원심분리
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1. 개요
원심분리는 회전력을 이용하여 액체 혼합물에서 밀도 차이를 기반으로 입자를 분리하는 기술이다. 수학 공식, 스베드베리 값을 활용하여 원심분리 효과를 나타낼 수 있으며, 생물학 연구에서 마이크로 원심분리기, 저속, 고속, 초원심분리기 등 다양한 종류의 원심분리기가 사용된다. 세포 분획법, 차등 원심분리, 밀도 기울기 원심분리와 같은 방법으로 세포 구성 요소를 분리하며, 원심분리기는 케이스와 회전자로 구성된다. 산업, 식품, 법의학, 폐수 처리 등 다양한 분야에서 활용되며, 1923년 테오도르 스베드베리에 의해 분석 원심분리기가 개발되면서 단백질 연구에 기여했다.
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승화는 고체가 액체 상태를 거치지 않고 기체로 직접 변하는 물리적 변화 과정으로, 드라이아이스나 요오드와 같은 물질에서 나타나며 동결건조, 지문 검출, 고순도 물질 정제 등에 활용된다. - 분리 과정 - 결정화
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염석은 수용액에서 염의 농도가 증가함에 따라 단백질 등의 용질 용해도가 감소하여 침전되는 현상으로, 단백질 정제, 식품 제조 등에 활용된다.
| 원심분리 | |
|---|---|
| 개요 | |
 | |
| 유형 | 분리 공정 |
| 과정 | 원심력을 이용하여 혼합물을 분리함 |
| 적용 분야 | 화학 생물학 생화학 의학 산업 |
| 원리 | |
| 핵심 원리 | 다양한 밀도를 가진 입자에 작용하는 원심력의 차이를 이용 |
| 침전 속도 | 입자의 크기, 모양, 밀도, 매질의 점도에 따라 달라짐 |
| 방법 | |
| 차등 원심분리 | 순차적으로 원심력 증가, 특정 범위 밀도 입자 분리 |
| 밀도 구배 원심분리 | 밀도 구배 형성 매질 사용, 시료 내 다양한 밀도 입자 분리 |
| 응용 | |
| 세포 분획 | 세포 소기관 분리 및 연구 |
| 핵산 분리 | DNA, RNA 분리 및 정제 |
| 단백질 분리 | 단백질 정제 및 분석 |
| 동위원소 분리 | 우라늄 농축 등에 사용 |
| 혈액 분리 | 혈장, 혈구 분리 |
| 폐수 처리 | 고형 물질 분리 |
| 장비 | |
| 원심분리기 | 원심력을 발생시키는 장비 |
| 로터 | 시료 튜브를 담는 회전 장치, 다양한 종류 존재 |
| 튜브 | 시료를 담는 용기, 재질 및 크기 다양 |
| 참고 사항 | |
| g-force (상대 원심력) | 중력 가속도 배수로 표현되는 원심력의 크기 |
| 침전 계수 (Svedberg 단위, S) | 입자의 침전 속도 측정 단위 |
2. 수학 공식
입자 또는 세포는 중력에 의해 용기 바닥으로 점차 가라앉지만, 이러한 분리에는 시간이 오래 걸린다. 매우 작은 입자의 경우 고 원심력에 노출되기 전까지는 용액 내에서 전혀 분리될 수 없다. 현탁액이 특정 속도, 즉 분당 회전수 (RPM)로 회전하면, 원심력은 입자가 회전축에서 방사형으로 멀어지도록 한다.[5]
역사적으로 많은 분리가 3000 rpm의 속도로 수행되었다. 이 속도에서 가해지는 ‘g’ 힘은 원심분리 반경에 10을 곱하여 대략적으로 구할 수 있다. 예를 들어, 160 mm의 반경은 약 1600 x g를 제공한다.[7] 이는 다소 임의적인 접근 방식인데, 적용된 RCF는 반경에 선형적으로 의존하기 때문에, 10% 더 큰 반경은 같은 속도에서 10% 더 높은 RCF가 적용된다는 것을 의미한다. RCF 공식은 로 단순화될 수 있으며, 오차는 0.62%에 불과하다.
2. 1. RPM과 RCF 계산
원심분리의 RPM(분당 회전수)을 계산하는 일반적인 공식은 다음과 같다.[31]:
여기서 g는 상대 원심력(RCF)을 나타내고, r은 회전자의 중심에서 시료 내 한 지점까지의 반경을 나타낸다.[5]
그러나 사용된 원심분리기 모델에 따라 회전자의 각도와 반경이 달라질 수 있다.
중력과 비교하여, 입자 힘은 '상대 원심력'(RCF)이라고 불린다. RCF는 분당 회전수(rpm)에서의 회전 속도와 회전 중심으로부터 입자의 거리에 따라 달라진다. RCF를 계산하는 데 사용되는 가장 일반적인 공식은 다음과 같다.[6]
:
여기서 는 상수이고, ''r''은 회전축과 시료 내 한 지점 사이의 반경이며, 센티미터 단위로 표현된다. 그리고 ''rpm''은 분당 회전수에서의 속도이다.[6]
2. 2. 스베드베리(Svedberg) 값
원심분리 중 분산질의 이동 속도 ''v''는 다음과 같이 표현된다.[28]:
여기서 Δρ는 분산질과 분산매의 밀도 차이, ''V''는 분산질의 부피, α는 가속도, ''m''은 분산질의 질량, β는 단위 질량당 마찰 계수이다. 이로부터 원심분리의 효과를 나타내는 지표로서, 다음의 '''스베드베리의 ''S'' 값''' 또는 '''침강 계수'''가 정의된다.
:
단, 스토크스 법칙을 사용하고 있으며, ''a''는 분산질(입자)의 반지름이다.
이 ''S''는 시간의 차원을 가지며, 10-13 초와 같은 값으로 정의되는 스베드베리(S) 단위를 사용해 나타낸다.
3. 생물학 연구에서의 원심분리
생물학 연구에서 원심분리는 세포, 세포 소기관, 단백질, 핵산 등 다양한 생체 분자를 분리하고 정제하는 데 사용된다.
- '''세포 분획'''
세포 분획법은 일반적으로 각 구성 요소의 개별적인 역할을 유지하면서 세포 구성 요소를 분리하는 것이다. 일반적으로 세포 시료는 다음과 같은 현탁액에 보관된다.[15]
| 특징 | 설명 |
|---|---|
| 완충 처리 | 중성 pH, 효소를 포함한 단백질 구조 손상 방지 (이온 결합에 영향을 미칠 수 있음) |
| 등장성 | (동일한 수분 포텐셜) - 세포 소기관의 수분 획득 또는 손실 방지 |
| 냉각 | 절차 후 방출되는 효소의 전반적인 활동 감소 |
원심분리는 대부분의 분획법의 첫 번째 단계이다. 저속 원심분리를 통해 세포 잔해를 제거하여 세포 내용을 보존하는 상층액을 남길 수 있다. 점진적으로 더 높은 속도로 반복적인 원심분리를 하면 세포 균질액을 구성 요소로 분획할 수 있다. 일반적으로 세포 내 구성 요소가 작을수록 침전시키는 데 더 큰 원심력이 필요하다.[15]
- '''차등 원심분리'''
차등 원심분리는 원심분리에 의한 분획법 중 가장 간단한 방법으로,[8] 세포에서 발견되는 세포 소기관과 막을 분리하는 데 일반적으로 사용된다. 세포 소기관은 밀도와 크기가 다르기 때문에 차등 원심분리가 가능하다. 이후 특정 소기관에 고유한 지표를 테스트하여 소기관을 식별할 수 있다.[5] 이 기술은 쥐 간과 같은 조직 균질액에서 조잡한 세포 하위 분획을 생성하는 데 널리 사용된다.[8] 현탁액 내에서 밀도나 크기가 다른 입자는 다른 속도로 침강하며, 크고 밀도가 높은 입자가 더 빨리 침강한다. 이러한 침강 속도는 원심력을 사용하여 증가시킬 수 있다.[16]
세포 현탁액은 일련의 증가하는 원심력 주기를 거쳐 침강 속도가 감소하는 세포로 구성된 펠릿을 생성한다. 균질액에는 핵, 미토콘드리아, 리소좀, 페록시좀, 세포막 시트 및 여러 세포 내 막 구획과 세포막에서 유래한 소포가 포함되며, 일반적으로 완충 용액에 있다.[8]
- '''밀도 기울기 원심분리'''
밀도 기울기 원심분리법은 부유 입자를 분리하는 가장 효율적인 방법 중 하나이며, 분리 기술이자 혼합물 내 입자 또는 분자의 밀도를 측정하는 방법으로 사용된다.[17]
이 방법은 등급별 밀도를 가진 매질을 사용하여 크기, 모양 및 밀도를 기준으로 입자를 분리한다. 비교적 짧거나 느린 원심분리에서 입자는 크기에 따라 분리되며, 큰 입자는 작은 입자보다 더 멀리 침전된다. 길거나 빠른 원심분리에서는 입자가 매질의 밀도가 입자 밀도와 같은 위치로 이동한다(ρp – ρm) → 0. 따라서 작고 밀도가 높은 입자는 처음에 크고 밀도가 낮은 입자보다 덜 쉽게 침전된다. 큰 입자는 초기 평형 밀도 위치에 도달하는 반면, 작은 입자는 큰 입자 영역을 천천히 이동하여 궁극적으로 기울기 내에서 더 깊은 평형 위치를 차지한다.[18]
이 방법으로 원심분리된 튜브는 높이에 따라 밀도 순으로 입자를 포함한다. 관심 대상 객체 또는 입자는 튜브 내에서 해당 밀도에 해당하는 위치에 존재한다.[19] 이 방법을 사용할 때 몇 가지 비이상적인 침전이 발생할 수 있다. 첫 번째는 입자의 원치 않는 응집이며, 모든 원심분리에서 발생할 수 있다. 두 번째는 입자를 포함하는 용액의 액적이 침전될 때 발생하며, 밀도 기울기가 거의 없는, 밀도가 높은 액체 위에 부유하는 현탁액 층을 가진 용액으로 작업할 때 더 자주 발생한다.[17]
생화학에서는 염화 세슘 등 분자량이 큰 염의 용액을 시료와 혼합하여 초원심분리기에 걸어 시료의 입자를 무게에 따라 분리하는 밀도 기울기 원심분리법이 이용된다. 이는 용액에 장시간 초원심을 가하여 생기는 밀도 기울기를 이용하여 시료 내 입자가 무게에 따라 층을 이루며 분리되는 현상을 이용하여 고분자의 분리나 평균 분자량을 추정하는 방법이다. 혈구 세포 분리 시에도 설탕 용액 등을 사용하여 수행되며, 세포 손상을 막기 위해 초원심분리기가 아닌 일반 원심분리기를 사용한다.
원심분리 중 분산질의 이동 속도 ''v''는 다음과 같이 표현된다.
:
여기서 Δρ는 분산질과 분산매의 밀도 차이, ''V''는 분산질의 부피, α는 가속도, ''m''은 분산질의 질량, β는 단위 질량당 마찰 계수이다. 이로부터 원심분리의 효과를 나타내는 지표로서, 다음의 '''스베드베리의 ''S'' 값'''이 정의된다.
:
단, 스토크스 법칙을 사용하고 있으며, ''a''는 분산질(입자)의 반지름이다.
이 ''S''는 시간의 차원을 가지며, 10-13 초에 등식으로 정의되는 스베드베리(S)를 단위로 나타낸다.
3. 1. 마이크로 원심분리기 (Microcentrifuges)
마이크로 원심분리기는 약 17,000 rpm까지 매우 빠르게 가속할 수 있는 가볍고 소형 로터가 장착된 특수 설계된 탁상용 모델이다.[8] 이 장비는 가볍고 주로 약 0.2~2.0 mL까지의 소량 샘플의 단시간 원심분리에 사용된다. 소형이기 때문에 쉽게 운반할 수 있으며, 필요하다면 냉장실에서도 작동할 수 있다.[8] 냉장 기능이 있을 수도 있고 없을 수도 있다. 마이크로 원심분리기는 일반적으로 생체 분자, 세포, 또는 핵의 소량 샘플을 비교적 짧은 시간 동안 높은 상대원심력(RCF)을 가해야 하는 연구 실험실에서 사용된다.[8] 고속 작동을 위해 설계된 마이크로 원심분리기는 최대 35,000 rpm까지 도달할 수 있으며 최대 30,000 ×g의 RCF를 제공하며, 이를 고속 마이크로 원심분리기라고 한다.[9]3. 2. 저속 원심분리기 (Low-speed centrifuges)
저속 원심분리기는 화학적 침전물, 온전한 세포(동물, 식물 및 일부 미생물), 핵, 엽록체, 큰 미토콘드리아 및 큰 세포막 조각을 수확하는 데 사용된다.[8] 세포 정제를 위한 밀도 구배도 이러한 원심분리기로 수행된다. 스윙 바스켓 로터는 어댑터를 사용하여 샘플 크기를 매우 유연하게 조정할 수 있기 때문에 널리 사용되는 경향이 있다.[8] 이러한 기계는 최대 로터 속도가 10,000rpm 미만이며, 소형 탁상형에서 대형 플로어 스탠딩 원심분리기까지 다양하다.[10]3. 3. 고속 원심분리기 (High-speed centrifuges)
고속 원심분리기는 바이러스, 미토콘드리아, 리소좀, 과산화소체 등과 온전한 관형 골지체를 수확하기 위해 미생물을 수확하는 데 사용된다. 대부분의 단순한 펠릿화 작업은 고정각 로터에서 수행된다. 세포와 세포 소기관을 정제하기 위한 일부 밀도 기울기 작업은 스윙 버킷 로터 또는 퍼콜 기울기의 경우 고정각 로터에서 수행할 수 있다.[8] 고속 또는 초고속 원심분리기는 수십 밀리리터에서 수 리터까지 더 큰 샘플 부피를 처리할 수 있다. 또한, 더 큰 원심분리기는 더 높은 각속도(약 30,000rpm)에 도달할 수도 있다. 로터에는 다양한 크기의 시험관, 병 또는 마이크로플레이트를 고정할 수 있는 다양한 어댑터가 함께 제공될 수 있다.3. 4. 초원심분리기 (Ultracentrifugations)
초원심분리기는 매우 빠른 속도로 생물학적 입자의 특성을 연구하기 위해 높은 원심력을 사용한다. 현재의 초원심분리기는 최대 150,000 rpm (1,000,000 x g에 해당)까지 회전할 수 있다.[11] 이 기기는 고정각 회전자를 사용하여 세포막, 소포체(ER) 및 골지체, 엔도솜, 리보솜, 리보솜 소단위체, 플라스미드, DNA, RNA 및 단백질에서 유래된 모든 막 소포를 수확하는 데 사용된다.[8] 미세 원심분리기 또는 고속 원심분리기와 비교하여 초원심분리기는 훨씬 작은 입자를 분리할 수 있으며, 또한 미세 원심분리기 및 초원심분리기는 배치 방식으로 입자를 분리하는 반면(제한된 부피의 샘플을 시험관 또는 병에서 수동으로 처리해야 함), 초원심분리기는 배치 또는 연속 흐름 시스템에서 분자를 분리할 수 있다는 차이점이 있다.초원심분리는 고분자/리간드 결합 동역학 연구의 분리, 혈장에서 다양한 지단백질 분획의 분리, 아미노산 분석을 위한 생리적 유체의 탈양성자화에 사용된다.[12]
세포를 제외한 모든 입자의 밀도 기울기 정제를 위해 가장 일반적으로 사용되는 원심분리기이며, 스윙 버킷이 전통적으로 이 목적으로 사용되었지만, 고정각 회전자 및 수직 회전자도 사용되며, 특히 자체 생성 기울기에 사용되어 분리 효율을 크게 향상시킬 수 있다. 초원심분리기에는 분석용과 준비용의 두 가지 종류가 있다.
분석 초원심분리(AUC)는 모양, 질량, 조성 및 형태와 같은 고분자의 특성을 결정하는 데 사용할 수 있다. 이는 생체 분자 복합체의 조립 및 분해 메커니즘을 평가하고, 서브유닛 화학량론을 결정하고, 고분자 형태 변화를 식별 및 특성화하고, 자가 결합 및 이종 결합 시스템에 대한 평형 상수 및 열역학적 매개변수를 계산하는 데 사용되는 흔한 생체 분자 분석 기술이다.[13] 분석 초원심분리기는 스핀 동안 시료의 진행 상황을 실시간으로 모니터링하기 위한 스캔 가시광선/자외선 기반 광학 감지 시스템을 통합한다.[14]
시료는 수크로스, 염화세슘, 또는 아이오딕사놀과 같은 고밀도 용액으로 원심 분리된다. 고밀도 용액은 시험관 전체에서 균일한 농도("쿠션") 또는 가변적인 농도("구배")를 가질 수 있다. 분자 특성은 침강 속도 분석 또는 침강 평형 분석을 통해 모델링할 수 있다. 실험 과정에서 입자 또는 분자는 물리적 특성과 용액의 특성에 따라 서로 다른 속도로 시험관을 통과하여 이동하며, 결국 시험관 바닥에 펠릿을 형성하거나 다양한 높이에 밴드를 형성한다.
분리형 초원심분리기는 입자의 밀도에 따라 입자를 분리하고, 펠릿에 수집하기 위해 더 밀도가 높은 입자를 분리 및/또는 수확하며, 입자를 포함하는 현탁액을 정화하는 데 자주 사용된다. 연구자들은 기기의 로터 유형을 변경해야 하는 유연성이 필요한 경우 분리형 초원심분리기를 사용하기도 한다. 분리형 초원심분리기는 다양한 종류의 로터를 장착할 수 있으며, 서로 다른 수, 각도 및 속도로 샘플을 회전시킬 수 있다.
3. 5. 세포 분획법 (Fractionation process)
생물학 연구에서, 세포 분획법은 일반적으로 각 구성 요소의 개별적인 역할을 유지하면서 세포 구성 요소를 분리하는 것을 포함한다. 일반적으로 세포 시료는 다음과 같은 현탁액에 보관된다.- 완충 처리 - 중성 pH, 효소를 포함한 단백질 구조 손상 방지 (이온 결합에 영향을 미칠 수 있음)
- 등장성 (동일한 수분 포텐셜) - 세포 소기관의 수분 획득 또는 손실 방지
- 냉각 - 절차 후 방출되는 효소의 전반적인 활동 감소
원심분리는 대부분의 분획법의 첫 번째 단계이다. 저속 원심분리를 통해 세포 잔해를 제거하여 세포 내용을 보존하는 상층액을 남길 수 있다. 점진적으로 더 높은 속도로 반복적인 원심분리를 하면 세포 균질액을 구성 요소로 분획할 수 있다. 일반적으로, 세포 내 구성 요소가 작을수록 침전시키는 데 더 큰 원심력이 필요하다.[15] 그런 다음 임의의 용해액의 가용성 분획을 다양한 방법을 사용하여 구성 성분으로 추가로 분리할 수 있다.
3. 6. 차등 원심분리 (Differential centrifugation)
차등 원심분리는 원심분리에 의한 분획법 중 가장 간단한 방법으로,[8] 세포에서 발견되는 세포 소기관과 막을 분리하는 데 일반적으로 사용된다. 세포 소기관은 일반적으로 밀도와 크기에서 서로 다르기 때문에 차등 원심분리, 그리고 일반적인 원심분리의 사용이 가능하다. 그런 다음 소기관은 특정 소기관에 고유한 지표를 테스트하여 식별할 수 있다.[5] 이 기술의 가장 널리 사용되는 응용 분야는 쥐 간과 같은 조직 균질액에서 조잡한 세포 하위 분획을 생성하는 것이다.[8] 현탁액 내에서 밀도나 크기가 다른 입자는 다른 속도로 침강하며, 크고 밀도가 높은 입자가 더 빨리 침강한다. 이러한 침강 속도는 원심력을 사용하여 증가시킬 수 있다.[16]세포 현탁액은 일련의 증가하는 원심력 주기를 거쳐 침강 속도가 감소하는 세포로 구성된 일련의 펠릿을 생성한다. 균질액에는 핵, 미토콘드리아, 리소좀, 페록시좀, 세포막 시트 및 여러 세포 내 막 구획과 세포막에서 유래한 광범위한 소포가 포함되며, 일반적으로 완충 용액에 있다.[8]
3. 7. 밀도 기울기 원심분리 (Density gradient centrifugation)
밀도 기울기 원심분리법은 부유 입자를 분리하는 가장 효율적인 방법 중 하나로 알려져 있으며, 분리 기술이자 혼합물 내 입자 또는 분자의 밀도를 측정하는 방법으로 사용된다.[17]이 방법은 등급별 밀도를 가진 매질을 사용하여 크기, 모양 및 밀도를 기준으로 입자를 분리한다. 비교적 짧거나 느린 원심분리 과정에서 입자는 크기에 따라 분리되며, 큰 입자는 작은 입자보다 더 멀리 침전된다. 길거나 빠른 원심분리 과정에서는 입자가 매질의 밀도가 입자 밀도와 같은 위치로 이동한다. (ρp – ρm) → 0. 따라서 작고 밀도가 높은 입자는 처음에 크고 밀도가 낮은 입자보다 덜 쉽게 침전된다. 큰 입자는 초기 평형 밀도 위치에 도달하는 반면, 작은 입자는 큰 입자 영역을 천천히 이동하여 궁극적으로 기울기 내에서 더 깊은 평형 위치를 차지한다.[18]
이 방법으로 원심분리된 튜브는 높이에 따라 밀도 순으로 입자를 포함한다. 관심 대상 객체 또는 입자는 튜브 내에서 해당 밀도에 해당하는 위치에 존재한다.[19] 그럼에도 불구하고 이 방법을 사용할 때 몇 가지 비이상적인 침전이 여전히 가능하다. 첫 번째 잠재적 문제는 입자의 원치 않는 응집이지만, 이는 모든 원심분리 과정에서 발생할 수 있다. 두 번째 가능성은 입자를 포함하는 용액의 액적이 침전될 때 발생한다. 이는 실제로 밀도 기울기가 거의 또는 전혀 없는, 밀도가 높은 액체 위에 부유하는 현탁액 층을 가진 용액으로 작업할 때 더 자주 발생한다.[17]
생화학에서는 염화 세슘 등 분자량이 큰 염의 용액을 시료와 혼합하여 초원심분리기에 걸어 시료의 입자를 무게에 따라 분리하는 밀도 기울기 원심분리법이 이용된다. 이는 용액에 장시간 초원심을 가하여 생기는 밀도 기울기를 이용하여 시료 내 입자가 무게에 따라 층을 이루며 분리되는 현상을 이용하여 고분자의 분리나 평균 분자량을 추정하는 방법이다. 또한 혈구 세포 분리 시에도 설탕 용액 등을 사용하여 수행된다. 이 경우에는 세포가 손상되지 않도록 초원심분리기가 아닌 일반 원심분리기에 의해 분리된다.
원심분리 중의 분산질의 이동 속도 ''v''는 다음과 같이 표현된다.
:
여기서 Δρ는 분산질과 분산매의 밀도 차이, ''V''는 분산질의 부피, α는 가속도, ''m''은 분산질의 질량, β는 단위 질량당의 마찰 계수이다. 이로부터 원심분리의 효과를 나타내는 지표로서, 다음의 '''스베드베리의 ''S'' 값'''이 정의된다.
:
단, 스토크스 법칙을 사용하고 있으며, ''a''는 분산질(입자)의 반지름이다.
이 ''S''는 시간의 차원을 가지며, 10-13 초에 등식으로 정의되는 스베드베리(S)를 단위로 나타낸다.
4. 원심분리기의 구조
원심분리기는 케이스와 그 내부의 회전자(로터)로 구성된다.[5] 회전자는 용도에 따라 다양한 형태가 존재한다. 시료 용기는 침전관이라고 불리지만, 시험관, 스피츠관, 딥웰 플레이트, 마이크로튜브 등 다양한 형태의 용기가 사용되므로, 일반적으로는 어댑터 교환을 통해 다양한 용기에 대응할 수 있도록 되어 있다.[5]
튜브의 방향은 회전 속도에 따라 변하는 원심력 벡터에 항상 수직으로 유지되도록, 어댑터가 진자식 지점으로 회전자에 고정되어 있는 경우가 많지만, 튜브의 각도가 항상 일정하게 유지되는 것도 있다. 샘플은 무게 배분에 편향이 없도록 세팅되는데, 이는 회전자의 무게 배분에 편향이 있는 상태에서 고속 회전시키면 큰 진동이 발생하고, 최악의 경우 원심분리기가 파괴될 수도 있기 때문이다.[5]
초원심분리기는 여러 부위의 마찰로 인한 발열을 무시할 수 없으므로, 생화학용 초원심분리기에는 샘플을 냉각하는 장치가 갖춰져 있으며, 이것들은 냉각 원심분리기라고 불린다. 경우에 따라서는 감압함으로써, 공기와의 단열 압축을 줄이는 냉각 원심분리기도 존재한다.[5]
5. 원심분리기의 종류
산업 분야에서는 설탕 정제나 유지방 분리를 위해 원심분리기가 사용된다. 또한 화학 공업용으로는 결정과 모액을 분리하기 위한 천으로 덮인 원심분리기가 사용되기도 한다.
육불화 우라늄 가스를 초원심분리기에 넣으면 원자량의 차이에 의해 동위원소 농도에 기울기가 발생한다. 원심분리기의 원리로 동위원소를 분리하는 장치를 '''가스 원심분리 장치'''라고 부른다. 가스 원심분리 장치는 천연 우라늄에서 농축 우라늄을 제조하는 우라늄 농축 공장에서도 사용되며, 핵무기 제조에도 사용될 수 있으므로 핵확산 방지를 위해 수출입이 제한되는 경우가 있다.
초원심분리기에서 발생하는 수십만 G에서도 동위원소의 농도 기울기는 극히 미미하므로, 고농도 측과 저농도 측의 가스를 각각 다른 원심분리 장치로 유도하여 다단계로 분리를 수행한다. 단수를 늘림으로써 동위원소를 고도로 농축할 수 있다.
원심분리기를 감압하면 원심력이 용액의 비등을 억제하므로 시험관이나 딥웰 플레이트 등 미량의 용액 샘플을 소용량 용기 그대로 증발·건고시킬 수 있다. 이러한 목적으로 설계된 원심분리기를 '''원심 에바포레이터'''라고 부른다.
회전자의 구조는 초원심분리기와 동일하지만, 케이스가 감압 가능하게 되어 있으며, 샘플 용기를 적외선 복사나 온풍 주입 등으로 가온할 수 있게 되어 있다.
6. 기타 응용 분야
원심분리기는 분필 가루를 물에서 분리하는 것과 같이 액체에서 부유하는 소량의 고체를 분리하는 데 사용할 수 있다. 생물학 연구에서는 포유류 세포 정제, 세포 내 소기관 분획, 막 소포 분획, 거대 분자 및 거대 분자 복합체 분획 등에 사용될 수 있다.[8]
원심분리는 식품 산업에서 다양한 방식으로 사용된다. 예를 들어, 낙농 산업에서는 일반적으로 우유의 정화 및 유지방 제거, 크림 추출, 카제인 생산 및 회수, 치즈 생산, 박테리아 오염 물질 제거 등에 사용된다. 이 가공 기술은 음료, 주스, 커피, 차, 맥주, 와인, 두유, 오일 및 지방 가공/회수, 코코아 버터, 설탕 생산 등에도 사용된다.[20] 또한 와인의 정화 및 안정화에도 사용된다.
법의학 및 연구 실험실에서는 소변 및 혈액 성분을 분리하는 데 사용할 수 있다. 또한, 염석과 같은 정제 기술을 사용하여 단백질을 분리하는 데 도움이 된다. 예를 들어 황산 암모늄 침전법이 있다.[5]
원심분리는 폐수 처리에서 중요한 기술이며, 슬러지 탈수에 사용되는 가장 일반적인 공정 중 하나이다.[21] 이 공정은 사이클론 분리에서도 중요한 역할을 하는데, 여기서 입자는 필터를 사용하지 않고 공기 흐름에서 분리된다. 사이클론 집진기에서 공기는 나선형 경로로 움직인다. 높은 관성을 가진 입자는 원심력에 의해 분리되는 반면, 더 작은 입자는 공기 흐름과 함께 이동한다.[22]
원심분리기는 또한 물보다 가벼운 화합물, 예를 들어 오일을 분리하는 데에도 소량 사용되었다. 이러한 상황에서 수성 방전은 비중이 1보다 큰 고체가 분리 대상 물질인 반대쪽 배출구에서 얻어진다.[23]
7. 역사
테오도르 스베드베리와 그의 제자 H. 린데는 1923년에 큰 입자 크기의 졸(sol)을 중력 침강으로 분석하는 데 성공했다.[24] 졸은 콜로이드라고도 불리며, 다른 물질에 균일하게 분포된 물질을 말한다.[25] 그러나 금과 같이 입자 크기가 작은 졸은 분석이 어려웠다.[24] 이를 해결하기 위해 스베드베리는 사진 흡수 시스템을 갖춘 분석 원심분리기를 개발하여 더 큰 원심력을 가할 수 있게 하였고,[24] 분자량 측정 이론도 개발했다.[25] 이 시기에 스베드베리는 금 대신 단백질 연구에 집중하기 시작했다.[24]
1900년대 초, 단백질이 아미노산으로 구성된다는 사실은 알려져 있었으나, 단백질이 콜로이드인지 고분자인지에 대해서는 논쟁이 있었다.[26] 당시 연구 대상이었던 헤모글로빈은 712개의 탄소, 1,130개의 수소, 243개의 산소, 2개의 황 원자, 그리고 최소 1개의 철 원자를 가지는 것으로 알려졌다. 헤모글로빈의 무게는 약 16,000 달톤(Da)이었으나, 이 값이 1의 배수인지 4의 배수인지(철 원자 수에 따라)는 불확실했다.[27]
침강 평형 기술을 이용한 실험 결과, 헤모글로빈의 분자량은 68,000 Da로 철 원자가 4개 존재하며, 헤모글로빈을 어디에서 분리하든 분자량이 동일하다는 사실이 밝혀졌다.[24][25] 이러한 큰 분자량을 가진 물질이 신체 어디에서 추출하든 일정하게 발견되는 것은 이전에는 없던 일이었고, 단백질이 콜로이드가 아닌 고분자라는 주장을 뒷받침했다.[26] 이 현상을 연구하기 위해 더 빠른 원심분리기가 필요했고, 침강-확산 이론을 적용하기 위한 초원심분리기가 개발되었다.[24] 동일한 분자량이 측정되었고, 확산 경계의 존재는 단일하고 압축된 입자임을 나타냈다.[24] 원심분리를 더 활용하여, 다른 조건에서 큰 균일 입자가 개별 서브유닛으로 분해될 수 있음을 확인했다.[24] 원심분리 기술의 발전은 실험 단백질 과학에 큰 진전을 가져왔다.
1937년, 린더스트롬-랑은 밀도 기울기 튜브를 사용하여 밀도를 측정할 수 있다는 것을 발견했다. 그는 감자 황색 왜소 바이러스를 연구하던 중 이 사실을 알게 되었다.[17] 이 방법은 메셀슨과 스탈의 실험에도 사용되었는데, 그들은 질소 동위원소를 이용하여 DNA 복제가 반보존적임을 증명했다. 그들은 밀도 기울기 원심분리를 통해 복제 주기 후 DNA에 어떤 질소 동위원소가 있는지 확인했다.[19]
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