KR100772969B1 - 원심분리기 및 원심분리방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 회전축을 중심으로 회전하며 물질을 분리하는 원심분리기 및 원심분리방법에 대한 것으로서, 상단에 개구부가 형성되어 내측에 물질이 수용되며 회전축에 수직한 회전면에 대해 상하 방향으로 자유롭게 회전 가능하도록 원심분리기에 결합되는 용기와, 원심분리기가 회전되는 동안 용기의 개구부가 회전축에 수직한 회전면에 대해 하측을 향하고 용기 개구부의 반대측의 용기의 단부가 회전면에 대하여 상측을 향함으로써 원심분리 중 형성된 일부 층이 개구부를 통하여 흘러내리도록, 용기 중심축의 회전축에 대한 각도를 직각 이상으로 상승시키는 각도조절부를 구비한 원심분리기를 제공하며, 또한 원심분리기의 회전 중 층상분리가 완성된 후 용기의 각도와 회전 속도를 조절하여 각각의 분리층에 원심력이 차등적으로 작용되도록 함으로써 수득하고자 하는 성분 층의 완전한 회수가 가능한 원심분리방법을 제공한다.

Description

원심분리기 및 원심분리방법{Centrifuge and centrifuging method}

도 1은 본 발명의 일 실시예에 관한 원심분리기의 사시도이다.

도 2는 도 1에 도시된 원심분리기의 평면도이다.

도 3은 도 1에 도시된 원심분리기의 측면 단면도이다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 관한 원심분리기의 사시도이다.

도 5는 도 4에 도시된 원심분리기의 측면 단면도이다.

도 6은 도 4에 도시된 원심분리기의 사용상태를 나타내는 일부 측면도이다.

도 7은 도 6에 도시된 원심분리기의 각도조절부가 작동되는 상태를 나타내는 일부 측면도이다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 관한 원심분리기에서 원심력이 작용하지 않는 것으로 가정하였을 때 용기 내에서 작용하는 힘을 나타내는 개략도이다.

도 9a는 도 8에 나타난 힘들이 변화된 상태를 나타낸 개략도이다.

도 9b는 도 9a에 나타난 힘들이 변화된 상태를 나타낸 개략도이다.

도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 관한 원심분리기의 일부를 도시하는 사시도이다.

도 11은 본 발명의 일 실시예에 관한 원심분리방법을 도시하는 흐름도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

11: 케이싱 23: 개구부

12: 구동모터 31: 제1 자성체

13: 덮개부 32: 제2 자성체

14: 회전축 80: 회전모터

15: 수용부 81: 제1 물질

20: 용기 82: 제2 물질

21: 회전홀더 10, 60: 회전체

22: 피벗축 30, 70: 각도조절부

본 발명은 원심분리기 및 원심분리방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 원심분리를 수행함과 동시에 원심력이 가해지는 상태에서 용기의 개구부가 아래를 향하도록 용기 중심축의 회전축에 대한 각도를 90도 이상으로 상승시켜 정확하면서도 용이하게 구분하여 회수할 수 있는 원심분리기 및 원심분리방법에 관한 것이다.

본 발명에 관한 원심분리기 및 원심분리방법에 의하면, 원심분리 중 용기의 각도와 회전속도를 조절하여 유체저항과 비중이 상대적으로 작은 상부 층의 물질을 중력작용에 의해 용기로부터 쏟아지도록 하고 유체저항과 비중이 상대적으로 큰 하부 층의 물질은 용기 내에 잔류하도록 할 수 있다. 그러므로 본 발명에 관한 원심분리기와 원심분리방법은 중력에 대해 기울기를 형성하는 경사면에서 하방으로 이 동할 수 있는 모든 물질, 즉 액체, 분말, 젤리, 액체와 고체의 혼합물, 콜로이드, 구형에 가까운 고체 등과 같이 액체와 고체의 모두에 적용될 수 있다.

원심분리기는 물체가 회전할 때 발생하는 원심력을 이용하여 물질을 분리하는 장치이다. 생명공학에서는 액체와 혼합되어 있는 세포 또는 액체보다 높은 비중과 부착력을 갖는 물질을 비중에 의해 분리하기 위한 목적으로 원심분리기가 사용된다. 원심분리기는 원심분리를 하는 시료의 양, 회전 속도, 로터의 유형 등에 따라 여러 가지 형태로 구분할 수 있다.

생명공학 실험실에서 원심분리기를 사용하여 혈액과 같은 복합적 유체(미세한 고형 성분 또는 젤리와 같은 반 고형성분을 포함하는 액체로서 고분자 이상의 포괄적 개념; 이하 '유체'라 칭한다)를 포함하는 물질을 원심분리하면 유체는 비중에 의해 여러 개의 층으로 나뉘어진다. 원심분리기에 의해 분리된 유체의 각 층들은 용기 내에 적층되어 있는데, 각각의 층을 나누는 작업은 일반적으로 수작업으로 행해진다.

원심분리된 유체의 층들을 나누는 작업에는 상당한 수고가 필요할 뿐만 아니라 분리된 물질들의 순도를 보장할 수 없어 때로는 분리된 물질의 손실이 발생하는 문제점이 있었다.

이와 같은 문제점을 해결하기 위한 시도로서, 원통형 회전체가 회전함에 따라 비중이 가장 높은 물질이 회전체의 외곽에 쌓이면 이를 기계적으로 분리하는 기술이 사용되기도 하였으나 범용으로 사용될 수 있는 기술은 아니다. 즉 이와 같은 분리법은 분리되는 물질의 양이 원통형 회전체의 내벽을 모두 덮을 정도로 많아야 가능한 방법이며, 원심분리되어 누적된 층들을 1차원적 두께만으로 구분하는 작업도 용이하지 않은 문제점이 있었다. 또한 0.01 ㎖ 정도의 소량의 세포 샘플을 분리해야 하는 생명공학과 같은 분야에는 적합하지 않은 방법이다.

오수처리시설에는 깔때기 형상으로 이루어져 유체의 비중과 유체저항을 모두 이용하는 연속 원심분리기가 사용되고 있다. 그러나 이와 같은 형태의 원심분리기는 생명공학 실험용으로는 적절하지 않다. 생명공학 실험실에서는 물질이 용기에 담긴 상태로 원심분리가 이루어지며, 소량의 물질을 손실 없이 분리할 수 있어야 하기 때문이다.

생명공학에 사용되는 원심분리기는 인체 세포를 파괴하지 않고 분리할 수 있어야 하기 때문에 일반적인 물질을 분리하는 데 필요한 원심력보다 작은 크기의 원심력을 이용한다. 세포의 원심분리에 허용되는 원심력은 100G가 최대이고 일반적으로는 이보다 낮다. 여기에서 'G' 는 중력상수(重力常數; gravitational constant)를 의미하는 것으로, 통상적으로 원심분리기에서는 원심력이 중력과 같은 힘으로 작용하므로 'G' 의 단위를 사용하여 원심력을 표현하기로 한다.

세포가 원심분리기에 의해 분리된 경우, 분리된 층들을 시각적으로는 구분할 수 있지만 이를 물리적으로 분리하는 작업은 쉽지 않다. 세포 바로 위층의 액체는 대부분 물 성분인데, 용기를 서서히 기울이며 위층의 액체를 분리해내려고 하면 가장 아래층의 세포도 함께 유동하기 때문에 원심분리에 의해 분리된 세포가 유실될 수 있는 문제가 있다. 원심력이 작용하지 않는 상태에서는 세포들 사이의 응집력 또는 부착력이 물의 성질과 크게 차이가 나지 않기 때문에 위층의 액체만을 분리하 는 작업의 약 50% 이상이 실패한다. 분리 작업이 성공하는 경우에도 최상층의 일부 세포들이 유실되기가 십상이다. 만일 세포들 사이를 더욱 밀착시키기 위한 목적으로 원심력을 증가시킨다면 세포는 파괴될 수도 있다.

이와 같은 문제점으로 인해 현재 작업자들은 피펫(pipette)을 이용하여 위층을 제거하고 있는데, 제거하고자 하는 액체의 성분 일부가 남아 적어도 7회 내지 8회의 희석 공정을 거치는 세척을 실시해야 하는 어려움이 있었다.

본 발명의 목적은 물질을 원심분리하고 분리대상 물질에 가해지는 중력과 원심력 크기를 조절함으로써 원심분리된 물질의 층을 정확하면서도 용이하게 구분하여 회수할 수 있는 원심분리기 및 원심분리방법을 제공하는 데 있다.

본 발명은 원심분리 중 용기의 각도와 회전속도를 조절하여 분리된 각각의 층에 작용하는 중력과 원심력의 크기를 제어함으로써 각각의 층들이 구분 회수되도록 하는 원심분리기 및 원심분리방법을 제공한다.

본 발명에 관한 원심분리기는 유체(미세한 고형 성분 또는 젤리와 같은 반 고형성분을 포함하는 액체로서 고분자 이상의 포괄적 개념; 이하 '유체'라 칭한다)와 같은 물질을 원심분리하기 위한 장치이다.

본 발명에 관한 원심분리기와 원심분리방법은 중력에 대해 기울기를 형성하는 경사면에서 하방으로 이동할 수 있는 모든 물질, 즉 액체, 분말, 젤리, 액체와 고체의 혼합물, 콜로이드, 구형에 가까운 고체 등과 같이 액체와 고체의 모두에 적 용될 수 있다.

본 발명에 관한 원심분리기에는 용기가 회전축에 수직한 회전면에 대하여 상하 방향으로 회전할 수 있게 결합된다. 용기는 내부에 분리의 대상이 되는 물질을 수용하며, 상측에 개구부가 형성된다. 용기가 회전하면, 용기의 길이 방향의 축의 원심분리기의 회전축에 수직한 회전면에 대한 회전각도가 변화한다.

본 발명에 관한 원심분리기에는 각도조절부에 의해 용기의 회전각도가 조절된다. 원심분리기가 회전하여 원심분리가 진행되면 비중이 크고 유체저항(부착력과 응집력과, 점성 등에 의해 복합적으로 형성되는 흐르지 않으려는 성질; 이하 '유체저항'이라 칭한다)이 큰 물질로 이루어지는 층은 회전축 중심에서 멀리 위치하고, 비중이 작고 유체저항이 작은 유체는 회전축 중심에 가깝게 층을 형성한다.

원심분리기가 회전하는 동안 개구부가 하측을 향하도록 용기의 회전각도가 조절되면 비중이 작고 유체저항이 작은 유체가 중력의 작용으로 인해 아래쪽으로 흘러내린다. 또한 용기의 회전각도 조절과 함께 원심분리기의 회전속도를 제어하여 용기 내부의 원심분리된 물질에 작용하는 원심력을 조절함으로써, 용기에서 원심분리된 물질의 각층이 배출되는 임계점을 선택할 수 있다.

본 발명에 관한 원심분리기는, 회전축을 중심으로 회전하며 물질을 분리하는 원심분리기로서, 상단에 개구부가 형성되어 내측에 물질이 수용되며 회전축에 수직한 회전면에 대해 상하 방향으로 자유롭게 회전 가능하도록 원심분리기에 결합되는 용기와, 원심분리기가 회전되는 동안 용기의 개구부가 회전축에 수직한 회전면에 대해 하측을 향하고 용기 개구부의 반대측의 용기의 단부가 회전면에 대하여 상측 을 향함으로써 원심분리 중 형성된 일부 층이 개구부를 통하여 흘러내리도록, 용기 중심축의 회전축에 대한 각도를 직각 이상으로 상승시키거나 상승된 상태에서 하강시키는 각도조절부를 구비한 원심분리기이다.

또한 본 발명에 관한 원심분리방법은 원심분리기의 회전 중 층상 분리가 완성된 후 용기의 각도와 회전 속도를 조절하여 각각의 분리층에 원심력이 차등적으로 작용되도록 함으로써 수득하고자 하는 성분 층의 완전한 회수가 가능한 방법이다. 즉 본 발명의 원심분리기 및 원심분리방법에 따르면 유체저항과 비중이 상대적으로 작은 상부 층의 물질은 중력작용에 의해 용기로부터 배출되는 반면, 유체저항과 비중이 상대적으로 큰 하부 층의 물질은 용기 내에 잔류하게 된다. 그러므로 원심분리를 수행함과 동시에 계속해서 원심력이 가해지고 있는 상태에서 용기의 개구부가 아래를 향하도록 용기 중심축의 회전축에 대한 각도를 90도 이상으로 상승시킴으로써 분리된 물질을 선택하여 정확하면서도 용이하게 구분하여 회수할 수 있다.

본 발명에 있어서 원심분리기는 원심분리기의 회전속도를 제어하는 회전제어부를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 있어서 각도조절부는 용기에 자력에 의한 외력을 작용시킴으로써, 용기의 각도를 조절할 수 있다.

본 발명에 있어서 각도조절부는 용기의 피벗축을 회전시키는 강제동력수단을 포함할 수 있다.

본 발명에 있어서 용기의 개구부의 반대측의 단부가 원추형상으로 형성될 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 관한 원심분리기는, 회전축을 중심으로 회전하는 회전체와, 상단에 개구부가 형성되어 내측에 물질이 수용되며 회전축에 수직한 회전면에 대해 상하 방향으로 자유롭게 회전 가능하도록 회전체에 피벗 결합되는 용기와, 회전체가 회전되는 동안 용기의 개구부가 회전축에 수직한 회전면에 대해 하측을 향하고 용기 개구부의 반대측의 용기의 단부가 회전면에 대하여 상측을 향함으로써 원심분리 중 형성된 일부 층이 개구부를 통하여 흘러내리도록, 용기 중심축의 회전축에 대한 각도를 직각 이상으로 상승시키거나 상승된 상태에서 하강시키는 각도조절부를 구비한 원심분리기이다.

본 발명의 다른 측면에 있어서 원심분리기는 회전체의 회전속도를 제어하는 회전제어부를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 있어서 원심분리기는 용기의 개구부에서 흘러내리는 물질을 담는 수용부를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 관한 원심분리방법은, 회전축에 수직한 회전면에 대해 상하 방향으로 자유롭게 회전하는 용기의 내측에 물질을 제공하는 단계와, 회전축을 제1 속도로 회전시켜 물질을 원심분리하는 단계와, 회전축이 회전되는 동안 용기의 개구부가 회전면에 대해 하측을 향하고 개구부의 반대측의 용기의 단부가 회전면에 대하여 상측을 향하도록 용기의 중심축의 회전축에 대한 각도를 90도 이상 180도 미만의 범위 내에서 조절하는 단계와, 회전축의 회전속도를 제1 속도보다 낮은 제2 속도로 감속시켜 용기 내측의 원심분리된 물질의 일부 층을 개구부를 통해 배출시 키는 단계와, 용기의 중심축의 회전축에 대한 각도의 조절을 해제하여 용기의 자중에 의해 용기의 중심축의 회전축에 대한 각도를 원위치시키는 단계와, 회전축의 회전을 정지시키는 단계를 포함한다.

본 발명에 있어서, 물질을 배출시키는 단계는, 개구부를 통해 배출되는 물질을 수용부에 담는 단계를 더 포함할 수 있다.

이하, 첨부 도면의 실시예들을 통하여, 본 발명에 관한 원심분리기의 구성과 작용을 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 관한 원심분리기의 사시도, 도 2는 도 1에 도시된 원심분리기의 평면도, 도 3은 도 1에 도시된 원심분리기의 측면 단면도이다.

도 1 내지 도 3에 나타난 실시예에 관한 원심분리기는 회전축(14)을 중심으로 회전하며 물질을 분리하는 장치이다. 본 실시예에 관한 원심분리기는 회전체(10)와, 회전체(10)에 회전 가능하게 결합되는 용기(20)와, 용기(20)의 회전각도를 조절하는 각도조절부(30)를 포함한다.

회전체(10)는 회전축(14)을 중심으로 회전하며, 용기(20)를 지지하는 기능을 수행한다. 회전체(10)는 케이싱(11)의 내측에 수용되며, 구동모터(12)에 결합되어 케이싱(11) 내에서 원심분리를 위한 회전운동을 한다. 원심분리기는 회전체(10)의 회전속도를 제어하는 회전제어부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 즉 회전제어부는 구동모터(12)를 제어함으로써, 원심분리기가 원심분리를 수행하는 단계에 맞추어 회전체(10)의 회전속도를 제어할 수 있다.

회전체(10)의 상단에는 다수의 용기(20)들이 회전체(10)에 대하여 회전 가능 하게 결합된다. 용기(20)는 회전축 중심(O)에 수직한 회전면(R)에 대해 상하 방향으로 회전 가능하게 결합된다. 용기(20)가 회전면(R)에 대하여 상하 방향으로 상대 회전함에 따라 용기(20)의 길이 방향 축(P)의 회전면(R)에 대한 회전각도(θ)가 변화할 수 있다.

용기(20)는 그 외부에 피벗축이 형성되어 회전 가능하도록 회전체(10)에 직접 결합될 수도 있으나, 본 실시예에서는 용기(20)가 회전홀더(21)를 개재하여 회전체(10)에 결합된다. 회전홀더(21)는 양측에 피벗축(22)이 형성되고, 피벗축(22)이 회전체(10)의 상단에 형성된 홈에 안착됨으로써 회전체(10)가 용기(20)를 지지한다. 따라서 용기(20)는 회전체(10)에 대하여 상하 방향으로 회전할 수 있다.

용기(20)는 일반적인 시험관 형상일 수 있으며, 내측에 원심분리의 대상이 되는 물질이 수용된다. 용기(20)의 상측에는 개구부(23)가 형성되고, 개구부(23)의 반대측의 단부는 그 단면이 좁아지는 원추형상으로 이루어질 수 있다.

본 실시예에서의 용기(20)는 회전체(10)에 대하여 자유롭게 회전할 수 있으므로 회전체(10)의 회전속도가 빨라지면 원심력에 의해 용기(20)가 상측 방향을 향해 회전한다. 회전체(10)의 회전속도가 충분히 빨라지면 용기(20)가 향하는 방향은 원심력의 방향과 일치하여 수평이 되며, 회전체(10)의 회전속도가 느려지면 용기(20)는 하측 방향을 향해 회전한다. 후술하는 각도조절부(30)의 작용이 없다면 용기(20)의 회전각도(θ)는 이와 같이 원심력에 의한 자유회전에 의해 정해진다.

각도조절부(30)는 회전면(R)에 대한 용기(20)의 회전각도(θ)를 조절하는 기능을 한다. 각도조절부(30)는 용기(20)의 개구부(23)가 회전면(R)에 대하여 아래쪽 을 향하도록 용기(20)의 회전각도(θ)를 조절함으로써 원심분리된 물질 가운데 비중이 작고 유체저항이 작은 유체층이 용기의 개구부를 통해 흘러내리게 할 수 있다.

원심분리기가 정지된 상태에서 용기(20)의 단부는 아래쪽을 향한다. 이 때에 회전면(R)에 대한 용기(20)의 길이 방향 축(P)의 회전각도(θ)를 0 도로 정하면, 용기(20)가 회전면(R)과 일치할 때의 회전각도(θ)는 90도가 된다. 각도조절부(30)는 원심분리기가 회전하고 있는 동안이나 정지하고 있는 동안에도 용기(20)의 회전각도(θ)를 90도 이상이 되도록 조절하여 유지할 수 있다. 도 3에서는 편의상 회전각도(θ)를 수평면(R)을 기준으로 표시하였으나, 상술한 설명과 일치하기 위해서는 용기(20)가 아래쪽을 향할 때를 기준으로 회전각도(θ)가 정해진다.

각도조절부(30)는 회전체(10)의 회전속도가 느려져 용기(20)에 미치는 원심력이 작아지는 경우에도 회전면(R)에 대한 용기(20)의 회전각도(θ)가 소정 각도로 유지되도록 한다.

본 실시예에서의 각도조절부(30)는 용기(20)의 단부에 설치되는 제1 자성체(31)와, 회전체(10)의 덮개부(13)의 내측에 설치되는 제2 자성체(32)를 포함한다. 제1 자성체(31)는 영구자석이나 금속재질일 수 있고, 제2 자성체(32)는 전자석일 수 있다. 회전체(10)의 회전속도가 빨라져 용기(20)의 자세가 수평이 되면 전자석인 제2 자성체(32)의 자성을 활성화시켜 제1 자성체(31)에 인력이 작용하도록 한다. 제1 자성체(31)에 인력이 작용하면 용기(20)의 단부가 회전면(R)에 대하여 상측을 향하고 개구부(23)는 회전면(R)에 대하여 아래쪽을 향함으로써 용기(20)의 자 세는 회전축 중심(O)을 향하는 방향으로 수평 상태보다 기울어진 상태가 된다.

상술한 바와 같이 각도조절부(30)에 의해 용기(20)의 회전축에 대한 각도가 직각 이상으로 상승되는 작용을 통해, 원심분리에 의해 형성된 일부 층이 개구부(23)를 통해 흘러내릴 수 있다.

회전체(10)의 내측에는 수용부(15)가 형성된다. 수용부(15)는 용기(20)의 개구부(23)에서 흘러내리는 물질을 담는 기능을 한다. 수용부(15)는 유체가 중력에 의해 하측을 향해 흐르도록 상측에서 하측으로 갈수록 단면이 좁아지는 형상으로 이루어진다. 도 3에서와 같이 수용부(15)의 벽면은 내측을 향하여 볼록하게 만곡되어 형성될 수 있다. 수용부(15)의 수평 단면은 도 2에 도시된 것처럼 원형으로 이루어진다. 이와 달리 회전체(10)가 회전함에 따라 회전체(10)의 내벽을 따라 흐르는 유체에 작용하는 원심력을 고려하여, 수용부(15)의 수평 단면을 원의 중심이 내측을 향하는 두 개의 원호가 결합된 형상으로 형성할 수도 있다.

상술한 구성으로 이루어지는 원심분리기의 작동을 설명하면 다음과 같다.

원심분리를 실시하고자 하는 물질(시료)을 담은 용기(20)를 회전홀더(21)에 삽입하여 원심분리기의 회전체(10)에 장착한 후, 원심분리기를 작동시키면 구동모터(12)가 회전하여 이에 연결된 회전체(10)가 회전한다. 용기(20)는 회전홀더(21)를 개재하여 회전체(10)에 대해 상하 방향으로 자유롭게 회전 가능하게 연결되어 있으므로, 회전체(10)의 회전속도가 점차로 빨라져 용기(20)에 작용하는 원심력의 크기가 증가하면 회전면(R)에 대한 용기(20)의 회전각도(θ)도 증가한다.

회전체(10)의 회전속도가 충분히 빨라지면 용기(20)의 자세는 회전축 중 심(O)에 수직한 회전면(R)과 일치하여 수평을 유지한다. 이 상태로 회전체(10)가 계속 회전하면 용기(20) 내에서는 물질의 비중에 따른 원심분리 작용이 진행된다. 이하에서는 이와 같이 원심분리가 진행되는 회전속도를 '제1 속도'라고 칭한다.

원심분리가 이루어져 물질이 비중에 따라 다수의 층으로 분리되면, 비중이 크고 유체저항이 큰 물질로 이루어지는 층은 회전축 중심(O)에서 멀리 위치하고, 비중이 작고 유체저항이 작은 유체는 회전축 중심(O)에 가깝게 층을 형성한다.

이 때에 전자석인 제2 자성체(32)를 작동시켜 자성을 활성화시키면, 제2 자성체(32)가 제1 자성체(31)에 대하여 인력을 작용한다. 이를 통해 용기(20)의 단부가 회전면(R)에 대하여 상측을 향해 더 회전함으로써, 용기(20)의 개구부(23)가 회전축 중심(O)이 있는 내측을 향하여 기울어져 회전면(R)보다 더 경사진 상태를 유지할 수 있다.

이 때에 회전체(10)의 회전속도를 떨어뜨리면 원심력의 크기가 줄어들지만 제1 및 제2 자성체(31,32)의 작용으로 인해 용기(20)의 개구부(23)는 회전축 중심(O)을 향해 기울어진 자세를 계속 유지할 수 있다. 이와 같은 상태에서 용기(20) 내의 유체에는 원심력과 중력이 반대방향으로 작용하는 조건이 형성되므로, 비중이 가장 작은 유체가 회전축 중심(O)을 향해 흐르기 시작한다. 용기(20)로부터 회전체(10)의 수용부(15)로 흘러드는 유체는 중력과 원심력의 작용을 받으며 회전체(10)의 내벽을 따라 회전체(10)의 하측으로 흐른다. 이하에서는 이와 같이 제1 속도에 비해 감속된 속도를 '제2 속도'라고 칭한다.

이와 같이 용기(20)의 회전 각도를 변경시킴과 아울러 회전체(10)의 회전속 도를 제어하여 용기(20)의 내부의 원심분리된 물질에 작용하는 원심력을 조절함으로써, 원심분리된 물질의 각층이 용기(20)에서 배출되는 임계점을 선택할 수 있다. 따라서 용기의 상승 각도와 회전속도의 설정을 통해 원심분리된 이후에 용기(20) 내에 형성된 각 분리층들을 선택적으로 외부로 배출시킬 수도 있다.

물 성분이 주를 이루는 최상층의 유체가 모두 회전체(10)로 흘러간 후에는 제2 자성체(32)의 작동을 해제함과 아울러 회전체(10)의 회전속도를 줄여 원심분리기를 정지시킨다. 원심분리를 실시하는 동안 최상층의 유체는 회전체(10)의 수용부(15)로 배출되었으므로, 용기(20) 내에는 줄기세포와 같이 비중이 큰 물질만이 남는다. 용기(20)는 원심분리기로부터 용이하게 분리할 수 있으며, 원심분리작업 이후에 비중에 따라 나뉘어진 층을 별도로 구분하여 분리시키는 작업을 할 필요가 없으므로 원하는 물질만을 쉽게 얻을 수 있다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 관한 원심분리기의 사시도, 도 5는 도 4에 도시된 원심분리기의 측면 단면도이다.

도 4에 나타난 실시예에 관한 원심분리기는 회전축(14)을 중심으로 회전하며 물질을 분리하는 장치로서, 회전면(R)에 대해 상하 방향으로 회전 가능하게 결합하는 용기(20)와, 용기(20)의 회전각도(θ)를 조절하는 각도조절부(70)를 포함한다.

회전체(60)는 회전축(14)을 중심으로 회전하며, 용기(20)를 지지하는 기능을 한다. 회전체(60)는 케이싱(11)의 내측에 수용되며, 구동모터(12)에 결합되어 케이싱(11) 내에서 원심분리를 위한 회전운동을 한다. 케이싱(11)의 아래쪽에는 수용부(15)가 형성된다. 수용부(15)는 용기(20)의 개구부(23)에서 흘러내리는 물질을 담는 기능을 한다.

회전체(60)의 상단에는 다수의 용기(20)들이 회전체(60)에 대하여 회전 가능하게 결합된다. 용기(20)는 회전축(14)의 중심축(O)에 수직한 회전면(R)에 대해 상하 방향으로 회전 가능하게 결합된다. 용기(20)가 회전면(R)에 대하여 상하 방향으로 상대 회전함에 따라 용기(20)의 길이 방향 축(P)의 회전면(R)에 대한 회전각도(θ)가 변화할 수 있다.

용기(20)는 그 외부에 피벗축이 형성되어 회전 가능하도록 회전체(60)에 직접 결합될 수도 있으나, 본 실시예에서는 용기(20)가 회전홀더(21)를 개재하여 회전체(60)에 결합된다. 회전홀더(21)는 양측에 피벗축(22)이 형성되고, 피벗축(22)이 회전체(60)의 상단에 형성된 홈에 안착됨으로써 회전체(60)가 용기(20)를 지지한다. 따라서 용기(20)는 회전체(60)에 대하여 상하 방향으로 회전할 수 있다.

용기(20)는 일반적인 시험관 형상일 수 있으며, 내측에 원심분리의 대상이 되는 물질이 수용된다. 용기(20)의 상측에는 개구부(23)가 형성되고, 개구부(23)의 반대측의 단부는 그 단면이 좁아지는 원추형상으로 이루어질 수 있다.

용기(20)는 회전체(60)에 대하여 자유롭게 회전할 수 있으므로 회전체(60)의 회전속도가 충분히 빨라지면 용기(20)가 향하는 방향은 원심력의 방향과 일치하여 수평이 되며, 회전체(60)의 회전속도가 느려지면 용기(20)는 하측 방향을 향해 회전한다. 후술하는 각도조절부(30)의 작용이 없다면 용기(20)의 회전각도(θ)는 이와 같이 원심력에 의한 자유회전에 의해 정해진다.

각도조절부(70)는 회전면(R)에 대한 용기(20)의 회전각도(θ)를 조절하는 기 능을 한다. 각도조절부(70)는 용기(20)의 개구부(23)가 회전면(R)에 대하여 아래쪽을 향하도록 용기(20)의 회전각도(θ)를 조절함으로써 원심분리된 물질의 비중이 작고 유체저항이 작은 유체층이 용기(20)의 개구부(23)를 통해 흘러내리게 할 수 있다.

원심분리기가 정지된 상태에서 용기(20)가 아래쪽을 향할 때의 용기(20)의 회전각도(θ)를 0 도로 정하면, 용기(20)가 회전면(R)과 일치할 때의 회전각도(θ)는 90도가 된다. 각도조절부(70)는 원심분리기가 회전하고 있는 동안이나 정지하고 있는 동안에도 용기(20)의 회전각도(θ)를 90도 이상이 되도록 조절하여 유지할 수 있다. 도 5에서는 편의상 회전각도(θ)를 기준면(R)을 기준으로 표시하였으나, 상술한 설명과 일치하기 위해서는 용기(20)가 아래쪽을 향하는 방향을 기준으로 회전각도(θ)를 정한다.

각도조절부(70)는 회전체(60)의 회전속도가 느려져 용기(20)에 미치는 원심력이 작아지는 경우에도 회전면(R)에 대한 용기(20)의 회전각도(θ)를 소정 각도로 유지시키는 기능을 한다.

본 실시예에서의 각도조절부(70)는 용기(20)에 자력을 작용함으로써, 용기(20)의 회전각도(θ)를 조절한다. 각도조절부(70)는 용기(20)가 결합되는 회전홀더(21)의 피벗축(22)에 자력을 작용하는 전자석으로 이루어지며, 자성의 세기를 변화시킴으로써 용기(20)의 회전각도(θ)를 조절할 수 있다.

도 6은 도 4에 도시된 원심분리기의 사용상태를 나타내는 일부 측면도, 도 7은 도 6에 도시된 원심분리기의 각도조절부가 작동되는 상태를 나타내는 일부 측면 도이다.

각도조절부(70)는 용기(20)의 회전면(R)에 대한 회전각도(θ)를 조절하므로, 용기(20)는 회전체(60)에 대하여 상하 방향으로 회전할 수 있다. 원심분리기가 충분한 회전속도로 회전하는 동안 용기(20)를 지지하는 회전홀더(21)의 피벗축(22)에 각도조절부(70)로부터 자력이 작용하지 않는 경우에는, 도 6에 도시된 것처럼 용기(20)는 원심력의 방향과 일치하는 수평 방향의 자세를 취한다. 이 때에는 비중이 크고 유체저항이 큰 제1 물질(81)이 회전축 중심(O)에서 멀리 위치하여 용기(20) 내에서 외곽 방향으로 집중된다. 비중이 작고 유체저항이 작은 제2 물질(82)은 회전축 중심(O)에 가깝게 층을 형성한다.

도 7은 회전체(60)의 회전속도를 낮추고, 각도조절부(70)를 작동시킴으로써 용기(20)의 회전각도를 조정한 상태에서의 용기(20)의 자세를 나타낸다. 이 때에는 용기(20) 내의 유체에 원심력과 중력의 합력이 작용하기 때문에 비중이 가장 낮은 제2 물질(82)이 개구부(23)를 통해 외부로 배출될 수 있는 조건이 된다.

원심분리기의 회전체(60) 상에는 용기(20) 내의 유체의 흐름을 촬영하는 카메라(미도시)가 장착될 수 있다. 따라서 원심분리기를 작동하여 회전체(60)가 회전함에 따라 용기(20) 내에서 원심분리가 진행되는 과정을 외부에서 관찰할 수 있으며, 원심분리가 완료된 경우 각도조절부(70)를 작동시켜 용기(20)의 회전각도를 조절함으로써 용기(20) 내에 작용하는 중력과 원심력의 균형을 변화시킬 수 있다.

본 실시예에 관한 원심분리기는 중력에 대해 기울기를 형성하는 경사면에서 하방으로 이동할 수 있는 모든 물질, 즉 액체, 분말, 젤리, 액체와 고체의 혼합물, 콜로이드, 구형에 가까운 고체 등과 같이 액체와 고체의 모두에 적용될 수 있다.

이들 물질은 소량인 경우에도 용기(20)의 내벽 면에 접촉하며 흐르기 때문에 마찰력의 작용을 받는다. 회전체(10)가 회전하는 상태에서는 용기(20)의 내부에 있는 물질에 원심력이 작용하는데, 이 상태에서 용기(20)가 기울어져 용기(20)의 내벽면이 중력에 대해 경사면을 형성하면 용기(20)의 내부에 있는 물질에 중력과 원심력이 함께 작용한다. 회전체(10)의 속도가 줄어들어 원심력이 중력보다 작아지면 물질은 중력의 작용으로 인해 경사면을 따라 하방으로 흘러내릴 수 있는 조건에 놓이는데, 하방을 향하는 물질의 흐름에 저항이 작용하기 때문에 물질의 종류에 따라 하방을 향하여 흘러내리는 시점이 다를 수 있다.

마찰력이 작용하지 않는 이상적인 상황을 가정하면, 물질에 작용하는 중력과 원심력이 동일할 경우에는 물질이 흐르지 않고 현재의 상태에 유지되는 평형점이 될 것이다. 그러나 실제에서는 유체에 대한 저항인 마찰력이 작용하므로 이를 고려하여야 한다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 관한 원심분리기에서 원심력이 작용하지 않는 것으로 가정하였을 때 용기 내에서 작용하는 힘을 나타내는 개략도이다.

도 8에는 용기가 수평면에 대해 α의 각도를 형성하며 기울어져 중력에 대한 경사면(As)을 형성한 상태가 개략적으로 도시되었으며, 여기에서는 원심분리기가 회전하지 않아 원심력이 작용하지 않는 상태를 가정하였다. 이때 물질에는 중력(G)만이 작용하는데, 중력(G)의 경사면(As) 방향의 성분(Gs)이 물질이 경사면을 따라 하방으로 흐르게 하는 작용을 한다. 그리고 물질과 용기의 경사면(As)의 사이에 작 용하는 유체저항인 마찰력(Fs)은 물질의 흐름 방향에 반대되는 방향으로 형성됨으로써, 하방을 향하는 물질의 흐름을 방해한다.

도 9a는 도 8에 나타난 힘들이 변화된 상태를 나타낸 개략도로서, 원심력이 작용하는 상태를 도시한다.

회전체가 회전하면 물질에 원심력이 작용한다. 원심력(C)은 수평하게 작용하므로 경사면 상의 힘(Cs)이 물질이 상방으로 흐르게 하는 작용을 한다. 물질은 원심력(C)과 중력(G)의 합력(T)의 작용으로 인해 경사면(As)을 향해 가압된다. 도시된 원심력(C)의 크기는 중력(G)보다 크게 형성되는데, 이로 인해 물질에 작용하는 합력(T)의 경사면 상의 힘(Ts)이 물질을 상측을 향해 밀어 올리고, 경사면 상의 힘(Ts)이 마찰력(Fs)보다 크면 물질은 경사면(As)을 따라 상측을 향하여 이동한다.

물질이 하방으로 흘러내리기 위해서는 회전체의 속도가 더 줄어들어 원심력(C)이 작아지거나, 경사면(As)이 더 기울어짐으로써 중력의 경사면 상의 힘(Gs)이 더 커져야 한다.

도 9b는 도 9a에 나타난 힘들이 변화된 상태를 나타낸 개략도로서, 용기가 더 기울어짐과 아울러 원심력이 줄어든 상태를 도시한다.

도 9b에 도시된 상태에서는 경사면(As)이 수평면에 대해 β 의 각도를 형성하며 더 기울어지므로(β>α), 중력의 경사면 상의 힘(Gs)이 더 커졌다. 이와 동시에 회전체의 속도도 줄어들어 원심력(C)이 작아졌고, 이로 인해 원심력의 경사면 상의 힘(Cs)이 작아졌다. 따라서 중력(G)과 원심력(C)의 합력(T)의 경사면 상의 힘(Ts)이 물질이 하방을 향해 흐르도록 작용한다. 회전체의 속도가 줄어들어 원심 력(C)이 중력(G)보다 작아지면 물질은 경사면을 따라 하방으로 흘러내릴 수 있지만, 물질과 용기의 내벽 면의 사이에 작용하는 유체저항인 마찰력(Fs)이 하방을 향하는 물질의 흐름을 방해한다. 즉 원심력(C)의 경사면 상의 힘(Cs)과 마찰력(Fs)의 합력이 중력의 경사면 상의 힘(Gs)에 반대되게 작용한다. 따라서 경사면 상의 힘(Ts)이 저항으로 작용하는 마찰력(Fs)보다 크면 물질은 하방으로 이동할 수 있다.

이와 같이 물질이 하방을 향하여 이동하는 흐름에는 두 가지 측면의 변수가 작용한다.

첫째, 비중에 관련된 측면의 변수인 중력과 원심력이 있다. 회전체가 같은 회전수, 즉 같은 회전 속도로 회전하는 경우에도 회전 반경이 큰 위치에 있을수록 원심력이 커진다. 그러므로 회전체의 회전 속도를 감속시키면서 물질의 흐름을 관찰하면, 회전축에 가까운 위치에서부터 흘러내린다. 비중이 큰 물질일수록 회전 반경이 큰 쪽에 위치하므로, 회전체가 감속되는 중에 회전 반경이 작은 쪽에 위치하는 물질보다는 회전 반경에 큰 쪽에 위치하는 물질이 흘러내리는 시점이 늦어진다. 따라서 비중이 큰 물질을 수득하기가 더 용이하다. 또한 중력과 원심력에 의해 물질이 상방을 향하여 이동하도록 생성되는 힘을 상승력이라 하며, 이러한 상승력의 크기에 따라 물질이 경사면의 상방 및 하방으로 이동하게 된다.

둘째, 유체저항에 의한 항 흐름성 측면의 변수인 마찰력이 있다. 경사면에서 복합적인 유체의 흐름을 방해하는 힘은 다양한 변수에 의해 결정된다. 대표적인 변수로서, 액체의 경우 점도(viscosity)와 응집력(표면장력, surface tension)을 예 로 들 수 있고, 고체의 경우 이동성(movability), 마찰력 등의 힘이 있으며, 반고체(젤)나 혼합물에서는 부착성(adhesiveness)이 있다. 이와 같은 힘들은 마찰력(friction force)과 같은 형태의 힘이라고 설명할 수 있다. 이와 같은 모든 힘들의 합력을 항 흐름성(anti-flow force)이나 항 탈락성(anti-falling force)이라는 용어로 표현할 수 있다.

본 발명의 원심분리기에 의하면 비중의 차이와 항 흐름성이 모두 큰 물질을 그렇지 않은 물질로부터 용이하게 분리할 수 있다. 특별히, 세포를 분리하는 경우, 수득하고자 하는 물질인 세포는 비중의 차이와 항 흐름성이라는 두 가지의 조건을 모두 만족하는 물질이므로 용이하게 분리해낼 수 있는 장점이 있다.

원심분리를 실시하는 동안 용기(20)의 최상층의 유체는 수용부(15)로 배출되었으므로, 용기(20) 내에는 줄기세포와 같이 비중이 큰 물질만이 남는다. 용기는 원심분리기로부터 용이하게 분리할 수 있으며, 원심분리작업 이후에 비중에 따라 나뉘어진 층을 별도로 구분하여 분리시키는 작업을 할 필요가 없으므로 원하는 물질만을 쉽게 얻을 수 있다.

도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 관한 원심분리기의 일부를 도시하는 사시도이다.

본 실시예에 관한 원심분리기의 전체적인 구성과 작용은 상술한 실시예들과 동일하므로 중복된 설명은 생략하고, 차이점을 위주로 설명한다.

본 실시예에 관한 원심분리기에서는 각도조절부의 형태가 변형되었다. 각도조절부는 회전축을 중심으로 회전하는 회전체(60)에 회전 가능하게 결합되는 용 기(20)의 회전각도를 조절하는 동일한 기능을 수행한다.

각도조절부는 용기(20)의 피벗축(22)을 회전시키는 강제동력수단을 포함한다. 본 실시예의 강제동력수단으로는 회전모터(80)가 사용되었는데, 이외에도 용기(20)의 피벗축(22)을 회전시키는 동력을 발생시킬 수 있는 다양한 변형예가 가능할 것이다.

상측에 개구부(23)가 형성되며, 내부에 물질이 수용되는 용기(20)는 회전홀더(21)를 개재하여 회전체(60)에 회전 가능하게 결합된다. 회전홀더(21)에는 피벗축(22)이 형성되며, 피벗축(22)은 회전모터(80)에 축 결합된다. 따라서 회전모터(80)는 회전홀더(21)의 피벗축(22)에 구동력을 부여함으로써 용기(20)의 회전각도를 조절할 수 있다.

이와 같이 용기(20)의 회전 각도를 변경시킴과 아울러 회전체(60)의 회전속도를 제어하여 용기(20) 내부의 원심분리된 물질에 작용하는 원심력을 조절함으로써, 원심분리된 물질의 각층이 용기(20)에서 배출되는 임계점을 선택할 수 있다. 따라서 원심분리된 이후에 용기(20) 내에 존재하는 각 층의 물질 가운데 외부로 배출될 물질을 임의로 선택할 수도 있다.

도 11은 본 발명의 일 실시예에 관한 원심분리방법을 도시하는 흐름도이다.

본 발명에 관한 원심분리방법은, 회전축에 수직한 회전면에 대해 상하 방향으로 자유롭게 회전하는 용기의 내측에 물질을 제공하는 단계(S100)와, 회전축을 제1 속도로 회전시킴으로써 용기 내의 물질을 원심분리하는 단계(S110)와, 회전축이 회전되는 동안 용기의 개구부가 회전면에 대해 하측을 향하고 용기의 단부가 회 전면에 대해 상측을 향하도록 용기의 중심축의 회전면에 대한 각도를 90도 이상 180도 미만의 범위 내에서 조절하는 단계(S120)와, 회전축의 속도를 제1 속도보다 낮은 제2 속도로 감속시켜 용기 내측의 원심분리된 물질의 일부 층을 개구부를 통해 배출시키는 단계(S130)와, 용기의 중심축의 회전축에 대한 각도의 조절을 해제하여 용기의 자중에 의해 용기의 중심축의 회전축에 대한 각도를 원위치시키는 단계(S140)와, 회전축의 회전을 정지시키는 단계(S150)를 포함한다.

물질의 일부 층을 배출시키는 단계(S130)는, 개구부를 통해 배출되는 물질을 용기와 별도로 배치되는 수용부에 담는 단계를 더 포함할 수 있다.

용기는 원심분리기로부터 용이하게 분리할 수 있으며, 원심분리작업 이후에 비중에 따라 나누어진 층을 별도로 구분하여 분리시키는 작업을 할 필요가 없이 원하는 물질만을 쉽게 얻을 수 있다.

본 발명은 상술한 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.

상술한 바와 같은 본 발명의 원심분리기는, 회전축에 수직한 회전면에 대해 상하 방향으로 회전 가능하게 결합되는 용기의 회전각도를 조절할 수 있으므로, 원심분리를 수행한 후에 원심력이 계속 작용하는 가운데 분리된 물질의 각각의 층에 작용하는 중력과 원심력의 차이에 의해 정확하면서도 용이하게 층간을 구분하여 회 수할 수 있는 효과가 있다.

Claims (13)

1. 회전축을 중심으로 회전하며 물질을 분리하는 원심분리기에 있어서,

   상단에 개구부가 형성되어 내측에 물질이 수용되며, 상기 회전축에 수직한 회전면에 대해 상하 방향으로 자유롭게 회전 가능하도록 상기 원심분리기에 결합되는 용기; 및

   상기 원심분리기가 회전되는 동안 상기 용기의 상기 개구부가 상기 회전축에 수직한 상기 회전면에 대해 하측을 향하고 상기 용기의 상기 개구부의 반대측의 상기 용기의 단부가 상기 회전면에 대하여 상측을 향함으로써 원심분리 중 형성된 일부 층이 상기 개구부를 통하여 흘러내리도록, 상기 용기의 상기 중심축의 상기 회전축에 대한 각도를 직각 이상으로 상승시키는 각도조절부를 구비한 원심분리기.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 원심분리기는 상기 원심분리기의 회전속도를 제어하는 회전제어부를 더 구비하는 원심분리기.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 각도조절부는 상기 용기에 자력에 의한 외력을 작용시킴으로써, 상기 용기의 각도를 조절하는 원심분리기.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 각도조절부는 상기 용기의 피벗축을 회전시키는 강제동력수단을 포함하는 원심분리기.
5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 용기의 상기 개구부의 반대측의 단부가 원추형상으로 형성되는 원심분리기.
6. 회전축을 중심으로 회전하는 회전체;

   상단에 개구부가 형성되어 내측에 물질이 수용되며, 상기 회전축에 수직한 회전면에 대해 상하 방향으로 자유롭게 회전 가능하도록 상기 회전체에 피벗 결합되는 용기; 및

   상기 회전체가 회전되는 동안 상기 용기의 상기 개구부가 상기 회전축에 수직한 상기 회전면에 대해 하측을 향하고 상기 용기의 상기 개구부의 반대측의 상기 용기의 단부가 상기 회전면에 대하여 상측을 향함으로써 원심분리 중 형성된 일부 층이 상기 개구부를 통하여 흘러내리도록, 상기 용기의 중심축의 상기 회전축에 대한 각도를 직각 이상으로 상승시키거나 상승된 상태에서 하강시키는 각도조절부를 구비한 원심분리기.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 원심분리기는 상기 회전체의 회전속도를 제어하는 회전제어부를 더 구비하는 원심분리기.
8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,

   상기 각도조절부는 상기 용기에 자력에 의한 외력을 작용시킴으로써, 상기 용기의 각도를 조절하는 원심분리기.
9. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,

   상기 각도조절부는 상기 용기의 피벗축을 회전시키는 강제동력수단을 포함하는 원심분리기.
10. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,

    상기 용기의 상기 개구부의 반대측의 단부가 원추형상으로 형성되는 원심분리기.
11. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,

    상기 원심분리기는 상기 용기의 상기 개구부에서 흘러내리는 물질을 담는 수용부를 더 포함하는 원심분리기.
12. 회전축에 수직한 회전면에 대해 상하 방향으로 자유롭게 회전하는 용기의 내 측에 물질을 제공하는 단계;

    상기 회전축을 제1 속도로 회전시켜 물질을 원심분리하는 단계;

    상기 회전축이 회전되는 동안, 상기 용기의 개구부가 상기 회전면에 대해 하측을 향하고, 상기 용기의 상기 개구부의 반대측의 상기 용기의 단부가 상기 회전면에 대하여 상측을 향하도록, 상기 용기의 중심축의 상기 회전축에 대한 각도를 90도 이상 180도 미만의 범위 내에서 조절하는 단계;

    상기 회전축의 회전속도를 상기 제1 속도보다 낮은 제2 속도로 감속시켜, 상기 용기 내측의 원심분리된 물질의 일부 층을 상기 개구부를 통해 배출시키는 단계;

    상기 용기의 상기 중심축의 상기 회전축에 대한 각도의 조절을 해제하여, 상기 용기의 자중에 의해 상기 용기의 상기 중심축의 상기 회전축에 대한 각도를 원위치시키는 단계; 및

    상기 회전축의 회전을 정지시키는 단계를 포함하는 원심분리방법.
13. 제 12 항에 있어서,

    상기 물질을 배출시키는 단계는, 상기 개구부를 통해 배출되는 물질을 수용부에 담는 단계를 더 포함하는 원심분리방법.

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