Современная центрифуга была впервые разработана для отделения молочного жира в молочной промышленности. Сегодня она повсеместно используется в исследовательских лабораториях. Кому мы обязаны её поразительной универсальностью?
Германская империя была основана в 1871 году после победы Пруссии во Франко-прусской войне. Хотя Германия была ещё только зарождающимся государством, она уже славилась своим научным гением. Многие открытия — от микроскопии до органической химии — были сделаны немецкими учёными, работавшими в период расцвета индустриализации, экономического роста и военной мобильности. Среди них были братья Прандтль, Антонин и Александр, получившие образование инженеров в области прикладных наук.
Будучи профессором, работавшим на экспериментальной молочной станции во Фризинге (Верхняя Бавария), Александр усовершенствовал один из ранних проектов Антонина, превратив его в изобретение, достойное Всемирной выставки 1875 года во Франкфурте-на-Майне, где оно было представлено наряду с синтетическими красителями и ранними фармацевтическими препаратами. Изобретение представляло собой устройство, которое применяло ньютоновский закон центробежного движения — вращающиеся объекты испытывают направленную вовне силу — для выталкивания более плотного материала наружу (в данном случае обезжиренного молока), в то время как более лёгкий материал (сливки) оставался ближе к центру.
Так появился один из основных научных инструментов — центрифуга.
Машина братьев Прандтль, изначально использовавшаяся в молочной промышленности для отделения молочного жира, претерпела множество изменений, прежде чем стала повсеместным промышленным и лабораторным инструментом, известным нам сегодня. С каждым усовершенствованием центрифуга становилась всё быстрее и точнее, а сферы её применения расширялись. Увеличение скорости позволило учёным использовать всё более тонкие различия в плотности, отделяя всё более мелкие частицы — от крошечных биологических молекул, таких как вирусы или ДНК, до изотопов урана, просеиваемых на уровне атомов.
Но большая скорость создавала и свои проблемы. Более быстрое вращение делало ранние центрифуги неустойчивыми, вызывая механическую напряжённость. Перегрев из-за трения часто приводил к повреждению образцов. В ответ инженерам пришлось придумать усиления роторов и автоматические системы балансировки и охлаждения.
Таким образом, переходя от молока к мельчайшим частицам, центрифуга развивалась так же, как и другие научные приборы, превращаясь с помощью постепенных и продуманных инноваций в фундаментальный исследовательский инструмент.
Центрифуга в промышленности
Поскольку первые центрифуги не были похожи на современные стабильные устройства с контролируемой температурой, их сначала использовали для разделения сравнительно крупных молекул, таких как молекулы цельного молока. 3 июля 1878 года, спустя всего три года после того, как центрифуга Александра Прандтля вызвала такой ажиотаж на Всемирной выставке во Франкфурте, шведский инженер Густаф де Лаваль запатентовал первый центробежный сепаратор молока и сливок непрерывного действия. Проникнувшись патриотизмом, де Лаваль провозгласил: «Я покажу, что центробежная сила будет действовать в Швеции так же, как и в Германии».
Диаметр барабана, разработанного де Лавалем, составлял 60 см, а скорость вращения — 3000 об/мин. Молоко поступало во вращающийся барабан через впускную трубу в центре и вытеснялось наружу через каналы в его основании. По мере вращения барабана более тяжёлое обезжиренное молоко перемещалось к краю, а более лёгкие, менее плотные сливки скапливались в центре. Обезжиренное молоко вытекало из машины через нижний сток, а сливки выводились через верхний. Новые порции цельного молока непрерывно поступали через входное отверстие, вытесняя разделённые жидкости в барабане через отдельные каналы и заставляя их подниматься вверх в крышки для сбора молока в верхней части.
Даже получив патент, де Лаваль продолжал вносить усовершенствования, например, уменьшил диаметр барабана — теперь его называли чашей — для увеличения скорости вращения. Через год диаметр чаши де Лаваля уменьшился до 29 см, а скорость вращения увеличилась до 5500 об/мин. В 1883 году де Лаваль и его партнёр, инженер Оскар Ламм, основали компанию AB Separators, и к 1886 году этот дуэт разработал пригодную для массового производства центрифугу, способную перерабатывать 400 литров молока в час.
На рубеже XX века появились электродвигатели, и вскоре центрифуги стали ключевыми устройствами в ещё более широком спектре отраслей. В прачечных и текстильной промышленности вращающиеся барабаны помогали вытеснять жидкость из ткани перед сушкой. В сахарной промышленности они отделяли кристаллы сахара от патоки, а в производстве мёда помогали отделять мёд от сотов, не разрушая их, что позволяло использовать их повторно.
Хотя было очевидно, что центробежное движение более эффективно, чем традиционная гравитационная сепарация, первые промышленные центрифуги не отличались скоростью и точностью. Например, при добыче мёда, если не закрепить хрупкие соты как следует, центробежная сила могла раздавить хрупкий воск. Для разделения мелких биологических частиц требовалась ещё более тонкая балансировка роторов центрифуги, поскольку даже малейшая вибрация могла привести к смешиванию разделённых материалов.
Сменилось поколение, и шведский химик-физик и впоследствии лауреат Нобелевской премии Теодор Сведберг решил эти проблемы, создав гораздо более быструю центрифугу для изучения состава коллоидов. Коллоиды — это растворы на водной основе, состоящие из крошечных частиц, слишком маленьких, чтобы их можно было увидеть, но всё же больших, чем отдельные молекулы.
Сведберг, хорошо образованный как в химии, так и в физике, рассудил, что его коллоидные растворы состоят из частиц разного размера.[1] Он полагал, что сможет определить размеры этих частиц, используя закон Стокса для измерения того, сколько света они блокируют, когда оседают из взвеси. Однако для отделения более мелких частиц не хватало одной только силы тяжести, да и существовавшие тогда центрифуги не справлялись с этим. Сведбергу требовалось устройство, которое вращалось бы с гораздо большей скоростью, чем современные ему модели — от 3000 до 5500 оборотов в минуту.
В 1923 году, во время путешествия через Северную Атлантику с целью обучать студентов коллоидной науке в Университете Висконсин-Мэдисон, Сведберг занялся эскизами аппарата, который отвечал бы его потребностям.
Он разработал проект устройства, установленного внутри стального ящика, с тем, чтобы контролировать температуру и воздушные потоки. Центрифугу нужно было снабдить оптической системой, чтобы наблюдать за частицами по мере их оседания. Ротор имел два рычага с диском, прорезанным таким образом, чтобы свет проходил только при правильном расположении образца, и камеру для получения изображения. Электродвигатель вращал машину с неслыханной для тех времён скоростью 20 000 оборотов в минуту. Прибыв в университетский городок, Сведберг вместе с физиками из Висконсинского университета приступил к работе над созданием прототипа. Он назвал своё изобретение ультрацентрифугой[2].
Построенная за один весенний семестр, новая ультрацентрифуга Сведберга могла выделять из взвеси даже самые лёгкие молекулы. Камера центрифуги позволяла Сведбергу анализировать фотографии и измерять скорость выпадения молекул. На основе этих данных он мог определить молекулярный вес каждой молекулы.
Во время обратной поездки через Атлантику Сведберг продолжил работу над прототипом, который он построил в Мэдисоне. Он сосредоточился на улучшении баланса ротора и создании более мощной центробежной силы, чтобы обеспечить более точные измерения различий в размере, форме и плотности частиц.
Вернувшись в Швецию, Сведберг и его коллеги занялись устранением оставшихся опасных недочётов. Вращение роторов было очень интенсивным, и в результате сбоя металлическая шрапнель могла разлететься по всей лаборатории. Новый ротор был изготовлен из высокопрочной стали и тщательно отформован на токарном станке, чтобы максимально увеличить его прочность. В новой конструкции роторы были помещены в тяжёлые стальные защитные блоки, которые также помогали стабилизировать температуру, а система работала в атмосфере водорода низкого давления для уменьшения нагрева. В результате получилась более быстрая, прочная и безопасная машина, способная вращать большие молекулы с центробежной силой до 106 g (в миллион раз больше силы тяжести на поверхности Земли) или около 100000 оборотов в минуту.[3]
Сведберг также сотрудничал с инженерами компании Ljungström Steamturbine Co. в разработке системы привода масляной турбины, которая улучшала смазку и снижала вибрации, позволяя центрифуге работать часами напролёт.
Однако самым сложным оказалось создать смотровой отсек для образцов – в ячейке центрифуги, — который не раскололся бы под нагрузкой. В ранних конструкциях использовались кварцевые стёкла, но они часто выходили из строя. Поэтому, хотя его новая центрифуга была быстрее, доступные в то время материалы ограничивали её максимальную скорость. В более поздних версиях были использованы стёкла из синтетического сапфира, которые уменьшили оптические искажения и вероятность поломки[4].
До работы Сведберга молекулярная структура белков была неизвестна. Многие учёные считали, что они представляют собой рыхлые, случайные скопления молекул или аминокислот, слабо удерживаемые вместе, которые называли коллоидными частицами. Другие представляли их как крупные отдельные молекулы, но пока не существовало химических аналитических инструментов для подтверждения этого.
Ультрацентрифуга Сведберга показала, что белки — это дискретные однородные макромолекулы с определённой структурой и молекулярным весом, а не рыхлые агрегаты или коллоиды. В 1926 году Сведберг был удостоен Нобелевской премии по химии за работу по изучению коллоидов и разработку ультрацентрифуги.[5]
Однако оставалась ещё одна проблема. Хотя аналитическое ультрацентрифугирование позволяло исследователям наблюдать за размером, весом, формой и чистотой молекул, эти образцы можно было анализировать только в режиме реального времени. Отдельные компоненты нельзя было извлечь, поскольку слои снова перемешивались, как только вращение останавливалось. Хотя это не мешало работе Сведберга, многие направления научных исследований требовали сбора разделённых материалов для дальнейшего изучения.
Эмиль Анрио, французский химик и физик, работавший в Бельгии, совместно с учёным Э. Угенаром совершил прорыв, сконструировав центрифугу, которая позволяла создавать подготовительные образцы. В 1920-х годах Анрио и Югенар усовершенствовали конструкцию Сведберга, добавив струи сжатого воздуха, которые приводили ротор в движение с меньшим трением, что позволило достичь высоких скоростей без чрезмерного нагрева. Их усовершенствования также позволили вращать трубки в разных положениях — вертикально, под наклоном или под углом – а не просто лёжа на боку. Это позволило частицам оседать на дне пробирки, образуя компактную гранулу. После остановки вращения плотно упакованная гранула оставалась на месте, предотвращая перемешивание материалов и позволяя собирать различные слои.
От промышленности к изотопам
Также в 1930-х годах в Университете Вирджинии Джесси Уэйкфилд Бимс, американский физик, применил конструкцию Анрио и Гюгенара для изучения ещё более мелких частиц — отдельных изотопов хлора, для чего необходимо было разделить атомы одного элемента, имеющие одинаковое количество протонов, но разное количество нейтронов в ядрах. Бимс понял, что чтобы обеспечить необходимую силу для разделения таких маленьких частиц, придётся ещё сильнее увеличить скорость вращения аппарата. Он также понимал, что ограничивающим фактором для скорости будет трение, вызванное сопротивлением атмосферы.
Его первоначальная ультрацентрифуга достигала скорости вращения 240 000 об/мин. Хотя это было беспрецедентно, Бимс подозревал, что если ему удастся устранить вращательное сопротивление, то можно будет достичь скорости в миллион или более оборотов в секунду. Другие исследователи пытались сделать то же самое, но безуспешно, поскольку высокоскоростное вращение приводило к нагреванию, которое сжигало роторы и вызывало конвективные течения, перемешивающие разделённые хлорные газы. Однако Бимсу пришла в голову хитроумная идея поместить центрифугу в вакуум, чтобы устранить сопротивление воздуха и уменьшить трение.
Его вакуумная ультрацентрифуга творила чудеса, переходя от тысяч оборотов в секунду к миллионам, позволяя разделять молекулы, имеющие лишь незначительную разницу в массе. Вскоре Бимс переключил своё внимание с хлора на атомы урана.
С началом Второй мировой войны навыки Бимса сделали его идеальным кандидатом для Манхэттенского проекта. В течение четырёх лет его ультрацентрифуга использовалась для отделения более лёгкого изотопа урана-235, менее распространённого, но единственного встречающегося в природе изотопа урана, способного поддерживать цепную ядерную реакцию, от более тяжёлых изотопов, что и стало основой концепции обогащения урана[6].
Однако стало очевидно, что у центрифуг Бимса всё ещё были серьёзные механические недостатки. Даже при вакуумной конструкции высокая скорость вращения порождала сильные вибрации, которые часто приводили к поломке оборудования до того, как удавалось выделить достаточное количество изотопа урана. В итоге руководители проекта обратились к диффузионному методу, при котором газ гексафторида урана продавливался через ряд пористых мембран. Более лёгкий уран-235 диффундировал немного быстрее, чем более тяжёлый уран-237, постепенно увеличивая свою концентрацию. Хотя этот процесс был сопряжён с определёнными трудностями, поскольку фильтр должен был быть достаточно прочным, чтобы выдержать давление газа, и вакуумно герметичным, чтобы предотвратить загрязнение и засорение, его производительность превосходила производительность нынешней версии центрифуги. Вскоре после этого время работы Бимса в Манхэттенском проекте закончилось.
Тем временем в секретном советском исследовательском центре содержался русский военнопленный австрийского происхождения Гернот Циппе, которому было поручено преодолеть те самые ограничения в работе центрифуги, из-за которых Джесси Бимс отказался от участия в Манхэттенском проекте.
Получив образование в Вене как доктор машиностроения и физики, Циппе увлёкся авиационной техникой. Во время Второй мировой войны он служил гражданским лётным инструктором в немецких Люфтваффе — военно-воздушном подразделении вооружённых сил Германии. На исходе войны Циппе был захвачен советской армией в Праге и доставлен в Сталинград.
Советская разведка быстро узнала о технической подготовке Циппе и перевела его в Сухуми на побережье Чёрного моря. Там русские создали секретный исследовательский институт, в котором работали другие военнопленные-учёные, занимавшиеся разделением изотопов для создания оружейного урана. Здесь Циппе и его товарищ, австрийский военнопленный Макс Штеенбек, устранили проблемы, связанные со стабильностью и надёжностью, которые мешали усилиям Бимса по разработке центрифуги для Манхэттенского проекта.
Они сконструировали ротор так, чтобы он вращался на кончике крошечной иголки, похожей на детскую юлу, что позволило снизить трение. Используя свободные подшипники, они позволили центрифуге самонастраиваться, а не пытаться принудительно привести её в равновесие. Как ни странно, благодаря этой большей свободе она перестала трястись[7] , что позволило им создать надёжную и стабильную газовую центрифугу, способную проводить крупномасштабное обогащение урана.
После освобождения из советского плена в 1956 году Циппе остался в Германии, где стал консультантом по технологии центрифуг. В 1957 году на Международном симпозиуме по разделению изотопов, проходившем в Амстердаме, Циппе понял, что технология, которую он разработал вместе со Стинбеком, находясь в плену, опережает технологии других стран. Это заметили и другие, и в 1958 году Бимс убедил Циппе присоединиться к нему в Соединённых Штатах, чтобы продолжить работу над технологией центрифуг[8].
Хотя советское правительство конфисковало его записи после освобождения, Циппе и Бимс смогли не только воссоздать его центрифугу, но и усовершенствовать её. Заменив материал ротора с алюминия на сверхтвёрдый сплав, называемый мартенситностареющей сталью[9] , они позволили центрифуге вращаться быстрее, но так, чтобы она при этом не разлеталась на куски. Кроме того, они удлинили роторы, повысив их гибкость. Современные центрифуги типа Циппе, используемые преимущественно для работы с ядерным топливом, основаны на этой конструкции. В конце концов Циппе покинул Виргинский университет и вернулся в Европу в качестве консультанта URENCO — британского, немецкого и голландского консорциума по производству ядерного топлива с заводами в Англии, Германии, Нидерландах и США, на которых использовалась разработанная Циппе технология обогащения на центрифугах.[10]
Современная центрифуга
Пока в Вирджинии шла работа над крупномасштабной центрифугой типа Циппе для обогащения урана, по другую сторону Атлантики, в Гамбурге, центрифуги миниатюризировались. Большие центрифуги были важны для промышленной обработки и разделения ядерных изотопов, но в науках о жизни и биомедицине требовались микроцентрифуги, способные производить более тонкое разделение и точно обрабатывать небольшие объёмы биологических образцов.
Конечно, уже в XIX веке биологи модифицировали существующие центрифуги для своей работы. Швейцарский биолог и врач Фридрих Мишер использовал ручную центрифугу, подобную той, что была создана братьями Прандтль, для изолирования составляющих клеточного ядра. В 1869 году эта центрифуга позволила Мишеру выделить новое вещество, богатое фосфором, наряду с обычными белками и липидами. Поскольку это вещество происходило из ядра, Мишер назвал его нуклеином — сегодня оно известно как нуклеиновая кислота (или ДНК).
В 1950-х годах биохимик Кристиан де Дюв использовал центрифугу для фракционирования клеток, что помогло ему выявить лизосомы и пероксисомы, которые сыграли ключевую роль в нашем понимании клеточного пищеварения, клеточного метаболизма и детоксикации.
Модификации центрифуги продолжались, и в 1962 году ведущий разработчик продукции для медико-биологических наук, компания Eppendorf, создал первую лабораторную микроцентрифугу, способную обрабатывать небольшие образцы, до 2 мл и менее, на исключительно высоких скоростях. Это позволило выделять, очищать и изучать мельчайшие количества ДНК, РНК, белков и клеток – то есть выполнять задачи, не подходившие для более крупных центрифуг.
Следующий рывок произошёл в 1976 году, когда немецкая компания Andreas Hettich, занимающаяся производством лабораторного оборудования и технологий, представила миру первую центрифугу с микропроцессорным управлением на выставке ACHEMA, ведущей выставке химической, фармацевтической и биотехнологической промышленности. Это произошло всего через пять лет после того, как первые микропроцессоры были выпущены на рынок. Эти центрифуги с микропроцессорным управлением позволяют исследователям устанавливать точное количество оборотов в минуту, что обеспечивает последовательность экспериментов и уменьшает количество человеческих ошибок. Автоматическое программирование позволяет этим центрифугам хранить множество протоколов и заранее запрограммированных циклов, что делает клиническую диагностику более надёжной, эффективной и воспроизводимой. Такое программирование оказалось полезным и в исследованиях по геномике и генетике, где роботизированные центрифуги упрощают этапы и процедуры.
По мере того как инновации расширяют сферу применения центрифуг, они даже переместились в космос. Специальная центрифуга, разработанная и созданная компанией Hettich, в настоящее время используется на Международной космической станции (МКС) в лаборатории Destiny, где изучается, как космические путешествия влияют на физиологию человека. Особый интерес представляют иммунная дисрегуляция, потеря мышечной массы и то, насколько клетки астронавтов реагируют на присутствие или отсутствие гравитации на молекулярном уровне. Центрифуга даёт возможность наблюдать за этими изменениями и, возможно, проложить путь к более длительным космическим путешествиям.
На Земле, в Исследовательском центре НАСА имени Эймса в Кремниевой долине Калифорнии, центрифуги воссоздают условия высокой гравитации, чтобы подготовить пилотов и астронавтов к экстремальным нагрузкам, которые они будут испытывать в полёте.
Первая центрифуга братьев Прандтль оказалась универсальной. Хотя общий принцип вращения веществ для их разделения не изменился, целенаправленные модификации, внесённые такими учёными-практиками, как Сведберг, Анрио и Гугенот, Бимс и Циппе, сделали устройство ключевым для широкого круга человеческих задач.
Врачи диагностируют заболевания и разделяют кровь на компоненты для анализов и лечения. Исследователи в области фармацевтики и биотехнологий производят вакцины, выделяют ДНК и РНК, разделяют наночастицы и готовят образцы. Энергетическая промышленность разделяет нефть, воду и твёрдые частицы в процессе бурения и переработки, а также при производстве атомной энергии. Инженеры-экологи используют центрифуги для очистки сточных вод, удаляя твёрдые частицы из жидкостей.
В своей речи на получении Нобелевской премии 1974 года Кристиан де Дюв выразил благодарность этому вездесущему инструменту. Ссылаясь на шведскую сказку Сельмы Лагерлёф, первой женщины, получившей Нобелевскую премию по литературе, в которой мальчик пересекает страну на гусе, де Дюв говорит: «Я тоже совершил удивительное путешествие, используя... нетрадиционный способ передвижения. Последние 25 лет я путешествую по живым клеткам, но не с помощью микроскопа, а с помощью центрифуги».
Выдержка из книги: McLain, R. «Making the Centrifuge.». Asimov Press (2025). https://doi.org/10.62211/73rf-55kd
Молодой человек был настолько смышлёным и трудолюбивым, что когда он поступил в Уппсальский университет в 1904 году, его освободили от практических занятий, и он получил степень бакалавра примерно за год.
Назвав её «ультрацентрифугой», Сведберг одновременно подчеркнул скорость центрифуги и отдал дань уважения Ричарду Зсигмонди, изобретателю ультрамикроскопа, чьи новаторские работы по изучению коллоидов произвели на него большое впечатление. Сведберг рассматривал свою центрифугу как дополнение к ультрамикроскопу — «ультра-» устройство, которое позволяло наблюдать ещё более мелкие частицы, подвергая их воздействию больших центробежных сил.
При центробежной силе 106 g и радиусе ротора 0,1 метра центрифуга должна была вращаться со скоростью около 94 000 оборотов в минуту. Точная скорость будет зависеть от радиуса центрифуги.
Хотя технически это кристалл, а не настоящее стекло, термин «сапфировое стекло» используется из-за его прозрачности и применения в качестве заменителя стекла. Пока Сведберг в 1926 году переделывал свою ультрацентрифугу, немецкий учёный Спиро Киропулос разрабатывал метод выращивания крупных монокристаллов сапфира высокой чистоты, которые могли бы стать идеальным материалом для оптических окон и научных приборов.
Органические материалы, такие как кровь и белки, было трудно изучать, поскольку они находились в смесях. Ультрацентрифуга позволила разделить материалы, так что частицы с одинаковой плотностью образовали отдельные полосы. Учёные могли рассчитать молекулярный вес материалов, если знали скорость, необходимую для их разделения, и место, где они оказывались в пробирке.
Природный уран содержит всего 0,7 процента урана-235; большую часть составляет уран-238. Поэтому возникла необходимость ускорить процесс отделения более лёгкого урана от более тяжёлых изотопов — процесс, называемый обогащением урана.
В этом случае используется принцип, схожий с различными системами сейсмического усиления, такими как системы изоляции основания, которые позволяют зданию перемещаться на своём фундаменте, чтобы поглотить сейсмическую энергию и уменьшить передачу движения грунта на конструкцию.
Возможно, его не нужно было особо убеждать. По словам самого Циппе, «русское влияние в Европе, особенно в Германии, настолько опасно... вы должны перевести меня в Соединённые Штаты... зная о возможности создания атомного оружия, я хочу передать технологию исключительно американцам».
Мартенситностареющая сталь известна своей высокой прочностью и вязкостью; название «мартенситностареющая» происходит от процесса мартенситного старения, термической обработки, которая упрочняет сталь.
Компания URENCO сохраняет приверженность мирному использованию ядерной энергии с целью предотвращения распространения ядерного оружия.