遠心

遠心分離機は、遠心力を利用して試料に一定の力を加える装置です。たとえば、流体のさまざまな成分を分離するために使用されます。これは、容器内で流体を高速回転させることで実現され、密度が異なる流体（たとえば、牛乳からクリーム）や液体と固体を分離します。密度の高い物質や粒子が放射状に外側に移動するように作用します。同時に、密度の低い物体は移動して中心に集まります。サンプルチューブを使用する実験室用遠心分離機では、放射状の加速度により、密度の高い粒子がチューブの底に沈み、密度の低い物質が上部に上昇します。^{[ 1 ]}遠心分離機は、流体本体から汚染物質を分離する非常に効果的なフィルターとして使用できます。

工業用遠心分離機は、製造業や廃棄物処理業において、懸濁固形物の沈殿や混ざり合わない液体の分離に一般的に使用されています。乳製品工場にあるクリーム分離機はその一例です。非常に高速の遠心分離機や超遠心分離機は、非常に高い加速度を与えることができ、ナノスケールまでの微粒子や質量の異なる分子を分離できます。大型遠心分離機は、高重力または高加速度環境をシミュレートするために使用されます（例えば、テストパイロットの高G訓練）。中型遠心分離機は、洗濯機や一部のプールで、布地から水を抜くために使用されます。ガス遠心分離機は、核燃料を核分裂性同位体で濃縮するなど、同位体分離に使用されます。

イギリスの軍事技術者ベンジャミン・ロビンズ（1707年～1751年）は、抗力を測定するための回転アーム装置を発明した。1864年、アントニン・プラントルは、牛乳からクリームを分離するための乳製品遠心分離機のアイデアを提案した。^{[ 2 ]}その後、このアイデアは彼の弟アレクサンダー・プラントルによって実用化され、兄の設計に改良が加えられ、1875年に稼働するバター脂肪抽出機が展示された。^{[ 3 ]}

遠心分離機とは、高速回転する容器を備え、その内容物に遠心力を加える機械と定義できます。遠心分離機には様々な種類があり、用途やローターの設計によって分類できます。

ローター設計によるタイプ: ^{[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]}

• 固定角遠心分離機は、試料容器を中央軸に対して一定の角度に保つように設計されています。
• 固定角遠心分離機とは異なり、スイングヘッド式（またはスイングバケット式）遠心分離機は、試料容器が中央のローターに取り付けられる部分にヒンジを備えています。これにより、遠心分離機が回転する際に、すべての試料が外側にスイングすることができます。
• 連続式管状遠心分離機は個別のサンプル容器を持たず、大量処理用途に使用されます。

用途別分類：

• 実験室用遠心分離機は、それぞれ異なるものの重複する機能を持つ、汎用性の高い機器です。これには、臨床用遠心分離機、超高速遠心分離機、および分取用超遠心分離機が含まれます。
• 分析用超遠心機は、テオドール・スヴェドベリが考案した原理を用いて高分子の沈降分析を行うように設計されている。
• ヘマトクリット遠心分離機は、全血中の赤血球の体積百分率を測定するために使用されます。
• 気相における同位体分離のためのガス遠心分離機（ジッペ型遠心分離機を含む）。

工業用遠心分離機は、高密度画分と低密度画分の分離方法によって分類することもできる。

一般的に、遠心分離機にはろ過式と沈降式の2種類があります。ろ過式、またはスクリーン式遠心分離機では、ドラムに穴が開いており、フィルター（例えば、ろ布、金網、またはスクリーン）が挿入されています。懸濁液は、穴の開いた壁を持つドラムとフィルターを内側から外側へと流れます。このようにして、固形物が捕捉され、除去することができます。除去方法は、遠心分離機の種類によって異なり、例えば、手動または定期的です。一般的な種類は以下のとおりです。

• 遠心式オイルフィルター
• スクリーン式遠心分離機（スクリーン式遠心分離機では、遠心加速によって液体は何らかのスクリーンを通過するが、固体は（スクリーンの隙間よりも粒度が大きい、または凝集のため）通過できない）
• プッシャー型遠心分離機
• ピーラー遠心分離機
• 反転式フィルター遠心分離機
• スライド式排出遠心分離機
• 振り子式遠心分離機
• 沈降遠心分離機

遠心分離機では、ドラムは固体の壁（穴が開いていない）です。このタイプの遠心分離機は、懸濁液の精製に使用されます。懸濁液の自然沈殿プロセスを促進するために、遠心分離機は遠心力を使用します。いわゆるオーバーフロー遠心分離機では、懸濁液が排出され、液体が継続的に追加されます。一般的なタイプは次のとおりです。^{[ 8 ]}

• 分離型遠心分離機（連続液体分離型）；一般的な種類は以下のとおりです。
  • 自動洗浄式遠心分離機
  • 円錐板型遠心分離機
• 管状遠心分離機
• デカンタ型遠心分離機（固体ボウル型遠心分離機とも呼ばれる）では、固体相と液体相の間に物理的な分離はなく、遠心力による加速沈降が行われます。
• バスケット型遠心分離機：化学工業や製薬業界で広く用いられ、特に固液分離に用いられる。主な種類は以下の通り。
• 上部排出バスケット遠心分離機：サイクル終了後、ケーキは上部から手動で取り外されます。^{[ 9 ]}
• 底部排出バスケット型遠心分離機：底部から固形物を自動的に排出することで、効率を向上させ、手作業による取り扱いを減らします。^{[ 10 ]}
• バッグリフティング式垂直バスケット遠心分離機：取り外し可能なフィルターバッグを備えており、最小限の人的接触で固形物を簡単かつ安全に排出できるため、衛生とオペレーターの安全性が向上します。^{[ 11 ]}

現代の遠心分離機のほとんどは電動式だが、風車にヒントを得た手動式のものが発展途上国の医療用途向けに開発されている。^{[ 12 ]}

デジタル製造可能な無料のオープンソース遠心分離機の設計が多数共有されています。半径方向速度が 1732 rpm を超え、相対遠心力が 50 N を超える、大容量の流体用の手動式遠心分離機のオープンソースハードウェア設計は、約 25 ドルで完全に3D プリントできます。 ^{[ 13 ]}他のオープン ハードウェア設計では、カスタム 3D プリント治具と安価な電気モーターを使用して低コストの遠心分離機 (たとえば、Dremel電動工具を使用する Dremelfuge) や、CNC で切削加工した OpenFuge を作成します。^{[ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]}

遠心分離のプロトコルでは、通常、回転速度（例えば1分あたりの回転数）を指定するのではなく、サンプルに加える加速度の量を指定します。この違いは重要です。なぜなら、直径の異なる2つのローターが同じ回転速度で回転すると、サンプルにかかる加速度が異なるからです。円運動中の加速度は、半径と角速度の2乗の積です。${\displaystyle \omega }$また、「 g 」に対する加速度は、伝統的に「相対遠心力」（RCF）と呼ばれます。この加速度は、「g」（または×  「g 」）の倍数で測定されます。「g」は地球表面における標準重力加速度であり、次の式で表される無次元量です。

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

どこ

${\displaystyle \textstyle g}$地球の重力加速度は、

${\displaystyle \textstyle r}$は回転半径です。

${\displaystyle \omega }$は単位時間あたりのラジアン単位の角速度です。

この関係は次のように表すことができます。

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

または

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

どこ

${\displaystyle \textstyle r_{\text{mm}}}$はミリメートル（mm）で測定した回転半径であり、

${\displaystyle \textstyle N_{\text{RPM}}}$回転速度は、1分あたりの回転数（RPM）で測定されます。

毎回数学的な計算を行う必要がないように、特定の半径のローターに対して RCF を rpm に変換するノモグラムを見つけることができます。定規やその他の直線状のものを一方の目盛りの半径に合わせ、もう一方の目盛りの目的の RCF に合わせると、3 番目の目盛りの正しい rpm が指されます。 ^{[ 35 ]}自動ローター認識に基づいて、最新の遠心分離機には RCF から rpm への自動変換、およびその逆の自動変換を行うボタンがあります。

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