Säker användning av centrifuger

Centrifugering är en teknik som hjälper till att separera blandningar genom att använda centrifugalkraft. En centrifug är en anordning, vanligtvis driven av en elmotor, som sätter ett föremål, t.ex. en rotor, i en roterande rörelse runt en fast axel.

042-300 91 30

Har du några frågor eller funderingar? Ring kundtjänst

Grunderna i centrifugering

Centrifugering är en teknik som hjälper till att separera blandningar genom att använda centrifugalkraft. En centrifug är en anordning, vanligen driven av en elmotor, som sätter ett föremål, t.ex. en rotor, i en roterande rörelse runt en fast axel. En centrifug fungerar enligt sedimenteringsprincipen: Under inverkan av gravitationskraften (g-kraften) separeras ämnen beroende på deras densitet. Det finns olika typer av separation, t.ex. isopyknisk separation, ultrafiltrering, densitetsgradient, fasseparation och pelletering. Pelletering är den vanligaste tillämpningen för centrifuger. Här koncentreras partiklarna som en pellet i botten av centrifugröret och separeras från den återstående lösningen, som kallas supernatant. Vid fasseparation omvandlas kemikalier från en matris eller ett vattenhaltigt medium till ett lösningsmedel (för ytterligare kemisk eller molekylärbiologisk analys). Vid ultrafiltrering renas, separeras och koncentreras makromolekyler med hjälp av ett membran. Isopyknisk centrifugering utförs med hjälp av en “självgenererande” densitetsgradient som etableras genom jämviktssedimentering. Denna metod koncentrerar analysens matchningar med dem i den omgivande lösningen. I protokollen för centrifugering anges vanligen den relativa centrifugalkraften (rcf) och accelerationsgraden i multiplar av g (g-kraft). Att arbeta med rotationshastigheten, t.ex. varv per minut (rpm), är ganska oprecist. Labteamet_csm_Figure1_CentrifugeGuide_Precipitate_supernatant

Labteamet_csm_Figure1_CentrifugeGuide_Precipitate_supernatant

Viktiga definitioner

I allmänhet specificerar centrifugeringsapplikationer graden av acceleration som ska appliceras på provet i stället för att ange en specifik rotationshastighet, t.ex. varv per minut. Accelerationen anges vanligen i tyngdkraft [× g] (eller multiplar av x g eller g-kraft), standardvärdet för acceleration på grund av tyngdkraften vid jordytan (9,81 ^m/s2). Skillnaden mellan varvtal och rcf är viktig, eftersom två rotorer med olika diameter som roterar med samma varvtal (rpm) kommer att resultera i olika accelerationer (rcf).

Varför då?

Eftersom rotorns rörelse är cirkulär beräknas accelerationskraften som produkten av radien och kvadraten på vinkelhastigheten. Historiskt känd som “relativ centrifugalkraft” (rcf), är detta mätningen av den acceleration som appliceras på ett prov i en cirkulär rörelse. Denna process mäts i gravitationsenheter (× g).

Exempel

	Rotor A	Rotor B
Varvtal	14.000 varv per minut	14.000 varv per minut
Radie	5,98 cm	9,50 cm
Tyngdkraft	13,100 × g	20,817 × g

*använda formeln ovan

Som nämnts bör samma rcf (g-kraft) användas när rotorer med olika radier används för centrifugering.

Labteamet_csm_Figur-2_Relativ-centrifugalkraft-f_

Båda centrifugerna kan snurra en rotor med 1,5/2 mL rör med samma hastighet (14 000 rpm) men accelerationen som appliceras på proverna är mycket olika: 13 100 × g jämfört med 20 817 × g, vilket resulterar i olika resultat. För att göra livet enklare och för att bättre kunna återge data har vissa centrifuger knappar direkt på manöverpanelen för automatisk omvandling mellan rpm och rcf. Om din centrifug inte har en rpm-rcf-omvandlare kan du använda formeln, rpm-rcf-omvandlaren som finns på centrifugleverantörernas hemsidor eller ett nomogram för omvandling. K-faktorn är en parameter för sedimenteringssträckan i ett provrör. Denna faktor kallas också clearingfaktor och representerar den relativa pelleteringseffektiviteten hos ett centrifugationssystem vid maximalt rotationsvarvtal. I allmänhet används k-faktorvärdet för att uppskatta den tid, t (i timmar), som krävs för fullständig sedimentering av en provfraktion med en känd sedimenteringskoefficient mätt i s (svedberg).

En liten k-faktor innebär en snabbare separation. Värdet på k-faktorn bestäms i första hand av rotordiametern. Jämfört med rpm/rcf har användningen av k-faktorn blivit mindre viktig för allmänna centrifugeringsprocesser. Speciellt för ultracentrifugering är k-faktorn fortfarande relevant.

Så här väljer du rätt centrifug för din applikation

Om du följer ett givet protokoll, se till att använda samma typ av rotor och tillämpa den givna relativa centrifugalkraften (rcf) samt samma temperatur och körtid. I allmänhet måste följande huvudparametrar bestämmas för en lyckad centrifugeringskörning: A: Typ av urval B: Val av fartyg C: Typ av centrifug D: Typ av rotor E: Bestämning av önskad relativ centrifugalkraft F: Definierad temperatur under centrifugering

Rotorer med fast vinkel eller svängbara skovlar

De vanligaste rotorerna vid laboratoriecentrifugering är antingen rotorer med fast vinkel eller rotorer med svängbara skopor. Endast ett fåtal tillämpningar kräver specialrotorer som t.ex. genomströmningsrotorer, trumrotorer och liknande. Genomströmningsrotorer möjliggör uppsamling av fällningar med kontinuerligt flöde. Dessa system används t.ex. i skördefermentorer eller för juiceproduktion inom livsmedelsindustrin. Specialanpassade versioner, optimerade för den specifika applikationen, är nödvändiga.

Labteamet_csm_DW_Rotor_FA-45-6-30_50m_open

Rotor med fast vinkel Den uppenbara fördelen är att det inte finns några rörliga delar i rotorn. Detta resulterar i lägre metallspänning (längre livslängd), en högre maximal g-kraft är möjlig och för många applikationer kan snabbare centrifugeringstider uppnås. Den begränsade kapaciteten (mindre flexibilitet) hos rotorn med fast vinkel är den enda nackdelen. Pelletsens position är starkt beroende av rörets vinkel, den befinner sig från sidan till botten av röret när det snurrar. De flesta rotorer har en 45° vinkel för rören. Ju större vinkel på rören, desto tätare blir pelleten. Mindre rotorvinklar resulterar i mer utspridda pelletsområden.

Rotor med svängskopa Denna typ av rotor är mycket flexibel för användning av olika rörformat, inklusive plattor i SBS-format, baserat på ett brett utbud av adaptersystem och en hög provkapacitet. De rörliga delarna i den svängbara skopan leder till ökad metallspänning för rotorn och skoporna eftersom skopans vikt belastar de två pivottapparna och spåren. Jämfört med en rotor med fast vinkel begränsas därför en swing-bucket-rotor till en lägre maximal g-kraft, vilket leder till längre centrifugeringstider. Enligt swing-bucket-principen är pelleten placerad i botten av röret (rörets horisontella position under körningen). Användaren kan lättare ta upp pellets jämfört med pellets som är placerade vid sidan av röret.

Centrifugen

Golvstående centrifuger Golvstående centrifuger frigör bänkutrymme men kräver minst en kvadratmeter golvyta i laboratoriet. De är ett bra val för höghastighetsprotokoll eller protokoll med hög kapacitet. Bland de golvstående centrifugerna kan man välja mellan ultracentrifuger, superhastighetscentrifuger och låghastighetscentrifuger. En ultracentrifug är en anordning för exceptionellt hög hastighet. Dessa kylda centrifuger har en evakuerad kammare för att möjliggöra en rotationshastighet på upp till 150.000 varv/min. G-kraften är ca 300.000 till 1.000.000 × g. Speciella kärl som placeras i rotorn eller fästs på en speciell rotor är nödvändiga. När g-krafter på 40 000 till 60 000 × g behövs, ska golvstående centrifuger med superhastighet användas. Golvstående centrifuger med låg hastighet används i allmänhet för tillämpningar som cellkultur eller blod med mindre än 10 000 rcf som maximal g-kraft. Bänkcentrifuger Bänkcentrifugerna finns i olika storlekar:

Mikrocentrifuger

Mikrocentrifugerna är optimerade för lågvolymrör, har ett litet fotavtryck och ger 14.000 till 30.000 × g för upp till 48 mikrorör. Vissa enheter kan till och med användas för några koniska rör på 15 ml eller 50 ml eller 2 plattor i SBS-format. Många leverantörer erbjuder icke-kylda och kylda versioner och olika storlekar av enheter baserat på deras rörkapacitet.

Centrifuger för flera ändamål

Multifunktionscentrifugerna har en större rotorkammare och gör det möjligt att använda ett stort antal olika rotorer (mycket mångsidiga). Förutom ett flexibelt rotorsystem möjliggör specifika adaptersystem användning av en mängd olika typer av rör och flaskor (från 0,2 mL till 1 000 mL) samt plattor. Den maximala hastigheten beror i hög grad på kärlets egenskaper.

Centrifugens säkerhet

Säker drift

Obalanser

Vad orsakar en obalans? Rotorer snurrar mycket snabbt och genererar extrema krafter. Det är därför viktigt att balansera rotorerna ordentligt under körningarna, särskilt när rotorerna bara är delvis laddade med rör eller plattor. Balansering är alltid viktigt (för att inte minska rotorns livslängd), men särskilt viktigt är det vid centrifugering i högre hastigheter. Trots dina ansträngningar kan dock obalansfel orsakade av obalanserade provbelastningar uppstå.

Vilka risker står jag inför när jag utsätts för en obalanserad belastning? Felaktig belastning kan minska rotorns livslängd, och okontrollerade, kraftiga vibrationer kan leda till permanenta skador på centrifugen. Ännu viktigare är dock att en obalanserad last kan skada dig eller någon annan. I värsta fall kan en obalans leda till en rotorkrasch.

Förstår min centrifug att belastningen är obalanserad? Många centrifuger har automatisk obalansdetektering och bromsar eller stänger automatiskt av om de känner av en alltför obalanserad last (sensorer är särskilt inbyggda i centrifugen för detta ändamål). Det är framför allt större modeller (stora bänk- och golvcentrifuger samt ultracentrifuger) som har denna funktion. Mindre bänkmodeller skapar å andra sidan inte tillräckligt starka krafter för att orsaka skadliga obalanser; med dessa modeller skulle du bara märka en liten vibration och/eller en högre ljudnivå. Tänk på att den automatiska obalansavkänningen inte automatiskt kompenserar för en obalanserad last.

Vad måste jag göra om ett obalansfel uppstår? Om centrifugen börjar skaka eller vobblar är den ur balans och du bör omedelbart stoppa den. Lite vibrationer är normalt, men alltför mycket kan innebära fara. När du har stannat centrifugen ska du först kontrollera om du har balanserat rören eller plattorna i rotorn eller skoporna korrekt. Om de är korrekt balanserade och skakningarna kvarstår ska du kontakta tillverkaren eller återförsäljaren för att få enheten servad. Fortsätt inte att köra en centrifug som synbart vobblar när rotorn snurrar.

Labteamet_csm_Illustration_SH_loading_01

Labteamet_csm_Illustration_SH_loading_02_RZ_

Hur undviker jag obalanser i centrifugerna överhuvudtaget? Se till att arbetsytan är jämn och fast. Använd inte centrifugen på en ojämn eller lutande arbetsyta. Vid höga hastigheter kan en centrifug lätt bli obalanserad om inte lika stora massor är placerade mitt emot varandra i rotorn: För rotorer med fast vinkel ska du balansera rören efter deras vikt. Ladda rotorn symmetriskt och se till att det motsatta röret inte bara är samma typ av rör, utan att det också är fyllt med samma massa. Om antalet rör med prover är ojämnt kan du balansera med vatten i ytterligare ett rör. Kom ihåg att balansera rörens massa (vikt), inte volymen (storlek). Väg röret med ditt prov och anteckna massan. Om du snurrar fler än två rör behöver bara rören mittemot varandra ha samma massa. För utsvängbara rotorer ska alla rotorpositioner alltid lastas med skopor (ofullständig lastning av rotorn kan minska rotorns livslängd). Vikten för den maximala lasten eller den maximala vikten för den fullastade skopan anges (viktklass) på skoporna. Överskrid inte denna vikt. Se till att rören eller plattorna placeras symmetriskt när du lastar skoporna. Kontrollera alltid att skoporna svänger ut mjukt. Om så inte är fallet, rengör svängtapparna och spåren och smörj in dem med fett.

Lastning

Kontrollera att de rör du använder har specificerats för användning med din centrifugrotor. Stötta vid behov upp rören med adaptrar och kontrollera att rörlängden gör att hinkarna kan svängas ut till horisontellt läge. Om du använder aerosoltäta hinkar ska du kontrollera att rörlängden passar med locket. Vissa centrifugleverantörer erbjuder speciella rotorer som är avsedda att användas för centrifugering av spinnkolonner utan risk för att rörlocken rivs av. Om du använder en annan rotor än den som rekommenderas av tillverkaren kan det lätt leda till spill i centrifugen, vilket kan leda till att det bildas en aerosol. Detta kan vara farligt för hälsan och miljön.

Inspektera centrifugflaskor och rör eller plattor för sprickor före användning. Eftersom en centrifug kan snurra i så höga hastigheter kan ett flytande prov lätt bli en aerosol om det inte är ordentligt inneslutet. Spruckna rör kan spricka vid höga hastigheter eller åtminstone läcka provet in i rotorn. Som ett sista steg ska du se till att sätta fast rotorlocket som medföljer centrifugen eller det aerosoltäta locket på hinkarna ordentligt.

Belasta rotorn för svängskopan jämnt

När du arbetar med en rotor med svängbara skopor som inte har belastats helt, placera rören i skoporna i ett mönster som resulterar i att rotorns pivoter belastas jämnt.

Märk alla rör tydligt så att de kan identifieras. Du kanske vet hur du placerade rören i centrifugen innan de började snurra, men i slutet av centrifugeringen kommer du inte att kunna skilja dem åt. Om du har ett rör som du använder för balans, se till att du märker det som sådant. Det är bäst att märka röret direkt istället för att använda ett klistermärke. Ett klistermärke kan falla av under centrifugeringen och försvåra identifieringen.
Torka av rörets utsida med desinfektionsmedel innan du placerar det i centrifugen. Det är särskilt viktigt att torka av röret om du arbetar med ett biologiskt riskmaterial. Du vill begränsa eventuella spill eller aerosolbildning med ditt prov. Det bästa sättet att förebygga detta är att torka av röret med ett lämpligt desinfektionsmedel innan centrifugeringen påbörjas.
Kontrollera att du inte har överskridit den maximala påfyllningsmängd för provbehållarna som anges av tillverkaren.
Fyll provbehållarna utanför centrifugen. Ingen vätska får komma in i centrifugeringskammaren under påfyllningen.

Labteamet_DW_14-07-24Wurzbach2046_Filter_rgb_klein

Märk dina rör för identifiering

Belasta rotorn symmetriskt

För rotorer som svänger ut bör alla skopor väga lika mycket när de är lastade. För rotorer med fast vinkel ska du balansera rören efter deras vikt. Rotorn måste lastas symmetriskt: Detta innebär att motstående rör ska vara av samma typ och fyllda med samma massa. Om du centrifugerar fler än två rör behöver endast de rör som är direkt motsatta varandra ha samma massa. Vid höga hastigheter kan en centrifug lätt bli obalanserad om inte lika stora massor är placerade mitt emot varandra i rotorn.

Labteamet_csm_Illustration_SH_loading_01_RZ

Automatisk igenkänning av rotorn

Många centrifuger (särskilt bänkcentrifuger med flera användningsområden) har automatisk rotorgenkänning. Denna funktion känner av en nyinsatt rotor och begränsar automatiskt g-kraften (rcf)/hastigheten (rpm) till rotorns högsta tillåtna värde. Med andra ord förhindrar den automatiska rotorigenkänningen att en rotor används vid ett högre varvtal än den är konstruerad för. I synnerhet mindre centrifuger med ett begränsat urval av rotorer och liknande typer av rotorer saknar dock ofta rotorigenkänning. I dessa fall har alla rotorer konstruerats för att arbeta med centrifugens maximala hastighet. Eppendorf Centrifuge 5424 R är ett exempel på denna typ av centrifug: Alla dess rotorer är konstruerade för att snurra upp till 15.000 varv per minut, och därför behövs ingen automatisk rotorigenkänning för denna centrifug.

Hantering av farligt material

Att arbeta i kliniska diagnostiska laboratorier innebär vanligtvis att man arbetar med potentiellt smittsamma prover som blod eller andra kroppsvätskor. Men även i forskningslaboratorier är det vanligt att man hanterar smittsamma mikroorganismer eller skadliga kemikalier. För att garantera laboratoriepersonalens säkerhet och förebygga laboratorieförvärvade infektioner (LAI) eller andra hälsorisker måste rimliga försiktighetsåtgärder vidtas under hela arbetsflödet. Istället för att gå igenom hela arbetsflödet koncentrerar vi oss nu på centrifugeringssteget för infektiösa och farliga prover eftersom farorna här ofta är ganska underskattade. Statistiken visar att cirka 80% av alla LAI är oanade (aerosoler). För mer information, se den ytterligare litteratur som anges i slutet av denna text.

Smittvägar för laboratorieförvärvade infektioner

Personer som arbetar med potentiellt smittsamma prover utsätts för många risker i både kliniska diagnostiska laboratorier och forskningslaboratorier. Eftersom exponering för skadliga eller smittsamma ämnen sker oftare än väntat är det mycket viktigt att öka medvetenheten om riskerna och källorna till LAI samt om de säkerhetsåtgärder som laboratoriepersonal måste vidta. Det är inte säkert att all exponering leder till en infektion, men ju mindre exponeringen är, desto lägre är risken för att drabbas av en LAI. Labteamet_csm_Illustration_SH_Inhalation_RZ

Labteamet_csm_Illustration_SH_Inhalation_RZ

De viktigaste smittvägarna för laboratorieförvärvade infektioner är

Spill och stänk på hud och slemhinnor samt kontakt med spill och droppar på ytor (dermal kontakt)
Förtäring genom pipettering i munnen eller genom att röra vid munnen (eller ögonen) med fingrar eller kontaminerad arbetsutrustning
Inandning av infektiösa aerosoler

Centrifuger som en källa till aerosoler

På grund av sitt arbetssätt kan centrifuger utgöra en stor risk om de inte används på rätt sätt. För att hålla en önskad temperatur använder luftkylda och kylda centrifuger ett ventilationssystem. Detta system släpper ut varm luft från centrifugens insida till omgivningen. Smittämnen som finns i frånluften sprids snabbt och brett i hela laboratoriet. Rörbrott utgör en ännu större risk, eftersom det kan ge upphov till en stor mängd aerosol. Användningen av aerosoltäta lock eller korkar minskar denna risk avsevärt.

Att vidta försiktighetsåtgärder

För att säkerställa att laboratoriepersonalen är optimalt skyddad bör ett par säkerhetsriktlinjer följas. För det första, och mycket viktigt, är att ta hänsyn till den mänskliga faktorn:

Unga, oerfarna medarbetare är mer benägna att göra fel, och därför krävs regelbunden utbildning och tillsyn.
Bristande mental vakenhet, höga stressnivåer och tung arbetsbelastning är faktorer som kan leda till mindre försiktigt beteende.
Lämplig utrustning måste finnas tillgänglig och underhållas på rätt sätt; detta gäller både teknisk utrustning och skyddsutrustning.

Labteamet_csm_Illustration_Säkerhetsutrustning_RZ

För aerosoltät centrifugering måste både aerosoltäta lock eller korkar och lämpliga kärl användas. I detta avseende måste följande punkter beaktas:

Material. Använd okrossbara material som PP, PE och liknande; undvik glasrör.
Läckagetäthet. Se till att kärlet kan stängas och förbli läckagetätt; använd t.ex. Eppendorf-rör.
Fyllningsvolym. Varje kärl har en maximal fyllnadsvolym, vanligtvis två tredjedelar eller 80% av den totala volymen (kallad “arbetsvolym”) som inte bör överskridas; detta säkerställer att vätskan i kärlet inte rör vid kärlets lock.
Droppar. Dessa kan förekomma i tråden på kärlets lock eller till och med på utsidan av kärlet. Dessa droppar kan bli luftburna under centrifugeringen och därmed bilda aerosoler.

Labteamet_csm_Illustration_SH_Tube_ueberfuellt_RZ

Som tidigare nämnts är aerosoltäta lock (för svängbara hinkar) eller aerosoltäta lock (för rotorer med fast vinkel) nödvändiga för centrifugering av farliga prover. Följande punkter beskriver korrekt hantering och underhåll av utrustningen:

Lastning och lossning. Aerosoltäta lock och korkar förhindrar inte att aerosoler bildas under centrifugeringen, utan ser till att aerosoler inte kan läcka ut från det slutna systemet. Därför måste du vänta minst 10 minuter innan du öppnar skopan eller rotorn. Detta ger aerosolerna tid att sedimentera. Du bör också ladda och lossa hinkarna eller rotorn i ett biosäkerhetsskåp (särskilt inom virologi och mykobakteriologi) för att minimera risken för läckande aerosoler.
Desinfektion och autoklavering. Hinkar, lock, rotorer och lock är de viktigaste komponenterna som kommer i kontakt med aerosoler. Korrekt hantering av dem förhindrar att aerosoler sprids i resten av enheten, men själva delarna måste desinficeras efter varje användning. Detta görs med hjälp av lämpliga desinfektionsmedel och enligt tillverkarens rekommendationer (vanligtvis fungerar 70 % etanol bra för rotorer och hinkar). Du kan också regelbundet autoklavera rotorer, rotorlock, hinkar och lock (se bruksanvisningen för parametrar; autoklavering utförs vanligtvis i 20 minuter vid 121°C, 2 bar).
Tätningar. Alla aerosoltäta lock och korkar levereras med gummitätningar. Tillsammans bildar locken och tätningarna en aerosoltät enhet, som måste testas och certifieras av ett oberoende testinstitut (t.ex. Public Health England, Porton Down, Storbritannien). Du måste regelbundet kontrollera tätningarna för att säkerställa att de är intakta, icke-porösa och korrekt placerade i spåren. Om någon av dessa faktorer inte föreligger kan aerosolens täthet inte garanteras. Smörj eller byt ut gummitätningen vid behov.

Använda centrifuger på ett säkert sätt

Centrifugen i sig är en annan faktor som måste beaktas i säkerhetsarbetet:

Hastighetsbegränsningar. Överskridande av rotorns hastighetsgränser kan leda till rörbrott eller till och med en rotorkrasch, och därför måste rotorns hastighetsgräns beaktas när centrifugen inte är utrustad med automatisk rotorigenkänning (en funktion som säkerställer att maxhastigheten inte överskrids).
Rör som går sönder. Om ett rör går sönder eller läcker ska centrifugen inte öppnas förrän minst 30 minuter efter körningen. Eftersom detta inte alltid kan upptäckas innan du öppnar skoporna eller rotorn (en plötslig obalans kan vara ett första tecken på slangbrott), rekommenderar vi att du alltid väntar minst 10 minuter innan du öppnar behållarna.
Underhåll. Bra underhåll och regelbundna kontroller av centrifugen, rotorerna och utrustningen är nödvändiga för att garantera säkerheten och förhindra systemfel (t.ex. rotorkrasch, vilket leder till att en stor mängd aerosol släpps ut med centrifugens avgaser). Se tillverkarens instruktioner för underhållsinformation eller titta på vår video om centrifugunderhåll.

Personlig skyddsutrustning är en annan avgörande faktor för att undvika kontakt med infektiösa eller skadliga ämnen (främst genom förtäring och hudkontakt) och följande bör beaktas:

Skyddsutrustning. Bär alltid laboratorierock, skyddshandskar och skyddsglasögon när du arbetar med smittsamma eller farliga ämnen. På så sätt minimeras risken för hud- eller slemhinnekontakt med materialet (stänk, droppar etc.).
Rengör händerna. Efter arbete med smittsamt material ska du ta av dig de använda handskarna och desinficera händerna innan du tvättar dem noggrant.
Rengör utrustningen. Se till att personalens skyddsutrustning, t.ex. laboratorierockar, skyddsglasögon och liknande, rengörs regelbundet och byt ut den om den är skadad.

Genom att inkludera dessa försiktighetsåtgärder i arbetsflödet får du en högre säkerhetsnivå under centrifugeringen och minimerar risken för LAI.