Una centrifuga è un dispositivo scientifico cruciale che utilizza la forza centrifuga per separare le sostanze in base alla densità, essenziale in campi come la chimica, la biochimica e la biologia molecolare. È disponibile nelle varianti bassa, alta e ultraveloce, dove la velocità di rotazione e la capacità sono fattori chiave. Il rispetto di rigorose procedure di sicurezza è fondamentale durante il funzionamento.
L'articolo introdurrà le centrifughe dai seguenti punti:
Teoria di funzionamento della macchina centrifuga
Classificazione della macchina centrifuga
Componenti della macchina centrifuga
Principali Parametri Tecnici e Indici di Prestazione delle Centrifughe
Applicazioni e manutenzione delle centrifughe
Guasti comuni della centrifuga e metodi di risoluzione dei problemi
Teoria di funzionamento della macchina centrifuga
Principio generale
Il principio di funzionamento di una centrifuga si basa sull'applicazione della forza centrifuga.
La centrifuga gira ad alta velocità, provocando la separazione delle sostanze di diversa densità o dimensione delle particelle presenti in una miscela. Le particelle più dense o più grandi vengono costrette verso il bordo esterno, mentre quelle più leggere o più piccole rimangono più vicine al centro.
Questo principio è ampiamente utilizzato in vari campi come la medicina, la scienza e l’industria.
Metodi specifici
l Metodo di centrifugazione a velocità differenziale
Questo metodo utilizza le differenze nella velocità di sedimentazione di diverse particelle in un campo di forza centrifuga. Nelle stesse condizioni di centrifugazione, aumentando continuamente la forza centrifuga relativa, particelle di diverse dimensioni e forme in una miscela non uniforme vengono precipitate passo dopo passo. Viene utilizzato principalmente per la separazione di campioni generali e speciali, come organelli e virus.
l Metodo di centrifugazione per isodensità
Il campione subisce precipitazione centrifuga o equilibrio di sedimentazione in un determinato mezzo gradiente inerte. Sotto l'azione di una certa forza centrifuga, le particelle vengono distribuite in determinate posizioni specifiche nel liquido gradiente, determinando la separazione di diverse zone.
Classificazione della macchina centrifuga
In base allo scopo: tipo di preparazione, tipo analitico e tipo a doppio scopo sia per la preparazione che per l'analisi
In base alla velocità: bassa velocità, alta velocità, ultracentrifughe, ecc.
In base alla struttura: può essere suddiviso in tipo da banco, tipo micro multi-provetta, tipo con striscio cellulare, tipo con lavaggio del sangue, tipo refrigerato ad alta velocità, tipo refrigerato a bassa velocità di grande capacità, centrifuga con bilanciamento automatico a bassa velocità da banco, ecc.
Tipi di centrifughe
Centrifuga a bassa velocità
Questi sono spesso utilizzati nei laboratori per lo smistamento di routine delle particelle a una velocità massima di 4000-5000 giri al minuto. Esistono pochi casi di regolazione della temperatura e spesso funzionano a temperatura ambiente. Queste centrifughe utilizzano tipi di rotore a cestello oscillante e ad angolo fisso, utilizzati per separare plasma e siero, nonché componenti come liquido cerebrospinale, fluidi pleurici e peritoneali e urina.
Centrifuga ad alta velocità
Può funzionare a velocità leggermente più elevate, comprese tra 15.000 e 30.000 giri al minuto, e contiene un dispositivo per regolare sia la temperatura che la velocità dell'operazione per l'analisi critica di delicate molecole biologiche. Queste centrifughe utilizzano tre rotori: ad angolo fisso, a cestello oscillante e verticale. Sono utilizzati per la purificazione del DNA e dell'RNA, il frazionamento subcellulare e l'isolamento di componenti cellulari come i mitocondri.
Ultracentrifuga
Si tratta di una centrifuga altamente sviluppata e sofisticata in grado di separare minuscole molecole che le centrifughe convenzionali non possono separare ad una velocità elevata. Le velocità del rotore dell'ultracentrifuga possono variare da 60.000 a 150.000 giri al minuto. Eseguono i campioni in gruppi o come sistemi a flusso continuo e sono più grandi. Le ultracentrifughe sono indispensabili nel campo della biologia molecolare e della biochimica per la purificazione degli acidi nucleici e delle proteine.
Componenti della macchina centrifuga
L'introduzione del rotore
Il rotore è il componente principale di una centrifuga utilizzata per separare i campioni e la sua velocità dipende dal materiale e dalla resistenza del rotore. Le centrifughe a bassa velocità utilizzano tipicamente leghe di alluminio super dure resistenti ma leggere, mentre le ultracentrifughe utilizzano leghe di titanio. Generalmente, per le centrifughe dello stesso tipo, i rotori più leggeri e con capacità inferiori girano a velocità più elevate, mentre i rotori più pesanti girano a velocità inferiori. Le centrifughe hanno spesso diverse forme del rotore, ciascuna delle quali riflette diversi campi di forza centrifuga e distanze di sedimentazione. La corretta selezione dei rotori in base ai requisiti di separazione è fondamentale nelle applicazioni pratiche.
Tipi comuni di rotori
Rotori ad angolo fisso : questi rotori mantengono i tubi con un angolo compreso tra 14 e 40° rispetto alla verticale in modo tale che le particelle percorrano una breve distanza mentre si muovono radialmente verso l'esterno e vengono utilizzati nella centrifugazione differenziale.
Rotori a cestello oscillante : questi rotori, insieme ai tubi della centrifuga, oscillano in una posizione orizzontale durante il periodo di accelerazione in modo tale che le particelle percorrano una distanza maggiore, facilitando così una più facile separazione del surnatante dal pellet. Questi tipi di motori sono impiegati nella centrifugazione in gradiente di densità.
Rotori verticali : mantengono i tubi verticalmente, cioè paralleli all'asse del motore, e le particelle si muovono su distanze più brevi con periodi di separazione più brevi. Viene utilizzato per la separazione isopicnica e in gradiente di densità.
Principali Parametri Tecnici e Indici di Prestazione delle Centrifughe
1. Velocità massima: la massima velocità di rotazione raggiungibile dal rotore della centrifuga, misurata in giri al minuto.
2. Forza centrifuga massima: la forza centrifuga relativa massima (RCF) generata dalla centrifuga, misurata in 'g'.
3. Capacità massima: il volume massimo del campione che può essere elaborato in un ciclo di centrifugazione, generalmente rappresentato come 'm×n'. (Qui, 'm' indica il numero massimo di provette da centrifuga alloggiate contemporaneamente e 'n' rappresenta il volume massimo di campione che può essere separato in due provette da centrifuga, misurato in 'ml'.)
4. Intervallo di velocità (intervallo di impostazione della velocità): l'intervallo regolabile delle velocità del rotore sulla centrifuga.
5. Intervallo di controllo della temperatura: l'intervallo di temperature del campione che può essere controllato durante il funzionamento della centrifuga.
6. Tensione operativa: la tensione richiesta per il funzionamento della centrifuga.
7. Consumo energetico: in genere si riferisce alla potenza nominale del motore della centrifuga.
Applicazioni e manutenzione delle centrifughe
A causa dell'elevata velocità di rotazione e della notevole forza centrifuga generata dalle centrifughe, possono verificarsi gravi incidenti se vengono utilizzate in modo improprio o se non vengono effettuate ispezioni e manutenzioni regolari. Pertanto, le procedure operative e di manutenzione devono essere rigorosamente rispettate durante l'uso.
1. Mantenere l'equilibrio : le provette da centrifuga e il loro contenuto devono essere bilanciati in anticipo e posizionati simmetricamente. Non caricare mai un numero dispari di provette nel rotore per garantire che il carico sia distribuito uniformemente attorno al rotore.
2. Caricare la soluzione adeguata : la centrifuga aperta non deve essere caricata con una quantità eccessiva di soluzione per evitare che venga lanciata fuori durante la centrifugazione, causando squilibrio del rotore, ruggine o corrosione.
3. Mantenere l'osservazione : durante il processo di centrifugazione, gli strumenti sulla centrifuga devono essere costantemente osservati per determinare se funzionano correttamente. Se si verificano anomalie, la macchina deve essere immediatamente fermata per l'ispezione e i malfunzionamenti devono essere prontamente eliminati. Non deve continuare a funzionare finché non viene identificata la causa principale.
4. Ispezione Prima di ogni utilizzo : le aperture del rotore devono essere rigorosamente ispezionate per rilevare eventuali oggetti estranei e sporco per mantenere l'equilibrio. Il rotore dovrebbe inoltre essere controllato per eventuali segni di danneggiamento o usura.
5. Prestare attenzione ai tubi di plastica : controllare la frequenza di utilizzo dei tubi da centrifuga in plastica e verificare le specifiche di corrispondenza. Diversi tipi di provette da centrifuga hanno proprietà dei materiali e limiti di velocità massimi diversi.
6. Preraffreddamento : quando si centrifugano i campioni a basse temperature, è necessario il preraffreddamento per un certo periodo di tempo.
7. Manutenzione regolare : l'orizzontalità del corpo principale della centrifuga deve essere calibrata una volta ogni tre mesi. Quando non viene utilizzato regolarmente, è necessario avviarlo a bassa velocità per 1 o 2 volte al mese, ogni volta per 0,5 ore.
Guasti comuni della centrifuga e metodi di risoluzione dei problemi
Fallimenti comuni
1. Motore non funzionante
2. Il motore non riesce a raggiungere la velocità nominale
3. Danni al rotore
4. Mancato avvio del congelatore o scarse prestazioni di raffreddamento
5. Vibrazioni eccessive o rumori insoliti provenienti dal corpo della centrifuga
Metodi di risoluzione dei problemi
Per il motore non funzionante
1. La spia dell'alimentazione principale non è accesa: controllare se il fusibile è bruciato e garantire un buon contatto tra il cavo di alimentazione, la spina e la presa.
2. La spia dell'alimentazione principale è accesa ma il motore non può avviarsi:
(1) Controllare se l'interruttore a nastro o il resistore variabile in porcellana sono danneggiati o se i cavi di collegamento sono scollegati.
(2) Verificare la presenza di collegamenti scollegati o cortocircuitati internamente nella bobina del campo magnetico.
3. Controllare i valori del manometro della pompa del vuoto e dell'indicatore della pressione dell'olio.
Per il motore che non riesce a raggiungere la velocità nominale
1. Danno o ostruzione all'albero di trasmissione. Dovrebbe essere pulito e sostituito tempestivamente.
2. Pulire il commutatore e le spazzole per garantire un buon contatto oppure sostituirli.
3. Controllare eventuali cortocircuiti o circuiti aperti negli avvolgimenti della bobina del rotore.
Per danni al rotore
1. Le teste del rotore possono rompere i tubi della centrifuga a causa di fattori quali affaticamento del metallo, velocità eccessiva, sollecitazione eccessiva, corrosione chimica, selezione errata, uso sbilanciato durante il funzionamento e guasto del controllo della temperatura, con conseguenti perdite di campione e danni alla testa del rotore. Il motore elettrico è dotato di cuscinetti superiori e inferiori che richiedono una lubrificazione periodica (ogni sei mesi o una volta all'anno).
2. Gli operatori devono essere esperti nelle procedure operative, selezionare correttamente le provette da centrifuga e le teste del rotore adatte e rispettare i fattori di sicurezza e i periodi di garanzia per l'utilizzo della testa del rotore.
Per mancato avvio del congelatore o scarse prestazioni di raffreddamento
1. Interruzione di corrente, controllare il cavo di alimentazione e i fusibili separatamente.
2. La bassa tensione attiva i dispositivi di sicurezza che impediscono l'avvio del congelatore.
3. Quando la tensione di alimentazione scende da 180 V a 190 V, il congelatore non può avviarsi, compromettendo l'efficienza del raffreddamento.
4. Anche le scarse prestazioni di ventilazione possono influire sull'efficienza del raffreddamento.
Per vibrazioni eccessive o rumori insoliti provenienti dal corpo della centrifuga
1. Il peso delle provette da centrifuga è sbilanciato e sono posizionate in modo asimmetrico.
2. Sono presenti corpi estranei nei fori del rotore, il carico è sbilanciato o vengono utilizzati manicotti dei tubi non qualificati.
3. Il dado di fissaggio all'estremità superiore dell'albero del rotore è allentato, causando attrito o flessione dell'albero del rotore.
4. Il rotore del motore che non si trova al centro del campo magnetico genererà rumore.
5. Le viti di fissaggio delle molle di smorzamento sulla base sono allentate oppure una delle molle è rotta.
6. Il rotore stesso è danneggiato.
