Медицинская лабораторная центрифуга: описание, особенности. Центрифуга лабораторная медицинская Требования безопасности при работе с лабораторными центрифугами

Центрифуги могут быть с вертикальным и горизонтальным расположением вала и барабана, периодического действия (подвод суспензии и выгрузка осадка производятся периодически), полунепрерывного (суспензия подается непрерывно, а осадок выгружается периодически) и непрерывного действия (подача суспензии и выгрузка осадка осуществляются непрерывно).

Отстойная центрифуга периодического действия с ручной выгрузкой осадка (рис. 7.6) состоит из барабана, насаженного на вращающийся вал и помещенного в корпус. Под действием центробежной силы, возникающей при вращении барабана, твердые частицы осаждаются в виде сплошного слоя осадка на стенке барабана, а осветленная жидкость переливается в кожух и удаляется через расположенный внизу патрубок. По окончании процесса осадок выгружается из центрифуги.

Процесс в отстойной центрифуге состоит из разделения (осаждения) суспензии и отжима или уплотнения осадка.

Непрерывнодействующие отстойные горизонтальные центрифуги со шнековой выгрузкой осадка (НОГШ) применяют в крахмалопаточном производстве для получения концентрированного крахмального осадка и в других производствах.

Центрифуга состоит из ротора и внутреннего шнекового устройства, заключенных в корпус. Суспензия подается через центральную трубу в полый вал шнека. На выходе из этой трубы внутри шнека суспензия под действием центробежной силы распределяется в полости ротора.

Ротор вращается в кожухе в полых цапфах. Шнек вращается в цапфах, находящихся внутри цапф ротора. Под действием центробежной силы твердые частицы отбрасываются к стенкам ротора, а жидкость образует внутреннее кольцо, толщина которого определяется положением сливных отверстий на торце ротора. Образовавшийся осадок перемещается вследствие отставания скорости вращения шнека от скорости вращения ротора к отверстиям в роторе, через которые он выводится в камеру 6 и удаляется из центрифуги.

При движении вдоль ротора осадок уплотняется. При необходимости он может быть промыт.

Фильтрующие центрифуги периодического и непрерывного действия разделяются по расположению вала на вертикальные и горизонтальные, по способу выгрузки осадка - на центрифуги с ручной, гравитационной, пульсирующей и центробежной выгрузкой осадка. Главным отличием фильтрующих центрифуг от отстойных является то, что они имеют перфорированный барабан, обтянутый фильтровальной тканью.

В фильтрующей центрифуге периодического действия (рис. 8.14) суспензия загружается в барабан сверху. После загрузки суспензии барабан приводится во вращение. Суспензия под действием центробежной силы отбрасывается к внутренней стенке барабана. Жидкая дисперсионная фаза проходит через фильтровальную перегородку, а осадок выпадает на ней. Фильтрат по сливному патрубку направляется в сборник. Осадок после окончания цикла фильтрования выгружают вручную через крышку 3.

Конструкция фильтрующей центрифуги с перфорированным барабаном аналогична конструкции автоматической отстойной центрифуги с непрерывным ножевым съемом осадка.

» Для чего нужны центрифуги?

Для чего нужны центрифуги?

1362
Дата публикации: Январь 13, 2014

Центрифуги являются машинами, которые используются в лабораториях, медицинских учреждениях, и в отраслях, для того, чтобы отделить взвешенный материал от среды с которой он смешан. Эти отделения проводятся раскручивания специальных пробирок. Центробежная сила, во время раскручивания заставляет более плотный материал в суспензии проникать к стенкам контейнера, эффективно отделяясь от раствора. Эти устройства используются для разделения твердых веществ от взвешенных жидких сред, например, эти устройства являются неотъемлемым медицинским инструментом для разделения плазмы и клеток крови. Основным принципом работы центрифуги является создание центробежной силы. Например, если в центрифугу поместить пробирку с водой, то центробежная сила, создаваемая при вращении, будет вынуждать воду стремиться к основанию. Даже если центрифугу перевернутль во время ее работы, вода не покинет пробирку. Большинство центрифуг состоят из корпуса и ротора. Ротор имеет ряд отверстий вокруг его окружности, в которые, как правило, помещаются специальные пробирки (их можно ) с растворами. Как только материал будет помещен, крышка будет закрыта, машина может быть включена. После завершения цикла, ротор постепенно замедляется и затем полностью выключается, чтобы предотвратить любую турбулентность, которая может привести к повторному смешиванию. После того, как ротор остановится, образцы могут быть изъяты с ротора. В некоторых случаях центрифуга может иметь фильтр на одном конце, позволяя жидкости проходить через нее, но при этом останавливая твердые частицы в ловушке внутри трубки. Положение трубки и скорости, с которой вращается центрифуга может варьироваться в зависимости от типа устройства.

Для плодотворной работы современной лаборатории необходимо иметь лабораторную центрифугу. Такой медицинский инструмент отделяет различные по консистенции и плотности вещества, благодаря ей, субстанции с максимальным удельным весом размещаются на периферии, а с минимальным удельным весом - двигаются ближе к оси вращения.

Очень часто при лабораторных исследованиях необходимо разделить смесь или жидкость на однородные частицы, которые, как правило, имеют различную плотность. Вокруг центральной оси с огромной скоростью начинает вращаться контейнер с жидкостью в лабораторной центрифуге. Составляющие ее частицы, отличающиеся по плотности, отделяются друг от друга, так как поддаются действию разной центробежной силы.

В научных лабораториях применяют, как специализированные центрифуги, которые выполняют узкие задачи, так и универсальные.

Эти лабораторные аппараты можно разделить на несколько типов:

настольная;
клиническая;
угловая малогабаритная;
переносная;
стационарная;
рефрижераторная;
вакуумная с рефрижератором;
суперцентрифуга;
гематокритная;
препаративная.

Самые ответственные этапы в клинических исследованиях - это центрифугирование крови для получения плазмы, сыворотки и форменных элементов крови. Работа на этих приборах, кажется простой, но на самом деле допускаются множество ошибок на практике, когда результаты анализов бывают неточными, теряется образец крови.

Если неправильно выбраны параметры этого процесса, то результаты будут следующие:

усиление гемолиза;
неэффективное разделение компонентов крови;
раскалывание стеклотары;
открытие крышек пробирок;
деформация пластмассовых пробирок.

Если не соблюдается температурный режим, то снижается концентрация или активность термочувствительных аналитов, а если используются пробирки с гелем, то произойдет неудачное разделение компонентов крови.

На выбор лабораторной центрифуги должны оказывать влияние следующие факторы:

виды производимых анализов (биохимия, иммунохимия, гематология, генодиагностика, цитология и т. д.);
объем исследований в КДЛ;
тип системы для забора крови;
виды образцов (плазма, сыворотка, форменные элементы крови);
требования к безопасности.

Когда речь идет о маленьком передвижном исследовательском центре или лаборатории, где установить стационарную модель невозможно, то спасительным решением является приобретение настольной лабораторной центрифуги. Такая модель очень компактна, а возможностей для полного исследования множество. Питание их, в основном, осуществляется от электросети.

Многие водители и владельцы грузового автотранспорта считают, что масляные центрифуги лишают моторные масла полезных присадок. Впрочем, в это действительно легко поверить, т.к. принцип центробежного разделения по определению способен отделять разные по массе вещества. Однако касается ли это масляных присадок?

Как уже было сказано, центрифугирование является фильтрованием под действием центробежных сил. Центрифуги находят широкое применение в химической промышленности, где используются для очистки жидкостей от твердых включений с большей плотностью. Нетрудно догадаться, что тяжелые примеси могут осесть и сами собой, но центрифуга существенно ускоряет этот процесс.

На практике возможности центрифуги ограничиваются отсеиванием только достаточно крупных частиц. Поэтому с полной уверенностью можно сказать, что центрифуга не может расслоить моторное масло, отделив присадки от основы. Дело еще и в том, что в процессе производства моторных масел пакет присадок тщательно конструируется на молекулярном уровне и растворяется в специальной смеси базовых основ, после чего образуется среда с высокой степенью однородности.

Если процесс смешивания компонентов масла проходит с нарушением технологии, то оно может расслоиться само собой под действием одной лишь гравитации. Но это будет крайне некачественный продукт, поэтому производители стараются смешать компоненты таким образом, чтобы масло находилось в стабильном состоянии на всем протяжении гарантийного срока и периода эксплуатации.

Расслоить качественное масло при помощи центрифуги практически невозможно, как ни старайся. Ни центрифуга, ни отстаивание для жидкостей, компоненты которых соединены на молекулярном уровне, здесь не работают. А вот некачественные масла, произведенные с нарушением технологии, могут расслоиться уже в канистре, задолго до того, как попадут в центрифугу системы очистки масла в двигателе.

Неизбежные процессы трения, происходящие при работе любого двигателя или иного механизма, порождают продукты износа - частицы металла. Кроме того, в масло попадает пыль, шлам и прочие технологические и механические загрязнения. Больше всего таким загрязнениям подвержено масло в дизельных моторах коммерческого автотранспорта. Абсолютно все перечисленные загрязнители ухудшают качество смазки и способствуют быстрейшему износу мотора.

Шлам, как правило, образуется в низкотемпературных зонах двигателя, где происходит интенсивная конденсация пара, выделяемого при сгорании топлива. В этих местах шлам и скапливается больше всего. В основном это картер и зоны под крышкой клапанов ГРМ. При потере маслом критического уровня диспергирующих свойств частицы шлама объединяются в массивы, образуя вязкую субстанцию бурого цвета. Эти отложения постепенно сгущают масло, что в свою очередь приводит к ухудшению его текучести и затрудненному прокачиванию по каналам. В результате, масло не достигает всех деталей, нуждающихся в смазке, и наступает так называемое масляное голодание двигателя. Его симптомы - падение давление масла в системе, задиры трущихся поверхностей, а в худшем случае - заклинивание двигателя.

Механические загрязнители представляют опасность как абразив, увеличивающий износ деталей. Извлечь из масла твердые частицы и шлам помогают, установленные на двигателе, центрифуги. Но постепенно эта проблема стала решаться не ликвидацией последствий механического износа, а устранением его причин.

Однако вернемся к присадкам. Предположим, что инородные частицы, образующиеся в процессе эксплуатации масла и склонные к укрупнению, захватывают моющие и диспергирующие присадки, адсорбирующиеся на поверхности загрязнений. Под действием центробежных сил такие частицы, достигшие определенного размера, действительно могут отсеиваться центрифугой. Но не стоит забывать, что эти присадки вводятся в масло для того, чтобы загрязнители не осаждались на деталях двигателя. Действие моющее-диспергирующих присадок является комплексным. Оно проявляется как стабилизация нерастворимых продуктов окисления углеводородов, удержание их в мелкодисперсном состоянии и противодействия их слипанию и увеличению в размерах. Благодаря этим присадкам, масло на всем протяжении эксплуатации остается однородным и стабильным. Но это при условии, что масло качественное. При нарушении технологии производства, описанная схема частично или полностью не работает, в результате чего уменьшается срок от замены до замены, либо наступает преждевременный износ деталей двигателя.

Если же сгустки в качественном масле все же образуются, то это может сигнализировать о неполадках самого двигателя, например, неполадках в топливной системе. Кстати топливо является серьезным фактором, оказывающим влияние на «запас прочности» масла. Дизель, которым торгуют отечественные заправки, к сожалению, не всегда подходит для двигателей классов Евро-3 и выше.

На большинстве современных дизельных грузовиков и спецтехнике такого оборудования, как центрифуга, уже не устанавливают. Однако не потому, что она как-то влияет на свойства масла. При исправности всех систем двигателя, регулярно проверяющихся при ТО, а также при использовании качественных масел и топлива, крупные частицы, которые могли бы улавливаться центрифугой, попросту отсутствуют. А раз в масле нет таких загрязнений, то и центрифуга становится не нужной.

Вот этот невзрачный серый цилиндр и является ключевым звеном российской атомной индустрии.

Выглядит, конечно, не слишком презентабельно, но стоит понять его назначение и взглянуть на технические характеристики, как начинаешь осознавать, почему секрет его создания и устройства государство охраняет как зеницу ока.

Да, забыл представить: перед вами газовая центрифуга для разделения изотопов урана ВТ-3Ф (n-го поколения). Принцип действия элементарный, как у молочного сепаратора, тяжелое, по воздействием центробежной силы, отделяется от легкого. Так в чем же значимость и уникальность? Для начала ответим на другой вопрос – а вообще, зачем разделять уран? Природный уран, который вот прямо в земле лежит, представляет из себя коктейль из двух изотопов: урана-238 и урана-235 (и 0,0054 % U-234). Уран-238, это просто тяжелый, серого цвета металл. Из него можно сделать артиллерийский снаряд, ну или… брелок для ключей. А вот что можно сделать из урана-235? Ну во первых атомную бомбу, во вторых топливо для АЭС. И вот тут мы подходим к ключевому вопросу – как разделить эти два, практически идентичных атома, друг от друга? Нет, ну действительно, КАК?! Кстати: Радиус ядра атома урана -1.5 10-8 см. Для того, что бы атомы урана можно было загнать в технологическую цепочку, его (уран) нужно превратить в газообразное состояние. Кипятить смысла нет, достаточно соединить уран с фтором и получить гексафторид урана ГФУ. Технология его получения не очень сложная и затратная, а потому ГФУ получают прямо там, где этот уран и добывают. UF6 является единственным легколетучим соединением урана (при нагревании до 53°С гексафторид (на фото) непосредственно переходит из твердого состояния в газообразное). Затем его закачивают в специальные емкости и отправляют на обогащение.

Немного истории В самом начале ядерной гонки, величайшими научными умами, как СССР, так и США, осваивалась идея диффузионного разделения – пропускать уран через сито. Маленький 235-й изотоп проскочит, а «толстый» 238-й застрянет. Причем изготовить сито с нано-отверстиями для советской промышленности в 1946-м году было не самой сложной задачей. Из доклада Исаака Константиновича Кикоина на научно-технического совете при Совете Народных Комиссаров (приведен в сборнике рассекреченных материалах по атомному проекту СССР (Ред. Рябев)): В настоящее время мы научились делать сетки с отверстиями около 5/1 000 мм, т.е. в 50 раз большими длины свободного пробега молекул при атмосферном давлении. Следовательно, давление газа, при котором разделение изотопов на таких сетках будет происходить, должно быть меньше 1/50 атмосферного давления. Практически мы предполагаем работать при давлении около 0,01 атмосферы, т.е. в условиях хорошего вакуума. Расчет показывает, что для получения продукта, обогащенного до концентрации в 90 % легким изотопом (такая концентрация достаточна для получения взрывчатого вещества), нужно соединить в каскад около 2 000 таких ступеней. В проектируемой и частично изготовленной нами машине рассчитывается получить 75-100 г урана-235 в сутки. Установка будет состоять приблизительно из 80-100 «колонн», в каждой из которых будет смонтировано 20-25 ступеней». Ниже приведен документ - доклад Берии Сталину о подготовке первого атоиного взрыва. Внизу дана небольшая справка о наработанных ядерных материалах к началу лета 1949-го года.

И вот теперь сами представьте – 2000 здоровенных установок, ради каких-то 100 грамм! Ну а куда деваться-то, бомбы ведь нужны. И стали строить заводы, и не просто завода, а целые города. И ладно только города, электричества эти диффузионные заводы требовали столько, что приходилось строить рядом отдельные электростанции. На фото: первый в мире завод газодиффузионного обогащения урана К-25 в Ок-Ридже (США). Строительство обошлось в $500 млн. Протяженность U-образного здания около полумили.

В СССР Первая очередь Д-1 комбината №813, была рассчитана на суммарный выпуск 140 граммов 92-93 %-ного урана-235 в сутки на 2-х идентичных по мощности каскадах из 3100 ступеней разделения. Под производство отводился недостроенный авиационный завод в поселке Верх-Нейвинск, что в 60 км от Свердловска. Позже он превратился в Свердловск-44, а 813-й завод (на фото) в Уральский электрохимический комбинат – крупнейшее в мире разделительное производство.

И хотя технология диффузионного разделения, пусть и с большими технологическими трудностями, было отлажена, идея освоения более экономичного центрифужного процесса не сходила с повестки дня. Ведь если удастся создать центрифугу, то энергопотребление сократится от 20 до 50 раз! Как устроена центрифуга? Устроена она более чем элементарно и похожа на старую стиральную машину, работающую в режиме «отжим/сушка». В герметичном кожухе находится вращающийся ротор. В этот ротор подается газ (UF6). За счет центробежной силы, в сотни тысяч раз превышающей поле тяготения Земли, газ начинает разделяться на «тяжелую» и «легкую» фракции. Легкие и тяжелые молекулы начинают группироваться в разных зонах ротора, но не в центре и по периметру, а в верху и в низу. Это возникает из-за конвекционных потоков – крышка ротора имеет подогрев и возникает противоток газа. Вверху и в низу цилиндра установлены две небольших трубочки – заборника. В нижнею трубку попадает обедненная смесь, в верхнюю – смесь с большей концентрацией атомов 235U. Эта смесь попадает в следующую центрифугу, и так далее, пока концентрация 235-го урана не достигнет нужного значения. Цепочка центрифуг называется каскад.

Технические особенности. Ну во первых скорость вращения - у современного поколения центрифуг она достигает 2000 об/сек (тут даже не знаю с чем сравнить…в 10 раз быстрее чем турбина в авиадвигателе)! И работает она без остановки ТРИ ДЕСЯТКА лет! Т.е. сейчас в каскадах вращаются центрифуги, включенные еще при Брежневе! СССР уже нет, а они все крутятся и крутятся. Не трудно подсчитать, что за свой рабочий цикл ротор совершает 2 000 000 000 000 (два триллиона) оборотов. И какой подшипник это выдержит? Да никакой! Нет там подшипников. Сам ротор представляет из себя обыкновенный волчок, внизу у него прочная иголка, опирающаяся на корундовый подпятник, а верхний конец висит в вакууме, удерживаясь электромагнитным полем. Иголка тоже не простая, сделанная из обычной проволоки для рояльных струн, она закалена очень хитрым способом (каким – ГТ). Не трудно представить, что при такой бешеной скорости вращения, сама центрифуга должна быть не просто прочной, а сверхпрочной. Вспоминает академик Иосиф Фридляндер: «Трижды вполне расстрелять могли. Однажды, когда мы уже получили Ленинскую премию, случилась крупная авария, у центрифуги отлетела крышка. Куски разлетелись, разрушили другие центрифуги. Поднялось радиоактивное облако. Пришлось всю линию останавливать - километр установок! В Средмаше центрифугами командовал генерал Зверев, до атомного проекта он работал в ведомстве Берии. Генерал на совещании сказал: "Положение критическое. Под угрозой оборона страны. Если мы быстро не выправим положение, для вас повторится 37-й год". И сразу совещание закрыл. Придумали мы тогда совершенно новую технологию с полностью изотропной равномерной структурой крышек, но требовались очень сложные установки. С тех пор именно такие крышки и производятся. Никаких неприятностей больше не было. В России 3 обогатительных завода, центрифуг многие сотни тысяч.»
На фото: испытания первого поколения центрифуг

Корпуса роторов тоже поначалу были металлические, пока на смену им не пришел… углепластик. Легкий и особопрочный на разрыв, он является идеальным материалом для вращающегося цилиндра. Вспоминает Генеральный директор УЭХК (2009-2012) Александр Куркин: «Доходило до смешного. Когда испытывали и проверяли новое, более «оборотистое» поколение центрифуг, один из сотрудников не стал дожидаться полной остановки ротора, отключил ее из каскада и решил перенести на руках на стенд. На вместо движения вперед, как не упирался, он с этим цилиндром в обнимку, стал двигаться назад. Так мы воочию убедились, что земля вращается, а гироскоп, это великая сила.» Кто изобрел? О, это загадка, погружённая в тайну и укутанная неизвестностью.

Тут вам и немецкие плененные физики, ЦРУ, офицеры СМЕРШа и даже сбитый летчик-шпион Пауэрс. А вообще принцип газовой центрифуги описан еще в конце 19-го века. Ещё на заре Атомного проекта инженер Особого конструкторского бюро Кировского завода Виктор Сергеев предлагал центрифужный метод разделения, но сначала его идею коллеги не одобряли. Параллельно над созданием разделительной центрифуги в специальном НИИ-5 в Сухуми бились учёные из побеждённой Германии: доктор Макс Штеенбек, который при Гитлере работал ведущим инженером Siemens, и бывший механик «Люфтваффе», выпускник Венского университета Гернот Циппе. Всего в группу входило около 300 «вывезенных» физиков. Вспоминает генеральный директор ЗАО «Центротех-СПб» ГК «Росатом» Алексей Калитеевский: «Наши специалисты пришли к выводу, что немецкая центрифуга абсолютно непригодна для промышленного производства.

В аппарате Штеенбека не было системы передачи частично обогащённого продукта в следующую ступень. Предлагалось охлаждать концы крышки и замораживать газ, а потом его разморозить, собрать и пустить в следующую центрифугу. То есть, схема неработоспособная. Однако в проекте было несколько очень интересных и необычных технических решений. Эти «интересные и необычные решения» были соединены с результатами, полученными советскими учёными, в частности с предложениями Виктора Сергеева. Условно говоря, наша компактная центрифуга - на треть плод немецкой мысли, а на две трети - советской». Кстати, когда Сергеев приезжал в Абхазию и высказывал тем же Штеенбеку и Циппе свои мысли по поводу отбора урана, Штеенбек и Циппе отмахнулись от них, как от нереализуемых. Итак что же придумал Сергеев. А предложение Сергеева заключалось в создании отборников газа в виде трубок Пито.

Но доктор Штеенбек, съевший зубы, как он считал, на этой теме, проявил категоричность: «Они станут тормозить поток, вызывать турбулентность, и никакого разделения не будет!» Спустя годы, работая над мемуарами, он об этом пожалеет: «Идея, достойная того, чтобы исходить от нас! Но мне она в голову не приходила...». Позже, оказавшись за пределами СССР Штеенбек центрифугами больше не занимался. А вот Геронт Циппе перед отъездом в Германию имел возможность ознакомиться с опытным образцом центрифуги Сергеева и гениально простым принципом ее работы. Оказавшись на Западе, «хитрый Циппе», как его нередко называли, запатентовал конструкцию центрифуги под своим именем (патент №1071597 от 1957 года, заявлен в 13 странах). В 1957 году, переехав в США, Циппе построил там работающую установку, воспроизведя по памяти опытный образец Сергеева. И назвал ее, отдадим должное, «Русской центрифугой» (на фото).

Кстати, русская инженерная мысль проявила себя и в многих других случаях. В качестве примера можно привести элементарный аварийный запорный клапан. Там нет датчиков, детектеров и электронных схем. Там есть только самоварный краник, который своим лепестком касается станины каскада. Если что не так, и центрифуга меняет свое положение в пространстве, он просто поворачивается и закрывает входную магистраль. Это как в анекдоте про американскую ручку и русский карандаш в космосе.

Наши дни На этой неделе автор этих строк присутствовал на знаменательном событии – закрытии российского офиса наблюдателей министерства энергетики США по контракту ВОУ-НОУ. Эта сделка (высокообогащенный уран – низкообогащенный уран) была, да и остается крупнейшим соглашением в области ядерной энергетики между Россией и Америкой. По условиям контракта российские атомщики переработали 500 тонн нашего оружейного (90%) урана в топливный (4%) ГФУ для американских АЭС. Доходы за 1993-2009 годы составили 8,8 млрд. долларов США. Это стало логическим исходом технологического прорыва наших ядерщиков в области разделения изотопов, сделанного в послевоенные годы. На фото: каскады газовых центрифуг в одном из цехов УЭХК. Здесь их около 100 000 шт.

Благодаря центрифугам мы получили тысячи тонн относительно дешевого, как военного, так и коммерческого продукта. Атомная отрасль, одна из немногих оставшихся (военная авиация, космос), где Россия удерживает непререкаемое первенство. Одних только зарубежных заказов на десять лет вперед (с 2013 года по 2022 год), портфель «Росатома» без учета контракта ВОУ-НОУ составляет 69,3 миллиарда долларов. В 2011 году он перевалил за 50 миллиардов… На фото склад контейнеров с ГФУ на УЭХК.