PL203018B1 - Wirówka - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest wirówka.

Wirówka ta może znaleźć zastosowanie np. w laboratoriach, w których prowadzone są specjalistyczne badania związane z rozdzielaniem różnych frakcji od medium, bowiem przy jej zastosowaniu można zarówno przyśpieszyć rozdział cząsteczek obdarzonych ładunkiem elektrycznym, jak też umożliwić rozdział naładowanych elektrycznie cząsteczek od medium, w którym są one zawieszone i nie róż nią się od niego gęstoś cią .

Jedną ze znanych technik oczyszczania makrocząsteczek i frakcji subkomórkowych jest wirowanie. Technika ta nadaje się do rozdziału cząsteczek różniących się od siebie, o rząd lub więcej, prędkością sedymentacji. Cząsteczki niespełniające tego wymogu można rozdzielić za pomocą wirowania w gradiencie gęstości np. sacharozy, gliceryny lub chlorku cezu. Jednakże często rozdział techniką wirowania wymaga dużej liczby obrotów rotora wirówki przez wiele godzin, np. rozdział mieszaniny RNA w gradiencie gęstości sacharozy wymaga 3-4 godzinnego wirowania z prędkością 30 000 obrotów/minutę, a rozdział komplementarnych nici DNA w środowisku alkalicznym wymaga wirowania przez 24 godziny z prędkością około 40 000 obrotów/minutę.

W latach 40-tych XX wieku wprowadzono technikę ultrawirowania w celu rozdział u makroczą steczek białka. Technika ta wymaga zastosowania znacznej siły dośrodkowej, przewyższającej około 100 000 razy wartość przyciągania ziemskiego. Aby osiągnąć tak duże wartości przyśpieszenia rotor wirówki, np. o średnicy około 7-8 cm, musi wirować z prędkością około 50 000 obrotów/minutę. Tak duże obroty wymagają obniżenia ciśnienia oraz sprawnego chłodzenia komory wirówkowej.

Podczas tradycyjnego wirowania rozdział cząsteczek zachodzi pod wpływem wypadkowej siły na nie działającej, którą to można zapisać równaniem:

^Fw ^{V a(p}ot ^{- p}cz) gdzie:

Fw - wypadkowa siła,

V - objętość cząsteczki, a - przyśpieszenie dośrodkowe,

Pot - gęstość otoczenia, p_cz - gęstość danej cząsteczki.

Rozdział cząsteczek, niewiele różniących się gęstością od otoczenia, wymaga zatem długiego czasu wirowania z dużą wartością przyśpieszenia dośrodkowego.

Znane są sposoby ułatwiające rozdział takich cząsteczek. Można np. w probówce wirówkowej wytworzyć gradient gęstości i do tak przygotowanej probówki wprowadzić zawiesinę, którą chcemy rozdzielić. Nie mniej jednak przygotowanie probówek z gradientem gęstości pochłania dodatkowy czas, a ponadto w czasie prac przygotowawczych należy postępować bardzo ostrożnie aby nie zaburzyć istniejącego gradientu gęstości.

Znane są powszechnie wirówki służące np. do oznaczania zawartości tłuszczu w mleku, posiadające komorę z pokrywą. W dnie komory posiadają rotor z uchwytami na probówki, wprowadzany w ruch obrotowy przy pomocy jednostki napędowej.

Zdecydowana większość cząsteczek, czy też całych struktur biologicznych, jest obdarzonych ładunkiem elektrycznym wynikającym z ich budowy chemicznej, np. krwinek czerwonych. Białka w roztworach wodnych wykazują właściwości amfoteryczne. Grupy jonowe białek pochodzą od niezwiązanych peptydowo grup -NH2 oraz -COOH. Dodatnie ładunki pochodzą od grup -NH3⁺, głównie lizyny, argininy i histydyny. Natomiast ładunek ujemny pochodzi ze zdysocjowanych grup -COO^-, głównie kwasu asparaginowego i glutaminowego. Dysocjacja tych grup zależy od pH środowiska, nadając cząsteczce danego białka, zależnie od składu aminokwasowego, ładunek dodatni bądź ujemny. Wartość tego ładunku jest na tyle istotna, że stanowi podstawę rozdziału w polu elektrycznym podczas elektroforezy.

Ze zgłoszenia patentowego PL P-360378 znana jest wirówka, która wokół wewnętrznej ściany komory ma umocowany elektromagnes, oddzielony od wnętrza komory osłoną termiczną, i której rotor wiruje w polu magnetycznym wytworzonym przez ten elektromagnes.

W czasie pracy tej wirówki należy odprowadzać duże ilości ciepła wytwarzanego przez pracujący elektromagnes, który wymaga też dodatkowego źródła zasilania.

PL 203 018 B1

Z opisu patentowego PL 171643 znany jest separator do rozdział u czą stek badanej mieszaniny, znajdującej się na nośniku w roztworze buforowym, umieszczonej na tarczy, znamienny tym, że wyposażony jest w tarczę o pionowej osi obrotu, przy czym tarcza wiruje między przynajmniej dwoma biegunami magnesu stałego lub elektromagnesu i między oddalonymi o kąt (α) przynajmniej dwoma elektrodami zasilanymi prądem o zmiennej częstotliwości.

Istotą wynalazku jest wirówka, która ma zamocowany w gnieździe, osadzonym wewnątrz komory, co najmniej jeden magnes stały, usytuowany równolegle do płaszczyzny rotacji naczyń wirówkowych w taki sposób, że jego wektor indukcji magnetycznej jest prostopadły do płaszczyzny rotacji naczyń wirówkowych. Rotor o pionowej osi obrotu, umieszczony w polu magnetycznym, jest wykonany z materiału, w którym nie powstają prądy wirowe.

Magnes stały jest usytuowany nad albo pod naczyniami wirówkowymi.

Korzystnie jest, gdy magnesem stałym jest magnes podkowiasty.

Korzystnie jest, gdy naczynia wirówkowe w całości umieszczone są w polu magnetycznym magnesów stałych.

Korzystnie też jest, gdy jednostka napędowa ma regulację zmiany prędkości i kierunku obrotów rotora.

Zaletą wirówki według wynalazku jest to, że wytwarzane w niej pole magnetyczne nie wymaga dodatkowego źródła energii, w związku z tym jest tańsza i bardziej wygodna w eksploatacji. W czasie jej pracy nie wytwarzają się w niej duża ilość ciepła i dlatego też nie wymaga specjalnego chłodzenia.

Wyposażenie wirówki w gniazda, w których są umocowane magnesy stałe, umożliwia zmianę orientacji biegunów magnetycznych na przeciwną, co powoduje zmianę zwrotu siły magnetycznej działającej na naładowany elektrycznie materiał umieszczony w naczyniach wirówkowych. Zmiana kierunku oraz prędkości wirowania rotora wpływa na jakość procesu separacji materiałów w probówkach.

W wirówce według wynalazku na cząsteczkę obdarzoną ładunkiem elektrycznym, umieszczoną w probówce wirówkowej, działa oprócz siły dośrodkowej oraz siły wyporu dodatkowa siła, której wartość zależy od wielkości ładunku elektrycznego q, prędkości v poruszania się cząsteczki wraz z naczyniem wirówkowym oraz indukcji magnetycznej B. Pojawiająca się siła jest prostopadła do wektorów v i B, działa zatem w kierunku promienia rotora. Zależnie od kierunku wektora B lub wartości ładunku elektrycznego q siła ta może powodować przemieszczanie się naładowanej cząsteczki do środka, bądź na zewnątrz wirującego naczynia wirówkowego.

Przedmiot wynalazku jest bliżej objaśniony w przykładzie wykonania na schematycznym rysunku, który przedstawia wirówkę w przekroju pionowym, w wersji, w której magnesy stałe są usytuowane po obu stronach naczyń wirówkowych.

P r z y k ł a d.

Wirówka posiada cylindryczną obudowę 6, której wnętrze stanowi komora 7 zamknięta od góry pokrywą 1. Na wewnętrznej ścianie komory 7 osadzone ma gniazda 9, w których umieszczone są magnesy stałe 5. W dnie komory 7 umocowany jest centrycznie rotor 2 z promieniście osadzonymi uchwytami 3 na naczynia wirówkowe 4. Rotor 2 osadzony jest na wale silnika elektrycznego 8, umieszczonym pod dnem komory 7. Silnik elektryczny 8 posiada regulację zmiany kierunku i szybkości obrotów rotora 2.

Rotor 2 wiruje w stałym polu magnetycznym wytwarzanym przez magnesy stałe 5. Na cząsteczki, obdarzone ładunkiem elektrycznym, umieszczone w naczyniach wirówkowych 4 działa, oprócz siły dośrodkowej oraz siły wyporu, dodatkowa siła, której wartość zależy od wielkości ładunku elektrycznego q, prędkości v poruszania się cząsteczki wraz z naczyniem wirówkowym oraz indukcji magnetycznej B. Pojawiająca się siła jest prostopadła do wektorów v i B, działa zatem w kierunku promienia rotora. Zależnie od zwrotu wektora B lub wartości ładunku elektrycznego siła ta może powodować przemieszczenie się naładowanej cząsteczki do środka, bądź na zewnątrz naczynia wirówkowego.

Claims (5)

1. Wirówka posiadająca cylindryczną obudowę zamkniętą od góry pokrywą oraz jednostką napędową, na której wale, obrotowo i centrycznie zamocowanym w dnie wspomnianej komory, ma osadzony rotor wyposażony w uchwyty na naczynia wirówkowe, znamienna tym, że ma zamocowany

PL 203 018 B1 w gnieź dzie (9), osadzonym wewną trz komory (7), co najmniej jeden magnes stał y (5), usytuowany w taki sposób, że jego wektor indukcji magnetycznej jest prostopadły do płaszczyzny rotacji naczyń wirówkowych (4), a rotor (2) o pionowej osi obrotu, umieszczony w polu magnetycznym, jest wykonany z materiału, w którym nie powstają prądy wirowe.

2. Wirówka według zastrz. 1, znamienna tym, że magnes stały (5) jest usytuowany nad albo pod naczyniami wirówkowymi (4).

3. Wirówka według zastrz. 1, znamienna tym, że magnesem stałym jest magnes podkowiasty.

4. Wirówka według zastrz. 1, znamienna tym, że naczynia wirówkowe (4) w całości umieszczone są w polu magnetycznym magnesów stałych (5).

5. Wirówka według zastrz. 1, znamienna tym, że jednostka napędowa (8) ma regulację zmiany prędkości i kierunku obrotów rotora (2).