フィルトレーションと遠心分離の違い

ろ過と遠心分離という2つの分離技術の違いについて詳しく分析する前に、分離技術とは何かについて見てみましょう。生物科学や工学の分野では、混合物から目的の成分を分離するために、分離技術が用いられます。混合成分を2種類以上の異なる成分に変換する物質移動現象である。混合物の分離は、混合物の成分間の化学的または物理的性質の違い（質量、密度、サイズ、形状、化学的親和性など）に依存します。分離技術は、分離を達成するために使用する具体的な違いによって分類されることが多い。濾過や遠心分離は、目的とする粒子の物理的な動きだけを利用した分離技術として一般的に用いられている。ろ過と遠心分離の主な違いは、使用する力と方法です。ろ過は、一般的にふるい分け技術を使って、重力の助けを借りて汚染物質や不要物をろ過・除去します。これは、メディア、メンブレン、フィルターなどの物理的なバリアによって達成することができます。遠心分離は、遠心力を利用して、目的の化合物と粒子を分子量に応じて分離する方法です。分離には遠心分離機が使われます。密度の高い化合物は、遠心分離機の外側に移され、そこから除去される。今回は、ろ過と遠心分離の違いについて詳しく説明しましょう。

フィルトレーションは何ですか？

ろ過は、混合物や懸濁液中の所望の粒子や成分を分離するために使用されます。用途に応じて、ろ過は1つまたは複数の対象成分を分離するために使用することができます。化学組成の異なる物質を分離・精製するための物理的分離法であり、化学、食品科学、工学の分野で非常に重要視されている。ろ過プロセスでは、単一または複数の孔のあいた層で分離が行われる。ろ過の過程で、孔の開いた層を通過できないほど大きな粒子は保持される。この大きな粒子は、フィルターの上部に残留物やケーキ層を形成し、またフィルターメッシュを詰まらせて、液相がフィルターを通過するのを妨げる可能性があります。

遠心分離は何ですか？

遠心分離は、複雑な液体混合物/スラリーから、遠心分離機を用いて目的の成分を分離するプロセスです。遠心分離により、遠心チューブの底の沈殿物をより速く、より完全に分離することができます**。残った液体を上澄み液と呼びます。その後、上清を沈殿を乱すことなく素早くチューブから移すか、パスツールピペットを用いて除去する。遠心分離時の粒子の沈降は、遠心加速度、粒子の大きさと形状、存在する固体の体積率、粒子と流体の密度差、粘性に依存します。

フィルトレーションと遠心分離の違い

ろ過と遠心分離の定義

ろ過: 液体から不要なものを取り除く行為またはその過程。

遠心分離：溶液または混合物の軽い部分を分離するプロセス。

ろ過特性、遠心特性

ろ過と遠心分離には、それぞれはっきりとした特徴があり、次のように分類することができます。

使用する力

ろ過：重力を利用してろ過を行う。

遠心式：遠心力を利用して遠心分離を行う。

装置

ろ過：ふるい、穴あき層、フィルター、媒体、物理膜、フィルターファンネル、またはそれらの組み合わせを使用することができる。ろ過を助けるために、ろ過助剤を使用することができるものもあります。これらは通常、非圧縮性の珪藻土やシリカである。

遠心分離：遠心分離機と遠心分離機を使用する。

操作方法

ろ過：混合物中の大きな粒子はフィルターのメッシュ/多孔質構造を通過できず、液体と小さな粒子は重力によって通過してろ過液となる（図1）

ケーキの底の液体を濃くするために、遠心力によってケーキを底に落とすことができる。この方法は、特に濾過性の悪い固形物（ゲル状や微粒子など）を分離するのに適しています。(図2)

タイプ

ろ過：目的に応じて、高温ろ過、低温ろ過、真空ろ過の3つのろ過方式がある。高温ろ過技術は、主に高温の溶液から固形物を分離するために使用されます。これは、溶液と接触しているフィルターファンネル内での結晶化を避けるためである。冷却濾過法は、主に結晶化させる溶液を急速に冷却するために使用されます。この方法では、溶液を室温までゆっくり冷却して得られる大きな結晶ではなく、非常に小さな結晶を得ることができる。真空ろ過法は、主に小バッチの溶液を迅速に乾燥させるために使用されます。高温・低温濾過に比べ、最も効率の良い濾過技術である。

遠心分離：遠心分離法には、微量遠心分離機、高速遠心分離機、超遠心分離機の3種類があります。微量遠心分離機は、一般的に研究活動において、少量の生体分子を処理するために使用されます。この機械はテーブルの上に置けるほど小さいです。高速遠心分離機は、より大量の試料を扱うことができ、主に大規模な工業用アプリケーションで使用されています。超遠心機は、主に生物粒子の性質を調べるなどの研究目的で使用されています。微量遠心分離機や高速遠心分離機に比べ、最も効率的な分離方法です。

目的

ろ過：ろ過の主な目的は、混合物から不純物を取り除くこと、または混合物から固形物を分離して目的の結果を得ることである。

遠心分離: 遠心分離の主な目的は、溶液から固体を分離することです。

効率性

ろ過：単純なろ過技術では、必要な物質を分離するのに多大な時間がかかるため、遠心分離よりも効率が悪い。

遠心分離：ろ過技術に比べ、分離が非常に速く行われるため、ろ過よりも効果的である。

デメリット

ろ過：ごく少量をろ過すると、溶液のほとんどがろ紙に吸収されることがある。ゲル状や微粒子を含む混合物は、うまくろ過できない。そのため、これらの混合物の遠心分離を利用することができる。

遠心分離：ろ過技術とは異なり、独自の技術と電力を必要とする方法です。

費用

濾過：コストは濾過プロセスの複雑さに依存し、多くの場合、単純な濾過技術では電気や訓練された人員を必要としない。そのため、遠心分離方式に比べて関連コストが低くなる可能性があります。

遠心分離：電気と訓練された技術者を必要とするため、単純なろ過技術に比べコストがかかる。

アプリケーション

ろ過：コーヒーフィルター、水フィルター、粒子状物質を除去するファーネスフィルター、フィルターを用いた空気輸送システム、実験室ではガラス製ファンネル、ブリネルファンネル、焼結ガラスファンネルなどがろ過に使用されています。人間の腎臓では、腎臓濾過により血液が濾過され、生体の恒常性維持に不可欠な多くの元素が選択的に再吸収されている。

遠心分離：最も一般的な用途のひとつが下水汚泥の処理で、高濃度の懸濁液から固形分を分離する。遠心分離は、ウラン濃縮プロセスにも使われている。このほか、生物学的な研究でも、混合物から目的の固体や液体を分離する技術として使われている。また、法医学や医学の研究室では、牛乳から脂肪分を除去して脱脂乳を製造したり、ワインの透明化や安定化、尿成分や血液成分の分離に遠心分離が用いられている。

  References: Harrison, Roger G., Todd, Paul, Rudge, Scott R. and Petrides D.P. Bioseparati*** Science and Engineering. Oxford University Press, 2003. Cao, W. and Demeler B. (2008). Modeling Analytical Ultracentrifugation Experiments with an Adaptive Space-Time Finite Element Solution for Multicomponent Reacting Systems. バイオフィジカルジャーナル(95), 54-65.