원심분리기

3. 역사

영국의 군사 기술자인 벤자민 로빈스(1707~1751)는 항력을 측정하기 위한 회전 팔 장치를 발명했다. 1864년, 안토닌 프란틀은 우유에서 크림을 분리하는 유제품용 원심분리기의 아이디어를 제안했다.^[2] 그의 형인 알렉산더 프란틀은 이 아이디어를 실제로 적용하여, 1875년에 작동하는 유지방 추출 기계를 전시했다.^[3]

4. 종류

원심분리기는 용도나 로터 설계에 따라 여러 종류로 분류할 수 있다. 로터 설계에 따른 분류에는 고정각, 스윙 헤드, 연속 관형 원심분리기가 있으며, 용도에 따른 분류에는 실험실 원심분리기, 산업용, 헤마토크릿 원심분리기, 기체 원심분리기 등이 있다.^[4][5][6][7] 산업용 원심분리기는 고밀도 및 저밀도 분획의 분리 유형에 따라 여과 및 침강 원심분리기로 나뉜다.

4. 1. 로터 설계에 따른 분류

• 고정각 원심분리기: 시료 용기를 중심축에 대해 일정한 각도로 고정한다.
• 스윙 헤드(또는 스윙 버킷) 원심분리기: 시료 용기가 중앙 로터에 부착되는 경첩이 있어, 원심분리기가 회전할 때 모든 시료가 바깥쪽으로 움직인다.
• 연속 관형 원심분리기: 개별 시료 용기가 없으며 대용량 응용 분야에 사용된다.

4. 2. 용도에 따른 분류

• 실험실 원심분리기
• 실험실 원심분리기는 여러 유형의 범용 기기로, 뚜렷하지만 중복되는 기능을 가진다. 여기에는 임상 원심분리기, 초고속 원심분리기 및 분리형 초원심분리기가 포함된다.^[4]
• 분석형 초원심분리기는 테오도어 스베드베리가 고안한 원리를 사용하여 거대분자의 침강 분석을 수행하도록 설계되었다.^[4]
• 헤마토크릿 원심분리기는 전혈에서 적혈구의 부피 백분율을 측정하는 데 사용된다.^[4]
• 기체 원심분리기
• 기체 원심분리기(예: 집페형 원심분리기)는 기체 상에서 동위원소 분리를 위해 사용된다.^[4]
• 산업용 원심분리기
• 고밀도 분획과 저밀도 분획의 분리 유형에 따라 분류될 수 있다.
• 여과 및 침강 원심분리기의 두 가지 유형이 있다.
• 여과 원심분리기 (스크린 원심분리기)
• 드럼은 천공되어 있으며 여과기(예: 여과포, 와이어 메시 또는 롯트 스크린)가 삽입된다. 현탁액은 여과기를 통과하고 천공된 벽이 있는 드럼을 내부에서 외부로 통과한다. 이러한 방식으로 고체 물질이 제한되고 제거될 수 있다. 제거 방식은 원심분리기의 유형(예: 수동 또는 주기적)에 따라 달라진다. ^[8]
• 종류
• 원심유 여과기^[8]
• 스크린/스크롤 원심분리기(스크린 원심분리기. 원심가속도를 통해 액체가 일종의 스크린을 통과할 수 있지만 고체는 통과할 수 없음(스크린 간격보다 큰 입도 또는 응집으로 인해))^[8]
• 푸셔 원심분리기^[8]
• 필러 원심분리기^[8]
• 역전 여과 원심분리기^[8]
• 슬라이딩 배출 원심분리기^[8]
• 진자 원심분리기^[8]
• 침강 원심분리기
• 드럼은 고체 벽(천공되지 않음)이다. 이 유형의 원심분리기는 현탁액의 정제에 사용된다. 현탁액의 자연 침강 공정을 가속화하기 위해 원심분리기는 원심력을 사용한다. 소위 오버플로 원심분리기의 경우, 현탁액이 배출되고 액체가 지속적으로 추가된다.^[8]
• 종류
• 분리 원심분리기(연속 액체)^[8]
• 자체 세척 원심분리기^[8]
• 고체 보울 원심분리기^[8]
• 원뿔형 플레이트 원심분리기^[8]
• 관형 원심분리기^[8]
• 데칸터 원심분리기(고체상과 액체상 사이에 물리적 분리가 없고, 원심가속도로 인한 가속된 침강이 있는 경우)^[8]
• 기타
• 대부분의 현대식 원심분리기는 전기로 작동하지만, 개발도상국의 의료 응용 분야를 위해 회전목마에서 영감을 받은 수동식 변형이 개발되었다.^[9]
• 많은 디자인이 자유롭고 오픈소스 원심분리기로 공유되어 디지털 제조가 가능하다. 1750rpm 이상의 반경 속도와 50N 이상의 상대 원심력을 가진 대용량 유체용 수동 원심분리기에 대한 오픈소스 하드웨어 디자인은 약 25달러에 완전히 3D 프린팅될 수 있다.^[10] 다른 오픈 하드웨어 디자인은 저렴한 전기 모터를 사용하여 저렴한 원심분리기를 만드는 맞춤형 3D 프린팅 고정구(예: 드레멜 전력 공구를 사용하는 Dremelfuge) 또는 CNC 절단식 OpenFuge를 사용한다.^{[11][12][13][14]}

5. 응용

원심분리기는 다양한 분야에서 활용되고 있다.

• '''실험실 분리''': 화학, 생물학, 생화학, 임상의학 분야에서 현탁액과 섞이지 않는 액체를 분리하는 데 사용된다. 속도, 용량, 온도 제어 등 다양한 특성을 가진 원심분리기가 사용되며, 실험 목적에 맞는 로터를 선택하여 사용한다. 초원심분리기는 진공 상태에서 로터를 회전시켜 공기 저항을 제거하고 정확한 온도 제어를 가능하게 한다.^[1] 혈액 분리, DNA 준비, 세포 농축 등에 활용된다.^[15]

• '''세포 분획''': 세포 구성 성분(핵, 엽록체, 미토콘드리아, 리보솜)을 분리하는 데 사용된다.

• '''동위원소 분리''': 지페형 원심분리기는 동위원소를 분리하는 데 사용되며, 원자력 및 핵무기 프로그램에 사용된다.^[16] 특히, 가스 원심분리기는 우라늄 동위원소 분리에 사용되어 핵무기 재료가 되는 우라늄을 농축하는 데 사용된다.^[33]

• '''항공 및 우주''': '''인체 원심분리기'''는 조종사와 우주비행사가 지구 중력보다 높은 가속도에서 겪는 반응과 내성을 시험하는 데 사용된다. 최초의 대규모 인체 원심분리기는 1933년 독일에 만들어졌다.^[17] 장기간 우주 임무에서 모의 중력을 발생시켜 골다공증과 근육 위축을 예방하는 연구도 진행되고 있다.^[18][19] '''비인간 원심분리기'''는 유럽우주국(ESA)에서 다양한 과학 실험에 활용되고 있다.^[20]

• '''지반 공학''': 지반공학 원심모형실험은 축소 모형에 원심 가속도를 적용하여 실제 크기의 응력을 재현하고, 건물 및 교량 기초, 흙댐, 터널, 사면 안정성, 폭발 하중, 지진 진동 등의 문제를 연구하는 데 사용된다.^[27]

• '''재료 합성''': 화학 산업, 주조, 재료 합성 분야에서 고중력 조건을 활용하여 생성물의 상 조성과 형태를 제어하는 연구가 진행되고 있다.^[28]

• '''상업적 응용''':
• 독립형 원심분리기는 옷을 건조하는 데 사용된다.^[25]
• 세탁기는 세탁물의 과도한 물을 제거하는 데 사용된다.^[25]
• 월트 디즈니 월드의 에프콧에 있는 놀이기구 미션: 스페이스에 사용된다.^[25]
• 토질역학에서 원심분리기는 축소 모형의 토양 응력을 실제 응력과 일치시키는 데 사용된다.^[25]
• 대형 산업용 원심분리기는 물과 폐수 처리, 석유 산업에서 굴착 유체 정화, 오일 샌즈에서 역청 분리 등에 사용된다.^[25]
• 우유에서 크림을 분리하는 데 사용된다.^[25]

5. 1. 실험실 분리

5. 2. 동위원소 분리

5. 2. 1. 우라늄 농축

5. 3. 항공 및 우주

5. 4. 지반 공학

5. 5. 재료 합성

5. 6. 상업적 응용

• 옷을 건조하는 독립형 원심분리기(손세탁) – 일반적으로 배수구가 있다.^[25]
• 세탁기는 세탁물의 과도한 물을 제거하기 위해 원심분리기 역할을 하도록 설계되었다.^[25]
• 원심분리기는 월트 디즈니 월드의 에프콧에 있는 놀이기구 미션: 스페이스에 사용되며, 원심분리기와 모션 시뮬레이터를 결합하여 우주로 진입하는 느낌을 시뮬레이션한다.^[25]
• 토질역학에서 원심분리기는 원심 가속도를 이용하여 축소 모형의 토양 응력을 실제 응력과 일치시킨다.^[25]
• 대형 산업용 원심분리기는 물과 폐수 처리에서 슬러지를 건조하는 데 일반적으로 사용된다. 건조된 최종 생성물은 종종 '''케이크'''라고 하며, 대부분의 고체가 제거된 후 원심분리기를 빠져나가는 물은 '''원심액'''이라고 한다.^[25]
• 대형 산업용 원심분리기는 또한 석유 산업에서 굴착 유체에서 고체를 제거하는 데 사용된다.^[25]
• 일부 오일 샌즈 업계 회사에서 사용하는 원판 적층 원심분리기는 소량의 물과 고체를 역청에서 분리하는 데 사용된다.^[25]
• 원심분리기는 우유에서 크림(지방 제거)을 분리하는 데 사용된다. 분리기 (우유) 참조.^[25]

5. 7. 세포 분획

6. 수학적 설명

원심분리 과정의 프로토콜은 일반적으로 회전 속도(예: 분당 회전수)가 아닌 시료에 가해지는 가속도의 양을 명시한다. 이는 서로 다른 지름의 두 로터가 같은 회전 속도로 작동하더라도 시료에 가해지는 가속도가 다르기 때문에 중요한 차이점이다. 원운동 중 가속도는 반지름과 각속도 ${\displaystyle \omega }$의 제곱의 곱이며, "g"에 대한 상대 가속도는 전통적으로 "상대 원심력"(RCF)이라고 한다. 가속도는 지구 표면의 표준 중력 가속도인 "g"(또는 × g)의 배수로 측정되며, 다음 식으로 주어지는 무차원 수이다.

: ${\displaystyle {\text{RCF}}={\frac {r\omega ^{2}}{g}}}$

여기서

: ${\displaystyle \textstyle g}$는 지구의 중력 가속도,

: ${\displaystyle \textstyle r}$는 회전 반지름,

: ${\displaystyle \omega }$는 단위 시간당 라디안으로 측정한 각속도이다.

이 관계는 다음과 같이 쓸 수 있다.

: ${\displaystyle {\text{RCF}}={\frac {10^{-3}r_{\text{mm}}\,\left({\frac {2\pi N_{\text{RPM}}}{60}}\right)^{2}}{g}}}$

또는

: ${\displaystyle {\text{RCF}}=1.118(2)\,\times 10^{-6}\,r_{\text{mm}}\,{N_{\text{RPM}}}^{2}}$

여기서

: ${\displaystyle \textstyle r_{\text{mm}}}$는 밀리미터(mm)로 측정한 회전 반지름이고,

: ${\displaystyle \textstyle N_{\text{RPM}}}$은 분당 회전수(RPM)로 측정한 회전 속도이다.

매번 수학적 계산을 수행하지 않으려면 주어진 반지름의 로터에 대해 RCF를 rpm으로 변환하는 노모그램을 찾을 수 있다. 눈금자나 다른 직선 도구를 한 눈금의 반지름과 다른 눈금의 원하는 RCF에 맞추면 세 번째 눈금에서 올바른 rpm을 가리킨다.^[32] 최신 원심분리기는 자동 로터 인식을 기반으로 RCF와 rpm 간의 자동 변환을 위한 버튼을 가지고 있다.

참조

_[1] 서적 Bioanalytical Chemistry John Wiley & Sons, Inc. 2004-02-20
_[2] 웹사이트 History of the Centrifuge https://www.thelabwo[...] 2022-06-10
_[3] 서적 Ludwig Prandtl: A Biographical Sketch, Remembrances and Documents http://users.ictp.it[...] The International Centre for Theoretical Physics Trieste, Italy 2004-08-14
_[4] 웹사이트 Basics of Centrifugation http://www.coleparme[...] Cole-Parmer
_[5] 웹사이트 Plasmid DNA Separation: Fixed-Angle and Vertical Rotors in the Thermo Scientific Sorvall Discovery™ M120 & M150 Microultracentrifuges http://www.thermo.co[...] Thermo Fisher
_[6] 웹사이트 Centrifuges http://uqu.edu.sa/fi[...]
_[7] 웹사이트 Appendix F http://homepages.gac[...] Gustavus Adolphus College
_[8] 웹사이트 Centrifuges http://www.centrimax[...]
_[9] 논문 Hand-powered ultralow-cost paper centrifuge 2017-01-10
_[10] 논문 Open Source Completely 3-D Printable Centrifuge 2019
_[11] 웹사이트 OpenFuge https://www.instruct[...]
_[12] 논문 Building Research Equipment with Free, Open-Source Hardware 2012-09-14
_[13] 논문 DIY Biology – Hacking Goes Viral! 2016-09-01
_[14] 논문 Build your own lab: Do-it-yourself biology and the rise of citizen biotech-economies https://hal-mines-pa[...] 2012-06-25
_[15] 논문 Principles of Cytocentrifugation
_[16] 서적 Iran's Weapons of Mass Destruction: The Real and Potential Threat https://books.google[...] CSIS 2006
_[17] 웹사이트 Human Centrifuges in Research and Training http://www.dtic.mil/[...]
_[18] 웹사이트 The Pull of HyperGravity – A NASA researcher is studying the strange effects of artificial gravity on humans. https://science.nasa[...] NASA
_[19] 뉴스 New Artificial Gravity Tests in Space Could Help Astronauts http://www.space.com[...]
_[20] 논문 THE LARGE DIAMETER CENTRIFUGE, LDC, FOR LIFE AND PHYSICAL SCIENCES AND TECHNOLOGY http://cdsads.u-stra[...] European Space Agency 2008-06
_[21] 논문 Hypergravity effects on glide arc plasma https://is.muni.cz/r[...] 2013-12-01
_[22] 논문 Transient Intervals of Hyper-Gravity Enhance Endothelial Barrier Integrity: Impact of Mechanical and Gravitational Forces Measured Electrically 2015-12-04
_[23] 논문 Planarians Sense Simulated Microgravity and Hypergravity 2014-09-17
_[24] 논문 Relation Between Motility, Accelerated Aging and Gene Expression in Selected Drosophila Strains under Hypergravity Conditions 2012-11-27
_[25] 웹사이트 What is an Industrial Centrifuge? An industrial centrifuge is a machine used for fluid/particle sep http://kytecentrifug[...]
_[26] 웹사이트 Chip Removal Centrifugal Machine https://www.chinminn[...]
_[27] 서적 Physical Modelling in Geotechnics: proceedings of the Sixth International Conference on Physical Modelling in Geotechnics https://books.google[...] Taylor & Francis
_[28] 논문 Combustion Synthesis of Ti3SiC2/TiC Composites from Elemental Powders under High-Gravity Conditions 2010-08
_[29] 논문 Microstructures and mechanical properties of bulk AlFeNd(Cu,Si) alloys obtained through centrifugal force casting 2007-04
_[30] 논문 Synthesis of Nanoparticles with Novel Technology: High-Gravity Reactive Precipitation 2000-04
_[31] 논문 Diamond synthesis by high-gravity d.c. plasma cvd (hgcvd) with active control of the substrate temperature 2001-01
_[32] 웹사이트 Nomogram for converting maximum relative centrifugal force (RCF, i.e., g-force) to RPM http://aquaticpath.u[...] University of Maryland Aquatic Pathobiology Center
_[33] 웹사이트 우라늄 동위 원소 분리를 위한 원심 분리기 http://www.kinac.re.[...] 한국원자력 기술원