Comment équilibrer une centrifugeuse : modèles de chargement de 2, 3, 5 et 7 tubes et pourquoi un volume égal ne suffit pas

Note technique · Équilibre du rotor et chargement partiel

L’équilibre d’une centrifugeuse n’est pas fondamentalement une règle de nombre de tubes impair contre pair . Le vrai problème est de savoir si la masse, le rayon et la position angulaire se combinent pour maintenir le centre de masse du système rotatif sur son axe. Cette distinction devient critique lorsque le rotor n’est que partiellement chargé.

Deux tubes contiennent chacun 10 ml de liquide. Leurs lignes de remplissage sont identiques.

Sont-ils équilibrés ? Pas nécessairement.

Considérons maintenant trois tubes. Parce que trois est un nombre impair, le rotor doit-il être déséquilibré ? Encore une fois, non.

La question utile n’est pas simplement de savoir combien de tubes sont présents. Il s'agit de savoir si la charge complète crée une répartition équilibrée des masses autour de l'axe de rotation.

Une centrifugeuse équilibre la distribution de masse, pas le nombre de tubes

Dans un modèle de rotor simplifié, chaque tube chargé peut être représenté comme une masse située à un rayon et un angle définis.

Dans un rotor où toutes les positions des tubes partagent approximativement le même rayon, le problème devient principalement un problème de masse et de symétrie angulaire..

Placer deux tubes égaux l’un en face de l’autre fonctionne car leurs vecteurs de masse s’annulent. Il s’agit d’un cas particulier d’une condition de centre de masse plus large, et non d’une loi d’équilibrage distincte.

Pourquoi une petite erreur de masse est plus importante à mesure que le régime augmente

Considérons un déséquilibre de masse idéalisé de 1 g situé à 10 cm de l'axe de rotation.

En utilisant : F = Δm × r × ω⊃2 ; , la force radiale théorique associée à ce déséquilibre augmente rapidement avec la vitesse.

Calcul de masse ponctuelle idéalisé pour illustrer le RPM⊃2 ; relation. Ces valeurs ne constituent pas des limites de sécurité du rotor et ne doivent pas être interprétées comme la charge réelle sur un roulement, un arbre ou un rotor spécifique.

Le doublement du régime augmente cette force idéalisée d'environ quatre fois. C'est pourquoi une erreur de chargement qui paraît insignifiante à faible vitesse devient de plus en plus importante à des vitesses de rotation plus élevées.

Un volume égal n’est pas la même chose qu’un équilibre égal

Supposons qu’un tube contienne 10 ml d’eau et qu’un autre contienne 10 ml d’une solution plus dense.

Les notes de fin d'études correspondent. Ce n’est pas le cas de leurs masses.

Pour les charges opposées de routine, il est plus défendable de faire correspondre la masse totale du tube, du bouchon et du contenu que de faire correspondre le niveau de liquide à l'œil nu.

Même une masse totale égale ne décrit pas toutes les différences dynamiques possibles. La documentation du rotor d'Eppendorf/Hitachi avertit que des densités d'échantillon, des volumes, des diamètres internes ou des formes de tubes sensiblement différents peuvent déplacer le centre de gravité et contribuer au déséquilibre.

Plus les assemblages opposés sont proches en termes de géométrie du conteneur et de distribution de masse , plus la comparaison devient significative.

Deux et trois tubes révèlent la géométrie derrière l'équilibre

Un agencement à trois tubes démontre également pourquoi la déclaration « les nombres impairs ne peuvent pas être équilibrés » est incorrecte.

Ce qui compte est de savoir si les positions de rotor disponibles peuvent produire la symétrie angulaire requise et si le fabricant autorise cette charge partielle.

Cinq et sept tubes sont les endroits où les diagrammes de chargement universels cessent d'être fiables

Les charges à cinq et sept échantillons sont souvent présentées en ligne comme s'il existait une disposition en forme d'étoile applicable à chaque rotor.

Les manuels officiels des rotors montrent pourquoi cela est dangereux en règle générale.

La géométrie du rotor est une structure technique et non un cercle abstrait. La disposition des cavités, le support des tubes, les contraintes du corps du rotor et la qualification du fabricant sont tous importants.

Un modèle mathématiquement élégant ne peut donc pas remplacer le manuel d'utilisation.

Un tube factice est un contrepoids, pas seulement de l'eau remplie jusqu'à la même ligne

Le conseil familier « ajouter de l’eau jusqu’à ce que les niveaux correspondent » est donc trop large pour fonctionner comme une règle d’équilibrage universelle.

Les rotors à godets oscillants ont deux problèmes d'équilibre, pas un

Les systèmes à godets pivotants ajoutent une autre exigence géométrique car le godet lui-même pivote pendant l'accélération.

Ceci explique une situation subtile : deux godets opposés peuvent avoir le même poids total alors que leurs dispositions de tubes internes restent géométriquement différentes.

Beckman Coulter note qu'un chargement incorrect du support peut empêcher les godets d'atteindre la position horizontale prévue pendant un cycle, affectant potentiellement la séparation par densité et augmentant le risque de rupture des tubes.

Un détecteur de déséquilibre ne prouve pas que la charge est correcte

Pourquoi « Cinq échantillons » constitue un problème différent selon les rotors GlanLab

La famille YT5 de GlanLab illustre l'importance d'identifier le rotor réel avant de discuter du chargement partiel.

Les configurations à angle fixe publiées incluent différents nombres de positions pour les formats de 15 ml et 50 ml.

Le déséquilibre admissible est également une spécification du rotor

Un autre raccourci Internet est l'idée selon laquelle chaque charge de centrifugeuse doit être équilibrée selon une tolérance universelle telle que 0,1 g.

Les manuels du fabricant montrent le contraire. Différents systèmes de rotor publient différentes limites de balourd admissibles ou approximatives.

La valeur correcte vient donc de :

Une tolérance prélevée sur un autre rotor, même sur un autre rotor du même fabricant, n'est pas automatiquement transférable.

Un meilleur flux de travail d'équilibrage commence avec le manuel du rotor, pas avec le nombre de tubes

Trois limites comptent plus que la mémorisation d'un diagramme de chargement

L'équilibrage de la centrifugeuse est en fin de compte un problème vectoriel spécifique au rotor

Deux tubes démontrent une opposition à 180°.

Trois tubes démontrent qu'un nombre impair peut toujours former un arrangement vectoriel équilibré.

Cinq et sept tubes exposent la frontière technique la plus importante : la symétrie mathématique et la charge qualifiée par le fabricant ne sont pas des concepts interchangeables.

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Références techniques

• Manuel d'instructions du rotor à angle fixe Thermo Scientific Tft-80.2 — équilibrage de charge partielle spécifique au rotor et configuration à cinq échantillons.
• Manuel d'instructions du rotor en titane à angle fixe Thermo Scientific T-1270 — règles de charge partielle nécessitant des tubes factices pour 1, 5, 7 et 11 échantillons.
• Beckman Coulter, Balancing Your Rotor — opposer l'équilibre du godet, la symétrie de l'axe de pivotement et les limites de la détection des déséquilibres.
• Documentation du rotor Eppendorf / Hitachi — effets de la masse du tube, de la densité, de la géométrie et des différences de centre de gravité sur l'équilibrage.