있습니다.
  • 세탁기는 세탁물의 과도한 수분을 제거하는 원심분리기의 역할을 하도록 설계되어 있다.
  • 원심분리기는 월트 디즈니 월드의 엡콧에 위치한 유인물 미션: 스페이스에 사용되며, 원심분리기와 모션 시뮬레이터를 조합하여 탑승자를 밀어 우주로 가는 느낌을 시뮬레이션합니다.
  • 토질역학에서 원심분리기는 원심가속도를 이용하여 축척모델의 토질응력을 실제와 일치시킨다.
  • 대형 산업용 원심분리기는 진흙을 건조시키기 위해 물과 폐수 처리에 일반적으로 사용됩니다.그 결과 발생하는 건조물은 종종 케이크라고 불리며, 대부분의 고형물을 제거한 후 원심분리기를 떠나는 물을 센트리레이트라고 부른다.
  • 대형 산업용 원심분리기는 석유 산업에서도 시추액에서 고형물을 제거하기 위해 사용됩니다.
  • 오일샌드 업계의 일부 회사가 역청에서 소량의 물과 고형물을 분리하기 위해 사용하는 디스크 스택 원심 분리기
  • 원심분리기는 우유에서 크림(지방 제거)을 분리하는 데 사용됩니다. 분리기(우유)를 참조하십시오.

수학적 설명

원심분리 프로토콜은 일반적으로 분당 회전수와 같은 회전 속도를 지정하는 대신 샘플에 적용할 가속도를 지정합니다.동일한 회전 속도로 작동하는 서로 다른 직경의 두 로터가 서로 다른 가속도에 노출되기 때문에 이 구별이 중요합니다.원형 운동 중 가속도는 각 속도의 반지름과 제곱의 곱이며, "g에 대한 상대 가속도는 전통적으로 "상대 원심력"(RCF)이라고 불립니다.가속도는 "g"(또는 × "g")의 배수, 즉 지구 표면의 중력에 의한 표준 가속도, 즉 다음과 같은 식으로 주어진 무차원 양으로 측정된다.

19세기 수동 크랭킹 실험실의 원심 분리기.

어디에

g는 지구의 중력 가속도입니다.
r은 회전반경입니다.
\ \ obega}는 단위시간당 라디안 단위의 각속도입니다.

이 관계는 다음과 같이 기술될 수 있습니다.

또는

어디에

mm는 밀리미터(mm) 단위로 측정된 회전반경입니다.
RPM은(는) 분당 회전수(RPM)로 측정한 회전 속도입니다.

매번 수학적 계산을 수행할 필요가 없도록 특정 반경의 로터에 대해 RCF를 rpm으로 변환하기 위한 노모그램을 찾을 수 있습니다.눈금자 또는 다른 직선 가장자리가 반지름과 함께 정렬되고 다른 눈금에서 원하는 RCF가 세 번째 [31]눈금에서 올바른 rpm을 가리킵니다.자동 로터 인식을 기반으로, 최신 원심 분리기에는 RCF에서 rpm으로 자동 변환되는 버튼이 있습니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스 및 메모

  1. ^ a b Mikkelsen, Susan R.; Cortón, Eduardo (2004-02-20). Bioanalytical Chemistry. Hoboken, NJ, USA: John Wiley & Sons, Inc. doi:10.1002/0471623628.ch13. ISBN 978-0-471-54447-0.
  2. ^ Vogel-Prandtl, Johanna Ludwig Frandtl: Wayback Machine에서 2017-10-25년에 보관된 전기 스케치, 추억 및 문서, 영어 번역.V. Vasanta Ram.이탈리아 이론물리학 국제센터 트리에스테 술집2004년 8월 14일 페이지 10-11.
  3. ^ "Basics of Centrifugation". Cole-Parmer. Archived from the original on 24 February 2012. Retrieved 11 March 2012.
  4. ^ ""Plasmid DNA Separation: Fixed-Angle and Vertical Rotors in the Thermo Scientific Sorvall Discovery™ M120 & M150 Microultracentrifuges" (Thermo Fischer publication)" (PDF). Archived (PDF) from the original on 2012-02-24. Retrieved 2012-03-11.
  5. ^ "Archived copy" (PDF). Archived from the original (PDF) on 2014-05-13. Retrieved 2012-03-11.{{cite web}}: CS1 maint: 제목으로 아카이브된 복사(링크)
  6. ^ Heidcamp, Dr. William H. "Appendix F". Cell Biology Laboratory Manual. Gustavus Adolphus College. Archived from the original on 2 March 2012. Retrieved 11 March 2012.
  7. ^ "Centrifuges". Archived from the original on 2016-11-09. Retrieved 2016-11-09.
  8. ^ M. Saad Bhamla, Brandon Benson, Chew Chai, Georgios Katsikis, Aanchal Johri & Manu Prakash (10 January 2017). "Hand-powered ultralow-cost paper centrifuge". Nature. 1: 0009. doi:10.1038/s41551-016-0009.{{cite journal}}: CS1 maint: 작성자 파라미터 사용(링크)
  9. ^ Sule, Salil S.; Petsiuk, Aliaksei L.; Pearce, Joshua M. (2019). "Open Source Completely 3-D Printable Centrifuge". Instruments. 3 (2): 30. doi:10.3390/instruments3020030.
  10. ^ "OpenFuge". www.instructables.com. Archived from the original on 2019-10-27. Retrieved 2019-10-27.
  11. ^ Pearce, Joshua M. (2012-09-14). "Building Research Equipment with Free, Open-Source Hardware". Science. 337 (6100): 1303–1304. Bibcode:2012Sci...337.1303P. doi:10.1126/science.1228183. ISSN 0036-8075. PMID 22984059. S2CID 44722829.
  12. ^ Sleator, Roy D. (September 1, 2016). "DIY Biology – Hacking Goes Viral!". Science Progress. 99 (3): 278–281. doi:10.3184/003685016X14684989326984. ISSN 0036-8504. PMID 28742489. S2CID 3979794.
  13. ^ Meyer, Morgan (2012-06-25). "Build your own lab: Do-it-yourself biology and the rise of citizen biotech-economies". Journal of Peer Production. 2 (online): 4 p. Archived from the original on 2019-10-27. Retrieved 2019-10-27.
  14. ^ Stokes, Barry O. (2004). "Principles of Cytocentrifugation". Laboratory Medicine. 35 (7): 434–437. doi:10.1309/FTT59GWKDWH69FB0. ISSN 0007-5027.
  15. ^ Cordesman, Anthony H.; Al-Rodhan, Khalid R. (2006). Iran's Weapons of Mass Destruction: The Real and Potential Threat. CSIS. ISBN 9780892064854. Archived from the original on 2021-03-13. Retrieved 2018-03-25.
  16. ^ (PDF) https://web.archive.org/web/20160303225046/http://www.dtic.mil/dtic/tr/fulltext/u2/a236267.pdf. Archived from the original (PDF) on 2016-03-03. {{cite web}}:누락 또는 비어 있음 title=(도움말)
  17. ^ a b "The Pull of HyperGravity – A NASA researcher is studying the strange effects of artificial gravity on humans". NASA. Archived from the original on 16 March 2012. Retrieved 11 March 2012.
  18. ^ Hsu, Jeremy. "New Artificial Gravity Tests in Space Could Help Astronauts". Space.com. Archived from the original on 7 March 2012. Retrieved 11 March 2012.
  19. ^ van Loon, Jack J.W.A.; Krausse, Jutta; Cunha, Humberto; Goncalves, Joao; Almeida, Hugo; Schiller, Peter (June 2008). Ouwehand, L. (ed.). THE LARGE DIAMETER CENTRIFUGE, LDC, FOR LIFE AND PHYSICAL SCIENCES AND TECHNOLOGY. "Life in space for life on Earth" : proceedings of the symposium 22–27 June 2008, Angers, France. Vol. 553. European Space Agency. p. 92. Bibcode:2008ESASP.663E..92V. ISBN 978-92-9221-227-8.
  20. ^ Šperka, Jiří; Souček, Pavel; Loon, Jack J. W. A. Van; Dowson, Alan; Schwarz, Christian; Krause, Jutta; Kroesen, Gerrit; Kudrle, Vít (2013-12-01). "Hypergravity effects on glide arc plasma". The European Physical Journal D. 67 (12): 261. Bibcode:2013EPJD...67..261S. doi:10.1140/epjd/e2013-40408-7. ISSN 1434-6060. S2CID 54539341. Archived from the original on 2021-03-08. Retrieved 2018-12-26.
  21. ^ Szulcek, Robert; Bezu, Jan van; Boonstra, Johannes; Loon, Jack J. W. A. van; Amerongen, Geerten P. van Nieuw (2015-12-04). "Transient Intervals of Hyper-Gravity Enhance Endothelial Barrier Integrity: Impact of Mechanical and Gravitational Forces Measured Electrically". PLOS ONE. 10 (12): e0144269. Bibcode:2015PLoSO..1044269S. doi:10.1371/journal.pone.0144269. ISSN 1932-6203. PMC 4670102. PMID 26637177.
  22. ^ Adell, Teresa; Saló, Emili; Loon, Jack J. W. A. van; Auletta, Gennaro (2014-09-17). "Planarians Sense Simulated Microgravity and Hypergravity". BioMed Research International. 2014: 679672. doi:10.1155/2014/679672. ISSN 2314-6133. PMC 4182696. PMID 25309918.
  23. ^ Serrano, Paloma; van Loon, Jack J. W. A.; Medina, F. Javier; Herranz, Raúl (27 November 2012). "Relation Between Motility, Accelerated Aging and Gene Expression in Selected Drosophila Strains under Hypergravity Conditions". Microgravity Science and Technology. 25 (1): 67–72. doi:10.1007/s12217-012-9334-5. hdl:10261/99914. ISSN 0938-0108. S2CID 2121465.
  24. ^ "What is an Industrial Centrifuge? An industrial centrifuge is a machine used for fluid/particle sep". KYTE. Archived from the original on 21 September 2017. Retrieved 21 September 2017.
  25. ^ "Chip Removal Centrifugal Machine". Chinminn. Archived from the original on 12 August 2020. Retrieved 7 January 2020.
  26. ^ C. W. W. Ng; Y. H. Wang; L. M. Zhang (2006). Physical Modelling in Geotechnics: proceedings of the Sixth International Conference on Physical Modelling in Geotechnics. Taylor & Francis. p. 135. ISBN 978-0-415-41586-6. Archived from the original on 2021-03-08. Retrieved 2016-11-02.
  27. ^ a b Yin, Xi; Chen pramodn; Zhou, Heping; Ning, Xiaoshan (August 2010). "Combustion Synthesis of Ti3SiC2/TiC Composites from Elemental Powders under High-Gravity Conditions". Journal of the American Ceramic Society. 93 (8): 2182–2187. doi:10.1111/j.1551-2916.2010.03714.x.
  28. ^ Mesquita, R.A.; Leiva, D.R.; Yavari, A.R.; Botta Filho, W.J. (April 2007). "Microstructures and mechanical properties of bulk AlFeNd(Cu,Si) alloys obtained through centrifugal force casting". Materials Science and Engineering: A. 452–453: 161–169. doi:10.1016/j.msea.2006.10.082.
  29. ^ Chen, Jian-Feng; Wang, Yu-Hong; Guo, Fen; Wang, Xin-Ming; Zheng, Chong (April 2000). "Synthesis of Nanoparticles with Novel Technology: High-Gravity Reactive Precipitation". Industrial & Engineering Chemistry Research. 39 (4): 948–954. doi:10.1021/ie990549a.
  30. ^ Abe, Yoshiyuki; Maizza, Giovanni; Bellingeri, Stefano; Ishizuka, Masao; Nagasaka, Yuji; Suzuki, Tetsuya (January 2001). "Diamond synthesis by high-gravity d.c. plasma cvd (hgcvd) with active control of the substrate temperature". Acta Astronautica. 48 (2–3): 121–127. Bibcode:2001AcAau..48..121A. doi:10.1016/S0094-5765(00)00149-1.
  31. ^ "Nomogram for converting maximum relative centrifugal force (RCF, i.e., g-force) to RPM". University of Maryland Aquatic Pathobiology Center. Archived from the original on December 9, 2013.

추가 정보

외부 링크

Wikimedia Commons에는 원심분리기와 관련된 미디어가 있습니다.
무료 사전인 Wiktionary에서 원심분리기를 찾아보세요.