원심분리기

병형 원심분리기

이것은 주로 연구·시험·제어에 사용되는 일괄처리식 원심분리기이다. 수직축에 대칭적으로 설치된 시험관 또는 병 모양의 용기 안에서 분리가 일어난다. 이 기기의 축은 보통 전동기, 가스터빈, 회전자의 위 또는 아래에 있는 수동 기어열로 구동된다. 대부분의 경우 병은 그 축이 회전축에 수직이 되도록 고강도 금속제 컨테이너로 지지된다.

침강은 반지름 방향으로 생기며, 물질이 가라앉는 거리를 줄이기 위해 시험관이 회전축과 약 37°로 기울어져 있는 병형 원심분리기도 있다. 병형 원심분리기는 대부분의 생물학·화학·의학 실험실에서 사용되는 표준장비이며, 현탁액에서 고체를 분리하거나 일정시간 안에 침전이 일어나지 않을 경우 액체를 맑게 하기 위해 사용한다. 우유의 버터 지방 함유량 검사, 천연광물과 식물성 기름에서 침전물 분리, 여러 종류의 임상시험 등의 상업적 용도로 사용된다.

관상 원심분리기

액체에서 액체 또는 미세한 입자를 연속 분리하기 위해 주로 사용되며 일괄처리식 원심분리기로도 사용된다. 일반적으로 분리하는 데 높은 원심력이 필요할 때 사용된다. 이것의 회전몸체에는 길이가 지름의 수배인 속이 빈 관이 있다.

연속 분리를 하기 위해 분리할 원료 또는 물질은 축 근처의 한쪽 끝에서 주입되며, 분리된 물질은 2개의 흐름으로 나누어져 이동한다. 보통 완전히 분리되지 않으므로 분리된 것은 이 장치를 여러 번 거쳐야 한다. 관의 내부구조의 설계에는 여러 가지가 있지만, 일반적으로 방사상 날개는 공급된 물질을 가속시키고 분리된 물질을 배출하기 전에 감속시키기 위해 사용된다.

이 분리기는 고속 모터나 공기 또는 증기 터빈으로 구동되며, 침강은 유체가 관의 한쪽 끝에서 다른쪽 끝으로 흐르면서 일어난다. 무거운 물질에 아주 미세한 입자나 분자가 있고, 그 농도가 아주 낮을 경우 고체물질은 주로 벽에 퇴적된다. 이런 경우 이 장치는 일괄처리식 원심분리기로서 작동한다.

이것은 높은 원심장(어떤 경우에는 가장자리 근처에서 10⁵G) 때문에 그 이용이 점점 증가되고 있다. 몇 가지 대표적인 용도로는 ① 백신 정제(원심분리되지 않은 백신은 불필요하고 해로운 물질을 많이 함유함), ② 윤활유와 공업용 기름의 정제, ③ 정유(精油)·추출물 등의 분리정화와 과일즙과 같은 음식물의 정제, ④ 중력상태하에서는 분리되지 않으며, 섞이지 않는 액체의 분리 등이 있다.

원판형 원심분리기

얇은 원판을 원뿔 모양으로 쌓아올린 것으로, 침강은 인접한 원뿔 사이의 공간에서 반지름 방향으로 일어난다. 이것은 침전거리가 매우 짧아 물질의 분리율이 높다. 37°의 고정각을 갖는 병형 원심분리기와 비슷한 방법으로, 더 무거운 물질이 원뿔의 안쪽 면에 도달하면 이 표면을 따라 밑으로 미끄러지도록 원뿔의 각을 설계한다.

이것은 보통 연속적으로 작동한다.

처리될 물질은 하나의 흐름으로 들어가서 2개의 정제된 물질의 흐름으로 분리된다. 이것은 고체나 서로 섞이지 않는 성분이 상대적으로 농도가 낮은 액체 안에 있을 때 액체를 분리하기 위해 사용된다. 대표적인 예로서 유제품공장과 농장에서는 우유에서 크림을 분리하기 위해 널리 사용되는 크림 분리기가 있다. 또한 연료유 정제, 사용한 모터 오일 재생, 식물성 기름을 정제할 때 소프 스톡 제거 등에 사용되기도 한다.

바스켓 원심분리기

종종 원심여과기·정화기라고도 하며, 구멍 뚫린 벽과 원통관형 회전자로 이루어져 있다. 보통 그 바깥쪽 벽은 미세한 그물망이나 또는 더 무거운 거친 망으로 받친 일련의 아주 촘촘한 그물망으로 이루어지며, 몸체가 비교적 구멍이 큰 이 망을 받치고 있다. 망에 액체를 통과시키면, 너무 커서 망을 통과할 수 없는 입자가 퇴적된다. 수수설탕 제조, 가정과 세탁소에서 옷의 급속 건조, 여러 종류의 수정과 섬유물질의 세척과 건조 등에 쓰인다.

진공식 원심분리기

병형·관상·원판형·바스켓 원심분리기들은 회전자가 대기압에서 공기 또는 몇몇 다른 기체 안에서 회전한다.

따라서 회전하는 회전자에 대한 기체마찰이 비교적 높은 비율로 증가하기 때문에 회전자를 구동시키는 동력도 급속히 증가하게 된다. 그 결과 회전자의 온도가 급속히 올라가 때때로 물의 끓는점 이상이 되기도 한다. 회전자의 가장자리 부분은 축 근처보다 더 빨리 움직이므로, 회전자 벽을 따라 온도변화는 축에서 반지름 방향의 가장자리로 갈수록 온도가 더 높다. 이런 작은 반지름 방향의 온도변화에 의해 원심분리기에서 대류가 일어나므로, 침강물이 다시 섞여 요란이 일어날 수 있다(진공기술).

공기저항으로 원심분리기 안에서 생기는 열 증가 및 대류 문제는 회전자를 진공실에서 회전시킴으로써 피할 수 있다.

공기저항을 없애면 비교적 적은 에너지로 고속 회전을 얻을 수 있다. 많은 진공식 원심분리기는 초(超)원심분리기로서 2만rpm 이상의 속도로 작동한다. 그림은 초기 진공식 초원심분리기의 구조를 나타낸 것이다. 진공실 안에 있는 원심분리기 회전자는 지름이 작고 유연한 수직 강철축에 의해 공기로 구동·지지되는 터빈과 연결되어 있다.

전형적인 진공식 초원심분리기의 회전자는 지름이 18㎝이며, 30만G가 넘는 원심장에서 300㎖의 액체를 분리할 수 있다.

실제로 의학과 생물학에서 중요한 모든 물질과 분자량이 50amu(1amu=1.66×10^－24g) 이상인 모든 물질은 이런 형태의 병형 원심분리기로 쉽게 정제할 수 있다. 진공식 초원심분리기의 회전자는 부채꼴 모양의 셀(cell)과 투명유리로 대체할 수 있어서 침강의 진행을 광학적으로 측정하거나 촬영할 수 있다. 이 방법은 T. 스베드베리와 J. B.니콜스가 1923년에 처음으로 사용했으며, 그 이후 초현미경 입자, 특히 단백질 분자와 바이러스의 침강속도 및 크기를 측정하기 위해 폭넓게 사용되었다.

진공식은 실제로 용액 속에 있는 모든 물질의 분자량 결정에도 사용될 수 있다.

현대의 상업용 진공식원심분리기는 공기로 구동·지지하는데 효율이 더 높고 편리한 전동기로 대체되었고, 장치 전체가 다시 설계되어 거의 자동으로 작동되었다. 현재는 생화학·생물물리학·생물학·의학·제약산업 등에서 중요한 물질의 정제가 필요한 실험실에 필수적이다.

초원심분리기는 여러 종류의 단백질 분자량을 측정하기 위해 다음 2가지 주요한 방법을 사용한다.

첫번째는 비교적 뚜렷한 침강경계, 즉 침강 분자와 순수용매 사이의 경계가 만들어지도록 충분히 큰 원심장에서 침강이 일어나게 하는 것이다. 이때 이 경계가 반지름을 따라 가장자리로 움직이는 속도를 측정하여 분자량을 계산하는데, 이것을 침강속도법이라 한다. 2번째 물질의 침전속도가 역확산에 의해 균형이 이루어질 때까지 물질을 원심분리하는 것이다.

따라서 셀에서의 농도를 여러 반지름에서 측정하면 분자량의 값을 계산할 수 있다(밀도차등 원심분리기).

1919년 원심분리로 한 원소의 동위원소를 분리할 수 있다고 보고된 이후 이를 분리하기 위한 많은 시도가 이루어졌지만 모두 실패했는데, 아마 원심분리기에서 대류가 일어나 다시 뒤섞였기 때문인 것으로 여겨진다. 1937년 염소의 동위원소가 진공식 초원심분리기로 분리되었다.

증발 원심분리법은 분리될 물질이 회전자의 정지와 함께 가장자리에 응축된다. 따라서 이 회전자가 작동속도로 구동되면, 더 가벼운 물질은 중공축(中孔軸)을 통해 배출되지만 더 무거운 물질은 뒤에 모이게 될 원심분리기에 남아 있다. 기체분리에 사용되는 원심분리기는 가능한 한 빨리 그리고 오랫동안 회전해야 한다. 이 원심분리법은 가벼운 것뿐 아니라 더 무거운 동위원소를 분리하는 데 적합하다. 왜냐하면 이 분리는 질량의 절대값보다는 오히려 질량의 차이에 따르기 때문이다.

1940년대 중반 이후 기체 원심분리법은 더욱 발전했으며 범위도 넓혀졌다.

독일과 네덜란드의 연구자들은 이 방법으로 상당한 성공을 거두었다. 특히 우라늄 동위원소의 분리에 채택된 아주 간단한 진공식 기체 원심분리기가 고안되었다. 1970년대에는 유럽에 원자력 발전소의 원자로용 우라늄-235(²³⁵U)를 상업적으로 생산하기 위해 원심분리장치가 만들어졌다.