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병형·관상·원판형·바스켓 원심분리기들은 회전자가 대기압에서 공기 또는 몇몇 다른 기체 안에서 회전한다.

따라서 회전하는 회전자에 대한 기체마찰이 비교적 높은 비율로 증가하기 때문에 회전자를 구동시키는 동력도 급속히 증가하게 된다. 그 결과 회전자의 온도가 급속히 올라가 때때로 물의 끓는점 이상이 되기도 한다. 회전자의 가장자리 부분은 축 근처보다 더 빨리 움직이므로, 회전자 벽을 따라 온도변화는 축에서 반지름 방향의 가장자리로 갈수록 온도가 더 높다. 이런 작은 반지름 방향의 온도변화에 의해 원심분리기에서 대류가 일어나므로, 침강물이 다시 섞여 요란이 일어날 수 있다(진공기술).

공기저항으로 원심분리기 안에서 생기는 열 증가 및 대류 문제는 회전자를 진공실에서 회전시킴으로써 피할 수 있다.

공기저항을 없애면 비교적 적은 에너지로 고속 회전을 얻을 수 있다. 많은 진공식 원심분리기는 초(超)원심분리기로서 2만rpm 이상의 속도로 작동한다. 그림은 초기 진공식 초원심분리기의 구조를 나타낸 것이다. 진공실 안에 있는 원심분리기 회전자는 지름이 작고 유연한 수직 강철축에 의해 공기로 구동·지지되는 터빈과 연결되어 있다.

전형적인 진공식 초원심분리기의 회전자는 지름이 18㎝이며, 30만G가 넘는 원심장에서 300㎖의 액체를 분리할 수 있다.

실제로 의학과 생물학에서 중요한 모든 물질과 분자량이 50amu(1amu=1.66×10^－24g) 이상인 모든 물질은 이런 형태의 병형 원심분리기로 쉽게 정제할 수 있다. 진공식 초원심분리기의 회전자는 부채꼴 모양의 셀(cell)과 투명유리로 대체할 수 있어서 침강의 진행을 광학적으로 측정하거나 촬영할 수 있다. 이 방법은 T. 스베드베리와 J. B.니콜스가 1923년에 처음으로 사용했으며, 그 이후 초현미경 입자, 특히 단백질 분자와 바이러스의 침강속도 및 크기를 측정하기 위해 폭넓게 사용되었다.

진공식은 실제로 용액 속에 있는 모든 물질의 분자량 결정에도 사용될 수 있다.

현대의 상업용 진공식원심분리기는 공기로 구동·지지하는데 효율이 더 높고 편리한 전동기로 대체되었고, 장치 전체가 다시 설계되어 거의 자동으로 작동되었다. 현재는 생화학·생물물리학·생물학·의학·제약산업 등에서 중요한 물질의 정제가 필요한 실험실에 필수적이다.

초원심분리기는 여러 종류의 단백질 분자량을 측정하기 위해 다음 2가지 주요한 방법을 사용한다.

첫번째는 비교적 뚜렷한 침강경계, 즉 침강 분자와 순수용매 사이의 경계가 만들어지도록 충분히 큰 원심장에서 침강이 일어나게 하는 것이다. 이때 이 경계가 반지름을 따라 가장자리로 움직이는 속도를 측정하여 분자량을 계산하는데, 이것을 침강속도법이라 한다. 2번째 물질의 침전속도가 역확산에 의해 균형이 이루어질 때까지 물질을 원심분리하는 것이다.

따라서 셀에서의 농도를 여러 반지름에서 측정하면 분자량의 값을 계산할 수 있다(밀도차등 원심분리기).

1919년 원심분리로 한 원소의 동위원소를 분리할 수 있다고 보고된 이후 이를 분리하기 위한 많은 시도가 이루어졌지만 모두 실패했는데, 아마 원심분리기에서 대류가 일어나 다시 뒤섞였기 때문인 것으로 여겨진다. 1937년 염소의 동위원소가 진공식 초원심분리기로 분리되었다.

증발 원심분리법은 분리될 물질이 회전자의 정지와 함께 가장자리에 응축된다. 따라서 이 회전자가 작동속도로 구동되면, 더 가벼운 물질은 중공축(中孔軸)을 통해 배출되지만 더 무거운 물질은 뒤에 모이게 될 원심분리기에 남아 있다. 기체분리에 사용되는 원심분리기는 가능한 한 빨리 그리고 오랫동안 회전해야 한다. 이 원심분리법은 가벼운 것뿐 아니라 더 무거운 동위원소를 분리하는 데 적합하다. 왜냐하면 이 분리는 질량의 절대값보다는 오히려 질량의 차이에 따르기 때문이다.

1940년대 중반 이후 기체 원심분리법은 더욱 발전했으며 범위도 넓혀졌다.

독일과 네덜란드의 연구자들은 이 방법으로 상당한 성공을 거두었다. 특히 우라늄 동위원소의 분리에 채택된 아주 간단한 진공식 기체 원심분리기가 고안되었다. 1970년대에는 유럽에 원자력 발전소의 원자로용 우라늄-235(²³⁵U)를 상업적으로 생산하기 위해 원심분리장치가 만들어졌다.