سانتریفیوژ چیست؟ کاربردها، انواع و نحوه عملکرد گریزانه
سانتریفیوژ (یا گریزانه)، ابزاری قدرتمند است که با استفاده از نیروی چرخشی، مواد را بر اساس چگالی از یکدیگر جدا می‌کند. این فرآیند که به سانتریفیوژ کردن یا گریز از مرکز نیز معروف است، کاربردهای گسترده‌ای در زمینه‌های مختلف از آزمایشگاه‌های پزشکی گرفته تا وسایل تفریحی در شهربازی‌ها دارد.
سانتریفیوژ می‌تواند به خود دستگاهی اشاره داشته باشد که محفظه‌ای چرخان دارد و مواد را بر اساس چگالی جدا می‌کند (اسم)، یا به عمل استفاده از این دستگاه (فعل). معمولاً از سانتریفیوژها برای جداسازی مایعات مختلف، ذرات جامد معلق در مایعات و حتی جداسازی گازها استفاده می‌شود. اما کاربرد آن تنها به جداسازی مکانیکی محدود نمی‌شود.
نکات کلیدی در مورد سانتریفیوژ:
- سانتریفیوژ با استفاده از چرخش، مواد را بر اساس چگالی جداسازی می‌کند.
- کاربردهای سانتریفیوژ بسیار متنوع است، از جمله در آزمایشگاه‌های پزشکی و وسایل شهربازی.
- انواع مختلف سانتریفیوژها با سرعت و طراحی متفاوت، مواد گوناگون را جدا می‌کنند.
تاریخچه و پیدایش سانتریفیوژ
ریشه‌های سانتریفیوژ مدرن به قرن هجدهم و دستگاه بازوی چرخانی برمی‌گردد که توسط بنجامین رابینز، مهندس نظامی انگلیسی، برای اندازه‌گیری نیروی پسا طراحی شده بود. در سال 1864، آنتونین پراندتل این تکنیک را برای جداسازی اجزای شیر و خامه به کار برد. در سال 1875، برادر پراندتل، الکساندر، این تکنیک را بهبود بخشید و دستگاهی برای استخراج چربی کره اختراع کرد. امروزه، در حالی که سانتریفیوژها هنوز برای جداسازی اجزای شیر استفاده می‌شوند، کاربرد آن‌ها به بسیاری از زمینه‌های دیگر علم و پزشکی گسترش یافته است. این تکامل، سانتریفیوژ را به ابزاری حیاتی در حوزه‌های گوناگون تبدیل کرده است.
سانتریفیوژ چگونه کار می‌کند؟
سانتریفیوژ نام خود را از نیروی گریز از مرکز می‌گیرد – نیرویی ظاهری که اجسام در حال چرخش را به سمت بیرون می‌کشد. در مقابل، نیروی مرکزگرا، نیروی فیزیکی واقعی است که اجسام در حال چرخش را به سمت داخل می‌کشد. چرخاندن یک سطل آب نمونه خوبی از عملکرد این نیروها است.
اگر سطل به اندازه کافی سریع بچرخد، آب به سمت داخل کشیده می‌شود و بیرون نمی‌ریزد. اگر سطل پر از مخلوطی از ماسه و آب باشد، چرخاندن آن منجر به سانتریفیوژ می‌شود. بر اساس اصل رسوب‌گذاری، هم آب و هم ماسه در سطل به سمت لبه بیرونی سطل کشیده می‌شوند، اما ذرات متراکم ماسه به سمت پایین ته نشین می‌شوند، در حالی که مولکول‌های سبک‌تر آب به سمت مرکز رانده می‌شوند.
شتاب مرکزگرا در واقع شبیه‌سازی گرانش بالاتری است، با این حال، مهم است که به خاطر داشته باشیم گرانش مصنوعی یک محدوده از مقادیر است، بسته به اینکه یک جسم چقدر به محور چرخش نزدیک است، نه یک مقدار ثابت. این اثر هرچه جسم از محور دورتر شود، بیشتر است زیرا در هر چرخش مسافت بیشتری را طی می‌کند. به عبارت دیگر، هرچه فاصله از مرکز چرخش بیشتر باشد، نیروی جداکننده قوی‌تر خواهد بود.
انواع سانتریفیوژ و کاربردهای آن‌ها
انواع مختلف سانتریفیوژها همگی بر اساس یک تکنیک کار می‌کنند، اما در کاربردهایشان تفاوت دارند. تفاوت اصلی بین آن‌ها در سرعت چرخش و طراحی روتور است. روتور، قسمت چرخنده دستگاه است. روتورهای زاویه ثابت، نمونه‌ها را در زاویه ثابت نگه می‌دارند، روتورهای سر متحرک دارای یک لولا هستند که به ظروف نمونه اجازه می‌دهد با افزایش سرعت چرخش به سمت بیرون تاب بخورند و سانتریفیوژهای لوله‌ای پیوسته به جای محفظه‌های نمونه جداگانه، یک محفظه واحد دارند.
کاربردهای کلیدی سانتریفیوژها:
- جداسازی مولکول‌ها و ایزوتوپ‌ها: سانتریفیوژهای فوق سریع و اولتراسانتریفیوژها با چنان سرعت بالایی می‌چرخند که می‌توان از آن‌ها برای جداسازی مولکول‌های با جرم‌های مختلف یا حتی ایزوتوپ‌های اتم‌ها استفاده کرد. جداسازی ایزوتوپ‌ها برای تحقیقات علمی و ساخت سوخت هسته‌ای و سلاح‌های هسته‌ای استفاده می‌شود. به عنوان مثال، از یک سانتریفیوژ گازی می‌توان برای غنی‌سازی اورانیوم استفاده کرد، زیرا ایزوتوپ سنگین‌تر بیشتر از ایزوتوپ سبک‌تر به بیرون کشیده می‌شود.
- در آزمایشگاه: سانتریفیوژهای آزمایشگاهی نیز با سرعت بالایی می‌چرخند. آن‌ها ممکن است به اندازه‌ای بزرگ باشند که روی زمین قرار گیرند یا به اندازه‌ای کوچک باشند که روی یک پیشخوان قرار بگیرند. یک دستگاه معمولی دارای روتوری با سوراخ‌های زاویه‌دار برای نگه داشتن لوله‌های نمونه است. از آنجایی که لوله‌های نمونه در یک زاویه ثابت شده‌اند و نیروی گریز از مرکز در صفحه افقی عمل می‌کند، ذرات قبل از برخورد به دیواره لوله فاصله کمی را طی می‌کنند و به مواد متراکم اجازه می‌دهند به سمت پایین سر بخورند. در حالی که بسیاری از سانتریفیوژهای آزمایشگاهی دارای روتورهای زاویه ثابت هستند، روتورهای سبد چرخان نیز رایج هستند. از این دستگاه‌ها برای جداسازی اجزای مایعات امتزاج‌ناپذیر و سوسپانسیون‌ها استفاده می‌شود. کاربردها شامل جداسازی اجزای خون، جداسازی DNA و خالص‌سازی نمونه‌های شیمیایی است.
- شبیه‌سازی گرانش بالا: از سانتریفیوژهای بزرگ می‌توان برای شبیه‌سازی گرانش بالا استفاده کرد. این ماشین‌ها به اندازه یک اتاق یا ساختمان هستند. از سانتریفیوژهای انسانی برای آموزش خلبانان آزمایشی و انجام تحقیقات علمی مرتبط با گرانش استفاده می‌شود. همچنین ممکن است از سانتریفیوژها به عنوان وسایل شهربازی استفاده شود. در حالی که سانتریفیوژهای انسانی برای رسیدن به 10 یا 12 برابر گرانش زمین طراحی شده‌اند، ماشین‌های غیرانسانی با قطر بزرگ می‌توانند نمونه‌ها را تا 20 برابر گرانش عادی در معرض قرار دهند. از همین اصل ممکن است روزی برای شبیه‌سازی گرانش در فضا استفاده شود.
- سانتریفیوژهای صنعتی: برای جداسازی اجزای کلوئیدها (مانند خامه و کره از شیر)، در تهیه مواد شیمیایی، پاکسازی جامدات از مایع حفاری، خشک کردن مواد و تصفیه آب برای حذف لجن استفاده می‌شوند. برخی از سانتریفیوژهای صنعتی برای جداسازی به رسوب‌گذاری متکی هستند، در حالی که برخی دیگر مواد را با استفاده از یک صفحه یا فیلتر جدا می‌کنند. از سانتریفیوژهای صنعتی برای ریخته‌گری فلزات و تهیه مواد شیمیایی استفاده می‌شود. گرانش متفاوت بر ترکیب فازی و سایر خواص مواد تأثیر می‌گذارد.
- کاربردهای روزمره: سانتریفیوژهای متوسط در زندگی روزمره رایج هستند، عمدتاً برای جداسازی سریع مایعات از جامدات. ماشین‌های لباسشویی در طول چرخه خشک‌کن از سانتریفیوژ برای جداسازی آب از لباس‌ها استفاده می‌کنند. یک دستگاه مشابه آب را از لباس‌های شنا می‌چرخاند. خشک‌کن‌های سبزیجات، که برای شستن و سپس خشک کردن کاهو و سایر سبزیجات استفاده می‌شوند، نمونه دیگری از یک سانتریفیوژ ساده هستند.
تکنیک‌های مرتبط با سانتریفیوژ
در حالی که سانتریفیوژ بهترین گزینه برای شبیه‌سازی گرانش بالاست، تکنیک‌های دیگری نیز برای جداسازی مواد وجود دارند. این تکنیک‌ها شامل فیلتراسیون (صاف کردن)، الک کردن، تقطیر، دکانتاسیون (ته‌نشینی) و کروماتوگرافی می‌شوند. بهترین تکنیک برای یک کاربرد خاص، به خواص نمونه مورد استفاده و حجم آن بستگی دارد.
- شیمی
- علم
