về Máy ly tâm

Về Máy ly tâm (Centrifuge)

Nguyễn Phi 11/ 06/ 2022

Về Máy ly tâm ( Centrifuge )

Là một trong những dụng cụ phòng thí nghiệm được sử dụng phổ biến nhất hiện nay, máy ly tâm cung cấp một phương tiện hiệu quả để chuẩn bị và tách các mẫu có mật độ khác nhau thường được sử dụng trong khoa học và y tế. Hình thức chuẩn bị theo hướng mật độ này đã tồn tại trong nhiều thế kỷ, ra đời từ những năm 1400 với các máy tách sữa chạy bằng tay đơn giản, tuy nhiên, một phiên bản thương mại hóa chính thức của máy ly tâm đã không xuất hiện cho đến những năm 1800

Nguồn gốc và quá trình hình thành

Năm 1864, Antonin Prandtl đã phát minh ra chiếc máy ly tâm đầu tiên, được sử dụng trong ngành công nghiệp sữa để tách sữa và kem trên quy mô lớn. Sau Prandtl, Friedrich Miescher, một bác sĩ và nhà sinh vật học người Thụy Sĩ, là người đầu tiên áp dụng ly tâm trong phòng thí nghiệm. Từ một hệ thống máy ly tâm thô sơ do ông phát triển vào năm 1869, Miescher đã có thể cô lập thành công axit nucleic từ nhân của các tế bào bạch cầu, đây là một bước phát triển quan trọng trong việc phát hiện ra sự di truyền DNA.

Công việc của Miescher nhanh chóng thu hút sự chú ý trong lĩnh vực này, dẫn đến sự phát triển nhanh chóng của máy tách ly tâm liên tục đầu tiên vào năm 1879 bởi Gustaf de Laval, ban đầu được giới thiệu như một tuabin hơi xung lực. Các khái niệm của De Laval đã cho phép thương mại hóa máy ly tâm cuối cùng và đã được sử dụng để phát triển động cơ tên lửa hiện đại và thiết bị công nghiệp sữa.

Sự phát triển tiếp theo của máy ly tâm xảy ra vào những năm 1920 với sự phát triển của máy siêu ly tâm của nhà hóa học Thụy Điển Theodor Svedberg. Máy siêu ly tâm mới này có thể đạt 900.000 g, trong khi các mẫu máy thông thường khác vào thời điểm đó chỉ có khả năng đạt 260.000 g. Điều này cho phép Svedberg xác định trọng lượng phân tử và cấu trúc tiểu đơn vị của các protein và virus có độ phức tạp cao, điều này đã tạo nên một cuộc cách mạng trong việc nghiên cứu cấu trúc protein. Svedberg nhận giải Nobel hóa học năm 1926 nhờ phát minh ra máy siêu ly tâm.

Quãng thời gian sau đó, lần lượt các sự khai phá và cải tiến được nâng cấp trên các đời máy ly tâm như:

Vào đầu những năm 1930, nhà sinh vật học Martin Behrens đã sử dụng máy ly tâm để cô lập các cấu trúc tế bào, kỹ thuật phân tách tế bào thực sự qua máy ly tâm có thể đạt được và sau đó được hoàn thiện.

Pickels cũng tiếp tục tạo ra máy ly tâm chân không điều khiển bằng điện đầu tiên vào năm 1942, sau đó Pickels đồng sáng lập Spinco, nơi ông tiếp thị một thiết bị chuẩn bị thực sự có khả năng đạt tốc độ lên đến 40.000 vòng / phút vào năm 1949. Trong suốt thời gian đầu, Beams đã làm việc trong Dự án Manhattan để cô lập đồng vị uranium U-235 thông qua việc sử dụng máy ly tâm khí, nhưng thiết kế của ông bị cho là không đủ để sản xuất đủ uranium được làm giàu cao cho lịch trình của dự án bom nguyên tử.
Với sự tập trung ngày càng lớn của quốc tế vào sản xuất uranium, chương trình vũ khí hạt nhân của Nga đã đặt nhà vật lý học người Áo Gernot Zippe vào nhiệm vụ máy ly tâm. Vào đầu những năm 1950, Zippe, với sự giúp đỡ của tù binh người Đức Max Steenbeck, đã thiết kế Beams 'hợp lý hóa để sản xuất ổn định và đáng tin cậy. Thật ngạc nhiên, Zippe và các đồng nghiệp của ông đã được trả tiền và giải phóng khỏi Liên Xô vào năm 1956 để thương mại hóa máy ly tâm.

Nhà vật lý học người Đức- Giám đốc kĩ thuật của Siemens (1927 - 1945)

Tại Hoa Kỳ, năm 1954 đã mang lại những cải tiến to lớn cho máy ly tâm thương mại khi Beckman Instruments (nay là Beckman Coulter) mua lại Spinco, tạo ra các thiết bị có động cơ tốc độ cao mới và rôto tốt hơn. Trong khi đó, Myron Brakke, một nhà virus học thực vật làm việc tại Vườn Bách thảo Brooklyn, đã phát triển phương pháp ly tâm gradient mật độ, mang lại kết quả tái tạo phân đoạn mô nhiều hơn so với các phương pháp trước đây.
Năm 1962, công ty Netheler & Hinz Medizintechnik của Đức (nay là Eppendorf) đã tạo ra máy ly tâm siêu nhỏ đầu tiên dùng trong phòng thí nghiệm. Hệ thống microliter này sau đó đã được phát triển bởi nhiều công ty công nghệ sinh học và dụng cụ thí nghiệm khác, cuối cùng đã khai sinh ra sự phổ biến của máy ly tâm trong môi trường phòng thí nghiệm ngày nay.

Máy ly tâm điều khiển bằng bộ vi xử lý đầu tiên được giới thiệu vào năm 1976, sự đổi mới đi trước thời đại nhiều năm của Hettich. Sau đó, Beckman ra mắt máy ly tâm siêu tầng vào những năm 1980, và Eppendorf ra mắt máy ly tâm cá nhân vào năm 2000. Và công nghệ máy ly tâm đã tiếp tục cải tiến về mặt thương mại kể từ đó, hiện được sử dụng để tách mật độ (như được phát triển ban đầu), tách đồng vị, hàng không và du hành vũ trụ và mô phỏng địa kỹ thuật. Với việc sử dụng công nghệ sinh học và y tế nổi bật, đặc biệt là liên quan đến nghiên cứu protein và vật chất nucleic, máy ly tâm chắc chắn sẽ tiếp tục phát triển và chứng tỏ sự thiết yếu trong phòng thí nghiệm.

Hettich là hãng đầu tiên đưa bộ vi xử lý vào máy ly tâm

Beckman Coulter- Hãng thiết bị có đóng góp lớn vào sự cải tiến của các thế hệ máy li tâm

Hermle- Hãng chuyên về các dòng máy ly tâm với chất lượng cao kèm chứng chỉ Châu Âu

Nguyên lý và cấu tạo

Nguyên lý

Máy ly tâm là máy thực hiện quá trình phân ly dựa vào trường lực ly tâm để phân riêng hỗn hợp hai pha rắn – lỏng hoặc lỏng-lỏng thành các cấu tử riêng biệt.

Hay Máy ly tâm được hiểu đơn giản hơn đó là máy thực hiện quá trình tách hoặc cô đặc các phân tử có khối lượng riêng khác nhau, thường là tách các pha rắn ra khỏi pha lỏng dựa trên kích thước các hạt và mật độ khác nhau giữa chúng nhờ lực ly tâm. Do ảnh hưởng của trọng lực, hai phần tử có khối lượng khác nhau sẽ lắng ở những tốc độ tương đương với trọng lượng.

Nguyên lý hoạt động

Thành phần của khối lượng riêng lớn nhất sẽ tập trung ở vùng xa tâm nhất, còn phần có khối lượng riêng nhỏ nhất sẽ tập trung ở tâm của roto. Mỗi máy ly tâm có một đồ thị đặc trưng hoặc một bảng thể hiện mối quan hệ giữa tốc độ quay và lực ly tâm ứng với mỗi loại roto nó được chấp nhận.

Tùy vào cấu tạo bề mặt roto mà quá trình ly tâm tiến hành theo nguyên tắc lọc ly tâm hay lắng ly tâm. Do đó phân loại máy ly tâm cũng có hai loại máy ly tâm: máy ly tâm lắng và máy ly tâm lọc.

Cấu tạo

Gồm có 4 phần chính như sau :

- Phần quay : gồm một động cơ có vận tốc cao, lực ly tâm lớn, hệ thống giảm rung, giảm chấn động, rotor và adapter
- Phần điều khiển : Gồm một mạch điện điều khiển ( mạch cơ bản hoặc mạch điều khiển PID ) có chức năng cài đặt tốc độ, hẹn giờ ly tâm.
- Hệ thống cảm biến : Cảm biến đóng cửa, cảm biến bất đối xứng, cảm biến quá tải, quá dòng và cảm biến rotor.
- Thùng máy : Là một buồng kín nhằm đảm bảo quá trình ly tâm sẽ xảy ra trong một hộp kín đáo, đảm bảo an toàn cho quá trình ly tâm.