Come funziona e come si usa una centrifuga da laboratorio

Pubblicato : 13/12/2018 17:50:17
Categorie : Strumenti per Laboratorio e Controllo Qualità

A cosa serve una centrifuga in laboratorio

La centrifuga da laboratorio è uno strumento utilizzato per accelerare la separazione tra corpi di diversa densità attraverso l’uso della forza, o meglio, dell’accelerazione centrifuga.

Questo processo è definito centrifugazione e si basa sul fenomeno della sedimentazione di un corpo solido ad alta densità mescolato ad un fluido a densità più bassa.

Si tratta dell’applicazione del principio di Archimede e della Legge di Stokes. La centrifugazione, sostanzialmente, mira ad aumentare l’accelerazione gravitazionale applicata alla sospensione presa in esame sostituendola con la forza centrifuga, una specifica forza che agisce su un corpo che si muove con moto circolare.

La centrifugazione permette alle molecole di separarsi in base alla loro densità e, quindi, al loro comportamento in relazione al campo gravitazionale.

Particelle con massa diversa sedimentano a velocità diversa.

La velocità di sedimentazione di una particella in sospensione dipende da diversi fattori tra cui il campo centrifugo applicato, la distanza tra la particella e l’asse di rotazione, la densità e la viscosità del mezzo, la densità, le dimensioni e la forma della particella stessa.

Il coefficiente di sedimentazione, che corrisponde alla velocità di sedimentazione per unità di campo centrifugo applicato, è un dato molto importante per studiare le proprietà di una particella.

In base a quanto detto fino ad ora, è chiaro che una miscela di particelle eterogenee e approssimativamente sferiche ma di densità e dimensioni diverse, può essere separata mediante centrifugazione.

Le centrifughe da laboratorio sono costituite da una crociera in cui si alloggiano le speciali provette da centrifuga poste solitamente a 45° o a 90° gradi rispetto all’asse della crociera stessa.

Una volta che la centrifuga viene azionata, la crociera inizia a ruotare a circa 4000 o 5000 giri al minuto. In questo modo la forza centrifuga spinge la parte solida del composto sul fondo della provetta permettendole di separarsi dalla parte liquida e trasformandola in quello che si definisce il “precipitato”.

centrifuga da laboratorio con rotore

I diverse tipi di centrifughe in laboratorio

Nei laboratori si utilizzano di solito diverse tipologie di centrifughe, per impieghi ed esigenze differenti. Le operazioni che si possono compiere a partire dalla centrifugazione, infatti, sono molte e diverse tra loro.

Quello che cambia, innanzitutto, è il sistema e l’angolo di rotazione.

I rotori della centrifuga possono essere ad angolo fisso, in questo caso le provette sono inclinate di circa 45°, verticali, con le provette disposte, appunto, in verticale, o a braccio oscillante in cui la provetta, inizialmente messa in verticale, durante la centrifugazione si dispone in orizzontale con un angolo di 90° rispetto all’asse di rotazione per poi tornare alla posizione di partenza.

Tra le varie centrifughe da laboratorio presenti in commercio, le più comuni e semplici da utilizzare sono le centrifughe da banco, destinate ad applicazioni cliniche a bassa velocità.

Queste centrifughe hanno una velocità massima, infatti, di circa 15000 giri al minuto. Sono utilizzate per isolare materiali che sedimentano rapidamente e centrifugano volumi relativamente piccoli, anche se possono sostenere un’alta capacità e un sostenuto ritmo di lavoro. Solitamente hanno rotori ad angolo fisso o a braccio oscillante.

Esistono, poi, le centrifughe di grandi capacità e da ricerca, usate per la sedimentazione di cellule, batteri e molecole di grandi dimensioni. La loro capacità arriva fino a circa due litri e raggiungono una velocità di 25000 giri al minuto. Possono utilizzare diversi tipi di rotori.

Le Ultracentrifughe, invece, sono centrifughe da laboratorio ad altissima velocità che arrivano fino a 80.000 giri al minuto. Vengono utilizzate per la sedimentazione di acidi nucleici, proteine e altri piccoli organelli. Queste centrifughe sono di solito in grado di mantenere sotto stretto controllo la temperatura, la velocità e il bilanciamento. Le ultracentrifughe trattano piccoli volumi di sostanze e hanno capacità che arriva ai 200 - 300 ml.

Metodo di separazione delle particelle

Oltre alle caratteristiche tecniche appena presentate, è bene sapere che le centrifughe si differenziano anche per metodo di separazione delle particelle.

Innanzitutto abbiamo le centrifughe senza separazione che vengono utilizzate per accelerare la sedimentazione della parte solida, anche senza l’ottenimento di due prodotti distinti.

Questa tipologia di centrifughe è molto utilizzata nei laboratori di analisi biomediche in cui si ha la necessità di separare la parte acquosa di un liquido biologico come, ad esempio, il sangue, dalla parte corpuscolare.

centrifuga sangue

Abbiamo, poi, le centrifughe decantatrici in cui le zone di uscita del solido e del liquido sono separate mediante l’azione di due rotori con velocità differenti. Si tratta di solito di centrifughe di portata molto ampia che vengono utilizzate per la separazione dei solidi amorfi o di piccole o medie dimensioni.

Nelle centrifughe con separazione di filtrazione, invece, al parte solida viene separata dalla parte liquida, appunto, mediante un filtro

I tecnici e gli esperti di laboratorio sanno che scegliere la giusta centrifuga è essenziale per ottenere risultati utili altrimenti il rischio è quello di non riuscire a utilizzare i campioni e sprecarli.

Le tipologie di centrifugazione

Anche le caratteristiche dei diversi metodi di centrifugazione differiscono tra loro. Si utilizzano vari tipi di centrifugazione in base alle particelle, alle sospensioni in cui si trovano e ai risultati che si mira a ottenere.

La centrifugazione differenziale sfrutta la diversa velocità di sedimentazioni di particelle diverse tra loro. In questo procedimento le sospensioni analizzate vengono sottoposte a tappe di centrifugazione successive, a diverse velocità, in modo che ad ogni passaggio si depositino tipologie di particelle differenti.

Un’altra tipologia di centrifugazione è quella a gradiente di intensità che sfrutta le diverse dimensioni, forme e densità delle particelle da separare. In questo procedimento il gradiente di densità si forma dentro al tubo da centrifuga e può essere di tipo continuo, se la densità del soluto cresce in maniera graduale, o discontinuo se si stratificano soluzioni di densità crescente.

La centrifugazione zonale, invece, è utilizzata per la separazione di particelle di simile densità ma diversa massa e si caratterizza per la sedimentazione delle stesse in zone discrete.

Infine esiste la centrifugazione isopicnica che si basa solo sulla densità delle componenti della miscela e ha lo scopo di portarle esattamente al livello corrispondente alla densità stessa raggiungendo un equilibrio.

Calcolo della forza centrifuga

Generalmente le prestazioni della centrifuga sono specificate in funzione della massima velocità raggiungibile. Tuttavia la velocità rappresenta solo approssimativamente la forza reale sviluppata nel campione generando la separazione.Questa forza è espressa come forza di centrifugazione relativa (RCF). Il suo valore indica quante volte la forza di centrifugazione supera l'accelerazione di gravità naturale "g". RCF è direttamente proporzionale all'asse del rotore e collegato al quadrato della velocità. Significa che, ad esempio con il raddoppio del raggio, l'RCF raddoppia e quadruplica con il raddoppio della velocità. Come conseguenza, le prestazioni delle centrifughe devono essere solo confrontate solo attraverso il Valore RCF.

Come si usa una Centrifuga

La centrifugazione è un’operazione complessa che va eseguita da tecnici specializzati e può generare vapori e fuoriuscite di materiale. Per questo è importante seguire alcuni accorgimenti.

Innanzitutto occorre controllare che tutti gli accessori siano integri e posizionare i contenitori con le provette ben inserite in sede in modo ben bilanciato.
Per evitare fuoriuscite, soprattutto nel caso di materiale biologico potenzialmente infetto o dannoso, è bene non riempire le provette fino all’orlo e utilizzare provette di materiale infrangibile con tappo di chiusura a vite autobloccante.

Se, nonostante questo, il materiale fuoriesce è assolutamente raccomandato indossare i guanti e pulire immediatamente la centrifuga con del disinfettante apposito.

In ogni caso i materiali pericolosi vanno sempre centrifugati separatamente dagli altri ed è bene pulire e disinfettare comunque, sistematicamente, gli accessori e la centrifuga stessa.

Una centrifuga è progettata e costruita per centrifugare campioni liquidi o liquidi contenenti piccole particelle solide. È vietato centrifugare solidi di qualsiasi natura. È inoltre vietata la centrifugazione di materiali esplosivi o aventi reazioni chimiche pericolose.

È severamente vietato centrifugare i campioni caricati direttamente nei portaprovette, bicchieri o bascule. I campioni vanno sempre centrifugati all’interno di un contenitore (provetta o bottiglia a fondo piatto).

Il materiale da centrifugare non dovrebbe mai eccedere la densità di 1,2 g/ml. Le provette devono essere in materiale di ottima qualità. Esse tendono a riscaldarsi durante la centrifugazione, quindi prima di utilizzarle controllarne i limiti di temperatura.

Verificare inoltre il limite di velocità al quale possono essere sottoposte che, spesso, è inferiore a quello del rotore: ad esempio provette in vetro. Nel caso in cui le provette siano munite di tappi, sigillarli bene prima della centrifugazione, onde evitare eventuali fuoriuscite di campione.

Per assicurarsi che le centrifugazioni siano eseguite al meglio il più valido consiglio resta comunque quello di scegliere lo strumento più adatto.

Ad esempio la centrifuga da laboratorio REMI-R8D con velocità massima 6000giri/min e rotore oscillante ha bisogno solo di minimi interventi di manutenzione e garantisce l’assenza di depositi carboniosi per un ambiente di lavoro quanto più sano e sicuro possibile.

La centrifuga da laboratorio NEYA 8 basic, invece, può gestire carichi fino a 4 x 175 ml e si può configurare con 8 rotori ( oscillanti o ad angolo fisso ) di diversa capacità e velocità.

La configurazione di una centrifuga è molto importante e deve innanzitutto tenere conto di cinque opzioni iniziali :