В описанных выше центрифугах ротор вращается в воздухе или другом газе при атмосферном давлении. Газообразное трение на вращающемся роторе возрастает с относительно высокой скоростью, поэтому мощность, необходимая для приведения ротора в движение, также быстро увеличивается. В результате температура ротора резко возрастает, иногда превышая температуру кипения воды. Поскольку поверхность ротора у периферии движется быстрее, чем у оси, вдоль радиуса возникает тепловой градиент или изменение температуры через стенку ротора, причем у периферии температура выше, чем у оси. Эти небольшие радиальные температурные градиенты вызывают конвекцию внутри центрифуги, и эти конвекционные течения могут вызывать перемешивание и нарушать процесс седиментации.
Проблемы накопления тепла и конвекции, возникающие в центрифуге из-за сопротивления воздуха, можно избежать, вращая ротор в вакуумированной камере. Устранение сопротивления воздуха также позволяет достичь высоких скоростей вращения при относительно небольших затратах энергии. Многие центрифуги вакуумного типа являются ультрацентрифугами, т.е. работают на скоростях более 20 000 оборотов в минуту. На рисунке 2 показана схема ранней ультрацентрифуги вакуумного типа. Ротор центрифуги, расположенный внутри вакуумной камеры, соединен с турбиной, приводимой в движение воздухом, вертикальным гибким стальным валом небольшого диаметра.
Диаметр ротора типичной ультрацентрифуги вакуумного типа составляет 18 см (7 дюймов), в него помещается 300 мл (10 унций) жидкости под действием центробежного поля силой более 300 000g. Практически все вещества, имеющие важное значение для медицины и биологии, а также все другие вещества с молекулярной массой 50 дальтонов (один дальтон равен 1,66 × 10-24 грамма) и более легко очищаются в центрифуге этого типа. Ротор вакуумной ультрацентрифуги можно заменить на ротор с секторными ячейками и прозрачными окнами, чтобы можно было оптически измерять и фотографировать ход осаждения. Впервые этот метод был использован Т. Сведбергом и Дж.Б. Николсом в 1923 году и впоследствии широко применялся для определения скорости седиментации и размеров многих субмикроскопических частиц, в частности белковых молекул и вирусов.
Центрифуга вакуумного типа может быть использована для определения молекулярных весов практически всех веществ в растворе. В современных коммерческих вакуумных центрифугах воздушный привод и опора заменены на более эффективный и удобный электропривод, а вся машина переработана и стала практически автоматической в своей работе. Современная коммерческая вакуумная ультрацентрифуга стала незаменимым инструментом в лабораториях, где необходимо очищать вещества, важные для биохимии, биофизики, биологии, медицины и фармацевтической промышленности.
Ультрацентрифуга может быть использована двумя основными способами для определения молекулярных весов различных белков. Первый заключается в проведении седиментации в центробежном поле, достаточно высоком, чтобы создать относительно резкую границу седиментации — т.е. границу между седиментирующими молекулами и чистым растворителем. Затем измеряется скорость перемещения этой границы по радиусу к периферии и рассчитывается значение молекулярной массы. Этот метод называется методом скорости седиментации. Второй метод заключается в центрифугировании материала до установления равновесия в центрифужной ячейке — т.е. до тех пор, пока скорость оседания материала не уравновесится обратной диффузией. Если затем определить концентрацию в ячейке на различных радиальных расстояниях, можно рассчитать значение молекулярной массы.
Трубчатые центрифуги вакуумного типа используются для очистки многих биологических материалов, которые не могут быть легко разделены другими способами. Они используются как в качестве непрерывно-поточных, так и в качестве градиентных центрифуг по плотности. Центрифуга с градиентом плотности заключается в создании радиального изменения плотности или градиента в трубчатой центрифуге с медленно осаждающимися нереактивными небольшими молекулами, такими как сахароза или хлорид кальция. Если плотность очищаемого вещества попадает в диапазон искусственного градиента плотности, то оно собирается в тонкую цилиндрическую поверхность определенного радиуса. Если в растворе находится более одного вещества, каждое из них соберется в тонкую цилиндрическую поверхность с радиусом, определяемым плотностью его частиц.
Еще одно важное применение центрифуги вакуумного типа — разделение газов. Когда газ подвергается воздействию центробежного поля, сразу же создается радиальный градиент давления. Следовательно, смесь любых двух газов с разным молекулярным весом может быть разделена в центрифуге, причем более легкий газ концентрируется на оси. В 1919 году, после того как было указано на возможность разделения изотопов элементов с помощью центрифугирования, был предпринят ряд попыток, но все они оказались безуспешными, вероятно, из-за конвекции и перемешивания в центрифуге. В 1937 году изотопы хлора были разделены с помощью ультрацентрифуги вакуумного типа. Использовался метод испарительной центрифуги, при котором материал, подлежащий разделению, поступает в ротор и конденсируется на периферии при неподвижном роторе. Затем ротор приводится в движение до рабочей скорости, и более легкий материал откачивается через полый вал, а более тяжелый остается в центрифуге для последующего сбора. Центрифуга, используемая для разделения газов, должна вращаться как можно быстрее и быть как можно длиннее. Метод центрифугирования подходит для разделения как более тяжелых, так и более легких изотопов, поскольку он зависит от разницы в массах, а не от их абсолютных значений.
С середины 1940-х годов техника газового центрифугирования получила дальнейшее развитие и распространение. Значительных успехов добились специалисты в Германии и Нидерландах. Была разработана удивительно простая газовая центрифуга вакуумного типа, специально приспособленная для разделения изотопов урана. В 1970-х годах в Европе был построен центрифужный завод для коммерческого производства урана-235 реакторного качества для использования на атомных электростанциях.
