Santrifüj

Bir laboratuvar masa üstü santrifüjü. Rotor adı verilen döner ünitede, pürüzsüz gümüş kenarın içinde görülebilen bir açıyla (dikey) açılmış sabit delikler vardır. Örnek tüpleri bu yuvalara yerleştirilir ve motor döndürülür. Santrifüj kuvveti yatay düzlemde olduğundan ve tüpler belli bir açıyla sabitlendiğinden, partiküllerin tüpün duvarına çarpmadan önce sadece kısa bir mesafe kat etmesi ve ardından aşağıya doğru kayması gerekir. Bu açılı rotorlar rutin kullanım için laboratuvarda çok popülerdir. ⓘ

Santrifüj, bir sıvının çeşitli bileşenlerini ayırmak için merkezkaç kuvveti kullanan bir cihazdır. Bu, sıvının bir kap içinde yüksek hızda döndürülmesi ve böylece farklı yoğunluktaki sıvıların (örneğin sütten krema) veya sıvıların katılardan ayrılmasıyla elde edilir. Daha yoğun maddelerin ve parçacıkların radyal yönde dışarı doğru hareket etmesine neden olarak çalışır. Aynı zamanda, daha az yoğun olan nesneler yer değiştirir ve merkeze doğru hareket eder. Örnek tüpleri kullanan bir laboratuvar santrifüjünde, radyal ivme daha yoğun parçacıkların tüpün dibine çökmesine neden olurken, düşük yoğunluklu maddeler üste çıkar. Santrifüj, kirleticileri ana sıvı gövdesinden ayıran çok etkili bir filtre olabilir. ⓘ

Endüstriyel ölçekli santrifüjler, askıda katı maddeleri çökeltmek veya karışmayan sıvıları ayırmak için üretimde ve atık işlemede yaygın olarak kullanılır. Mandıralarda bulunan krema ayırıcı buna bir örnektir. Çok yüksek ivme sağlayabilen çok yüksek hızlı santrifüjler ve ultrasantrifüjler, nano ölçeğe kadar ince parçacıkları ve farklı kütlelerdeki molekülleri ayırabilir. Büyük santrifüjler yüksek yerçekimi veya ivme ortamlarını simüle etmek için kullanılır (örneğin, test pilotları için yüksek G eğitimi). Orta büyüklükteki santrifüjler çamaşır makinelerinde ve bazı yüzme havuzlarında kumaşlardaki suyu çekmek için kullanılır. Gaz santrifüjleri, bölünebilir izotoplar için nükleer yakıt zenginleştirmek gibi izotop ayrıştırma işlemlerinde kullanılır. ⓘ

Santrifüj, genellikle elektrikli bir motor yardımıyla sabit eksenli, dairesel dönme hareketi gerçekleştiren bir laboratuvar aletidir. ⓘ

Santrifüj aletinin yüksek devir sayısı, içerisine yerleştirilen karışımların çökelme prensibine göre ayrılmasını sağlar. Ağır parçalar merkezkaç kuvveti yardımıyla tüpün alt kısmında toplanır (dairesel harekette dışarı doğru gider). Aynı mantıkla daha hafif parçalar tüpün üst kısmına doğru hareket eder (dairesel hareketin merkezine doğru yol alır). Süspansiyonlar veya emülsiyonlar bu sekilde kolaylıkla ayrılabilir. Örneğin kan, en üst kısmında serum, orta kısımda yağ, alt kısımda ise pıhtı kalacak şekilde ayrıştırabilir. ⓘ

Tarihçe

İngiliz askeri mühendis Benjamin Robins (1707-1751) sürüklenmeyi belirlemek için dönen bir kol aparatı icat etti. 1864 yılında Antonin Prandtl, kremayı sütten ayırmak için bir süt santrifüjü fikrini ortaya attı. Bu fikir daha sonra kardeşi Alexander Prandtl tarafından uygulamaya konmuş, Prandtl kardeşinin tasarımında iyileştirmeler yapmış ve 1875 yılında çalışan bir tereyağı çıkarma makinesi sergilemiştir. ⓘ

Türler

Tam kan genellikle bir santrifüj kullanılarak saklama ve taşıma için bileşenlerine ayrılır ⓘ

Santrifüj makinesi, içeriğine merkezkaç kuvveti uygulayan ve hızla dönen bir kaba sahip bir makine olarak tanımlanabilir. Kullanım amacına veya rotor tasarımına göre sınıflandırılabilen birden fazla santrifüj türü vardır: Rotor tasarımına göre tipler:

• Sabit açılı santrifüjler, numune kaplarını merkezi eksene göre sabit bir açıda tutacak şekilde tasarlanmıştır.
• Döner başlıklı (veya döner kovalı) santrifüjler, sabit açılı santrifüjlerin aksine, numune kaplarının merkezi rotora tutturulduğu bir menteşeye sahiptir. Bu, santrifüj döndürülürken tüm numunelerin dışarı doğru sallanmasını sağlar.
• Sürekli boru şeklindeki santrifüjlerde ayrı numune kapları bulunmaz ve yüksek hacimli uygulamalar için kullanılır. ⓘ

Kullanım amacına göre tipler:

• Laboratuvar santrifüjleri, farklı ancak örtüşen özelliklere sahip çeşitli tiplerde genel amaçlı cihazlardır. Bunlar klinik santrifüjleri, süper hızlı santrifüjleri ve preparatif ultrasantrifüjleri içerir.
• Analitik ultrasantrifüjler, Theodor Svedberg tarafından geliştirilen ilkeleri kullanarak makromoleküllerin sedimantasyon analizini gerçekleştirmek için tasarlanmıştır.
• Hematokrit santrifüjleri, tam kandaki kırmızı kan hücrelerinin hacim yüzdesini ölçmek için kullanılır.
• Gaz fazında izotopik ayırmalar için Zippe tipi santrifüjler de dahil olmak üzere gaz santrifüjleri. ⓘ

Endüstriyel santrifüjler, yüksek yoğunluklu fraksiyonun düşük yoğunluklu fraksiyondan ayrılma türüne göre de sınıflandırılabilir. ⓘ

Genel olarak iki tip santrifüj vardır: filtrasyon ve sedimantasyon santrifüjleri. Filtrasyon veya elek santrifüjü olarak adlandırılan santrifüj için tambur deliklidir ve filtre bezi, tel örgü veya lot elek gibi bir filtre ile yerleştirilir. Süspansiyon filtreden ve delikli duvarlı tamburdan içeriden dışarıya doğru akar. Bu şekilde katı madde tutulur ve uzaklaştırılabilir. Çıkarma türü santrifüj tipine bağlıdır, örneğin manuel veya periyodik olarak. Yaygın tipler şunlardır:

• Elek/scroll santrifüjler (Santrifüj ivmesinin sıvının, katıların geçemediği (elek boşluğundan daha büyük granülometri veya aglomerasyon nedeniyle) bir tür elekten geçmesine izin verdiği elek santrifüjleri)
• İtici santrifüjler
• Soyucu santrifüjler
• Ters çevrilebilir filtre santrifüjleri
• Kayar boşaltma santrifüjleri
• Sarkaç santrifüjler
• Sedimantasyon santrifüjleri

Santrifüjlerde tambur katı bir duvardır (delikli değildir). Bu tip santrifüjler bir süspansiyonun saflaştırılması için kullanılır. Süspansiyonun doğal birikim sürecinin hızlandırılması için santrifüjler merkezkaç kuvveti kullanır. Taşmalı santrifüjlerde süspansiyon boşaltılır ve sıvı sürekli olarak eklenir. Yaygın tipler şunlardır:

• Ayırıcı santrifüjler (Sürekli sıvı); yaygın tipler şunlardır:
  • Katı hazneli santrifüjler
  • Konik plakalı santrifüjler
• Borulu santrifüjler
• Dekantör santrifüjler, katı ve sıvı faz arasında fiziksel bir ayrımın olmadığı, bunun yerine santrifüj ivmesi nedeniyle hızlandırılmış bir çökelmenin olduğu santrifüjlerdir. ⓘ

Modern santrifüjlerin çoğu elektrikle çalışsa da, gelişmekte olan ülkelerdeki tıbbi uygulamalar için fırıldaktan esinlenen elle çalışan bir varyant geliştirilmiştir. ⓘ

Dijital olarak üretilebilen ücretsiz ve açık kaynaklı santrifüjler için birçok tasarım paylaşılmıştır. Daha büyük hacimli sıvılar için 1750 rpm'nin üzerinde radyal hıza ve 50 N'nin üzerinde bağıl santrifüj kuvvetine sahip elle çalıştırılan santrifüj için açık kaynaklı donanım tasarımları, yaklaşık 25 $ karşılığında tamamen 3 boyutlu olarak basılabilir. Diğer açık donanım tasarımları, düşük maliyetli santrifüjler (örneğin bir Dremel elektrikli el aleti kullanan Dremelfuge) veya CNC kesim OpenFuge yapmak için ucuz elektrik motorları ile özel 3-D baskılı fikstürler kullanır. ⓘ

Kullanım Alanları

Küçük bir laboratuvar santrifüjüne yerleştirilen numuneler ⓘ

Laboratuvar ayırmaları

Kimya, biyoloji, biyokimya ve klinik tıpta süspansiyonları ve karışmayan sıvıları izole etmek ve ayırmak için çok çeşitli laboratuvar ölçekli santrifüjler kullanılır. Hız, kapasite, sıcaklık kontrolü ve diğer özellikler bakımından büyük çeşitlilik gösterirler. Laboratuvar santrifüjleri genellikle farklı sayıda santrifüj tüpü taşıyabilen ve belirli maksimum hızlar için derecelendirilmiş bir dizi farklı sabit açılı ve döner kovalı rotoru kabul edebilir. Kontroller, basit elektrikli zamanlayıcılardan hızlanma ve yavaşlama oranlarını, çalışma hızlarını ve sıcaklık rejimlerini kontrol edebilen programlanabilir modellere kadar çeşitlilik gösterir. Ultrasantrifüjler rotorları vakum altında döndürerek hava direncini ortadan kaldırır ve tam sıcaklık kontrolü sağlar. Zonal rotorlar ve sürekli akış sistemleri, laboratuvar ölçekli bir cihazda sırasıyla toplu ve daha büyük numune hacimlerini işleme kapasitesine sahiptir. Laboratuvarlardaki bir diğer uygulama da kan ayrıştırmadır. Kan, hücrelere ve proteinlere (RBC, WBC, trombositler, vb.) ve seruma ayrılır. DNA hazırlama, farmakogenetik ve klinik tanı için bir başka yaygın uygulamadır. DNA örnekleri saflaştırılır ve DNA, tamponlar eklenerek ve ardından belirli bir süre santrifüjlenerek ayrıştırma için hazırlanır. Daha sonra kan atığı uzaklaştırılır ve başka bir tampon eklenerek santrifüjün içinde tekrar döndürülür. Kan atığı çıkarıldıktan ve başka bir tampon eklendikten sonra pelet süspanse edilebilir ve soğutulabilir. Proteinler daha sonra çıkarılabilir ve her şey tekrar santrifüjlenebilir ve DNA tamamen izole edilebilir. Özel sitosantrifüjler tıbbi ve biyolojik laboratuvarlarda mikroskobik inceleme için hücreleri konsantre etmek amacıyla kullanılır. ⓘ

İzotop ayrıştırma

İlki Zippe tipi santrifüj olmak üzere diğer santrifüjler izotopları ayırır ve bu tür santrifüjler nükleer enerji ve nükleer silah programlarında kullanılmaktadır. ⓘ

Havacılık ve astronotik

NASA Ames Araştırma Merkezi'ndeki 20 g santrifüj ⓘ

İnsan santrifüjleri, pilotların ve astronotların Dünya'nın yerçekiminde tecrübe edilenin üzerinde bir hızlanmaya karşı tepkilerini ve toleranslarını test eden son derece büyük santrifüjlerdir. ⓘ

İnsan araştırmaları için kullanılan ilk santrifüjler Charles Darwin'in büyükbabası Erasmus Darwin tarafından kullanılmıştır. Havacılık eğitimi için tasarlanan ilk büyük ölçekli insan santrifüjü 1933 yılında Almanya'da kuruldu. ⓘ

Teksas'taki Brooks City Üssü'nde bulunan ABD Hava Kuvvetleri, Ohio'daki Wright-Patterson AFB'de inşa edilmekte olan yeni insan santrifüjünün tamamlanmasını beklerken bir insan santrifüjü işletmektedir. Brooks City Üssü'ndeki santrifüj, Hava Kuvvetleri'ne ait savaş uçaklarında yüksek g hızlarında uçuş yapacak pilot adaylarını eğitmek ve değerlendirmek amacıyla Birleşik Devletler Hava Kuvvetleri Havacılık ve Uzay Tıbbı Okulu tarafından işletilmektedir. ⓘ

Gelecekteki uzun süreli uzay görevleri için yerçekimi hissini simüle etmek üzere büyük santrifüjlerin kullanılması önerilmiştir. Bu simüle edilmiş yerçekimine maruz kalmak, uzun süre serbest düşüşe maruz kalan bireyleri etkileyen kemik dekalsifikasyonunu ve kas atrofisini önleyecek veya azaltacaktır. ⓘ

İnsan dışı santrifüj ⓘ

Avrupa Uzay Ajansı (ESA) teknoloji merkezi ESTEC'te (Noordwijk, Hollanda'da) 8 metre çapında bir santrifüj, hem Yaşam Bilimleri hem de Fizik Bilimleri alanlarındaki numuneleri açığa çıkarmak için kullanılmaktadır. Bu Büyük Çaplı Santrifüj (LDC) 2007 yılında faaliyete geçmiştir. Numuneler Dünya yerçekiminin maksimum 20 katına maruz bırakılabilmektedir. Dört kolu ve serbestçe salınabilen altı gondoluyla, numuneleri aynı anda farklı g seviyelerine maruz bırakmak mümkündür. Gondollar sekiz farklı pozisyonda sabitlenebilir. Konumlarına bağlı olarak, örneğin aynı çalışmada 5 ve 10g'de bir deney yapılabilir. Her bir gondol maksimum 80 kg'lık bir deneyi taşıyabilir. Bu tesiste gerçekleştirilen deneyler zebra balığı, metal alaşımları, plazma, hücreler, sıvılar, Planaria, Drosophila veya bitkiler arasında değişmektedir. ⓘ

Endüstriyel santrifüj separatör

Endüstriyel santrifüj ayırıcı, partikülleri taşlama işleme soğutma sıvısı gibi sıvıdan ayırmak için kullanılan bir soğutma sıvısı filtreleme sistemidir. Genellikle silikon, cam, seramik ve grafit gibi demir dışı partiküllerin ayrıştırılması için kullanılır. Filtreleme işlemi, filtre torbaları gibi herhangi bir tüketim parçası gerektirmez, bu da dünyayı zarardan korur. ⓘ

Geoteknik santrifüj modellemesi

Geoteknik santrifüj modelleme, zemin içeren modellerin fiziksel olarak test edilmesi için kullanılır. Santrifüj ivmesi, yerçekimi ivmesini ölçeklendirmek ve ölçekli modellerde prototip ölçekli gerilmelerin elde edilmesini sağlamak için ölçekli modellere uygulanır. Patlama yüklemesi ve deprem sarsıntısı gibi etkiler de dahil olmak üzere bina ve köprü temelleri, toprak barajlar, tüneller ve şev stabilitesi gibi problemler. ⓘ

Malzemelerin sentezi

Santrifüj tarafından oluşturulan yüksek yerçekimi koşulları kimya endüstrisinde, dökümde ve malzeme sentezinde uygulanır. Konveksiyon ve kütle transferi yerçekimi koşullarından büyük ölçüde etkilenir. Araştırmacılar, yüksek yerçekimi seviyesinin ürünlerin faz bileşimini ve morfolojisini etkili bir şekilde etkileyebileceğini bildirmiştir. ⓘ

Ticari uygulamalar

Şeker kristallerini ayırmak için şeker santrifüj makineleri ⓘ

• (Elde yıkanmış) çamaşırları kurutmak için bağımsız santrifüjler - genellikle bir su çıkışı ile.
• Çamaşır makineleri, çamaşır yüklerindeki fazla sudan kurtulmak için santrifüj görevi görecek şekilde tasarlanmıştır.
• Santrifüjler Mission: Walt Disney World'deki Epcot'ta bulunan ve uzaya gitme hissini simüle etmek için bir santrifüj ve hareket simülatörünün bir kombinasyonunu kullanarak binicileri iten SPACE.
• Zemin mekaniğinde santrifüjler, ölçekli bir modelde toprak gerilimlerini gerçekte bulunanlarla eşleştirmek için santrifüj ivmesini kullanır.
• Büyük endüstriyel santrifüjler genellikle su ve atık su arıtımında çamurları kurutmak için kullanılır. Elde edilen kuru ürün genellikle kek olarak adlandırılır ve katıların çoğu çıkarıldıktan sonra bir santrifüjden çıkan suya santrat denir.
• Büyük endüstriyel santrifüjler petrol endüstrisinde sondaj sıvısından katı maddeleri uzaklaştırmak için de kullanılır.
• Petrol kumu endüstrisindeki bazı şirketler tarafından bitümden az miktarda su ve katı maddeyi ayırmak için kullanılan disk yığını santrifüjler
• Santrifüjler sütten kremayı ayırmak (yağı çıkarmak) için kullanılır; bkz. ayırıcı (süt). ⓘ

Matematiksel açıklama

Santrifüjleme protokolleri tipik olarak dakika başına devir gibi bir dönüş hızı belirtmek yerine numuneye uygulanacak ivme miktarını belirtir. Bu ayrım önemlidir çünkü aynı dönüş hızında çalışan farklı çaplara sahip iki rotor numuneleri farklı ivmelere maruz bırakacaktır. Dairesel hareket sırasında ivme, yarıçap ile açısal hızın karesinin çarpımıdır $\omega$ve "g "ye göre ivme geleneksel olarak "göreli merkezkaç kuvveti" (RCF) olarak adlandırılır. İvme, Dünya yüzeyindeki yerçekimine bağlı standart ivme olan "g" (veya × "g") ifadesinde verilen boyutsuz bir niceliğin katları olarak ölçülür:

19. yüzyılda elle çalıştırılan bir laboratuvar santrifüjü. ⓘ

${\text{RCF}}={\frac {r\omega ^{2}}{g}}$ ⓘ

nerede

$\textstyle g$ Dünya'nın yerçekimi ivmesidir,

$\textstyle r$ dönme yarıçapıdır,

$\omega$ birim zamanda radyan cinsinden açısal hızdır ⓘ

Bu ilişki şu şekilde yazılabilir

${\text{RCF}}={\frac {10^{-3}r_{\text{mm}}\,\left({\frac {2\pi N_{\text{RPM}}}{60}}\right)^{2}}{g}}$ ⓘ

veya ⓘ

${\text{RCF}}=1.118(2)\,\times 10^{-6}\,r_{\text{mm}}\,N_{\text{RPM}}^{2}$ ⓘ

nerede

$\textstyle r_{\text{mm}}$ milimetre (mm) cinsinden ölçülen dönme yarıçapıdır ve

$\textstyle N_{\text{RPM}}$ dakika başına devir (RPM) cinsinden ölçülen dönme hızıdır. ⓘ

Her seferinde matematiksel bir hesaplama yapmak zorunda kalmamak için, belirli bir yarıçapta bir rotor için RCF'yi rpm'ye dönüştürmek için nomogramlar bulunabilir. Bir ölçekte yarıçap ve başka bir ölçekte istenen RCF ile hizalanmış bir cetvel veya başka bir düz kenar, üçüncü ölçekte doğru rpm'yi gösterecektir. Otomatik rotor tanımaya dayalı olarak, modern santrifüjlerde RCF'den rpm'ye veya tam tersine otomatik dönüşüm için bir düğme bulunur. ⓘ

Tasarımı ve çeşitleri

Santrifüjde, istenen karışımın asılabileceği, sallanabilen seleler bulunur. Motor çalışmaya başlayınca tüpler yatay konuma yaklaşır. ⓘ

Bir diğer tasarım şeklinde, tüplerin yerleştirileceği eğimli yataklar bulunur. Tüpler dönme esnasında açılarını korur. ⓘ

Kullanım alanları

• Serum üretimi
• Süspansiyon ayrıştırma
• İzotop ayırma
• Astronomi
• Geoteknik modelleme
• Ticari uygulamalar
• Süt sanayii ⓘ

ⓘ