Как выбрать лабораторную центрифугу

Posted by   oratorslova Гончаров Сергей
14/03/2018
0

Лабораторные центрифуги предназначены для разделения жидких неоднородных систем на компоненты под действием центробежных сил, а также отделения твердых взвешенных частиц в растворах, реактивах, суспензиях, эмульсиях.

Следует отметить, что в лабораторной практике можно встретить специальные центрифуги, которые работают не с жидкими, а вязкими веществами. Хотя базовый принцип центрифугирования остается неизменным.

Такой вид лабораторного оборудования (для отмывки сырой клейковины) мы тоже рассмотрим.

 

Лабораторные центрифуги можно встретить как в химических, медицинских лабораториях, так и в научно-исследовательских институтах

лабораторные центрифуги

Прежде всего определимся - почему к центрифуге добавлена приставка “лабораторная” ?

Приведем несколько примеров очень известных и совсем специфических видов оборудования для центрифугирования в быту, промышленности и науке.

  1. Самая популярная и известная “центрифуга” – стиральная машина, где в зависимости от программы на запрограммированных этапах стирки барабан отжимает белье под действием высокой частоты вращения.

    барабан стиральной машины
    Уже в этом случае мы сталкиваемся как с базовыми критериями, так и с техническими характеристиками, по которым можно выбрать лабораторную центрифугу:
    • число оборотов (с регулировкой);
    • диаметр барабана (совместно с предыдущим показателем определяет величину центробежной силы);
    • таймер (хотя в стиралках обычно время центрифугирования входит в алгоритм работы соответствующей программы).
    • системы защиты – например нельзя открыть дверь, пока длится стирка или электромотор не запустится, пока открыта дверца.
  2. центрифуга для космонавтов

    Центрифуги для подготовки космонавтов.
    Без этого никак не обойтись, даже если на орбиту летит космический турист.

     
  3. обогащение урана газовой центрифугой

    Обогащение урана методом выделения изотопов посредством центрифугирования.



     

Все перечисленные высокотехнологичные устройства на самом деле хотя и построены на основе принципа центробежных сил, но все-таки представляют собой частный случай, поскольку не работают с жидкими средами в классическом понимании.

Например при вращении космонавта – частный, вынужденный случай центрифугирования: “жидкости” содержащиеся в теле (прежде всего кровь) стремятся двигаться под действием вращательного момента наружу, так что тяжелое испытание выдержит не каждый. Так и сознание не долго потерять из-за перегрузок. В лучшем случае.

Как выбрать лабораторную центрифугу

В чем отличие указанных промышленных и бытовых видов оборудования от лабораторной центрифуги ?

В первую очередь, конечно размеры и вес.

Лабораторные центрифуги работают с растворами объемом в миллилитры и размещаются на столах

А та же космическая центрифуга весит сотни тонн, а при обогащении урана механизмы занимают целые залы.

пробирки для центрифугирования
Второе отличие – в  лабораторные центрифуги загружается специальная посуда: пробирки с жидким содержимым.

Центрифуга – оборудование исключительно "мирное",  безопасное для персонала лаборатории и используется в следующих отраслях:

  • биохимические, клинические, диагностические лабораторные исследования, включая разделение крови, мочи на компоненты;
  • микробиология, химия, ветеринарная медицина;
  • производственные лаборатории по анализу качества молока (сепарация для определения содержания жира и белка;
  • лабораторная центрифуга входят в состав комплексного оборудования  для отмывки клейковины.

Подробные определения почти сотни понятий, связанных с центрифугированием,  приведены в ГОСТ 16887-71, но чтобы выбрать лабораторную центрифугу, достаточно изучить основные:

  1. Фактор разделения: отношение достигнутого центробежного ускорения к ускорению свободного падения.

     

    Фактор разделения определяется соотношением двух величин – радиуса ротора и частоты вращения

     

    Вместо этого базового показателя иногда можно встретить абсолютную величину – в граммах.

    Ц-800-Д


    Например для центрифуги медицинской Ц-800-Д в паспорте указывается конкретное значение 1790 грамм.




    Эту величину можно проверить, если на роторе установить пружинный динамометр и при росте частоты вращения, можно измерить непосредственно центробежную силу.

    Но этот вариант больше теоретический, и подходит на этапе разработки лабораторного оборудования для центрифугирования жидких проб.

    ЦЛУ-6000


    А вот к примеру на корпусе настольной центрифуги ЦЛУ-6000 нанесена диаграмма для расчета необходимой центробежной силы, в зависимости от которой задается число оборотов.




     
  2. Жидкая неоднородная система – дисперсная среда, состоящая из отдельных мелких твердых частиц, капель или пузырьков газа, распределенных в жидкости.
  3. Твердая фаза – как раз и есть указанные твердые частицы, взвешенные в жидкости.
  4. Суспензия – жидкая неоднородная система, состоящая из твердых частиц, распределенных в жидкости.
  5. Эмульсия отличается от суспензии тем, что вместо твердых частиц присутствуют жидкие капельки одной или нескольких жидкостей.
  6. Центробежное осаждение – центрифугирование, при котором твердые частицы осаждаются на внутренней поверхности ротора.

Теперь рассмотрим такой пример. Возьмем емкость с водой, высыплем туда песок и взболтаем. Является данная субстанция жидкой неоднородной системой ?

Нет, не является.

Песок очень быстро осядет на дно емкости под действием силы тяжести, поскольку песчинки не отвечают критерию “мелкие твердые частицы”, а значит такая смесь в центрифугировании не нуждается.


Что получается “на выходе” из лабораторной центрифуги


разделение жидкостей по плотности в процессе микроцентрифугирования
Отметим, что в процессе центрифугирования меняются физические свойства и прежде всего плотность, а возможно и химические свойства.

  1. Сгущение суспензии – удаление жидкости из суспензии с одновременным увеличением доли твердой фазы.

    Если переводить на бытовой, понятный язык эту процедуру можно сравнить с удалением воды при отжиме в стиральной машине.
  2. Разделение – содержимое пробирок разделяется по плотности.

 

Центрифуга лабораторная – по каким критериям выбрать ?

 

Несмотря на многообразие брендов лабораторного оборудования, базовая конструкция  как простейшей, так и многофункциональной настольной центрифуги и принцип работы остается неизменным.

  1. Корпус. Основное требование – вес для стабилизации положения во время действия мощных центробежных сил. Центрифуга медицинская может весить от 1,5 до 35 кг.

    Этому способствует стальной каркас из листов, покрытых стойкой к коррозии порошковой краской.
  2. Крышка, защищающая вращающийся с высокой скоростью роторный механизм и выполняющая 3 функции:
     
    • чтобы в случае аварийной ситуации химический (бактериологический, медицинский) раствор не попал за пределы центрифуги на лабораторную мебель, одежду, руки и лицо персонала лаборатории;
    • “защита от дурака”, чтобы лаборант случайно не попал руками в опасную зону при работе скоростного лабораторного оборудования. Конечно, кроме крышки, необходимы механические и электронные средства защиты;
    • СМ-8 Микромед


      визуальное наблюдение, если крышка прозрачная (к примеру лабораторная настольная центрифуга СМ-8 Micromed).





       
  3. Электродвигатель со ступенчатым или плавным частотным регулятором числа оборотов, возможно схема разгона, торможения и тепловой защиты (от заклинивания и резкой остановки из-за попадания посторонних предметов).
  4. Ротор с комплектом лабораторной посуды, размещенной на установочном диске.
  5. Органы управления и индикации.

Главный критерий – отсутствие дисбаланса


Если вес пробирок равномерно распределен по диаметру ротору, даже при высокой скорости, динамические нагрузки остаются в пределах допустимых значений.

Дисбаланс может быть вызван 5-тью основными причинами:

  1. Производственный брак или износ подшипников в процессе работы.
  2. Недостаточно затянуто крепление ротора.
  3. Когда пробирки и другая лабораторная посуда располагаются только с одной стороны или не равномерно: с одной стороны ротора например 2 пробирки, а с другой – 3.
  4. Когда количество тары одинаково, но разная степень заполнения химическими реактивами, суспензиями, растворами, эмульсиями.
  5. Если стеклянная лабораторная посуда имеет скрытые дефекты – микротрещины и в процессе вращения в центрифуге тара разрушается, также возникнет аварийный дисбаланс.
Если убрать человеческий фактор и брак при изготовлении пробирок, то на первое место выходит качество изготовления и прежде всего балансировка ротора

Пример.

Для центрифуги ЦЛУ-6000 при производстве используется лазер, для минимизации торцевого и радиального биения, а сами пробирки помещаются в специальные гильзы (адаптеры), для устойчивости и сохранности на высоких скоростях.

Последствия дисбаланса зависят от своевременности обнаружения и частоты возникновения.

Если сразу после включения, остановить вращение, для чего центрифуги оснащаются кнопкой “стоп”, которая выше по приоритету, чем команды таймера, устанавливающего временной интервал и устранить причину, это одно дело.

Соответственно, центрифуга лабораторная требует постоянного внимания, как минимум до выхода на максимальную частоту вращения ротора.

Шейкер лабораторный, верзнеприводная и магнитная мешалка
Равных лабораторному оборудованию для центрифугирования по скорости пожалуй нет. Другие сместители, встряхиватели: верхнеприводные, магнитные мешалки, шейкеры лабораторные “остаются позади”.

В этой связи можно вспомнить наиболее скоростной электроинструмент – болгарку, которая также разгоняется до 10 и даже более об/мин.
И при включении мощный вращательный момент заставляет крепко удерживать угловую шлифовальную машину в руке.
Ударное включение и мгновенный разгон негативно влияют на электродвигатель и редуктор.

Та же ситуация и с лабораторными центрифугами, поэтому в электронную схему управления встраиваются системы плавного разгона и торможения, что позволяет:
 

  1. Устранить стартовый “рывок”, чтобы центрифуга медицинская не сдвинулась с места на лабораторном столе.
  2. Снизить вероятность удара стеклянной лабораторной посуды о посадочное гнездо.
  3. Уменьшить динамические нагрузки на электродвигатель и приводные элементы, передающие мощность.

Интересно, что центрифуга настольная с плавным разгоном может сыграть злую шутку с не опытным персоналом лаборатории.

Пока угловая скорость небольшая (центрифуга разгоняется), и сотрудник перестанет следить за оборудованием, по мере роста числа оборотов, центробежная сила будет стремится “увести” центрифугу от оси вращения и устройство будет “ползти” по лабораторному столу, вплоть до падения и выхода из строя от удара в худшем случае.

С точки зрения надежности /времени наработки на отказ/, каждое включение при дисбалансе ротора в десятки раз увеличивает нагрузки на ось вращения, что резко сокращает срок службы и ремонт лабораторного оборудования (центрифуги) понадобится значительно быстрее.

Поэтому технически совершенные лабораторные центрифуги снабжаются датчиком дисбаланса и аварийным электромагнитным тормозом.

При соблюдении же правил эксплуатации, медицинская центрифуга может прослужить до 5-10 и более лет, неоднократно окупив себя.

Также следует все-таки упомянуть очевидную вещь при подготовке к работе настольной центрифуги: лабораторный стол должен быть установлен в строго горизонтальном положении, для чего необходимо подстроить высоту ножек.

Комета
Если же стол лабораторный не позволяет этого сделать, в отдельных центрифугах эта опция предусмотрена конструктивно – “Комета” снабжена:

  • юстировочными ножками;
  • уровнем на верхней панели для окончательной установки “горизонтали”.



В заключение темы дисбаланса заметим, что иногда в характеристиках встречается такой показатель как неуравновешенность масс в противоположных посадочных местах для пробирок (для центрифуги СМ-3.01 составляет 3 г). Чем меньше это значение тем, лучше.

 

Сменный ротор и установочный диск

 

Замечательно, что меняя в одной той же центрифуге, роторы, даже при одной и той же угловой скорости (числа оборотов электромотора), возможно получить другое значение фактора разделения.

А если лабораторная центрифуга оснащена плавным или ступенчатым регулятором скоростей, то совместно с заменой ротора открываются широчайшие возможности создать множество факторов разделений в зависимости от специфики химического исследования.
роторы для микроцентрифугирования
Процедура замена ротора не сложна и чем-то напоминает смену комплекта ножей в лабораторной мельнице (например режущий нож меняется на молотковый).

Но замена на ротор с другим радиусом для увеличения/уменьшения фактора разделения это все-таки решение вспомогательной задачи.


Главное - выбор количества и объема лабораторной посуды для центрифугирования


А значит мы получаем чрезвычайную гибкость при использовании центрифужного лабораторного оборудования.

  1. Число посадочных мест. Можно купить лабораторную центрифугу с пробиркодержателями на 6, 10,12, 16 и 24 места.
  2. Объем пробирок и бутирометров - 0.2, 0.5, 1.5, 1,7, 5, 10, 12, 15 мл, 20, 50 мл.

    Причем в зависимости от типа ротора, возможно помещать для центрифугирования на один диск пробирки различного объема, включая конические пробирки эппендорфа (Eppendorf) из полипропилена.

    опн 3.04

    Пример – центрифуга лабораторная медицинская ОПН-3.04 допускает одновременное размещение на 24-местном роторе:
    • 12 пробирок объемом от 1,7 до мл;
    • 12 пробирок объемом от 7 до 10 мл.




    Для каждого ротора могут также задаваться и геометрические параметры лабораторной тары: диаметр, высота, а также в зависимости от методики: степень заполнения, соотношение по весу между разнородными жидкостями.
     

    Некоторые центрифуги медицинские комплектуются роторами для микропланшетов


    Отметим, что каждый ротор допускает использование при предельной частоте вращения.

     

  3. Допустимый уровень плотности. Этот показатель указывается в техническом описании. Например жидкие неоднородные системы плотностью до 2 г/м3.

 

Регулировка частоты вращения

 

В продаже представлены настольные центрифуги со ступенчатым и плавным заданием числа оборотов.

При выборе центрифуги следует исходить из специфики работы лаборатории.

Если предстоят узкоспециализированные исследования, как например медицинские или микробиологические, то можно выбрать лабораторную центрифугу с двумя-тремя скоростями, например на 1000, 1500 и 3000 об/мин (ОПН-3.04).

Простейшие центрифуги не содержат цифровых индикаторов, а выбор той или иной частоты вращения отображается светодиодным индикатором.

опн 3М
В других моделях (центрифуга медицинская ОПН-3М) предусмотрено:

  • ступенчатая регулировка частоты вращения с шагом в 100 об/мин.;
  • индикация на электронном табло числа оборотов и времени центрифугирования;
  • подстройка параметров прямо во время работы (также как и в центрифуге настольной СМ-3).



СМ 6 МТ

Следует отметить, что в некоторых центрифугах (СМ-6МТ) после окончания цикла центрифугирования, остановку обеспечивает электромагнитный тормоз, а пробирки устанавливаются в горизонтальное положение, что имеет практический смысл – четкое разделение жидкости на фракции по плотности для облегчения последующего отбора.




СМ 8.10

Ну и конечно, обратим внимание на “рекордсменов” среди высокоскоростного лабораторного оборудования – настольная медицинская центрифуга СМ-8.10 разгоняет пробирки на 6-ти или 16-ти местном роторе до 10000 об/мин, что позволяет достичь высочайшего фактора разделения – 5000 g.

 

Задание времени центрифугирования

Другими словами на центрифугах должен быть таймер для ручного задания длительности.

Наиболее распространенный диапазон от 0 до 16, 60 и 90 минут.

Комета 2
 

 

Хотя верхний предел может измеряться и несколькими часами (ЦЛУ Комета, Комета-2).



 

 

Кроме того, при необходимости или возникновении аварийной ситуации, возможна остановка вращения ротора с пробиркодержателем путем нажатия на кнопку СТОП.

Центрифуги с нагревом проб

В лабораторной практике представлены комбинированные виды оборудования, выполняющие помимо основной функции и еще и нагрев:

  • магнитная мешалка с подогревом;
  • прибор определения числа падения, в котором суспензия подогревается в водяной бане при одновременном интенсивном взбалтывании шток-мешалкой.

Лабораторные центрифуги – не исключение.
ЦЛУ Орбита

 

Если для сепарации, разделения по плотности неоднородных сред необходим подогрев, можно выбрать центрифугу ЦЛУ-1 Орбита (нагрев до 60 градусов).

 

 

 

 

Непрерывная работа и периодичная

Как и другие виды оборудования (например лабораторная мельница), центрифуги классифицируются как устройства постоянного или повторно-кратковременного действия.

В последнем случае необходимо учитывать 3 показателя:

  • максимальное время работы в течение суток – например 2 часа;
  • время непрерывного центрифугирования;
  • перерыв между двумя запусками.

СМ 6 М

 

Можно выбрать центрифугу с практически непрерывным режимом работы – СМ-6М (ELMI).

 

 

 

 

Допустимый уровень шума

Шумность определяется целых набором факторов:

  • устойчивость размещения на лаборантом столе;
  • износ подшипников;
  • дребезжание  элементов корпуса;
  • частота вращения и др.

Повышенный шум может быть “первым звоночком”, что необходима диагностика и возможно ремонт лабораторного оборудования.

Для большинства центрифуг указывается максимальный уровень шума в Дб, обычно составляющий 40-65 Дб, что не критично для лабораторного персонала.

Справочно. Громкость разговора на расстоянии 1 метр равняется приблизительно тому же значению,  что легко проверить специализированным измерительным прибором - шумомером

Комета 2
Как для снижения уровня шума, так и вибраций желательно выбрать центрифугу лабораторную с виброопорами (ЦЛУ Комета-2), которые в простейшем случае представляют собой резиновые присоски.


 


антивибрационный стол для весов (лабораторный)

Похожее устройство имеет антивибрационный лабораторный стол (для аналитических весов), где мраморная столешница покоится на резиновых демпферах.




 

Системы защиты и сигнализации

Любое оборудование – промышленное или лабораторное с быстро вращающимися деталями это источник опасности, требующий многоуровневых систем защиты.

Даже самый опытный специалист может устать или “на автомате” совершит ошибочное действие.

Лабораторные медицинские центрифуги содержат ряд механических и электронных защитных систем.

  1. Не допущение запуска электродвигателя при открытой крышке.
  2. Остановка вращения ротора при дисбалансе.
  3. Ручная принудительная остановка до истечения времени отсчета таймера.
  4. Запрет доступа внутрь центрифуги до полной остановки ротора (блокировка крышки).
  5. Звуковая сигнализация режимов.

 

Питание и подключение

Лабораторные центрифуги относятся к оборудованию с достаточно “скромным” потреблением электричества.

Это не сушильный шкаф (> 1 КВт), лабораторный дистиллятор (2,3 и 5 КВт мощности), колбонагреватель, водяная баня, или мешалка магнитная с подогревом или прибор пчп – везде где встроен ТЭН.

Понятно, что исключение – настольная центрифуга с подогревом, требующая больших затрат энергии.

В целом же львиная доля электричества идет на питание электродвигателя.

Но поскольку вращать приходится, пусть и с высокой скоростью, но чрезвычайно малые массы, то и платежи за электроэнергию в лаборатории не будут заоблачными.

Назовем порядок цифр потребляемой мощности для нескольких центрифуг.

СМ-3.01

90 Вт

ЦЛУ-1 Орбита

180 Вт

СМ-8.10

25 Вт

ОПН-3.04

300 Вт

 

Вывод – для подключения лабораторных центрифуг не нужен отдельный силовой кабель

 

Для размещения и подвода электричества достаточно купить стол лабораторный, желательно с двойной розеткой (и как правило со светильником).

 

Уход за центрифугой

 

При работе с содержимым пробирок, особенно учитывая, что объемы измеряются миллиграммами, любые химические, бактериологические загрязнения могут исказить результаты лабораторных опытов, в которых согласно методики применяется центрифугирование.
Мойка ротора центрифуги
Ухода требует прежде всего ротор, а также внутренние элементы корпуса.

  1. Ротор и пробиркодержатель следует очищать ветошью и промывать в лабораторной мойке (возможно встроенной в стол), просушивать и дезинфицировать (в зависимости от специализации лаборатории).
  2. Гильзы (адаптеры для пробирок) и отверстия ротора необходимо периодически осматривать на наличие трещин, сколов, износа.

 

Отдельные виды центрифужного лабораторного оборудования

 

Центрифуги входят в комплект устройств для выполнения специализированных лабораторных анализов, например качества зерна.

Многофакторый экспресс-анализ методом инфракрасной спектроскопии производит анализатор зерна, но для отдельных исследований применяется специальное лабораторное оборудование
Один из показателей – количество сырой и сухой клейковины.

Gluten Index

После отмывки клейковины в промывочном растворе, два шарика помещаются с противоположных сторон ротора центрифуги Gluten Index 2115.

Обратим внимание, что если буквально подходить в соответствии с ГОСТ 16887-71, то удаление остатков жидкости из сырой клейковины называется не центрифугированием, а центробежным отжимом.

Что-то похожее на барабан стиральной машины.

В этом случае никакие жидкости не разделяются, а из вязкой массы удаляются излишки влаги и клейковина готова к сушке и взвешиванию на лабораторных весах.

Комментарии

Сообщения не найдены

Новое сообщение

Недавнее

Лабораторное и технологическое оборудование, материалы.