Zentrifugation. Zentrifugation im Labor Zentrifugation kristalliner Substanzen

ZENTRIFUGATION

Trennung im Bereich der Zentrifugalkräfte flüssiger disperser Systeme mit Partikeln größer als 100 nm. Wird zur Trennung der Komponentenphasen (Flüssigkeit – Zentrat oder Filtrat, Feststoff – Sediment) aus Zweikomponentensystemen (Emulsionen) und Dreikomponentensystemen (Emulsionen mit einer festen Phase) verwendet.

Methoden und Ausrüstung. Es gibt zwei Färbemethoden: Zentrifugal und Filtration. C. wird in Zentrifugalmaschinen durchgeführt – Zentrifugen und Flüssigkeitszentrifugalabscheidern. Basic Der Arbeitskörper dieser Maschinen ist ein achsensymmetrisches Gehäuse oder Rotor (Trommel), das sich mit einer hohen Frequenz c -1 dreht, wodurch ein Feld von Zentrifugalkräften bis zu 2 x 10 4 entsteht G in industriellen und bis zu 35 x 10 4 g in Labormaschinen ( G- Beschleunigung frei in die Schwerkraft fallen Feld). Je nach Methode erfolgt die Filterung in festen (Niederschlag; Abb. 1, a) oder perforierten (mit Filtermaterial beschichteten; Abb. 1, b) Rotoren.

Reis. 1. Rotoren von Maschinen zur zentrifugalen Sedimentation (a) und Filtration ( B): C – Suspension, F – Zentrat (Filtrat), O – Sediment; Erklärung im Text, rf ist der Radius der freien Oberfläche der Flüssigkeit.

C. zeichnet sich durch eine Reihe von Technologien aus. Parameter, die die Qualität des Prozesses und seine Kinetik bestimmen. Dazu gehören: Trennfaktor (r RT – max. Innenradius des Rotors), der die Intensität des Zentrifugalfeldes widerspiegelt; Geschwindigkeit der Zentrifugalmaschine – die Produktivität der Zentrifugalmaschine im anfänglichen Flüssigkeitssystem oder seinen Komponenten; Mitnahme – der Gehalt der festen Phase im Zentrat (Filtrat); Sättigung des Sediments mit der flüssigen Phase (einschließlich Schlamm) nach C.; Trenngröße - min. die Größe der Partikel, die während der Zentrifugalsedimentation gesammelt werden.
Die Kinetik von C. hängt von der Pluralität ab. Faktoren in zwei Gruppen eingeteilt. Faktoren der ersten Gruppe werden physikalisch-chemisch bestimmt. Eigenschaften des zu trennenden Systems (Unterschied in den Phasendichten, granulometrische Zusammensetzung der festen Phase, flüssigen Phase, spezifischer Widerstand des Sediments während der Filtration). Faktoren der zweiten Gruppe, die durch die Konstruktion und Drehzahl des Rotors einer Zentrifugalmaschine bestimmt werden (die Struktur der Intrarotorströmung, ihre Hydrodynamik und ihr Geschwindigkeitsfeld), haben einen entscheidenden Einfluss auf die zentrifugale Sedimentation und teilweise auf die zentrifugale Filtration; wiederum hydrodynamisch. Der Modus hängt von der Leistung der Maschine ab. Matte. Die Beschreibung der Strömung erfolgt durch die Navier-Stokes- und Kontinuitätsgleichungen (siehe. Hydromechanische Prozesse), die unter Berücksichtigung der Rotorgeometrie und Randbedingungen zusammengestellt werden; Die Lösung wird oft mit Methoden gefunden Anschein von Theorie.
Die zentrifugale Sedimentation umfasst sowohl die Eindickung als auch die Sedimentation. Klärung – Entfernung der festen Phase aus Suspensionen mit einem Partikelgehalt von nicht mehr als 5 Vol.-%; Wird zum Reinigen von z. B. Erdölen verwendet. Kondensation ist ein Prozess, bei dem Partikel der dispergierten Phase in einem relativ kleinen Volumen eines Dispersionsmediums gruppiert werden; ermöglicht die Herstellung von Suspensionen (z. B. wässrige Suspension von Kaolin). Niederschlag C. - Trennung von Suspensionen mit einem Festphasengehalt von mehr als 5-10 Vol.-%; preim anwenden. zur Entwässerung fester Bestandteile (z. B. CaSO 4).
Bei der zentrifugalen Sedimentation erfolgt die Bewegung fester Partikel unter dem Einfluss der Zentrifugalkraft ( D- Partikeldurchmesser; - Unterschied in der Dichte fester und flüssiger Phasen; R- Abstand des Partikels zur Rotationsachse des Rotors) und die Widerstandskraft des flüssigen Mediums S. Das Verhältnis dieser Kräfte bestimmt die Abscheiderate w. Im laminaren Modus, der für die Klärung charakteristisch ist, wird die Kraft S durch das Stokessche Gesetz ausgedrückt: und wo ist die Dynamik. Viskosität der flüssigen Phase. Für turbulente Bedingungen bei der Sedimentation großer, hochkonzentrierter Partikel. Die Aufhängungskraft S ergibt sich aus der Gleichung: (- Luftwiderstandsbeiwert; p l - Dichte der flüssigen Phase). Die Hydrodynamik der Strömung bestimmt die Verweilzeit der Partikel im Rotor, aw ist die Absetzzeit; Durch den Vergleich dieser Werte kann die Trenngröße ermittelt werden.
Die Zentrifugalfiltration erfolgt mit oder ohne Sedimentbildung auf der Filtertrennwand sowie mit gleichzeitigem Ablauf beider Prozesse in ihren Zonen; max. wirksam zur Aufnahme von Niederschlägen mit einem Minimum. Feuchtigkeit. Der Prozess wird normalerweise in drei Phasen unterteilt: die Bildung eines Niederschlags, die Entfernung überschüssiger Flüssigkeit daraus und die Entfernung intermolekular zurückgehaltener Flüssigkeit. Kräfte (mechanischer Zug). Die erste Periode umfasst die zentrifugale Sedimentation und Filtration durch eine Schicht des resultierenden Sediments. Zur Berechnung der Kinetik des Prozesses wird das Darcy-Weisbach-Gesetz verwendet; die treibende Kraft (Druckabfall) wird durch das auf die Suspension wirkende Zentrifugalfeld bestimmt: wobei ist die Dichte der Suspension; rzh – freier Radius. Oberfläche der Flüssigkeit (Abb. 1, B). Sie wird durch das Gleiten der Flüssigkeit über die Sedimentschicht beeinflusst. Der Zeitraum kann während der Zersetzung auftreten. Modi; max. Charakteristische Modi sind Konstant- und Federungsleistung. Die zweite und dritte Periode hängen von einer Vielzahl von Faktoren ab, die mit der Sedimentverdichtung, der Form seiner Porenkanäle usw. zusammenhängen; bauen ihre Matte. Modelle ist äußerst schwierig.
Aufgrund der Komplexität der Zentrifugalmaschinen wird die Leistung von Zentrifugalmaschinen am häufigsten durch Modellierung anhand der sogenannten bewertet. Leistungsindex, wobei mit F in erster Näherung die Fläche der Mantelfläche des Rotors gemeint ist. Physik. Der Punkt ist, dass in Analogie zur Sedimentation in Absetzbecken auch die Produktivität von Zentrifugen proportional zur Fläche der Arbeitsfläche ist, sich jedoch aufgrund des Zentrifugalfeldes um den Fr-Faktor erhöht. Abhängig von den Konstruktionsmerkmalen des Rotors für Maschinen jedes Typs wird er durch sein eigenes Niveau bestimmt und bei der Neuberechnung der Produktivität von einer Standardzentrifugengröße zur anderen verwendet. Die Modellierung erfolgt mit geom. Ähnlichkeit der Rotoren und Identität der definierenden Kriterien des Prozesses.

Reis. 2. Kontinuierliche Zentrifuge: A - Niederschlagsschraube; B - Filterschraube; in - von pulsierende Sedimententladung; g - Trägheit; D - Vibration; e - präzessional; 1 - Rotor; 2 - Entlademechanismus.

Im Vergleich zu anderen Trennmethoden (Filtration) ermöglicht Kohlenstoff die Gewinnung von Sedimenten mit weniger Feuchtigkeit. Mit der Zentrifugalsedimentation ist es im Gegensatz zur Filtration möglich, Suspensionen (z. B. bei der Herstellung von Farben und Lacken) mit einer feindispersen Feststoffphase, min. Die Partikelgröße beträgt 5-10 Mikrometer. Ein wichtiger Vorteil der Verkalkung ist die Möglichkeit, sie in Geräten mit relativ kleinen Volumina durchzuführen; Nachteil ist die hohe Energieintensität.
Abschlussball. Zentrifugen werden unterschieden: nach dem Prinzip der Trennung - Fällung, Filterung und kombiniert; in puncto Design - Premium. durch die Position des Rotors und des Sediment-Entladesystems (Schnecke, Schieber oder Kolben; unter Verwendung von Trägheitskräften); über die Organisation des Prozesses - periodische oder kontinuierliche Aktion.
C. in periodischen Maschinen. Die Aktion erfolgt zyklisch in Rotoren mit teilweise verstellbarem Messer oder manuellem Sedimentaustrag.
In Abb. 2 zeigt schematische Diagramme der Trennung von Suspensionen in kontinuierlichen Maschinen. Se(Abb. 2, a) dienen zur Trennung von Suspensionen mit einer unlöslichen Festphase (z. B. Polystyrol, Klärschlamm) und zur Entwässerung kristalliner Partikel. und körnige Produkte, Klassierung (z. B. TiO 2), Eindickung (z. B. Belebtschlamm). Der Prozess findet in einem massiven Rotor statt; Der Schlamm wird bei diesen Zentrifugen kontinuierlich über eine Schnecke ausgetragen, die mit einer Frequenz von Fr600-3500 rotiert.
Bei der Trennung hochkonzentrierter Stoffe kommen filtrierende Schneckenzentrifugen (Abb. 2, b) häufig zum Einsatz. Suspensionen mit grobkörniger Festphase (Partikelgröße größer 0,2 mm, z. B. Glaubersalz). C. wird in einem Rahmenrotor mit Blechsieb erzeugt, durch das das Filtrat entfernt wird. Das Sediment wird durch eine Schnecke unter dem Einfluss des Drehzahlunterschieds aus dem Rotor entfernt. Hohe Fr-Werte (1200-1800) ermöglichen es Ihnen, Produkte mit einem Minimum zu erhalten. Feuchtigkeit.
Hauptsächlich werden Filterzentrifugen mit pulsierendem Sedimentaustrag (Abb. 2, c) eingesetzt. für die gleichen Zwecke wie Filterschrauben. Aufgrund des Vorhandenseins einer dicken Sedimentschicht auf dem Rostsieb eines ein- oder mehrstufigen Rotors ist eine Tiefenwäsche des Produkts (z. B. KS1, raffinierter Zucker) möglich. Das Sediment wird mit einem hin- und hergehenden Schieber entladen. Bewegung mit linearer Geschwindigkeit v; Fr. 300–700.
Bei Trägheitszentrifugen (Abb. 2, d) werden Sedimente aufgrund der Komponente des Zentrifugalfeldes vom Rotor entfernt; in Vibrationszentrifugen (Abb. 2, d) - aufgrund der Vibration des Rotors entlang der Achse mit der Geschwindigkeit v; in Präzessionszentrifugen (Abb. 2, f) - aufgrund der Gyroskopie Rotorbewegungen mit Drehzahlen und Maschinen aller Art werden zur Zentrifugalfiltration hochkonzentrierter Stoffe eingesetzt. Suspensionen mit groben Kristallen. feste Phase (z. B. Kohle aus dem Bergbau, Kristallzucker).
Sorte C. Trennung von Suspensionen und Emulsionen in Zentrifugalabscheidern. Ihre Rotoren sind mit einem konischen Paket ausgestattet. Platten mit einem kleinen Spalt (0,4-1,5 mm) zueinander installiert. Durch die Strömung in einer dünnen Schicht im Plattenzwischenraum unter laminaren Bedingungen wird ein hoher Abscheidegrad erreicht. Feine Suspensionen (Ölzusätze, Hormonpräparate etc.) mit 0,5-4,0 Vol.-% Fell. Verunreinigungen werden in Separator-Reinigern geklärt (Abb. 3, a). Die feste Phase, die sich im Schlammraum des Rotors sammelt, wird regelmäßig aus diesem entfernt, wenn der Boden (Kolben) geöffnet wird. Die Zentrifugaleindickung (z. B. Futter- und Backhefe) erfolgt in Separatoreindickern (Abb. 3, B). Die kondensierte Fraktion wird kontinuierlich über Düsen am Umfang des Rotors abgeführt, die geklärte Fraktion über die Oberseite. Zone. Zur Trennung von Emulsionen (z. B. Ölschlamm) werden Separatoren eingesetzt (Abb. 4), deren Rotoren ein Plattenpaket mit Löchern an der Grenzfläche zwischen schweren und leichten Flüssigkeiten aufweisen; Komponenten (Zentrate F 1 und F 2) werden separat angezeigt. Wenn in der Emulsion eine feste Phase vorhanden ist, verwenden Sie Universalrotoren mit Sedimentaustrag gemäß Abb. 3 oder manuell.
Analog zu Zentrifugen wird die Trennfähigkeit von Separatoren anhand des Leistungsindex beurteilt

Wobei z die Anzahl der Platten in der Verpackung ist; - der halbe Winkel des Plattenkegels oben; R max, R min – extern und intern. Plattenradien. Die Modellierung von Prozessen in Separatoren erfolgt wie bei Zentrifugen über einen Leistungsindex

Reis. 3. Separatoren zum Trennen von Suspensionen: in Abb. kombinierter Separator-Reiniger (a) und Separator-Eindicker ( B); 1 - Rotor; 2 - Tellerpaket; 3 - beweglicher Boden.

Reis. 4. Separator zum Trennen von Emulsionen: 1 - Rotor; 2 - Tellerpaket; F 1 und F 2 – zentriert; E - Emulsion.

Um Zentrifugalprozesse im Labor zu untersuchen, werden Industriemodelle verwendet. Zentrifugen und Separatoren mit einem Rotordurchmesser von 150-250 mm, sowie die sogenannten. Becherzentrifugen (der Rotor besteht aus mehreren Reagenzgläsern – Bechern). Diese kleinen Proben ermöglichen es, nicht nur die industrielle Produktivität experimentell zu bestimmen. Maschinen, aber auch die Möglichkeit, Sedimente aus den Rotoren zu entladen, der Endfeuchtigkeitsgehalt des Produkts, Mitreißen. Die Forschung wird mit kleinen Mengen spezieller Produkte durchgeführt. steht. Becherzentrifugen werden verwendet, um die Sedimentationszeit von Partikeln während der Zersetzung abzuschätzen. Fr.
Modern Die Zentrifugaltechnologie erhöht tendenziell die Rotorgeschwindigkeit, steigert die Produktivität und reduziert Vibrationen. Metall und Energieintensität. Die Produktivität der Maschinen steigt durch die Verbesserung der Hydrodynamik der Rotoren, wodurch ihre Länge (bei Fällungszentrifugen) und die Höhe des Pakets (bei Separatoren) zunimmt. Die Durchmesser der Rotoren in Großmaschinen nehmen zu; Kombi-Binirs werden erstellt. Rotoren, in deren Ausführungen verschiedene Typen kombiniert werden. Methoden der Digitalisierung: Mikroprozessorsteuerungen und regelbare Antriebe werden eingeführt, um die Digitalisierung optimal zu ermöglichen. Modi.
C. ist in der Technik weit verbreitet. Prozesse in der Chemie- und Forstwirtschaft, der Lebensmittel-, Textil- und anderen Industrien. C. spielt eine wichtige Rolle bei der Lösung von Umweltproblemen. Probleme (Reinigung kommunaler und industrieller Abwässer) sowie ressourcenschonende Technologien.

Zündete.: Sokolov V.I., Centrifugation, M., 1976; Shkoropad D. E., Novikov O. P., Zentrifugen und Separatoren für die chemische Industrie, M., 1987.

I. A. Fainerman.

Ultrazentrifugation - eine Methode zur Trennung und Untersuchung von Partikeln mit einer Größe von weniger als 100 nm (Makromoleküle tierischer und pflanzlicher Zellorganellen, Viren usw.) in einem Feld von Zentrifugalkräften. Ermöglicht die Aufteilung von Partikelmischungen in Fraktionen oder einzelne Komponenten sowie die Ermittlung der Molzahl. Masse und MWD von Polymeren, Dichte ihrer Selvate. Ermöglicht die Beurteilung der Form und Größe von Makromolekülen in einer Lösung (siehe. Varianzanalyse), Einfluss statischer Aufladung Druck auf die Partikelstabilität, Wechselwirkungsparameter. Art der Assoziation – Makromoleküle untereinander oder mit Molekülen mit niedrigem Molekulargewicht. Komponenten und Ionen, der Einfluss der Art des Lösungsmittels auf die Konformation von Makromolekülen usw.
Die Durchführung erfolgt mittels Ultrazentrifugen, die mit Hohlrotoren ausgestattet sind, deren Hohlräume geschlossen und durchströmbar sind. Es gibt Geschwindigkeit und Gleichgewicht. Im ersten Fall bewegen sich die Partikel jeweils entlang des Rotorradius. sein Koeffizient Sedimentation, in erster Näherung proportional zur Masse des Partikels, der Unterschied in den Dichten des Partikels und der Flüssigkeit, wenn sich die Partikel von der Rotationsachse des Rotors zur Peripherie (Sediment) bewegen, wenn - zur Achse von Rotation (Float). Während der Gleichgewichts-Ultrazentrifugation setzt sich der radiale Partikeltransport fort, bis die Summe der Chemikalie erreicht ist Das Potential und die molare potentielle Energie an jedem Punkt des Systems werden nicht zu einem konstanten Wert, wonach sich die Verteilung der Partikel nicht mehr ändert.
T. hat angerufen. Analyt Ultrazentrifugation wird bei der Analyse von Lösungen und Dispersionen eingesetzt und unter Verwendung von Analyten durchgeführt. Ultrazentrifugen, ausgestattet mit Rotoren mit optisch transparenten geschlossenen Behältern und optischer. Systeme zur zeitlichen Bestimmung der Konzentration bzw. ihres Gradienten entlang des Rotorradius; Die untersuchten Volumina liegen zwischen 0,01 und 2 ml bei einer Partikelmasse von mehreren. mcg in mg. Die präparative Ultrazentrifugation dient der Isolierung von Komponenten aus komplexen Gemischen; Flüssigkeitsvolumen und Masse der Prüfprobe m.b. für mehrere Größenordnungen größer als für den Analyten. Ultrazentrifugation. Zentrifugalbeschleunigungen in Ultrazentrifugen erreichen 5 x 10 5 g. Erster Analyt. Die Ultrazentrifuge wurde von T. Svedberg (1923; 5 x 10 3 g) entwickelt.

Zündete.: Bowen T., Einführung in die Ultrazentrifugation, trans. aus Englisch, M., 1973.

A. D. Morozkin.

Chemische Enzyklopädie. - M.: Sowjetische Enzyklopädie. Ed. I. L. Knunyants. 1988 .

Synonyme:

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Trennung heterogener Gemische (Suspensionen, Emulsionen, Schlämme) in Bestandteile unter dem Einfluss der Zentrifugalkraft. Es wird in Zentrifugen durchgeführt. Wird in der wissenschaftlichen Forschung, in der Chemie-, Lebensmittel-, Bergbau- und anderen Industrien eingesetzt ... Großes enzyklopädisches Wörterbuch

Ein Verfahren zur Trennung heterogener, dispergierter Flüssigkeitssysteme in einem Zentrifugalkraftfeld (Zentrifugatfeld). Hat eine höhere Trennleistung als Quetschen, Absetzen und Filtern. C. wird in Zentrifugen durchgeführt, das Funktionsprinzip ist ... ... Wörterbuch der Mikrobiologie

Substantiv, Anzahl der Synonyme: 1 Ultrazentrifugation (1) ASIS Wörterbuch der Synonyme. V.N. Trishin. 2013… Synonymwörterbuch

Zentrifugation- * Zentrifugation * Zentrifugation ist die Nutzung der von einer Zentrifuge erzeugten Kräfte (siehe), um Moleküle in einem flüssigen Medium zu trennen. Es gibt verschiedene Arten von Farben: Dichtegradient, Differential, Saccharosegradient ... Genetik. Enzyklopädisches Wörterbuch - Trennung inhomogener Systeme (z. B. Flüssigkeits-Festkörper) mithilfe von Zentrifugalkräften. Wird zum Trennen von Suspensionen und zur Klärung von Verunreinigungen verwendet. Flüssigkeiten, hydraulisch Klassifizierung des Schlamms nach der Größe der Feststoffpartikel usw. Durchgeführt in... ... Großes enzyklopädisches polytechnisches Wörterbuch

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Vorlesung Nr. 5

Die Trennung flüssiger heterogener Gemische erfolgt effektiv durch die Zentrifugationsmethode, die auf der Nutzung der Zentrifugalkraft basiert. Geräte, in denen flüssige heterogene Gemische unter Einwirkung der Zentrifugalkraft getrennt werden, werden als Zentrifugen bezeichnet.

Die Zentrifugationsmethode wird in verschiedenen Bereichen der Technik häufig eingesetzt; Die Zahl der Arten und Bauarten von Zentrifugen ist sehr groß.

Der Hauptteil der Zentrifuge ist eine Trommel (ein Rotor mit massiven oder perforierten Wänden), die sich mit hoher Geschwindigkeit auf einer vertikalen oder horizontalen Welle dreht. Die Trennung heterogener Gemische in Zentrifugen kann entweder nach dem Prinzip der Sedimentation oder nach dem Prinzip der Filtration erfolgen. Im ersten Fall werden Trommeln mit massiven Wänden verwendet, im zweiten Fall mit Löchern; Fässer mit Löchern werden mit einem Filter abgedeckt. Wenn die Wände der Trommel massiv sind, dann wird das Material unter dem Einfluss der Zentrifugalkraft entsprechend seinem spezifischen Gewicht in Schichten angeordnet, und eine Materialschicht mit einem hohen spezifischen Gewicht befindet sich direkt neben den Wänden der Trommel . Wenn die Wände der Trommel Löcher aufweisen und an der Innenfläche mit einer Filtertrennwand, beispielsweise einem Filtertuch, ausgestattet sind, verbleiben die festen Partikel der Mischung auf der Filtertrennwand und die flüssige Phase gelangt durch die Poren des Feststoffs Sediment und Filtertrennwand ab und wird aus der Trommel entfernt. Die in einer Zentrifuge abgetrennte flüssige Phase nennt man zentrieren.

Zentrifugalkraft; Trennfaktor. Wenn die Zentrifugentrommel und die darin befindliche Flüssigkeit rotieren, entsteht die Zentrifugalkraft als Trägheitskraft.

С=m W 2 / r (1)

M-Gewicht eines rotierenden Körpers (Flüssigkeit) in kgf;

r - Rotationsradius in M

W - Umfangsrotationsgeschwindigkeit in MS;

Die Umfangsrotationsgeschwindigkeit ist definiert als:

W=ω r = 2 π n r/60 (2)

P- Anzahl der Umdrehungen pro Minute;

ω-Drehwinkelgeschwindigkeit im Bogenmaß

g-Schwerkraftbeschleunigung in m/s 2, wenn m=G/g, dann Zentrifugalkraft MIT, Wirkt auf einen rotierenden Körper mit Masse m und Gewicht G, ist gleich C= G(2π n r/60) 2 /rg Oder C ≈ G n 2 r/900 (3)

Gleichung (2.3) zeigt, dass eine Erhöhung der Zentrifugalkraft durch eine Erhöhung der Drehzahl leichter zu erreichen ist als durch eine Vergrößerung des Trommeldurchmessers. Trommeln mit kleinem Durchmesser und hoher Drehzahl können eine größere Zentrifugalkraft entwickeln als Trommeln mit großem Durchmesser und geringer Drehzahl.

Somit kann die auf ein Teilchen wirkende Zentrifugalkraft um ein Vielfaches größer als die Schwerkraft sein, je größer die Beschleunigung der Zentrifugalkraft als die Erdbeschleunigung ist. Das Verhältnis dieser Beschleunigungen heißt Trennfaktor und bezeichnen Kr:

W 2 / r – Beschleunigung der Zentrifugalkraft.

Mit G=1n erhalten wir: Kr=n 2 r /900

Beispielsweise beträgt der Trennfaktor für eine Zentrifuge mit einem Rotor mit einem Durchmesser von 1000 mm (r=0,5 m) und einer Drehzahl von n=1200 U/min 800. Mit dem Wert steigt die Trennwirkung der Zentrifuge von Kp.

Der Wert von K für Zyklone liegt in der Größenordnung von Hunderten. Und für Zentrifugen - etwa 3000, ist die treibende Kraft des Sedimentationsprozesses in Zyklonen und Zentrifugen also um 2-3 Größenordnungen größer als in Absetzbecken. Dadurch ist die Produktivität von Zyklonen und Zentrifugen höher als die Produktivität von Absetzbecken und kleine Partikel können in ihnen effektiv abgeschieden werden: in Zentrifugen mit einer Größe von etwa 1 Mikrometer. In Zyklonen - etwa 10 Mikrometer.

Aus einem Vergleich der Gleichungen wird deutlich, dass der Trennfaktor K p numerisch gleich der Zentrifugalkraft ist, die bei der Rotation eines 1 kg schweren Körpers entsteht.

Eigenschaften von Zentrifugationsprozessen . Wie oben erwähnt, kann die Zentrifugation nach dem Absetzprinzip (in Volltrommeln) oder dem Filtrationsprinzip (in perforierten Trommeln) durchgeführt werden. Beide Prozesse unterscheiden sich in ihrem physikalischen Wesen voneinander. Darüber hinaus gibt es für jeden dieser Prozesse eigene Varianten, die durch den Gehalt der festen Phase und den Grad ihrer Dispersion sowie die physikalischen Eigenschaften der Suspension bestimmt werden.

Die Zentrifugation in Absetztrommeln wird sowohl zur Reinigung von Flüssigkeiten von in geringen Mengen enthaltenen Verunreinigungen (Flüssigkeitsklärung) als auch zur Trennung von Suspensionen mit einem erheblichen Anteil an fester Phase (Absetzzentrifugation) durchgeführt.

Die Zentrifugation in Absetztrommeln besteht im Allgemeinen aus zwei physikalischen Prozessen: Sedimentation der festen Phase (der Prozess folgt den Gesetzen der Hydrodynamik) und Verdichtung des Sediments; Für den letztgenannten Vorgang gelten die Grundgesetze der Bodenmechanik (disperse Medien).

Bis zu einer bestimmten Grenze der Festphasenkonzentration (ca. 3-4 Vol.-%) erfolgt die Ablagerung in der Absetztrommel ohne Bildung einer Grenzfläche zwischen Feststoff und Flüssigkeit. Mit zunehmender Konzentration entsteht eine solche Oberfläche durch Vergrößerung und Sedimentation fester Partikel in der Flüssigkeit.

Der Zentrifugationsprozess in Absetzfässern unterscheidet sich grundlegend vom Trennprozess in Absetztanks. Bei letzterem kann die Abscheidungsrate praktisch als konstant angesehen werden, da der Prozess in einem Gravitationsfeld abläuft, dessen Beschleunigung nicht von den Koordinaten des fallenden Teilchens abhängt.

Beschleunigung des Feldes der Zentrifugalkräfte ist eine variable Größe und hängt bei konstanter Winkelgeschwindigkeit vom Rotationsradius des Teilchens ab. Darüber hinaus sind die Kraftlinien des Zentrifugalfeldes nicht parallel zueinander und daher ist die Wirkungsrichtung der Zentrifugalkräfte für verschiedene Partikel (die nicht auf demselben Rotationsradius liegen) unterschiedlich.

Daher können die Gesetze der Absetzvorgänge nicht auf den Zentrifugationsprozess in Absetztrommeln übertragen werden.

Die Trennleistung von Absetzzentrifugen wird durch den Leistungsindex (Sigma) Σ charakterisiert, der sich aus der Fläche der zylindrischen Absetzfläche F im Rotor und dem Trennfaktor Kp ergibt.

Σ=F Kr (1), Kr= W2/rg ≈n2 r/900, daher Σ /F=Kr (2)

In Anbetracht der Tatsache, dass der Trennfaktor das Verhältnis der Absetzgeschwindigkeiten von Partikeln in der Absetzzentrifuge und im Absetzbehälter gemäß Gleichung (2) ausdrückt, sollte der Wert von Σ als gleich der Fläche des Absetzbehälters angesehen werden, äquivalent in Leistung für eine gegebene Suspension für die betreffende Zentrifuge. Der Leistungsindex spiegelt den Einfluss aller Konstruktionsmerkmale der Fällzentrifuge wider, die ihre Trennfähigkeit bestimmen.

Bei der Bestimmung der Produktivität von Batch-Absetzzentrifugen muss die Zeit berücksichtigt werden, die für das Starten, Bremsen und Entladen der Zentrifuge aufgewendet wird. Die Bestimmung der Produktivität einer Filterzentrifuge ist ebenso schwierig wie die Bestimmung der Produktivität eines beliebigen Filters.

Noch komplexer ist der Prozess der Zentrifugation Filtertrommeln. Der Prozess erfolgt in drei Phasen:

Sedimentbildung, Sedimentverdichtung und schließlich Entfernung der durch Kapillar- und Molekularkräfte zurückgehaltenen Flüssigkeit aus den Poren des Sediments.

Daher kann der gesamte Prozess der Zentrifugalfiltration nicht mit der konventionellen Filtration unter Einfluss der Schwerkraft gleichgesetzt werden. Lediglich ihre erste Periode ähnelt im Wesentlichen der herkömmlichen Filtration und unterscheidet sich von dieser lediglich durch die Größe des hydraulischen Drucks der Flüssigkeit, die unter dem Einfluss von Zentrifugalkräften durch die Sedimentschicht fließt. Während dieser Zeit liegt die Feuchtigkeit im Sediment in freier Form vor und wird diesem am intensivsten entzogen. Die zweite Periode ähnelt der entsprechenden Periode während der Absetzzentrifugation und die dritte schließlich ist durch das Eindringen von Luft in das verdichtete Sediment, also die mechanische Trocknung des Sediments, gekennzeichnet

Die Dauer der oben genannten Zeiträume hängt von den physikalischen Eigenschaften und der Konzentration der Suspensionen sowie von den Eigenschaften der Zentrifuge ab.

Die Komplexität und Vielfalt von Zentrifugationsprozessen erschwert die Entwicklung einer Theorie des Prozesses (insbesondere seiner Kinetik) und präziser Methoden zur Berechnung von Zentrifugen.

Zentrifugenleistung. Typischerweise wird die Produktivität von Zentrifugen durch das pro Zeiteinheit in die Zentrifuge eintretende Suspensionsvolumen ausgedrückt (l/Stunde), oder das Gewicht des nach der Zentrifugation erhaltenen Sediments (kg/Stunde).

Kursarbeit

Zentrifugation

1. Prinzip der Methode

Die Stofftrennung mittels Zentrifugation basiert auf dem unterschiedlichen Verhalten von Partikeln in einem Zentrifugalfeld. Eine in einem Reagenzglas befindliche Partikelsuspension wird in einen Rotor geladen, der auf der Antriebswelle der Zentrifuge montiert ist.

In einem Zentrifugalfeld setzen sich Partikel unterschiedlicher Dichte, Form oder Größe unterschiedlich schnell ab. Die Sedimentationsgeschwindigkeit hängt von der Zentrifugalbeschleunigung ab, die direkt proportional zur Winkelgeschwindigkeit des Rotors und dem Abstand zwischen Partikel und Rotationsachse ist:

und die Zentrifugalbeschleunigung ist dann gleich)

Da eine Umdrehung des Rotors 2n Bogenmaß beträgt, kann die Winkelgeschwindigkeit des Rotors in Umdrehungen pro Minute wie folgt geschrieben werden:

Die Zentrifugalbeschleunigung wird üblicherweise in der Einheit g ausgedrückt und als relative Zentrifugalbeschleunigung bezeichnet, d. h.

Geben Sie bei der Auflistung der Bedingungen für die Partikeltrennung die Rotationsgeschwindigkeit und den Radius des Rotors sowie die Zentrifugationszeit an. Die Zentrifugalbeschleunigung wird normalerweise in der Einheit g ausgedrückt und aus dem durchschnittlichen Rotationsradius einer Flüssigkeitssäule in einem Zentrifugenröhrchen berechnet. Basierend auf der Gleichung erstellten Dole und Kotzias ein Nomogramm, das die Abhängigkeit des OCP von der Rotorrotationsgeschwindigkeit und dem Radius r ausdrückt.

Die Sedimentationsgeschwindigkeit kugelförmiger Partikel hängt nicht nur von der Zentrifugalbeschleunigung, sondern auch von der Dichte und dem Radius der Partikel selbst sowie von der Viskosität des Suspensionsmediums ab. Die Zeit, die für die Sedimentation eines kugelförmigen Partikels in einem flüssigen Medium vom Flüssigkeitsmeniskus bis zum Boden des Zentrifugenröhrchens benötigt wird, ist umgekehrt proportional zur Sedimentationsgeschwindigkeit und wird durch die folgende Gleichung bestimmt:

Dabei ist t die Sedimentationszeit in Sekunden, rj die Viskosität des Mediums, gh der Radius des Partikels, rch die Dichte des Partikels, p die Dichte des Mediums, gm der Abstand von der Rotationsachse zum Meniskus der Flüssigkeit, gd ist der Abstand von der Rotationsachse zum Boden des Reagenzglases.

Wie aus der Gleichung hervorgeht, ist bei einer gegebenen Rotorgeschwindigkeit die Zeit, die zum Absetzen homogener kugelförmiger Partikel erforderlich ist, umgekehrt proportional zum Quadrat ihrer Radien und dem Unterschied in den Dichten der Partikel und des Mediums und direkt proportional zur Viskosität der Partikel Mittel. Daher kann eine Mischung aus heterogenen, annähernd kugelförmigen Partikeln unterschiedlicher Dichte und Größe entweder aufgrund unterschiedlicher Zeitpunkte ihrer Ablagerung am Boden des Reagenzglases bei einer bestimmten Beschleunigung oder aufgrund der Verteilung sedimentierender Partikel entlang des Reagenzglases getrennt werden Reagenzglas, etabliert nach einer bestimmten Zeitspanne. Bei der Stofftrennung müssen so wichtige Faktoren wie die Dichte und Viskosität des Mediums berücksichtigt werden. Mit den beschriebenen Methoden ist es möglich, Zellorganellen aus Gewebehomogenaten zu trennen. Die Hauptbestandteile der Zelle werden in der folgenden Reihenfolge abgelagert: zuerst ganze Zellen und ihre Fragmente, dann Kerne, Chloroplasten, Mitochondrien, Lysosomen, Mikrosomen und schließlich Ribosomen. Das Absetzen nicht kugelförmiger Partikel folgt keiner Gleichung, sodass sich Partikel gleicher Masse, aber unterschiedlicher Form mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten absetzen. Diese Funktion wird bei der Untersuchung der Konformation von Makromolekülen mittels Ultrazentrifugation verwendet.

Bei der präparativen Zentrifugation wird biologisches Material für nachfolgende biochemische Studien isoliert. In diesem Fall ist es möglich, große Mengen an biologischem Ausgangsmaterial zu entnehmen, beispielsweise mikrobielle Zellen aus Batch- oder kontinuierlichen Kulturen auszusäen, sowie pflanzliche und tierische Zellen aus Gewebekulturen und Blutplasma auszusäen. Mittels präparativer Zentrifugation werden große Mengen zellulärer Partikel isoliert, um deren Morphologie, Struktur und biologische Aktivität zu untersuchen. Die Methode wird auch zur Isolierung biologischer Makromoleküle wie DNA und Proteine ​​aus vorgereinigten Präparaten eingesetzt.

Die analytische Zentrifugation wird hauptsächlich zur Untersuchung reiner oder im Wesentlichen reiner Präparate von Makromolekülen oder Partikeln wie Ribosomen eingesetzt. In diesem Fall wird eine geringe Materialmenge verwendet und die Sedimentation der untersuchten Partikel mithilfe spezieller optischer Systeme kontinuierlich aufgezeichnet. Mit der Methode können Sie Daten über Reinheit, Molekulargewicht und Struktur des Materials erhalten. In Workshops für Studierende wird die präparative Zentrifugation deutlich häufiger eingesetzt als die analytische Zentrifugation, daher werden wir näher darauf eingehen, obwohl beide Methoden auf allgemeinen Prinzipien basieren.

2. Präparative Zentrifugation

2.1 Differenzielle Zentrifugation

Diese Methode basiert auf Unterschieden in der Sedimentationsgeschwindigkeit von Partikeln unterschiedlicher Größe und Dichte. Das zu trennende Material, beispielsweise Gewebehomogenat, wird mit einer schrittweisen Erhöhung der Zentrifugalbeschleunigung zentrifugiert, die so gewählt ist, dass sich bei jeder Stufe eine bestimmte Fraktion am Boden des Röhrchens ablagert. Am Ende jedes Schritts wird der Niederschlag vom Überstand abgetrennt und mehrmals gewaschen, um letztendlich eine reine Niederschlagsfraktion zu erhalten. Leider ist es nahezu unmöglich, ein absolut reines Sediment zu erhalten; Um zu verstehen, warum dies geschieht, schauen wir uns den Prozess an, der in einem Zentrifugenröhrchen zu Beginn jeder Zentrifugationsstufe abläuft.

Zunächst sind alle Partikel des Homogenats gleichmäßig im Volumen des Zentrifugenröhrchens verteilt, so dass es unmöglich ist, in einem Zentrifugationszyklus reine Sedimentpräparate der schwersten Partikel zu erhalten: Das erste gebildete Sediment enthält hauptsächlich die schwersten Partikel, aber Darüber hinaus auch eine gewisse Menge aller Originalkomponenten. Eine ausreichend reine Präparation schwerer Partikel kann nur durch Resuspension und Zentrifugation des ursprünglichen Sediments erhalten werden. Eine weitere Zentrifugation des Überstands mit anschließender Erhöhung der Zentrifugalbeschleunigung führt zur Sedimentation von Partikeln mittlerer Größe und Dichte und anschließend zur Sedimentation der kleinsten Partikel mit der niedrigsten Dichte. In Abb. Abbildung 2.3 zeigt ein Diagramm der Fraktionierung von Rattenleberhomogenat.

Die Differentialzentrifugation ist wahrscheinlich die gebräuchlichste Methode zur Isolierung zellulärer Organellen aus Gewebehomogenaten. Diese Methode wird am erfolgreichsten zur Trennung von Zellorganellen eingesetzt, die sich in Größe und Dichte erheblich voneinander unterscheiden. Aber auch in diesem Fall sind die resultierenden Fraktionen nie absolut homogen, und für ihre weitere Trennung werden andere, im Folgenden beschriebene Methoden verwendet. Diese auf Unterschieden in der Organellendichte basierenden Methoden ermöglichen effizientere Trennungen, indem sie in Lösungen mit einem kontinuierlichen oder schrittweisen Dichtegradienten zentrifugieren. Der Nachteil dieser Methoden besteht darin, dass es Zeit braucht, um einen Lösungsdichtegradienten zu erhalten.

2.2 Zonengeschwindigkeitszentrifugation

Bei der Geschwindigkeitszonen-Methode, oder auch S-Zonen-Zentrifugation genannt, wird die Testprobe mit einem kontinuierlichen Dichtegradienten auf die Oberfläche einer Lösung geschichtet. Die Probe wird dann zentrifugiert, bis die Partikel entlang des Gradienten in diskreten Zonen oder Bändern verteilt sind. Durch die Schaffung eines Dichtegradienten wird die Vermischung von Zonen durch Konvektion vermieden. Die Speed-Zone-Zentrifugationsmethode wird zur Trennung von RNA-DNA-Hybriden, ribosomalen Untereinheiten und anderen Zellbestandteilen eingesetzt.

2.3 Isopyknische Zentrifugation

Die isopyknische Zentrifugation wird sowohl im Dichtegradienten als auch in üblicher Weise durchgeführt. Erfolgt die Zentrifugation nicht im Dichtegradienten, wird das Präparat zunächst zentrifugiert, so dass sich Partikel absetzen, deren Molekulargewicht größer ist als das der untersuchten Partikel. Diese schweren Partikel werden verworfen und die Probe wird in einem Medium suspendiert, dessen Dichte der der zu isolierenden Fraktion entspricht, und dann zentrifugiert, bis sich die interessierenden Partikel am Boden des Röhrchens absetzen und Partikel mit geringerer Dichte zum Boden des Röhrchens schwimmen Oberfläche der Flüssigkeit ..

Eine andere Methode besteht darin, die Probe mit einem kontinuierlichen Dichtegradienten auf die Oberfläche der Lösung zu schichten, der den Dichtebereich aller Komponenten der Mischung abdeckt. Die Zentrifugation wird durchgeführt, bis die Auftriebsdichte der Partikel gleich der Dichte der entsprechenden Zonen ist, d. h. bis die Partikel in Zonen getrennt sind. Die Methode wird zonal-isopyknale oder resonante Zentrifugation genannt, da es hier vor allem auf die Auftriebsdichte und nicht auf die Größe oder Form der Partikel ankommt. Die Dichte, bei der Partikel isopyknale Bänder bilden, wird durch die Art des Suspensionsmediums beeinflusst; Partikel können für einige Verbindungen in der Lösung durchlässig und für andere undurchlässig sein oder sie können Moleküle der Lösung anlagern. Bei Verwendung eines Zonenrotors werden Mitochondrien, Lysosomen, Peroxisomen und Mikrosomen in Banden mit 42 %, 47 %, 47 % und 27 % Saccharose konzentriert, was entsprechend Dichten von 1,18, 1,21, 1,21 und 1,10 g-cm -3 entspricht. Die Dichte subzellulärer Organellen hängt auch von ihrer selektiven Aufnahme bestimmter Verbindungen ab. Die Verabreichung des Detergens Triton WR-1339, das keine Hämolyse verursacht, an Ratten führt zu einer Vergrößerung der Größe und einer Verringerung der Dichte der Leberlysosomen; die Dichte der Mitochondrien und Peroxisomen bleibt unverändert. Obwohl sich die Sedimentationseigenschaften von Lysosomen in der Regel nicht ändern, sinkt ihre Gleichgewichtsdichte im Saccharosegradienten von 1,21 auf 1,1, was zu einer entsprechenden Trennung der lysosomal-peroxisomalen Fraktion führt. Diese Funktion wird bei der quantitativen Trennung von Lysosomen, Mitochondrien und Peroxisomen verwendet, basierend auf der Entfernung aller Partikel mit einer höheren Dichte als Mikrosomen aus einem homogenen Medium und der anschließenden isopyknalen Zentrifugation der ausgefällten schweren Partikel.

2.4 Gleichgewichtsdichtegradientenzentrifugation

Um einen Dichtegradienten zu erzeugen, werden Salze von Schwermetallen wie Rubidium oder Cäsium sowie Saccharoselösungen verwendet. Die Probe, beispielsweise DNA, wird mit einer konzentrierten Lösung von Cäsiumchlorid gemischt. Sowohl der gelöste Stoff als auch das Lösungsmittel sind zunächst gleichmäßig im Volumen verteilt. Während der Zentrifugation stellt sich eine Gleichgewichtsverteilung der Konzentration und damit der Dichte von CsCl ein, da Cäsiumionen eine große Masse haben. Unter dem Einfluss der Zentrifugalbeschleunigung werden DNA-Moleküle neu verteilt und sammeln sich in Form einer separaten Zone in einem Teil des Reagenzglases mit entsprechender Dichte. Die Methode wird hauptsächlich in der analytischen Zentrifugation eingesetzt und von Meselson und Stahl verwendet, um den Mechanismus der DNA-Replikation in E. coli zu untersuchen. Die Gleichgewichist ebenfalls eine der Methoden zur Trennung und Untersuchung von Lipoproteinen aus menschlichem Blutplasma.

2.5Bildung und Extraktion von Gradienten

2.5.1 Art der Gradienten

Um Dichtegradienten in Lösungen zu erzeugen, werden am häufigsten Saccharoselösungen verwendet, manchmal mit einem festen pH-Wert. In einigen Fällen wird eine gute Trennung erreicht, wenn D2 0 anstelle von normalem Wasser verwendet wird. In der Tabelle. Tabelle 2.1 zeigt die Eigenschaften einiger Saccharoselösungen.

Die Wahl des Gradienten wird durch spezifische Fraktionierungsziele bestimmt. Beispielsweise kann Ficol, hergestellt von Pharmacia Fine Chemicals, Saccharose ersetzen, wenn es darum geht, Gradienten mit hoher Dichte und niedrigem osmotischen Druck zu erzeugen. Ein weiterer Vorteil von Ficol besteht darin, dass es die Zellmembranen nicht durchdringt. Um Gradienten höherer Dichte zu erzeugen, werden Salze von Schwermetallen wie Rubidium und Cäsium verwendet. Aufgrund der korrosiven Wirkung von CsCl werden solche Gradienten jedoch nur in Rotoren aus widerstandsfähigen Metallen wie Titan verwendet.“

2.5.2 Methode zur Erstellung eines Stufendichtegradienten

Um einen Dichtegradienten zu erzeugen, werden mehrere Lösungen mit sukzessive abnehmender Dichte vorsichtig in ein Zentrifugenröhrchen pipettiert. Anschließend wird die Probe in Form einer schmalen Zone auf die oberste Schicht mit der geringsten Dichte geschichtet und anschließend das Röhrchen zentrifugiert. Glatte lineare Gradienten können durch Glätten von Stufengradienten erhalten werden, wenn die Lösung längere Zeit verweilt. Der Vorgang kann beschleunigt werden, indem der Inhalt des Röhrchens vorsichtig mit einem Draht umgerührt oder das Röhrchen leicht geschüttelt wird.

2.5.3 Methode zur Erzeugung eines glatten Dichtegradienten

In den meisten Fällen wird ein spezielles Gerät verwendet, um einen gleichmäßigen Dichtegradienten zu erzeugen. Es besteht aus zwei zylindrischen Gefäßen mit genau definiertem identischem Durchmesser, die am Boden über ein Glasrohr mit einem Steuerventil miteinander kommunizieren, mit dem Sie die Mischverhältnisse der Inhalte beider Gefäße regulieren können. Einer davon ist mit einem Rührer ausgestattet und verfügt über einen Auslass, durch den die Lösung in Zentrifugenröhrchen fließt. Die dichtere Lösung wird in den Mischer gegeben; Der zweite Zylinder ist mit einer Lösung geringerer Dichte gefüllt. Die Höhe der Lösungssäule in beiden Zylindern ist so eingestellt, dass der hydrostatische Druck in ihnen gleich ist. Die dichtere Lösung wird nach und nach aus dem Mischer in die Zentrifugenröhrchen abgegeben und gleichzeitig durch ein gleiches Volumen einer Lösung mit geringerer Dichte ersetzt, die vom zweiten Zylinder über das Steuerventil in den Mischer gelangt. Die Homogenität der Lösung im Mischer wird durch ständiges Rühren der Lösung mit einem Rührwerk gewährleistet. Wenn die Lösung in Zentrifugenröhrchen gegossen wird, nimmt ihre Dichte ab und in den Röhrchen entsteht ein linearer Dichtegradient. Nichtlineare Gradienten können mithilfe eines Systems aus zwei Zylindern mit ungleichem Durchmesser erzeugt werden.

Um Dichtegradienten unterschiedlicher Steilheit zu erzeugen, wird ein System aus zwei mechanisch gesteuerten Spritzen verwendet, die mit Lösungen unterschiedlicher Dichte gefüllt sind. Durch Veränderung der Relativgeschwindigkeit der Kolben können unterschiedliche Steigungen erzeugt werden.

2.5.4 Gradienten aus Zentrifugenröhrchen entfernen

Nach Abschluss der Zentrifugation und Partikeltrennung müssen die entstandenen Zonen entfernt werden. Dies geschieht auf verschiedene Arten, am häufigsten durch Verschiebung. Das Zentrifugenröhrchen wird am Boden durchstochen und in dessen Unterteil langsam ein sehr dichtes Medium, beispielsweise eine 60-70 %ige Saccharoselösung, eingebracht. Die oben befindliche Lösung wird verdrängt und die Fraktionen werden mit einer Spritze, Pipette oder einem speziellen Gerät gesammelt, das über ein Rohr mit dem Fraktionssammler verbunden ist. Wenn die Röhrchen aus Zelluloid oder Nitrozellulose bestehen, werden die Fraktionen durch Schneiden des Röhrchens mit einer speziellen Klinge entfernt. Dazu wird ein in einem Ständer befestigtes Zentrifugenröhrchen direkt unter der gewünschten Stelle angeschnitten und die Fraktion mit einer Spritze oder Pipette abgesaugt. Bei geeigneter Konstruktion der Schneidvorrichtung ist der Lösungsverlust minimal. Fraktionen werden auch gesammelt, indem man den Boden des Röhrchens mit einer dünnen Hohlnadel durchsticht. Die aus dem Röhrchen durch die Nadel fließenden Tröpfchen werden zur weiteren Analyse in einem Fraktionssammler gesammelt.

2.5.5 Präparative Zentrifugen und ihre Anwendungen

Präparative Zentrifugen lassen sich in drei Hauptgruppen einteilen: Allzweckzentrifugen, Hochgeschwindigkeitszentrifugen und präparative Ultrazentrifugen. Allzweckzentrifugen bieten eine maximale Drehzahl von 6000 U/min und einen RCC von bis zu 6000 g. Sie unterscheiden sich lediglich im Fassungsvermögen und verfügen über eine Reihe austauschbarer Rotoren: eckig und mit hängenden Bechern. Eines der Merkmale dieses Zentrifugentyps ist sein großes Fassungsvermögen von 4 bis 6 dm3, wodurch sie nicht nur mit Zentrifugenröhrchen von 10,50 und 100 cm3, sondern auch mit Gefäßen mit einem Fassungsvermögen von bis zu 1,25 dm3 beladen werden können. Bei allen Zentrifugen dieses Typs sind die Rotoren starr auf der Antriebswelle montiert und die Zentrifugenröhrchen samt Inhalt müssen sorgfältig ausbalanciert sein und dürfen sich im Gewicht um nicht mehr als 0,25 g unterscheiden. Eine ungerade Anzahl an Röhrchen darf nicht vorhanden sein Wenn der Rotor nicht vollständig beladen ist, sollten die Rohre symmetrisch zueinander angeordnet sein, um eine gleichmäßige Verteilung der Rohre relativ zur Drehachse des Rotors sicherzustellen.

Hochgeschwindigkeitszentrifugen bieten eine maximale Drehzahl von 25.000 U/min und einen RCC von bis zu 89.000 g. Die Rotorkammer ist mit einem Kühlsystem ausgestattet, das verhindert, dass Hitze entsteht, die durch Reibung entsteht, wenn sich der Rotor dreht. Hochgeschwindigkeitszentrifugen haben in der Regel ein Fassungsvermögen von 1,5 dm3 und sind mit austauschbaren Rotoren, sowohl eckigen als auch mit hängenden Trommeln, ausgestattet.

Präparative Ultrazentrifugen bieten eine maximale Drehzahl von bis zu 75.000 U/min und eine maximale Zentrifugalbeschleunigung von 510.000 g. Sie sind sowohl mit einem Kühlschrank als auch mit einer Vakuumeinheit ausgestattet, um eine Überhitzung des Rotors durch Reibung mit der Luft zu verhindern. Die Rotoren solcher Zentrifugen bestehen aus hochfesten Aluminium- oder Titanlegierungen. Hauptsächlich werden Rotoren aus Aluminiumlegierungen verwendet, in Fällen, in denen besonders hohe Geschwindigkeiten erforderlich sind, kommen jedoch auch Rotoren aus Titan zum Einsatz. Um Vibrationen zu reduzieren, die durch Rotorunwucht aufgrund ungleichmäßiger Füllung der Zentrifugenröhrchen entstehen, verfügen Ultrazentrifugen über eine flexible Welle. Zentrifugenröhrchen und ihr Inhalt müssen sorgfältig auf 0,1 g genau ausgewogen sein. Ähnliche Anforderungen müssen bei der Beladung der Rotoren von Allzweckzentrifugen beachtet werden.

2.6 Rotordesign

2.6.1 Winkelrotoren und Rotoren mit hängenden Trommeln

Präparative Zentrifugenrotoren gibt es üblicherweise in zwei Ausführungen: eckig und mit hängenden Schüsseln. Sie werden eckig genannt, weil die darin platzierten Zentrifugenröhrchen immer in einem bestimmten Winkel zur Rotationsachse stehen. Bei Rotoren mit hängenden Bechergläsern werden die Reagenzgläser vertikal eingebaut und bewegen sich beim Drehen unter der Wirkung der resultierenden Zentrifugalkraft in eine horizontale Position; der Neigungswinkel zur Drehachse beträgt 90°.

Bei rechtwinkligen Rotoren ist der Weg, den die Partikel bis zur entsprechenden Wand des Reagenzglases zurücklegen, sehr gering, sodass die Sedimentation relativ schnell erfolgt. Nach der Kollision mit den Wänden des Reagenzglases rutschen die Partikel nach unten und bilden am Boden einen Sediment. Beim Zentrifugieren entstehen Konvektionsströmungen, die die Abtrennung von Partikeln mit ähnlichen Sedimentationseigenschaften erheblich erschweren. Dennoch werden Rotoren ähnlicher Bauart erfolgreich zur Abtrennung von Partikeln eingesetzt, deren Sedimentationsgeschwindigkeit recht stark schwankt.

Bei Rotoren mit aufgehängten Bechern werden auch Konvektionsphänomene beobachtet, die jedoch nicht so ausgeprägt sind. Konvektion ist das Ergebnis der Tatsache, dass sich Partikel unter dem Einfluss der Zentrifugalbeschleunigung in einer Richtung absetzen, die nicht streng senkrecht zur Rotationsachse verläuft, und daher, wie bei Winkelrotoren, an den Wänden des Reagenzglases anschlagen und zur Rotationsachse gleiten unten.

Konvektions- und Wirbeleffekte können bis zu einem gewissen Grad vermieden werden, indem Sektorrohre in hängenden Trommelrotoren verwendet werden und die Rotorgeschwindigkeit angepasst wird; Auch die Methode der Dichtegradientenzentrifugation weist die oben aufgeführten Nachteile auf.

2.6.2 Kontinuierliche Rotoren

Kontinuierliche Rotoren sind für die Horelativ kleiner Feststoffmengen aus großvolumigen Suspensionen konzipiert, beispielsweise zur Isolierung von Zellen aus Kulturmedien. Während der Zentrifugation wird dem Rotor kontinuierlich eine Partikelsuspension zugeführt; Der Durchsatz des Rotors hängt von der Art des abgeschiedenen Produkts ab und variiert zwischen 100 cm3 und 1 dm3 pro Minute. Die Besonderheit des Rotors besteht darin, dass es sich um eine isolierte Kammer besonderer Bauart handelt; Sein Inhalt kommuniziert nicht mit der äußeren Umgebung und wird daher nicht verschmutzt oder verteilt.

2.6.3 Zonenrotoren oder Anderson-Rotoren

Zonenrotoren bestehen aus Aluminium- oder Titanlegierungen, die sehr hohen Zentrifugalbeschleunigungen standhalten können. Sie verfügen meist über einen zylindrischen Hohlraum, der mit einem abnehmbaren Deckel verschlossen ist. Im Inneren des Hohlraums befindet sich auf der Rotationsachse ein axiales Rohr, auf dem eine Düse mit Schaufeln angebracht ist, die den Rotorhohlraum in vier Sektoren unterteilt. Die Schaufeln oder Leitbleche verfügen über radiale Kanäle, durch die ein Gefälle vom axialen Rohr zum Umfang des Rotors erzwungen wird. Dank dieser Gestaltung der Flügel wird die Konvektion auf ein Minimum reduziert.

Der Rotor ist gefüllt, wenn er mit einer Drehzahl von etwa 3000 U/min-1 rotiert. Ausgehend von einer Schicht geringster Dichte, die gleichmäßig über den Umfang des Rotors verteilt ist und durch die Zentrifugalkraft an seiner Außenwand senkrecht zur Rotationsachse gehalten wird, wird ein vorab erzeugter Gradient in den Rotor gepumpt. Wenn anschließend Gradientenschichten mit höherer Dichte hinzugefügt werden, kommt es zu einer kontinuierlichen Verschiebung in Richtung der Mitte der weniger dichten Schichten. Nachdem der gesamte Gradient in den Rotor gepumpt wurde, wird dieser bis zu seinem vollen Volumen mit einer Lösung namens „Kissen“ gefüllt, deren Dichte der höchsten Dichte des vorgeformten Gradienten entspricht oder diese geringfügig übersteigt.

Anschließend wird durch das Axialrohr die Prüfprobe geschichtet, die mit einer Lösung geringerer Dichte aus dem Rohr in das Rotorvolumen verdrängt wird, während das gleiche Volumen des „Kissens“ aus der Peripherie entfernt wird. Nach all diesen Vorgängen wird die Rotorrotationsgeschwindigkeit auf Betriebsgeschwindigkeit gebracht und für den erforderlichen Zeitraum entweder eine Zonengeschwindigkeits- oder eine Zonen-Isopyknal-Fraktionierung durchgeführt. Die Extraktion der Fraktionen erfolgt bei einer Rotorgeschwindigkeit von 3000 U/min -1. Der Inhalt des Rotors wird durch Hinzufügen eines „Kissens“ von der Peripherie verdrängt; die weniger dichten Schichten werden zuerst verdrängt. Dank der speziellen Gestaltung des Axialkanals des Anderson-Rotors kommt es bei der Verschiebung nicht zu einer Vermischung der Zonen. Der Ausgangsgradient wird durch ein Aufzeichnungsgerät, beispielsweise die Zelle eines Spektrophotometers, mit dem der Proteingehalt durch Absorption bei 280 nm bestimmt werden kann, oder durch einen speziellen Radioaktivitätsdetektor geleitet, wonach Fraktionen gesammelt werden.

Die Kapazität von Zonenrotoren, die bei mittleren Geschwindigkeiten eingesetzt werden, variiert zwischen 650 und 1600 cm3, wodurch eine relativ große Materialmenge gewonnen werden kann. Zonenrotoren werden zur Entfernung von Proteinverunreinigungen aus verschiedenen Präparaten sowie zur Isolierung und Reinigung von Mitochondrien, Lysosomen, Polysomen und Proteinen eingesetzt.

2.6.4 Analyse subzellulärer Fraktionen

Die Eigenschaften der bei der Fraktionierung des Arzneimittels erhaltenen subzellulären Partikel können nur dann auf die Eigenschaften der Partikel selbst zurückgeführt werden, wenn das Arzneimittel keine Verunreinigungen enthält. Daher ist es immer notwendig, die Reinheit der resultierenden Präparate zu bewerten. Die Wirksamkeit der Homogenisierung und das Vorhandensein von Verunreinigungen im Präparat können durch mikroskopische Untersuchung festgestellt werden. Allerdings ist das Fehlen sichtbarer Verunreinigungen noch kein verlässlicher Beweis für die Reinheit des Arzneimittels. Zur Quantifizierung der Reinheit wird das resultierende Präparat einer chemischen Analyse unterzogen, die es ermöglicht, seinen Protein- oder DNA-Gehalt, möglichst seine enzymatische Aktivität und seine immunologischen Eigenschaften zu bestimmen.

Die Analyse der Verteilung von Enzymen in fraktionierten Geweben basiert auf zwei allgemeinen Prinzipien. Die erste davon ist, dass alle Partikel einer bestimmten subzellulären Population den gleichen Satz Enzyme enthalten. Die zweite geht davon aus, dass jedes Enzym an einer bestimmten Stelle innerhalb der Zelle lokalisiert ist. Wenn diese Position wahr wäre, könnten Enzyme als Marker für die entsprechenden Organellen fungieren: Beispielsweise würden Cytochromoxidase und Monoaminoxidase als Markerenzyme für Mitochondrien dienen, saure Hydrolasen als Marker für Lysosomen, Katalase als Marker für Peroxisomen und Glucose- 6-Phosphatase – ein Marker mikrosomaler Membranen. Es stellte sich jedoch heraus, dass einige Enzyme, beispielsweise Malatdehydrogenase, P-Glucuronidase, NADP H-Cytochrom-C-Reduktase, in mehr als einer Fraktion lokalisiert sind. Daher sollte die Auswahl von Markerenzymen für subzelluläre Fraktionen in jedem spezifischen Fall erfolgen mit großer Vorsicht angegangen. Darüber hinaus bedeutet das Fehlen eines Markerenzyms nicht das Fehlen der entsprechenden Organellen. Es ist wahrscheinlich, dass das Enzym während der Fraktionierung aus den Organellen verloren geht oder gehemmt oder inaktiviert wird; daher sind mindestens zwei Markerenzyme vorhanden wird normalerweise für jede Fraktion bestimmt.

Fraktion	Volumen, cm"	Allgemeine Zucht	Ausrottung, 660 nm	Enzymaktivitätseinheiten	Aktivitätsausbeute in Fraktion, %
121	1:35	0,45	515
30	1:21,7	0,195	35,2	6,99
21,5	1:105	0,3	186,3	37
16,5	1:105	0,34	162	32,17
21	1:27,7	0,41	51,5	10,23
287	1:21,7	0,04	68,5	13,61
503,5	100

2.7 Fraktionierung durch Differentialzentrifugation

2.7.1 Präsentation der Ergebnisse

Die Ergebnisse der Gewebefraktionierung lassen sich am einfachsten in Form von Diagrammen darstellen. Bei der Untersuchung der Verteilung von Enzymen in Geweben lassen sich die Daten daher am besten in Form von Histogrammen darstellen, die eine visuelle Auswertung der Versuchsergebnisse ermöglichen.

Der Proteingehalt der enzymatischen Aktivität in der Probe wird sowohl im ursprünglichen Homogenat als auch in jeder isolierten subzellulären Fraktion separat bestimmt. Die gesamte enzymatische Aktivität und der Proteingehalt in den Fraktionen sollten nicht stark von den entsprechenden Werten im ursprünglichen Homogenat abweichen.

Anschließend werden die enzymatische Aktivität und der Proteingehalt in jeder Fraktion als Prozentsatz der Gesamtausbeute berechnet und auf dieser Grundlage ein Histogramm erstellt. Die relative Proteinmenge in jeder Fraktion in der Reihenfolge ihrer Isolierung ist nacheinander auf der Abszissenachse aufgetragen, und die relative spezifische Aktivität jeder Fraktion ist auf der Ordinatenachse aufgetragen. Somit wird die enzymatische Aktivität jeder Fraktion durch die Fläche der Säulen bestimmt.

2.7.2 Analytische Ultrazentrifugation

Im Gegensatz zur präparativen Zentrifugation, deren Zweck es ist, Substanzen zu trennen und zu reinigen, wird die analytische Ultrazentrifugation hauptsächlich zur Untersuchung der Sedimentationseigenschaften biologischer Makromoleküle und anderer Strukturen eingesetzt. Daher werden in der analytischen Zentrifugation Rotoren und Registriersysteme spezieller Bauart eingesetzt: Sie ermöglichen eine kontinuierliche Überwachung der Sedimentation von Material in einem Zentrifugalfeld.

Analytische Ultrazentrifugen können Drehzahlen von bis zu 70.000 U/min erreichen und so eine Zentrifugalbeschleunigung von bis zu 500.000 g erzeugen. Ihr Rotor hat in der Regel die Form eines Ellipsoids und ist über eine Schnur mit einem Motor verbunden, wodurch Sie die Drehzahl des Rotors variieren können. Der Rotor dreht sich in einer Vakuumkammer, die mit einer Kühlvorrichtung ausgestattet ist, und verfügt über zwei Zellen, eine Analyse- und eine Ausgleichszelle, die streng vertikal parallel zur Rotationsachse in der Zentrifuge installiert sind. Die Auswuchtzelle dient zum Ausbalancieren der Analysezelle und ist ein Metallblock mit Präzisionssystem. Es verfügt außerdem über zwei Indexlöcher, die in einem genau definierten Abstand von der Rotationsachse angeordnet sind und mit deren Hilfe die entsprechenden Abstände in der Analysezelle bestimmt werden. Die Analysezelle, deren Fassungsvermögen üblicherweise 1 cm3 beträgt, hat eine Sektorform. Bei ordnungsgemäßem Einbau in den Rotor funktioniert er trotz der vertikalen Aufstellung nach dem gleichen Prinzip wie ein Rotor mit hängenden Bechern und schafft nahezu ideale Sedimentationsbedingungen. An den Enden der Analysenzelle befinden sich Fenster mit Quarzgläsern. Analytische Ultrazentrifugen sind mit optischen Systemen ausgestattet, die eine Beobachtung der Partikelsedimentation während der gesamten Zentrifugationsdauer ermöglichen. In festgelegten Abständen kann das sedimentierte Material fotografiert werden. Bei der Fraktionierung von Proteinen und DNA wird die Sedimentation durch Absorption im ultravioletten Licht und in Fällen, in denen die untersuchten Lösungen unterschiedliche Brechungsindizes aufweisen, mithilfe des Schlieren-Systems oder des Rayleigh-Interferenzsystems überwacht. Die letzten beiden Methoden basieren auf der Tatsache, dass beim Durchgang von Licht durch eine transparente Lösung, die aus Zonen unterschiedlicher Dichte besteht, eine Lichtbrechung an der Grenze der Zonen auftritt. Bei der Sedimentation bildet sich eine Grenze zwischen Zonen mit schweren und leichten Partikeln, die als Brechungslinse wirkt; In diesem Fall erscheint ein Peak auf der Fotoplatte, die als Detektor dient. Während der Sedimentation verschiebt sich die Grenze und damit der Peak, anhand dessen Geschwindigkeit man die Sedimentationsgeschwindigkeit des Materials beurteilen kann. Interferometrische Systeme sind empfindlicher als Schlierensysteme. Analysezellen bestehen aus Einzelsektoren, die am häufigsten verwendet werden, und aus Zweisektoren, die für die vergleichende Untersuchung von Lösungsmitteln und gelösten Stoffen verwendet werden.

In der Biologie wird die analytische Ultrazentrifugation zur Bestimmung des Molekulargewichts von Makromolekülen, zur Überprüfung der Reinheit der resultierenden Proben und auch zur Untersuchung von Konformationsänderungen in Makromolekülen eingesetzt.

2.8 Anwendungen der analytischen Ultrazentrifugation

2.8.1 Bestimmung von Molekulargewichten

Es gibt drei Hauptmethoden zur Bestimmung von Molekulargewichten mittels analytischer Ultrazentrifugation: Bestimmung der Sedimentationsgeschwindigkeit, Sedund Sedimentationsgleichgewichtsnäherungsmethode.

Die Bestimmung des Molekulargewichts anhand der Sedimentationsgeschwindigkeit ist die gebräuchlichste Methode. Die Zentrifugation wird mit hohen Geschwindigkeiten durchgeführt, so dass die zunächst gleichmäßig im gesamten Volumen verteilten Partikel beginnen, sich vom Rotationszentrum aus geordnet entlang eines Radius zu bewegen. Es bildet sich eine klare Grenzfläche zwischen dem bereits partikelfreien Bereich des Lösungsmittels und dem Teil, der diese enthält. Diese Grenze bewegt sich während der Zentrifugation, was es ermöglicht, die Sedimentationsgeschwindigkeit von Partikeln mit einer der oben genannten Methoden zu bestimmen und diese Bewegung auf einer Fotoplatte aufzuzeichnen.

Die Sedimentationsgeschwindigkeit wird durch die folgende Beziehung bestimmt:

wobei x der Abstand von der Drehachse in cm ist,

t- Zeit in s,

w - Winkelgeschwindigkeit in rad-s-1,

s ist der Sedimentationskoeffizient des Moleküls.

Der Sedimentationskoeffizient ist die Geschwindigkeit pro Beschleunigungseinheit und wird in Seedberg-Einheiten gemessen; 1 Svedberg-Einheit entspricht 10_13 s. Der numerische Wert von s hängt vom Molekulargewicht und der Form der Partikel ab und ist ein für ein bestimmtes Molekül oder eine supramolekulare Struktur charakteristischer Wert. Beispielsweise beträgt der Sedimentationskoeffizient von Lysozym 2,15 S; Catal Aza hat einen Sedimentationskoeffizienten von 11,35 S, bakterielle ribosomale Untereinheiten liegen zwischen 30 und 50 S und eukaryotische ribosomale Untereinheiten zwischen 40 und 60 S.

Dabei ist M das Molekulargewicht des Moleküls, R die Gaskonstante, T die absolute Temperatur, s der Sedimentationskoeffizient des Moleküls, D der Diffusionskoeffizient des Moleküls und v das partielle spezifische Volumen, das sein kann Betrachtet man das Volumen, das von einem Gramm gelöster Substanz eingenommen wird, ist p die Dichte des Lösungsmittels.

Sedimentationsgleichgewichtsmethode. Die Bestimmung der Molekulargewichte nach dieser Methode erfolgt bei relativ niedrigen Rotorgeschwindigkeiten in der Größenordnung von 7.000–8.000 U/min, damit sich Moleküle mit hohem Molekulargewicht nicht am Boden absetzen. Die Ultrazentrifugation wird so lange durchgeführt, bis die Partikel ein Gleichgewicht erreichen, das sich unter dem Einfluss von Zentrifugalkräften einerseits und Diffusionskräften andererseits einstellt, d. h. bis sich die Partikel nicht mehr bewegen. Aus dem resultierenden Konzentrationsgradienten wird dann nach der Formel das Molekulargewicht der Substanz berechnet

Dabei ist R die Gaskonstante, T die absolute Temperatur, ω die Winkelgeschwindigkeit, p die Dichte des Lösungsmittels, v das spezifische Teilvolumen, cx und c2 die Konzentration der gelösten Substanz in den Abständen r und r2 von die Drehachse.

Der Nachteil dieser Methode besteht darin, dass das Erreichen des Sedimentationsgleichgewichts lange dauert – von mehreren Tagen bis zu mehreren Wochen bei kontinuierlichem Betrieb der Zentrifuge.

Die Methode zur Annäherung an das Sedimentationsgleichgewicht wurde entwickelt, um die Nachteile der bisherigen Methode zu beseitigen, die mit dem großen Zeitaufwand für die Einstellung des Gleichgewichts verbunden waren. Mit dieser Methode können Molekulargewichte bestimmt werden, wenn sich die zentrifugierte Lösung in einem Zustand befindet Annäherung an das Gleichgewicht. Zunächst verteilen sich die Makromoleküle gleichmäßig über das gesamte Volumen der Analysezelle. Mit fortschreitender Zentrifugation setzen sich die Moleküle dann ab und die Dichte der Lösung im Bereich des Meniskus nimmt allmählich ab. Die Änderung der Dichte wird sorgfältig erfasst und dann durch komplexe Berechnungen unter Einbeziehung einer großen Anzahl von Variablen das Molekulargewicht einer bestimmten Verbindung anhand der Formeln bestimmt:

Dabei ist R die Gaskonstante, T die absolute Temperatur, v das spezifische Teilvolumen, p die Dichte des Lösungsmittels, dcldr der Konzentrationsgradient des Makromoleküls, gm und gd der Abstand zum Meniskus und zum Boden von das Reagenzglas, cm und d sind die Konzentration von Makromolekülen am Meniskus und y am Boden des Reagenzglases, Mm und MR sind die Werte der Molekulargewichte, die aus der Konzentrationsverteilung der Substanz bestimmt werden am Meniskus bzw. am Boden des Reagenzglases.

2.8.2 Bewertung der Arzneimittelreinheit

Die analytische Ultrazentrifugation wird häufig zur Bewertung der Reinheit von DNA-, Virus- und Proteinpräparaten eingesetzt. Die Reinheit von Präparaten ist zweifellos sehr wichtig, wenn das Molekulargewicht eines Moleküls genau bestimmt werden muss. In den meisten Fällen kann die Homogenität eines Präparats anhand der Art der Sedimentationsgrenze mithilfe der Methode zur Bestimmung der Sedimentationsgeschwindigkeit beurteilt werden: Ein homogenes Präparat ergibt normalerweise eine scharf definierte Grenze. Im Präparat vorhandene Verunreinigungen erscheinen als zusätzliche Spitze oder Schulter; Sie bestimmen auch die Asymmetrie des Hauptpeaks.

2.8.3 Untersuchung von Konformationsänderungen in Makromolekülen

Ein weiteres Anwendungsgebiet der analytischen Ultrazentrifugation ist die Untersuchung von Konformationsänderungen in Makromolekülen. Ein DNA-Molekül kann beispielsweise einzel- oder doppelsträngig, linear oder zirkulär sein. Unter dem Einfluss verschiedener Verbindungen oder bei erhöhten Temperaturen erfährt DNA eine Reihe reversibler und irreversibler Konformationsänderungen, die durch Änderungen der Sedimentationsgeschwindigkeit der Probe bestimmt werden können. Je kompakter das Molekül ist, desto niedriger ist sein Reibungskoeffizient in Lösung und umgekehrt: Je weniger kompakt es ist, desto größer ist der Reibungskoeffizient und desto langsamer sedimentiert es. So ermöglichen Unterschiede in der Sedimentationsgeschwindigkeit einer Probe vor und nach verschiedenen Einflüssen die Erkennung von Konformationsänderungen in Makromolekülen.

Bei allosterischen Proteinen wie der Aspartattranscarbamoylase treten Konformationsänderungen aufgrund ihrer Bindung an das Substrat und kleine Liganden auf. Die Dissoziation des Proteins in Untereinheiten kann durch die Behandlung mit Substanzen wie Harnstoff oder Parachlormercuribenzoat verursacht werden. Alle diese Veränderungen können mithilfe der analytischen Ultrazentrifugation leicht überwacht werden.

Unter Zentrifugation versteht man die mechanische Trennung von Gemischen in ihre Bestandteile.
durch die Wirkung der Zentrifugalkraft. Hierfür verwendete Geräte
Ziele werden Zentrifugen genannt.
Der Hauptteil der Zentrifuge ist der Rotor mit montiertem Rotor
Es verfügt über Steckplätze für Zentrifugenröhrchen. Der Rotor dreht sich mit
hohe Geschwindigkeit, wodurch erheblicher Schaden entsteht
Größe der Zentrifugalkräfte, unter deren Einfluss
Beispielsweise werden mechanische Gemische getrennt
Sedimentation von in einer Flüssigkeit suspendierten Partikeln.

Prozesse, die in einer Zentrifuge ablaufen

In Zentrifugen werden folgende Prozesse getrennt:
1) Zentrifugalfiltration.
2) Zentrifugales Absetzen.
3) Zentrifugale Klärung.

Zentrifugalfiltration

Zentrifugalfiltration ist
Verfahren zur Trennung von Suspensionen in Zentrifugen mit
löchriges Schlagzeug. Innenfläche
einer solchen Trommel ist mit Filtertuch abgedeckt.
Die Suspension wird in Richtung geschleudert
Trommelwände, während die feste Phase eingeschaltet bleibt
Oberfläche des Stoffes und die Flüssigkeit unter dem Einfluss
Zentrifugalkraft durchdringt die Sedimentschicht und
Der Stoff wird durch die Löcher in der Trommel entnommen.
Die Zentrifugalfiltration besteht normalerweise aus
drei aufeinanderfolgende physikalische Prozesse:
1)Filtration unter Bildung eines Niederschlags;
2) Sedimentverdichtung;
3)Entfernung der aus dem Sediment zurückgehaltenen Flüssigkeit
molekulare Kräfte;

Zentrifugales Absetzen

Zentrifugales Absetzen
Zentrifugales Absetzverfahren – Trennverfahren
Suspensionen in Zentrifugen mit Trommeln
feste Wände. Die Suspension wird in den unteren eingespritzt
Teil der Trommel und unter dem Einfluss der Zentrifugalkraft
gegen die Wände geworfen. An den Wänden bildet sich eine Schicht
Sediment, und die Flüssigkeit bildet die innere Schicht und
wird aus der Trommel in die Trennung gedrückt
Suspension. Die Flüssigkeit steigt nach oben,
strömt über den Rand der Trommel und wird entfernt
aus.
Dabei laufen zwei physikalische Prozesse ab:
1) Sedimentation der festen Phase.
2) Sedimentverdichtung.

Zentrifugale Klärung

Zentrifugale Klärung – Trennverfahren
dünne Suspensionen und kolloidale Lösungen. Also
es wird in massiven Fässern durchgeführt.
Aufgrund seines physikalischen Wesens zentrifugal
Aufklärung ist ein Prozess
freie Ablagerung von Feststoffpartikeln im Feld
Zentrifugalkräfte.
In Fässern mit festen Wänden
Auch Emulsionen werden getrennt. Unter
Komponenten aufgrund der Zentrifugalkraft
Emulsionen nach Dichte
sind in Form abgegrenzter Schichten angeordnet:
äußere Flüssigkeitsschicht mit höherer Dichte
und eine innere Schicht aus leichterer Flüssigkeit.
Flüssigkeiten werden separat aus der Trommel abgeführt.

In klinischen und sanitären Laboren
Zentrifugation wird verwendet
zur Trennung roter Blutkörperchen
Blutplasma, Blutgerinnsel aus
Serum, dichte Partikel aus
flüssiger Teil des Urins usw. Für
zu diesem Zweck verwendet bzw
manuelle Zentrifugen, bzw
elektrisch angetriebene Zentrifugen,
deren Rotationsgeschwindigkeit
kann angepasst werden.
Ultrazentrifugen, Geschwindigkeit
Drehung der Rotoren davon
über 40.000 U/min,
normalerweise verwendet in
experimentelle Praxis
zur Organellentrennung
Zellen, kolloidale Kompartimente
Partikel, Makromoleküle,
Polymere.

Verwendung der Zentrifugation in der Parasitologie

Die Methode dient der Differenzierung komplexer
Blutmischung, Urin oder Kot, gefolgt von
zur weiteren Isolierung von Helminthen daraus
Unter dem Mikroskop studieren und das Material fixieren. IN
Zentrifugationsprozess in der Probe
Parasiten passieren den Filter und sammeln sich darin an
untere konische Kammer des Reagenzglases. Filternetz
mit speziell dimensionierten Zellen
in einem Reagenzglas steht dadurch senkrecht
Was passiert horizontal (lateral)
Probenfiltration. Infolgedessen unhöflich
Partikel unverdauter Nahrung und Ballaststoffe setzen sich fest
Mischkammer und Parasiten und ihre Eier
ungehindert durch den Filter passieren. Also
Dadurch konzentrieren sich Parasiten
Oberflächenschicht aus feinem Sediment und
Der Laborarzt kann nur sorgfältig auswählen
Probe für die Mikroskopie
automatische Pipette und wenden Sie diese an
gleiten.

Zentrifugationsmethode in der Zytologie

Differentialmethode
Zentrifugation wird verwendet für
Fraktionierung von Zellen, also deren Trennung
Inhalt je nach Spezifität in Bruchteile aufteilen
Gewicht verschiedener Organellen und zellulärer Einschlüsse.
Dazu werden fein gemahlene Zellen einrotiert
ein spezielles Gerät - eine Ultrazentrifuge. IN
entstehen durch Zentrifugation von Zellbestandteilen
Niederschlag aus Lösung, befindet sich in
entsprechend seiner Dichte. Dichter
Strukturen setzen sich zu niedrigeren Raten nieder
Zentrifugation und weniger dichte - bei hoher Temperatur
Geschwindigkeiten Die resultierenden Schichten werden getrennt und untersucht
separat.

10. Zentrifugation in Botanik und Pflanzenphysiologie

Durch Zentrifugation können Sie verschiedene erhalten
Fraktionen subzellulärer Partikel und erforschen
Eigenschaften und Funktionen jeder Fraktion in
separat. Zum Beispiel aus Spinatblättern
Chloroplasten isolieren, mit waschen
wiederholtes Zentrifugieren in einem geeigneten
Umgebung aus Zellfragmenten und untersuchen sie
Verhalten in verschiedenen experimentellen
Bedingungen oder bestimmen ihre chemische Zusammensetzung.
Darüber hinaus können Sie verschiedene Modifikationen verwenden
Techniken zerstören diese Plastiden und isolieren sie
durch
Differentialzentrifugation (wiederholt
der Partikelablagerung bei verschiedenen Werten
Beschleunigung) ihre Bestandteile. Also
anhand dessen konnte gezeigt werden, dass Plastiden enthalten
Strukturen, die sich durch eine sehr geordnete Struktur auszeichnen
Struktur - die sogenannte Grana; alle Körner
befinden sich innerhalb des begrenzenden Chloroplasten
Membranen (Chloroplastenhülle). Vorteile
Diese Methode ist einfach von unschätzbarem Wert, weil sie
ermöglicht es uns, die Existenz zu offenbaren
funktionale Untereinheiten, aus denen sich zusammensetzt
größere subzelluläre Partikel; insbesondere,
Methode verwenden

11. Zentrifugationsmethode in der Virologie

Die Bracquet-Dichtekann sein
sowohl zum Auswählen als auch zum Abrufen verwenden
quantitative Eigenschaften von Pflanzenviren. Wie sich herausstellte,
Diese Methode bietet auch heute noch viele Möglichkeiten
weit verbreitet im Bereich der Virologie und Molekularbiologie
Biologie. Bei der Durchführung von Forschungsarbeiten mit
Zentrifugenröhrchen für die Dichtegradientenzentrifugation
teilweise mit einer Lösung gefüllt, deren Dichte abnimmt
Richtung von unten zum Meniskus. Um einen Farbverlauf zu erstellen, wenn
am häufigsten bei der Fraktionierung von Pflanzenviren verwendet
Saccharose. Vor Beginn der Zentrifugation können Viruspartikel vorhanden sein
entweder über das gesamte Lösungsvolumen verteilt oder aufgetragen werden
die Spitze des Farbverlaufs. Brakke schlug drei verschiedene Techniken vor
Dichtegradientenzentrifugation. Mit Isopycpic
(Gleichgewichts-)Zentrifugationsprozess dauert bis
bis alle Partikel im Gradienten ein Niveau erreichen, bei dem die Dichte erreicht ist
Umgebung ist gleich ihrer eigenen Dichte. Auf diese Weise,
Die Partikelfraktionierung erfolgt in diesem Fall gemäß
Unterschiede in ihrer Dichte. Saccharoselösungen haben keine
ausreichende Dichte für die isopyknale Trennung vieler
Viren. Während der Hochgeschwindigkeits-Zonenzentrifugation wird das Virus
Zunächst wird ein zuvor erstellter Farbverlauf angewendet. Partikel
jede Art wird durch ein Gefälle in Form einer Zone sedimentiert,
oder Streifen, mit einer Geschwindigkeit je nach Größe, Form und
Dichte. Die Zentrifugation ist abgeschlossen, wenn die Partikel vorhanden sind
immer noch sedimentieren. Gleichgewichtszone
Die Zentrifugation ähnelt der Hochgeschwindigkeits-Zonenzentrifugation
Zentrifugation, aber in diesem Fall Zentrifugation

12. Schwierigkeiten bei der Anwendung der Zentrifugationsmethode

Anwendung der Di
ist mit vielen methodischen Schwierigkeiten verbunden. Erstens, wann
Die Freisetzung von Partikeln kann deren Struktur beschädigen. Deshalb
es war notwendig, spezielle Methoden zur Zellzerstörung zu entwickeln,
was keinen Schaden an der subzellulären Struktur verursachen würde
Fraktionen. Zweitens, da subzelluläre Partikel vorhanden sind
Membranen können im Prozess ihrer Sekretion entstehen
verschiedene osmotische Effekte. Deshalb, um
damit die Ultrastruktur der untersuchten Objekte nicht zerstört wird
Auch bei der Isolierung muss die Zusammensetzung sorgfältig ausgewählt werden
Umgebung, in der es zu Zellzerstörung und Sedimentation kommt
Partikel. Schließlich werden subzelluläre Partikel abgewaschen
(Resuspension im Medium und anschließende Wiederholung).
Zentrifugation) kann zum Verlust einiger Teile führen
darin enthaltene Stoffe, die unter dem Einfluss von Diffusionskräften stehen
in Lösung gehen.
Aus diesem Grund kann es manchmal schwierig sein, zu verstehen, um welche kleinen Moleküle es sich handelt
sind wirklich Elemente der untersuchten Strukturen, und welche
wurden während des Freisetzungsprozesses einfach an ihrer Oberfläche adsorbiert.
Diese Situation macht es schwierig, einige genau zu bestimmen
funktionale Eigenschaften ausgewählter Objekte.

Neben der Filtration ist die Trennung eines Gemisches aus flüssigen und festen Stoffen auch durch Zentrifugation, also die Trennung von Stoffen in sogenannten Zentrifugen, möglich.

Der Einsatz einer Zentrifuge basiert auf der Nutzung der Zentrifugalkraft. Bei der schnellen Rotation (Zentrifugation) werden in einer Flüssigkeit suspendierte Feststoffpartikel (mit einer höheren Dichte als die Dichte der Flüssigkeit) unter dem Einfluss der bei der Rotation entstehenden Zentrifugalkraft vom Zentrum weggeschleudert und so von der Flüssigkeit getrennt.

Reis. 407. Thiessen-Apparat für mikroanalytische Arbeiten

Reis. 408. Manuelle Zentrifuge

Es gibt Zentrifugen: offen und geschlossen, manuell und mechanisch angetrieben. Der Hauptteil einer offenen manuellen Zentrifuge (Abb. 408) ist eine vertikal montierte Drehachse, an deren oberem Ende senkrecht eine Stange mit zwei (oder vier) beweglich befestigten Metallhülsen befestigt ist. In diese Hülsen (Abb. 409) werden spezielle, nach unten verengte Röhrchen mit Flüssigkeit eingeführt, aus der Schwebstoffe entfernt werden müssen,

Am unteren Ende der Hülse wird ein Stück Watte platziert, „um den direkten Kontakt von Glas mit Metall zu vermeiden.“ Beim Einsetzen der Röhrchen in die Hülsen wird die Zentrifuge in Gang gesetzt und nach einiger Zeit (abhängig von der Viskosität der Flüssigkeit, der Größe der suspendierten Partikel und dem Dichteunterschied) werden die suspendierten Feststoffe von der Flüssigkeit getrennt bei dem die Zentrifuge gestoppt wird. Am Boden des Reagenzglases sammelt sich ein dichter Bodensatz aus fester Substanz, darüber befindet sich eine klare Flüssigkeit.

Z abgedeckte Zentrifugen(Abb. 410) enthalten je nach Größe eine unterschiedliche Anzahl von Hülsen, von 2 bis 12 oder mehr, die symmetrisch im gleichen Abstand voneinander und von der Achse der Zentrifuge angeordnet sind.

Mechanische geschlossene Zentrifugen(Abb. 410, b) sind bequemer als manuelle (Abb. 410, a). Sie liefern normalerweise 2000–3000 U/min und ermöglichen so eine perfektere Trennung von Flüssigkeit und Feststoff.

Zentrifugenröhrchen müssen nach dem Befüllen mit Flüssigkeit die gleiche Masse haben. Bei häufigem Einsatz der Zentrifuge empfiehlt sich der Einsatz spezieller Waagen zum Wiegen bzw. Tarieren von Reagenzgläsern. Bei diesen Waagen sind die Becher mithilfe von Stangen, die in der Mitte der Becher befestigt sind, an einer Wippe aufgehängt. Diese Stäbe haben Ringe, in die Reagenzgläser eingesetzt werden.

Nachdem Sie die Reagenzgläser verstärkt haben, gießen Sie die zu zentrifugierende Flüssigkeit zunächst in ein Reagenzglas (z. B. mit einer Pipette) und dann in das zweite und achten Sie dabei auf das Gleichgewicht der Becher.

Man sollte niemals zu viel Flüssigkeit in Reagenzgläser füllen; Die Röhrchen werden so gefüllt, dass der Abstand vom Rand zum Flüssigkeitsspiegel mindestens 10 mm beträgt.

Wenn Sie viele Reagenzgläser ausbalancieren müssen, empfiehlt sich die Verwendung der folgenden Technik. Nachdem das erste Paar Reagenzgläser ausbalanciert wurde, wird eines davon entnommen und in das Zentrifugennest gestellt, das andere bleibt auf der Waage; Dieses letzte Reagenzglas dient als Standard für den Rest; ein weiteres Reagenzglas wird in den frei gewordenen Raum auf der Waage eingesetzt, mit dem Standard abgeglichen und entfernt. Es empfiehlt sich außerdem, die Reagenzgläser vorzufüllen (etwas weniger Flüssigkeit als erforderlich zu entnehmen) und dann während der Äquilibrierung die erforderliche Flüssigkeitsmenge hinzuzufügen. Diese Technik beschleunigt die Arbeit.

Reis. 409. Zentrifugenröhrchen.

In die Zentrifugenschlitze werden ausgeglichene Röhrchen eingesetzt.

Die Zentrifuge sollte nicht sofort mit voller Geschwindigkeit gestartet werden, sondern schrittweise. Dies gilt sowohl für manuelle als auch für mechanische Zentrifugen.

Reis. 410. Geschlossene Zentrifugen: a – mit Handantrieb; b - mit einem Elektromotor.

Mechanische Zentrifugen verfügen über entsprechende Vorrichtungen zur Drehzahlregelung. So sind elektrische Zentrifugen mit Rheostaten zur stufenweisen Aktivierung bei voller Drehzahl ausgestattet. Bei Zentrifugen mit Wasserturbinenantrieb wird durch die Regulierung des Wasserstrahls eine stufenweise Erhöhung der Drehzahl erreicht. Je sorgfältiger die Aktivierung durchgeführt wurde, desto zuverlässiger arbeitet die Zentrifuge.

Die Zentrifuge sollte ständig überwacht werden; Eine Verschmutzung, insbesondere der beweglichen Teile, ist nicht akzeptabel. Metallhülsen sollten sich leicht und frei drehen lassen. Die Zahnräder, die die Zentrifuge antreiben, müssen sich reibungslos bewegen lassen; Sie sollten nicht mit Schmiermitteln geschmiert werden, die verdicken können. Auch die Zentrifugenachse muss in Ordnung und immer sauber sein.

Bei unvorsichtigem Umgang mit Zentrifugen, insbesondere bei manuellen, kann die Achse verbiegen und dadurch die Zentrifuge außer Betrieb gesetzt werden.

Lassen Sie die Zentrifuge nach dem Ausschalten anhalten und entnehmen Sie erst dann die Reagenzgläser.

In letzter Zeit haben sich sogenannte Superzentrifugen, die bis zu 40.000 U/min produzieren, immer weiter verbreitet (Abb. 411).

Reis. 411 Superzentrifuge

Solche Zentrifugen eignen sich besonders zum Zentrifugieren aller Arten von viskosen Lösungen, wie zum Beispiel Lacken, dünnen Dispersionen und Emulsionen.

Die zu superzentrifugierende Flüssigkeit gelangt in die Leitung 1, die sich im unteren Teil der Vorrichtung befindet. Anschließend wird die Flüssigkeit in den mit einer Drehzahl von bis zu 40.000 U/min rotierenden Arbeitszylinder 2 gegossen, in dem die Abtrennung schwerer, in der Flüssigkeit suspendierter Partikel erfolgt. Die Flüssigkeit steigt allmählich entlang des Zylinders 2 bis zum Abscheider 5, und wenn die Emulsion zerstört wird, fließt die leichtere Flüssigkeit durch den Abfluss 8 und die schwerere Flüssigkeit durch den Abfluss 4 ab. Wenn feste Partikel mit einer Dichte größer als eins abgeschieden werden, Die Flüssigkeit fließt durch den Abfluss 3 ab. An der Innenwand des Arbeitszylinders lagert sich ein abgeschiedener fester Bodensatz ab. Superzentrifuge. Von Zeit zu Zeit wird die Superzentrifuge angehalten, der Arbeitszylinder 2 entfernt, von Sedimenten befreit und nach dem Wiedereinsetzen wird die Arbeit fortgesetzt. Der gesamte Reinigungsvorgang des Arbeitszylinders dauert vom Stoppen bis zum Neustart der Superzentrifuge nicht länger als 15 Minuten. Müssen größere Flüssigkeitsmengen gereinigt werden, kommen drei8 Superzentrifugen zum Einsatz: eine arbeitet, die andere wird gereinigt, die dritte ist in Reserve,